2025年高中化学新教材同步 选择性必修第一册 第4章 第1节 第1课时　原电池的工作原理

第一节原电池第1课时原电池的工作原理[核心素养发展目标]1.理解原电池的工作原理，能根据电极反应、电流方向或离子的移动方向判断原电池的正极和负极。2.能设计简单的原电池并能理解原电池工作原理的应用。一、原电池的工作原理1．实验探究含盐桥的锌铜原电池的工作原理(1)实验现象：两种电池均产生电流，锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转。(2)实验结论：两种装置均能构成原电池，将化学能转化成电能。(3)分析上述原电池的工作原理负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反应类型氧化反应还原反应电池总反应Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋电子流向由锌极通过导线流向铜极离子移向阳离子移向正极，阴离子移向负极(4)根据以上实验探究回答下列问题：①盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼脂)中离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液。盐桥在原电池装置中的作用是形成闭合回路，平衡电荷，产生稳定电流。②对比图Ⅰ与图Ⅱ两装置，能更有效地将化学能转化为电能的是图Ⅱ，其原因是图Ⅰ装置中负极直接与CuSO4溶液接触，导致部分化学能转化为热能，产生的电流强度小。2．原电池(1)定义：把化学能转化为电能的装置。(2)构成条件(1)理论上，任何的氧化还原反应都可设计成原电池()(2)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极()(3)在锌铜原电池中，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()答案(1)×(2)√(3)×(4)√(5)×(6)√(1)下列反应理论上能设计成原电池的是__________(填序号)。①HCl＋NaOH=NaCl＋H2OΔH＜0②2CH3OH(l)＋3O2(g)=2CO2(g)＋4H2O(l)ΔH＜0③4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)=4Fe(OH)3(s)ΔH＜0答案②③(2)下列装置中，能构成原电池的是______(填序号)，能构成原电池的指出电极的名称并写出电极反应式。答案①②⑤①Cu是正极：2H＋＋2e－=H2↑；Fe是负极：Fe－2e－=Fe2＋。②Zn是负极：Zn－2e－=Zn2＋；Fe是正极：Cu2＋＋2e－=Cu。⑤Ag是正极：Ag＋＋e－=Ag；Cu是负极：Cu－2e－=Cu2＋。原电池中正、负极的判断判断依据负极正极电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中阴、阳离子定向移动的方向阴离子移向的电极阳离子移向的电极电流方向电流流入极电流流出极两极发生的反应失电子，发生氧化反应得电子，发生还原反应电极材料一般是活动性较强的金属活动性较弱的金属或能导电的非金属二、原电池工作原理的应用1．加快化学反应速率当试管a中滴入少量CuSO4溶液后，观察到其中产生气泡的速率较试管b中的________，其原因是____________。答案快CuSO4溶液与锌发生置换反应生成Cu，从而形成微小锌铜原电池，加快产生H2的速率2．比较金属的活动性强弱原电池的两极为两种不同金属时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼(注意电解质溶液的种类)。3．设计原电池的一般思路首先将氧化还原反应拆分成氧化反应和还原反应两个半反应。其次确定正、负极选择电极材料，还原剂(一般为比较活泼的金属)为负极，比较不活泼的金属或惰性电极为正极。最后用导线连接两个电极并插入电解质溶液形成闭合回路，如果两个半反应分别在两个容器中进行，中间应用盐桥连接。1．某单液原电池的总反应为Cu＋2Ag＋=Cu2＋＋2Ag，下列关于该反应的电池设计正确的是()A．正极材料为Cu，电解质溶液为CuCl2B．负极材料为Ag，电解质溶液为AgNO3C．正极材料为C，电解质溶液为AgNO3D．负极材料为Cu，电解质溶液为CuSO4答案C解析由总反应式可知，Cu的化合价升高，失电子，Cu作负极，A、B错误；C与AgNO3不反应，电解质溶液中的Ag＋在正极得电子生成Ag，符合电池总反应，C正确，D错误。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：实验装置部分实验现象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____________。答案d＞a＞b＞c解析由第一个装置a极质量减小可知，a极是负极，金属活动性：a>b；第二个装置依据氧化性、还原性的规律推出金属活动性：b>c；第三个装置的金属活动性：d>c；由第四个装置电流流向：a→d，故金属活动性：d>a。综上所述，这四种金属的活动性顺序是d>a>b>c。3．利用反应2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2，设计一个原电池装置。(1)在下图方框中画出两种原电池装置图，标明电极材料和电解质溶液。单液原电池装置图带盐桥的双液原电池装置图(2)写出电极反应式。负极：________________________________________________________________________。正极：________________________________________________________________________。答案(1)(说明：正极材料除石墨外，还可以用银、金、铂等)(2)Cu－2e－=Cu2＋2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋4．某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6mol·L－1稀硫酸中，乙同学将电极放入6mol·L－1NaOH溶液中，如图所示。(1)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出__________(填写元素符号，下同)活动性更强，而乙会判断出________活动性更强。由此实验，可得到的结论是_________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序直接判断原电池中正、负极”的做法__________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)MgAl利用原电池反应判断金属活动性顺序时应注意选择合适的电解质(2)不可靠在两电极之间连上一个电流表，测电流方向，判断原电池的正、负极(选择题1～12题，每小题6分，共72分)题组一原电池的工作原理1．下列关于原电池的叙述错误的是()A．原电池中的电解质不一定处于液态B．若欲使原电池处于工作状态，必须使其与外电路形成闭合回路C．金属活动性顺序中，排在前面的金属总是作负极，排在后面的金属总是作正极D．负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应答案C解析原电池中的电解质不一定处于液态，也可以是固态或糊状物，A正确；金属活动性顺序中，排在前面的金属不一定总是作负极，排在后面的金属也不一定总是作正极，例如铁、铜和浓硝酸构成的原电池中铁是正极，铜是负极，C错误；原电池中负极总是失去电子，发生氧化反应，正极总是得到电子，发生还原反应，D正确。2．下列装置能组成原电池的是()答案C解析形成原电池的条件有四个：①两个活泼程度不同的导电电极，②电极浸入电解质溶液，③形成闭合回路，④发生自发的氧化还原反应。A中两电极均为Zn，活泼程度相同，B中塑料棒不导电，D中酒精不是电解质溶液，故A、B、D均错。3．下列有关原电池负极的说法正确的是()A．一定是活泼金属B．工作时电极本身一定被氧化C．工作时一定有电子流出D．一定带负电荷答案C4.用铜片、银片、CuSO4溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U形管)构成一个原电池。下列有关该原电池的叙述正确的是()①铜电极的质量减少②正极反应为Ag＋＋e－=Ag③在外电路中，电流由铜电极流向银电极④实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作A．①②B．②③C．②④D．③④答案A解析金属活动性：Cu>Ag，Cu为负极，失去电子，Cu－2e－=Cu2＋，①正确；Ag为正极，得到电子，Ag＋＋e－=Ag，②正确；电子经外电路流向银电极，电流由银电极流向铜电极，③错误；取出盐桥不能形成闭合回路，不能构成原电池，④错误。5.如图所示，两电极一为碳棒，一为铁片，若电流表的指针发生偏转，且a极上有大量气泡生成，则下列叙述正确的是()A．a为负极，是铁片，烧杯中的溶液为稀硫酸B．b为负极，是铁片，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液C．a为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为稀硫酸D．b为正极，是碳棒，烧杯中的溶液为硫酸铜溶液答案C解析在铁片、碳棒形成的原电池中，a极上有大量气泡生成，可判断a为原电池的正极(碳棒)，b为原电池的负极(铁片)，电解质溶液为稀硫酸，不可能是硫酸铜溶液，C符合题意。题组二原电池工作原理的应用6．下列方法可以加快铁和稀硫酸的反应速率的是()A．加入少量ZnSO4固体B．加入少量水C．加入少量CuSO4固体D．用98%的浓硫酸代替稀硫酸答案C解析加入少量ZnSO4固体，不会改变反应物的浓度，不会改变反应速率，故A不选；加水，溶液的体积增大，反应物的浓度减小，反应速率减小，故B不选；加入少量CuSO4固体，会发生反应置换出铜，形成原电池，使反应速率加快，故C选；浓硫酸在常温下使铁钝化，D不选。7．(2023·湖南邵东高二期中)一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，该原电池的正确组成是()ABCD正极ZnCuZnC负性CuZnAgZn电解质溶液CuCl2溶液H2SO4溶液CuSO4溶液CuCl2溶液答案D解析根据总反应可知Zn为负极，正极为活动性比Zn弱的金属或可导电非金属，电解质溶液中含Cu2＋，只有D项符合题意。8．(2023·石家庄实验中学月考)用A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验，下列叙述正确的是()实验装置甲乙丙实验现象A不断溶解C的表面有红色固体析出A上有气泡产生A.装置甲中的B金属是原电池的负极B．装置乙中，外电路中电流的流向为B→CC．装置丙中溶液里的SOeq\o\al(2－,4)移向AD．四种金属的活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C答案D解析装置甲中A不断溶解，则A为负极，B为正极，A错误；装置乙中C的表面有红色固体析出，则C为正极，B为负极，外电路中电流方向：C→B，B错误；装置丙中A上有气泡产生，则A为正极，D为负极，溶液中SOeq\o\al(2－,4)向D移动，C错误。9.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．电池工作一段时间后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))减小C．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答案C解析锌电极是原电池的负极，发生氧化反应，铜电极是原电池的正极，发生还原反应，A项错误；阳离子交换膜不允许阴离子通过，所以电池工作一段时间后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))不变，B、D项错误；乙池中发生的电极反应为Cu2＋＋2e－=Cu，溶液中Cu2＋逐渐减少，为维持溶液中的电荷平衡，Zn2＋会不断移向乙池，使溶液质量增加，C项正确。10．实验探究是提高学习效果的有力手段。某同学用如图所示装置研究原电池原理，下列说法错误的是()A．若将图1装置的Zn、Cu下端接触，Zn片逐渐溶解，Cu片上能看到气泡产生B．图2中H＋向Cu片移动C．若将图2中的Zn片改为Mg片，Cu片上产生气泡的速率加快D．图2与图3中，Zn片减轻的质量相等时，正极产物的质量比为32∶1答案D解析Zn、Cu直接接触能构成闭合回路而形成原电池，稀硫酸作电解质溶液，所以Cu片上可看到有气泡产生，A正确；H＋带正电荷，向正极移动，即向Cu片移动，B正确；由于Mg失电子能力强于Zn，所以将Zn片改为Mg片时，电子转移速率加快，生成H2的速率也加快，C正确；若两装置负极消耗Zn的质量均为65g，图2正极产生2gH2，图3正极上析出64gCu，正极产物的质量比为1∶32，D错误。11．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而被重视，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＋答案B解析根据锂电池的总反应式Li＋MnO2=LiMnO2，失电子的金属Li为负极，电极反应式为Li－e－=Li＋，A、D错误，B正确；MnO2是正极，电极反应式为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)，C错误。12．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，研究人员设计了如图的实验装置，结果电流表指针发生了偏转，下列分析正确的是()A．如图装置的电流方向是从C1到C2B．C1是负极，发生的反应是2I－－2e－=I2C．盐桥中的K＋向C1电极移动D．装置发生的总反应是Hg2＋＋2I－=HgI2↓答案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，I－具有还原性，C1作负极，电极反应为2I－－2e－=I2，B正确；C2作正极，溶液中Hg2＋得电子，Hg2＋＋2e－=Hg，发生还原反应，电流方向是从正极(C2)流向负极(C1)，A错误；为保持硝酸汞溶液电荷守恒，盐桥中阳离子移向硝酸汞溶液(C2电极)，C错误；装置发生的总反应为Hg2＋＋2I－=Hg＋I2，D错误。13．(16分)某同学在做原电池原理的实验时，有如下实验步骤：①用导线将灵敏电流表的两端分别与纯净的锌片和铜片相连接(如图1)；②把一块纯净的锌片插入盛有稀硫酸的烧杯中；③把一块纯净的铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中；④用导线把锌片和铜片连接起来后，再平行地插入盛有稀硫酸的烧杯中(如图2)。回答下列问题：(1)实验步骤①中观察到的现象是____________________________________________。(2)实验步骤②中观察到的现象是_____________________________________________。(3)实验步骤③中观察到的现象是_____________________________________________。(4)实验步骤④中观察到的现象是_____________________________________________。(5)通过实验步骤④该同学头脑中有了一个猜想，该猜想是___________