人教版高中化学选修4教学讲义，复习补习资料（含典例分析，巩固练习）：18【提高】原电池
文档属性
| 名称 | 人教版高中化学选修4教学讲义，复习补习资料（含典例分析，巩固练习）：18【提高】原电池 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 824.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2020-01-21 22:17:38 | ||
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文档简介
原电池
【学习目标】
1、进一步了解原电池的工作原理；
2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。
【典型例题】
类型一：原电池原理及简单应用
例1 下图中能组成原电池产生电流的是 ( )
【答案】B
【解析】A、D两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项符合构成原电池的条件，且Zn能与H2SO4溶液反应，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，且与Cu不能反应。
例2 有关原电池的下列说法中正确的是 ( )
A．在外电路中电子由正极流向负极
B．在原电池中，只有金属锌作负极
C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动
D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动
【答案】C
【解析】在原电池中，电子从负极流向正极，A错误；原电池中是活泼金属作负极，而不一定是锌；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。
举一反三：
【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )
A．在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层
B．镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化
C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层
D．锌与稀硫酸反应时，加入少量的CuSO4溶液可使反应加快
【答案】BD
例3（2019 上海高考）图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示（ ）
A．铜棒的质量 B．c(Zn2+) C．c(H+) D．c(SO42－)
【思路点拨】该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。
【答案】C
【解析】A项，在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，错误；B项，由于Zn是负极，不断发生反应Zn-2e－=Zn2+，所以溶液中c(Zn2+)增大，错误；C项，由于反应不断消耗H+，所以溶液的c(H)逐渐降低，正确；D项，SO42－不参加反应，其浓度不变，错误。故选C。
【总结升华】原电池原理：
（1）原理图示
（2）正、负极的判断方法：
例4 如图所示的原电池装置中，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，则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棒和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn棒
C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X＞Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
【答案】C
【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。所以，A、B、D错误，C正确。
举一反三：
【变式1】某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2＝2AgCl。下列说法正确的是（ ）。
A．正极反应为AgCl ＋e－＝Ag ＋Cl－
B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变
D．当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子
【答案】D
【解析】正极反应为氯气得电子与银离子变成氯化银沉淀，A错误；放电时交换膜右侧不会出现大量沉淀，B错误；氯化钠代替盐酸，电池总反应不变，C错误；当电路中转移0.01mol e－时，左侧溶液中减少0.02mol离子，D正确。
类型二：原电池的设计
例5 利用反应Zn+2Fe3+＝Zn2++2Fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为________；负极为________，电极反应式为________。
【答案】Pt 2Fe3++2e－＝2Fe2+ Zn Zn－2e－＝Zn2+ 实验装置图如下：
或
【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，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)：Zn－2e－＝Zn2+，2Fe3++2e－＝2Fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子，可选用Pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液，如FeCl3溶液等。
举一反三：
【变式1】如图所示装置中，电流表A发生偏转，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，c为电解质溶液，则a、b、c应是下列各组中的( )
A．a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4
B．a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4
c．a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液
D．a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液
【答案】D
【解析】原电池工作时，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有相同的金属离子。
类型三：电极反应式、电池反应式的书写
例6 （2019 江苏高考）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。下列有关该电池的说法正确的是（ ）
A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol 电子
B．电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH－－2e－=2H2O
C．电池工作时，CO32－向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－=2CO32－
【思路点拨】仔细观察图，根据物质的流向判断该电池的正、负极和书写电极反应式。
【答案】D
【解析】A、1molCH4→CO，化合价由-4价→+2上升6价，1molCH4参加反应共转移6mol电子，故A错误；B、环境不是碱性，否则不会产生CO2，其电极反应式：CO＋H2＋2CO32－－4e－=3CO2＋H2O，故B错误；C、根据原电池工作原理，电极A是负极，电极B是正极，阴离子向负极移动，故C错误；D、根据电池原理，O2、CO2共同参加反应，其电极反应式：O2＋2CO2＋4e－=2CO32－，故D正确。
【总结升华】书写电极反应式的3个原则：
（1）共存原则 因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH-参加反应；碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H+参加反应。
（2）得氧失氧原则 得氧时，在反应物中加H2O（电解质为酸性时）或OH-（电解质溶液为碱性或中性时）；失氧时，在反应物中加H2O（电解质为碱性或中性时）或H+（电解质为酸性时）。
（3）中性吸氧反应成碱原则 在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。
举一反三：
【变式1】有人研究反应AsO43－+2I－+2H+＝AsO33－+I2+H2O时，认为该反应是可逆反应，为了验证该想法，他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置(装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路)。
(1)请你参与探究：用实验证明他的观点。
①假设该反应是可逆反应，反应的离子方程式为____________。
②该实验中C1和C2两电极可以是同种材料吗？________。查阅有关资料得知Fe的还原性比I－和AsO33－都强，在Zn、Al、Pt、C棒几种材料中，可用于该实验的电极材料是________。
③实验开始时，按图组装好实验装置，向A烧杯中加入适量2 mol/L KI溶液，向B烧杯中加入适量1 mol/L Na3AsO4溶液，再向B烧杯中逐滴加入浓盐酸，发生的现象是电流表________；A中________。此过程中，C1棒发生的反应为________。
(2)若要证明反应可逆向进行，在40％ NaOH溶液、4％ NaOH溶液、碘水、Na3AsO3溶液几种试剂中，必须向B烧杯中滴加________溶液。
①证明该反应是可逆反应的事实是________。
②(2)操作过程中，C2棒发生的反应为________。
【答案】(1)①AsO43－+2I－+2H+AsO33－+I2+H2O
②可以 Pt或C棒 ③指针发生偏转 溶液由无色变为黄褐色 2I－－2e－＝I2
(2)40％ NaOH溶液 ①两次操作，指针偏转方向相反 ②AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+
【解析】正逆反应均构成原电池，由可逆反应知，①加入浓盐酸时，c (H+)增大，平衡正向进行(向右移动)，I－变成I2，C1电极反应为2I－－2e－＝I2，电子从C1流向C2，AsO43－得电子作正极。(2)加碱时反应逆向进行，AsO33－失去电子变成AsO43－，C2电极反应为AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+，I2得电子作正极。酸性和碱性时的电流方向相反。
【巩固练习】
1．关于原电池的叙述中正确的是（ ）
A．构成原电池正极和负极的必须是两种不同金属
B．原电池是把化学能转变为电能的装置
C．原电池电解质溶液中阳离子向负极移动
D．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应
2．（2019 新课标I）微生物电池是指在微生物的作用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C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
3．将铝片和镁片用导线连接后插入盛有NaOH溶液的烧杯中组成原电池，下列说法正确的是（ ）
A．Mg为负极，有Mg(OH)2生成 B．铝为负极，有NaAlO2生成
C．镁为正极，镁片质量增加 D．铝为正极，铝片质量不变
4．（2019 新课标II）Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是（ ）
A.负极反应式为Mg-2e-=Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-=Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑
5．控制适合的条件，将反应2Fe3++2I－2Fe2++I2设计成如图4-1-2所示的原电池。下列判断不正确的是（ ）
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．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
6．下列烧杯中盛放的都是稀H2SO4，在Cu电极上产生大量气泡的是（ ）
7．100 mL浓度为2 mol／L的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成H2的总量，可采用的方法是（ ）
A．加入适量6 mol／L的盐酸 B．加入几滴CuCl2溶液
C．加入适量蒸馏水 D．加入适量的NaCl溶液
8．（2019 北京东城）实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3+立即被还原成Fe2+。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是（ ）。
A．该原电池的正极反应：Zn－2e－==Zn2+
B．左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去
C．该电池铂电极上有气泡生成
D．该电池总反应：3Zn+2Fe3+==2Fe+3Zn2+
9．下列反应不可用于设计成原电池的是（ ）
A．CaCO3+2HCl＝CaCl2+CO2↑+H2O
B．2CH3OH+3O2＝2CO2+4H2O
C．Zn+2HCl＝ZnCl2+H2↑
D．4Al+3O2+6H2O＝4Al(OH)3
10．现有铁片，某未知电极和稀硫酸，用导线连接成原电池，若使铁片溶解，而在另一电极上有大量气泡冒出，则这种未知电极材料可以是（ ）
①锌片 ②铜片 ③铁片 ④石墨棒
A．①② B．②③ C．③④ D．②④
11．（2019 天津高考）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(SO42－)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
12．将等质量的两份锌粒a、b，分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，下列各图为产生氢气体积V与时间t的关系，其中正确的是（ ）
13．铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是（ ）
A．正极反应为：Zn—2e-=Zn2+
B．电池反应为：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu
C．在外电路中，电子从负极流向正极
D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
二、填空题
1．（2019 新课标II）酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是碳粉，MnO2，ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物，该电池在放电过程产生MnOOH，回收处理该废电池可得到多种化工原料，有关数据下表所示：
溶解度/(g/100g水)
温度/℃
化合物
0
20
40
60
80
100
NH4Cl
29.3
37.2
45.8
55.3
65.6
77.3
ZnCl2
343
395
452
488
541
614
化合物
Zn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp近似值
10-17
10-17
10-39
回答下列问题：
（1）该电池的正极反应式为 ，电池反应的离子方程式为：
（2）维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，理论上消耗Zn g。（已经F＝96500C/mol）
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl，二者可通过____分离回收；滤渣的主要成分是MnO2、______和 ，欲从中得到较纯的MnO2，最简便的方法是 ，其原理是 。
（4）用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中，需去除少量杂质铁，其方法是：加稀硫酸和H2O2溶解，铁变为_____，加碱调节至pH为 时，铁刚好完全沉淀（离子浓度小于1×10-5mol/L时，即可认为该离子沉淀完全）；继续加碱调节至pH为_____时，锌开始沉淀（假定Zn2＋浓度为0.1mol/L）。若上述过程不加H2O2后果是 ，原因是 。
2．用铜、银与硝酸银设计一个原电池，此电池的负极是________，负极的电极反应是________。将锌片、铜片用导线连接后浸入稀硫酸溶液中，构成了原电池，工作一段时间，锌片的质量减少了3.25 g，铜表面析出了氢气________L（标准状况下）；导线中通过________mo1电子。
【答案与解析】
1．B
【解析】A项，原电池的两极可以是导电的非金属，如石墨；C项，电解质溶液中的阳离子向着发生还原反应的一极即正极移动；D项，正极发生还原反应，负极发生氧化反应。
2．A
【解析】首先根据原电池反应判断出厌氧反应为负极侧，有氧反应为正极侧。A、根据厌氧反应中碳元素的化合价的变化：葡萄糖分子中碳元素平均为0价，二氧化碳中碳元素的化合价为+4价，所以生成二氧化碳的反应为氧化反应，所以在负极生成，A项错误；B、在微生物的作用下，该装置为原电池装置，原电池能加快氧化还原反应速率，故可以说微生物促进了电子的转移，B项正确；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。故选A。
3．B
【解析】将铝片和镁片用导线连接后插入盛有NaOH溶液的烧杯中组成原电池时，铝片能与NaOH溶液反应，失去电子，因此铝作负极，镁作正极，只有选项B正确。
4．B
【解析】根据题意，电池总反应式为：Mg+2AgCl=MgCl2+2Ag，正极反应为：2AgCl+2e-= 2Cl-+ 2Ag，负极反应为：Mg-2e-=Mg2+，A项正确，B项错误；对原电池来说，阴离子由正极移向负极，C项正确；由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑，D项正确；故选B。
5．D
【解析】由反应2Fe3++2I－2Fe2++I2可知，反应开始时甲中Fe3+发生还原反应，乙中I－发生氧化反应；电流计读数为零，说明单位时间内由甲流向乙的电子数与由乙流向甲的电子数相等，生成Fe3+的物质的量与消耗Fe3+的物质的量相等，则反应达到了平衡状态，此时在甲中溶入FeCl2固体，则平衡向逆反应方向移动，乙中I2发生还原反应，则乙中石墨电极为正极，故选D。
6．A
【解析】铜、银属于不活泼金属。不能与稀H2SO4发生自发反应，故B、C不能构成原电池；Zn比氢活泼，A中能够形成闭合回路，而D却不能形成闭合回路。
7．B
【解析】加入适量6 mol／L的盐酸，增大了溶液中c (H+)和n (H+)，反应速率加快，产生H2的量也增多，所以A不符合题意；加入适量蒸馏水或加入适量的NaCl溶液后，溶液中c (H+)降低，反应速率减慢；加入几滴CuCl2溶液，锌置换出少量铜，锌、铜在盐酸中构成原电池，加快了反应速率，但不影响产生H2的量，故B正确。
8．B
【解析】Zn失去电子，发生氧化还原反应，Zn为负极，A项错误；Fe3+被还原为Fe2+，溶液红色逐渐褪去，B项正确；铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn+2Fe3+==2Fe2++Zn2+，D项错误。
9．A
【解析】要把一个反应设计成原电池，该反应必须是自发氧化还原反应。但是A的反应为非氧化还原反应，所以不能设计成原电池。
10．D
【解析】若使铁片溶解，而在另一电极上有大量气泡冒出，则未知电极应为原电池的正极，其活泼性应比铁差。
11．C
【解析】由图像可知该原电池反应原理为Zn+Cu2+=Zn2++Cu。
A．Zn比Cu活泼，则Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，故A错误；
B．阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则两池中c(SO42－)不会改变，故B错误；
C．甲池中电极反应式为Zn-2e-→Zn2+，乙池中电极反应式为Cu2++2e-→Cu，Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池中，由于Zn的摩尔质量比Cu大，则乙池溶液的总质量增加，故C正确；
D．由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则阴离子并不能通过交换膜，故D错误；
故选C。
12．A
【解析】向a中加入少量的CuSO4溶液，则有Zn+Cu2+＝Zn2++Cu，消耗一部分Zn而使产生的H2总量减少，但生成的Cu附于Zn表面上形成Cu－Zn原电池，加快了反应速率，因此曲线a的斜率大于曲线b的斜率。
13．BC
【解析】Zn是负极，故A错；
电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同，故B正确；
根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；
在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。
二、填空题
1．（1）MnO2＋e-＋H＋＝MnOOH；Zn＋2MnO2＋2H＋＝Zn2＋＋2MnOOH （2）0.05g
（3）加热浓缩、冷却结晶；铁粉、MnOOH；在空气中加热；碳粉转变为CO2，MnOOH氧化为MnO2
（4）Fe3＋；2.7；6；Zn2＋和Fe2＋分离不开；Fe(OH)2和Zn(OH)2的Ksp相近
【解析】（1）酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，锌是活泼的金属，锌是负极，电解质显酸性，则负极电极反应式为Zn—2e—＝Zn2＋。中间是碳棒，碳棒是正极，其中二氧化锰得到电子转化为MnOOH，则正极电极反应式为MnO2＋e—＋H＋＝MnOOH，所以总反应式为Zn＋2MnO2＋2H＋＝Zn2＋＋2MnOOH。
（2）维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，则通过的电量是0.5×300＝150，因此通过电子的物质的量是，锌在反应中失去2个电子，则理论消耗Zn的质量是。
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有氯化锌和氯化铵。根据表中数据可知氯化锌的溶解度受温度影响较大，因此两者可以通过结晶分离回收，即通过蒸发浓缩、冷却结晶实现分离。二氧化锰、铁粉、MnOOH均难溶于水，因此滤渣的主要成分是二氧化锰、碳粉、MnOOH。由于碳燃烧生成CO2，MnOOH能被氧化转化为二氧化锰，所以欲从中得到较纯的二氧化锰，最简便的方法是在空气中灼烧。
（4）双氧水具有强氧化性，能把铁氧化为铁离子，因此加入稀硫酸和双氧水，溶解后铁变为硫酸铁。根据氢氧化铁的溶度积常数可知，当铁离子完全沉淀时溶液中铁离子浓度为10-5mol/L，则溶液中氢氧根的浓度＝，所以氢离子浓度是2×10-3mol/L，pH＝2.7，因此加碱调节pH为2.7时铁刚好完全沉淀。Zn2＋浓度为0.1mol/L，根据氢氧化锌的溶度积常数可知开始沉淀时的氢氧根浓度为＝＝10-8mol/L，氢离子浓度是10-6mol/L，pH＝6，即继续加碱调节pH为6时锌离子开始沉淀。如果不加双氧水，则铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁，由于氢氧化亚铁和氢氧化锌的溶度积常数接近，因此在沉淀锌离子的同时亚铁离子也沉淀，导致生成的氢氧化锌不纯，无法分离开Zn2＋和Fe2＋。
2．铜（或Cu） Cu－2e－＝Cu2+ 1.12 0.100
【解析】在铜银原电池中，Cu比Ag活泼，是原电池的负极，负极反应为：Cu－2e－＝Cu2+。
锌铜原电池的电池反应为：
Zn + H2SO4 ＝ ZnSO4 + H2↑ ～ 2e－
65 g 22.4 L 2 mol
3.25 g V (H2) n (e－)
，
。
【学习目标】
1、进一步了解原电池的工作原理；
2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。
【典型例题】
类型一：原电池原理及简单应用
例1 下图中能组成原电池产生电流的是 ( )
【答案】B
【解析】A、D两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项符合构成原电池的条件，且Zn能与H2SO4溶液反应，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，且与Cu不能反应。
例2 有关原电池的下列说法中正确的是 ( )
A．在外电路中电子由正极流向负极
B．在原电池中，只有金属锌作负极
C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动
D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动
【答案】C
【解析】在原电池中，电子从负极流向正极，A错误；原电池中是活泼金属作负极，而不一定是锌；随着反应的进行，阳离子在正极被还原，所以电解质溶液中的阳离子向正极移动，而阴离子向负极移动。
举一反三：
【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )
A．在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层
B．镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化
C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层
D．锌与稀硫酸反应时，加入少量的CuSO4溶液可使反应加快
【答案】BD
例3（2019 上海高考）图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示（ ）
A．铜棒的质量 B．c(Zn2+) C．c(H+) D．c(SO42－)
【思路点拨】该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。
【答案】C
【解析】A项，在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，错误；B项，由于Zn是负极，不断发生反应Zn-2e－=Zn2+，所以溶液中c(Zn2+)增大，错误；C项，由于反应不断消耗H+，所以溶液的c(H)逐渐降低，正确；D项，SO42－不参加反应，其浓度不变，错误。故选C。
【总结升华】原电池原理：
（1）原理图示
（2）正、负极的判断方法：
例4 如图所示的原电池装置中，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，则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棒和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn棒
C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X＞Y
D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应
【答案】C
【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。所以，A、B、D错误，C正确。
举一反三：
【变式1】某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2＝2AgCl。下列说法正确的是（ ）。
A．正极反应为AgCl ＋e－＝Ag ＋Cl－
B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变
D．当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子
【答案】D
【解析】正极反应为氯气得电子与银离子变成氯化银沉淀，A错误；放电时交换膜右侧不会出现大量沉淀，B错误；氯化钠代替盐酸，电池总反应不变，C错误；当电路中转移0.01mol e－时，左侧溶液中减少0.02mol离子，D正确。
类型二：原电池的设计
例5 利用反应Zn+2Fe3+＝Zn2++2Fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为________；负极为________，电极反应式为________。
【答案】Pt 2Fe3++2e－＝2Fe2+ Zn Zn－2e－＝Zn2+ 实验装置图如下：
或
【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，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)：Zn－2e－＝Zn2+，2Fe3++2e－＝2Fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子，可选用Pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液，如FeCl3溶液等。
举一反三：
【变式1】如图所示装置中，电流表A发生偏转，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，c为电解质溶液，则a、b、c应是下列各组中的( )
A．a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4
B．a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4
c．a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液
D．a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液
【答案】D
【解析】原电池工作时，a极逐渐变粗，同时b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有相同的金属离子。
类型三：电极反应式、电池反应式的书写
例6 （2019 江苏高考）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。下列有关该电池的说法正确的是（ ）
A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol 电子
B．电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH－－2e－=2H2O
C．电池工作时，CO32－向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－=2CO32－
【思路点拨】仔细观察图，根据物质的流向判断该电池的正、负极和书写电极反应式。
【答案】D
【解析】A、1molCH4→CO，化合价由-4价→+2上升6价，1molCH4参加反应共转移6mol电子，故A错误；B、环境不是碱性，否则不会产生CO2，其电极反应式：CO＋H2＋2CO32－－4e－=3CO2＋H2O，故B错误；C、根据原电池工作原理，电极A是负极，电极B是正极，阴离子向负极移动，故C错误；D、根据电池原理，O2、CO2共同参加反应，其电极反应式：O2＋2CO2＋4e－=2CO32－，故D正确。
【总结升华】书写电极反应式的3个原则：
（1）共存原则 因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH-参加反应；碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H+参加反应。
（2）得氧失氧原则 得氧时，在反应物中加H2O（电解质为酸性时）或OH-（电解质溶液为碱性或中性时）；失氧时，在反应物中加H2O（电解质为碱性或中性时）或H+（电解质为酸性时）。
（3）中性吸氧反应成碱原则 在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。
举一反三：
【变式1】有人研究反应AsO43－+2I－+2H+＝AsO33－+I2+H2O时，认为该反应是可逆反应，为了验证该想法，他根据平衡移动原理设计出如图所示的实验装置(装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路)。
(1)请你参与探究：用实验证明他的观点。
①假设该反应是可逆反应，反应的离子方程式为____________。
②该实验中C1和C2两电极可以是同种材料吗？________。查阅有关资料得知Fe的还原性比I－和AsO33－都强，在Zn、Al、Pt、C棒几种材料中，可用于该实验的电极材料是________。
③实验开始时，按图组装好实验装置，向A烧杯中加入适量2 mol/L KI溶液，向B烧杯中加入适量1 mol/L Na3AsO4溶液，再向B烧杯中逐滴加入浓盐酸，发生的现象是电流表________；A中________。此过程中，C1棒发生的反应为________。
(2)若要证明反应可逆向进行，在40％ NaOH溶液、4％ NaOH溶液、碘水、Na3AsO3溶液几种试剂中，必须向B烧杯中滴加________溶液。
①证明该反应是可逆反应的事实是________。
②(2)操作过程中，C2棒发生的反应为________。
【答案】(1)①AsO43－+2I－+2H+AsO33－+I2+H2O
②可以 Pt或C棒 ③指针发生偏转 溶液由无色变为黄褐色 2I－－2e－＝I2
(2)40％ NaOH溶液 ①两次操作，指针偏转方向相反 ②AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+
【解析】正逆反应均构成原电池，由可逆反应知，①加入浓盐酸时，c (H+)增大，平衡正向进行(向右移动)，I－变成I2，C1电极反应为2I－－2e－＝I2，电子从C1流向C2，AsO43－得电子作正极。(2)加碱时反应逆向进行，AsO33－失去电子变成AsO43－，C2电极反应为AsO33－+H2O－2e－＝AsO43－+2H+，I2得电子作正极。酸性和碱性时的电流方向相反。
【巩固练习】
1．关于原电池的叙述中正确的是（ ）
A．构成原电池正极和负极的必须是两种不同金属
B．原电池是把化学能转变为电能的装置
C．原电池电解质溶液中阳离子向负极移动
D．原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应
2．（2019 新课标I）微生物电池是指在微生物的作用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C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
3．将铝片和镁片用导线连接后插入盛有NaOH溶液的烧杯中组成原电池，下列说法正确的是（ ）
A．Mg为负极，有Mg(OH)2生成 B．铝为负极，有NaAlO2生成
C．镁为正极，镁片质量增加 D．铝为正极，铝片质量不变
4．（2019 新课标II）Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是（ ）
A.负极反应式为Mg-2e-=Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-=Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑
5．控制适合的条件，将反应2Fe3++2I－2Fe2++I2设计成如图4-1-2所示的原电池。下列判断不正确的是（ ）
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．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
6．下列烧杯中盛放的都是稀H2SO4，在Cu电极上产生大量气泡的是（ ）
7．100 mL浓度为2 mol／L的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成H2的总量，可采用的方法是（ ）
A．加入适量6 mol／L的盐酸 B．加入几滴CuCl2溶液
C．加入适量蒸馏水 D．加入适量的NaCl溶液
8．（2019 北京东城）实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3+立即被还原成Fe2+。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是（ ）。
A．该原电池的正极反应：Zn－2e－==Zn2+
B．左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去
C．该电池铂电极上有气泡生成
D．该电池总反应：3Zn+2Fe3+==2Fe+3Zn2+
9．下列反应不可用于设计成原电池的是（ ）
A．CaCO3+2HCl＝CaCl2+CO2↑+H2O
B．2CH3OH+3O2＝2CO2+4H2O
C．Zn+2HCl＝ZnCl2+H2↑
D．4Al+3O2+6H2O＝4Al(OH)3
10．现有铁片，某未知电极和稀硫酸，用导线连接成原电池，若使铁片溶解，而在另一电极上有大量气泡冒出，则这种未知电极材料可以是（ ）
①锌片 ②铜片 ③铁片 ④石墨棒
A．①② B．②③ C．③④ D．②④
11．（2019 天津高考）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(SO42－)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
12．将等质量的两份锌粒a、b，分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，下列各图为产生氢气体积V与时间t的关系，其中正确的是（ ）
13．铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是（ ）
A．正极反应为：Zn—2e-=Zn2+
B．电池反应为：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu
C．在外电路中，电子从负极流向正极
D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
二、填空题
1．（2019 新课标II）酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是碳粉，MnO2，ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物，该电池在放电过程产生MnOOH，回收处理该废电池可得到多种化工原料，有关数据下表所示：
溶解度/(g/100g水)
温度/℃
化合物
0
20
40
60
80
100
NH4Cl
29.3
37.2
45.8
55.3
65.6
77.3
ZnCl2
343
395
452
488
541
614
化合物
Zn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp近似值
10-17
10-17
10-39
回答下列问题：
（1）该电池的正极反应式为 ，电池反应的离子方程式为：
（2）维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，理论上消耗Zn g。（已经F＝96500C/mol）
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl，二者可通过____分离回收；滤渣的主要成分是MnO2、______和 ，欲从中得到较纯的MnO2，最简便的方法是 ，其原理是 。
（4）用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中，需去除少量杂质铁，其方法是：加稀硫酸和H2O2溶解，铁变为_____，加碱调节至pH为 时，铁刚好完全沉淀（离子浓度小于1×10-5mol/L时，即可认为该离子沉淀完全）；继续加碱调节至pH为_____时，锌开始沉淀（假定Zn2＋浓度为0.1mol/L）。若上述过程不加H2O2后果是 ，原因是 。
2．用铜、银与硝酸银设计一个原电池，此电池的负极是________，负极的电极反应是________。将锌片、铜片用导线连接后浸入稀硫酸溶液中，构成了原电池，工作一段时间，锌片的质量减少了3.25 g，铜表面析出了氢气________L（标准状况下）；导线中通过________mo1电子。
【答案与解析】
1．B
【解析】A项，原电池的两极可以是导电的非金属，如石墨；C项，电解质溶液中的阳离子向着发生还原反应的一极即正极移动；D项，正极发生还原反应，负极发生氧化反应。
2．A
【解析】首先根据原电池反应判断出厌氧反应为负极侧，有氧反应为正极侧。A、根据厌氧反应中碳元素的化合价的变化：葡萄糖分子中碳元素平均为0价，二氧化碳中碳元素的化合价为+4价，所以生成二氧化碳的反应为氧化反应，所以在负极生成，A项错误；B、在微生物的作用下，该装置为原电池装置，原电池能加快氧化还原反应速率，故可以说微生物促进了电子的转移，B项正确；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。故选A。
3．B
【解析】将铝片和镁片用导线连接后插入盛有NaOH溶液的烧杯中组成原电池时，铝片能与NaOH溶液反应，失去电子，因此铝作负极，镁作正极，只有选项B正确。
4．B
【解析】根据题意，电池总反应式为：Mg+2AgCl=MgCl2+2Ag，正极反应为：2AgCl+2e-= 2Cl-+ 2Ag，负极反应为：Mg-2e-=Mg2+，A项正确，B项错误；对原电池来说，阴离子由正极移向负极，C项正确；由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑，D项正确；故选B。
5．D
【解析】由反应2Fe3++2I－2Fe2++I2可知，反应开始时甲中Fe3+发生还原反应，乙中I－发生氧化反应；电流计读数为零，说明单位时间内由甲流向乙的电子数与由乙流向甲的电子数相等，生成Fe3+的物质的量与消耗Fe3+的物质的量相等，则反应达到了平衡状态，此时在甲中溶入FeCl2固体，则平衡向逆反应方向移动，乙中I2发生还原反应，则乙中石墨电极为正极，故选D。
6．A
【解析】铜、银属于不活泼金属。不能与稀H2SO4发生自发反应，故B、C不能构成原电池；Zn比氢活泼，A中能够形成闭合回路，而D却不能形成闭合回路。
7．B
【解析】加入适量6 mol／L的盐酸，增大了溶液中c (H+)和n (H+)，反应速率加快，产生H2的量也增多，所以A不符合题意；加入适量蒸馏水或加入适量的NaCl溶液后，溶液中c (H+)降低，反应速率减慢；加入几滴CuCl2溶液，锌置换出少量铜，锌、铜在盐酸中构成原电池，加快了反应速率，但不影响产生H2的量，故B正确。
8．B
【解析】Zn失去电子，发生氧化还原反应，Zn为负极，A项错误；Fe3+被还原为Fe2+，溶液红色逐渐褪去，B项正确；铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn+2Fe3+==2Fe2++Zn2+，D项错误。
9．A
【解析】要把一个反应设计成原电池，该反应必须是自发氧化还原反应。但是A的反应为非氧化还原反应，所以不能设计成原电池。
10．D
【解析】若使铁片溶解，而在另一电极上有大量气泡冒出，则未知电极应为原电池的正极，其活泼性应比铁差。
11．C
【解析】由图像可知该原电池反应原理为Zn+Cu2+=Zn2++Cu。
A．Zn比Cu活泼，则Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，故A错误；
B．阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则两池中c(SO42－)不会改变，故B错误；
C．甲池中电极反应式为Zn-2e-→Zn2+，乙池中电极反应式为Cu2++2e-→Cu，Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池中，由于Zn的摩尔质量比Cu大，则乙池溶液的总质量增加，故C正确；
D．由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则阴离子并不能通过交换膜，故D错误；
故选C。
12．A
【解析】向a中加入少量的CuSO4溶液，则有Zn+Cu2+＝Zn2++Cu，消耗一部分Zn而使产生的H2总量减少，但生成的Cu附于Zn表面上形成Cu－Zn原电池，加快了反应速率，因此曲线a的斜率大于曲线b的斜率。
13．BC
【解析】Zn是负极，故A错；
电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同，故B正确；
根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；
在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。
二、填空题
1．（1）MnO2＋e-＋H＋＝MnOOH；Zn＋2MnO2＋2H＋＝Zn2＋＋2MnOOH （2）0.05g
（3）加热浓缩、冷却结晶；铁粉、MnOOH；在空气中加热；碳粉转变为CO2，MnOOH氧化为MnO2
（4）Fe3＋；2.7；6；Zn2＋和Fe2＋分离不开；Fe(OH)2和Zn(OH)2的Ksp相近
【解析】（1）酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，锌是活泼的金属，锌是负极，电解质显酸性，则负极电极反应式为Zn—2e—＝Zn2＋。中间是碳棒，碳棒是正极，其中二氧化锰得到电子转化为MnOOH，则正极电极反应式为MnO2＋e—＋H＋＝MnOOH，所以总反应式为Zn＋2MnO2＋2H＋＝Zn2＋＋2MnOOH。
（2）维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，则通过的电量是0.5×300＝150，因此通过电子的物质的量是，锌在反应中失去2个电子，则理论消耗Zn的质量是。
（3）废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有氯化锌和氯化铵。根据表中数据可知氯化锌的溶解度受温度影响较大，因此两者可以通过结晶分离回收，即通过蒸发浓缩、冷却结晶实现分离。二氧化锰、铁粉、MnOOH均难溶于水，因此滤渣的主要成分是二氧化锰、碳粉、MnOOH。由于碳燃烧生成CO2，MnOOH能被氧化转化为二氧化锰，所以欲从中得到较纯的二氧化锰，最简便的方法是在空气中灼烧。
（4）双氧水具有强氧化性，能把铁氧化为铁离子，因此加入稀硫酸和双氧水，溶解后铁变为硫酸铁。根据氢氧化铁的溶度积常数可知，当铁离子完全沉淀时溶液中铁离子浓度为10-5mol/L，则溶液中氢氧根的浓度＝，所以氢离子浓度是2×10-3mol/L，pH＝2.7，因此加碱调节pH为2.7时铁刚好完全沉淀。Zn2＋浓度为0.1mol/L，根据氢氧化锌的溶度积常数可知开始沉淀时的氢氧根浓度为＝＝10-8mol/L，氢离子浓度是10-6mol/L，pH＝6，即继续加碱调节pH为6时锌离子开始沉淀。如果不加双氧水，则铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁，由于氢氧化亚铁和氢氧化锌的溶度积常数接近，因此在沉淀锌离子的同时亚铁离子也沉淀，导致生成的氢氧化锌不纯，无法分离开Zn2＋和Fe2＋。
2．铜（或Cu） Cu－2e－＝Cu2+ 1.12 0.100
【解析】在铜银原电池中，Cu比Ag活泼，是原电池的负极，负极反应为：Cu－2e－＝Cu2+。
锌铜原电池的电池反应为：
Zn + H2SO4 ＝ ZnSO4 + H2↑ ～ 2e－
65 g 22.4 L 2 mol
3.25 g V (H2) n (e－)
，
。