高中化學(xué)同步講義（選擇性必修一）第16講 4.1原電池的工作原理（學(xué)生版）

第4課第1課時(shí)原電池的工作原理001目標(biāo)任務(wù)課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)目標(biāo)1．能分析、解釋原電池的工作原理，能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原電池。2．能正確判斷原電池的電極并書寫電極反應(yīng)式。3．認(rèn)識(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。1．能從宏觀與微觀相結(jié)合的角度認(rèn)識(shí)原電池的構(gòu)成條件及工作原理。2．能利用原電池的理論模型，建立對(duì)原電池裝置的系統(tǒng)分析的思維模板，并能解決相關(guān)實(shí)際問題。002預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué)自主梳理一、原電池工作原理1．概念：將轉(zhuǎn)化為的裝置，稱為原電池，其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。2．鋅銅原電池工作原理裝置與現(xiàn)象鋅片，銅片上有，電流表指針發(fā)生電極名稱Zn電極—負(fù)極Cu電極—正極得失電子失電子得電子電子流向反應(yīng)類型反應(yīng)反應(yīng)電極反應(yīng)式Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu總反應(yīng)式Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu3.鹽橋(1)成分：含有瓊膠的KCl飽和溶液。(2)離子移動(dòng)方向：Cl－移向極區(qū)，K＋移向極區(qū)。4．原電池的構(gòu)成條件二、原電池的設(shè)計(jì)1．原電池的組成：原電池是由兩個(gè)組成，如鋅銅原電池是鋅半電池和銅半電池通過連接。2．原電池設(shè)計(jì)關(guān)鍵(1)外電路負(fù)極(的物質(zhì))eq\o(→,\s\up10(e－),\s\do7(導(dǎo)線))正極(較穩(wěn)定的金屬或能導(dǎo)電的非金屬)。(2)內(nèi)電路將兩極浸入溶液中，使陰、陽離子做。陰離子移向極，陽離子移向極。預(yù)習(xí)檢測(cè)1．在如圖所示的水果(檸檬)電池中，測(cè)得Y的電勢(shì)更高，若X為鐵，則Y不可能是A．鋅 B．石墨 C．銀 D．銅2．某同學(xué)設(shè)計(jì)的原電池裝置如圖，下列說法錯(cuò)誤的是A．電池總反應(yīng)為 B．Cu極為負(fù)極C．移向Cu極 D．電流從C極流向Cu極3．中國古代文化博大精深，下列對(duì)有關(guān)古文獻(xiàn)內(nèi)容的解讀正確的是選項(xiàng)古文獻(xiàn)內(nèi)容解讀A野火燒不盡，春風(fēng)吹又生枯草秸稈的燃燒需要點(diǎn)燃，是吸熱反應(yīng)B投泥潑水愈光明向泥煤上加一點(diǎn)水，能夠使泥煤產(chǎn)熱更多C石膽化鐵為銅鐵鍋和硫酸銅溶液形成原電池，鐵為正極D蓋此礬色綠味酸，燒之則赤硫酸亞鐵在溶液中水解顯酸性，灼燒發(fā)生氧化還原反應(yīng)A．A B．B C．C D．D4．對(duì)如圖實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述或分析正確的是A．溶液變藍(lán)色 B．片上有氣泡C．一段時(shí)間后，溶液的減小 D．是氧化劑5．在實(shí)驗(yàn)室中，將鋅片和銅片用導(dǎo)線連接(導(dǎo)線中間接入一個(gè)電流表)，平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，裝置如圖。下列說法正確的是A．鋅片逐漸溶解 B．燒杯中溶液逐漸呈藍(lán)色C．電子由銅片通過導(dǎo)線流向鋅片 D．該裝置能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能6．10mL2mol/L溶液與過量鋅粉反應(yīng)，在一定溫度下，為了使產(chǎn)生的速率減緩，但又不影響生成氫氣的總量，可向反應(yīng)物中加入適量的A．溶液 B．固體C．溶液 D．固體探究提升03探究提升03?環(huán)節(jié)一原電池及其工作原理【情境材料】原電池原理【問題探究】1．打開甲、乙兩裝置中的K1與K2，檢流計(jì)及鋅片有何現(xiàn)象？2．閉合K1、K2，甲、乙裝置中的檢流計(jì)、銅片及鋅片有何現(xiàn)象？3．乙中鹽橋的作用是什么？4．甲、乙兩原電池中哪個(gè)工作效率高？要點(diǎn)歸納1．原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例)2．原電池正負(fù)極的判斷3．原電池電極反應(yīng)式書寫的一般步驟4．鹽橋的作用鹽橋在原電池中起導(dǎo)電作用，使整個(gè)裝置形成閉合回路，鹽橋?qū)щ娎玫氖顷?、陽離子的定向移動(dòng)，使電解質(zhì)溶液保持電中性，從而使原電池能相對(duì)持續(xù)、穩(wěn)定地產(chǎn)生電流。(1)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)不一定是電極與電解質(zhì)溶液發(fā)生的反應(yīng)，也可能是電極與溶液中溶解的O2等發(fā)生的反應(yīng)，如將鐵與石墨相連浸入食鹽水中，F(xiàn)e與O2發(fā)生反應(yīng)。(2)電子只能在導(dǎo)線中流動(dòng)而不能在溶液中流動(dòng)；離子只能在溶液中移動(dòng)而不能在導(dǎo)線中移動(dòng)。原電池中的內(nèi)電路和外電路分別通過離子的移動(dòng)和電子的流動(dòng)而形成閉合回路，可形象的描述為“電子不下水，離子不上岸”。(3)帶鹽橋的原電池裝置中，負(fù)極半電池：還原性強(qiáng)的材料作負(fù)極，失去電子被氧化；正極半電池：電解質(zhì)溶液中氧化性強(qiáng)的離子在正極得到電子被還原，其中鹽橋不能用導(dǎo)線代替。典例精講【例1】如圖所示的原電池裝置，X、Y為兩電極，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，外電路中的電子流向如圖所示，對(duì)此裝置的下列說法正確的是A．電子流動(dòng)方向?yàn)椋篨→外電路→Y→溶液→XB．若兩電極分別為Zn和石墨棒，則X為石墨棒，Y為ZnC．移向X電極，Y電極上有氫氣產(chǎn)生D．X極上發(fā)生的是還原反應(yīng)，Y極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)【例2】根據(jù)反應(yīng)設(shè)計(jì)如圖所示的原電池，下列選項(xiàng)中的組合正確的是選項(xiàng)電極M電極NXYA鋅片銅片溶液溶液B銅片石墨溶液溶液C石墨銅片溶液溶液D石墨銅片溶液溶液A．A B．B C．C D．D【例3】1799年意大利物理學(xué)家伏打發(fā)明了伏打電池，其在早期被稱為“電堆”。他把金屬條浸入強(qiáng)酸溶液中時(shí)，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)金屬條間產(chǎn)生了穩(wěn)定而又強(qiáng)勁的電流。他又用不同的金屬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)銅和鋅是最合適的金屬，并發(fā)明了伏打電池(即為原電池的原型)。如圖是伏打電堆的一種，下列有關(guān)該電池的說法正確的是A．若濕布片所含的為飽和食鹽水，則在電池工作時(shí)，銅片附近會(huì)有產(chǎn)生B．該電池正極電極反應(yīng)式為C．電池工作一段時(shí)間后，濕布片上可能會(huì)有產(chǎn)生D．電池工作一段時(shí)間后，電池質(zhì)量一定不會(huì)變?環(huán)節(jié)二原電池原理的應(yīng)用【情境材料】根據(jù)原電池工作原理，我們可以進(jìn)行金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱的比較，改變化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)設(shè)計(jì)新型原電池等?！締栴}探究】1．將金屬a、b用導(dǎo)線相連插入稀硫酸中，發(fā)現(xiàn)b上產(chǎn)生氣泡，則a與b相比較，誰更活潑？2．實(shí)驗(yàn)室用稀硫酸與鋅粒反應(yīng)制取H2時(shí)常加入少量銅片，其目的是什么？3．已知2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋，如何設(shè)計(jì)成原電池裝置？要點(diǎn)歸納1．加快化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行(1)原理：在原電池中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行，溶液中的粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)相互間的干擾小，使化學(xué)反應(yīng)速率加快。(2)應(yīng)用：實(shí)驗(yàn)室中用Zn與稀H2SO4反應(yīng)制取H2時(shí)，通常滴入幾滴CuSO4溶液。這樣做的原因是Zn與置換出的Cu、稀H2SO4構(gòu)成了原電池，加快了反應(yīng)的進(jìn)行。2．比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱(1)原理：一般原電池中活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬作eq\a\vs4\al(負(fù))極，活動(dòng)性較弱的金屬作eq\a\vs4\al(正)極。(2)應(yīng)用：A、B兩種金屬用導(dǎo)線連接后插入稀H2SO4中，若A極溶解，B極上有氣泡冒出，則金屬活動(dòng)性：A＞B。3．利用原電池原理設(shè)計(jì)原電池原電池裝置的設(shè)計(jì)思路是“兩極一液一連線”。以Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu反應(yīng)為例，原電池裝置設(shè)計(jì)思路如下。第一步：將電池總反應(yīng)拆成兩個(gè)半反應(yīng)，分別作原電池的負(fù)極和正極的反應(yīng)。電極反應(yīng)式分別為負(fù)極：Fe－2e－=Fe2＋，正極：Cu2＋＋2e－=Cu。第二步：確定負(fù)極材料、正極材料和電解質(zhì)溶液。負(fù)極材料：失電子的物質(zhì)(還原劑)作負(fù)極材料，即Fe。正極材料：比負(fù)極材料金屬活動(dòng)性弱的金屬或非金屬導(dǎo)體作正極材料，如Cu、Ag或C等。電解質(zhì)溶液：含有氧化劑的物質(zhì)作電解質(zhì)，即CuSO4溶液，如果兩個(gè)半反應(yīng)分別在兩個(gè)容器中進(jìn)行(中間連接鹽橋)，則兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)含有與電極材料相同的金屬陽離子。第三步：畫出裝置圖，并注明電極材料和電解質(zhì)溶液，如圖。(1)通過原電池原理比較金屬的活動(dòng)性時(shí)，A、B兩種金屬用導(dǎo)線相連需浸入非氧化性酸中(如稀H2SO4、鹽酸)，而在其他電解質(zhì)溶液中，不一定較活潑的金屬作負(fù)極，如Mg—Al—NaOH溶液形成的原電池中，Al作負(fù)極，Mg作正極，但金屬活動(dòng)性：Mg＞Al。(2)設(shè)計(jì)原電池時(shí)，正極材料若無合適的金屬，則可用石墨棒作正極，如將反應(yīng)2FeCl3＋Fe=3FeCl2設(shè)計(jì)成原電池時(shí)，用鐵作負(fù)極，石墨棒作正極，F(xiàn)eCl3溶液作電解質(zhì)溶液。(3)設(shè)計(jì)原電池時(shí)，若氧化還原反應(yīng)中無明確的電解液，可以用水作電解液，但為了增強(qiáng)其導(dǎo)電能力，往往向其中加入少量強(qiáng)堿或強(qiáng)酸。典例精講【例4】100mL6mol/LH2SO4跟過量的鋅粉反應(yīng)，在一定溫度下，為了減緩反應(yīng)速率，但又不影響生成氫氣的總量。可向反應(yīng)物中加入適量的A．碳酸鈉(固體) B．水 C．硫酸銅溶液 D．硝酸鉀(固體)【例5】M、N、P、E四種金屬，已知：①M(fèi)＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用導(dǎo)線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面有大量氣泡逸出；③N、E用導(dǎo)線連接放入E的硫酸鹽溶液中，電極反應(yīng)為E2＋＋2e-=E，N-2e-=N2＋。則這四種金屬的還原性由強(qiáng)到弱的順序是A．P>M>N>E B．E>N>M>P C．P>N>M>E D．E>P>M>N004課堂總結(jié)005強(qiáng)化訓(xùn)練探究提升一、單選題1．（2022秋·北京西城·高二?？计谥校┫铝醒b置或過程能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的是ABCD風(fēng)力發(fā)電水果電池燃料燃燒手機(jī)充電A．A B．B C．C D．D2．（2022秋·重慶璧山·高二重慶市璧山來鳳中學(xué)校?？计谥校胞}水動(dòng)力”玩具車的電池以鎂片、活性炭為電極，向極板上滴加食鹽水后電池便可工作，電池反應(yīng)為2Mg+O2+2H2O=2Mg(OH)2。下列關(guān)于該電池的說法錯(cuò)誤的是A．鎂片作為正極B．食鹽水作為電解質(zhì)溶液C．電池工作時(shí)鎂片逐漸被消耗D．電池工作時(shí)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化3．（2023春·河北廊坊·高二固安縣第一中學(xué)校聯(lián)考開學(xué)考試）僅用提供的下列各組物質(zhì)能組成原電池的選項(xiàng)ABCD電極材料Al、AgC、CCu、CuCu、Fe電解質(zhì)溶液稀稀稀酒精A．A B．B C．C D．D4．（2022秋·云南楚雄·高二統(tǒng)考期末）下列裝置中，能形成原電池的是ABCDA．A B．B C．C D．D5．（2022秋·河南漯河·高二統(tǒng)考期末）原電池原理的發(fā)現(xiàn)是化學(xué)對(duì)人類的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。關(guān)于如圖所示原電池(鹽橋中裝有含瓊膠的KCl飽和溶液)的說法正確的是

A．正極上的反應(yīng)為Cu2++2e-=CuB．銅電極為負(fù)極C．鹽橋中K+移向銅極D．銀電極區(qū)的NO通過鹽橋移向銅電極區(qū)6．（2022秋·新疆喀什·高二統(tǒng)考期中）下列化學(xué)反應(yīng)的原理不能設(shè)計(jì)成原電池的是A．

B．

C．

D．

7．（2022秋·河南洛陽·高二宜陽縣第一高級(jí)中學(xué)?？茧A段練習(xí)）如圖所示，杠桿AB兩端分別掛有體積相同、質(zhì)量相等的空心銅球和空心鐵球，調(diào)節(jié)杠桿并使其在水中保持平衡，然后小心地向燒杯中央滴入濃CuSO4溶液。一段時(shí)間后，下列有關(guān)杠桿的偏向判斷正確的是(實(shí)驗(yàn)過程中，不考慮鐵絲反應(yīng)及兩球的浮力變化)A．杠桿為導(dǎo)體和絕緣體時(shí)，均為A端高B端低B．杠桿為導(dǎo)體和絕緣體時(shí)，均為A端低B端高C．當(dāng)杠桿為導(dǎo)體時(shí)，A端低，B端高；為絕緣體時(shí)，A端高，B端低D．當(dāng)杠桿為導(dǎo)體時(shí)，A端高，B端低；為絕緣體時(shí)，A端低，B端高8．（2023春·河南焦作·高二統(tǒng)考期中）利用微生物電池可以將工業(yè)廢水中的有機(jī)物(以葡萄糖為例)、硝酸鹽、亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為大氣循環(huán)系統(tǒng)中的物質(zhì)，其反應(yīng)機(jī)理如圖所示。下列說法正確的是A．外電路中：電流從非生物電極→燈泡→微生物電極B．電池溫度越高，越有利于N2的產(chǎn)生C．非生物電極的電極反應(yīng)式：D．若生成1molN2，則反應(yīng)中一定轉(zhuǎn)移8mol電子9．（2023秋·廣東廣州·高二廣州市白云中學(xué)?？计谀┮罁?jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)的原電池如圖所示。下列說法正確的是

A．X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為：B．電極X的材料是Cu，電解質(zhì)溶液Y是CuSO4溶液C．銀電極為電池的負(fù)極，被氧化D．鹽橋中K+移向CuSO4溶液10．（2022秋·陜西西安·高二統(tǒng)考期末）燃料電池是利用燃料(如、、等)跟氧氣反應(yīng)從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。下列關(guān)于甲烷燃料電池(溶液作電解質(zhì))的說法中正確的是A．正極反應(yīng)為：B．負(fù)極反應(yīng)為：C．放電時(shí)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從負(fù)極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極D．隨著放電的進(jìn)行，溶液的pH保持不變11．（2022秋·內(nèi)蒙古包頭·高二內(nèi)蒙古第一機(jī)械制造（集團(tuán)）有限公司第一中學(xué)?？计谥校┯眠^量鐵片與稀鹽酸反應(yīng)，為減慢其反應(yīng)速率而生成氫氣量不變，下列措施中可行的有幾項(xiàng)①以鐵屑代替鐵片

②用過量銅片代替鐵片

③在稀鹽酸中加入少量溶液

④在稀鹽酸中加入固體

⑤在稀鹽酸中加入等體積等物質(zhì)的量濃度的溶液

⑥在稀鹽酸中加入硝酸鉀溶液

⑦在稀鹽酸中加入固體A．1 B．2 C．3 D．412．（2022秋·湖北十堰）把A、B、C、D四塊金屬片用導(dǎo)線兩兩相連，浸入稀硫酸中組成原電池。若A、B相連時(shí)，A為負(fù)極；C、D相連時(shí)，D上產(chǎn)生大量氣泡；A、C相連時(shí)，電流由C經(jīng)導(dǎo)線流向A；B、D相連時(shí)，電子由D經(jīng)導(dǎo)線流向B，則此4種金屬的活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序?yàn)锳．A>C>D>B B．A>B>C>D C．C>A>B>D D．B>A>C>D二、填空題13．（2023春·四川雅安·高二雅安中學(xué)?？茧A段練習(xí)）Ⅰ．根據(jù)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的相關(guān)知識(shí)，回答下列問題：(1)根據(jù)構(gòu)成原電池的本質(zhì)判斷，下列化學(xué)(或離子)方程式正確且能設(shè)計(jì)成原電池的是___________(填字母，下同)。A． B．C． D．Ⅱ.鉛蓄電池是常用的化學(xué)電源。(2)鉛蓄電池屬于(填“一次”或“二次”)電池。已知硫酸鉛為不溶于水的白色固體，生成時(shí)附著在電極上。寫出該電池放電時(shí)，正極上的電極反應(yīng)式：。(3)甲烷(CH4)燃料電池以30%KOH溶液為電解質(zhì)溶液，該燃料電池放電時(shí)負(fù)極上的電極反應(yīng)式為；正極附近溶液的堿性(填“增強(qiáng)”、“減弱”或“不變”)。(4)銀鋅電池總反應(yīng)為：Ag2O+Zn+H2O=Zn(OH)2+2Ag。則該電池的正極電極反應(yīng)式：。(5)如圖為氫氧燃料電池的構(gòu)造示意圖。①氧氣從(填“a”或“b”)口通入；電池工作時(shí)，OH-向(填“X”或“Y”)極移動(dòng)。②某種氫氧燃料電池是用固體金屬氧化物陶瓷作電解質(zhì)可以傳導(dǎo)O2-，則電池工作時(shí)負(fù)極電極反應(yīng)式為。14．（2022秋·江蘇揚(yáng)州·高二邵伯高級(jí)中學(xué)?？茧A段練習(xí)）能源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一，化學(xué)在提高能源的利用率和開發(fā)新能源中起到了重要的作用。電能是現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用最廣泛的二次能源。(1)下列裝置中能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的是(填字母)。(2)該裝置正極為(填電極的化學(xué)式)，寫出該裝置正極的電極反應(yīng)式：。發(fā)生了反應(yīng)(氧化或還原)。(3)該裝置溶液里的陰離子移向極(填電極的化學(xué)式)。(4)若裝置中轉(zhuǎn)移了0.2mol電子，則理論上溶液增加的質(zhì)量是(寫出具體過程)。15．（2022秋·山東濟(jì)寧·高二濟(jì)寧市育才中學(xué)?？茧A段練習(xí)）按照要求回答下列問題。(1)工業(yè)上，在強(qiáng)堿性條件下用電解法除去廢水中的，裝置如圖所示，依次發(fā)生的反應(yīng)有：?。ⅲ＃俪?，外電路