4.1 原电池（第1课时 原电池的工作原理）（解析版）

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第四章 第一节 原电池
第1课时 原电池的工作原理
【学习目标】
1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。
2．了解原电池的工作原理。
【素养目标】
1．以锌铜原电池为例，通过从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，正确判断原电池的正极和负极，书写其电极反应式。培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．通过理解化学能与电能的相互转化，认识从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性。培养学生“变化观念与平衡思想”的学科素养。
3．通过对锌铜原电池工作原理的分析，建立对电化学过程的系统分析思路，提高学生对电化学本质的认识。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：原电池的工作原理
1．原电池工作原理
(1)能量转化：化学能―→电能
(2)原电池的构成
反应 能自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极 一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
介质 电解质溶液或熔融电解质或某离子导体等
闭合回路 两电极连接或接触插入介质
(3)示例：图甲和图乙是铜锌原电池装置示意图。
　　　
电极名称 负极 正极
电极材料 Zn Cu
电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型 氧化反应 还原反应
电子流向(外电路) 由负极沿导线流向正极
离子移向(内电路) 阴离子向负极移动，阳离子向正极移动；盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼胶)中离子移向：K＋向正极移动，Cl－向负极移动
电池总反应(离子方程式) Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
两种装置的不同点 装置Ⅰ：还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，化学能既转化为电能，又转化为热能，造成能量损耗； 装置Ⅱ：还原剂Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，化学能绝大部分转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长
【点拨】(1)原电池的正极和负极不仅与电极材料的性质有关，还与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定为负极的思维定式，如镁、铝、氢氧化钠溶液形成原电池，铝为负极。
(2)盐桥的作用：使整个装置构成闭合回路，代替两溶液直接接触；平衡电荷，提高电池效率。
盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液。当其存在时，随着反应的进行，Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2＋过多，带正电荷。Cu2＋获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2＋过少，过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性时，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在就避免了这种情况的发生，其中Cl－向ZnSO4溶液迁移，K＋向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。
2．判断原电池正负极的五种方法
典例1．下列装置中能构成原电池产生电流的是( )
【答案】B
【解析】A、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；B项符合原电池的构成条件，两电极发生的反应分别是Zn－2e－===Zn2＋，2H＋＋2e－===H2↑；C项中酒精不是电解质，故不能构成原电池。
典例2．如图所示原电池的有关叙述不正确的是(　　)
A．电子沿导线由Cu片流向Ag片
B．正极的电极反应式是Ag＋＋e－===Ag
C．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应
D．反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液
【答案】D
【解析】A项，该装置是原电池，铜作负极，银作正极，电子从铜片沿导线流向银片，正确； B项，正极电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，正确； C项，铜片上失电子发生氧化反应，银片上得电子发生还原反应，正确； D项，原电池工作时，电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动，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，错误。
典例3．如图所示原电池的盐桥中装有饱和K2SO4溶液，电池工作一段时间后，甲烧杯中溶液颜色不断变浅。下列叙述中正确的是(　　)
A．b极是电池的正极
B．甲烧杯中K＋经盐桥流向乙烧杯
C．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
D．电池的总反应离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O
【答案】D
【解析】由甲烧杯中溶液颜色不断变浅，可知KMnO4中Mn元素的化合价降低，得到电子，Fe元素的化合价升高，失去电子， 则b为负极，a为正极，所以总的电极反应式为2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O。由于Fe2＋在b电极失去电子，发生氧化反应，所以b极是电池的负极，A错误；K＋向正极移动，所以K＋从盐桥流向甲烧杯，B错误；甲烧杯中a电极上MnO获得电子，发生还原反应，Mn元素的化合价降低，电极反应为MnO＋8H＋＋5e－===Mn2＋＋4H2O，所以甲烧杯中溶液的pH逐渐增大，C错误；由总的电极反应式可知，反应的离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O，D正确。
知识点二：原电池原理应用
1．加快化学反应速率
一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率加快。
2．比较金属活动性强弱
注意：对于“Mg NaOH(aq) Al”原电池负极为Al，对于“Cu 浓HNO3 Al(Fe)”原电池负极为Cu。
3．设计原电池装置
两极材料、电解质溶液的选择、盐桥等。
设计原电池的思路(以Cu与AgNO3反应为例)
(1)明确两极反应
(2)
(3)
(4)画装置图：注明电极材料和溶液成分
4．金属的防护
使被保护的金属制品作原电池极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的极。
【思维建模】原电池工作原理模型图
【点拨】①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
【思维建模】根据电池反应设计原电池的模板
典例4．向两份过量的锌粉a、b中分别加入等量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是(　　)
【答案】B
【解析】向a中加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，反应速率加快，由于稀硫酸的量相同，Zn过量，最终产生H2的体积一样多。
典例5．有M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P 用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；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＋。则这四种金属的活动性由强到弱的顺序是(　　)
A．P＞M＞N＞E B．E＞N＞M＞P
C．P＞N＞M＞E D．E＞P＞M＞N
【答案】A
【解析】由①知，金属活动性：M＞N；由②知，M、P构成的原电池中，M为正极，故金属活动性：P＞M；由③知，N、E构成的原电池中，N为负极，故金属活动性：N＞E。综上所述，A正确。
典例6．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)负极反应式：________________________________。
(2)正极反应式：__________________________________。
(3)电池总反应方程式：_____________________________________。
(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥 ②含盐桥
【答案】(1)Cu－2e－===Cu2＋ (2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ (3)Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①　②
核心价值与学科素养
典例7．水果电池的发电原理是两种金属片的电化学活性是不一样的，其中更活泼的那边的金属片能置换出水果中的酸性物质的氢离子，由于产生了正电荷，整个系统需要保持稳定，所以在组成原电池的情况下，自由电子从回路中保持系统的稳定，理论上来说电流大小直接和果酸浓度相关。
(1)两金属片有何现象？ 。
(2)内电路中移向正极参与反应的离子是 。
【答案】(1)其一金属片逐渐溶解，另一金属片表面有气泡冒出。
　(2)H＋。
典例8．食物在空气中因为与氧气反应而腐败变质，尤其是坚果类的食品，由于其含有大量的不饱和脂肪酸，在空气中更容易与氧气反应，并且变质的同时还会产生致癌物质。同时，坚果还能够吸收空气中的水蒸气而受潮变软影响口感。食品保鲜所用的“双吸剂”，是由还原铁粉、生石灰、活性炭和氯化钠等按照一定比例组成的混合物，可同时吸收氧气和水，延长食品保质期。
产品属性/PRODUCT ATTRIBUTE
名称：食品用脱氧剂 型号：50型300粒
成分：还原铁粉、生石灰、水、食盐、活性炭 类别：自立型
标准吸氧量：50 mL 保质期：两年
(1)“双吸剂”中起到吸水作用的物质是 。
(2)“双吸剂”吸收氧气时，发生了原电池反应，写出正极材料、负极材料及电极反应。
。
(3)“双吸剂”过一段时间由灰黑色变成红色，红色物质的主要成分是 。
【答案】(1)生石灰。
(2)正极为活性炭，电极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；
负极为铁粉，电极反应为：Fe－2e－===Fe2＋。
(3)Fe2O3。
【跟踪练习】 基础过关
1． ①②③④ 四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是( )
A．①③②④ B．①③④②
C．③④②① D．③①②④
【答案】B
【解析】利用原电池的形成和工作原理解决问题。在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：①>③>④>②。
2． 分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)
A．①②中Mg为负极，③④中Fe为负极
B．②中Mg为正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑
C．③中Fe为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
D．④中Cu为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
【答案】B
【解析】②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能与NaOH溶液反应失去电子，故Al为负极；③中Fe在冷的浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子，故Cu为负极，A、C项错误；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B项正确；④中Cu为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D项错误。
3． 根据右图，可判断出下列离子方程式中错误的是(　　)
A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s)
B．Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq)
C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)===2Ag(s)＋Cd2＋(aq)
D．2Ag＋(aq)＋Co(s)===2Ag(s)＋Co2＋(aq)
【答案】A
【解析】从两个原电池的电极可以判断出三种金属的活动性关系为：Cd>Co>Ag，则氧化性关系为：Cd2＋4． 某位同学利用家中废旧材料制作了一个可使玩具扬声器发出声音的装置，如图所示。下列有关该电池工作时的说法错误的是(　　)
A．铝罐将逐渐被腐蚀
B．电子流向为铝制汽水罐→导线→扬声器→导线→木炭棒
C．食盐水中的Na＋向木炭棒移动
D．木炭棒上发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑
【答案】D
【解析】该原电池中铝作负极被腐蚀，浸透食盐水的木炭棒作正极，A正确；在外电路中，电子由铝罐流出沿导线流向扬声器，再由扬声器沿导线流向木炭棒，B正确；食盐水中的阳离子向正极移动，即Na＋向木炭棒移动，C正确；木炭棒为正极，正极发生还原反应，在中性环境下，发生吸氧腐蚀，即O2＋4e－＋2H2O===4OH－，D错误。
5． 火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时(　　)
A．负极上发生还原反应
B．CO2在正极上得电子
C．阳离子由正极移向负极
D．将电能转化为化学能
【答案】B
【解析】金属钠为负极，负极上发生失电子的氧化反应，A错误；碳纳米管为正极，CO2在正极上得电子，发生还原反应，B正确；放电时，阳离子由负极移向正极，C错误；原电池是将化学能转化为电能的装置，D错误。
能力达成
6． 如图所示原电池工作时，右池中Y2O72-转化为Y3＋。下列叙述正确的是(　　)
A．左池中电极反应式：X4＋＋2e－===X2＋
B．每消耗1 mol Y2O72-转移3 mol电子
C．左池中阴离子数目增加
D．改变右池溶液的c(H＋)，电流强度不变
【答案】C
【解析】本题考查原电池知识，意在考查考生对化学理论的应用能力。原电池工作时，右池中Y2O转化为Y3＋，故右池中Y2O72-得电子，右池为正极区，左池为负极区。A项，左池中电极反应式应为X2＋－2e－===X4＋，错误；B项，每消耗1 mol Y2O72-，应转移6 mol电子，错误；C项，阴离子向负极区(左池)移动，左池阴离子数目增加，正确；D项，改变右池溶液的c(H＋)，电流强度会发生变化，错误。
7． 某兴趣小组设计了如图所示原电池装置(盐桥中含有饱和K2SO4溶液)。下列说法正确的是 (　　)
A．该原电池的正极反应是Cu2++2e-===Cu
B．甲烧杯中溶液的红色逐渐变浅
C．盐桥中的SO42- 流向甲烧杯
D．若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸，电流表指针反向偏转
【答案】B
【解析】该原电池反应为Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2，正极发生还原反应,为Fe3++e-===Fe2+，A错误；甲烧杯中发生反应Fe3++e-===Fe2+，则甲烧杯中溶液的红色逐渐变浅，B正确；阴离子向负极移动，C错误；若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸，Cu仍为负极，Pt仍为正极，电流表指针偏转方向不变，D错误。
8． 有甲、乙两位学生均想利用原电池反应验证金属的活动性顺序，并探究产物的有关性质，分别设计了如下图所示的原电池，请完成下列问题：
(1)甲池中正极上的实验现象是 。
(2)乙池中总反应的离子方程式为： 。
(3)上述实验证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池的正负极”，这种做法________(填“可靠”或“不可靠”)，如不可靠，请你提出另一种判断原电池正负极的可行的方案________________________。(若你认为可靠，此空可不作答)
(4)一段时间后，乙学生将乙池两极取出，然后取少许乙池溶液逐滴滴加6 mol/L H2SO4溶液直至过量，①可能观察到的现象是________________________；②各阶段对应的离子方程式分别是________、________、________。
【答案】 (1)电极上产生气泡 (2)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑
(3)不可靠　将两种金属电极连上电流计而构成原电池，利用电流计检测电流的方向，从而判断电子流动方向，由此确定原电池的正负极
(4)①开始无明显变化，过一段时间产生白色沉淀，后逐渐溶解最后消失　②H＋＋OH－===H2O　AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓　Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O
解析：当稀硫酸是电解液时，Mg作负极(活泼性Mg>Al)，Al作正极且电极上产生气泡；当NaOH是电解液时，Al作负极(因为Mg不与NaOH溶液反应)，总反应为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑。乙学生将乙池两极取出，电解液中含有AlO，是NaOH和NaAlO2的混合溶液，所以逐滴滴加稀H2SO4，应该先中和掉NaOH，再与NaAlO2反应生成沉淀，当硫酸过量时，Al(OH)3沉淀逐渐消失。
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