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第二单元　化学能与电能的转化
第1课时　原电池的工作原理
[核心素养发展目标]　
1.宏观辨识与微观探析：以铜锌原电池为例，从宏观和微观的角度分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式。
2.变化观念与平衡思想：进一步理解化学能与电能的相互转化，认识从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性。
一、原电池的工作原理
1．实验探究：锌和硫酸铜溶液反应中的能量转化
操作
向一只烧杯中加入1.0
mol·L－1CuSO4溶液约30
mL，再加入适量锌粉，用温度计测量溶液的温度，观察温度的变化
现象
Zn逐渐溶解，有红色物质生成，溶液温度升高，颜色变浅
能量转化
化学能转化为热能
微观探析
Zn把电子直接传递给Cu2＋，离子方程式：Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋
2.实验探究：铜锌原电池的构造与工作原理
装置示意图
实验现象
锌片逐渐溶解，铜片上有红色固体生成，质量增加，溶液颜色变浅，电流计指针发生偏转，用温度计测量两烧杯溶液的温度几乎不变
能量转化
化学能转化为电能
微观探析
在硫酸锌溶液中，负极一端的Zn失去电子被氧化成Zn2＋进入溶液
在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2＋获得电子被还原成Cu沉积在铜片上
电子或离子
移动方向
(1)导线(外电路)中，电子从Zn片(负极)移向Cu片(正极)。
(2)盐桥(内电路)中的Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液
工作原理
负极：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)
正极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)
总反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
3.盐桥原电池工作原理
(1)定义：原电池是将化学能转化为电能的装置。
(2)电极名称及电极反应
①负极：发生氧化反应，给出电子。
②正极：发生还原反应，得到电子。
(3)构造
①两个半电池；
②电极材料(两种金属或一种金属和一种能导电的非金属)和电解质溶液。
③两个隔离的半电池通过盐桥连接起来。
(4)盐桥的作用
①形成闭合回路；
②平衡两侧溶液的电荷，使溶液保持电中性；
③避免电极与电解质溶液直接反应，相比单液原电池有利于最大程度地将化学能转化为电能。
(1)原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应(　×　)
(2)原电池中电流的方向是负极→导线→正极(　×　)
(3)原电池中负极发生的反应是还原反应(　×　)
(4)铜锌原电池中电子由锌电极经过溶液流向铜电极(　×　)
(5)在原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极(　√　)
1．上述铜锌原电池中：
(1)若用温度计测量装置内溶液的温度，溶液的温度无变化，由此说明的问题是什么？
提示　CuSO4溶液中的Cu2＋不能与锌直接反应。
(2)若取出盐桥，电流计指针是否还会发生偏转？为什么？
提示　不偏转。如果要使电流计指针发生偏转，该装置中必须形成闭合回路。若取出盐桥，很显然该装置未形成闭合回路。
2．在原电池中，哪极的电势高？
提示　正极的电势高。
1．下列装置中，能构成原电池的是(　　)
答案　D
2．根据原电池的工作原理，写出下列电池的电极反应式。
(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池：
①正极反应式是________________________________________________________________；
②负极反应式是________________________________________________________________；
③原电池总反应的离子方程式是__________________________________________________。
(2)有人用原电池原理除去银器皿表面的黑色硫化银，其处理方法：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器皿浸入溶液中，放置一段时间后，有臭鸡蛋气味的气体放出，银器皿表面的黑色会褪去而银不会损失。在此形成的原电池中：
①负极反应式是________________________________________________________________；
②正极反应式是________________________________________________________________；
③总反应式是__________________________________________________________________。
答案　(1)①2H＋＋2e－===H2↑　②Fe－2e－===Fe2＋
③Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)①2Al－6e－===2Al3＋　②3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－　③3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑
解析　(2)“黑色褪去而银不会损失”，必然发生变化：Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应：3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－，负极反应应为活泼金属发生氧化反应：2Al－6e－===2Al3＋，正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中都能水解且相互促进：2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑，有臭鸡蛋气味的硫化氢气体产生。则原电池的总反应：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑。
(1)原电池工作原理示意图
(2)一般电极反应式的书写方法
①找出氧化剂和还原剂，判断原电池的正、负极。
②结合介质的酸碱性确定还原产物和氧化产物。
③写出电极反应式，将两式相加得总反应式。
二、原电池原理的应用
1．比较金属活动性强弱
对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。
例如：a和b两种金属，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生，则a为负极，b为正极，金属活动性：a>b。
2．加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
3．设计原电池
(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。
(2)外电路：还原性较强的物质在负极上失去电子，氧化性较强的物质在正极上得到电子。
(3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。
请用CuCl2溶液、FeCl2溶液、盐桥、铁片、石墨棒设计原电池，实现电池反应：CuCl2＋Fe===FeCl2＋Cu。
设计思路
示例
把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应
氧化反应(负极)：Fe－2e－===Fe2＋
还原反应(正极)：Cu2＋＋2e－===
Cu
以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液
负极材料：铁片
正极材料：石墨棒
电解质溶液
画出示意图
(盐桥原电池)
(1)构成原电池两个电极的材料必须是两种金属(　　)
(2)将Mg和Al用导线连接放入NaOH溶液，Al不断溶解，说明活泼性：Mg＜Al(　　)
(3)足量的Zn与稀H2SO4反应时，滴入CuSO4溶液可以加快反应速率，因为c(SO)增大(　　)
(4)增大电解质溶液的浓度，能加快原电池反应的速率(　　)
(5)所有的氧化还原反应都能设计成原电池(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
1．实验室常用锌与稀硫酸反应制取氢气。
(1)若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀硫酸反应制取氢气，哪种方法产生氢气的速率快？
提示　粗锌中的锌、铁、碳与稀硫酸形成了原电池，加快了反应速率。
(2)若用纯锌与稀硫酸反应，常向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，为什么？
提示　锌与硫酸铜溶液反应生成铜，铜、锌与稀硫酸形成原电池，可加快反应速率。
2．在原电池中，金属活动性强的电极一定作负极吗？
提示　不一定，原电池的正负极不只与金属活动性相对强弱有关，还与电解质溶液有关，如Mg、Al和NaOH溶液构成的原电池中，活动性Mg比Al强，但却是Al作负极。
3．某同学将反应2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑设计为原电池，装置如图，请分析此同学设计的装置是否正确，为什么？
提示　不正确。常温下，Al在浓硝酸中发生钝化而被保护。
4．根据反应HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，能设计成原电池吗？为什么？
提示　不能。该反应不属于氧化还原反应，无电子的转移。
1．10
mL
1
mol·L－1硫酸溶液与过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是(　　)
A．加入适量的3
mol·L－1硫酸溶液
B．加入适量的蒸馏水
C．加入数滴硫酸铜溶液
D．加入适量的硫酸钠溶液
答案　C
解析　加入适量的3
mol·L－1的硫酸，增大了氢离子的浓度，也增大了氢离子的物质的量，故A错误；加入适量蒸馏水，氢离子的浓度减小，不改变氢离子的物质的量，化学反应速率减小，故B错误；加入数滴硫酸铜溶液，Zn足量，构成铜锌原电池，加快反应速率，且没有改变氢离子的物质的量，不影响生成的氢气的总量，故C正确；加入适量的硫酸钠溶液，氢离子的浓度减小，不改变氢离子的物质的量，化学反应速率减小，故D错误。
2．某原电池的结构示意图如图，下列说法不正确的(　　)
A．原电池工作时的总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该反应一定为放热反应
B．原电池工作时，Zn电极失去电子，发生氧化反应
C．原电池工作时，铜电极上发生氧化反应，CuSO4溶液蓝色变深
D．如果将Cu电极改为Fe电极，Zn电极依然作负极
答案　C
3．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验
装置
部分
实验
现象
a极质量减小，b极质量增加
b极有气体产生，c极无变化
d极溶解，c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A．a>b>c>d
B．b>c>d>a
C．d>a>b>c
D．a>b>d>c
答案　C
4．设计原电池Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图(标出电极材料、电解质溶液)。
负极材料：________，电极反应：________________________________________________；
正极材料：________，电极反应：________________________________________________。
答案　Cu　Cu－2e－===Cu2＋　碳棒　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
设计原电池时电解质溶液和电极材料的选择
(1)电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则烧杯中的电解质溶液应含有与电极材料相同元素的阳离子。
(2)电池的电极材料必须能导电。
题组一　原电池工作原理
1．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是(　　)
A．均发生了化学能转化为电能的过程
B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物
C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向Cu
D．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高
答案　B
解析　甲、乙均为原电池，A项正确；Zn为负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，Cu为正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，B项错误；电子均由Zn经导线流向Cu，C项正确；图乙中Zn没有直接与CuSO4溶液接触，能最大限度地将化学能转化为电能，D项正确。
2.下列关于原电池的叙述正确的是(　　)
A．在外电路中，电流由铜电极流向银电极
B．正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu
C．实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
D．将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
答案　D
解析　该原电池中Cu作负极，Ag作正极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋(负极)，2Ag＋＋2e－===2Ag(正极)，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反，D选项正确。
3．如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是(　　)
A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极
B．电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu
C．该原电池的总反应：2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋
D．盐桥中装有含氯化钾饱和溶液的琼脂，其作用是传递电子
答案　C
解析　该原电池所发生的反应实质是Fe3＋与Cu的反应，C正确；电极Ⅰ上发生还原反应，作正极，A错；电极Ⅱ为负极，电极反应式为Cu－2e－===
Cu2＋，B错；电子在负极上产生后经导线传递到正极，不可能通过溶液和盐桥，D错。
4.(2020·泰安高二检测)铜锌原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是(　　)
A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
答案　C
解析　锌电极是原电池的负极，发生氧化反应，铜电极是原电池的正极，发生还原反应，A项错误；阳离子交换膜不允许阴离子通过，所以电池工作一段时间后，甲池的c(SO)不变，B项错误；乙池发生的电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，溶液中Cu2＋逐渐减少，为维持溶液中的电荷平衡，Zn2＋会不断移向乙池，使溶液质量增加，C项正确；阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，D项错误。
5．(2020·西安检测)某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，盐桥中装有K2SO4饱和溶液。下列叙述正确的是(　　)
A．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
B．乙烧杯中发生还原反应
C．外电路的电流方向是从a到b
D．电池工作时，盐桥中的SO移向甲烧杯
答案　C
解析　甲烧杯中发生的电极反应为MnO＋8H＋＋5e－===Mn2＋＋4H2O，氢离子浓度减小，导致溶液的pH增大，A项错误；甲烧杯中发生还原反应，Mn元素的化合价降低，乙烧杯中亚铁离子失去电子发生氧化反应，Fe2＋－e－===Fe3＋，B项错误；由上述分析可知，a为正极，b为负极，则电流方向为从a到b，C项正确；阴离子向负极移动，则盐桥中的SO移向乙烧杯，D项错误。
题组二　原电池电极的判断和电极反应式的书写
6．对于原电池的电极名称，叙述错误的是(　　)
A．发生氧化反应的一极为负极
B．正极为电子流入的一极
C．比较不活泼的金属为负极
D．电流流出的一极为正极
答案　C
解析　原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极，发生还原反应。
7．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是(　　)
A．Li是正极，电极反应式为Li－e－===Li＋
B．Li是负极，电极反应式为Li－e－===Li＋
C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－===MnO
D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－===Li2＋
答案　B
解析　由总反应方程式为Li＋MnO2===LiMnO2可知，Li元素化合价升高(0→＋1)，Mn元素化合价降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，MnO2在正极上得电子，电极反应为MnO2＋e－===MnO。
8．理论上，自发进行的氧化还原反应均可设计成原电池。已知电池反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O，则其电极反应式不可能是(　　)
A．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
B．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
D．N2H4＋4H＋＋2e－===2NH
答案　D
题组三　原电池原理的应用
9．某原电池的电池反应式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，与此电池反应式不符的原电池是(　　)
A．铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
B．石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
C．铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池
D．铜片、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
答案　C
解析　由电池反应式可知，铁作负极，铁失去电子发生氧化反应。C项中，由于锌的活动性大于铁，故锌作负极，发生氧化反应，与电池反应式不符。
10．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验，据此判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极
②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C
③A、C用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡
④B、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应
A．A＞C＞D＞B
B．A＞B＞C＞D
C．C＞A＞B＞D
D．B＞D＞C＞A
答案　A
11．a、b两个烧杯中均盛有100
mL等浓度的稀H2SO4，将足量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是(　　)
答案　B
解析　因为H2SO4的物质的量相等、Zn粉过量，故而H2的量由H2SO4的物质的量决定。a中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu，并形成铜锌原电池，反应速率加快了，但最终产生H2的体积相等。
12．控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－??2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原
C．电流计读数为零时，反应达到平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，则乙中的石墨电极为负极
答案　D
解析　由反应2Fe3＋＋2I－??2Fe2＋＋I2可知，反应开始时甲中Fe3＋被还原，乙中I－被氧化，A、B项正确；当电流计读数为零时，则反应达到平衡状态，此时在甲中加入FeCl2固体，则平衡向逆反应方向移动，乙中I2被还原，则乙中的石墨电极为正极，甲中的石墨电极为负极，故C项正确、D项错误。
13．由锌片、铜片和200
mL稀硫酸组成的原电池如图所示。
(1)原电池的负极反应式是_______________________________________________________，
正极反应式是_________________________________________________________________。
(2)电流的方向是_______________________________________________________________。
(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68
L(标准状况下)气体时，稀硫酸恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗________g
锌，有________个电子通过了导线，原稀硫酸的物质的量浓度是________________________________________________________________________
(设溶液体积不变)。
答案　(1)Zn－2e－===Zn2＋　2H＋＋2e－===H2↑
(2)由Cu极经导线流向Zn极
(3)4.875　9.03×1022　0.75
mol·L－1
解析　(3)产生0.075
mol
H2，通过0.075
mol×2＝0.15
mol电子，消耗0.075
mol
Zn和0.075
mol
H2SO4。所以m(Zn)＝0.075
mol×65
g·mol－1＝4.875
g，N(e－)＝0.15
mol×6.02×1023
mol－1＝9.03×1022，c(H2SO4)＝＝0.75
mol·L－1。
14．已知可逆反应：AsO＋2I－＋2H＋??AsO＋I2＋H2O。
Ⅰ.如图所示，若向B中逐滴加入浓盐酸，发现电流计指针偏转。
Ⅱ.若改为向B中滴加40%的NaOH溶液，发现电流计指针与Ⅰ中偏转方向相反。
试回答以下问题：
(1)两次操作中电流表指针为什么会发生偏转？__________________________________
________________________________________________________________________。
(2)两次操作过程中电流计指针偏转方向为什么相反？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)操作Ⅰ中，C1棒上的反应为_____________________________________________。
(4)操作Ⅱ中，C2棒上的反应为_____________________________________________。
答案　(1)两次操作中均发生原电池反应，所以电流计指针均发生偏转
(2)两次操作中，电极相反，电子流向相反，因而电流计指针偏转方向相反
(3)2I－－2e－===I2　(4)AsO＋2OH－－2e－===AsO＋H2O
解析　Ⅰ.滴入浓盐酸，溶液中c(H＋)增大，题给可逆反应平衡正向移动，I－失去电子变为I2，C1棒上产生电子，并沿外电路流向C2棒，AsO得电子变为AsO。
Ⅱ.滴加40%的NaOH溶液将H＋中和，溶液中c(H＋)减小，题给可逆反应平衡逆向移动，电子在C2棒上产生，并沿外电路流向C1棒，I2得电子变为I－，AsO失电子变为AsO。

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