苏教版高二化学选修四 第二单元 第一节　原电池的工作原理和化学电源 知识讲与练

苏教版高二化学选修四 第二单元
第1课时　原电池的工作原理和化学电源 知识讲与练



[新知探究]
探究1　铜锌原电池的工作原理
(1)用温度计测量锌粉与CuSO4溶液反应的温度变化，说明该反应为放热反应，该反应在物质变化的同时，实现化学能转化为热能，反应可表示为Zn(s)＋Cu2＋(aq)===Zn2＋(aq)＋Cu(s)　ΔH＝－216.81 kJ·mol－1。
(2)铜锌原电池的工作原理：
装置
电极 Zn Cu
反应现象 逐渐溶解 铜片上有红色物质析出　　
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
反应类型 氧化反应 还原反应
电极反应式 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu
总电池反应式 Zn＋CuSO4===ZnSO4＋Cu
探究2　原电池的构成条件

探究3　盐桥的成分及作用

[必记结论]
1．原电池电极名称判断方法
(1)判断方法：
负极正极
(2)注意事项：
在原电池中，不一定是较活泼的金属一定作负极，而要看谁能与电解质溶液反应。如Mg—Al—H2SO4溶液，Mg作负极；Mg—Al—NaOH溶液，Al作负极；Fe—Cu—浓HNO3，Fe钝化，而Cu作负极。
2．原电池工作原理图解

[成功体验]
1．下列装置中，能构成原电池的是(　　)


解析：选D　酒精为非电解质，A错误；选项B中未使用盐桥，没有形成闭合回路；C项中两个电极材料相同，不能形成原电池。依据原电池的构成条件可知D正确。
2．判断下列描述的正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)在原电池构成的闭合回路中，电子从原电池的正极通过导线流向负极。(　　)
(2)原电池的正极一定是化学性质较不活泼的金属。(　　)
(3)原电池工作时，正极上发生的是氧化反应。(　　)
(4)由Cu、Zn作电极与CuSO4溶液构成的原电池中，Cu是负极。(　　)
答案：(1)　(2)×　(3)×　(4)×

[新知探究]
探究1　一次电池的特点
只能放电，不能充电，消耗到一定程度就不能再使用。
探究2　确定常见一次电池的电极材料，并书写相关的反应式
普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池 银锌钮扣电池
负极材料 锌筒 Zn Zn
正极材料 石墨棒 MnO2 Ag2O
电解质 氯化铵 KOH KOH
负极反应 Zn－2e－=== Zn2＋ Zn－2e－＋2OH－=== Zn(OH)2 Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
正极反应 2NH＋2MnO2＋2e－===2NH3＋Mn2O3＋H2O 2MnO2＋2H2O＋2e－===MnOOH＋2OH－ Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
总反应 Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===ZnCl2＋2NH3＋Mn2O3＋H2O 2MnO2＋Zn＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
探究3　典型二次电池——铅蓄电池
(1)特点：既可以放电，又可以充电。
(2)常见二次电池(铅蓄电池)：

探究4　燃料电池有何特点？以KOH溶液为电解质溶液，写出氢氧燃料电池(结构见教材P16图1－16)的电极反应式和电池反应。
特点：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能，能量利用率高，污染小。
电极反应(碱性环境)：
负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O；
正极：O2＋2e－＋H2O===2OH－；
总电池反应：H2＋O2===H2O。
[必记结论]
1．化学电源电极反应式与电池反应的书写方法

2．化学电源电极反应式与电池反应的书写类型
(1)根据装置书写电极反应式：
①先分析题目给定的图示装置，确定化学电源的正、负极上的反应物质。
②电极反应式的书写。
a．负极：活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4。
b．正极：阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：
电解质是碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电解质是酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
c．正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。
(2)根据电池反应(总反应)书写电极反应式：
题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(分析有关元素的化合价变化情况)，可选择一个简单变化情况写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式即可(加、减法)。加、减法书写电极反应式归纳：　　电池总反应：还原剂＋氧化剂＋介质===氧化产物＋还原产物＋其他；
负极：还原剂＋介质－ne－===氧化产物(还原剂失去电子，发生氧化反应)；
正极：氧化剂＋介质＋ne－===还原产物(氧化剂得到电子，发生还原反应)。
[成功体验]
3．(好题共享·选自鲁科版教材P31·T1)写出下列原电池装置中的电极反应和电池反应。
原电池装置 电极反应 电池反应
负极________________正极_______
负极___________正极__________

续表
原电池装置 电极反应 电池反应
负极_________正极_________
解析：Fe比Ag活泼，为原电池的负极，电极反应为：Fe－2e－===Fe2＋；Ag为原电池正极，三个装置中，正极上得到电子的离子分别为Cu2＋、Ag＋、H＋。
答案：
电极反应 电池反应
Fe－2e－===Fe2＋ Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu
Cu2＋＋2e－===Cu
Fe－2e－===Fe2＋ Fe＋2Ag＋===Fe2＋＋2Ag
2Ag＋＋2e－===2Ag
Fe－2e－===Fe2＋ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
2H＋＋2e－===H2↑

4．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
下列该电池的电极反应正确的是(　　)
A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
B．负极反应为Zn＋2H2O－2e－===Zn(OH)2＋2H＋
C．正极反应为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH
D．正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
解析：选D　原电池中，负极发生氧化反应：Zn失电子，正极发生还原反应：MnO2得电子，此题关键是要注意介质的作用：在KOH的碱性环境中不可能有大量H＋参与反应(C项错)，也不可能有大量的H＋存在(B项错)，与OH－反应的Zn2＋也不可能存在(A项错)，正确的负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，正确的正极反应见D项。
———————————————[关键语句小结]————————————————

1．原电池构成“三条件”：①活泼性不同的两电极，②浸入电解质溶液中，③形成闭合回路。
2．原电池正、负极判断的“五招”：
(1)负极：①活泼性较强的金属；②流出电子；③发生氧化反应；④阴离子流向的极；⑤电极不断溶解(质量减少)的极。
(2)正极：①活泼性较弱的金属或非金属；②流入电子；③发生还原反应；④阳离子流向的极；⑤电极增重或有气体产生的极。
3．银锌钮扣电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质溶液是KOH溶液；碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液。
4．铅蓄电池是最常见的二次电池，正极是PbO2，负极是Pb，电解质溶液是H2SO4溶液。
5．氢氧燃料电池“两类型”：
(1)酸性电解质时：
负极反应式：2H2－4e－===4H＋。
正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
(2)碱性电解质时：
负极反应式：2H2＋4OH－－4e－===4H2O。
正极反应式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。



[例1]一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是(　　)

A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol 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，CO向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－===2CO
解析：选D　A项，1 mol CH4→CO，化合价由－4价→＋2上升6价，1 mol CH4参加反应共转移6 mol电子，错误；B项，熔融盐中没有OH－，所以OH－不能参与电极反应，其电极反应式应为：CO＋H2＋2CO－4e－===3CO2＋H2O，错误；C项，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，错误；D项，根据电池原理，O2、CO2共同参加反应，其电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO，正确。

(1)原电池原理中的“负极氧化正还原，电子流向负到正”，是各类化学电池的重要特性，据此可分析化学电池工作原理。
(2)电池反应是将自发进行的氧化还原反应拆分在两极进行，故正、负极得、失电子数相等，据此可进行有关计算。

1．图中是镁?次氯酸钠电池，电池总反应为Mg＋ClO－＋H2O===Cl－＋Mg(OH)2↓，下列说法正确的是(　　)

A．进料口A是次氯酸钠溶液，出料口B主要成分是氯化钠
B．惰性电极附近溶液的pH减小
C．镁电极表面发生氧化反应：Mg－2e－＋2H2O===Mg(OH)2↓＋4H＋
D．Na＋向镁电极方向移动，Mg(OH)2沉淀在两电极之间产生
解析：选A　A项，镁?次氯酸钠电池中，次氯酸钠在正极得电子生成氯化钠从出料口B排出；B项，惰性电极反应为ClO－＋2e－＋H2O===Cl－＋2OH－，溶液pH增大；C项，次氯酸钠溶液呈碱性，不会生成H＋；D项，Na＋向正极(惰性电极)移动。

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．比较金属活动性强弱
例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀硫酸中，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．应用原电池原理设计原电池
以Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu为例：


—
[例2]　一个原电池的总反应方程式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池可能为(　　)
选项 A B C D
正极 Cu Al Zn Fe

续表
负极 Zn Zn Cu Zn
电解质溶液 H2SO4 CuSO4 ZnCl2 CuCl2
解析：选D　由总反应式可知，Zn被氧化，失去电子，Zn应为负极；Cu2＋被还原，得电子，即电解质溶液应含Cu2＋，由此排除选项A、C，而且正极金属应比Zn活动性弱，可排除B选项。

2．(好题共享·选自人教版教材P73·T6)根据下式所表示的氧化还原反应设计一个原电池：
Zn(s)＋Fe2＋(aq)===Zn2＋(aq)＋Fe(s)
(1)装置可采用烧杯和盐桥，画出此原电池的装置简图；
(2)注明原电池的正极和负极；
(3)注明外电路中电子的流向；(4)写出两个电极上的电极反应。
答案：此原电池的装置简图如图所示：

负极：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)；正极：Fe2＋＋2e－===Fe(还原反应)。


[课堂双基落实]

1．下列四位同学的说法正确的是(　　)

解析：选A　在原电池中，较活泼的金属作负极，失去电子发生氧化反应，电子从负极流出经导线流向正极，内电路中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故只有A项正确。
2．下列关于化学电源的叙述错误的是(　　)
A．干电池根据电池内的电解质分为酸性电池和碱性电池
B．干电池中碳棒为正极
C．铅蓄电池是可充电电池
D．铅蓄电池中的PbO2为负极
解析：选D　铅蓄电池工作时PbO2→PbSO4，铅元素化合价由＋4价降为＋2价，被还原，故PbO2为正极。
3．用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂－KNO3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(　　)
①在外电路中，电流由铜电极流向银电极
②正极反应为：Ag＋＋e－===Ag
③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A．①②　　　　　　　　　B．②③
C．②④ D．③④
解析：选C　①Cu为负极，电子由Cu电极流向Ag电极；③取出盐桥，电池不能形成闭合回路，不能继续工作。
4．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
解析：选C　由题图可知，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的强，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。
5.利用反应Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2设计一个原电池。在下图方格内画出实验装置图，并指出正极材料为________，电极反应式为________________；负极材料为________，电极反应式为________________。

解析：将Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2拆分为：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)，2Fe3＋＋ 2e－===2Fe2＋(还原反应)。结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用锌，正极用活泼性比锌弱的金属或导电的非金属，为保证Fe3＋在正极得电子，电解质溶液为FeCl3等易溶的铁盐溶液。
答案：Pt(或C)　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　Zn
Zn－2e－===Zn2＋