第四章　第一节　第1课时　原电池的工作原理 学案 （含答案）—2023-2024学年（人教版2019）高中化学选择性必修1

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.以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式。2.进一步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变化过程，并能理解带有盐桥原电池的实用性。
一、原电池的工作原理
1．回顾复习原电池的工作原理及形成条件
(1)由下列装置回顾原电池工作原理
①电极上
锌片______电子，是______极，电极反应式：________________________________。
铜片上Cu2＋_____________________电子，铜片是_______________极，电极反应式：________________________________________________________________________。
②外电路中：电子由______片流向______片。
③溶液中：SO移向______片，Cu2＋移向______片。
总反应方程式：__________________________________________________________。
(2)原电池的构成条件
①定义：把________能转化为______能的装置。
②构成条件
2．探究含盐桥的锌铜原电池的工作原理
(1)盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，形成离子通道，把置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连在一起，构成闭合回路。
(2)现象：锌片____________，铜片上________________，电流表指针发生________。
(3)工作原理(以上述原电池为例)
电极 Zn电极 Cu电极
电极名称
得失电子 ______电子 ______电子
电子流向 电子流____ 电子流____
电极反应式
总反应式
(1)原电池中电流的方向是负极→导线→正极(　　)
(2)原电池中负极发生的反应是还原反应(　　)
(3)锌铜原电池中电子由锌电极经过电解质溶液流向铜电极(　　)
(4)在原电池中阴离子移向负极(　　)
(5)原电池的正极一定是化学性质不活泼的金属(　　)
(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(　　)
(7)一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(　　)
1．锌铜原电池：盐桥中离子移动方向：________移向ZnSO4溶液，________移向CuSO4溶液。盐桥在原电池装置中的作用是__________________________________________。
2．对比图1与图2两装置，更有效地将化学能转化为电能的是______________，其原因是
________________________________________________________________________。
3．某原电池总反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含KCl饱和溶液的琼脂吗？
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1．在图中的8个装置中，属于原电池的是(　　)
A．①②③⑤⑧ B．③④⑥⑦
C．④⑥⑦ D．③⑤⑦
2．下列反应理论上能用于设计成原电池的是_________________________________(填序号)。
①HCl＋NaOH===NaCl＋H2O　ΔH＜0
②2CH3OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0
③4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH＜0
1.原电池的工作原理简图
电子移动方向 从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液
离子移动方向 阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，离子只能在电解质溶液中移动，不能在导线上移动
若有盐桥 盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区
若有交换膜 离子可选择性通过交换膜，如阳离子可通过阳离子交换膜移向正极
2.原电池中正、负极的判断方法
二、原电池工作原理的应用
1．加快化学反应速率
(1)原理：在形成的原电池中，氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生，溶液中的离子运动时相互干扰减小，电解质溶液中离子的运动更快，使化学反应速率加快。
(2)举例：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成微小Cu Zn原电池，加快产生H2的速率。
2．比较金属的活动性强弱
原理：一般来说，负极金属的活动性强于正极金属。根据现象判断出原电池的正、负极，金属的活动性：负极强于正极。
例1　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______。
例2　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稀硫酸中，乙同学将电极放入6 mol·L－1 NaOH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：________________________________________________________。
3．设计原电池
(1)理论上，________________反应可以设计成原电池。构成原电池的基本条件也是设计原电池的基本依据。
(2)设计原电池的思路示例
以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2为例
(1)只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池(　　)
(2)若将2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋设计成原电池，可用锌、铁作电极材料(　　)
(3)足量的Zn与稀H2SO4反应时，滴入CuSO4溶液可以加快反应速率，因为c(SO)增大(　　)
(4)增大电解质溶液的浓度，能加快原电池的反应速率(　　)
若把反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计成含盐桥的原电池。在方框中画出能形成稳定电流的双液原电池(有盐桥)的装置图并标出电极材料、电解质溶液。
1．(2022·张家口高二期末)3.25 g锌与100 mL 1 mol·L－1的稀硫酸反应，为了增大反应速率而不改变H2的产量，可采取的措施是(　　)
A．滴加几滴浓盐酸
B．滴加几滴浓硝酸
C．滴加几滴硫酸铜溶液
D．加入少量锌粒
2．(1)请设计原电池，证明还原性：Cd(镉)>Co(钴)>Ag(银)，氧化性：Ag＋>Co2＋>Cd2＋。在下面的方框内画出原电池的装置图(带盐桥)，标出原电池的电极材料和电解质溶液。
(2)运用原电池原理设计实验，验证I2、Fe3＋氧化性的强弱，请在下面的方框内画出实验装置图(带盐桥)并写出电极反应。
三、原电池电极反应式的书写
一般情况下：
负极：负极材料失电子生成相应离子，发生氧化反应；
正极：电解质溶液中阳离子在正极上得电子，发生还原反应；
总反应式：依据得失电子守恒配平上述两极反应式，然后相加。
1．基础原电池
(1)锌(A) 铜(B) H2SO4溶液(C)
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
(2)Mg(A) Al(B) 盐酸(C)
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
(3)Mg(A) Al(B) NaOH溶液(C)
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
(4)铁(A) 铜(B) FeCl3溶液(C)
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
(5)铁(A) 铜(B) 稀硝酸(C)
负极：________________________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
总反应：________________________________________________________________________。
2．带盐桥的原电池
某兴趣小组为了提高电池的效率设计了如图所示的原电池。请回答下列问题。
(1)若X是AlCl3溶液，Y是稀硫酸，写出电极名称及对应的电极反应式：
Al片(　　)_____________________________________________________________________，
Cu片(　　)_____________________________________________________________________。
(2)若X是浓硝酸，Y是NaCl溶液，写出电极名称及对应的电极反应式：
Al片(　　)_____________________________________________________________________，
Cu片(　　)_____________________________________________________________________。
3．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池，请回答下列问题：
(1)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________________________。
(2)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”或“负”)极，该电极的电极反应式为______________________。
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.以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式。2.进一步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变化过程，并能理解带有盐桥原电池的实用性。
一、原电池的工作原理
1．回顾复习原电池的工作原理及形成条件
(1)由图1装置回顾原电池工作原理
①电极上
锌片失电子，是负极，电极反应式：Zn－2e－===Zn2＋。
铜片上Cu2＋得电子，铜片是正极，电极反应式：Cu2＋＋2e－===Cu。
②外电路中：电子由锌片流向铜片。
③溶液中：SO移向锌片，Cu2＋移向铜片。
总反应方程式：CuSO4＋Zn===ZnSO4＋Cu。
(2)原电池的构成条件
①定义：把化学能转化为电能的装置。
②构成条件
2．探究含盐桥的锌铜原电池的工作原理
(1)盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，形成离子通道，把置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连在一起，构成闭合回路。
(2)现象：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。
(3)工作原理(以上述原电池为例)
电极 Zn电极 Cu电极
电极名称 负极 正极
得失电子 失电子 得电子
电子流向 电子流出 电子流入
电极反应式 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu
总反应式 CuSO4＋Zn===ZnSO4＋Cu
(1)原电池中电流的方向是负极→导线→正极(　　)
(2)原电池中负极发生的反应是还原反应(　　)
(3)锌铜原电池中电子由锌电极经过电解质溶液流向铜电极(　　)
(4)在原电池中阴离子移向负极(　　)
(5)原电池的正极一定是化学性质不活泼的金属(　　)
(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(　　)
(7)一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×　(7)√
1．锌铜原电池：盐桥中离子移动方向：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①形成闭合回路；②平衡电荷，使溶液呈电中性；③避免电极与电解质溶液直接反应，减少电流的衰减，提高原电池的工作效率。
2．对比图1与图2两装置，更有效地将化学能转化为电能的是图2，其原因是图1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。
3．某原电池总反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含KCl饱和溶液的琼脂吗？
提示　不可以。因为AgNO3溶液能和KCl溶液反应生成AgCl沉淀，盐桥中可以是装有含KNO3饱和溶液的琼脂。
1．在图中的8个装置中，属于原电池的是(　　)
A．①②③⑤⑧ B．③④⑥⑦
C．④⑥⑦ D．③⑤⑦
答案　D
解析　①⑧未构成闭合回路；②中两极材料活动性相同；④中酒精是非电解质；⑥虽形似盐桥原电池装置，但锌直接与硫酸铜溶液反应，铜离子不能在铜电极放电；所以①②④⑥⑧均不构成原电池，③⑤⑦可构成原电池，D正确。
2．下列反应理论上能用于设计成原电池的是________________________________(填序号)。
①HCl＋NaOH===NaCl＋H2O　ΔH＜0
②2CH3OH(l)＋3O2(g)===2CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0
③4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH＜0
答案　②③
1.原电池的工作原理简图
电子移动方向 从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液
离子移动方向 阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，离子只能在电解质溶液中移动，不能在导线上移动
若有盐桥 盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区
若有交换膜 离子可选择性通过交换膜，如阳离子可通过阳离子交换膜移向正极
2.原电池中正、负极的判断方法
二、原电池工作原理的应用
1．加快化学反应速率
(1)原理：在形成的原电池中，氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生，溶液中的离子运动时相互干扰减小，电解质溶液中离子的运动更快，使化学反应速率加快。
(2)举例：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成微小Cu-Zn原电池，加快产生H2的速率。
2．比较金属的活动性强弱
原理：一般来说，负极金属的活动性强于正极金属。根据现象判断出原电池的正、负极，金属的活动性：负极强于正极。
例1　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a→d，则电子d→a，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。
例2　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稀硫酸中，乙同学将电极放入6 mol·L－1 NaOH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)Mg　Al　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
3．设计原电池
(1)理论上，自发的氧化还原反应可以设计成原电池。构成原电池的基本条件也是设计原电池的基本依据。
(2)设计原电池的思路示例
以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2为例
(1)只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池(　　)
(2)若将2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋设计成原电池，可用锌、铁作电极材料(　　)
(3)足量的Zn与稀H2SO4反应时，滴入CuSO4溶液可以加快反应速率，因为c(SO)增大(　　)
(4)增大电解质溶液的浓度，能加快原电池的反应速率(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)×
若把反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计成含盐桥的原电池。在方框中画出能形成稳定电流的双液原电池(有盐桥)的装置图并标出电极材料、电解质溶液。
提示　
1．(2022·张家口高二期末)3.25 g锌与100 mL 1 mol·L－1的稀硫酸反应，为了增大反应速率而不改变H2的产量，可采取的措施是(　　)
A．滴加几滴浓盐酸
B．滴加几滴浓硝酸
C．滴加几滴硫酸铜溶液
D．加入少量锌粒
答案　A
解析　3.25 g Zn的物质的量n(Zn)＝＝0.05 mol,100 mL 1 mol·L－1的稀硫酸中n(H2SO4)＝1 mol·L－1×0.1 L＝0.1 mol，根据化学方程式Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑可知，二者反应的物质的量之比是1∶1，故稀硫酸过量，反应放出H2要以不足量的Zn为标准计算。滴加几滴浓盐酸，增大了溶液中的c(H＋)，反应速率增大，且H2的产量不变，A符合题意；硝酸具有强氧化性，与Zn反应不能产生氢气，B不符合题意；Zn与CuSO4发生置换反应产生Cu和ZnSO4，Zn、Cu及硫酸构成原电池，使反应速率加快；但由于Zn消耗，导致反应产生H2的量减少，C不符合题意；加入少量的Zn，由于Zn是固体，浓度不变，因此反应速率不变，但由于不足量的Zn的量增加，以Zn为标准反应产生的H2的量增多，D不符合题意。
2．(1)请设计原电池，证明还原性：Cd(镉)>Co(钴)>Ag(银)，氧化性：Ag＋>Co2＋>Cd2＋。在下面的方框内画出原电池的装置图(带盐桥)，标出原电池的电极材料和电解质溶液。
(2)运用原电池原理设计实验，验证I2、Fe3＋氧化性的强弱，请在下面的方框内画出实验装置图(带盐桥)并写出电极反应。
答案　(1)
(2)
电极反应：
负极：2I－－2e－===I2
正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
三、原电池电极反应式的书写
一般情况下：
负极：负极材料失电子生成相应离子，发生氧化反应；
正极：电解质溶液中阳离子在正极上得电子，发生还原反应；
总反应式：依据得失电子守恒配平上述两极反应式，然后相加。
1．基础原电池
(1)锌(A)-铜(B)-H2SO4溶液(C)
负极：Zn－2e－===Zn2＋；
正极：2H＋＋2e－===H2↑；
总反应：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
(2)Mg(A)-Al(B)-盐酸(C)
负极：Mg－2e－===Mg2＋；
正极：2H＋＋2e－===H2↑；
总反应：Mg＋2H＋===Mg2＋＋H2↑。
(3)Mg(A)-Al(B)-NaOH溶液(C)
负极：2Al－6e－＋8OH－===2AlO＋4H2O；
正极：6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－；
总反应：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑。
(4)铁(A)-铜(B)-FeCl3溶液(C)
负极：Fe－2e－===Fe2＋；
正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋；
总反应：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。
(5)铁(A)-铜(B)-稀硝酸(C)
负极：Fe－3e－===Fe3＋；
正极：NO＋4H＋＋3e－===NO↑＋2H2O；
总反应：Fe＋NO＋4H＋===Fe3＋＋NO↑＋2H2O。
2．带盐桥的原电池
某兴趣小组为了提高电池的效率设计了如图所示的原电池。请回答下列问题。
(1)若X是AlCl3溶液，Y是稀硫酸，写出电极名称及对应的电极反应式：
Al片(　　)_____________________________________________________________________，
Cu片(　　)_____________________________________________________________________。
(2)若X是浓硝酸，Y是NaCl溶液，写出电极名称及对应的电极反应式：
Al片(　　)_____________________________________________________________________，
Cu片(　　)_____________________________________________________________________。
答案　(1)负极　2Al－6e－===2Al3＋　正极　6H＋＋6e－===3H2↑
(2)正极　2NO＋2e－＋4H＋===2NO2↑＋2H2O
负极　Cu－2e－===Cu2＋
解析　(1)该原电池中，Al易失电子发生氧化反应而作负极、Cu作正极；负极上Al失电子生成铝离子进入溶液，所以负极反应式为2Al－6e－===2Al3＋，正极是氢离子得电子产生氢气，电极反应式为6H＋＋6e－===3H2↑。
(2)Al和浓硝酸发生钝化现象，Cu和浓硝酸的反应是自发的放热的氧化还原反应，所以能构成原电池，Cu失电子作负极、Al作正极，正极上硝酸根离子得电子发生还原反应，电极反应式为2NO＋2e－＋4H＋===2NO2↑＋2H2O，负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。
3．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－??2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池，请回答下列问题：
(1)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________________________。
(2)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”或“负”)极，该电极的电极反应式为______________________。
答案　(1)氧化　2I－－2e－===I2　还原　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　(2)正　I2＋2e－===2I－
解析　根据反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，原电池的电极反应：负极2I－－2e－===I2，发生氧化反应；正极2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，发生还原反应。
(1)反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应。(2)当电流表读数为0时反应已达平衡，此时，在甲中加入FeCl2固体，反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动。因此，右侧石墨作正极，电极反应式为I2＋2e－===2I－；左侧石墨作负极，电极反应式为2Fe2＋－2e－===2Fe3＋。