人教版 (2019)选择性必修1第一节 原电池学案设计

第四章化学反应与电能

第一节原电池

第1课时原电池的工作原理

1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。

2．了解原电池的工作原理。

学科核心素养

1．以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，培养宏观辨识与微观探析的能力。

2．通过对锌铜原电池工作原理的分析，建立对电化学过程的系统分析思路，培养证据推理与模型认知的意识。

一．原电池原理

1．原电池的概念和实质：

(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__反应把化学能转化为电能。

2．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)：

原电池工作原理示意图：

3．原电池形成的条件：

(1)闭合回路。

(2)两极有电势差——两个活性不同的电极，相对较活泼的金属作__负极__。

(3)__电解质__溶液或__熔融__电解质。

(4)自发的__氧化还原__反应。

二．原电池的应用

1．加快氧化还原反应的速率

构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。

2．比较金属活动性强弱

例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：a>b。

3．设计原电池

理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

(a)外电路

负极——化合价升高的物质

正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒

(b)内电路：化合价降低的物质作电解质溶液。

如：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2

一．原电池的工作原理

【问题探究】

1.在Cu­Zn­H2SO4原电池中，1molZn完全反应，流经电解质溶液的电子数是多少？

0。电子只能沿着导线移动，不经过电解质溶液。

2．某原电池工作时，a电极质量增加，则该电池的电解质溶液可以是盐酸吗？

不能，因为a电极质量增加，说明该电极上应有金属析出，应是溶液中的金属阳离子得电子而析出金属，故电解质不可能是盐酸。

【知识归纳总结】

1．原电池的工作原理简图：

【注意】电子及离子的移动

(1)电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。

(2)若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。

(3)若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。

2．原电池中盐桥的作用：

(1)通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。

(2)使用盐桥是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大限度地将化学能转化为电能。

3．原电池中正负极的判断方法：

有关如图所示原电池(盐桥中吸附有KNO3饱和溶液)的叙述不正确的是(　　)

A．盐桥中的K＋向Cu片移动

B．电子沿导线由Cu片流向Ag片

C．正极的电极反应是Ag＋＋e－===Ag

D．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应

【答案】A

【解析】该原电池中，Cu为负极，Ag为正极，放电时溶液中阳离子向正极移动，即盐桥中K＋向Ag片移动，A项错误；该电池放电时电子由负极Cu片经导线流向Ag片，B项正确；正极电极反应式为：Ag＋＋e－===Ag，C项正确；Cu为负极，失电子发生氧化反应，Ag为正极，得电子发生还原反应，D项正确。

图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示(　　)

A．铜棒的质量　　 B．c(Zn2＋)

C．c(H＋)　　 D．c(SO)

【答案】C

【解析】在正极Cu上，溶液中的H＋获得电子变为氢气，铜棒的质量不变，A项错误；由于Zn是负极，不断发生反应Zn－2e－===Zn2＋，所以溶液中c(Zn2＋)增大，B项错误；由于反应不断消耗H＋，所以溶液的c(H＋)逐渐降低，C项正确；SO不参加反应，其浓度不变，D项错误。

二．原电池原理应用

【问题探究】

1．实验室常用粗锌和稀硫酸反应制备H2，请讨论为何不用纯锌？

粗锌中的锌、杂质和稀硫酸构成原电池，加快化学反应速率，而纯锌与稀硫酸反应比粗锌缓慢。

2．根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？

将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，发现铁片逐渐溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。

3．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他是否能成功？原因是什么？

不能；原因是中和反应不属于氧化还原反应。

【知识归纳总结】

1．比较金属活动性强弱：

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

2．加快氧化还原反应的速率：

构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。例如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应速率快或向溶液中滴入几滴硫酸铜溶液，产生氢气的速率加快。

3．设计原电池：

(1)分析氧化还原反应，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物，将其分成氧化反应和还原反应两个半反应。

(2)设计成无盐桥电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极不活泼的物质作正极，以与负极发生反应的溶液为电解质溶液，用导线将两个电极构成闭合回路即可。

(3)设计成有盐桥的电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极不活泼的物质作正极，以含负极氧化产物的溶液作为负极电解质溶液，以含氧化剂的溶液作为正极电解质溶液，然后用盐桥连接两个电池，用导线连接两个电极即可。

4．用于金属保护：

根据原电池的工作原理，负极金属发生氧化反应。将被保护的金属与比其活泼的金属连接。

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，标出正、负极，并写出电极反应式。

【答案】2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

正极反应：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，

负极反应：Cu－2e－===Cu2＋

【解析】依据反应：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。氧化反应为Cu－2e－===Cu2＋，还原反应为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，则设计思路明确：

原电池组成为Cu是负极，正极材料选用比铜不活泼的铂或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。

10mL浓度为1mol·L－1的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的下列溶液，能减慢反应速率但又不影响氢气生成量的是(　　)

A．H2SO4　　 B．CH3COONa

C．CuSO4　　 D．Na2CO3

【答案】B

【解析】当加入其他物质能够减慢反应速率，且不影响氢气的总量，采取的方式为降低氢离子浓度，不减小氢离子的量。A项，加入硫酸，增大氢离子物质的量，影响了氢气的总量，错误；C项，加入硫酸铜，锌置换出铜，锌与铜构成原电池，反应速率加快，错误；D项，加入Na2CO3消耗了氢离子，氢气总量减少，错误。

1．（2021·河北·张家口市宣化第一中学高二期中）下列关于实验现象的描述不正确的是

A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡

B．用锌片作负极，铜片作正极，在溶液中，铜片质量增加

C．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快

D．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁

【答案】D

【解析】A．铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中，铜片上的H+获得由铁片传递过来的电子：2H++2e-=H2↑，所以可观察到铜片表面出现气泡，A正确；B．锌片作负极，铜片作正极，发生反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu，生成的Cu在铜片上析出使其质量增加，B正确；C．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，发生反应Zn+Cu2+=Zn2++Cu，置换出的Cu与剩余的Zn接触，在盐酸中构成了原电池，加速2H++2e-=H2↑反应，可观察到气泡放出的速率加快，C正确；D．铜片插入FeCl3溶液中，发生的反应是Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，并没有单质铁的析出，D错误；故答案选D。

2．（2021·黑龙江实验中学高二月考）、两根金属棒插入溶液中构成如图所示装置，实验中电流表指针发生偏转，同时棒变粗，棒变细，则、、溶液可能是下列中的

【答案】B

【解析】A．锌、铜在稀硫酸中构成原电池，X棒为活泼金属锌，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，X棒变细，故A不符合题意；B．锌、银在硝酸银溶液中构成原电池，X棒为不活泼金属银，做原电池的正极，银离子在正极得到电子发生还原反应生成银，X棒变粗，Y棒为活泼金属锌，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，Y棒变细，故B符合题意；C．铜、银在硫酸铜溶液中构成原电池，铜的金属性强于银，X棒为金属铜，做原电池的负极，失去电子发生氧化反应生成铜离子，X棒变细，故C不符合题意；D．锌、铜在稀硫酸中构成原电池，X棒为不活泼金属铜，做原电池的正极，氢离子在正极得到电子发生还原反应生成氢气，X棒没有变化，故D不符合题意；故选B。

3．（2021·江苏沭阳·高二期中）某铜锌原电池的结构如图所示，下列说法正确的是

A．Zn电极为该原电池的正极

B．若盐桥中电解质为KCl，则电池工作时K+向右侧移动

C．电池工作时，电子由Zn电极流出，经溶液和盐桥流入Cu电极

D．Cu电极上的电极反应式为Cu-2e﹣=Cu2+

【答案】B

【解析】A．根据总反应，Zn失电子，故为该原电池的负极，故A错误；B．原电池中阳离子移向正极，故电池工作时K+向右侧移动，故B正确；C．电池工作时，电子不能通过溶液和盐桥，故C错误；D．Cu电极上发生得电子的反应，故电极反应式为Cu2++2e﹣=Cu，故D错误；故选B。

4．（2021·河北邯郸·高二期中）根据原电池原理，下列反应不能设计成原电池的是

A．2CH3OH+3O22CO2+4H2O

B．Fe+CuSO4=FeSO4+Cu

C．HCl+NaOH=H2O+NaCl

D．2H2S+SO2=3S↓+2H2O

【答案】C

【解析】A．该反应为燃料的燃烧反应，属于氧化还原反应，可以设计成燃料电池，乙醇作负极，氧气作正极，故A不选；B．Fe、Cu元素的化合价变化，为氧化还原反应，可设计成原电池，故B不选；C．反应中没有元素的化合价变化，不属于氧化还原反应，不能设计成原电池，故C选；D．反应中S元素的化合价变化，为氧化还原反应，可设计成原电池，故D不选；故选C。

5．（2021·四川·成都外国语学校高二期中）把、、、四块金属片浸泡在稀中，用导线两两相连可以组成多种原电池：若、相连时，为负极；、相连时，为负极；、相连时，为正极；、相连时，为正极．则这四种金属的活动性顺序由强到弱为

A． B． C． D．

【答案】B

【解析】若a、b相连时，a为负极，活动性a>b；c、d相连时，c为负极，活动性c>d；a、c相连时，c为正极，a为负极，活动性：a>c；b、d相连时，b为正极，d为负极，活动性：d>b；则这四种金属的活动性顺序由强到弱为：。故答案选B。

6．（2021·山东·肥城市教学研究中心高二期中）某铜锌原电池的结构如图所示，下列说法正确的是

A．Zn电极为该原电池的正极

B．电池工作时，电子由Zn电极流出，经溶液和盐桥流入Cu电极

C．Cu电极上的电极反应式为Cu-2e-=Cu2+

D．若盐桥中的电解质为KCl，则电池工作时K+向右侧移动

【答案】D

【解析】A．该原电池中Zn易失电子作负极、Cu作正极，故A正确；B．放电时，电子从负极Zn沿导线流向正极Cu，所以电子从Zn电极流出，故B正确；C．Cu电极作正极，正极反应式为Cu2++2e-=Cu，故C正确；D．盐桥中的K+移向正极的电解质溶液即CuSO4溶液左侧移动，故D错误；故选：D。

7．（2021·福建省龙岩第一中学高二开学考试）如图是某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。请回答下列问题：

（1）当电极a为Zn，电极b为Cu，且两极板质量相等。电解质溶液为CuSO4溶液时，当电路中有1mole-通过时，两极板的质量差为___________g。

（2）当电极a为Fe，电极b为Cu，电解质溶液为浓硝酸溶液时，___________作负极，正极的电极反应式为___________。

（3）燃料电池的工作原理是将燃料和氧化剂(如O2)反应所产生的化学能转化为电能。现设计一燃料电池，以电极a为正极，电极b为负极，CO为燃料，采用NaOH溶液为电解液，则CO通入的电极反应式为___________。

（4）理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。请利用反应“”设计一个双液原电池，并在下面方框内画出双液原电池实验装置图，注明电极材料和电解质溶液等。___________

【答案】

（1）64.5

（2）Cu

（3）

（4）

【解析】（1）该电池的总反应为：，反应中负极Zn失电子转变成锌离子，正极铜离子得电子转化成Cu，每转移2mol电子，负极减少65g，正极增加64g，则转移1mol电子时的两极质量差为：，故答案为：64.5；（2）Fe在常温时遇到浓硝酸发生钝化，因此Cu作负极，铁作正极，正极上硝酸根离子得电子生成二氧化氮气体，电极反应为：，故答案为：Cu；；（3）CO为负极反应物，在碱性电解质溶液中，失电子生成碳酸根离子，电极方程式为：，故答案为：；（4）根据总反应可知单质铁失电子化合价升高，铁作负极，不如铁活泼的金属或导电的非金属作正极，如Cu或C，三价铁离子在正极得电子发生还原反应，FeCl3溶液为电解质溶液，其装置图。