4.1 第1课时 原电池的工作原理-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1同步练习（人教版）

第四章 化学反应与电能 练 知识点 １ 原电池的工作原理 1. 下列关于原电池的叙述中， 不正确的是 （ ） A. 原电池的负极发生的反应是氧化反应 B. 原电池的电极只能由两种不同的金属 构成 C. 原电池能将化学能转变为电能 D. 原电池中电子流入的一极是正极 2. 下列装置中， 电流表指针能发生偏转的是 （ ） 3. 理论上不能设计为原电池的化学反应是 （ ） A. CH 4 （ g ） +2O 2 （ g ） 点燃 CO 2 （ g ） +2H 2 O （ l ） ΔH<0 B. HNO 3 （ aq ） +NaOH （ aq ） NaNO 3 （ aq ） + H 2 O （ aq ） ΔH<0 C. 2H 2 （ g ） +O 2 （ g ） 点燃 2H 2 O （ l ） ΔH<0 D. 2FeCl 3 （ aq ） +Fe （ s ） 3FeCl 2 （ aq ） ΔH<0 4. 下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是 （ ） 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 知识点 ２ 原电池原理的应用 5. 把 a 、 b 、 c 、 d 四块金属片浸入稀硫酸中， 用导线两两相连组成原电池。 若 a 、 b 相 连时， a 为负极； c 、 d 相连时， 电流由 d 第一节 原电池 A B Mg Al 冰醋酸 C D Zn Cu 盐桥 CuSO 4 溶液 ZnSO 4 溶液 Zn Cu 盐桥 甲 乙 ZnCl 2 溶液 CuCl 2 溶液 Zn Cu 稀 硫 酸 Zn Cu CuSO 4 溶液 甲 Zn 盐桥 ZnSO 4 溶液 乙 CuSO 4 溶液 第 4 题图 Cu A A 第四章 化学反应与电能 第 1课时 原电池的工作原理 基 础 练 习 91 练 高中化学选择性必修 1 （人教版） 到 c ； a 、 c 相连时， c 极产生大量气泡， b 、 d 相连时， b 上有大量气泡产生， 则四 种金属的活动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 6. 100 mL 2 mol · L -1 的盐酸跟过量的锌片反 应， 为加快反应速率， 又不影响生成氢气 的总量， 可采用的方法是 （ ） A. 加入适量的 6 mol/L 的盐酸 B. 加入数滴氯化铜溶液 C. 加入适量蒸馏水 D. 加入适量的氯化钠溶液 7. 根据化学能转化电能的相关知识， 回答下 列问题： Ⅰ． 理论上讲， 任何自发的氧化还原反应 都可以设计成原电池 。 请利用反应 “ Cu+2Ag + 2Ag+Cu 2+ ” 设计一个化学 电池 （正极材料用碳棒）， 回答下列 问题： （ 1 ） 该电池的负极材料是 ， 发生 （填 “氧化” 或 “还原”） 反应， 电解质溶液是 。 （ 2 ） 正极上出现的现象是 。 （ 3 ） 若导线上转移电子 0.1 mol ， 则消耗 铜 g 。 Ⅱ． 有甲、 乙两位同学均想利用原电池反 应检测金属的活动性顺序， 两人均用 镁片和铝片作电极， 但甲同学将电极 放入 0.6 mol · L -1 的 H 2 SO 4 溶液中， 乙 同学将电极放入 0.6 mol · L -1 NaOH 的 溶液中， 如图所示。 （ 4 ） 写出甲中正极的电极反应式： 。 （ 5 ） 写出乙中总反应的离子方程式： 。 1. 下列有关原电池原理的叙述正确的是（ ） A． 原电池工作时， 活泼金属一定作负极 B． 原电池工作时， 阳离子向负极移动 C． 原电池工作时， 电解质溶液不一定参 加电极反应 D． 原电池工作时， 电子由负极经电解质 溶液流向正极 2. 如图所示的装置， 在 铁 圈 和 银 圈 的 焊 接 处， 用一根棉线将其 悬吊在盛水的烧杯中， 使之平衡。 小心地 向烧杯中央滴入 CuSO 4 溶液， 片刻后可观 察到的现象是 （ ） A. 铁圈和银圈左右摇摆不定 B. 保持平衡状况 C. 铁圈向下倾斜 D. 银圈向下倾斜 3. 控制适合的条件 ， 将反应 2Fe 3 + +2I - 2Fe 2+ +I 2 设计成如下图所示的原电池。 下 列判断不正确的是 （ ） 提 升 练 习 铁圈 银圈 水 第 2 题图 铝 片 镁 片 稀硫酸 铝 片 镁 片 NaOH 溶液 乙甲 第 7 题图 92 第四章 化学反应与电能 练 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 Fe 3+ 被 还原 C. 电流表读数为 0 时， 反应达到化学平 衡状态 D. 电流表读数为 0 后， 在甲中加入 FeCl 2 固体， 乙中的石墨电极为负极 4. 某同学根据离子反应方程式 2Fe 3+ +Fe 3Fe 2+ 来设计原电池。 下列设计方案中可行 的是 （ ） A. 电极材料为 Fe 和 Zn ， 电解质溶液为 FeCl 3 溶液 B. 电极材料为 Fe 和石墨， 电解质溶液为 Fe 2 （ SO 4 ） 3 溶液 C. 电极材料为 Fe 和石墨， 电解质溶液为 FeCl 2 溶液 D. 电极材料为石墨， 电解质溶液为 FeCl 3 溶液 5. 原电池的应用极为 广泛。 利用如图所 示原电池可测量空 气中 Cl 2 的含量 ， 电解质是 Ag + 可以 在其中自由移动的 固体物质， 下列分 析正确的是 （ ） A. 电流从 Ag 电极经外电路流向 Pt 电极 B. 电池工作时， 电解质中 Ag + 数目增多 C. 正极反应式： Cl 2 +2e - 2Cl - D. 空气中 c （ Cl 2 ）越大， Ag 极消耗速率越快 6. 按下图装置实验， 若 x 轴表示负极流出的 电子的物质的量， 则 y 轴应表示 （ ） ①c （ Ag + ） ②c （ NO - 3 ） ③a 棒的质量 ④b 棒的质量 ⑤ 溶液的质量 A. ①③ B. ③④ C. ①②④ D. ② 7. 燃料电池具有能量利用率高、 可连续使用 和污染轻等优点， 已成为一种发展前景广 阔的化学电源。 请回答下列问题： （ 1 ） NO 2 、 O 2 和熔融 NaNO 3 可制作燃料电 池， 其原理见图 1 ， 石墨 Ⅰ 为电池的 极； 该电池在使用过程中石 墨 Ⅰ 电极上生成氧化物 Y ， 其电极反 应式为 。 （ 2 ） 化学家正在研究尿素动力燃料电池。 用这种电池直接去除城市废水中的尿 素， 既能产生净化的水， 又能发电， 尿素燃料电池结构如图 2 所示： 石墨石墨 盐桥 A 电流表 FeCl 3 溶液 KI 溶液 甲 乙 第 3 题图 Pt 电极Ag 电极 电解质 Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Ag + Cl 2 V 第 5 题图 Fe Ag a b AgNO 3 溶液 A y x 电子的物质 的量 /mol 第 6 题图 石墨 Ⅰ 石墨 Ⅱ 熔融 NaNO 3 NO 2 O 2 Y Y Y Y 负载 图 1 O 93 练 高中化学选择性必修 1 （人教版） 电池中的负极为 （填 “甲” 或 “乙”）， 甲的电极反应式为 ， 电池工作时， 理论 上每净化 1 mol 尿素， 消耗 O 2 的体 积 （标准状况下） 约为 L 。 （ 3 ） 全球气候变暖已经成为全世界人类面 临的重大问题， 研究 CO 2 的利用对 促进低碳社会的构建具有重要意义。 利用 “ Na-CO 2 ” 电池将 CO 2 变废为 宝。 我国科研人员研制出的可充电 “ Na-CO 2 ” 电池， 以钠箔和多壁碳纳 米管 （ MWCNT ） 为电极材料， 总反 应为 4Na+3CO 2 2Na 2 CO 3 +C 。 放电 时该电池 “吸入” CO 2 ， 其工作原理 如图 3 所示： 放电时， 正极产物全部 以固体形式沉积在电极表面， 正极的 电极反应式为 ， 当转移 0.1 mol e - 时， 负极质量减少 g 。 CO 2 +N 2 O 2 CO （ NH 2 ） 2 H 2 O H 2 O H + 甲电极 负载 乙电极 质子交换膜 多孔碳电极 a c b d H + 图 2 CO 2 Na + MWCNT （ NaClO 4 - 四甘醇二甲醚） 电解质 钠箔 固体 沉积物 图 3 第 7 题图 94 高中化学选择性必修 1 （人教版） 第一节 原电池 第 1 课时 原电池的工作原理 基础练习 1. B 【解析】 原电池的正极也可以由非金属 （例如 石墨） 构成。 2. D 【解析 】 A 项中甲烧杯中应加入 ZnCl 2 溶液 ， 乙烧杯中应加入 CuCl 2 溶液； B 项中冰醋酸不导电， 不 构成原电池； C 项中装置符合构成原电池的条件， 但两 极直接接触， 相当于短路， 因此电路中无电流。 3. B 【解析】 可自发进行的氧化还原反应才能设计 成原电池 ， B 项是非氧化还原反应 ， 不能设计成原 电池。 4. B 【解析】 两个装置均为原电池装置， 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， B 错误； 锌为负极， 电子从 负极经外电路流向正极， C 正确； 图甲装置中部分锌会 与溶液中的 Cu 2+ 直接发生置换反应， 并放出热量， 其外 电路中的电流在短时间内就会减弱， 故其能量利用率较 低， D 正确。 5. B 【解析】 根据原电池原理， 作为负极的金属活 动性比正极金属的活动性强。 电子流动方向是由负极流 向正极， 电流方向与电子流动方向相反， 可逐一判断出 活动性： a>b ， c>d ， a>c ， d>b ， 结论： a>c>d>b 。 6. B 【解析】 形成原电池能加快氧化还原反应的速 率。 A 项， 加入 6 mol · L -1 的盐酸， 会增加 H 2 总量； B 项， 加入 CuCl 2 溶液后， Zn 置换出 Cu ， Cu 附着在 Zn 上， 形成原电池， 加快反应速率； C 、 D 两项， 蒸馏水 和 NaCl 溶液都会稀释盐酸溶液， 使反应速率减慢。 7. （ 1 ） Ｃu 氧化 AgNO 3 （ 2 ） 碳棒上出现银白 色物质 （ 3 ） 3.2 （ 4 ） ２Ｈ + +２e - H 2 ↑ （ 5 ） 2Al+ 2OH - +2H 2 O 2AlO - 2 +3H 2 ↑ 【解析】 （ 1 ） 根据电池反应方程式可知， 铜元素的 化合价升高， 发生氧化反应， 故该电池的负极材料是 Cu ， 发生氧化反应， 电解质溶液应该为可溶性银盐， 故 电解质溶液为是 AgNO 3 。 （ 2 ） 银离子在正极上发生还 原反应生成银单质， 则出现的现象是碳棒上出现银白色 物质。 （ 3 ） 铜元素化合价由 0 价变为 +2 价， 若导线上 转移电子 0.1 mol ， 则消耗铜 0.05 mol ， 质量为 0.05 mol× 64 g/mol=3.2 g 。 （ 4 ） 镁的金属性比铝活泼， 故甲池中 镁作负极， 镁失电子生成镁离子， 铝作正极， 氢离子得 电子生成氢气， 故甲中正极的电极反应式为 2H + +2e - H 2 ↑ 。 （ 5 ） 铝片与氢氧化钠发生氧化还原反应， 镁不 反应， 故乙中总反应的离子方程式为 2Al+2OH - +2H 2 O 2AlO - 2 +3H 2 ↑ 。 提升练习 1. C 2. D 【解析】 滴入 CuSO 4 溶液后， 形成原电池， Fe 作负极， Ag 作正极， 在铁圈上： Fe-2e - Fe 2+ ， 使铁圈 质量减少； 在银圈上： Cu 2+ +2e - Cu ， 生成的 Cu 附着在 Ag 上， 使银圈质量增多， 所以银圈向下倾斜。 3. D 【解析】 由图示结合原电池原理分析可知， Fe 3+ 得电子变成 Fe 2+ 被还原， I - 失电子变成 I 2 被氧化， 所以 A 、 B 正确； 电流表读数为 0 时， Fe 3+ 得电子速率等于 Fe 2+ 失电子速率， 反应达到平衡状态， C 正确； 在甲中 加入 FeCl 2 固体， 平衡 2Fe 3+ +2I - 2Fe 2+ +I 2 向左移动， I 2 被还原为 I - ， 乙中石墨为正极， D 不正确。 4. B 【解析】 据反应 2Fe 3+ +Fe 3Fe 2+ 知， 负极发生 第四章 化学反应与电能 离子、 氨气反应生成碳酸钙沉淀和铵根离子， 离子方程 式为 Ca 2+ +2NH 3 +H 2 O+CO 2 CaCO 3 ↓+2NH + 4 ； ③ 由图表 可知， “浸钙” 过程 n （ NH 4 Cl ） ∶ n （ CaO ）的比例为 2.4 ∶ 1 时， 产品中镁元素杂质最多且碳酸钙纯度最低， 故不适 宜选用 n （ NH 4 Cl ） ∶ n （ CaO ）的比例为 2.4 ∶ 1 ； ④K sp （ CaCO 3 ） <K sp （ MgCO 3 ）， 在反应中 CaCO 3 会优先析出， 且氧化钙 也能转化为碳酸钙， 导致产品中 CaCO 3 纯度的实测值高 于计算值。 （ 3 ） “浸镁” 过程中， 发生反应： MgO+ H 2 O Mg （ OH ） 2 ， Mg （ OH ） 2 +2NH + 4 Mg 2+ +2NH 3 +2H 2 O ， 加热蒸馏使大量氨逸出， 平衡正向移动， 利于氢氧化镁转 化为硫酸镁。 （ 4 ） 白云石的主要化学成分为 CaMg （ CO 3 ） 2 ， 还含有质量分数约为 2.1% 的 Fe 2 O 3 和 1.0% 的 SiO 2 ； 煅烧 浸钙后， 绝大部分钙进入滤液中， 部分钙进入 B 中加入 硫酸铵后转化为微溶于水的硫酸钙， 氧化铁、 二氧化硅 几乎不反应进入滤渣中； “浸镁” 过程中， MgO 的浸出 率最终可达 98.9% ， 则还有部分氧化镁进入滤渣中， 故 滤渣 C 中含有的物质是 Fe 2 O 3 、 SiO 2 、 CaSO 4 、 MgO 。 （ 5 ） 沉钙反应中通入二氧化碳生成碳酸钙和氯化铵 ； “浸镁” 过程中加热蒸馏会有大量氨逸出； 滤液 D 加入 碳酸铵生成碳酸镁和硫酸铵， 碳酸镁煅烧生成二氧化 碳； 白云石煅烧也会生成二氧化碳； 在流程中 NH 4 Cl 、 （ NH 4 ） 2 SO 4 、 CO 2 、 NH 3 既是反应物又是生成物， 故该流 程中可循 环 利用的物质是 NH 4 Cl 、 （ NH 4 ） 2 SO 4 、 CO 2 、 NH 3 。 36 参考答案与解析 氧化反应的是 Fe-2e - Fe 2+ ， 因此 Fe 作负极， 正极应是 活泼性比 Fe 弱的金属或碳棒， 电解质溶液应是可溶性 铁盐， B 正确。 5. D 【解析】 Ag 电极是负极， 电流则经外电路从 Pt 电极流向 Ag 电极， A 错误； 电池工作时， 在负极生成 2 mol Ag + 时， 正极上 Cl 2 获得电子生成 2 mol Cl - ， 并生 成 2 mol AgCl ， 所以电解质中 Ag + 数目不变， B 错误； 正极发生的电极反应式为 Cl 2 +2e - +2Ag + 2AgCl↓ ， C 错 误； 空气中 c （ Cl 2 ）越大， Ag 极消耗速率越快， D 正确。 6. D 【解析 】 在这个原电池中 ， 负极 ： Fe-2e - Fe 2+ ， 正极： Ag + +e - Ag ， 使 b 棒增重， 溶液中 c （ NO - 3 ） 不变。 7. （ 1 ） 负 NO 2 +NO - 3 -e - N 2 O 5 （ 2 ） 甲 CO （ NH 2 ） 2 - 6e - +H 2 O CO 2 ↑+N 2 ↑+6H + 33.6 （ 3 ） ３CO 2 +4Na + +4e - 2Na 2 CO 3 +C 2.3 【解析】 （ 1 ） 在石墨 Ⅰ 上 NO 2 失去电子， 被氧化， 并与溶液中的 NO - 3 结合变为 N 2 O 5 ， 所以石墨 Ⅰ 为电池的 负极； Y 为 N 2 O 5 ， 该电池在使用过程中石墨 Ⅰ 电极上生 成氧化物 Y ， 其电极反应式为 NO 2 +NO - 3 -e - N 2 O 5 。 （ 2 ） 在甲电极中 CO （ NH 2 ） 2 失去电子， 被氧化产生 CO 2 、 N 2 ， 同时产生 H + ， 所以甲电极为负极， 该电极的电极反应式 为 CO （ NH 2 ） 2 -6e - +H 2 O CO 2 ↑+N 2 ↑+6H + ； 每 1 mol O 2 参 加反应， 转移 4 mol 电子 ， 所以根据同一闭合回路中 电子转移数目相等可得关系式： 2CO （ NH 2 ） 2 ～3O 2 ， 每有 1 mol CO （ NH 2 ） 2 反应 ， 就会消耗 1.5 mol 的 O 2 ， 其在 标准状况下的体积 V （ O 2 ） =1.5 mol×22.4 L/mol=33.6 L 。 （ 3 ） 放电时， 负极 Na 失去电子变为 Na + ， 正极上 CO 2 得到电子变为 C 原子， 同时产生 Na 2 CO 3 ， 故正极的电 极反应式为 3CO 2 +4Na + +4e - 2Na 2 CO 3 +C ； Na 是 +1 价的 金属， 每有 1 mol Na 反应转移 1 mol 电子， 则当转移 0.1 mol 电子时， 负极有 0.1 mol 的 Na 发生反应 ， 其减 少质量为 m （ Na ） =0.1 mol×23 g/mol=2.3 g 。 第 2 课时 化学电源 基础练习 1. B 【解析 】 放电时 ， Zn 为负极 ， MnO 2 为正极， 电子从负极 Zn 流向正极 MnO 2 ， 电流方向与电子流向相 反， 故 B 错误。 2. B 【解析】 Zn 发生氧化反应是负极， A 错误； 氧 化银发生还原反应是正极， B 正确； 当原电池中通过 0.1 mol 电子时， 负极质量减少， 物质的量减少 0.1 mol ， 所以负极质量应该减少 6.5 g ， C 错误； 原电池的电池反 应为 Zn+Ag 2 O+H 2 O Zn （ OH ） 2 +2Ag ， 反应过程中消耗溶 剂， 碱性增强， D 错误。 3. A 【解析】 负极为失电子的活泼金属， 发生氧化 反应。 4. A 【解析 】 负极发生的反应是铅失去电子生成 Pb 2+ ， 并与溶液中的 SO 2- 4 生成 PbSO 4 沉淀， 放电时消耗 的硫酸与充电时生成的硫酸相等， 故 H 2 SO 4 不用定期补 充， A 错误； 放电时， H 2 SO 4 被消耗， 溶液中的 H 2 SO 4 的物质的量浓度减小， 所以溶液的密度也随之减小， D 正确。 5. C 【解析】 从题图分析可知， 镍氢电池电解质溶 液为碱性。 放电时， 正极： NiO （ OH ） +H 2 O+e - Ni （ OH ） 2 + OH - ， 负极 ： MH+OH - -e - M+H 2 O ， 总反应为 MH+ NiO （ OH ） M+Ni （ OH ） 2 。 以上各式中 M 为金属合金 ， MH 为吸附了氢原子的储氢合金。 充电时， 负极作阴极， 阴极反应为 M+H 2 O+e - MH+OH - ， 故 C 错误； M 为储 氢合金， MH 为吸附了氢原子的储氢合金， 储氢材料， 其氢密度越大， 电池的能量密度越高， 故 D 正确。 6. D 【解析】 CO 发生失电子的氧化反应， 所以应 在负极通入， A 错误； 放电时， 阴离子 CO 2- 3 向负极移 动， B 错误； 温度和压强未知， 无法计算 CO 的物质的 量， 导致无法计算转移的电子数， C 错误； 该电池电解 质为固态时， 电解质中不含自由移动的离子， 则电池无 法工作， D 正确。 7. （ 1 ） H 2 H 2 +2OH - -2e - 2H 2 O O 2 O 2 +2H 2 O+ 4e - 4OH - （ 2 ） H 2 -2e - 2H + O 2 +4H + +4e - 2H 2 O （ 3 ） CH 4 +10OH - -8e - CO 2- 3 +7H 2 O O 2 +2H 2 O+4e - 4OH - 【解析】 （ 1 ） KOH 作电解质， 则负极通入的是 H 2 ， 因为电解质溶液显碱性， 所以氢气失去电子变成 H + 后将 与 OH - 结合生成水， 电极反应式为 H 2 +2OH - -2e - 2H 2 O 。 正极通入的是 O 2 ， 氧气得到电子变成 O 2- 后将与 H 2 O 结合生成 OH - ， 电极反应式为 O 2 +2H 2 O+4e - 4OH - 。 （ 2 ） 稀 H 2 SO 4 作电解质时， 溶液显酸性， 所以氧气得到 电子变成 O 2- 后将与 H + 结合生成水 ， 正极反应为 O 2 + 4H + +4e - 2H 2 O ， 负极反应为 H 2 -2e - 2H + 。 （ 3 ） 把 H 2 改为 CH 4 ， KOH 作导电物质， 则负极通入的是 CH 4 ， 因 为电解质溶液显碱性， 所以甲烷失去电子后将与 OH - 反 应生成水和 CO 2- 3 ， 利用反应前后电荷守恒， 配平负极反 应方程式： CH 4 +10OH - -8e - CO 2- 3 +7H 2 O 。 提升练习 1. A 【解析】 一级能源是指可以从自然界直接获取 的能源， 如水能、 风能、 太阳能、 地热能、 核能、 化石 燃料等； 由一级能源经过加工转换以后得到的能源， 称 为二级能源， 如电能、 蒸汽、 煤气、 汽油、 柴油、 水煤 气等， A 正确； 普通锌锰电池、 碱性锌锰电池等是一次 电池， B 错误； 铅蓄电池、 锂离子电池等是二次电池， C 错误； 燃料电池将一部分化学能转化为电能， 很少一 部分转化为热能， 能量转化率小于 100% ， D 错误。 2. B 【解析】 用吸附了 H 2 的碳纳米管材料制作的二 37