高中化学 第四章 第一节 原电池学案 新人教版选修41 (2)

原电池1.了解原电池的工作原理。2.能正确书写电极反应式和电池反应方程式。3.能设计简单的原电池。知识点一原电池工作原理阅读教材P71P72，思考并填空。1原电池(1)概念：将化学能转化为电能的装置。(2)实质：自发进行氧化还原反应，把化学能转化为电能。2原电池工作原理(以锌铜原电池为例)装置示意图现象锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出，质量增加，电流表指针发生偏转电极Zn电极Cu电极电极名称负极正极得失电子失电子得电子电子流向流出(填“出”或“入”)流入(填“出”或“入”)反应类型氧化反应还原反应电极反应式Zn2e=Zn2Cu22e=Cu总反应式ZnCu2=CuZn23.盐桥(1)成分：含有琼胶的KCl饱和溶液。(2)离子移动方向：Cl移向ZnSO4溶液(负极区)，K移向CuSO4溶液(正极区)。(3)作用：使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。4原电池形成的条件(1)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(或两极直接接触)。(4)能自发地发生氧化还原反应。5原电池两极负极：一般是活泼性较强的金属，发生氧化反应。正极：一般是活泼性较弱的金属(或导电非金属)，发生还原反应。判断正误(1)原电池是把化学能转化为电能的一种装置。()(2)原电池正极发生氧化反应，负极发生还原反应。()(3)不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池装置可以实现。()(4)碳棒不能用来作原电池的电极。()(5)反应Cu2Ag=2AgCu2能以原电池的形式来实现。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)原电池的工作原理及正负极的判断1工作原理示意图(以铜锌原电池为例)2原电池电极的判断正确理解原电池的负极一般，在原电池反应中活泼金属作负极包含两层含义：(1)“活泼”是指相对活泼而不是绝对活泼。 (2)在大部分原电池反应中，金属活动性较强的一极作负极，另一电极作正极。但在某些特殊条件下例外，例如：冷的浓硝酸作电解质溶液，金属铁或铝与金属铜作电极时，铁或铝在冷的浓硝酸中钝化，金属活动性弱的铜与浓硝酸发生氧化反应充当负极。NaOH溶液作电解质溶液，金属镁与金属铝作电极时，因铝能与NaOH溶液反应，充当负极，而金属活动性强的镁只能充当正极。有关右图所示原电池的叙述，正确的是(盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液) ()A铜片上发生氧化反应B取出盐桥后，电流计依然发生偏转C反应中，盐桥中的K会移向CuSO4溶液D反应前后铜片质量不改变解析左池中Cu2放电，发生还原反应，A错；取出盐桥后，未形成闭合回路，无电流，B错；盐桥中阳离子向正极迁移，C对；左池中有铜析出，铜片质量增加，D错。答案C对于例1：(1)若将铜片改为碳棒，电流表指针是否偏转？若偏转，请写出原电池反应的总离子方程式。(2)原电池反应中有0.1 mol电子转移时，正极析出铜的质量为多少？答案：(1)偏转；ZnCu2=Zn2Cu。(2)正极析出铜3.2 g。原电池工作原理的记忆方法原电池工作原理主要考查：正负极的判断；电子移动方向；离子移动方向(阴离子移向负极，阳离子移向正极)；反应类型及电极反应式书写和现象判断。可从口诀记忆：原电池有两极，活泼金属作负极；负极氧化正还原，电子由负流向正。 原电池的构成1下列反应不可用于设计原电池的是()ANaOHHCl=NaClH2OB2CH3OH3O22CO24H2OCZn2HCl=ZnCl2H2D4Al3O26H2O=4Al(OH)3解析：选A。只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，中和反应不是氧化还原反应。2下列装置中，电流表指针能发生偏转的是()解析：选D。A项中锌电极和乙烧杯中的电解质溶液不能发生氧化还原反应，不能构成原电池，错误；B项中冰醋酸不导电，不能构成原电池，错误；C项中装置符合构成原电池的条件，但两极直接接触，相当于短路，因此电路中无电流，错误。原电池工作原理3如图所示的装置中，在产生电流时，以下说法不正确的是()AFe是负极，C是正极B负极反应式为Fe3e=Fe3C内电路中阴离子移向FeCl2溶液D电流由C电极流向Fe电极解析：选B。Fe与C作为原电池的电极，则Fe为负极，C是正极；Fe在负极发生氧化反应生成Fe2，因此B项错误；且左边烧杯中正电荷增加，必然使盐桥中的阴离子移向FeCl2溶液；电子由Fe电极流向C电极，则电流由C电极流向Fe电极。4.如右图是Zn和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下。在卡片上，描述合理的是() 实验后的记录：Zn为正极，Cu为负极H向负极移动电子流动方向ZnCuCu极上有H2产生若有1 mol电子流过导线，则产生H2为0.5 mol正极的电极反应式为Zn2e=Zn2A BC D解析：选B。Zn比Cu活泼，Zn为负极，电极反应为Zn2e=Zn2，Cu为正极，电极反应为2H2e=H2，每转移1 mol电子，产生0.5 mol H2，电子由负极Zn流出，经导线流向正极铜片，溶液中H向正极移动，SO向负极移动。知识点二原电池原理的应用阅读教材P72，思考并填空。原电池的设计从理论上讲，能自发进行的氧化还原反应均可以设计成原电池，实际设计时应注意以下几点：1外电路负极(还原性较强的物质)正极(氧化性较强的物质)。2内电路将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。3闭合回路如图为某小组为研究电化学原理设计的装置。将铜棒和碳棒插入FeCl3溶液中用导线连接，并滴入几滴硫氰化钾溶液，反应一段时间后，下面说法正确的是()A铜的金属活动性较弱，作正极，电极反应为Cu2e=Cu2B电子从碳棒流向铜棒C碳棒上发生的反应为2Fe32e=2Fe2D溶液中的Fe3向铜棒移动解析：选C。该原电池中C作正极，电极反应式为2Fe32e=2Fe2；Cu作负极，电极反应式为Cu2e=Cu2，电子从铜棒流向碳棒。溶液中的Fe3向碳棒(正极)移动。原电池原理的应用1加快氧化还原反应的速率例如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率加快。2比较金属活动性强弱3用于金属的保护请见本章第四节知识点二。4设计化学电池例如：以2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2为依据，设计一个原电池。(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极的电极反应式。负极：Cu2e=Cu2，正极：2Fe32e=2Fe2。(2)确定电极材料若发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；若发生氧化反应的为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。本例中可用铜棒作负极，用铂丝或碳棒作正极。(3)确定电解质溶液一般选用反应物中的电解质溶液即可，如本例中可用FeCl3溶液作电解液。(4)构成闭合回路：将电极用导线连接，使之构成闭合回路。(1)为获得持续、稳定、较强的电流，所选用的电解质溶液一般能与负极发生氧化还原反应，而且使用盐桥将两个半电池连通。(2)设计原电池时，若氧化还原方程式中无明确的电解质溶液，可用水作为电解质，但为了增强其导电性，通常加入强碱或一般的强酸，如燃料电池，水中一般要加入KOH或H2SO4。设计原电池Zn2Fe3=Zn22Fe2，在方框中画出能形成稳定电流的装置图(标出电极材料、电解质溶液)。负极：_，电极反应：_。正极：_，电极反应：_。解析由题意知所要求设计的装置图中有盐桥，分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属石墨等作正极，选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液。答案见下图(合理即可)ZnZn2e=Zn2Pt2Fe32e=2Fe2在设计原电池装置时，由自发的氧化还原反应方程式，如何确定原电池的正、负极，如反应：Fe2Fe3=3Fe2。答案：由反应方程式根据氧化还原反应原理先确定好负极，如该反应中Fe发生失电子的氧化反应，确定Fe为负极，正极应为活泼性弱于Fe的金属材料或能导电的石墨。原电池的设计方法“两极一液一连线”(1)根据电池总反应写出电极反应式。(2)电极材料的选择：电池的电极必须导电。一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料，所以正极和负极不能用同一种材料，两个电极可以是活泼性不同的两种金属或一种金属和非金属。(3)电解质溶液的选择电解质溶液是为正极提供放电的物质，一般能够与负极发生反应。(4)形成闭合回路。利用原电池判断金属的活泼性1M、N、P、E四种金属：MN2=NM2M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E22e=E，N2e=N2。四种金属的还原性由强到弱的顺序是()AP、M、N、E BE、N、M、PCP、N、M、E DE、P、M、N解析：选A。由知，金属活动性MN；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面产生气泡，M作原电池正极，活动性PM；N、E构成的原电池N作负极，活动性NE。2锌与100 mL 1 mol/L盐酸反应的实验中，若设想向溶液中加入少量的醋酸钠，溴化铜，醋酸铜(均为可溶性盐)，并测定生成H2的速率(mL/min)，预计三种方案的速率大小可能是()A BC D解析：选C。醋酸钠与盐酸反应减小了氢离子浓度，反应速率减慢；溴化铜与锌反应置换出铜，形成铜锌原电池，加快了反应速率；醋酸铜既有减小反应速率的因素又有加快反应速率的因素，不好判断以哪个因素为主。由的速率最大可确定答案为C。设计原电池3根据下式所表示的氧化还原反应设计一个原电池：Cu2Ag=Cu22Ag。(1)装置采用烧杯和盐桥，画出此原电池的装置图，注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。(2)写出两个电极上的电极反应。解析：首先将已知反应拆成两个半反应：Cu2e=Cu2，2Ag2e=2Ag，然后结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极材料为Cu，正极材料为Ag。原电池由两个半电池组成，铜和铜盐溶液组成铜半电池，银和银盐溶液组成银半电池，中间通过盐桥连接起来。答案：(1)如图所示(2)负极(Cu极)：Cu2e=Cu2，正极(Ag极)：2Ag2e=2Ag。4在制作印刷电路板的过程中常利用的反应的离子方程式是_。依据该反应，设计一个盐桥原电池，画出实验装置图，指出正、负极并写出电极反应式，标出电子流动方向。解析：常用FeCl3溶液刻蚀电路板，所发生反应的离子方程式为2Fe3Cu=2Fe2Cu2。该反应中，发生氧化反应的是Cu，Cu作负极；发生还原反应的是Fe3，在正极获得电子，转化为Fe2。因此，应选用Cu作负极，浸入CuCl2溶液中；选用石墨作正极，浸入FeCl3溶液中。答案：2Fe3Cu=2Fe2Cu2实验装置和电子流向如图所示负极为Cu：Cu2e=Cu2，正极为石墨：2Fe32e=2Fe2。 重难易错提炼1.构成原电池的“四条件”(1)正、负两个电极。(2)电解质溶液或熔融电解质。(3)形成闭合回路。(4)自发的氧化还原反应。2.判断原电池正、负极的“四方法”(1)负极活泼性较强的金属；流出电子的一极；发生氧化反应的一极；阴离子移向的一极。(2)正极活泼性较弱的金属或导电的非金属(碳棒)；流入电子的一极；发生还原反应的一极；阳离子移向的一极。3.利用原电池原理可加快化学反应速率。课后达标检测基础巩固1在理论上可设计成原电池的化学反应是()AC(s)H2O(g)=CO(g)H2(g)H0BBa(OH)28H2O(s)2NH4Cl(s)=BaCl2(aq)2NH3H2O(l)8H2O(l)H0CCaC2(s)2H2O(l)=Ca(OH)2(s)C2H2(g)H0DCH4(g)2O2(g)=CO2(g)2H2O(l)H0解析：选D。能设计成原电池的化学反应属于能自发进行的放出能量的氧化还原反应。A为吸热的非自发氧化还原反应，B、C不属于氧化还原反应，D为能自发进行的放出能量的氧化还原反应。2如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是()解析：选B。依据构成原电池的四个必要条件分析：A中两电极相同；C中没有构成闭合回路；D中酒精是非电解质。3有甲、乙两位同学，他们一起做了水果电池的实验，测得数据如下：实验次数电极材料水果品种电极间距/cm电压/mV1锌铜菠萝39002锌铜苹果36503锌铜柑橘38504锌铜西红柿37505锌铝菠萝36506锌铝苹果3450下列对于甲同学提出的问题，乙同学解释不正确的是()甲：实验6中的负极反应式如何写？乙：铝为负极，Al3e=Al3。甲：实验1和实验5电流方向为什么相反？乙：实验1中锌为负极，电流由铜经导线流向锌；实验5中铝为负极，电流由锌经导线流向铝。甲：水果电池的电压与哪些因素有关？乙：只跟水果的类型有关。ABC D解析：选A。实验6中Al为负极，故负极反应式为Al3e=Al3，正确；实验1中Zn为负极，实验5中Al为负极，正确；对比实验1和实验5可发现水果类型相同时，电极材料不同，电压也不相同，不正确。4X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是WZ；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是()AXZWY BZXYWCWXYZ DYWZX解析：选A。在原电池中，一般较活泼的金属作负极，失去电子，发生氧化反应；较不活泼的金属作正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反。X、Y相连时，X为负极，则活泼性XY；Z、W相连时，电流方向是WZ，则活泼性ZW；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性XZ；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性WY。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是XZWY。5某原电池总反应为Cu2Fe3=Cu22Fe2，下列能实现该反应的原电池是()选项ABCD电极材料Cu、ZnCu、CFe、ZnCu、Ag电解液FeCl3Fe(NO3)2CuSO4Fe2(SO4)3答案：D6在如图所示的装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断表格中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()MNPAZnCu稀硫酸BCuFe稀盐酸CAgZn硝酸银溶液DZnFe硝酸铁溶液解析：选C。从题设条件，M棒变粗，N棒变细分析：M棒为原电池正极，N棒为原电池负极；N棒金属材料的活泼性要大于M棒材料的活泼性；电解质溶液中所含阳离子必须能在M棒上析出。只有C项符合，负极材料Zn溶解，变细；Ag被还原，在正极材料Ag表面析出，变粗。7100 mL浓度为2 mol/L的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成H2的总量，可采用的方法是()A加入适量6 mol/L的盐酸B加入几滴CuCl2溶液C加入适量蒸馏水D加入适量的NaCl溶液解析：选B。Zn置换出CuCl2中的Cu，CuZn稀盐酸构成原电池，加快了反应速率，同时也不影响产生H2的总量。8在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是()A外电路的电流方向为XA YB若两极分别为铁和碳棒，则X为碳棒，Y为铁CX极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应D若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为XY解析：选D。外电路电子流向为XA Y，电流方向与其相反；X极失电子发生氧化反应，作负极，Y极发生的是还原反应；若两极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。9已知某原电池的电极反应是Fe2e=Fe2、Cu22e=Cu，据此设计原电池，并回答下列问题。(1)若原电池装置为上图甲所示：电极材料A是_，B是_。(写名称)A电极观察到的现象是_。(2)若原电池装置为上图乙所示：电极材料X是_(填序号，下同)。a铁 b铜 c石墨电解质Y是_。aFeSO4 bCuSO4 cCuCl2解析：(1)结合氧化还原反应的知识可知Fe2e=Fe2是负极反应，故Fe作负极，即为B；Cu22e=Cu是正极反应，故A可以是铜，现象是看到有红色物质析出。(2)不含盐桥的原电池中正极材料是比负极金属活泼性差的金属或导电的非金属即可，故此时正极是铜或石墨，但负极只能是铁，电解质溶液是含不活泼金属离子的盐溶液，可为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜。答案：(1)铜(答案合理即可)铁有红色物质析出 (2)bcbc能力提升10下图中甲和乙均是盐桥原电池装置。判断下列说法不正确的是()A甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)Co2(aq)=Co(s)Cd2(aq)B反应2Ag(s)Cd2(aq)=Cd(s)2Ag(aq)能够发生C盐桥的作用是形成闭合回路，并使两烧杯中溶液保持电中性D乙电池中有1 mol电子通过外电路时，正极有108 g Ag析出解析：选B。根据甲、乙装置分析可知A项正确，且可推知Cd的活泼性强于Ag，故Ag不能置换出Cd，B项错误。11下列叙述正确的是 ()A反应AlCl34NaOH=NaAlO23NaCl2H2O，可以设计成原电池BZn和稀硫酸反应时，加入少量CuSO4溶液能加快产生H2的速率C把铁片和铜片放入稀硫酸中，并用导线把二者相连，观察到铜片上产生大量气泡，说明Cu与H2SO4能发生反应而Fe被钝化DZnCu原电池工作过程中，溶液中H向负极做定向移动解析：选B。A项，该反应不属于氧化还原反应，不能用于设计原电池；B项，锌与置换出来的铜在电解质溶液中构成原电池，加快产生H2的速率；C项，Cu与稀硫酸不反应，Fe在稀硫酸中不发生钝化；D项，H应向原电池的正极做定向移动。12镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染，且镁原电池放电时电压高而平稳，使镁原电池成为人们研制绿色原电池的关注焦点。其中一种镁原电池的反应为xMgMo3S4MgxMo3S4，在镁原电池放电时，下列说法错误的是 ()AMg2向正极迁移BMo3S4得到电子CMo3S4发生氧化反应D负极反应为Mg2e=Mg2解析：选C。该原电池反应中镁是还原剂，作原电池的负极，失去电子，电极反应是Mg2e=Mg2； Mo3S4在反应中是氧化剂，得到电子，发生还原反应；溶液中阳离子向正极移动，故A、B、D正确，C错误。13由锌片、铜片和200 mL稀H2SO4组成的原电池如下图所示：(1)原电池的负极反应是_，正极反应是_。(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)气体时，H2SO4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，原硫酸的物质的量浓度是_。解析：(3)产生0.075 mol H2，通过0.075 mol20.15 mol电子，消耗0.075 mol Zn和0.075 mol H2SO4。所以m(Zn)0.075 mol65 gmol14.875 g，N(e)0.15 mol6.021023 mol19.031022，c(H2SO4)0.75 molL1。答案：(1)Zn2e=Zn22H2e=H2(2)由Cu极流向Zn极(3)4.8759.0310220.75 molL114控制适合的条件，将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。回答下列问题：(1)反应开始时，乙中石墨电极上发生_反应(填“氧化”或“还原”)，盐桥中的阴离子移向_(填“甲”或“乙”)烧杯。(2)反应开始时，甲中石墨电极上的电极反应式为_。(3)反应达到化学平衡状态时，电流计指针是否偏转？_(填“是”或“否”)。(4)反应达到平衡状态后，在甲中溶入FeCl2固体，则乙中石墨电极为_极。解析：(1)由反应方程式可知，开始时乙中石墨为负极，负极上应发生氧化反应。盐桥中的阴离子移向乙烧杯(负极)。(2)开始时，甲中石墨电极为正极，Fe3发生还原反应，电极反应式：Fe3e=Fe2。(3)平衡状态时，正、逆反应速率相等，则能量转化为0，电流计不再偏转。(4)平衡后，甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe32I2Fe2I2逆向移动，则Fe2失电子，甲中石墨作负极；I2得电子，乙中石墨作正极。答案：(1)氧化乙(2)Fe3e=Fe2(3)否(4)正