1、第3节化学能转化为电能电池第1课时原电池的工作原理学习目标定位1.以铜锌原电池为例，熟悉原电池的工作原理。2.会正确判断原电池的正极和负极。3.学会原电池电极反应式的书写方法。1原电池是借助氧化还原反应将化学能转化为电能的装置。分析下图所示原电池装置并填空。原电池总反应式：Zn2H=Zn2H2。2原电池构成的条件：具有活泼性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。下列图示装置能形成原电池的是AD。探究点一原电池的工作原理1.按右图所示装置，完成实验并回答下列问题：(1)有关的实验现象是锌片溶解，铜片加厚变亮，CuSO4溶液颜色变浅。检流计的指针发
2、生偏转，该装置中的能量变化是化学能转化为电能。(2)电子流动方向和电流方向外电路：电子由锌电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向锌电极。内电路：电流由锌电极流向铜电极。(3)电极反应：负极反应式是Zn2e=Zn2；正极反应式是Cu22e=Cu；总反应式是ZnCu2=Zn2Cu。(4)用温度计测量溶液的温度，其变化是溶液的温度略有升高，原因是还有部分Cu2直接在锌电极上得电子被还原，部分化学能转化成热能。2按下图所示装置，完成实验，并回答下列问题：(1)实验过程中，你能观察到的实验现象是锌片溶解，铜片加厚变亮；检流计指针发生偏转；CuSO4溶液的颜色变浅。(2)用温度计测量溶液的温度，其结果是
3、溶液的温度不升高(或无变化)，由此可说明CuSO4溶液中的Cu2不能移向锌片得电子被还原。(3)离子移动方向硫酸锌溶液中：Zn2向盐桥移动；硫酸铜溶液中：Cu2向铜极移动；盐桥中：K移向正极区(CuSO4溶液)，Cl移向负极区(ZnSO4溶液)。(4)若取出装置中的盐桥，检流计的指针是否还会发生偏转？为什么？答案不偏转。如果要使检流计指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路，若取出盐桥，很显然该装置未构成闭合回路，检流计指针不会发生偏转。3实验结论：与问题1中的原电池装置相比较，问题2中双液原电池具有的特点是(1)具有盐桥。取下盐桥，无法形成闭合回路，反应不能进行，可控制原电池反应的进行。(2
4、)两个半电池完全隔开，Cu2无法移向锌片，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。归纳总结1原电池原理是把氧化反应和还原反应分开进行，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，电子通过导线流向正极，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应。2原电池电极及电极反应特点(1)负极为电子流出极，相对活泼，通常是活动性较强的金属或某些还原剂，电极被氧化，发生氧化反应。(2)正极为电子流入极，相对不活泼，通常是活动性较差的金属或非金属导体，一般是电解质溶液中的氧化性强的离子被还原或电极上附着物本身被还原，发生还原反应。3原电池的设计从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。关键是
5、选择合适的电解质溶液和两个电极。(1)电解质溶液：一般能与负极反应，或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。(2)电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属导体作正极。活学活用1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()在外电路中，电流由铜电极流向银电极正极反应为Age=Ag实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A BC D答案C解析铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线、盐桥构成一个原电池，Cu作负极，Ag
6、作正极，两极电极反应分别为负极：Cu2e=Cu2，正极：2Ag2e=2Ag，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子的流向是由负极流向正极，电流的方向与电子的流向相反，因此C正确。2利用反应Cu2FeCl3=CuCl22FeCl2设计一个原电池，正极为_，电极反应式为_；负极为_，电极反应式为_；电解质溶液是_。答案Pt(或C)2Fe32e=2Fe2CuCu2e=Cu2FeCl3溶液解析根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路：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)：Cu2e=Cu2，2Fe32e=2Fe2；然后结合原电池的电极反应特点，分析可知，该电池的负极应该用Cu作材料
7、，正极要保证Fe3得到负极失去的电子，一般用不能还原Fe3的材料，如Pt或碳棒等，电解质溶液只能用含Fe3的电解质溶液，如FeCl3溶液等。探究点二原电池的电极判断及电极反应式的书写1原电池电极(正极、负极)的判断依据有多种。试填写下表：判断依据正极负极电极材料不活泼金属或非金属导体活泼金属电子流向电子流入电子流出电极反应还原反应氧化反应电极现象电极增重或产生气体电极减轻2写出下表中原电池装置的电极反应和总的化学反应方程式：负极材料正极材料电解质溶液(1)铁铜稀硫酸(2)铜银硝酸银(1)正极反应_；负极反应_；总反应方程式_。(2)正极反应_；负极反应_；总反应方程式_。答案(1)2H2e=H
8、2Fe2e=Fe2FeH2SO4=FeSO4H2(2)2Ag2e=2AgCu2e=Cu2Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag解析负极失去电子，发生氧化反应；正极得到电子，发生还原反应。根据活泼性，(1)中铁作负极，(2)中铜作负极。3有一纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为ZnAg2OH2O=2AgZn(OH)2。(1)Zn发生氧化反应，是负极，电极反应式是Zn2e=Zn2。(2)Ag2O发生还原反应，是正极，电极反应式是Ag2O2eH2O=2Ag2OH。归纳总结1一般电极反应式的书写方法(1)定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应
9、，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H应让其结合OH生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。2已知电池总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与产物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)活学活用3可用于电动汽车的铝空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是()A以NaC
10、l溶液或NaOH溶液为电解质溶液时，正极反应都为O22H2O4e=4OHB以NaOH溶液为电解质溶液时，负极反应为Al3OH3e=Al(OH)3C以NaOH溶液为电解质溶液时，电池在工作过程中电解质溶液的pH保持不变D电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极答案A解析本题重点考查原电池的工作原理及电极反应式的书写。B项，以NaOH溶液为电解质溶液时，不应生成Al(OH)3沉淀，而应生成 Al(OH)4；C项，电解质溶液的pH应减小；D项，电子通过外电路从负极流向正极，故选A。1关于原电池的叙述中正确的是()A构成原电池的两极必须是两种不同金属B原电池是将化学能转化为电能的装置C原电池工作时总是
11、负极溶解，正极上有物质析出D原电池的正极是还原剂，总是溶液中的阳离子在此被还原答案B2若某装置发生如下反应：Cu2H=Cu2H2，关于该装置的有关说法正确的是()A该装置一定为原电池B该装置为电解池C若为原电池，Cu为正极D电解质溶液可能是硝酸溶液答案B解析已知反应为非自发的氧化还原反应，故该装置应为电解池，而非原电池，但电解质不能为HNO3，否则得电子的为NO，而非H得电子放出H2。3如图是锌、铜和稀硫酸形成的原电池，某实验兴趣小组同学做完实验后，记录如下：Zn为正极，Cu为负极H向负极移动电子流动方向为ZnCuCu极有H2产生若有1 mol电子流过导线，则产生的H2为0.5 mol正极反应
12、式：Zn2e=Zn2则上述描述合理的是()A BC D答案B解析判断一装置是否属于原电池，应看是否符合构成原电池的条件，符合构成原电池的条件即为原电池。然后，再根据原电池原理判断正、负极，分析电极反应、电子流动或电流流动方向等。在本题给定的原电池中，正极是Cu，负极是Zn，故错误；电子从负极Zn流出，流向正极Cu，H向正极移动，在Cu电极上得电子：2H2e=H2，故错误，、正确；此原电池负极上发生的反应是Zn2e=Zn2，错误；总反应方程式：Zn2H=Zn2H2，当有1 mol电子通过时，产生H2为0.5 mol，故正确。4(1)将Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中组成原电池，写出电
13、极名称及电极反应式：Al片()_，Cu片()_。(2)若将Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中能否组成原电池？_(填“能”或“不能”)，若能组成原电池，写出电极名称及电极反应式：(若不能，此问不用作答)Al片()_，Cu片()_。答案(1)负极2Al6e=2Al3(或Al3e=Al3)正极6H6e=3H2(或2H2e=H2)(2)能正极2NO4H2e=2NO22H2O负极Cu2e=Cu2解析(1)Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中时，Al比Cu活泼，Al为负极，失电子被氧化为Al3，Cu为正极，溶液中的H得电子被还原为H2。(2)Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中时，由
14、于铝钝化，不能溶解，Al为正极，Cu为负极，Cu失电子被氧化为Cu2。基础过关一、原电池工作原理的应用1关于右图装置的叙述，正确的是()A铜是负极，铜片上有气泡产生B铜片质量逐渐减少C电流从锌片经导线流向铜片D氢离子在铜片表面被还原后生成H2答案D解析本题主要考查有关原电池的知识，由所给图示可知Zn为原电池负极，失去电子被氧化，电子经导线流向正极(Cu极)，溶液中的氢离子在正极得到电子而被还原为H2，Cu为原电池的正极，电流流向与电子流向相反。2如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，下列关于该装置的说法正确的是()A外电路的电流方向为X外电路YB若两电
15、极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为FeCX极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应D若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为XY答案D解析由图示电子流向知X为负极，Y为正极，则电流方向为Y外电路X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为铁，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得到电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性XY。3如图所示装置中，可观察到检流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()选项MNPA锌铜稀硫酸溶液B铜锌稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液答案C解析本题通过电极变化来确定电极，N
16、棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排除A、D项，由M棒变粗，可知B项不正确。4按下图装置实验，若x轴表示流出负极的电子的物质的量，则y轴应表示()AgNOa棒的质量b棒的质量溶液的质量A B C D答案D解析在这个原电池中，负极：Fe2e=Fe2，正极：Age=Ag，使b棒增重，溶液中NO不变。二、原电池正、负极的判断5关于原电池、电解池的电极名称，下列说法错误的是()A原电池中失去电子的一极为负极B电解池中与直流电源负极相连的一极为阴极C原电池中相对活泼的一极为正极D电解池中发生氧化反应的一极为阳极答案C解析根据两池的结构与反应原理可确定，原电池中相对活泼的一极为负极。6对于原电
17、池的电极名称，叙述错误的是()A发生氧化反应的一极为负极B正极为电子流入的一极C比较不活泼的金属为负极D电流流出的一极为正极答案C解析原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极，发生还原反应。7在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是()A碳棒上有气体放出，溶液pH变大Ba是正极，b是负极C导线中有电子流动，电子从a极流向b极Da极上发生了氧化反应答案B解析本题考查原电池基本知识，难度不大，但概念容易混淆。电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。因活动性ab(碳棒)，所以a为原电池的负极，b为正极。电极反
18、应式：a(负)极：ane=an(氧化反应)b(正)极：nHne=H2(还原反应)由于正极放电消耗H，溶液中H减小，pH增大。在外电路中，电子由a极流出经检流计G流向b极。8如图所示，烧杯内盛有浓HNO3，在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极，已知原电池停止工作时，Fe、Pb都有剩余。下列有关说法正确的是()AFe比Pb活泼，始终作负极BFe在浓HNO3中钝化，始终不会溶解C电池停止工作时，烧杯中生成了Fe(NO3)3D利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想答案D解析开始时，电解质溶液是浓HNO3，Fe在浓HNO3中钝化，所以开始时Pb是负极：Pb2e=Pb2；随着反应的进行，浓HN
19、O3变成稀HNO3，Fe变为原电池的负极：Fe2e=Fe2。由于最终Fe有剩余，所以不会生成Fe(NO3)3。根据Pb与浓HNO3反应：Pb4HNO3(浓)=Pb(NO3)22NO22H2O，过量的Fe与稀HNO3发生反应：3Fe8HNO3(稀)=3Fe(NO3)22NO4H2O，可知反应产生了有害气体NO2、NO，会污染环境，不符合“绿色化学”思想。故选D。三、电极反应方程式的书写9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。下列说法中不正确的是()A由Al、Cu、稀硫酸组成原电池，其负极反应式为Al3e=Al3B由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极反应式为Al3e
20、4OH=Al(OH)4C由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为Cu2e=Cu2D由Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为Cu2e=Cu2答案C解析原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性，因为可能会出现特殊情况：浓硝酸使铁、铝钝化；铝与NaOH溶液反应，而镁不能与NaOH溶液反应等。10锌铜原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()A正极反应为Zn2e=Zn2B电池反应为ZnCu2=Zn2CuC在外电路中，电流从负极流向正极D盐桥中的K移向ZnSO4溶液答案B解析在原电池中，相对活泼的金属材料作负极，相对不活泼的金属材料作正极，负极反应为Zn2e=Zn2，正极反应为C
21、u22e=Cu，因Zn失电子生成Zn2，为使ZnSO4溶液保持电中性，盐桥中的Cl移向ZnSO4溶液。11锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为LiMnO2=LiMnO2，下列说法正确的是()ALi是正极，电极反应为Lie=LiBLi是负极，电极反应为Lie=LiCMnO2是负极，电极反应为MnO2e=MnODLi是负极，电极反应为Li2e=Li2答案B解析由总反应O2=O2可知，Li元素在反应后化合价升高(01)，Mn元素在反应后化合价降低(43)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Lie=Li，MnO2在正极上
22、反应，电极反应为MnO2e=MnO。能力提升12由锌片、铜片和200 mL稀H2SO4组成的原电池如图所示。(1)原电池的负极反应是_，正极反应是_。(2)电流的方向是_。(3)一段时间后，当在铜片上放出1.68 L(标准状况下)气体时，H2SO4恰好消耗一半。则产生这些气体的同时，共消耗_ g 锌，有_个电子通过了导线，原硫酸的物质的量浓度是_(设溶液体积不变)。答案(1)Zn2e=Zn22H2e=H2(2)由Cu极流向Zn极(3)4.8759.0310220.75 molL1解析产生0.075 mol H2，通过0.075 mol20.15 mol电子，消耗0.075 mol Zn和0.0
23、75 mol H2SO4。所以m(Zn)0.075 mol65 gmol14.875 g，N(e)0.15 mol6.021023 mol19.031022，H2SO40.75 molL1。13依据氧化还原反应：2Ag(aq)Cu(s)=Cu2(aq)2Ag(s)设计的原电池如下图所示。请回答下列问题：(1)电极X的材料是_；电解质溶液Y是_；(2)银电极为电池的_极，发生的电极反应为_；X电极上发生的电极反应为_；(3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。答案(1)CuAgNO3溶液(2)正Age=Ag(或2Ag2e=2Ag)Cu2e=Cu2(3)Cu(负)Ag(正)解析该原电池的电池总反应
24、式为2Ag(aq)Cu(s)=Cu2(aq)2Ag(s)，由此可知X极是铜，作负极，银作正极，Y应是AgNO3溶液。电子从原电池的负极经导线流向正极，即从铜电极流向银电极。14已知可逆反应：AsO2I2HAsOI2H2O。()如图所示，若向B中逐滴加入浓盐酸，发现检流计指针偏转。()若改用向B中滴加40%的NaOH溶液，发现检流计指针与()中偏转方向相反。试回答问题：(1)两次操作中检流计指针为什么会发生偏转？_。(2)两次操作过程中检流计指针偏转方向为什么相反？_。(3)操作()中，C1棒上的反应为_。(4)操作()中，C2棒上的反应为_。答案(1)两次操作中均发生原电池反应，所以检流计指针
25、均发生偏转(2)两次操作中，电极相反，电子流向相反，因而检流计指针偏转方向相反(3)2I2e=I2(4)AsO2OH2e=AsOH2O解析操作()滴入浓盐酸，溶液中 H 增大，题给可逆反应平衡正向移动，I失去电子变为I2，C1棒上产生电子，并沿外电路流向C2棒，AsO得电子变为AsO。操作()滴加40%的NaOH(aq)，将H中和，溶液中 H 减小，题给可逆反应平衡逆向移动，电子在C2棒上产生，并沿外电路流向C1棒，I2得电子变为I，AsO变为AsO。15现有如下两个反应：(A)NaOHHCl=NaClH2O(B)Cu2Ag=2AgCu2(1)根据两反应本质，判断能否设计成原电池_。(2)如果
26、不能，说明其原因_。(3)如果可以，则写出正、负极材料及其电极反应式和反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：负极：_，_，_；正极：_，_，_；若导线上转移电子1 mol，则正极质量增加_g，电解质溶液是_。答案(1)(A)不能，(B)可以(2)(A)为非氧化还原反应，没有电子转移(3)CuCu2e=Cu2氧化反应碳棒、Ag、Pt、Au(任选一)2Ag2e=2Ag还原反应108AgNO3溶液解析(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，(B)是氧化还原反应且能自发进行。(3)根据电池反应式Cu2Ag=2AgCu2可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜还不活泼的金属或导电
27、的非金属；Ag得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。拓展探究16某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu金属活动性的相对强弱，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目：方案：有人提出将大小相等的铁片和铜片分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为_。方案：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们活动性的相对强弱。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。正极反应式：_；负极反应式：_。方案：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性相对强弱的简单实验方案(与方案、不能雷同)：_，用离子方程式表示其反应原理：_。答案方案：Fe2H=Fe2H2方案：2H2e=H2Fe2e=Fe2方案：把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观察铁片表面是否生成红色物质(合理即可)FeCu2=CuFe2解析比较或验证金属活动性相对强弱的方案有很多，可以利用金属与酸反应的难易来判断或验证；也可以利用原电池原理(负极是较活泼的金属)来判断，或者利用金属单质间的置换反应来完成。- 13 -