411原电池的工作原理-2021-2022学年高二化学（新人教版选择性必修一）

4.1.1原电池的工作原理考点精讲考点分析考点分析考点1：探究原电池的构成与工作原理问题情境探究1786年意大利解剖学和医学教授伽伐尼，在一次解剖青蛙的实验中意外发现，当用两种不同金属材质的解剖刀同时触碰青蛙腿时，蛙腿会发生痉挛。此后伽伐尼变换各种条件，重复这个实验。最后他得出猜想：动物体内存在生物电流。当时很多人赞同这一猜想，但是化学家伏打却产生了疑惑：已死去的青蛙为何还会产生“生物电”？为什么蛙腿只有与铜制品和铁制品同时接触时才会抽动？为此，伏打把自己当成了青蛙，做起了实验：首先，他将一种金属放在自己的舌头上，没有太多感觉。接着，他将2种金属制的弯棒，一端放入嘴里，另一端跟眼接触，瞬间眼睛里有光亮的感觉。接下来他发现只要将2种不同的金属相接触，中间隔有湿纸、湿布等，都有电流产生。【问题1】阅读上述材料总结构成原电池的条件有哪些？【解答】具有活泼性不同的两个电极，两电极插入电解质溶液中，形成闭合回路，且两电极能自发地发生放热的氧化还原反应。【问题2】下列装置中，哪些能构成原电池？其他不能构成原电池的原因是什么？【解答】装置D能构成原电池；装置A不能构成原电池，原因是酒精为非电解质；装置B不能构成原电池，原因是没有形成闭合回路；装置C不能构成原电池，原因是两个金属电极的活泼性相同。【问题3】铁制品和铜制品与蛙腿接触时，铁制品发生氧化反应还是还原反应？写出反应的电极反应式。【解答】铁制品与蛙腿接触时发生氧化反应。电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋。【问题4】原电池工作时，电子和离子分别怎样移动？【解答】电子是从负极经过导线移向正极；在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。核心知识核心知识1．原电池的工作原理（1）反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。（2）电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。（3）离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。2．原电池电极反应式的书写（1）一般电极反应式的书写方法①定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。②看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。③两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。（2）已知总反应式，书写电极反应式①分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。②在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。③根据质量守恒配平电极反应式。④复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。考点演练考点演练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．Zn作为原电池的负极发生还原反应B．电子从锌片经电解质溶液流向铜片C．电池工作一段时间后，乙池的溶液质量增大D．电池工作一段时间后，甲池的c(Zn2＋)增大【解答】C在Zn、Cu和硫酸铜构成的原电池中。锌为负极，发生失去电子的氧化反应，A错误；原电池工作时，电子从负极锌沿导线流向正极铜，电子不能进入溶液中，B错误；Zn、Cu和硫酸铜构成原电池中，锌为负极，电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋，铜为正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，甲池转移1molZn2＋到乙池，则乙池有1molCu析出，但1molZn2＋的质量大于1molCu的质量，所以乙池的溶液质量增大，C正确；原电池工作时，由于阳离子交换膜的作用，内电路中阳离子Zn2＋由负极Zn移向正极Cu，所以甲池的c(Zn2＋)几乎不变，D错误。2．一个原电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，该原电池的正确组成是()选项ABCD正极ZnCuCuZn负极CuZnZnCu电解质溶液CuCl2溶液H2SO4溶液CuSO4溶液CuCl2溶液【解答】C活泼金属为负极，且能与电解质溶液自发地发生氧化还原反应。3．A、B、C、D四种金属按下表中的装置进行实验。装置现象二价金属A不断溶解C的质量增加A上有气体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式是_____________________________________________________。（2）装置乙中正极的电极反应式是_____________________________________________________。（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____________________。【解答】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极质量增加，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，pH变大。【答案】(1)A－2e－=A2＋(2)Cu2＋＋2e－=Cu(3)变大(4)D>A>B>C4．依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)=Cu2＋(aq)＋2Ag(s)。设计的原电池如图所示。请回答下列问题：（1）电极X的材料是________________；电解质溶液Y是________。（2）银电极为电池的__________极，发生的电极反应式为_____________________________________；X电极上发生的电极反应式为__________________________________。（3）外电路中的电子是从________极流向________极。【解答】原电池中负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。由总反应方程式可知电极X的材料是Cu，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐溶液，常用AgNO3溶液。负极反应式：Cu－2e－=Cu2＋，正极电极反应式：2Ag＋＋2e－=2Ag，电子由负极(Cu)流出，经外电路流向正极(Ag)。【答案】(1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag＋＋2e－=2AgCu－2e－=Cu2＋(3)负(Cu)正(Ag)方法技巧方法技巧构建原电池思维模型考点过关考点过关1．在如图所示的水果(柠檬)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【解答】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电极只能为选项中的锌。2．有关电化学知识的描述正确的是()A．CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成D．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池【解答】DCaO＋H2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应；KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。3．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【解答】C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。4．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，其中表示放电时负极和正极反应的分别是()A．②和③ B．②和①C．③和① D．④和①【解答】C放电时负极反应物为Zn，失电子被氧化，正极反应物为Br2，得电子被还原。5．(双选)铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()A．正极反应为Zn－2e－=Zn2＋B．电池反应为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从负极流向正极D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液【解答】BC电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯中，D选项错误。6．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＞aC．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c【解答】C由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性：a＞b；对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性：b＞c；第三个装置的金属活动性：d＞c；由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性：d＞a。7．M、N、P、E四种金属：①M＋N2＋=N＋M2＋②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－=E，N－2e－=N2＋。四种金属的还原性由强到弱的顺序是()A．P、M、N、E B．E、N、M、PC．P、N、M、E D．E、P、M、N【解答】A由①知，金属活动性M>N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面产生气泡，M做原电池正极，活动性P>M；N、E构成的原电池N做负极，活动性N>E。8．在如图所示装置中，观察到电流计指针发生偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()选项MNPA锌铜稀硫酸溶液B铜铁稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液【解答】C本题通过电极变化来确定原电池的正负电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排除A、D，由M棒变粗，可知B不正确。9．将等质量的两份锌粒a、b分别加入过量的稀硫酸中，同时向a中加少许胆矾晶体，下列各图表示产生氢气的体积V/(L)与时间t/(min)的关系正确的是()ABCD【解答】A向a中加入少许胆矾晶体，则有Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋，消耗一部分Zn，所以产生H2的量较少，但生成的Cu附于Zn上又组成铜锌原电池，加快反应速率，因此曲线a的斜率大于曲线b的斜率。10．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－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－=Li2＋【解答】B由总反应方程式eq\o(Li,\s\up6(0))＋eq\o(M,\s\up6(＋4))nO2=eq\o(Li,\s\up6(＋1))eq\o(M,\s\up6(＋3))nO2可知，Li元素在反应后化合价升高(0→＋1)，Mn元素在反应后化合价降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－=Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)。【巩固提升】11．用铜片、银片设计成如图所示的原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是()甲乙A．电流沿导线由Cu片流向Ag片B．正极的电极反应式为：Ag＋＋e－=AgC．Cu片上发生还原反应，Ag片上发生氧化反应D．反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液【解答】B电流从正极沿导线流向负极。Cu作负极、Ag作正极，所以电流从Ag片流向Cu片，A错误；正极上银离子得电子生成Ag，电极反应式为Ag＋＋e－=Ag,B正确；Cu片上失电子发生氧化反应，Ag片上得电子发生还原反应，C错误；盐桥中阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，所以反应时盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液，D错误。12．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1mol·L－1，溶液的体积均为200mL，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。甲乙回答下列问题：（1）此原电池的正极是石墨________(填“a”或“b”)，发生________反应。（2）电池工作时，盐桥中的SOeq\o\al(2－,4)移向________(填“甲”或“乙”)烧杯。（3）写出两烧杯中的电极反应式：甲_____________________________________________________，乙____________________________________________________。（4）若不考虑溶液的体积变化，MnSO4浓度变为1.5mol·L－1，则反应中转移的电子为________mol。【解答】(1)根据题目提供的总反应方程式可知，KMnO4作氧化剂，发生还原反应，故石墨a是正极。(2)电池工作时，SOeq\o\al(2－,4)向负极移动，即向乙烧杯移动。(3)甲烧杯中的电极反应式为MnOeq\o\al(－,4)＋5e－＋8H＋=Mn2＋＋4H2O；乙烧杯中的电极反应式为5Fe2＋－5e－=5Fe3＋。(4)溶液中的MnSO4浓度由1mol·L－1变为1.5mol·L－1，由于溶液的体积未变，则反应过程中生成的MnSO4的物质的量为0.5mol·L－1×0.2L＝0.1mol，转移的电子为0.1mol×5＝0.5mol。【答案】(1)a还原(2)乙(3)MnOeq\o\al(－,4)＋5e－＋8H＋=Mn2＋＋4H2O5Fe2＋－5e－=5Fe3＋(4)0.513．某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu金属活动性的相对强弱，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目：方案Ⅰ：有人提出将大小相等的铁片和铜片分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们活动性的相对强弱。该原理的离子方程式为_____________________________________________________________________________________________。方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们活动性的相对强弱。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。正极反应式：_____________________________________________________；负极反应式：____________________________________________________。方案Ⅲ：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性相对强弱的简单实验方案(与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同)：__________________________________________________________________________，用离子方程式表示其反应原理：_________________________________________________________________________________________________________。【解答】比较或验证金属活动性相对强弱的方案有很多，可以利用金属与酸反应的难易来判断或验证，也可以利用原电池原理(负极是较活泼的金属)，也可以利用金属单质间的置换反应来完成。【答案】方案ⅠFe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑方案Ⅱ2H＋＋2e－=H2↑Fe－2e－=Fe2＋方案Ⅲ把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观察铁片表面是否生成红色物质(合理即可)Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋14．常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入电解质A的溶液中组成原电池，如图1所示：图1图2（1）若A为稀盐酸，则Al片作________极，该电极的电极反应式为______________________________，Cu片电极反应式为__________________________________________。（2）若A为NaOH，则Al片作________极，该电极的电极反应式为________________________。（3）若A为浓硝酸，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