411原電池的工作原理-2021-2022學(xué)年高二化學(xué)（新人教版選擇性必修一）

4.1.1原電池的工作原理考點精講考點分析考點分析考點1：探究原電池的構(gòu)成與工作原理問題情境探究1786年意大利解剖學(xué)和醫(yī)學(xué)教授伽伐尼，在一次解剖青蛙的實驗中意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用兩種不同金屬材質(zhì)的解剖刀同時觸碰青蛙腿時，蛙腿會發(fā)生痙攣。此后伽伐尼變換各種條件，重復(fù)這個實驗。最后他得出猜想：動物體內(nèi)存在生物電流。當(dāng)時很多人贊同這一猜想，但是化學(xué)家伏打卻產(chǎn)生了疑惑：已死去的青蛙為何還會產(chǎn)生“生物電”？為什么蛙腿只有與銅制品和鐵制品同時接觸時才會抽動？為此，伏打把自己當(dāng)成了青蛙，做起了實驗：首先，他將一種金屬放在自己的舌頭上，沒有太多感覺。接著，他將2種金屬制的彎棒，一端放入嘴里，另一端跟眼接觸，瞬間眼睛里有光亮的感覺。接下來他發(fā)現(xiàn)只要將2種不同的金屬相接觸，中間隔有濕紙、濕布等，都有電流產(chǎn)生?！締栴}1】閱讀上述材料總結(jié)構(gòu)成原電池的條件有哪些？【解答】具有活潑性不同的兩個電極，兩電極插入電解質(zhì)溶液中，形成閉合回路，且兩電極能自發(fā)地發(fā)生放熱的氧化還原反應(yīng)?！締栴}2】下列裝置中，哪些能構(gòu)成原電池？其他不能構(gòu)成原電池的原因是什么？【解答】裝置D能構(gòu)成原電池；裝置A不能構(gòu)成原電池，原因是酒精為非電解質(zhì)；裝置B不能構(gòu)成原電池，原因是沒有形成閉合回路；裝置C不能構(gòu)成原電池，原因是兩個金屬電極的活潑性相同。【問題3】鐵制品和銅制品與蛙腿接觸時，鐵制品發(fā)生氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)？寫出反應(yīng)的電極反應(yīng)式?！窘獯稹胯F制品與蛙腿接觸時發(fā)生氧化反應(yīng)。電極反應(yīng)式為Fe－2e－=Fe2＋?！締栴}4】原電池工作時，電子和離子分別怎樣移動？【解答】電子是從負極經(jīng)過導(dǎo)線移向正極；在原電池電解質(zhì)溶液中，陽離子移向正極，陰離子移向負極。核心知識核心知識1．原電池的工作原理（1）反應(yīng)類型：負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)。（2）電子的移動方向：從負極流出，經(jīng)導(dǎo)線流向正極。（3）離子的移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。2．原電池電極反應(yīng)式的書寫（1）一般電極反應(yīng)式的書寫方法①定電極，標得失。按照負極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，判斷出電極反應(yīng)產(chǎn)物，找出得失電子的數(shù)量。②看環(huán)境，配守恒。電極產(chǎn)物在電解質(zhì)溶液中應(yīng)能穩(wěn)定存在，如堿性介質(zhì)中生成的H＋應(yīng)讓其結(jié)合OH－生成水。電極反應(yīng)式要依據(jù)電荷守恒和質(zhì)量守恒、得失電子守恒等加以配平。③兩式加，驗總式。兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)方程式對照驗證。（2）已知總反應(yīng)式，書寫電極反應(yīng)式①分析化合價，確定正極、負極的反應(yīng)物與反應(yīng)產(chǎn)物。②在電極反應(yīng)式的左邊寫出得失電子數(shù)，使得失電子守恒。③根據(jù)質(zhì)量守恒配平電極反應(yīng)式。④復(fù)雜電極反應(yīng)式＝總反應(yīng)式－簡單的電極反應(yīng)式?？键c演練考點演練1．鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關(guān)敘述正確的是()A．Zn作為原電池的負極發(fā)生還原反應(yīng)B．電子從鋅片經(jīng)電解質(zhì)溶液流向銅片C．電池工作一段時間后，乙池的溶液質(zhì)量增大D．電池工作一段時間后，甲池的c(Zn2＋)增大【解答】C在Zn、Cu和硫酸銅構(gòu)成的原電池中。鋅為負極，發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，A錯誤；原電池工作時，電子從負極鋅沿導(dǎo)線流向正極銅，電子不能進入溶液中，B錯誤；Zn、Cu和硫酸銅構(gòu)成原電池中，鋅為負極，電極反應(yīng)式為Zn－2e－=Zn2＋，銅為正極，電極反應(yīng)式為Cu2＋＋2e－=Cu，甲池轉(zhuǎn)移1molZn2＋到乙池，則乙池有1molCu析出，但1molZn2＋的質(zhì)量大于1molCu的質(zhì)量，所以乙池的溶液質(zhì)量增大，C正確；原電池工作時，由于陽離子交換膜的作用，內(nèi)電路中陽離子Zn2＋由負極Zn移向正極Cu，所以甲池的c(Zn2＋)幾乎不變，D錯誤。2．一個原電池反應(yīng)的離子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，該原電池的正確組成是()選項ABCD正極ZnCuCuZn負極CuZnZnCu電解質(zhì)溶液CuCl2溶液H2SO4溶液CuSO4溶液CuCl2溶液【解答】C活潑金屬為負極，且能與電解質(zhì)溶液自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。3．A、B、C、D四種金屬按下表中的裝置進行實驗。裝置現(xiàn)象二價金屬A不斷溶解C的質(zhì)量增加A上有氣體產(chǎn)生根據(jù)實驗現(xiàn)象回答下列問題：（1）裝置甲中負極的電極反應(yīng)式是_____________________________________________________。（2）裝置乙中正極的電極反應(yīng)式是_____________________________________________________。（3）裝置丙中溶液的pH________(填“變大”、“變小”或“不變”)。（4）四種金屬活動性由強到弱的順序是____________________。【解答】甲、乙、丙均為原電池裝置。依據(jù)原電池原理，甲中A不斷溶解，則A為負極、B為正極，活動性A>B；乙中C極質(zhì)量增加，即析出Cu，則B為負極，活動性B>C；丙中A上有氣體即H2產(chǎn)生，則A為正極，活動性D>A，隨著H＋的消耗，pH變大?！敬鸢浮?1)A－2e－=A2＋(2)Cu2＋＋2e－=Cu(3)變大(4)D>A>B>C4．依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag＋(aq)＋Cu(s)=Cu2＋(aq)＋2Ag(s)。設(shè)計的原電池如圖所示。請回答下列問題：（1）電極X的材料是________________；電解質(zhì)溶液Y是________。（2）銀電極為電池的__________極，發(fā)生的電極反應(yīng)式為_____________________________________；X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式為__________________________________。（3）外電路中的電子是從________極流向________極?！窘獯稹吭姵刂胸摌O上發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，鹽橋起到形成閉合回路、平衡電荷的作用。由總反應(yīng)方程式可知電極X的材料是Cu，發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液Y是可溶性銀鹽溶液，常用AgNO3溶液。負極反應(yīng)式：Cu－2e－=Cu2＋，正極電極反應(yīng)式：2Ag＋＋2e－=2Ag，電子由負極(Cu)流出，經(jīng)外電路流向正極(Ag)?！敬鸢浮?1)CuAgNO3溶液(2)正2Ag＋＋2e－=2AgCu－2e－=Cu2＋(3)負(Cu)正(Ag)方法技巧方法技巧構(gòu)建原電池思維模型考點過關(guān)考點過關(guān)1．在如圖所示的水果(檸檬)電池中，外電路上的電流從X電極流向Y電極。若X為鐵，則Y可能是()A．鋅 B．石墨C．銀 D．銅【解答】A電流的方向與電子的移動方向相反，由已知條件知電子由Y電極流向X電極，因此Y電極的金屬活動性強于鐵，故Y電極只能為選項中的鋅。2．有關(guān)電化學(xué)知識的描述正確的是()A．CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的熱，故可把該反應(yīng)設(shè)計成原電池，把其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能B．某原電池反應(yīng)為Cu＋2AgNO3=Cu(NO3)2＋2Ag，裝置中的鹽橋中可以是裝有含瓊膠的KCl飽和溶液C．原電池的兩極一定是由活動性不同的兩種金屬組成D．從理論上講，任何能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計成原電池【解答】DCaO＋H2O=Ca(OH)2不是氧化還原反應(yīng)；KCl和AgNO3反應(yīng)生成AgCl沉淀易阻止原電池反應(yīng)的發(fā)生；作電極的不一定是金屬，如石墨棒也可作電極。3．對于原電池的電極名稱，敘述錯誤的是()A．發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負極B．正極為電子流入的一極C．比較不活潑的金屬為負極D．電流流出的一極為正極【解答】C原電池中相對活潑的金屬為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)；相對不活潑的金屬(或非金屬導(dǎo)體)為正極，發(fā)生還原反應(yīng)。4．可以將反應(yīng)Zn＋Br2=ZnBr2設(shè)計成原電池，下列4個電極反應(yīng)：①Br2＋2e－=2Br－，②2Br－－2e－=Br2，③Zn－2e－=Zn2＋，④Zn2＋＋2e－=Zn，其中表示放電時負極和正極反應(yīng)的分別是()A．②和③ B．②和①C．③和① D．④和①【解答】C放電時負極反應(yīng)物為Zn，失電子被氧化，正極反應(yīng)物為Br2，得電子被還原。5．(雙選)銅鋅原電池(如圖)工作時，下列敘述正確的是()A．正極反應(yīng)為Zn－2e－=Zn2＋B．電池反應(yīng)為Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋CuC．在外電路中，電子從負極流向正極D．鹽橋中的K＋移向ZnSO4溶液【解答】BC電池的正極得電子，A選項錯誤；結(jié)合該電池的裝置圖可知，該過程中的氧化還原反應(yīng)為Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，B選項正確；外電路中，電子從負極流向正極，C選項正確；左燒杯中由于Zn失去電子形成Zn2＋，使得該燒杯中正電荷的離子增加，為維持電中性，K＋應(yīng)該通過鹽橋流向CuSO4所在的右燒杯中，D選項錯誤。6．有a、b、c、d四個金屬電極，有關(guān)的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下：實驗裝置部分現(xiàn)象a極質(zhì)量減?。籦極質(zhì)量增加b極有氣體產(chǎn)生；c極無變化d極溶解，c極有氣體產(chǎn)生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動性順序是()A．a(chǎn)＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞c D．a(chǎn)＞b＞d＞c【解答】C由第一個裝置a極溶解，可知a極是負極，金屬活動性：a＞b；對于第二個裝置，依據(jù)還原性規(guī)律知，金屬活動性：b＞c；第三個裝置的金屬活動性：d＞c；由第四個裝置電流從a→d，則電子從d→a，故金屬活動性：d＞a。7．M、N、P、E四種金屬：①M＋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＋。四種金屬的還原性由強到弱的順序是()A．P、M、N、E B．E、N、M、PC．P、N、M、E D．E、P、M、N【解答】A由①知，金屬活動性M>N；M、P用導(dǎo)線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面產(chǎn)生氣泡，M做原電池正極，活動性P>M；N、E構(gòu)成的原電池N做負極，活動性N>E。8．在如圖所示裝置中，觀察到電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，M棒變粗，N棒變細，由此判斷下表中所列M、N、P物質(zhì)，其中可以成立的是()選項MNPA鋅銅稀硫酸溶液B銅鐵稀鹽酸C銀鋅硝酸銀溶液D鋅鐵硝酸鐵溶液【解答】C本題通過電極變化來確定原電池的正負電極，N棒變細，即N極上發(fā)生氧化反應(yīng)，N棒金屬較活潑，排除A、D，由M棒變粗，可知B不正確。9．將等質(zhì)量的兩份鋅粒a、b分別加入過量的稀硫酸中，同時向a中加少許膽礬晶體，下列各圖表示產(chǎn)生氫氣的體積V/(L)與時間t/(min)的關(guān)系正確的是()ABCD【解答】A向a中加入少許膽礬晶體，則有Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋，消耗一部分Zn，所以產(chǎn)生H2的量較少，但生成的Cu附于Zn上又組成銅鋅原電池，加快反應(yīng)速率，因此曲線a的斜率大于曲線b的斜率。10．鋰電池是一代新型高能電池，它以質(zhì)量輕、能量高而受到了普遍重視，目前已研制成功多種鋰電池。某種鋰電池的總反應(yīng)方程式為Li＋MnO2=LiMnO2，下列說法正確的是()A．Li是正極，電極反應(yīng)式為Li－e－=Li＋B．Li是負極，電極反應(yīng)式為Li－e－=Li＋C．MnO2是負極，電極反應(yīng)式為MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是負極，電極反應(yīng)式為Li－2e－=Li2＋【解答】B由總反應(yīng)方程式eq\o(Li,\s\up6(0))＋eq\o(M,\s\up6(＋4))nO2=eq\o(Li,\s\up6(＋1))eq\o(M,\s\up6(＋3))nO2可知，Li元素在反應(yīng)后化合價升高(0→＋1)，Mn元素在反應(yīng)后化合價降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在電池中作負極，電極反應(yīng)為Li－e－=Li＋，MnO2在正極上反應(yīng)，電極反應(yīng)為MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)?！眷柟烫嵘?1．用銅片、銀片設(shè)計成如圖所示的原電池。以下有關(guān)該原電池的敘述正確的是()甲乙A．電流沿導(dǎo)線由Cu片流向Ag片B．正極的電極反應(yīng)式為：Ag＋＋e－=AgC．Cu片上發(fā)生還原反應(yīng)，Ag片上發(fā)生氧化反應(yīng)D．反應(yīng)時鹽橋中的陽離子移向Cu(NO3)2溶液【解答】B電流從正極沿導(dǎo)線流向負極。Cu作負極、Ag作正極，所以電流從Ag片流向Cu片，A錯誤；正極上銀離子得電子生成Ag，電極反應(yīng)式為Ag＋＋e－=Ag,B正確；Cu片上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，Ag片上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，C錯誤；鹽橋中陽離子向正極移動、陰離子向負極移動，所以反應(yīng)時鹽橋中的陽離子移向AgNO3溶液，D錯誤。12．某研究性學(xué)習(xí)小組根據(jù)反應(yīng)2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4=2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O設(shè)計如下原電池，其中甲、乙兩燒杯中各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度均為1mol·L－1，溶液的體積均為200mL，鹽橋中裝有飽和K2SO4溶液。甲乙回答下列問題：（1）此原電池的正極是石墨________(填“a”或“b”)，發(fā)生________反應(yīng)。（2）電池工作時，鹽橋中的SOeq\o\al(2－,4)移向________(填“甲”或“乙”)燒杯。（3）寫出兩燒杯中的電極反應(yīng)式：甲_____________________________________________________，乙____________________________________________________。（4）若不考慮溶液的體積變化，MnSO4濃度變?yōu)?.5mol·L－1，則反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子為________mol?！窘獯稹?1)根據(jù)題目提供的總反應(yīng)方程式可知，KMnO4作氧化劑，發(fā)生還原反應(yīng)，故石墨a是正極。(2)電池工作時，SOeq\o\al(2－,4)向負極移動，即向乙燒杯移動。(3)甲燒杯中的電極反應(yīng)式為MnOeq\o\al(－,4)＋5e－＋8H＋=Mn2＋＋4H2O；乙燒杯中的電極反應(yīng)式為5Fe2＋－5e－=5Fe3＋。(4)溶液中的MnSO4濃度由1mol·L－1變?yōu)?.5mol·L－1，由于溶液的體積未變，則反應(yīng)過程中生成的MnSO4的物質(zhì)的量為0.5mol·L－1×0.2L＝0.1mol，轉(zhuǎn)移的電子為0.1mol×5＝0.5mol?！敬鸢浮?1)a還原(2)乙(3)MnOeq\o\al(－,4)＋5e－＋8H＋=Mn2＋＋4H2O5Fe2＋－5e－=5Fe3＋(4)0.513．某?；瘜W(xué)研究性學(xué)習(xí)小組欲設(shè)計實驗驗證Fe、Cu金屬活動性的相對強弱，他們提出了以下兩種方案。請你幫助他們完成有關(guān)實驗項目：方案Ⅰ：有人提出將大小相等的鐵片和銅片分別同時放入稀硫酸(或稀鹽酸)中，觀察產(chǎn)生氣泡的快慢，據(jù)此確定它們活動性的相對強弱。該原理的離子方程式為_____________________________________________________________________________________________。方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作電極設(shè)計成原電池，以確定它們活動性的相對強弱。試在下面的方框內(nèi)畫出原電池裝置圖，標出原電池的電極材料和電解質(zhì)溶液，并寫出電極反應(yīng)式。正極反應(yīng)式：_____________________________________________________；負極反應(yīng)式：____________________________________________________。方案Ⅲ：結(jié)合你所學(xué)的知識，幫助他們再設(shè)計一個驗證Fe、Cu活動性相對強弱的簡單實驗方案(與方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同)：__________________________________________________________________________，用離子方程式表示其反應(yīng)原理：_________________________________________________________________________________________________________?！窘獯稹勘容^或驗證金屬活動性相對強弱的方案有很多，可以利用金屬與酸反應(yīng)的難易來判斷或驗證，也可以利用原電池原理(負極是較活潑的金屬)，也可以利用金屬單質(zhì)間的置換反應(yīng)來完成?！敬鸢浮糠桨涪馞e＋2H＋=Fe2＋＋H2↑方案Ⅱ2H＋＋2e－=H2↑Fe－2e－=Fe2＋方案Ⅲ把鐵片插入CuSO4溶液中，一段時間后，觀察鐵片表面是否生成紅色物質(zhì)(合理即可)Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋14．常溫下，將除去表面氧化膜的Al、Cu片插入電解質(zhì)A的溶液中組成原電池，如圖1所示：圖1圖2（1）若A為稀鹽酸，則Al片作________極，該電極的電極反應(yīng)式為______________________________，Cu片電極反應(yīng)式為__________________________________________。（2）若A為NaOH，則Al片作________極，該電極的電極反應(yīng)式為________________________。（3）若A為濃硝酸，測得原電池的電流強度(I)隨時間(t)的變化如圖2所示，反應(yīng)過程中