第二单元 化学能与电能的转化
基础课时4 原电池的工作原理
学习 任务 1．通过以锌铜原电池为例，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，培养“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。 2．通过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过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性，培养“变化观念与平衡思想”的化学核心素养。
一、原电池的工作原理
1．原电池的构成
2．实验探究：锌铜原电池的工作原理(含盐桥)
装置示意图
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
能量转换 化学能转化为电能
微观探析 在硫酸锌溶液中，负极一端的Zn失去电子形成Zn2+进入溶液 在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2+获得电子变成Cu沉积在铜片上
电子或离子 移动方向 电子：负极流向正极 盐桥：Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液
工作原理， 电极反应式 负极：Zn－2e－===Zn2+(氧化反应) 正极：Cu2+＋2e－===Cu(还原反应)
总反应：Zn＋Cu2+===Zn2+＋Cu
【特别提醒】 (1)盐桥(以铜锌原电池为例)的理解。
①成分：含有KCl饱和溶液的琼脂。
②离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液(负极区)，K＋移向CuSO4溶液(正极区)。
③作用：a．使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性；b．避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。
(2)原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)铜锌原电池中电子由锌电极经过溶液流向铜电极。 (×)
(4)在原电池中阳离子移向正极，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。 (×)
二、实验探究——原电池的设计
请根据离子反应Fe＋Cu2+===Fe2+＋Cu设计一个原电池。
1．将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极的电极反应式。
负极：Fe－2e－===Fe2+；正极：Cu2+＋2e－===Cu。
2．确定电极材料
如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。本例中可用铁作负极，用铜作正极。
3．确定电解质溶液
(1)负极区用FeCl2溶液作电解质溶液；
(2)正极区用CuCl2溶液作电解质溶液；
(3)如果原电池中没有盐桥，可用CuCl2溶液作电解质溶液。
4．构成闭合回路
将电极用导线连接，使之构成闭合回路。
5．确定装置图
无盐桥 有盐桥
原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写
A B
(注：盐桥中装有KCl饱和溶液的琼脂)
如图是某原电池装置示意图，结合本图讨论原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写。
[问题1] 盐桥的作用是什么？盐桥中阴、阳离子的运动方向是怎样的？
提示：作用：①使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性；②避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。离子移动方向：Cl－移向CuCl2溶液，K＋移向FeCl3溶液。
[问题2] 在该原电池中，电子是怎样移动的？电子能否通过电解质溶液？如果不能，电流是如何形成的？
提示：由于金属Cu比金属Pt活泼，Cu失去电子，电子通过导线流向铂电极。电子不能通过电解质溶液。在A中，盐桥中的K＋移向FeCl3溶液，在B中，盐桥中的Cl－移向CuCl2溶液，导线中电子的定向移动形成电流，溶液中阴、阳离子的定向移动形成电流。
[问题3] 在该原电池中，得、失电子的物质是什么？各发生什么反应类型？Pt和Cu各为什么电极？
提示：Cu失电子发生氧化反应，FeCl3溶液中Fe3+得电子发生还原反应；Pt为正极，Cu为负极。
[问题4] 写出Pt和Cu的电极反应式及该原电池的总反应。
提示：Pt：Fe3+＋e－===Fe2+；Cu：Cu－2e－===Cu2+；总反应：2Fe3+＋Cu===Cu2+＋2Fe2+。
1．原电池工作原理示意图
轻巧记忆(锌铜原电池工作原理)：
2．原电池正负极的判断
3．原电池的电极材料“两注意”
(1)注意电解质溶液对电极类型的影响。
一般较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池，则是较不活泼的金属作负极。例如：镁－铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。
(2)注意电极材料是否参与反应。
负极材料不一定参与反应，如燃料电池；负极和正极材料都参与反应，如铅蓄电池。
4．一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元素守恒、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，与电池总反应式对照验证。
5．已知电池总反应式，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)根据元素守恒配平电极反应式。
(4)复杂电极反应式＝电池总反应式－简单的电极反应式。
1．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
① ② ③ ④
A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极
B．②中Mg作为正极，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2+
D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
B [Mg比Al活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg与NaOH不反应，而Al可以反应，故②中Al是负极。在浓硝酸中铁会钝化，故③中Cu为负极，Fe为正极。在④中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H＋得电子能力强，故Fe失去电子，O2在Cu极得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。]
2．氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．电池工作时，熔融碳酸盐只起导电的作用
B．负极反应式为===CO2＋H2O
C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放
D．电池工作时，外电路中通过0.2 mol电子，消耗3.2 g O2
B [根据题图可知，在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中，通入氢气的电极为负极，电极反应式为===CO2＋H2O；通入氧气的电极为正极，电极反应式为；总反应式为2H2＋O2===2H2O。根据上述分析可知，电池工作时，熔融碳酸盐参与了电极反应，A项错误；负极反应式为===CO2＋H2O，B项正确；根据总反应式可知，该电池工作时没有消耗二氧化碳，不能减少温室气体的排放，C项错误；电池工作时，外电路中通过0.2 mol电子，消耗0.05 mol氧气，则消耗的氧气质量为1.6 g，D项错误。]
原电池原理的应用
某兴趣小组将A、B、C、D四种金属按表中的装置图进行实验。
装 置 甲 乙 丙
现象 金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生
[问题1] 甲、乙、丙中A、B、C、D四种金属对应电极名称是什么极？活动性顺序如何？
提示：甲：A为负极，B为正极；
乙：B为负极，C为正极；
丙：D为负极，A为正极；
活动性顺序：D＞A＞B＞C。
[问题2] 用乙装置设计反应：Fe＋Cu2+===Cu＋Fe2+，B、C的电极材料是什么？
提示：B为Fe，C为Cu或C等。
[问题3] 设计含盐桥的实验装置(以Fe＋Cu2+===Cu＋Fe2+为原理)，画出装置图(注明电解质溶液、电极材料和电极名称)。
提示：
1．加快氧化还原反应的速率
例如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
2．比较金属活动性的强弱
例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中， 观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性：a＞b。
3．设计原电池
设计思路 实例
以自发进行的氧化还原反应为基础 2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2
把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应 氧化反应(负极)：Cu－2e－===Cu2+ 还原反应(正极)：2Fe3+＋2e－===2Fe2+
以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液 负极铜和CuCl2溶液 正极碳(或铂)和FeCl3溶液
画出示意图
1．a、b两个烧杯中均盛有100 mL等浓度的稀硫酸，将过量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是( )
A B
C D
B [H2SO4的物质的量相等、Zn粉过量，H2的量由H2SO4的物质的量决定。a中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu并形成“”原电池，反应速率增大，但产生H2的体积相等。]
2．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验(每组实验均可形成原电池)，据此判断四种金属的活动性顺序是( )
①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极；
②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流由D→导线→C；
③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C上产生大量气泡；
④B、D相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。
A．A＞C＞D＞B
B．A＞B＞C＞D
C．C＞A＞B＞D
D．B＞D＞C＞A
A [①活动性较强的金属作原电池的负极，A、B用导线相连后，同时插入稀硫酸中，A极为负极，则活动性：A＞B；②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电子由负极→导线→正极，电流方向与电子移动方向相反，电流由正极D→导线→负极C，则活动性：C＞D；③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C上产生大量气泡，说明C为原电池的正极，较不活泼，则活动性：A＞C；④B、D相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应，说明D为原电池的负极，则活动性：D＞B；所以有：A＞C＞D＞B，故A项正确。]
1．下列关于原电池的叙述正确的是( )
A．在外电路中，电流由铜电极流向银电极
B．正极反应式为Cu2+＋2e－===Cu
C．实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
D．将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的化学反应与该原电池化学反应相同
D [该原电池中铜片作负极，银片作正极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2+(负极)，2Ag＋＋2e－===2Ag(正极)，盐桥起传递离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反，A、B、C错误。]
2．原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法错误的是( )
A．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2+
B．由金属Al、Cu和稀硫酸组成的原电池，负极反应式为Al－3e－===Al3+
C．由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为
D．由金属Al、Cu和浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2+
A [铁比铜活泼，铁作负极，负极反应式为Fe－2e－===Fe2+，故A错误；铝比铜活泼，铝作负极，负极反应式为Al－3e－===Al3+，故B正确；虽然镁比铝活泼，但镁不与氢氧化钠溶液反应，因此铝作负极，负极反应式为Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－，故C正确；Al与浓硝酸发生钝化反应，则铜作负极，负极反应式为Cu－2e－===Cu2+，故D正确。]
3．控制合适的条件，将反应2Fe3+＋2I－ 2Fe2+＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是( )
甲 乙
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原
C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流表读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
D [由题图并结合原电池原理分析可知，甲中Fe3+得到电子变为Fe2+，被还原，乙中I－失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于2Fe3+＋2I－ 2Fe2+＋I2，平衡向逆反应方向移动，此时Fe2+被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。]
4．分别按图所示甲、乙装置进行实验，图中两个烧杯中的溶液为相同浓度的稀硫酸，甲中为电流表。
甲 乙
(1)下列叙述正确的是________(填字母)。
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极
C．两烧杯中溶液中的H＋浓度均减小
D．甲中产生气泡的速率比乙中的慢
(2)甲装置中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，原因可能是_______________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(3)甲装置中，若把稀硫酸换成CuSO4溶液，试写出铜电极的电极反应式：___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
[解析] (1)乙中铜不能与稀硫酸反应，甲中铜片表面有气泡产生，故A错误；乙没有形成闭合回路，不能形成原电池，故B错误；两烧杯中稀硫酸都参加反应，氢离子浓度均减小，故C正确；甲能形成原电池反应，所以产生气泡的速率甲中比乙中快，故D错误。(2)在甲实验中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，可能是由于锌片不纯，在锌片上形成了原电池。(3)在甲装置中，如果把稀硫酸换成硫酸铜溶液，Cu2+在正极上得电子被还原产生Cu，电极反应式为Cu2+＋2e－===Cu。
[答案] (1)C (2)锌片不纯，锌与杂质构成原电池 (3)Cu2+＋2e－===Cu
基础课时固基练(4) 原电池的工作原理
(选择题每小题3分，本试卷共40分)
1．下列关于原电池的说法中，正确的是( )
A．任何化学反应理论上都能设计成原电池
B．原电池工作时，阳离子向负极移动
C．原电池的负极发生氧化反应
D．原电池工作时，电子通过电解质溶液流向正极
C [A．自发进行的氧化还原反应能设计成原电池，非氧化还原反应一定不能设计成原电池，故A错误；B．原电池工作时，溶液中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故B错误；C．原电池工作时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故C正确；D．原电池工作时，电子从负极经导线流向正极，溶液中存在离子的定向迁移，电解质溶液中不存在电子的移动，故D错误。]
2．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气体的是( )
A B C D
A [装置B、C中无化学反应发生；D不能形成闭合回路；只有A能形成原电池，铜电极上有氢气产生。]
3．实验发现在氯化铁酸性溶液中加少量锌粒后，Fe3+立即被还原成Fe2+。某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示原电池装置。下列有关说法正确的是( )
A．盐桥中的阴离子往左边烧杯移动
B．左烧杯中溶液的红色逐渐褪去
C．该电池铂电极上立即有气泡出现
D．该电池总反应为3Zn＋2Fe3+===2Fe＋3Zn2+
B [根据题图分析可知：Zn为负极，失去电子，原电池中阴离子向负极移动，盐桥中的阴离子会往右边烧杯移动，A错误；左边烧杯中溶液的Fe3+在Pt电极上得到电子生成Fe2+，由于消耗Fe3+，所以左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去，B正确；铂电极上Fe3+被还原为Fe2+，没有气体生成，所以没有气泡产生，C错误；该电池总反应为Zn＋2Fe3+===2Fe2+＋Zn2+，没有铁单质生成，D错误。]
4．某化学兴趣小组利用反应Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是( )
A．Zn为负极，发生还原反应
B．b电极反应式为2Fe3+＋2e－===2Fe2+
C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极
D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜电极
D [根据氯离子移动方向，可知b是负极，a是正极。Zn为负极，失电子发生氧化反应，故A错误；b电极反应式为Zn－2e－===Zn2+，故B错误；电子流动方向是b电极→电流表→a电极，故C错误；正极材料的活泼性比负极材料弱，故D正确。]
5．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是( )
甲 乙
A．均发生了化学能转化为电能的过程
B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物
C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向Cu
D．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高
B [两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化为电能的过程，故A正确；根据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极、铜作正极，铜本身不是反应物，故B错误；锌作负极，电子从负极经导线流向正极，故C正确；图乙装置产生的电流在一段时间内变化不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，故D正确。]
6．(10分)为了避免锌片与Cu2+直接接触发生反应而影响原电池的放电效率，有人设计了如图装置，按要求回答下列问题：
(1)此装置工作时，可以观察到的现象是_________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________，
电池总反应式为_____________________________________________________
___________________________________________________________________。(4分)
(2)以上电池中，锌和锌盐溶液组成__________，铜和铜盐溶液组成________，中间通过盐桥连接起来。(2分)
(3)电池工作时，硫酸锌溶液中向________移动，硫酸铜溶液中向________移动。(2分)
(4)此盐桥内为饱和KCl溶液，盐桥是通过________的定向移动来导电的。在工作时，K＋移向________。(2分)
[解析] (1)该装置为锌铜原电池，总反应式为Zn＋Cu2+===Cu＋Zn2+，电池工作时，观察到①锌片不断溶解，②铜片上有红色物质析出，③电流表指针发生偏转。(2)Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池，Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。(3)电池工作时，ZnSO4溶液中向锌电极(或负极)移动溶液中向盐桥移动。(4)盐桥中，K＋向正极区或溶液移动，Cl－向负极区或ZnSO4溶液移动，这样依靠离子的定向移动形成闭合回路而导电。
(1)锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出，电流表指针发生偏转 Zn＋Cu2+===Zn2+＋Cu (2)锌半电池 铜半电池 (3)锌电极(或负极) 盐桥 (4)离子 正极区(或溶液)
7．已知反应2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag可设计成如图所示的原电池。普通水泥在固化过程中其自由水分子减少并形成碱性溶液，根据这一物理化学特点，科学家利用该电池发明了电动势法测水泥的初凝时间。下列有关说法正确的是( )
A．电子方向从Cu→Ag2O→电解质溶液→Cu，形成闭合回路
B．正极的电极反应式为Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2O
C．2 mol Cu与1 mol Ag2O的总能量低于1 mol Cu2O与2 mol Ag的总能量
D．电池工作时，OH－向Cu极移动
D [A．原电池工作时，电子由负极Cu流出、经过导线流向正极Ag，不能进入溶液中，故A错误；B．由电池反应方程式2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag知，较不活泼的金属银作正极，电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，故B错误；C．原电池反应为放热反应，则2 mol Cu与1 mol Ag2O的总能量高于1 mol Cu2O与2 mol Ag的总能量，故C错误；D．该原电池中Cu作负极、Ag作正极，原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，即OH－向Cu极移动，故D正确。]
8．某同学设计如下原电池，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．该装置将化学能转化为电能
B．负极的电极反应是：Ag ＋I－－e－===AgI
C．电池的总反应是Ag＋ ＋I－===AgI
D．盐桥(含KNO3的琼脂)中从左向右移动
D [A．经分析，该装置是原电池装置，则该装置将化学能转化为电能，A正确；B．根据电子的移动方向，可以推断出左侧电极为负极，该电极反应为Ag＋I－－e－===AgI，B正确；C．该电池中，表面上看，只有Ag＋和I－反应，所以总反应是Ag＋＋I－===AgI，C正确；D．左侧电极为负极，右侧电极为正极带负电荷，向负极移动，所以应该是从右向左移动，D错误。]
9．(9分)现有A、B、C、D和Cu五种金属片，将其分别用导线连接后浸入稀硫酸中(如图)，每次实验时，通过灵敏电流计测出电子流动方向如下。
实验分组 所用金属 电子流向
① A、Cu A→Cu
② C、D D→C
③ A、C C→A
④ B、Cu Cu→B
⑤ … …
根据上述情况，回答下列问题。
(1)上述五种金属的活动性顺序(由强到弱)：______________________________
___________________________________________________________。(3分)
(2)在①中，Cu片上观察到的现象是___________________________________
___________________________________________________________________。(2分)
(3)在②中，溶液中H＋向金属片___________移动。(1分)
(4)如果实验⑤用B、D，则导线中电流方向为________(填“B→D”或“D→B”)。(1分)
(5)已知反应：Cu＋2Fe3+===Cu2+＋2Fe2+。请用下列试剂和材料，用上图所示装置，将此反应设计成原电池。
试剂：CuCl2溶液、FeCl3溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、双氧水、NaOH溶液。
材料：Cu片、Fe片、石墨棒。
设计电池应选用的试剂和材料是_______________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。(2分)
[解析] (1)原电池工作时，电子从负极经导线流向正极，以稀硫酸为电解质溶液时负极较活泼，由电子流向可知金属活动性：A>Cu、D>C、C>A、Cu>B，则金属活动性：D>C>A>Cu>B。
(2)在①中，Cu为正极，氢离子在正极得电子被还原生成氢气，可观察到Cu片上有无色气泡生成。
(3)在②中，溶液中H＋向正极移动，即向金属片C移动。
(4)如果实验⑤用B、D，因活泼性B(5)根据反应Cu＋2Fe3+===Cu2+＋2Fe2+设计原电池，Cu被氧化，应为负极，正极可为石墨棒，电解质溶液为氯化铁溶液。
[答案] (1)D>C>A>Cu>B (2)有无色气泡生成 (3)C (4)B→D (5)FeCl3溶液、Cu片、石墨棒
17/17第二单元 化学能与电能的转化
基础课时4 原电池的工作原理
学习 任务 1．通过以锌铜原电池为例，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，培养“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。 2．通过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过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性，培养“变化观念与平衡思想”的化学核心素养。
一、原电池的工作原理
1．原电池的构成
2．实验探究：锌铜原电池的工作原理(含盐桥)
装置示意图
现象 锌片____________，铜片上____________，电流表指针发生____________
能量转换 ____________转化为____________
微观探析 在硫酸锌溶液中，负极一端的____________失去电子形成____________进入溶液 在硫酸铜溶液中，正极一端的____________获得电子变成____________沉积在铜片上
电子或离子 移动方向 电子：____________极流向____________极 盐桥：____________移向ZnSO4溶液，____________移向CuSO4溶液
工作原理， 电极反应式 负极：Zn－2e－===Zn2+(____________反应) 正极：Cu2+＋2e－===Cu(____________反应)
总反应：Zn＋Cu2+===Zn2+＋Cu
【特别提醒】 (1)盐桥(以铜锌原电池为例)的理解。
①成分：含有KCl饱和溶液的琼脂。
②离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液(负极区)，K＋移向CuSO4溶液(正极区)。
③作用：a．使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性；b．避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。
(2)原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(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)铜锌原电池中电子由锌电极经过溶液流向铜电极。 ( )
(4)在原电池中阳离子移向正极，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。 ( )
二、实验探究——原电池的设计
请根据离子反应Fe＋Cu2+===Fe2+＋Cu设计一个原电池。
1．将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极的电极反应式。
负极：____________；正极：____________。
2．确定电极材料
如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。本例中可用铁作负极，用铜作正极。
3．确定电解质溶液
(1)负极区用____________作电解质溶液；
(2)正极区用____________作电解质溶液；
(3)如果原电池中没有盐桥，可用____________作电解质溶液。
4．构成闭合回路
将电极用导线连接，使之构成闭合回路。
5．确定装置图
无盐桥 有盐桥
原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写
A B
(注：盐桥中装有KCl饱和溶液的琼脂)
如图是某原电池装置示意图，结合本图讨论原电池的工作原理、正负极的判断及电极反应式的书写。
[问题1] 盐桥的作用是什么？盐桥中阴、阳离子的运动方向是怎样的？
[问题2] 在该原电池中，电子是怎样移动的？电子能否通过电解质溶液？如果不能，电流是如何形成的？
[问题3] 在该原电池中，得、失电子的物质是什么？各发生什么反应类型？Pt和Cu各为什么电极？
[问题4] 写出Pt和Cu的电极反应式及该原电池的总反应。
1．原电池工作原理示意图
轻巧记忆(锌铜原电池工作原理)：
2．原电池正负极的判断
3．原电池的电极材料“两注意”
(1)注意电解质溶液对电极类型的影响。
一般较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池，则是较不活泼的金属作负极。例如：镁－铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。
(2)注意电极材料是否参与反应。
负极材料不一定参与反应，如燃料电池；负极和正极材料都参与反应，如铅蓄电池。
4．一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元素守恒、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，与电池总反应式对照验证。
5．已知电池总反应式，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)根据元素守恒配平电极反应式。
(4)复杂电极反应式＝电池总反应式－简单的电极反应式。
1．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
① ② ③ ④
A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极
B．②中Mg作为正极，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2+
D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
2．氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．电池工作时，熔融碳酸盐只起导电的作用
B．负极反应式为===CO2＋H2O
C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放
D．电池工作时，外电路中通过0.2 mol电子，消耗3.2 g O2
原电池原理的应用
某兴趣小组将A、B、C、D四种金属按表中的装置图进行实验。
装 置 甲 乙 丙
现象 金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生
[问题1] 甲、乙、丙中A、B、C、D四种金属对应电极名称是什么极？活动性顺序如何？
[问题2] 用乙装置设计反应：Fe＋Cu2+===Cu＋Fe2+，B、C的电极材料是什么？
[问题3] 设计含盐桥的实验装置(以Fe＋Cu2+===Cu＋Fe2+为原理)，画出装置图(注明电解质溶液、电极材料和电极名称)。
1．加快氧化还原反应的速率
例如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
2．比较金属活动性的强弱
例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中， 观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性：a＞b。
3．设计原电池
设计思路 实例
以自发进行的氧化还原反应为基础 2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2
把氧化还原反应分解为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应 氧化反应(负极)：Cu－2e－===Cu2+ 还原反应(正极)：2Fe3+＋2e－===2Fe2+
以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液 负极铜和CuCl2溶液 正极碳(或铂)和FeCl3溶液
画出示意图
1．a、b两个烧杯中均盛有100 mL等浓度的稀硫酸，将过量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是( )
A B
C D
2．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验(每组实验均可形成原电池)，据此判断四种金属的活动性顺序是( )
①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极；
②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流由D→导线→C；
③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C上产生大量气泡；
④B、D相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。
A．A＞C＞D＞B
B．A＞B＞C＞D
C．C＞A＞B＞D
D．B＞D＞C＞A
1．下列关于原电池的叙述正确的是( )
A．在外电路中，电流由铜电极流向银电极
B．正极反应式为Cu2+＋2e－===Cu
C．实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
D．将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的化学反应与该原电池化学反应相同
2．原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法错误的是( )
A．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2+
B．由金属Al、Cu和稀硫酸组成的原电池，负极反应式为Al－3e－===Al3+
C．由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为
D．由金属Al、Cu和浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2+
3．控制合适的条件，将反应2Fe3+＋2I－ 2Fe2+＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是( )
甲 乙
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3+被还原
C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流表读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
4．分别按图所示甲、乙装置进行实验，图中两个烧杯中的溶液为相同浓度的稀硫酸，甲中为电流表。
甲 乙
(1)下列叙述正确的是________(填字母)。
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极
C．两烧杯中溶液中的H＋浓度均减小
D．甲中产生气泡的速率比乙中的慢
(2)甲装置中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，原因可能是_______________________________________________________________
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(3)甲装置中，若把稀硫酸换成CuSO4溶液，试写出铜电极的电极反应式：___________________________________________________________________
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