1-1原电池 同步作业 《化学（加工制造类）》同步教学 高教版

专题一 电化学基础与金属防护 第一节 原电池 同步作业 一、基础题（共60分） （一）选择题（每题3分，共30分） 1. 下列关于原电池的说法，正确的是（ ） A. 原电池是将电能转化为化学能的装置 B. 原电池的反应本质是氧化还原反应 C. 原电池中负极发生还原反应 D. 原电池不需要电解质溶液就能工作 2. 下列各组材料中，不能构成原电池的是（ ） A. 锌片、铜片、稀硫酸溶液 B. 铜片、银片、硝酸银溶液 C. 锌片、石墨、硫酸铜溶液 D. 铜片、铁片、酒精溶液 3. 原电池中，电子的流动方向是（ ） A. 从正极经导线流向负极 B. 从负极经导线流向正极 C. 从正极经电解质溶液流向负极 D. 从负极经电解质溶液流向正极 4. 铜锌原电池（电解质溶液为稀硫酸）中，正极的电极反应式是（ ） A. Zn 2e⁻ = Zn²⁺ B. 2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑ C. Cu 2e⁻ = Cu²⁺ D. 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻ 5. 下列关于原电池构成条件的说法，错误的是（ ） A. 必须有两个活泼性不同的电极 B. 必须有电解质溶液 C. 电极必须直接接触 D. 必须形成闭合回路 6. 某原电池的总反应为Fe + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu，该原电池的负极材料是（ ） A. Fe B. Cu C. Fe²⁺ D. Cu²⁺ 7. 原电池工作时，电解质溶液中离子的移动方向是（ ） A. 阳离子向正极移动，阴离子向负极移动 B. 阳离子向负极移动，阴离子向正极移动 C. 阳离子和阴离子都向正极移动 D. 阳离子和阴离子都向负极移动 8. 下列原电池中，正极产生气泡的是（ ） A. 铜锌-硫酸铜溶液原电池 B. 铁铜-氯化铁溶液原电池 C. 锌银-硝酸银溶液原电池 D. 锌铁-稀盐酸原电池 9. 下列关于电极反应式书写的说法，正确的是（ ） A. 负极反应式一定是金属失电子生成阳离子 B. 正极反应式一定是阳离子得电子生成单质 C. 电极反应式需遵循电子守恒和电荷守恒 D. 总反应式等于正极反应式减去负极反应式 10. 化学加工中，原电池原理的应用不包括（ ） A. 制造干电池、锂电池等电源 B. 金属的电化学腐蚀防护 C. 电解精炼铜 D. 电化学合成某些化工产品 （二）填空题（共20分） 1. 原电池是将______能转化为______能的装置，其反应本质是______反应；构成原电池的四个必要条件是：两个______不同的电极、______溶液、______回路、能自发进行的氧化还原反应。 2. 原电池中，______极发生氧化反应，______极发生还原反应；电子从______极流出，经______流向______极；电解质溶液中，阳离子向______极移动，阴离子向______极移动。 3. 铜锌原电池中，电解质溶液为稀硫酸时，负极材料是______，电极反应式为______；正极材料是______，电极反应式为______；总反应式为______。 4. 常见的原电池类型有______（如干电池）、______（如锂电池）、______（如氢氧燃料电池）等；其中______电池的优点是能量密度高、污染小，广泛应用于新能源汽车。 5. 化学加工中，金属的电化学腐蚀本质是______原理的应用，______（如锌）比______（如铁）活泼，可作为牺牲阳极保护铁制品，防止其腐蚀。 （三）判断题（每题1分，共10分） 1. 原电池的正极一定是不活泼金属或非金属（如石墨）。（ ） 2. 原电池工作时，电极材料必须参与电极反应。（ ） 3. 电解质溶液的作用是提供离子，形成电流通路。（ ） 4. 铜锌原电池中，锌片逐渐溶解，铜片上有气泡产生。（ ） 5. 原电池的总反应式等于正极反应式与负极反应式之和。（ ） 6. 活泼性不同的两种金属一定能构成原电池的两个电极。（ ） 7. 原电池工作时，电解质溶液的浓度一定不会改变。（ ） 8. 氢氧燃料电池中，氢气在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应。（ ） 9. 金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍，危害更大。（ ） 10. 原电池原理可用于制造化学电源，也可用于防止金属腐蚀。（ ） 二、提升题（共40分） （一）简答题（每题10分，共20分） 1. 请简述原电池的核心构成条件、工作原理（电子流向、离子迁移）及电极反应式书写规则，结合铜锌-稀硫酸原电池、铁铜-氯化铁溶液原电池的实例，分析电极材料选择、电解质溶液类型对原电池工作的影响，对比两种原电池的电极反应差异（如是否产生气体、电极产物类型），说明原电池工作时能量转化的具体过程，列举化学加工中两种基于原电池原理的应用场景（如牺牲阳极保护法、燃料电池供电）。 2. 结合化学加工制造类专业，分析“原电池原理在工业生产中的应用与优化”，以金属构件的牺牲阳极保护（如船舶船体防腐）、电化学合成化工原料（如电解法制备氯气的逆应用）、新型锂电池的研发为例，说明原电池原理如何指导工业实践，解释电极材料、电解质溶液对工业原电池效率的影响（如导电性、稳定性），分析原电池工作过程中可能出现的问题（如电极极化、电解质损耗）及解决措施，举例说明一种基于原电池原理的工业创新技术（如全钒液流电池）及其优势。 （二）综合分析题（每题10分，共20分） 1. 原电池原理在化学加工和金属防护中具有重要意义，结合专业需求回答下列问题： （1）某工厂需对钢铁设备进行防腐处理，选择锌块作为牺牲阳极保护钢铁，分析该方法的原理（原电池构成），写出电极反应式（负极、正极）及总反应式，说明锌块为何能保护钢铁不被腐蚀，对比牺牲阳极法与外加电流法的优缺点，解释为何在海水环境中牺牲阳极法更适用； （2）实验室制备铜锌原电池时，若出现铜片上无气泡产生、电流强度微弱的现象，推测可能的原因（至少三点），设计实验验证其中一种原因，写出实验步骤、现象与结论，说明原电池实验中提高电流强度的措施； （3）氢氧燃料电池是新能源汽车的重要电源，写出该燃料电池的负极反应式、正极反应式及总反应式，分析电解质溶液的作用（如传导离子、参与反应），说明该燃料电池的优点（如环保、能量密度高），解释为何不能用稀硫酸作为该燃料电池的电解质溶液； （4）化学加工中，利用原电池原理制备Fe(OH)₂，设计原电池装置（标注电极材料、电解质溶液），写出电极反应式及总反应式，说明实验中需避免Fe(OH)₂被氧化的措施（如隔绝空气），分析该制备方法与直接化学反应制备的优势； （5）某原电池的总反应为2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2NaAlO₂ + 3H₂↑，分析该原电池的电极材料（正、负极）及电解质溶液，写出电极反应式，说明铝为何能与氢氧化钠溶液构成原电池，解释该原电池在工业上的应用。 2. 结合原电池知识与化学加工制造实际，回答下列问题： （1）为什么铜锌原电池中不能用酒精代替稀硫酸作为电解质溶液？从电解质溶液的导电性、离子浓度等方面分析，对比不同电解质溶液对铜锌原电池性能的影响，解释电解质溶液浓度过高或过低对原电池工作的不利影响； （2）原电池的电极极化会导致电池效率下降，分析电极极化的原因（如电极表面生成钝化膜、浓度极化），说明化学加工中缓解电极极化的措施，设计实验验证 depolarizer（如加入KMnO₄）对极化的缓解效果，写出实验步骤、现象与结论； （3）锂电池广泛应用于电子设备和新能源汽车，分析锂电池的电极材料、电解质溶液（如有机电解液）的选择依据，写出锂电池的负极反应式、正极反应式（以LiCoO₂为正极）及总反应式，说明锂电池为何具有高能量密度，解释锂电池使用过程中需注意的安全事项（如避免过充、短路）； （4）设计原电池装置区分稀盐酸和稀硫酸，写出实验方案、预期现象与结论，说明实验设计依据，解释为何不能用硝酸代替盐酸和硫酸进行该实验； （5）某工厂的钢铁管道在输送含盐水体时发生严重腐蚀，分析腐蚀的本质（原电池原理），写出腐蚀过程的电极反应式（负极、正极），提出三种基于原电池原理的防腐措施（如牺牲阳极、涂层保护、改变电解质环境），说明每种措施的工作原理及适用场景，对比不同防腐措施的成本与效果。 参考答案 一、基础题 （一）选择题 1. B 2. D 3. B 4. B 5. C 6. A 7. A 8. D 9. C 10. C （二）填空题 1. 化学；电；氧化还原；活泼性；电解质；闭合 2. 负；正；负；导线；正；正；负 3. 锌片（Zn）；Zn 2e⁻ = Zn²⁺；铜片（Cu）；2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑；Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑ 4. 干电池；锂电池；燃料电池；锂 5. 原电池；锌（Zn）；铁（Fe） （三）判断题 1. √ 2. × 3. √ 4. √ 5. √ 6. × 7. × 8. √ 9. √ 10. √ 二、提升题 （一）简答题 1. 原电池的核心构成、原理及应用分析： ① 核心构成条件： 两个活泼性不同的电极（如Zn和Cu）； 电解质溶液（如稀硫酸、氯化铁溶液）； 闭合回路（电极相连、电解质溶液导通）； 自发进行的氧化还原反应（如Zn与H⁺反应、Fe与Cu²⁺反应）。 ② 工作原理： 电子流向：负极（失电子）→ 导线 → 正极（得电子）； 离子迁移：电解质溶液中，阳离子向正极移动（得电子），阴离子向负极移动（补充电荷）； 能量转化：化学能（氧化还原反应释放的能量）转化为电能（电子定向移动形成电流）。 ③ 电极反应式书写规则： 负极：失电子，发生氧化反应（金属→阳离子，或还原性气体→氧化物）； 正极：得电子，发生还原反应（阳离子→单质，或氧化性气体→阴离子）； 遵循电子守恒、电荷守恒（电解质溶液酸碱性影响产物形式）； 总反应式 = 负极反应式 + 正极反应式。 ④ 实例对比分析： 铜锌-稀硫酸原电池： 负极（Zn）：Zn 2e⁻ = Zn²⁺（Zn溶解）； 正极（Cu）：2H⁺ + 2e⁻ = H₂↑（Cu片产生气泡）； 总反应：Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑； 铁铜-氯化铁溶液原电池： 负极（Fe）：Fe 2e⁻ = Fe²⁺（Fe溶解）； 正极（Cu）：Fe³⁺ + e⁻ = Fe²⁺（无气泡，Fe³⁺被还原）； 总反应：Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂； 差异原因：电解质溶液中的氧化剂不同（H⁺ vs Fe³⁺），导致正极反应产物不同。 ⑤ 化学加工应用场景： 牺牲阳极保护法：船舶船体（钢铁）连接锌块，锌为负极被腐蚀，钢铁为正极被保护； 燃料电池供电：工厂应急电源采用氢氧燃料电池，环保且能量密度高。 2. 原电池原理的工业应用与优化分析： ① 工业应用及原理： 金属构件牺牲阳极保护（船舶船体防腐）：船体（Fe）为正极，锌块/铝块为负极，海水为电解质溶液，负极被腐蚀，正极不反应，避免船体锈蚀； 电化学合成化工原料：利用原电池原理制备过氧化氢（H₂O₂），负极（H₂失电子），正极（O₂得电子生成H₂O₂），无需外接电源，降低能耗； 新型锂电池研发：新能源汽车用锂电池，锂为负极（失电子），钴酸锂/磷酸铁锂为正极，有机电解液为离子导体，能量密度高，续航能力强。 ② 电极材料、电解质溶液对效率的影响： 电极材料：需具备高导电性、稳定性、活性（如锂电池负极用锂合金，避免锂枝晶生长）； 电解质溶液：需高离子传导率、宽电化学窗口（如有机电解液避免水的电解），减少能量损耗。 ③ 常见问题及解决措施： 电极极化：电极表面生成钝化膜（如钢铁钝化）或浓度极化（反应物浓度降低），导致电流下降；措施：加入 depolarizer（如KMnO₄）、优化电极表面（多孔结构增大接触面积）； 电解质损耗：电解质溶液挥发或参与反应消耗；措施：采用密封装置、定期补充电解质、使用固态电解质。 ④ 工业创新技术示例： 全钒液流电池：电极材料为石墨（不参与反应），电解质溶液为不同价态的钒离子溶液（V²⁺/V³⁺、VO₂⁺/VO²⁺），优势：可大规模储能、循环寿命长、环保（无重金属污染），适用于工厂峰谷电储能。 （二）综合分析题 1. 原电池原理的工业应用与综合分析： （1）牺牲阳极保护钢铁设备的原理与应用： 原理：构成原电池，锌块为负极（活泼性强于Fe），钢铁为正极，电解质溶液为海水/土壤中的电解质； 电极反应式： 负极（Zn）：Zn 2e⁻ = Zn²⁺（Zn被腐蚀）； 正极（Fe）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻（Fe不反应）； 总反应：2Zn + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂； 锌块保护钢铁的原因：锌的活泼性强于铁，优先失电子被腐蚀，钢铁作为正极避免氧化； 牺牲阳极法与外加电流法对比： 对比项 牺牲阳极法 外加电流法 优点 无需外接电源、成本低、安装简便 保护范围广、可调节电流 缺点 牺牲阳极需定期更换 需耗电、设备复杂 海水环境适用原因：海水导电性强，电解质浓度高，原电池反应速率快，保护效果好，且无需复杂设备。 （2）铜锌原电池现象异常的原因与验证： 可能原因：① 电解质溶液浓度过低（稀硫酸浓度<0.5mol/L）；② 电极表面氧化（锌片有ZnO、铜片有CuO）；③ 电极接触不良（导线松动、未形成闭合回路）；④ 溶液中含杂质（如Na₂CO₃，消耗H⁺）； 验证实验（电解质溶液浓度过低）： ① 取两支试管，分别加入0.1mol/L稀硫酸（原溶液）和2mol/L稀硫酸（浓溶液）； ② 各放入相同的锌片和铜片，用导线连接电流表； ③ 现象：0.1mol/L溶液中电流表指针偏转微弱，铜片无明显气泡；2mol/L溶液中电流表指针偏转明显，铜片产生大量气泡； ④ 结论：电解质溶液浓度过低导致原电池电流微弱、无气泡； 提高电流强度的措施：① 增大电极表面积（用锌粒、多孔铜片）；② 提高电解质浓度（2-3mol/L稀硫酸）；③ 清洁电极表面（砂纸打磨锌片、铜片）；④ 缩短电极间距。 （3）氢氧燃料电池（KOH溶液）的反应与分析： 电极反应式： 负极（H₂）：H₂ 2e⁻ + 2OH⁻ = 2H₂O（H₂失电子，与OH⁻反应）； 正极（O₂）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻（O₂得电子生成OH⁻）； 总反应：2H₂ + O₂ = 2H₂O； 电解质溶液的作用：① 传导离子（OH⁻向负极移动）；② 提供碱性环境，避免H₂O₂生成，促进反应进行； 优点：① 环保（产物为H₂O，无污染物）；② 能量密度高（比化石燃料高）；③ 噪音低、启动快； 不能用稀硫酸的原因：稀硫酸为酸性，正极反应生成H₂O（O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ = 2H₂O），但H₂在酸性条件下反应生成H⁺，且稀硫酸易挥发，长期使用会导致电解质损耗，同时可能腐蚀电极。 （4）原电池法制备Fe(OH)₂的设计与分析： 原电池装置： 负极：Fe片（活泼性强）； 正极：石墨片（或铜片）； 电解质溶液：NaOH溶液（提供OH⁻）； 闭合回路：导线连接电极，电解质溶液导通； 电极反应式： 负极（Fe）：Fe 2e⁻ + 2OH⁻ = Fe(OH)₂（Fe失电子与OH⁻生成Fe(OH)₂）； 正极（石墨）：2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻（O₂得电子生成OH⁻，补充消耗的OH⁻）； 总反应：2Fe + O₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₂； 避免Fe(OH)₂被氧化的措施：① 电解质溶液煮沸除氧；② 装置密封，通入氮气隔绝空气；③ 正极用惰性电极，避免杂质催化氧化； 优势：① 反应速率快（原电池加速氧化还原反应）；② 产物纯度高（无额外杂质生成）；③ 无需加热，节能。 （5）铝-氢氧化钠溶液原电池的分析与应用： 电极材料与电解质： 负极：Al（活泼性强，失电子）； 正极：石墨（或不活泼金属，如Cu）； 电解质溶液：NaOH溶液； 电极反应式： 负极（Al）：2Al 6e⁻ + 8OH⁻ = 2AlO₂⁻ + 4H₂O（Al失电子生成AlO₂⁻）； 正极（石墨）：6H₂O + 6e⁻ = 3H₂↑ + 6OH⁻（H₂O得电子生成H₂和OH⁻）； 总反应：2Al + 2NaOH + 2H₂O = 2NaAlO₂ + 3H₂↑； 构成原电池的原因：Al能与NaOH溶液发生自发氧化还原反应，Al为还原剂（失电子），H₂O为氧化剂（得电子），NaOH提供碱性环境，促进反应进行； 工业应用：铝制容器的腐蚀防护，避免铝与NaOH溶液长期接触，或在容器内壁涂覆耐腐蚀涂层，阻止原电池反应发生。 2. 原电池知识与化学加工实际应用分析： （1）电解质溶液的选择与影响： 酒精不能作为电解质溶液的原因：酒精是非电解质，溶液中无自由移动的离子，无法形成电流通路，原电池不能工作； 不同电解质溶液对铜锌原电池的影响： ① 稀硫酸（强酸）：H⁺浓度高，正极反应速率快，电流强度大，反应持续时间长； ② 硫酸铜溶液（含Cu²⁺）：正极反应为Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu（Cu析出），电流强度大，但Cu覆盖正极后可能导致极化，反应后期速率下降； 电解质浓度的影响：① 浓度过高（如5mol/L稀硫酸）：H⁺浓度过高，负极反应过快，可能导致锌片表面钝化，电流骤降；② 浓度过低（如0.01mol/L稀硫酸）：离子浓度低，导电性差，电流微弱，反应速率慢。 （2）电极极化的缓解与验证： 极化原因：① 电化学极化：电极表面反应速率慢，导致电荷积累（如正极H⁺得电子速率慢，正极带正电）；② 浓度极化：电极附近反应物浓度降低（如正极H⁺消耗过快，溶液本体H⁺扩散慢）； 缓解措施：① 加入 depolarizer（如KMnO₄，强氧化剂，加速正极反应）；② 优化电极结构（多孔电极增大接触面积）；③ 搅拌电解质溶液（促进反应物扩散）； 验证实验（depolarizer的作用）： ① 取两支铜锌-稀硫酸原电池，编号1（不加 depolarizer）、2（加入少量KMnO₄溶液）； ② 分别连接电流表，记录电流强度和持续时间； ③ 现象：编号1电流强度逐渐下降，10分钟后基本为0；编号2电流强度稳定，持续时间延长至30分钟； ④ 结论：KMnO₄作为 depolarizer，能缓解电极极化，提高原电池效率。 （3）锂电池的结构、反应与安全： 电极材料与电解质选择依据： ① 负极：锂（Li），活泼性强，失电子能力强，能量密度高； ② 正极：LiCoO₂（钴酸锂），氧化性强，能嵌入Li⁺，结构稳定； ③ 电解质：有机电解液（如碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯），避免水与锂反应，且离子传导率高； 电极反应式： 负极（Li）：Li e⁻ = Li⁺（Li失电子生成Li⁺）； 正极（LiCoO₂）：Li₁₋ₓCoO₂ + xLi⁺ + xe⁻ = LiCoO₂（Li⁺嵌入正极）； 总反应：Li + Li₁₋ₓCoO₂ = LiCoO₂； 高能量密度原因：锂的摩尔质量小（6.94g/mol），单位质量失电子数多（1mol Li失1mol e⁻），能量密度是传统铅酸电池的3-5倍； 安全事项：① 避免过充：过度充电导致Li⁺过度嵌入正极，引发结构坍塌，产生气体爆炸；② 避免短路：短路导致电流过大，电解液分解，引发火灾；③ 避免高温：高温加速锂枝晶生长，刺穿隔膜，导致短路。 （4）原电池法区分稀盐酸和稀硫酸： 实验方案： ① 取两支试管，分别加入等体积的待测液（稀盐酸、稀硫酸）； ② 各放入相同的锌片和铜片，用导线连接电流表，记录电流强度和反应现象； 预期现象与结论： ① 电流强度大、反应剧烈（锌片快速溶解，铜片气泡多）的是稀硫酸； ② 电流强度较小、反应平缓的是稀盐酸； 设计依据：稀硫酸中H⁺浓度与稀盐酸相同，但SO₄²⁻对锌的腐蚀有催化作用（阳极极化缓解），导致原电池反应速率更快，电流更大； 不能用硝酸的原因：硝酸具有强氧化性，与锌反应生成NO（或NO₂），而非H₂，正极反应不同，无法通过电流强度区分，且硝酸腐蚀电极，影响实验结果。 （5）钢铁管道的腐蚀与防腐措施： 腐蚀本质（原电池原理）：钢铁（Fe）为负极，杂质（C）为正极，含盐水体为电解质溶液，形成吸氧腐蚀； 电极反应式： 负极（Fe）：2Fe 4e⁻ = 2Fe²⁺（Fe失电子生成Fe²⁺）； 正极（C）：O₂ + 2H₂O + 4e⁻ = 4OH⁻（O₂得电子生成OH⁻）； 后续反应：Fe²⁺ + 2OH⁻ = Fe(OH)₂↓，4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃（铁锈）； 防腐措施及原理： ① 牺牲阳极法：在管道上焊接锌块/镁块，锌/镁为负极被腐蚀，管道为正极被保护；适用场景：埋地管道、海水输送管道； ② 涂层保护法：在管道表面涂覆油漆、沥青或镀锌层，隔绝空气和电解质溶液，阻止原电池形成；适用场景：室内管道、低压管道； ③ 改变电解质环境：在水体中加入缓蚀剂（如磷酸盐），抑制电极反应，减缓腐蚀；适用场景：工业循环水管道； 成本与效果对比： ① 牺牲阳极法：成本中等，效果好，需定期更换阳极； ② 涂层保护法：成本低，效果一般，涂层破损后腐蚀加速； ③ 缓蚀剂法：成本高，效果好，适用于高价值管道。 学科网（北京）股份有限公司 $