专题1 第2单元 第1课时 原电池的工作原理(Word教参)-【精讲精练】2024-2025学年高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第二单元　化学能与电能的转化 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。3.能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。4.掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。 知识点一　原电池的工作原理 1．实验探究：锌和硫酸铜溶液反应中能量转化 操作 向一支小烧杯中加入1.0 mol·L－1 CuSO4溶液约30 mL，再加入适量锌粉，用温度计测量溶液的温度 现象 Zn逐渐溶解，有红色物质生成，溶液温度升高，颜色变浅 能量转化 化学能转化为热能 原因解释 Zn把电子直接传递给Cu2＋，离子方程式：Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋ 2.实验探究：铜锌原电池的构造与工作原理 装置示意图 实验现象 锌片逐渐溶解，铜片上红色固体质量增加，溶液颜色变浅，电流计指针发生偏转，用温度计测量两烧杯溶液的温度几乎不变 能量转化 化学能转化为电能 原因解释 (1)在ZnSO4溶液中，锌片上的锌原子失电子，发生氧化反应，形成Zn2＋进入溶液，负极电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋； (2)在CuSO4溶液中，溶液中的Cu2＋从铜片上得电子，还原成为Cu并沉积在铜片上，正极电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu； (3)总电池反应式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 电子或离子 的移动方向 (1)导线(外电路)中，电子从Zn片(负极)移向Cu片(正极)； (2)盐桥(内电路)中的Cl－离子移向ZnSO4溶液，K＋离子移向CuSO4溶液 3.原电池工作原理 (1)定义：原电池是将化学能转化为电能的装置。 (2)电极名称及电极反应 ①负极：电子流出的一极，发生氧化反应。 ②正极：电子流入的一极，发生还原反应。 (3)构成条件 ①两个活泼性不同的电极(两种金属或一种金属和一种能导电的非金属)。 ②电解质溶液。 ③构成闭合回路。 ④能自发进行的氧化还原反应。 (4)盐桥的作用 ①形成闭合回路。 ②平衡两侧溶液的电荷，使溶液保持电中性。 ③避免电极与电解质溶液直接反应，相比单液原电池有利于最大程度地将化学能转化为电能。 理解记忆原电池中的四个“方向” (1)外电路中电子移动方向：负极→正极。 (2)外电路中电流方向：正极→负极。 (3)电池内部离子移动方向：阴离子→负极，阳离子→正极。 (4)盐桥(含KCl饱和溶液)中离子移动方向：K＋→正极，Cl－→负极。　 1．含有盐桥的原电池，如果撤去盐桥，还有电流吗？ 提示　若撤去盐桥，则不能构成闭合回路，不能形成原电池，因此不再有电流。 2．活泼性强的金属一定做负极吗？ 提示　不一定。例如Mg－Al－H2SO4溶液构成的原电池中，Mg为负极，而在Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，Al为负极。 1．原电池的工作原理 2．含盐桥原电池的特点及优点 (1)特点 两个烧杯中液体靠盐桥连接，且电极材料与相应容器中的电解质溶液的阳离子相同。 (2)盐桥的作用 平衡电荷、构成闭合回路，若撤去盐桥或将盐桥换成导线，则不能构成闭合回路，形不成原电池。 (3)优点 含盐桥的原电池与不含盐桥的原电池相比，效率高且电流平稳，放电时间长。 3．原电池正负极的判断 4．电极反应式书写的一般步骤 1．(2023·宁夏期末)关于锌铜原电池装置(如图所示)，下列分析正确的是(　　) A．一段时间后两烧杯中c(Zn2＋)、c(Cu2＋)均减小 B．原电池工作时，Cu电极流出电子，发生反应： Cu－2e－===Cu2＋ C．原电池工作时，Zn电极发生还原反应： Zn2＋＋2e－===Zn D．原电池工作时的总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 解析　Zn为负极，反应为Zn－2e－===Zn2＋，溶液中Zn2＋浓度增大，A错误；Cu为正极，工作时电子流入，反应为Cu2＋＋2e－===Cu，B错误；原电池工作时，Zn电极发生氧化反应，C错误；正、负极得失电子数相等时，相加为总反应式：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，D正确。 答案　D 2．根据原电池的工作原理，写出下列电池的电极反应式。 (1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池： ①正极反应式是_________________________________________________________； ②负极反应式是_________________________________________________________； ③原电池总反应的离子方程式是____________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)有人用原电池原理除去银器皿表面的黑色硫化银，其处理方法：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器皿浸入溶液中，放置一段时间后，有臭鸡蛋气味的气体放出，银器皿表面的黑色会褪去而银不会损失。在此形成的原电池中： ①负极反应式是_________________________________________________________； ②正极反应式是_________________________________________________________； ③总反应式是___________________________________________________________。 答案　(1)①2H＋＋2e－===H2↑　②Fe－2e－===Fe2＋　③Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ (2)①2Al－6e－===2Al3＋　②3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－　③3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑ 知识点二　原电池原理的应用 1．比较金属活动性强弱 对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。 例如：a和b两种金属，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，则a为负极，b为正极，金属活动性：a＞b。 2．加快氧化还原反应的速率 构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。 3．用于金属保护 原理 使被保护的金属作原电池的正极而得到保护 实例 要保护一个铁制的输水管道，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极 4.设计原电池 (1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。 (2)外电路：还原性较强的物质在负极上失去电子，氧化性较强的物质在正极上得到电子。 (3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。 5．设计示例 请用CuCl2溶液、FeCl2溶液、盐桥、铁片、石墨棒设计原电池，实现电池反应：CuCl2＋Fe===FeCl2＋Cu。 设计思路 示例 把氧化还原反应分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)： Fe－2e－===Fe2＋ 还原反应(正极)： Cu2＋＋2e－===Cu 以两极反应为原理，确定电极材料及电解质溶液 负极材料：铁片 正极材料：石墨棒 电解质溶液 画出示意图 (盐桥原电池) 1．实验室常用锌与稀硫酸反应制取氢气。 (1)若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀硫酸反应制取氢气，哪种方法产生氢气的速率快？ (2)若用纯锌与稀硫酸反应，常向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，为什么？ 提示　(1)粗锌中的锌、铁、碳与稀硫酸形成了原电池，加快了反应速率。 (2)锌与硫酸铜溶液反应生成铜，铜、锌与稀硫酸形成原电池，可加快反应速率。 2．某同学将反应2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑设计为原电池，装置如图，请分析此同学设计的装置是否正确，为什么？ 提示　不正确。常温下，Al在浓硝酸中发生钝化而被保护。 3．根据反应HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放热反应，能设计成原电池吗？为什么？ 提示　不能。该反应不属于氧化还原反应，无电子的转移。 设计原电池时应注意的3点 原电池的设计思路是“两极—液—连线。” 从理论上讲，能自发进行的氧化还原反应均可以设计成原电池，实际设计时应注意以下几点： 1．外电路：负极(还原性较强的物质)正极(氧化性较强的物质)。 2．内电路：将两电极浸入电解质溶液或熔融电解质中，阴、阳离子作定向移动。 3．闭合回路 1. 把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，b极上有大量气泡产生，则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为(　　) A．a>b>c>d　　　　 B．a>c>d>b C．c>a>b>d D．b>d>c>a 解析　根据原电池原理，作为负极的金属的活泼性比正极金属的活泼性强。电子流动方向是负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，溶液中的H＋在正极上得电子生成H2，因此可依次做出如下判断：活泼性a>b，c>d，a>c，d>b，综合得到结论：金属活泼性由强到弱的顺序为a>c>d>b，B正确。 答案　B 2．某研究小组设计的铜铁原电池如图所示。 (1)若原电池装置为图甲： ①工作时，下列叙述正确的是________。 A．正极反应为Fe－2e－===Fe2＋ B．电池反应为Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu C．在外电路中，电子从负极流向正极 D．盐桥中的K＋移向FeSO4溶液 ②A电极观察到的现象是_________________________________________________。 (2)若原电池装置为图乙： ①电极材料X可以是________(填序号，下同)。 a．铁 　　　 b．铜 　　　 c．石墨 ②Y溶液是 ________。 a．FeSO4溶液　　b．CuSO4溶液 c．CuCl2溶液 解析　(1)①电池的正极得电子，A错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，B正确；外电路中，电子从负极流向正极，C正确；右烧杯中由于Fe失去电子形成Fe2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，Cl－应该通过盐桥流向FeSO4溶液，D错误。②现象是看到有红色物质析出。(2)①不含盐桥的原电池中正极材料是比负极金属活泼性差的金属或导电的非金属，故此时正极是铜或石墨，但负极只能是铁。②电解质溶液是含不活泼金属离子的盐溶液，可为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜溶液。 答案　(1)①BC　②有红色物质析出 (2)①bc　②bc 1．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．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液 C．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu D．在外电路中，电子从负极流向正极；在电池内部，电子从正极流向负极 解析　锌比铜活泼，锌作负极，铜作正极，正极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，A错误；根据原电池工作原理，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，B错误；负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，因此电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，C正确；根据原电池的工作原理，电子从负极经外电路流向正极，电池内部只有阴、阳离子的定向移动，D错误。 答案　C 2．(2023·辽宁六校联考)某原电池总反应为Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，下列能实现该反应的原电池是(　　) 选项 A B C D 电极材料 Cu、Zn Cu、C Fe、Zn Cu、Ag 电解液 FeCl3溶液 Fe(NO3)2 溶液 CuSO4 溶液 Fe2(SO4)3 溶液 解析　锌比铜活泼，锌作负极，电池反应为Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，A错误；金属铜和亚铁盐不反应，没有自发发生的氧化还原反应，B错误；锌比铁活泼，锌作负极，电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，C错误；铜比银活泼，金属铜作负极，电池反应为Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，D正确。 答案　D 3．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(　　) A．a＞b＞c＞d　　　　　 B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c 解析　把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由①可知，a作负极，b作正极，金属活动性：a＞b；由②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由③可知，d极溶解，则d作负极，c作正极，活动性：d＞c；由④可知，电流从a极流向d极，则d为负极，a为正极，活动性：d＞a。综合上述可知，活动性：d＞a＞b＞c。 答案　C 4．(2023·衡中质检)原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是(　　) A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极 B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋ D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ 解析　先判断正负极，根据负极发生氧化反应，正极发生还原反应书写电极方程式。①中Mg活泼，作负极；②中Al能与氢氧化钠溶液反应，Al作负极，总反应为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，负极为2Al－6e－＋8OH－===2AlO＋4H2O，总反应减去负极反应就是正极反应，A错误，B正确；③中铁遇浓硝酸钝化，铜常温下可与浓硝酸反应，铜作负极，C错误；④是铁的吸氧腐蚀，Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。 答案　B 5.如图所示是原电池的装置图。请回答： (1)若C为稀硫酸，电流表指针发生偏转，B电极材料为Fe且作负极，则A电极上发生的电极反应式为______________；反应进行一段时间后溶液C的pH将________(填“升高”“降低”或“基本不变”)。 (2)若需将反应：Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成如上图所示的原电池装置，则A(负极)极材料为________，B(正极)极材料为________，溶液C为________。 (3)若C为CuCl2溶液，Zn是________极，Cu极发生________反应，电极反应式为________________。反应过程溶液中c(Cu2＋)________(填“变大”“变小”或“不变”)。 解析　(1)铁作负极，则该原电池反应是铁与稀硫酸置换氢气的反应，所以正极反应是氢离子得电子生成氢气，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑；溶液中氢离子放电，导致溶液中氢离子浓度减小，pH升高。(2)Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成如图所示的原电池装置，根据方程式中物质发生的反应类型判断，Cu发生氧化反应，作原电池的负极，所以A极材料是Cu，B极材料是比Cu不活泼的导电物质如石墨、Ag等即可；溶液C中含有Fe3＋，如FeCl3溶液。(3)Zn比较活泼，在原电池中作负极，Cu作正极，正极发生还原反应，Cu2＋在正极得到电子变成Cu，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，Cu2＋发生了反应，则c(Cu2＋)变小。 答案　(1)2H＋＋2e－===H2↑　升高 (2)Cu　石墨　FeCl3溶液(合理即可) (3)负　还原　Cu2＋＋2e－===Cu 　变小 学科网（北京）股份有限公司 $$