高中化学 第四章 电化学基础 41 原电池导学案 新人教版选修4.docx

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高中化学第四章电化学基础41原电池导学案新人教版选修4

第一节　原电池

　1.以铜锌原电池为例，了解原电池的工作原理。

　2.掌握原电池电极反应式和总反应方程式的书写。

3．能设计简单的原电池。

　原电池的工作原理

1．原电池

（1）概念：

将化学能转化为电能的装置。

（2）实质：

自发进行的氧化还原反应，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

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应式

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋

3.盐桥

（1）成分：

含有琼脂的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。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）在原电池构成的闭合回路中，电子从原电池的正极通过导线流向负极。

（　　）

（2）原电池的正极一定是化学性质较不活泼的金属。

（　　）

（3）原电池是把化学能转化为电能的一种装置。

（　　）

（4）原电池正极发生氧化反应，负极发生还原反应。

（　　）

（5）不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池装置可以实现。

（　　）

（6）碳棒不能用来作原电池的电极。

（　　）

（7）反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋能以原电池的形式来实现。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）×　（6）×　（7）√

2．锌铜稀硫酸构成的原电池装置如下：

指出上述装置中正、负极的电极材料是什么？

并写出电极反应式。

答案：

Zn作负极，Cu作正极；负极：

Zn－2e－===Zn2＋，正极：

2H＋＋2e－===H2↑。

原电池的工作原理及正、负极的判断

1．工作原理示意图（以锌铜原电池为例）

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：

①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。

②NaOH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。

3．盐桥的作用

（1）通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。

（2）使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

　如图为一原电池装置，下列叙述中正确的是（　　）

A．铜离子在铜片表面被还原

B．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

C．电流从锌片经导线流向铜片

D．铜是正极，铜片上有气泡产生

[解析]　该原电池中，较活泼的金属锌作负极，发生氧化反应，较不活泼的铜作正极，发生还原反应，电子由负极锌流出，经导线流向铜电极（电流的方向与之相反），电极反应分别为负极：

Zn－2e－===Zn2＋，正极：

Cu2＋＋2e－===Cu；盐桥中的阳离子向正极区硫酸铜溶液中迁移，故A正确，B、C、D错误。

[答案]　A

（1）若将“铜棒”改为“碳棒”，电流表指针是否偏转？

____（填“偏转”或“不偏转”）。

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0.1mol电子转移时，正极析出铜的质量为____。

答案：

（1）偏转　Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

（2）3.2g

　原电池的构成

1．下列反应不可用于设计原电池的是（　　）

A．NaOH＋HCl===NaCl＋H2O

B．2CH3OH＋3O2―→2CO2＋4H2O

C．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑

D．4Al＋3O2＋6H2O===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．（2017·唐山高二测试）下列装置中，能构成原电池的是（　　）

解析：

选D。

酒精为非电解质，A错误；选项B中未使用盐桥，没有形成闭合回路，B错误；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池，C错误；依据原电池的构成条件可知D正确。

　原电池的工作原理

3.如图所示，下列叙述中正确的是（　　）

A．正极发生氧化反应

B．电子通过导线由铜流向锌

C．负极有O2逸出

D．铜上有H2逸出

解析：

选D。

该装置是原电池，其中Zn是原电池的负极，Cu是原电池的正极。

A项，在正极发生还原反应，错误；B项，电子由锌通过导线流向铜，错误；C项，负极上Zn失去电子产生Zn2＋进入溶液，错误；D项，在正极铜上氢离子得到电子产生氢气，因此有H2逸出，正确。

4．如图是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：

①Zn为正极，Cu为负极

②H＋向负极移动

③电子流动方向Zn―→Cu

④Cu极上有H2产生

⑤若有1mol电子流过导线，则产生H2为0.5mol

⑥正极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

A．①②③　　　　　　　B．③④⑤

C．④⑤⑥D．②③④

解析：

选B。

Zn比Cu活泼，Zn为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，Cu为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，每转移1mol电子，产生0.5molH2，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。

　原电池原理的应用

1．加快化学反应速率

构成原电池的反应的速率比直接接触的反应的速率快。

如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，反应加快。

2．比较金属的活动性强弱

对于酸性电解质，一般是作负极的金属为较活泼的金属，作正极的金属是相对较不活泼的金属。

3．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或熔融电解质中，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Cu－2e－===Cu2＋

B．电子从碳棒流向铜棒

C．碳棒上发生的反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

D．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2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋；Cu作负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，电子从铜棒流向碳棒；溶液中的Fe3＋向碳棒（正极）移动。

1．比较金属活动性强弱

2．用于金属的保护

详见本章第四节知识点2。

3．设计化学电池

例如：

以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2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：

Cu－2e－===Cu2＋，

正极：

2Fe3＋＋2e－===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；若发生氧化反应的物质为气体（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。

正极发生还原反应，其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，若氧化还原反应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，通常加入少量强电解质。

　设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，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金属元素的盐溶液或参加反应的盐溶液作电解质溶液。

[答案]　装置如图

（合理即可）

Zn　Zn－2e－===Zn2＋　Pt　2Fe3＋＋2e－===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：

Fe＋2Fe3＋===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非金属材料如石墨。

原电池的设计方法——“两极一液一连线”

1．两极

（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。

2．一液：

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。

3．一连线：

形成闭合回路。

　利用原电池原理比较金属活动性、加快反应速率

1．（2017·黄冈高二质检）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（　　）

A．a＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞cD．a＞b＞d＞c

解析：

选C。

由甲装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a＞b；乙装置依据氧化性、还原性的强弱规律推出金属活动性b＞c；丙装置d极溶解，c极有气体产生，可知d极是负极，故金属活动性d＞c；由丁装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d＞a。

2．锌与100mL1mol/L盐酸反应的实验中，若设想分别向溶液中加入少量的①醋酸钠、②溴化铜、③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．①＞③＞②B．③＞②＞①

C．②＞③＞①D．①＞②＞③

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，形成锌铜原电池，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②的速率最大可确定答案为C。

　设计原电池

3．一个原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该电池电极材料及电解质溶液可能是（　　）

正极

负极

电解质溶液

A

Zn

Cu

CuCl2

B

Cu

Zn

H2SO4

C

Cu

Zn

CuSO4

D

Mg

Zn

CuSO4

解析：

选C。

原电池总反应：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，可得出其负极反应：

Zn－2e－===Zn2＋（氧化反应），正极反应：

Cu2＋＋2e－===Cu（还原反应），因此负极材料只能是Zn，正极为Cu2＋得电子还原成Cu，电解质应为可溶性铜盐，正极材料为活泼性比Zn弱的Cu、Fe（或C、Pt）等。

4．根据下式所表示的氧化还原反应设计一个原电池：

Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag。

（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：

（1）首先将已知反应拆成两个半反应：

Cu－2e－===Cu2＋，2Ag＋＋2e－===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。

（2）可根据上述两个半反应写出电极反应。

答案：

（1）如图所示

（合理即可）

（2）负极（Cu极）：

Cu－2e－===Cu2＋，

正极（Ag极）：

2Ag＋＋2e－===2Ag。

重难易错提炼

1.构成原电池的“四条件”

（1）自发的氧化还原反应。

（2）正、负两个电极。

（3）电解质溶液或熔融电解质。

（4）形成闭合回路。

2.判断原电池正、负极的“四方法”

（1）负极

①活泼性较强的金属；②流出电子的一极；③发生氧化反应的一极；④阴离子移向的一极。

（2）正极

①活泼性较弱的金属或导电的非金属（碳棒）；②流入电子的一极；③发生还原反应的一极；④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和判断金属单质的活泼性。

课后达标检测

[基础巩固]

1．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。

2．下列说法正确的是（　　）

A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属

B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原

C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀H2SO4反应

D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能

解析：

选C。

构成原电池的电极材料可以是非金属如碳棒，所以A错。

在原电池中电子流出的一极失电子被氧化，所以B错。

粗锌中含有杂质可形成原电池，所以C对。

能量转化率不可能达100%，所以D错。

3.如图中两电极上发生的电极反应为

a极：

Cu2＋＋2e－===Cu

b极：

Fe－2e－===Fe2＋

下列说法中不正确的是（　　）

A．该装置为原电池

B．a极上发生还原反应

C．电子沿导线由b→a

D．a极电极材料可以为锌

解析：

选D。

该装置为原电池，a极发生还原反应，b极发生氧化反应，电子由负极（b）流出经导线流向正极（a），b极为负极，电极材料为铁，a极为正极，电极材料应为比铁活泼性弱的金属或能导电的非金属。

4．在如图所示的水果电池中，外电路上的电流从X电极流向Y电极。

若X为铁，则Y可能是（　　）

A．锌B．石墨

C．银D．铜

解析：

选A。

电流的方向与电子的移动方向相反，由已知条件知电子由Y电极流向X电极，因此Y电极的金属活动性强于铁，故Y电极只能为A选项中的锌。

5．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（　　）

A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．两烧杯中溶液的pH均增大

D．产生气泡的速率甲比乙慢

解析：

选C。

乙烧杯中锌片与铜片没有接触，不能构成原电池，但锌可以与稀硫酸直接反应，放出H2。

甲烧杯中铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中形成了原电池，由于金属活动性Zn＞Cu，所以锌为负极，铜片上有H2放出，加快了锌的溶解，故只有C项正确。

6．如图所示的装置中，在产生电流时，以下说法不正确的是（　　）

A．Fe是负极，C是正极

B．负极反应式为Fe－3e－===Fe3＋

C．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＋，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。

7．X、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W→Z；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（　　）

A．X＞Z＞W＞YB．Z＞X＞Y＞W

C．W＞X＞Y＞ZD．Y＞W＞Z＞X

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X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。

综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

8．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成原电池，下列4个电极反应：

①Br2＋2e－===2Br－，②2Br－－2e－===Br2，③Zn－2e－===Zn2＋，④Zn2＋＋2e－===Zn。

其中表示负极和正极反应的分别是（　　）

A．②和③B．②和①

C．③和①D．④和①

解析：

选C。

负极为Zn，失电子被氧化；正极为Br2，得电子被还原。

9．（2017·安阳高二测试）以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2mol电子时，下列说法正确的是（　　）

A．锌片溶解了1mol，铜片上析出1molH2

B．两极上溶解和析出的物质的质量相等

C．锌片溶解了32.5g，铜片上析出了1gH2

D．锌片溶解了1mol，硫酸消耗了0.5mol

解析：

选A。

在涉及原电池的有关计算中，关键是要把握住一点：

两极得失电子数相等。

利用这一特点，从电极反应式看：

负极：

Zn－2e－===Zn2＋；正极：

2H＋＋2e－===H2↑。

当溶解1mol锌时失去2mol电子，铜片上析出1mol氢气得到2mol电子，得失电子守恒，即可推出A正确。

10．已知某原电池的电极反应是Fe－2e－===Fe2＋、Cu2＋＋2e－===Cu，据此设计原电池，并回答下列问题。

（1）若原电池装置为图甲所示：

①电极材料A是____，B是____。

（写名称）

②A电极观察到的现象是____________________________________。

（2）若原电池装置为图乙所示：

①电极材料X可以是____（填序号，下同）。

a．铁　　　　　b．铜　　　　　c．石墨

②电解质Y可以是____。

a．FeSO4b．CuSO4c．CuCl2

解析：

（1）结合氧化还原反应的知识可知Fe－2e－===Fe2＋是负极反应，故Fe作负极，即为B；Cu2＋＋2e－===Cu是正极反应，故A可以是铜，现象是有红色物质析出。

（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）①铜（答案合理即可）　铁　②有红色物质析出　

（2）①bc　②bc

11．A、B、C、D四种金属按下表中的装置图进行实验。

装置

现象

二价金属A不断溶解

C的质量增加

A上有气泡产生

根据实验现象回答下列问题：

（1）装置甲中负极的电极反应是____________________________________。

（2）装置乙中正极的电极反应是____________________________________。

（3）装置丙中溶液的pH____（填“变大”“变小”或“不变”）。

（4）四种金属活动性由强到弱的顺序是____________________________________。

解析：

甲、乙、丙均为原电池装置。

依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活动性A>B；乙中C的质量增加，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，溶液pH逐渐变大。

答案：

（1）A－2e－===A2＋　

（2）Cu2＋＋2e－===Cu　　（3）变大

（4）D>A>B>C

[能力提升]

12．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/mV

1

锌

铜

菠萝

3

900

2

锌

铜

苹果

3

650

3

锌

铜

柑橘

3

850

4

锌

铜

西红柿

3

750

5

锌

铝

菠萝

3

650

6

锌

铝

苹果

3

450

下列对于甲同学提出的问题，乙同学解释不正确的是（　　）

①甲：

实验6中的负极反应式如何写？

乙：

铝为负极，Al－3e－===Al3＋。

②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。

③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。

A．③　　　　　　　　　　B．①

C．①②③D．②③

解析：

选A。

实验6中Al为负极，故负极反应式为Al－3e－===Al3＋，①正确；实验1中Zn为负极，实验5中Al为负极，②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，③不正确。

13．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，反应达到化学平衡状态

D．电流计读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

解析：

选D。

由题图并结合原电池原理分析可知，Fe3＋得到电子变为Fe2＋，被还原，I－失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，平衡向逆反应方向移动，此时Fe2＋被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。

14．将镁条、铝条平行插入一定浓度的NaOH溶液中，用导线连接构成原电池（如图所示），此电池工作时，下列叙述中正确的是（　　）

A．Mg比Al活泼，Mg失去电子被氧化成Mg2＋

B．负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O