1、第四章电化学基础第一节原电池学习目标核心素养1.以铜锌原电池为例，了解原电池的工作原理。2会正确判断原电池的正极和负极，能正确书写电极反应式和电池反应方程式。3能设计简单的原电池。1.宏观辨识与微观探析：从宏观和微观的角度理解电子的移动、阴阳离子的移动、氧化反应及还原反应的发生、电流的形成过程和原理。2变化观念与平衡思想：进一步深化对化学能与电能相互转化的认识，了解从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，理解带有盐桥原电池的实用性。一、原电池及其工作原理1原电池(1)概念：将化学能转化为电能的装置。(2)实质：利用能自发进行的氧化还原反应将化学能转化为电能。2原电池工作原理(以锌铜原电池为
2、例)3.原电池形成条件(1)两个活泼性不同的电极较活泼金属作负极，较不活泼金属或非金属作正极。(2)电解质溶液两电极必须浸在电解质溶液中。(3)形成闭合回路用导线(或盐桥)分别连通外电路、内电路。(4)自发氧化还原反应实质性非物质形式条件。二、原电池的设计理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应注意以下几方面。(1)外电路负极(还原性较强的物质)正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。(2)内电路将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向运动。(3)闭合电路探究点一原电池的构成条件和工作原理1原电池的构成条件(1)具有不同的电极，较活泼的金属作负极，失去电子，发生氧化反应；
3、较不活泼金属或非金属(石墨等)作正极，得到电子，发生还原反应，此电极本身不变。(2)具有电解质溶液。(3)具有导线相连(或直接接触)组成的闭合回路。(4)有能自发进行的氧化还原反应(有明显电流产生时需具备此条件)。a不要形成“活泼金属一定作负极”的思维定式，如下图甲池中Mg作负极：Mg2e=Mg2，Al作正极：2H2e=H2；乙池中由于镁不与强碱反应而Al和NaOH溶液的反应能自发进行，所以Al作负极：Al3e4OH=AlO2H2O，Mg作正极：2H2O2e=H22OH。b原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如下图：c形成闭合回路的方式有多种，可以是导线连接两个电极，也可
4、以是两电极直接接触。如下图：d有的原电池产生的电流大，可以对外做功；有的原电池，电极上发生的反应很慢，产生的电流极其微弱，不能对外做功(如电极是Fe、C，电解质溶液是NaCl溶液)。2半电池、盐桥、内电路、外电路(1)半电池原电池由两个半电池组成。原电池把一个能自发进行的氧化还原反应分在两个不同的区域进行，正极区进行还原反应，负极区进行氧化反应，通过导线转移电子。(2)盐桥盐桥中的盐溶液是电解质溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。当有盐桥存在时，随着反应的进行，溶液保持电中性，让氧化还原反应得以持续进行，从而使原电池不断地产生电流。盐桥的制作方法。方法1：取1 g琼脂置于烧杯中，加入100
5、 mL饱和KCl溶液，加热，使琼脂变成糊状，趁热加入U形管中，待冷却后即可充当盐桥。方法2：将KCl饱和溶液装入U形管中，用棉花堵住管口即可。(3)内电路、外电路在原电池中，用还原性较强的物质作为负极，负极向外电路提供电子；用氧化性较强的物质作为正极，正极从外电路得到电子。在原电池的内部，两极浸在电解质溶液中，并通过阴、阳离子的定向移动而形成内电路。3原电池的工作原理原电池是一个闭合的电路，其中的电荷流动，从电路的构成方面来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见下图。注意：电子在导线中流动而不能在溶液中通过，自由离子
6、在溶液中迁移而不能在导线中通过。原电池中通过离子的迁移和电子的流动而形成闭合回路，从而将化学能转化为电能。如果取出盐桥，则不产生电流。盐桥是装有含琼胶的饱和KCl溶液的U形管，原电池工作时，K、Cl的移动方向是怎样的？提示：原电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故K向正极区移动，Cl向负极区移动。【例1】锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是()A铜电极上发生氧化反应B原电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小C原电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加D阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡【解析】由锌铜原电池原
7、理可知，锌电极为负极，失电子，发生氧化反应，铜电极为正极，得电子，发生还原反应，A项错误；阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，两池中c(SO)不变，B项错误；电解过程中Zn2由甲池通过阳离子交换膜进入乙池，乙池中Cu22e=Cu，其溶液中的离子转换为Cu2Zn2，摩尔质量M(Cu2)B。2加快化学反应的进行(1)原理：在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的粒子运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。(2)应用：实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。3原电池的设计从理论
8、上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。(1)基本方法：以氧化还原反应为基础，确定原电池的正负极、电解质溶液及电极反应，其方法是：还原剂作负极，比负极不活泼的金属或非金属导体作正极，氧化剂的溶液作电解质溶液。(2)电解质溶液的选择：电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质与负极发生反应(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左、右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子的盐溶液。(3)电极材料的选择：电池的电极必须导电，电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一
9、般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极不用同一种材料。一般情况下，两个电极的构成分为下列四种情况：活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。金属和非金属。例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。金属和化合物。例如，铅蓄电池中，铅作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两个电极均可用Pt。(4)形成闭合回路。以ZnH2SO4=ZnSO4H2为例设计原电池的思路如下：1把A、B两块金属插入稀硫酸中，用导线相连可以组成原电池，结果A极减轻，则A、B两种金属哪种更活泼？提示：A极减
10、轻，说明A失去电子溶解，故A金属更活泼。2将反应ZnFe2=Zn2Fe设计成原电池，则该电池的电解质可能是什么？提示：该电池的电解质可能是FeSO4、FeCl2或Fe(NO3)2。【例3】铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：_。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，并写出电极反应式。正极反应：_；负极反应：_。【思路分析】首先根据题给离子方程式确定原电池的正负极，由此写出两个半电池的电极反应，然后根据电极反应确定电解质溶液。【解析】首先分析Fe3与Cu的反应中的氧
11、化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。依据反应：2Fe3Cu=2Fe2Cu2，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用不如铜活泼的碳棒或铂丝均可，电解质溶液选用FeCl3溶液。【答案】(1)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)装置如下图或2Fe32e=2Fe2Cu2e=Cu2依据氧化还原反应Zn(s)Cu2(aq)=Zn2(aq)Cu(s)设计的原电池装置如图所示。请回答下列问题：(1)X电极的电极材料是Zn；电解质溶液Y是CuCl2溶液(合理即可)。(2)铜电极为电池的正极，发生的电极反应为Cu22e=Cu，X电极上发生的电极反应为Zn2e=Zn2。(3)外电路中的电子是从Zn(
12、填写电极材料，下同)极流向Cu极。(4)盐桥中的Cl向Zn极移动；若将盐桥撤掉，则电流计的指针将不偏转。解析：在该原电池装置中Zn作负极，Cu作正极。盐桥中的Cl向Zn极移动，阳离子(K)向正极移动。1下列说法正确的是(C)A构成原电池正极和负极的材料必须是金属B在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原C实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应D原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能解析：原电池也可以用石墨作电极，A错误。电子流出的一极是负极，负极发生氧化反应，B错误。粗锌中的杂质与锌及稀硫酸构成原电池，加快锌与稀硫酸的反应，C正确。原电池将化学能转化为电能，转化效率较高，但不能全
13、部转化为电能，原电池工作时发热就是一部分能量转化为热能，D错误。2将等质量的两份锌粉装入A、B两试管中，分别加入过量的稀硫酸，并向A试管中加入少量CuSO4溶液。下列图像表示产生H2的体积V(相同状况下)与时间t的关系，其中正确的是(D)解析：A试管中加入少量CuSO4溶液，发生反应ZnCuSO4=CuZnSO4，则Cu、Zn、稀硫酸构成原电池，加快产生H2的速率，但由于A试管中有少量Zn与CuSO4发生反应生成Cu，故A试管中参加反应生成H2的Zn比B试管中少，则A试管中产生H2的体积比B试管中小。3将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入相同浓度的稀硫酸中，一段时间后，下列叙述正确的是(C)A两
14、烧杯中铜片表面均无气泡产生B甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C两烧杯中溶液的pH均增大D甲中产生气泡的反应速率比乙中的慢解析：甲中形成了原电池，氢气在铜极放出，而乙不能形成闭合回路，不能产生电流，铜片不是负极，A、B项错误；甲中产生气泡的反应速率比乙中的快，因为甲中锌失去的电子流向铜，铜周围生成氢气，乙中只是锌参加反应，反应过程中会使锌片周围产生大量的ZnSO4，H浓度下降，从而使反应速率减小，D项错误。4实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3立即被还原成Fe2。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是(B)A该原电池的正极反应
15、：Zn2e=Zn2B左边烧杯中溶液的红色逐渐褪去C该电池铂电极上有气泡生成D该电池总反应：3Zn2Fe3=2Fe3Zn2解析：Zn失去电子，发生氧化反应，Zn为负极，A项错误；Fe3被还原为Fe2，溶液红色逐渐褪去，B项正确；铂电极作正极，无气泡生成，C项错误；该电池总反应：Zn2Fe3=2Fe2Zn2，D项错误。5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(C)A外电路的电流方向为X外电路YB若两电极分别为Zn和碳棒，则X为碳棒，Y为ZnC若两电极都是金属，则它们的活动性为XYDX极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反
16、应解析：由图可知，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。6.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(D)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，A
17、项错误；随着反应的进行，浓HNO3变成稀HNO3，Fe变为原电池的负极：Fe2e=Fe2，B项错误；由于最终Fe有剩余，所以不会生成Fe(NO3)3，C项错误；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，D项正确。7如下图所示的八个装置中，属于原电池的是(B)A全部 BC D除外解析：构成原电池的基本条件：电解质溶液；两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，两个电极直接或间接地连接在一起
18、，并插入电解质溶液中；能自发地发生氧化还原反应；形成闭合回路。构成原电池的基本条件是相互联系的。在这几个基本条件中，氧化还原反应是核心。构成原电池的基本条件不仅是判断原电池的依据，也是进行原电池设计的基本依据。故选B。8由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是A2e=A2。(2)装置乙中正极的电极反应式是Cu22e=Cu。(3)装置丙中溶液的pH变大(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是DABC。解析：甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极，B为正极，活动性AB；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性BC；丙中A上有气体即H2产生，则A为正极，活动性DA，随着H的消耗，pH变大。