高中化学人教版选修4学案41原电池

第四章电化学基础

第一节原电池

学习目标核心素养

1.宏观辨识与微观探析：从宏观和

微观的角度理解电子的移动、阴阳

1.以铜锌原电池为例，了解原电池

离子的移动、氧化反应及还原反应

的工作原理。

的发生、电流的形成过程和原理。

2.会正确判断原电池的正极和负

2.变化观念与平衡思想：进一步

极,能正确书写电极反应式和电池

深化对化学能与电能相互转化的

反应方程式。

认识，了解从简单原电池发展到带

3.能设计简单的原电池。

有盐桥原电池的过程变化,理解带

有盐桥原电池的实用性。

一、原电池及其工作原理

1.原电池

(1)概念：将化学能转化为电能的装置。

(2)实质：利用能自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能。

2.原电池工作原理(以锌铜原电池为例)

3.原电池形成条件

(1)两个活泼性不同的电极

较活泼金属作负极,较不活泼金属或非金属作正极。

(2)电解质溶液

两电极必须浸在电解质溶液中。

(3)形成闭合回路

用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。

(4)自发氧化还原反应

实质性非物质形式条件。

二、原电池的设计

理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设

计时应注意以下几方面。

⑴外电路

负极(还原性较强的物质)一二正极(较稳定的金属或能导电的非

导线

金属)。

(2)内电路

将两极浸入电解质溶液中,使正、负离子作定向运动。

(3)闭合电路

探究点一原电池的构成条件和工作原理

1.原电池的构成条件

(1)具有不同的电极，较活泼的金属作负极，失去电子，发生氧化

反应；较不活泼金属或非金属(石墨等)作正极，得到电子，发生还原反

应，此电极本身不变。

(2)具有电解质溶液。

(3)具有导线相连(或直接接触)组成的闭合回路。

(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条

件)。

a.不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式，如下图甲池中

2++-

Mg作负极：Mg—2e-==Mg,Al作正极：2H+2e=H2t;乙池

中由于镁不与强碱反应而AI和NaOH溶液的反应能自发进行，所以

A1作负极：Al-3e-+4OH-=A1O7+2H2O,Mg作正极：2H2O+2e

~=H2t+2OHo

b.原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反

应。如下图：

c.形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可

以是两电极直接接触。如下图：

d.有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极

上发生的反应很慢,产生的电流极其微弱,不能对外做功(如电极是Fe、

C,电解质溶液是NaCl溶液)。

2.半电池、盐桥'内电路、外电路

(1)半电池

原电池由两个半电池组成。原电池把一个能自发进行的氧化还原

反应分在两个不同的区域进行，正极区进行还原反应，负极区进行氧

化反应，通过导线转移电子。

(2)盐桥

①盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一

个通路。

②当有盐桥存在时，随着反应的进行，溶液保持电中性，让氧化

还原反应得以持续进行，从而使原电池不断地产生电流。

③盐桥的制作方法。

方法1：取1g琼脂置于烧杯中，加入100mL饱和KC1溶液，加

热，使琼脂变成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。

方法2：将KCI饱和溶液装入U形管中，用棉花堵住管口即可。

(3)内电路、外电路

①在原电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提

供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。

②在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴、阳离子

的定向移动而形成内电路。

3.原电池的工作原理

原电池是一个闭合的电路，其中的电荷流动，从电路的构成方面

来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型

方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见下

图。

注意：电子在导线中流动而不能在溶液中通过，自由离子在溶液

中迁移而不能在导线中通过。原电池中通过离子的迁移和电子的流动

而形成闭合回路，从而将化学能转化为电能。如果取出盐桥，则不产

生电流。

盐桥是装有含琼胶的饱和KC1溶液的U形管，原电池工作时，K

+、的移动方向是怎样的？

提示：原电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，

故K+向正极区移动，向负极区移动。

【例1】锌铜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.原电池工作一段时间后，甲池的c(SOr)减小

C.原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

【解析】由锌铜原电池原理可知，锌电极为负极，失电子，发生

氧化反应，铜电极为正极，得电子，发生还原反应，A项错误；阳离

子交换膜只允许阳离子和水分子通过，两池中c(SO『)不变，B项错误；

电解过程中Zi?+由甲池通过阳离子交换膜进入乙池，乙池中Cu2++2e

~==Cu,其溶液中的离子转换为Cu2+->Zn2+,摩尔质量M(Cu2

+)<M(Zn2+),乙池溶液的总质量增加，C项正确；阳离子交换膜只允

许阳离子和水分子通过，电解过程中Zi?+由甲池通过阳离子交换膜进

入乙池保持溶液的电荷平衡，阴离子并不能通过阳离子交换膜，D项

错误。

【答案】C

下列装置中，电流表指针能发生偏转的是(D)

解析：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，A错误。B项中冰醋酸不导电，不构成原电

池，B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，C错误。根据原电池构成条件判断，

D装置能构成原电池，D正确。

原电池正负极的判断和电极反应式

探究点二

的书写

1.原电池正负极的判断

(1)由组成原电池的两极材料判断

较活泼的金属为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。

(2)根据电流方向或电子流向判断

外电路中，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。

(3)根据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断

在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

(4)根据原电池中两极发生的反应判断

原电池中，负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。若

给出一个总方程式，则可根据化合价升降来判断。

(5)根据电极质量的变化判断

原电池工作后，某一电极质量增加，说明溶液中的阳离子在该电

极上放电，该极为正极；反之，如果某一电极质量减轻，则该电极溶

解，为负极。

(6)根据电极上有气泡产生判断

原电池工作后，如果某一电极上有气体产生，通常是因为该电极

发生了析出H2的反应，说明该电极为正极。

(7)根据某电极(X)附近pH的变化判断

析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的

pH增大，因而原电池工作后，X极附近的pH增大了，说明X极为正

极。

特别提醒：原电池的电极类型不仅跟电极材料有关，还与电解质

溶液的性质有关。如镁一铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，

铝为正极，但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。

2.原电池电极反应式的书写

(1)题目给定原电池的装置图，未给总反应式：

①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。

②结合介质判断出还原产物和氧化产物。

③写出电极反应式(注意两极得失电子数相等),将两极反应式相加

可得总反应式。

（2）题目中给出原电池的总反应式：

①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂

及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂

及其对应的氧化产物，还原剂参加的反应即为负极反应。

②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，

还应注意介质的反应。

③若有一电极反应较难写出，可先写出较易写出的电极反应，然

后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一电极反应。

名师释疑：

在书写电极反应式时应当注意哪些方面？

①两极得失电子数目相等；

②电极反应式常用“一”不用"一「表示；

③电极反应式中若有气体生成，需加"t"；而弱电解质或难溶

物均以分子式表示，其余以离子符号表示；

④写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式

一端根据需要添加H+或OH-或H2O;

⑤两电极反应、电池总反应的三个方程式，若已知其中两个，可

由方程式的加减得到第三个。

1.在原电池的电极材料的选择上有哪些注意事项？

提示：（1）若两个电极材料本身都能与电解质溶液反应，则两极活

动性中须有差异；（2）若电极材料本身都不参加电极反应，则一极储存

还原剂，一极储存氧化剂；（3）若只有一个电极材料本身与电解质溶液

反应，则另一个电极一般是碳棒等导电材料。

2.在原电池中，负极的金属性一定比正极的金属性强吗？

提示：不一定。在判断原电池正、负极时，不要只考虑金属活动

性的相对强弱，还要考虑电解质溶液。故应由电池反应来确定电极名

称，发生氧化反应的金属作负极。如下图甲池中Mg作负极：Mg-2e

=Mg2+,AI作正极：2H++2e-==H21;乙池中由于镁不与强碱反

应而Al和NaOH溶液能反应，所以A1作负极：Al-3e-+4OH-

=AIO7+2H2O,Mg作正极：2H2O+2e==H21+2OIT。

3.在原电池中，电极材料一定与电解质溶液反应吗？

提示：不一定。在原电池中，电极材料可能与电解质溶液反应，

也可能与电解质溶液不反应。如图所示：

[例2]分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是

()

A.①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极

B.②中Mg作为正极，电极反应式为6H2O+6e==6OH+3H2t

C.③中Fe作为负极，电极反应式为Fe—2e-=Fe2+

D.④中Cu作为正极，电极反应式为2H++2e-==H2t

【思路分析】判断原电池的两极是解题的关键，同时注意特殊

电解质溶液的存在会使电池的两极发生改变。

【解析】Mg比AI活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，

Mg与NaOH溶液不反应，而AI可以反应，故②中A1是负极。③在

浓HNO3中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。在④中由于不断向

Cu极附近通入空气，而。2比溶液中的H+得电子能力强，故Cu极发

生的电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH，

【答案】B

如图所示装置，电流表A发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐

渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的(D)

A.A是Zn,B是Cu,C为稀H2sCh

B.A是Cu,B是Zn,C为稀H2sCh

C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液

D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNCh溶液

解析：A极逐渐变粗，说明A为原电池的正极，溶液中的金属阳

离子得到电子后在A极上析出；B极变细，说明B为原电池的负极，

失去电子后变成离子进入了溶液中。A和B两项反应为Zn+

H2SO4==ZnSO4+H2t,则A选项中A极变细，B选项中A极不变;

C和D两项反应为Fe+2AgNO3=2Ag+Fe(NO3)2,其中C选项中A

极变细，D选项中A极变粗，答案为D项。

探究点三原电池原理的应用

1.比较金属的活动性强弱

(1)原理：一般原电池中活动性较强的金属作负极，活动性较弱的

金属作正极。

(2)应用：A、B两种金属用导线连接后插入稀H2s04中，若A极

溶解，B极上有气泡冒出，则金属活动性：A>Bo

2.加快化学反应的进行

(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶

液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。

(2)应用：实验室中用Zn与稀H2s04反应制取Th时，通常滴入几

滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了

原电池，加快了反应的进行。

3.原电池的设计

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电

池。

(1)基本方法：以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电

解质溶液及电极反应，其方法是：还原剂作负极，比负极不活泼的金

属或非金属导体作正极，氧化剂的溶液作电解质溶液。

(2)电解质溶液的选择：电解质是使负极放电的物质。因此电解质

溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质

与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器

中进行(中间连接盐桥)，则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极

材料相同的阳离子的盐溶液。

(3)电极材料的选择：电池的电极必须导电，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。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极

和负极不用同一种材料。一般情况下，两个电极的构成分为下列四种

情况：

①活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负

极，铜作电池的正极。

②金属和非金属。例如，锌镒干电池中，锌片作电池的负极，石

墨棒作电池的正极。

③金属和化合物。例如，铅蓄电池中，铅作电池的负极，二氧化

铅作电池的正极。

④惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两个电极均可用Pt。

(4)形成闭合回路。

以Zn+H2SO4=ZnSO4+H2t为例设计原电池的思路如下：

1.把A、B两块金属插入稀硫酸中，用导线相连可以组成原电池,

结果A极减轻，则A、B两种金属哪种更活泼？

提示：A极减轻，说明A失去电子溶解，故A金属更活泼。

2.将反应Zn+Fe2+=Zn2+4-Fe设计成原电池，则该电池的电

解质可能是什么？

提示：该电池的电解质可能是FeSCh、FeCb或Fe(NO3)2。

【例3】铁及铁的化合物应用广泛，如FeCb可用作催化剂、印

刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。

(1)写出FeCL溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：

(2)若将⑴中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置

图，并写出电极反应式。

正极反应：;

负极反应：O

【思路分析】首先根据题给离子方程式确定原电池的正负极，

由此写出两个半电池的电极反应，然后根据电极反应确定电解质溶液。

【解析】首先分析Fe3+与Cu的反应中的氧化剂、还原剂，然后

依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3++Cu=2Fe2+

+Cu2+,Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用不如铜活泼的

碳棒或柏丝均可，电解质溶液选用FeCb溶液。

【答案】(l)2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+

依据氧化还原反应Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)设计的原

电池装置如图所示。请回答下列问题：

(1)X电极的电极材料是Zn；电解质溶液Y是CuCb溶液(合理即

亘)。

(2)铜电极为电池的正极，发生的电极反应为Cu2++2e-=Cu,X

电极上发生的电极反应为Zn—25-2产。

(3)外电路中的电子是从(填写电极材料，下同)极流向QL极。

(4)盐桥中的向迎极移动；若将盐桥撤掉，则电流计的指针将

丕偏转。

解析：在该原电池装置中Zn作负极，Cu作正极。盐桥中的

向Zn极移动，阳离子(K+)向正极移动。

1.下列说法正确的是(C)

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，可利用粗锌与稀硫酸反应

D.原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能

解析：原电池也可以用石墨作电极，A错误。电子流出的一极是

负极，负极发生氧化反应，B错误。粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成

原电池，加快锌与稀硫酸的反应，C正确。原电池将化学能转化为电

能，转化效率较高，但不能全部转化为电能，原电池工作时发热就是

一部分能量转化为热能，D错误。

2.将等质量的两份锌粉装入A、B两试管中，分别加入过量的稀

硫酸，并向A试管中加入少量CuSO4溶液。下列图像表示产生出的

体积H相同状况下）与时间，的关系，其中正确的是（D）

解析:A试管中加入少量C11SO4溶液，发生反应Zn+CuSO4=Cu

+ZnSO4,则Cu、Zn、稀硫酸构成原电池，加快产生H2的速率，但

由于A试管中有少量Zn与CuSO4发生反应生成Cu,故A试管中参

加反应生成H2的Zn比B试管中少，则A试管中产生比的体积比B

试管中小。

3.将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入相同浓度的稀硫酸中，

一段时间后，下列叙述正确的是（C）

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.甲中产生气泡的反应速率比乙中的慢

解析：甲中形成了原电池，氢气在铜极放出，而乙不能形成闭合

回路，不能产生电流，铜片不是负极，A、B项错误；甲中产生气泡的

反应速率比乙中的快，因为甲中锌失去的电子流向铜，铜周围生成氢

气，乙中只是锌参加反应，反应过程中会使锌片周围产生大量的

ZnSO4,H+浓度下降，从而使反应速率减小，D项错误。

4.实验发现，298K时，在FeCb酸性溶液中加入少量锌粒后，

2+

Fe3+立即被还原成FeO某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图

所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是（B）

A.该原电池的正极反应：Zn—2e-=Zn2+

B.左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去

C.该电池的电极上有气泡生成

D.该电池总反应：3Zn+2Fe3+=2Fe+3Zn2+

解析：Zn失去电子，发生氧化反应，Zn为负极，A项错误；Fe3

+被还原为Fe2+,溶液红色逐渐褪去，B项正确；粕电极作正极，无气

泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn+2Fe3+=2Fe2++Zn2+,D项

错误。

5.如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫

酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是

(C)

A.外电路的电流方向为X->外电路-Y

B.若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn

C.若两电极都是金属，则它们的活动性为X>Y

D.X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

解析：由图可知，电子的流动方向是X-外电路一Y,则电流的方

向就为Y-*外电路fX;X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比

Y的强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。所以A、B、D

错误，C正确。

6.如图所示,烧杯内盛有浓HNO3,在烧杯中放入用铜线相连的铁、

铅两个电极，已知原电池停止工作时，Fe、Pb都有剩余。下列有关说

法正确的是(D)

A.Fe比Pb活泼，始终作负极

B.Fe在浓HNCh中钝化，始终不会溶解

C.电池停止工作时，烧杯中生成了Fe(NO3)3

D.利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想

解析：开始时，电