1、第第 3 节节 化学能转化为电能化学能转化为电能电池电池 第第 1 课时课时 原电池的工作原理原电池的工作原理 学业要求 素养对接 1.了解原电池的工作原理。 2.能设计简单的原电池。 1.模型认知：电解池的构成条件和工作原理。 2.创新意识：会设计电解池。 知 识 梳 理 知识点一、铜锌原电池 1.装置 2.实验现象及分析 Zn 极 Cu 极 实验现象 检流计指针发生偏转 锌片质量减小 铜片质量增加 电子流向 由 Zn 极流向 Cu 极(填“Zn”“或 Cu”) 电子得失 Zn 失电子 Cu2 得电子 电极名称 负极 正极 电极反应 Zn2e =Zn2 Cu2 2e=Cu 能量转化 化学能转
2、化为电能 知识点二、原电池的工作原理 1.原电池的定义 把化学能转变为电能的装置。 2.原电池的构成条件 (1)两个活泼性不同的导体作电极； (2)电极材料均插入电解质溶液中； (3)能形成闭合回路； (4)能自发发生氧化还原反应。 3.原电池的工作原理 (1)电子流向：由负极经导线流向正极(填“正”或“负”)。 (2)离子流向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。 自 我 检 测 1.铜锌原电池工作时，下列叙述不正确的是( ) A.负极电极反应为 Zn2e =Zn2 B.电池总反应为 ZnCu2 =Zn2Cu C.在外电路中，电子从 Zn 极沿导线流向 Cu 极 D.盐桥中的 K 移向 ZnSO
3、 4溶液 解析 正极发生还原反应： Cu2 2e=Cu， 负极发生氧化反应： Zn2e=Zn2 ；原电池总反应为 ZnCu2=Zn2Cu；电子从 Zn 极沿导线流向 Cu 极；由 于 Cu2 放电，为使 CuSO 4溶液保持电中性，则盐桥中的 K 移向 CuSO 4溶液， Cl 移向 ZnSO 4溶液。故 D 不正确。 答案 D 2.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( ) 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
4、XY 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Y，则电流的方向就为 Y外电 路X；X 为原电池的负极，Y 为正极，X 的活动性比 Y 强；X 极应发生氧化反 应，Y 极应发生还原反应。 答案 C 3.下列装置中能构成原电池产生电流的是( ) 解析 B、D 项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池；A 项不 符合原电池的构成条件；C 项中 Cu 与 HNO3反应能构成原电池。 答案 C 学习任务一、原电池的工作原理及电极反应 【观图助学】 如图： 用葡萄发电让闹钟正常走的实验中，工作原理是什么呢？你能用日常生活 中的东西设计原电池
5、吗？ 提示 略 【名师点拨】 1.原电池的工作原理 2.一般电极反应式的书写方法 3.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。 【典例 1】 (1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池，其正 极反应式：_； 负极反应式：_； 总反应方程式： _。 (2)有一纽扣电池，其电极分别为 Zn 和 Ag2O，以 KOH 溶液为电解质溶液，电池 的总反应为 ZnAg2OH2O=2AgZn(OH)2。 Zn 发生_
6、反应，是_极，电极反应式是 _。 Ag2O 发生_反应，是_极，电极反应式是 _。 答案 (1)2H 2e=H 2 Fe2e =Fe2 FeH2SO4=FeSO4H2 (2)氧化 负 Zn2e 2OH=Zn(OH) 2 还原 正 Ag2O2e H 2O=2Ag2OH 【深度思考】 1.书写原电池电极反应式，应注意电解质溶液参加反应，与电解池电极反应式不 同。 2.原电池正极反应与负极反应相加，一定等于总反应。 变式训练 1 如图所示，X 为单质硅，Y 为金属铁，a 为 NaOH 溶液，组装成一 个原电池，回答下列问题。 (1) 正 极 是 _( 填 名 称 ， 下 同 ) 发生 _ 反 应 ，
7、 电极 反 应 式 为 _ _。 (2)负极是_，发生_反应，电极反应式为 _。 (3)电池总反应的化学方程式为_。 答案 (1)铁 还原 4H2O4e =4OH2H 2 (2)硅 氧化 Si6OH 4e=SiO2 33H2O (3)Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2 学习任务二、原电池原理的应用 【合作交流】 1.若纯锌与粗锌(含 Fe、C 等)分别与同浓度的稀 H2SO4反应制取 H2，哪种方法产 生 H2的速率快？ 提示 粗锌。 2.将金属 a、b 用导线相连插入稀 H2SO4中，发现 b 上产生气泡，则 a 与 b 相比 较，谁更活泼？ 提示 a。 【名师点拨】 1.加快氧化还
8、原反应的速率 例如：锌与稀 H2SO4溶液反应时，加入少量 CuSO4能使产生 H2的速率加快。 2.比较金属活动性强弱 两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。 3.设计化学电源 (1)首先将已知的氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确 定电极反应。 (2)确定电极材料 以电池两个电极反应为依据，确定电极材料及电解质溶液。 发生氧化反应的物质作负极材料，如果发生氧化反应的物质是金属单质，可用 该金属直接作负极，选惰性电极或较不活泼的金属作正极。 确定电解质溶液 对单池原电池，一般选用反应物中的电解质溶液。对双池原电池，则两个单池中 选用的电解质溶液不
9、同。 【关键提醒】 不能自发进行的氧化还原反应不能设计成原电池，能自发进行的 放热的氧化还原反应多数可以设计成原电池。 【典例 2】 根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3Fe=3FeCl2 要求：(1)画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。 (2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。 解析 将该反应拆成两个半反应： Fe2e =Fe2(氧化反应), 2Fe32e =2Fe2 (还原反应)。负极发生氧化反应，电极材料应选参加反应的单质 Fe，正 极发生还原反应，电极材料应选比铁不活泼的金属或石墨等导体。电解质溶液铁 极池中选不能与铁反应的 FeCl2溶液，正极选与铁能反应的
10、 FeCl3溶液。 答案 (1)装置图如下： (2)电池的正、负极及外电路中电子的流向如上图所示。 【深度思考】 设计成双池原电池，避免了负极金属与电解质溶液的直接接触发 生反应，从而避免能量损失，且能提供稳定电流。 变式训练 2 X、Y、Z、W 四块金属板分别用导线两两相连浸入稀硫酸中构成原 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 属的活动性顺序是( ) A.XZWY B.ZXYW C.XYZW D.YWZX 解析 在原电池中，活泼金属作原电池的负极，失去电子发生氧化反应；
11、不活泼 的金属或非金属导体作原电池的正极， 阳离子或氧气等在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。因此，X、Y 相连时， X 为负极，则活动性 XY；Z、W 相连时，电流方向是 WZ，则活动性 ZW； X、Z 相连时，Z 极上产生大量气泡，则活动性 XZ；W、Y 相连时，W 极发生 氧化反应， 则活动性 WY。 综上所述， 可以得出金属的活动性顺序： XZWY。 答案 A 1.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有 KNO3琼脂 的 U 形管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是( ) 在外电路中，电流由铜电极流向银电极
12、 正极反应式为 Ag e=Ag 实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作 将铜片浸入 AgNO3溶液中发生的 化学反应与该原电池的总反应相同 A. B. C. D. 解析 铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、盐桥构成一个原电池，Cu 作 负极，Ag 作正极，其电极反应分别为负极：Cu2e =Cu2，正极：2Ag2e =2Ag，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子的流向是由负极流 向正极，电流的方向与电子的流向相反，因此 C 正确。 答案 C 2.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
13、作一段时间后，甲池的SO2 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 解析 Zn 作负极，Cu 作正极发生还原反应，A 项错误；负极发生的反应为：Zn 2e =Zn2，正极反应为：Cu22e=Cu，而该交换膜是阳离子交换膜， 因此 Zn2 由甲池交换到乙池，故甲池中硫酸根离子浓度几乎不变，B、D 选项错 误，C 选项正确。 答案 C 3.下列关于原电池的叙述中正确的是( ) A.构成原电池的两极必须是两种不同金属 B.原电池是将化学能转化为电能的装置 C.原电池工作时总是负极溶解，正极上有物质析出 D.原电池的正极是还
14、原剂，总是溶液中的阳离子在此被还原 答案 B 4.利用反应 Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2设计一个原电池，正极为_，电极 反应式为_； 负极为_，电极反应式为_； 电解质溶液是_。 解析 根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路： 首先将已知的反应拆成两个 半反应(即氧化反应和还原反应)：Cu2e =Cu2，2Fe32e=2Fe2；然后 结合原电池的电极反应特点，分析可知，该电池的负极应该用 Cu 作材料，正极 要保证 Fe3 得到负极失去的电子，一般用不能还原 Fe3的材料，如 Pt 或碳棒等， 电解质溶液只能用含 Fe3 的电解质溶液，如 FeCl 3溶液等。 答案 Pt(或 C)
15、 2Fe3 2e=2Fe2 Cu Cu2e=Cu2 FeCl 3溶液 5.有 A、B、C、D、E 五块金属片，进行如下实验： (1)A、 B 用导线相连后， 同时浸入稀 H2SO4溶液中， A 极为负极， 活动性_。 (2)C、D 用导线相连后，同时浸入稀 H2SO4溶液中，电流由 D导线C，活动 性_。 (3)A、 C 相连后， 同时浸入稀 H2SO4溶液中， C 极产生大量气泡， 活动性_。 (4)B、 D 相连后， 同时浸入稀 H2SO4溶液中， D 极发生氧化反应， 活动性_。 (5)用惰性电极电解含 B 离子和 E 离子的溶液，E 先析出，活动性_。 综 上 所 述 ， 这 五 种
16、金 属 的 活 动 性 从 强 到 弱 的 顺 序 为 _。 答案 (1)AB (2)CD (3)AC (4)DB (5)BE ACDBE 课时作业 基 础 练 1.100 mL 2 mol L 1 的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成 氢气的总量，可采用的方法是( ) A.加入适量的 6 mol/L 的盐酸 B.加入数滴氯化铜溶液 C.加入适量蒸馏水 D.加入适量的氯化钠溶液 解析 A 项， 加入 6 mol L 1 的盐酸， 会使产生的 H2总量增加； B 项， 加入 CuCl2 溶液后，Zn 置换出 Cu，Cu 附着在 Zn 上，形成原电池，加快反应速率；C、D 两项，蒸
17、馏水和 NaCl 溶液都会稀释原盐酸溶液，使反应速率减慢。 答案 B 2.如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M 棒变粗，N 棒变细，由此判断下 表中所列 M、N、P 物质，其中可以成立的是( ) 选项 M N P A 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 解析 本题通过电极变化来确定电极，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。 答案 C 3.如图所示的装置，在铁圈和银圈的焊接处，用一根棉线将其悬吊在盛水的烧杯 中，使之平衡。小心地向烧杯中央滴入 CuSO4溶液，片刻后可观察到
18、的现象是 ( ) A.铁圈和银圈左右摇摆不定 B.保持平衡状况 C.铁圈向下倾斜 D.银圈向下倾斜 解析 滴入 CuSO4溶液后，形成原电池，Fe 作负极，Ag 作正极，在铁圈上：Fe 2e =Fe2，使铁圈质量减少；在 Ag 圈上：Cu22e=Cu，生成的 Cu 附 着在 Ag 上，使 Ag 圈质量增多，所以银圈向下倾斜。 答案 D 4.按下图装置实验， 若 x 轴表示流出负极的电子的物质的量， 则 y 轴应表示( ) Ag NO 3 a 棒的质量 b 棒的质量 溶液的质量 A. B. C. D. 解析 在这个原电池中，负极：Fe2e =Fe2，正极：Age=Ag，使 a 棒减轻、b 棒增重
19、，溶液中NO 3不变，溶液的质量减轻。 答案 D 5.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 解析 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。 答案 C 6.在如图所示的装置中，a 的金属活动性比氢要强，b 为碳棒，下列关于此装置 的叙述不正确的是( ) A.碳棒上有气体放出，溶液 pH 变大 B.a 是正极，b 是负极 C.导线中有电子流动，电子从 a 极流向 b 极 D.a 极上发生了氧化反应 解析 本题考查原电池基本知识
20、，难度不大，但概念容易混淆。电极 a、b 与电 解质溶液稀 H2SO4组成原电池。因活动性 ab(碳棒)，所以 a 为电池的负极，b 为正极。电极反应式： a(负)极：ane =an(氧化反应) b(正)极：nH ne=n 2H2(还原反应) 由于正极消耗 H ，溶液中H减小，pH 增大。在外电路中，电子由 a 极流出经 检流计流向 b 极。 答案 B 7.某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是( ) A.a 和 b 不连接时，铁片上会有金属铜析出 B.a 和 b 用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2 2e=Cu C.无论 a 和 b 是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色
21、逐渐变成浅绿色 D.a 和 b 分别连接直流电流正、负极，电压足够大时，Cu2 向铜电极移动 解析 a 和 b 不连接时，不能构成原电池。铁与铜发生置换反应，生成的铜附着 在铁片上，A 项正确；a 和 b 用导线连接，构成原电池，溶液中的 Cu2 得到电子 生成铜在铜片上析出，B 项正确；无论 a 和 b 是否连接，都是铁片不断溶解生成 Fe2 ，溶液中的 Cu2不断得到电子生成 Cu，溶液颜色从蓝色逐渐变成浅绿色， C 项正确；a 和 b 分别连接直流电源正、负极时，铜片做阳极，失电子生成铜离 子，溶液中铜离子向阴极移动，在阴极上得到电子，D 项错误。 答案 D 8.原电池的电极名称不仅与电
22、极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说 法中不正确的是( ) A.由 Al、Cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为 Al3e =Al3 B.由 Mg、Al、NaOH 溶液组成原电池，其负极反应式为 Al3e 4OH =Al(OH)4 C.由 Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为 Cu2e =Cu2 D.由 Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为 Cu2e =Cu2 解析 原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性，因为可能会出现特殊 情况：浓硝酸使铁、铝钝化；铝与 NaOH 溶液反应，而镁不能与 NaOH 溶液反 应等。 答案 C 9.微生物电池是指在微生物的作用
23、下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如 图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( ) A.正极反应中有 CO2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为 C6H12O66O2=6CO26H2O 解析 A.根据C元素的化合价的变化， C6H12O6生成二氧化碳的反应为氧化反应， 应在负极生成， 错误； B.微生物加速了葡萄糖的腐蚀， 促进了反应中电子的转移， 正确；C.原电池中阳离子向正极移动，正确；D.电池的总反应实质是葡萄糖的氧 化反应，正确，答案选 A。 答案 A 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
24、前 已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为 LiMnO2=LiMnO2， 下列说法正确的是( ) A.Li 是正极，电极反应为 Lie =Li B.Li 是负极，电极反应为 Lie =Li C.MnO2是负极，电极反应为 MnO2e =MnO 2 D.Li 是负极，电极反应为 Li2e =Li2 解析 由总反应可知，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(43)。Li 被氧化，在电池中作负极， 电极反应为 Lie =Li，MnO 2在正极上反应，电极反应为 MnO2e =MnO 2。 答案 B 11.由锌片、铜片和 200 mL 稀 H2SO4组成的原电
25、池如图所示。 (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_ (设溶液体积不变)。 解析 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 g moL 14.875 g，N(e)0.15 mol6.021023 moL 19.031022，c(H 2SO
26、4)0.075 mol2 0.2 L 0.75 mol L 1。 答案 (1)Zn2e =Zn2 2H2e=H 2 (2)由 Cu 极经导线流向 Zn 极 (3)4.875 9.031022 0.75 mol L 1 12.(1)控制适合的条件， 将反应 2Fe3 2I 2Fe2 I 2设计成如图所示的原 电池。 请回答下列问题： 反应开始时，乙中石墨电极上发生_(填“氧化”或“还原”)反应，电 极反应式为_。甲中石墨电极上发生_(填“氧化”或“还 原”)反应，电极反应式为_。 电流表读数为 0 时，反应达到平衡状态，此时在甲中加入 FeCl2固体，则乙中 的 石 墨 作 _( 填 “ 正 ”
27、 或 “ 负 ”) 极 ， 该 电 极 的 电 极 反 应 式 为 _。 (2)利用反应 2CuO22H2SO4=2CuSO42H2O 可制备 CuSO4，若将该反应设 计为原电池，其正极电极反应式为_。 解析 (1)根据反应 2Fe3 2I=2Fe2I 2，原电池的电极反应：负极：2I 2e =I 2，发生氧化反应。正极：2Fe3 2e=2Fe2，发生还原反应。 反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应；当电流表读数为 0 时反应已平 衡，此时，在甲中加入 FeCl2固体，反应 2Fe3 2I 2Fe2 I 2向左移动。 因此，右侧石墨作正极，电极反应式为：I22e =2I；左侧石墨作负极，电
28、极 反应式为 2Fe2 2e=2Fe3。 (2)Cu 作负极，O2在正极上得电子：O24e 4H=2H 2O。 答案 (1)氧化 2I 2e=I 2 还原 2Fe3 2e=2Fe2 正 I 22e =2I (2)O 24e 4H=2H 2O 素 养 练 13.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 6 mol L 1 的稀硫酸中，乙同 学将电极放入 6 mol L 1 的 NaOH 溶液中，如图所示。 (1)写出甲池中发生的有关电极反应的反应式： 负极_, 正极_。 (2)写出乙池中发生的有关电极反应的反应式： 负极_,
29、 正极_。 总反应离子方程式为_。 (3)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_活动性更 强，而乙会判断出_活动性更强(填写元素符号)。 (4)由此实验，可得到如下哪些结论？_。 A.利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的电解质 B.镁的金属性不一定比铝的金属性强 C.该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值 D.该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变，应具体问题具体分析 解析 (1)甲池中电池总反应方程式为MgH2SO4=MgSO4H2， Mg作负极， 电极反应式为 Mg2e =Mg2；A
30、l 作正极，电极反应式为 2H2e=H 2。 (2)乙池中电池总反应方程式为 2Al2NaOH6H2O=2NaAl(OH)43H2， 负极上为 Al 被氧化生成 Al3 后与 OH反应生成Al(OH) 4 ，电极反应式为 2Al 8OH 6e=2Al(OH) 4 ； 正极产物为 H 2， 电极反应式为 6H2O6e =6OH 3H 2。 (3)甲池中 Mg 为负极，Al 为正极；乙池中 Al 为负极，Mg 为正极，若根据负极 材料金属比正极活泼，则甲判断 Mg 活动性强，乙判断 Al 活动性强。 (4)选 AD。Mg 的金属活动性一定比 Al 强，金属活动性顺序表是正确的，应用广 泛。 答案
31、(1)Mg2e =Mg2 2H2e=H 2 (2)2Al8OH 6e=2Al(OH) 4 6H2O6e =6OH3H 2 2Al2OH 6H 2O=2Al(OH)4 3H 2 (3)Mg Al (4)AD 14.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：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，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为 _ _。 方案：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，
32、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：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、不能雷同)： _， 用离子方程式表示其反应原理：_。 解析 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：Fe2H =Fe2H 2 方案： 2H 2e=H 2 Fe2e =Fe2 方案：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) FeCu2 =CuFe2
