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第1章　化学反应与能量转化
第2节　化学能转化为电能——电池
第1课时　原电池的工作原理
1.了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.能分析、解释原电池的工作原理,并能设计简单的原电池。3.了解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。
学习目标
一、原电池的工作原理
知能通关
1.实验探究——铜锌原电池工作原理
(1)实验装置
(2)实验现象
减小
检流计指针 电极表面变化情况
a 发生偏转 锌片质量　　　　　　, 铜片质量　　　　　　
b 发生偏转 锌片质量　　　　　　, 铜片质量　　　　　　
(3)实验结论:　　　　　能转化为　　　　能。
增加
减小
增加
化学
电
(4)分析原电池工作原理
氧化
电极 负极 正极
电极材料 锌片 铜片
电极反应 Zn-2e-===Zn2+ Cu2++2e-===Cu
反应类型 　　　　反应 　　　　反应
电池反应 Zn+Cu2+===Cu+Zn2+
电子流向 由　　　　极通过导线流向　　　　极
离子移向 阳离子移向　　极,阴离子移向　　极
盐桥作用 构成闭合回路,使离子通过,传导电流
还原
锌
铜
正
负
(5)装置优缺点
a装置缺点:离子导体为CuSO4溶液,两个电极反应在同一区域进行;部分Zn和CuSO4溶液直接接触发生氧化还原反应,部分化学能转化为热能,造成能量损耗,电池的能量转化率低,电流不稳定。
b装置优点:离子导体由CuSO4溶液、ZnSO4溶液和盐桥共同构成,Zn与Cu2+不直接接触,两个电极反应在不同区域进行,电池的能量转化率高,电流稳定。
(1)盐桥的作用有哪些
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　。
(2)盐桥中电解质的成分和盐桥中离子的移动方向是什么
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
小题对点过
①使两个半电池溶液连成一个通路;②使两溶液保持电中性
①盐桥中装有含NH4NO3或饱和KCl溶液的琼脂凝胶;
②盐桥中的阳离子向正极区移动、阴离子向负极区移动
(3)下列描述中,错误的是　　　　　　　。
①原电池工作时,正极表面一定有气泡产生
②在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极
③铜锌原电池中,因为有电子通过电解质溶液,形成闭合回路,所以有电流产生
④一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高
⑤利用图1能实现Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑
⑥图2能验证锌与硫酸铜反应过程中有电
子转移
①③⑤
2.原电池
(1)概念
把化学能直接转化为电能的装置。
(2)构成条件
①两个活泼性不同的导体做电极;
②电极材料均插入电解质溶液中;
③能形成闭合回路;
④能自发发生氧化还原反应。
(3)原理图示
下列装置中能构成原电池的有　　　　　　　　。
小题对点过
③⑤⑦
解析　原电池的构成条件:(1)一般来说,两个活泼性不同的电极;(2)电解质溶液或熔融电解质;(3)形成闭合回路;(4)一般来说,能自发地发生氧化还原反应。装置①⑧没有形成闭合回路,不能构成原电池;装置②中两电极材料相同,不能构成原电池;装置④中酒精是非电解质,不能构成原电池;装置⑥中锌直接与硫酸铜溶液反应,铜离子不能在铜电极上放电,不能构成原电池。能构成原电池的装置有③⑤⑦。
1.下列反应理论上能设计成原电池的是　　　　(填序号)。
①HCl+NaOH===NaCl+H2O　ΔH<0
②2CH3OH(l)+3O2(g)===2CO2(g)+4H2O(l)　ΔH<0
③4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH<0
②③
2.下列装置中,能构成原电池的是　　　　(填序号)。
①②⑤
3.(2024·黑龙江大庆期中)原电池装置如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.Ag做负极
B.铜电极上发生的反应为Cu-2e-===Cu2+
C.电流从铜电极流向银电极
D.盐桥中的K+移向CuSO4溶液
解析　铜比银活泼,铜做负极,银做正极,A项错误;
铜做负极,电极反应为Cu-2e-===Cu2+,B项正确;电流从正极流向负极,即从银电极流向铜电极,C项错误;原电池中,阳离子向正极移动,则盐桥中的K+移向AgNO3溶液,D项错误。
B
原电池正、负极的判断方法
二、原电池工作原理的应用
知能通关
1.加快氧化还原反应的速率
例如:锌与稀硫酸反应时,加入少量CuSO4能使产生H2的速率加快。
2.比较金属活动性强弱
两种金属分别做原电池的两极时,一般做负极的金属比做正极的金属活泼。
3.设计化学电源
(1)首先将已知的氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应。
(2)确定电极材料。以电池两个电极反应为依据,确定电极材料及电解质溶液。
1.3.25 g锌与100 mL 1 mol·L-1的稀硫酸反应,为了增大反应速率而不改变H2的产量,可采取的措施是(　　)
A.滴加几滴浓盐酸 B.滴加几滴浓硝酸
C.滴加几滴硫酸铜溶液 D.加入少量锌粒
A
2.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:
由此可判断这四种金属的活动性顺序是　　　　　　　　。
d>a>b>c
3.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)写出能说明Fe3+ 的氧化性大于Cu2+的离子方程式:
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)若要将上述反应设计成原电池,分别写出正、负极的反应式。
①负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
Cu-2e-===Cu2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
解析　(1)Fe3+具有强氧化性,会将Cu单质氧化变为Cu2+,其本身被还原产生Fe2+,反应的离子方程式为2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。(2)原电池的负极失去电子,发生氧化反应,正极得到电子,发生还原反应,因此要将上述反应设计为原电池,负极反应式为Cu-2e-===Cu2+;正极反应式为2Fe3++2e-===2Fe2+。
(3)画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
①不含盐桥 ②含盐桥

设计原电池的思路示例
以2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2为例
三、电极反应式的书写
知能通关
一般电极反应方程式的书写方法
第一步:
写出下列原电池正负极电极反应式和总反应式
(1)Mg(A)-Al(B)-盐酸(C)
负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)Mg(A)-Al(B)-NaOH溶液(C)
负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
小题对点过
Mg-2e-===Mg2+
2H++2e-===H2↑
Mg+2H+===Mg2++H2↑
2Al-6e-+8OH-===2[Al(OH)4]-
6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
2Al+2OH-+6H2O===2[Al(OH)4]-+3H2↑
(3)铁(A)-铜(B)-FeCl3溶液(C)
负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)铁(A)-铜(B)-稀硝酸(C)
负极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
总反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
Fe-2e-===Fe2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
Fe+2Fe3+===3Fe2+
Fe-3e-===Fe3+
1.某兴趣小组为了提高电池的效率设计了如图所示的原电池。请回答下列问题。
(1)若X是AlCl3溶液,Y是稀硫酸,写出电极名称及对应的电
极反应式:
Al片(　　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　,
Cu片(　　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)若X是浓硝酸,Y是NaCl溶液,写出电极名称及对应的电
极反应式:
Al片(　　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,
Cu片(　　　)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
负极
2Al-6e-===2Al3+
正极
6H++6e-===3H2↑
正极
负极
Cu-2e-===Cu2+
2.为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题:
(1)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入
　　　　电极溶液中。
(2)若甲、乙两池溶液体积相等,电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)=　　　　　　　　　　　　　　。
石墨
0.09 mol·L-1
解析　(1)电子由负极流向正极,结合电子由铁电极流向石墨电极,可知铁电极为负极,石墨电极为正极。盐桥中的阳离子流向正极(石墨电极)溶液中。(2)由题意知铁电极的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,石墨电极上未见Fe析出,其电极反应为Fe3++e-===Fe2+,铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02 mol·L-1时,由得失电子守恒可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)增加了0.04 mol·L-1,故此时石墨电极溶液中c(Fe2+)=
0.05 mol·L-1+0.04 mol·L-1=0.09 mol·L-1。
(3)根据(1)、(2)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为　　　　　　　　　,
铁电极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
因此,验证了Fe2+氧化性小于　　　　、还原性小于　　　　。
(4)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
Fe3++e-===Fe2+
Fe-2e-===Fe2+
Fe3+
Fe
取少量活化后溶液,滴入KSCN溶液,不出现红色
解析　(3)综上可知,铁电极上Fe失电子,而非Fe2+失电子,说明Fe2+的还原性小于Fe;石墨电极上Fe3+得电子,而非Fe2+得电子,说明Fe2+的氧化性小于Fe3+。(4)该活化反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+,故通过检验Fe3+可说明活化反应是否完成,具体操作为取少量活化后溶液于试管中,滴加几滴KSCN溶液,若溶液不变红,则说明活化反应已完成。
课堂 达标训练
1.下列装置中,电流表指针不能发生偏转的是(　　)
A
解析　锌插入氯化铜溶液中,锌置换出铜,电子不经过导线,没有电流产生,则电流表指针不发生偏转,故A符合题意;可形成原电池,镁为负极,铝为正极,电流表指针发生偏转,故B不符合题意;可形成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转,故C不符合题意;可形成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转,故D不符合题意。
C
3.探究化学反应中的能量转化,实验装置(装置中的试剂及用量完全相同)及实验数据如下(注:50 mL注射器用于收集气体并读取气体体积)。
项目时
间/min 装置① 装置②
气体体
积/mL 溶液温
度/℃ 气体体
积/mL 溶液温
度/℃
0 0 22.0 0 22.0
8.5 30 24.8 50 23.8
10.5 50 26.0 - -
下列说法不正确的是(　　)
A.装置②中的Cu表面有气泡产生,而装置①中的Cu表面无气泡
B.装置①和②中发生反应的离子方程式都为Zn+2H+===Zn2++H2↑
C.原电池反应能加快化学反应速率,导致装置①中反应的平均速率比装置②中的小
D.由实验数据可知,原电池的化学能全部转化为电能
D
解析　装置①为锌与稀硫酸的反应,装置②为Zn、Cu与稀硫酸形成的原电池。A.装置②中的Cu表面有气泡产生,是原电池的正极,而装置①中的Cu表面无气泡,仅是化学反应,Zn表面有气泡,故A正确;B.装置①为锌与稀硫酸的反应,离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑;装置②为Zn、Cu与稀硫酸形成的原电池,总反应式为Zn+2H+===Zn2++H2↑,故B正确;C.基于表格数据信息的证据推理可知,收集相同体积的气体装置②需要的时间更短,故原电池反应能加快化学反应速率,故C正确;D.化学能有一部分转化为了热能,而不是全部转化为电能，故D错误。
4.常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池(图1),测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示,反应过程中有红棕色气体产生。
D
解析　0~t1时,铝为原电池的负极,铜为正极,到t1时,铝在浓硝酸中钝化后不再反应,此时铜又成了原电池的负极。选项A,0~t1时,原电池的负极是Al片,正确;选项B,0~t1时,硝酸根离子在正极得电子生成红棕色气体NO2,正确;选项C,t1后,铝发生钝化,铜做负极,所以,电池的正、负极发生互变,正确;选项D,t1后,铜是负极,每有0.3 mol电子发生转移,就有0.15 mol铜失去电子,负极质量减少9.6 g,错误。
5.设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。
限选材料:ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq),铜片,铁片,锌片和导线。
(1)完成原电池甲的装置示意图,并作相应标注。
要求:在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。
答案　(1)(下列三幅图中,作出任意一幅即可)
(2)铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是　　　　,其原因是
。
电极逐渐溶解
甲
乙池的负极可与CuSO4溶液直接发生反应,导致部分化学能转化为热能;甲池的负极不与所接触的电解质溶液发生化学反应,化学能在转化为电能时损耗较小
解析　(1)根据无盐桥原电池的工作原理,Zn(负极)|CuSO4(aq)|Cu(正极)、Fe(负极)|CuSO4(aq)|Cu(正极),Zn(负极)|FeSO4(aq)|Fe(正极)都能构成符合题目所要求的原电池。（2）在这样的原电池中,负极金属失去电子被氧化。(3)在原电池甲中,负极不与CuSO4溶液直接接触,所发生的化学反应只有原电池反应,而在原电池乙中,负极与CuSO4溶液直接接触,所发生的化学反应除原电池反应以外,还有非原电池反应,因此,在原电池甲和乙中,甲可更有效地将化学能转化为电能。
课后 巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
1.(2024·陕西西安高二检测)用表格中的电极和溶液可构成如图所示原电池。下列有关现象或结论正确的是(　　)
D
选项 A B C D
电极a Cu Cu Fe C
电极b Zn Zn C C
A溶液 CuSO4 稀H2SO4 NaCl FeCl3
B溶液 ZnSO4 ZnSO4 FeCl3 KI、淀粉混合液
现象或
结论 一段时间后,a极增加的质量与b极减少的质量相等 盐桥中阳离子向b极移动 外电路中电子的转移方向:b→a 若开始时只增大FeCl3溶液的浓度,b极附近溶液变蓝的速度加快
解析　A项,电极b的电极反应为Zn-2e-===Zn2+,电极a的电极反应为Cu2++2e-===Cu,所以一段时间后,a极增加的质量小于b极减少的质量,错误;B项,由于b极上锌失电子做负极,盐桥中阴离子向b极移动,阳离子向a极移动,错误;C项,Fe做负极,C做正极,外电路中电子的转移方向:a→b,错误;D项,I-失去电子生成I2,淀粉遇碘变蓝色,则b极附近溶液变蓝,若开始时增大FeCl3溶液的浓度,反应速率加快,则b极附近溶液变蓝的速度加快,正确。
2.盐水小汽车是一款神奇的玩具,只要在小汽车尾部动力部位加几滴NaCl溶液,小汽车就可以跑起来,其电池结构如图所示,有关该电池的说法中不正确的是(　　)
A.该电池工作时,化学能转化为电能
B.锌片为电池的负极,石墨片为电极的正极
C.正极的电极反应式为O2+4e-+H2O===4OH-
D.电解质溶液中Na+向锌片方向移动
D
解析　原电池是将化学能转化为电能的装置,该装置中锌片、石墨片和食盐水构成了原电池,A说法正确;在锌片、石墨片和食盐水构成的原电池中,Zn较活泼,发生失电子的氧化反应,则锌片为电池的负极,石墨片为电池的正极,B说法正确;该原电池中,石墨片为正极,氧气在正极上发生得电子的还原反应,正极反应式为2H2O+O2+4e-===4OH-,C说法正确;原电池工作时,阳离子移向正极,即Na+向石墨片方向移动,D说法错误。
3.(2024·陕西汉中高三检测)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.Ag作原电池的负极
B.电子由Pt经活性炭流向Ag
C.Pt表面发生的电极反应:O2+4e-+2H2O===4OH-
D.每消耗11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
A
解析　负载有Pt和Ag的活性炭可以看作是原电池,该原电池可以去除废酸中的Cl-,则电解质溶液呈酸性,Pt做正极,电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,Ag做负极,电极反应为Ag-e-+Cl-===AgCl↓。由上述分析可知,A项正确,C项错误;Pt为正极,Ag为负极,电子由负极经活性炭流向正极,即电子由Ag经活性炭流向Pt,B项错误;由正极的电极反应式可知,每消耗标准状况下11.2 L(0.5 mol)O2时,转移2 mol电子,最多去除2 mol Cl-,因未标明气体所处的状况,故无法计算去除Cl-的量,D项错误。
4.(2024·河北高二月考)已知:硝酸汞和碘化钾溶液混合后会生成红色的碘化汞沉淀。为了探究硝酸汞和碘化钾溶液之间能否发生氧化还原反应,某小组设计了如图所示的实验装置,结果发现电流表指针发生了偏转,下列分析正确的是(　　)
A.装置中的电流方向是从C1到C2
B.C1是负极,发生的反应是2I--2e-
===I2
C.盐桥中的K+向C1电极移动
D.装置发生的总反应是Hg2++2I-===HgI2
B
解析　电流表指针发生偏转说明有电流形成,此装置为原电池,其装置分析如图所示:
原电池中电流从正极(C2)流向负极(C1),A项错误;由分析可知,B项正确,D项错误;盐桥中阳离子移向正极(C2),C项错误。
5.如图所示是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡上的记录如下。则卡片上的描述合理的是(　　)
A
6.已知氧化性:Au3+>Ag+>Cu2+>Pb2+>Cr3+>Zn2+>Ti2+。现有如图所示的电化学装置,下列叙述中正确的是(　　)
A.若X为Ti,则Y极的电极反应式可能是
Zn-2e-===Zn2+
B.若X为Cr,则Y可以选Zn或Ti
C.若Y为Cu,则X极的电极反应式可能是
Cr-3e-===Cr3+
D.若Y为Pb,则Xn+(aq)中阴离子数会减少
C
(X、Y只能从题给金属中选取)
解析　若X为Ti,由于Y电极是正极,得到电子发生还原反应,A不正确;若X为Cr,则Y电极的金属性要弱于Cr的金属性,Zn和Ti的金属性强于Cr的金属性,则Y不能选Zn或Ti,可以选择Cu或Pb等,B不正确;若Y为Cu,由于X是负极,则X电极的金属性要强于Cu的,所以可以选择Cr,负极电极反应式可能是Cr-3e-===Cr3+,C正确;若Y为Pb,由于X电极是负极,失去电子,发生氧化反应,盐桥中阴离子移向X极,因此Xn+(aq)中阴离子数会增加,D不正确。
7.某研究性学习小组根据反应2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4===2MnSO4+5Fe2(SO4)3
+K2SO4+8H2O设计如下原电池,其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为1 mol·L-1,溶液的体积均为200 mL,盐桥中装有饱和K2SO4溶液。
a
还原
乙
5Fe2+-5e-===5Fe3+
0.5
AD
C
10.某化学兴趣小组的同学设计了如图所示的装置,完成下列问题:
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
Zn+Cu2+===Cu+Zn2+
形成闭合回路,
0.1

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