人教版 (2019)选择性必修1第四章 化学反应与电能第一节 原电池学案

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4.1.1 原电池原理-同步学习必备知识
4.1.1  原电池原理

一、原电池的构成

二、原电池原理


例题1、
1．下列说法正确的是
A．原电池中，负极上发生的反应是还原反应
B．原电池中，电流的方向是负极−导线−正极
C．双液原电池中的盐桥是为了连通电路，所以也可以用金属导线代替
D．在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极
例题2、
2．理论上不能设计为原电池的化学反应是
A．CH4(g)＋2O2(g)CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH＜0
B．HNO3(aq)＋NaOH(aq)=NaNO3(aq)＋H2O(aq) 　ΔH＜0
C．2H2(g)＋O2(g)2H2O(l)　ΔH＜0
D．2FeCl3(aq)＋Fe(s)=3FeCl2(aq)　ΔH＜0
例题3、
3．下列烧杯中盛放的都是稀流酸，在铜电极上能产生大量气泡的是
A． B．
C． D．
随练1、
4．金属（M）–空气电池（如图）具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O=4M(OH) n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是

A．采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面
B．比较Mg、Al、Zn三种金属–空气电池，Al–空气电池的理论比能量最高
C．M–空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne–=4M(OH)n
D．在M–空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜

例题1、
5．如图所示，X为单质硅，Y为金属铁，a为NaOH溶液，组装成一个原电池，下列说法正确的是

A．X为负极，电极反应式为Si－4e－=Si4＋
B．X为正极，电极反应式为4H2O＋4e－=4OH－＋2H2↑
C．X为负极，电极反应式为Si＋6OH－－4e－=SiO＋3H2O
D．Y为负极，电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋
例题2、
6．分析如图所示的四个原电池装置，下列结论正确的是（    ）

A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极
B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O+6e-=6OH-+3H2↑
C．③中Fe作负极
D．④中Cu作正极，电极反应式为2H++2e-=H2↑
随练1、
7．课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是

A．原电池是将化学能转化成电能的装置
B．原电池由电极、电解质溶液和导线等组成
C．图中a极为铝条、b极为锌片时，导线中会产生电流
D．图中a极为锌片、b极为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片

例题1、
8．用选项中的电极、溶液和如图所示装置可组成原电池。下列现象或结论的叙述正确的是

选项
电极a
电极b
A溶液
B溶液
现象或结论
A
Cu
Zn
CuSO4
ZnSO4
一段时间后，a增加的质量与b减少的质量相等
B
Cu
Zn
稀H2SO4
ZnSO4
盐桥中阳离子向b极移动
C
Fe
C
NaCl
FeCl3
外电路电子转移方向：b→a
D
C
C
FeCl3
KI、淀粉混合液
若开始时只增大FeCl3溶液浓度，b极附近溶液变蓝的速度加快

A．A B．B C．C D．D
随练1、
9．控制适合的条件，将反应 Fe3++Ag Ag+ + Fe2+设计成如下图所示的原电池，盐桥中电解 质为 KCl，开始时电流计指针向右偏转。下列判断正确的是（    ）

A．在外电路中，电子由石墨电极经导线流向银电极
B．盐桥中的 K+移向乙烧杯
C．一段时间后，电流计指针反向偏转，越过 0 刻度， 向左边偏转
D．电流计指针居中后，在甲烧杯中加入一定量的铁粉，电流计指针将向左偏转

例题1、
10．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Al-3e－=Al3+
B．由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极反应式为Al-3e－+4OH－=AlO+2H2O
C．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池，其负极反应式为Cu-2e－=Cu2+
D．由Al、Cu、浓硝酸组成原电池，其负极反应式为Cu-2e－=Cu2+
随练1、
11．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而重视，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Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是
A．Li是正极，电极反应式为Li－e－＝Li＋
B．Li是负极，电极反应式为Li－e－＝Li＋
C．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－＝MnO2-
D．Li是负极，电极反应式为Li－2e－＝Li2＋

例题1、
12．根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是

A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)=2Ag＋(aq)＋Cd(s)
B．
C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)= 2Ag(s)＋Cd2＋(aq)
D．
随练1、
13．银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理：在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去。下列说法正确的是
A．处理过程中银器一直保持恒重
B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银
C．该过程中总反应为2Al+3Ag2S=6Ag+Al2S3
D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl

例题1、
14．由锌片、铜片和200mL稀硫酸组成的原电池如下图所示。

(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)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)。
随练1、
15．以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2 mol电子时，下列说法正确的是
A．锌片溶解了1 mol，铜片上析出1 mol H2
B．两极上溶解和析出的物质的质量相等
C．锌片溶解了31 g，铜片上析出了1 g H2
D．锌片溶解了1 mol，硫酸消耗了0.5 mol

16．某原电池的总反应离子方程式为：，不能实现该反应的原电池为
A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液
B．正极为Fe，负极为Zn，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
C．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
D．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液
17．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．电池工作一段时间后，甲池的c()减小
C．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
18．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_______ 。
(3)外电路中的电子是从_______电极流向_______电极。
19．铜锌原电池（如图所示）工作时，下列叙述正确的是

A．正极反应是：Zn – 2e - = Zn2+
B．电池反应是：Zn + Cu2+= Zn2+ + Cu
C．在外电路中电子从负极流向正极
D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
20．Ⅰ.某化学活动小组利用如图甲装置对原电池进行研究，请回答下列问题：(其中盐桥为含有饱和KCl溶液的琼脂)

(1)在甲图装置中，当电流计中指针发生偏转时，盐桥中K+移向___________(填“A”或“B”)烧杯。
(2)锌电极为电池的___________极，发生的电极反应式为___________；铜电极上发生的电极反应式为___________。
Ⅱ.该小组同学提出设想：如果将实验中的盐桥换为导线(铜制)，电流表是否也发生偏转呢？带着疑问，该小组利用图乙装置进行了实验，发现电流计指针同样发生偏转。回答下列问题：
(3)对于实验中产生电流的原因，该小组进行了深入探讨，后经老师提醒注意到使用的是铜导线，烧杯A实际为原电池，B成了用电器。对于图乙，烧杯A实际是原电池的问题上，该小组成员发生了很大分歧。
①一部分同学认为是由于ZnSO4溶液水解显酸性，此时原电池实际是由Zn、Cu作电极，H2SO4溶液作为电解质溶液而构成的原电池。如果这个观点正确，那么原电池的正极反应为___________。
②另一部分同学认为是溶液酸性较弱，由于溶解在溶液中的氧气的作用，使得Zn、Cu之间形成原电池。如果这个观点正确，那么原电池的正极反应为___________。
(4)若第(3)问中②观点正确，则可以利用此原理设计电池为在偏远海岛工作的灯塔供电。其具体装置为以金属铝和石墨为电极，以海水为电解质溶液，最终铝变成氢氧化铝。请写出该电池工作时总反应的化学方程式：___________。

参考答案：
1．D
【详解】A项、原电池中，负极上发生氧化反应，故A错误；
B项、原电池中，电流的方向是电子移动方向的反向，应是正极−导线−负极，故B错误；
C项、盐桥的作用是通过离子的定向移动，构成闭合回路，不能用导线代替，故C错误；
D项、在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，故D正确；
故选D。
2．B
【分析】自发进行的放热的氧化还原反应能设计成原电池，吸热或非氧化还原反应不能设计成原电池，据此分析解答。
【详解】A．该反应是自发进行的放热的氧化还原反应，所以能设计成原电池，故A不符合题意；
B．该反应中没有电子转移，不属于氧化还原反应，属于复分解反应，所以不能设计成原电池，故B符合题意；
C．该反应是自发进行的放热的氧化还原反应，所以能设计成原电池，故C不符合题意；
D．该反应是自发进行的放热的氧化还原反应，所以能设计成原电池，故D不符合题意；
故选B。
3．C
【详解】A．该装置电极材料不能和电解质溶液自发的进行氧化还原反应，所以铜上没有气泡产生，A错误；
B．该装置电极材料不能和电解质溶液自发的进行氧化还原反应，所以铜上没有气泡产生，B错误；
C．该装置构成原电池，，锌作负极，铜作正极，正极上氢离子得电子生成氢气产生气泡，C正确；
D．没有形成闭合电路不是原电池，Zn表面产生气泡，Cu表面无现象，D错误。
答案选C。
4．B
【详解】A. 反应物接触面积越大，反应速率越快，所以采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面，从而提高反应速率，故A正确；
B. 正极上氧气得电子和水反应生成OH−，因为是阴离子交换膜，所以阳离子不能进入正极区域，则正极反应式为O2+2H2O+4e−=4OH−，故B错误；
C. 电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，则单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多则得到的电能越多，假设质量都是1g时，这三种金属转移电子物质的量分别为×2=mol、×3=mol、×2=mol，所以Al−空气电池的理论比能量最高，故C正确；
D. 负极上Mg失电子生成Mg2+，为防止负极区沉积Mg(OH)2，则阴极区溶液不能含有大量OH−，所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜，故D正确；
故选B。
5．C
【详解】试题分析：硅、铁、NaOH溶液组成原电池时，由于Si能自发地和NaOH溶液发生氧化还原反应，所以Si为负极，电极反应式为：Si-4e-+6OH-=SiO32—+3H2O；铁为正极，电极反应式为：4H2O+4e-=4OH-+2H2↑，总反应：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑，据此判断选C。
6．B
【详解】A．①的条件下，Mg比Al易失电子，则Mg作负极、Al作正极，正负极反应式为2H++2e-═H2↑、Mg-2e-═Mg2+；
②的条件下，Al易失电子作负极，Mg作正极，正极反应式为2H2O+2e-═2OH-+H2↑、负极反应式为Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O；
③中Fe和浓硝酸发生钝化现象，Cu极易和浓硝酸反应而作负极，Fe作正极；
④中Fe比Cu易失电子则Fe作负极，Cu作正极，
故A错误；
B．②的条件下，Al易失电子作负极，Mg作正极，正极反应式为6H2O+6e-=6OH-+3H2↑，故B正确；
C．③中Cu作负极，Cu失电子发生氧化反应，正极反应式为：Cu-2e-═Cu2+，故C错误；
D．④中Cu作正极，Fe作负极，发生吸氧腐蚀，正极反应式为O2+2H2O+4e-═4OH-，故D错误；
故选B。
电解质溶液不同，导致两极反应发生改变。当稀硫酸是电解质溶液时，Mg作负极(活动性Mg＞Al)；当NaOH溶液是电解质溶液时，Al作负极(Mg不与NaOH溶液反应)；③中Cu作负极，反应式为Cu-2e-=Cu2+，Fe作正极，因为常温下，Fe遇浓硝酸发生钝化；④中Cu作正极，电极反应式为2H2O+O2+4e-=4OH-。
7．D
【详解】A．原电池是把化学能转化为电能的装置，A正确；
B．原电池由电解质溶液、电极、导线组成闭合回路，B正确；
C．因为橙汁为酸性，所以图中a极为铝条、b极为锌片时，则Al作原电池的负极，Zn作原电池的正极，导线中会产生电流，C正确；
D．图中a极为锌片、b极为铜片时，则Zn为负极，Cu为正极，电子从负极流向正极，所以电子从Zn片流向Cu片，D错误；
答案选D。
【点睛】
8．D
【分析】原电池中较活泼的金属是负极，失去电子，发生氧化反应。电子经导线传递到正极，所以溶液中的阳离子向正极移动，正极得到电子，发生还原反应。
【详解】A．电极b的电极反应为Zn-2e-=Zn2＋，电极a的电极反应为Cu2＋＋2e-=Cu，所以一段时间后，a增加的质量小于b减少的质量，A错误；
B．由于b极上锌失电子为负极，盐桥中阴离子向b极移动，B错误；
C．Fe做负极，C做正极，外电路电子转移方向：a→b，C错误；
D．I-失去电子生成I2，淀粉溶液遇碘变蓝色，则b极附近溶液变蓝，若开始时增大FeCl3溶液浓度，反应速率加快，则b极附近溶液变蓝的速度加快，D正确；
故选D。
9．D
【分析】控制适合的条件，将反应 Fe3++Ag Ag+ + Fe2+设计成如下图所示的原电池，盐桥中电解质为 KCl，开始时电流计指针向右偏转。开始时银为负极，石墨为正极。
【详解】A. 在外电路中，电子由负极流向正极，即由银电极经导线流向石墨电极，A不正确；
B. 盐桥中的 K+向正极迁移，即移向甲烧杯，B不正确；
C. 一段时间后，电流计指针不会反向偏转，当反应达到化学平衡状态时，最终停在 0 刻度，C不正确；
D. 电流计指针居中后，在甲烧杯中加入一定量的铁粉，铁粉将Fe3+还原为 Fe2+，Fe3+浓度减小， Fe2+浓度增大，化学平衡向逆反应方向移动，两个电极的极性互换，故电流计指针将向左偏转，D正确。
本题选D。
10．C
【详解】A．由Al、Cu、稀硫酸组成原电池中，Al能与稀硫酸反应，所以Al被氧化做负极，电极反应为Al-3e－=Al3+，A正确；
B．由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池中，Al能与NaOH溶液反应，所以Al被氧化做负极，生成偏铝酸根，电极反应为Al-3e－+4OH－=AlO+2H2O，B正确；
C．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池中，Fe比Cu的还原性强，所以Fe被氧化做负极，电极反应为Fe-2e－=Fe2+，C错误；
D．由Al、Cu、浓硝酸组成原电池中，Al发生钝化，所以Cu被氧化做负极，电极反应式为Cu-2e－=Cu2+，D正确；
综上所述答案为C。
11．B
【解析】在原电池中，失电子的金属为负极，发生失电子的氧化反应，得电子的物质在正极发生还原反应，锂电池是一种体积小，储存能量较高的可反复充电的环保电池。
【详解】A．根据锂电池的总反应式Li+MnO2=LiMnO2，失电子的金属Li为负极，电极反应为：Li-e-=Li+，故A错误；
B．根据锂电池的总反应式Li+MnO2=LiMnO2，失电子的金属Li为负极，电极反应为：Li-e-=Li+，故B正确；
C．MnO2是正极，电极反应为MnO2+e-=MnO2-，故C错误；
D．负极电极反应为：Li-e-=Li+，故D错误；
故答案为B。
12．A
【分析】根据图中电极标有“+”和“-”，可确定分别为正极和负极，且金属做电极，负极金属活动性强于正极金属，结合原电池装置可判断金属性分别为Cd＞Co和Co＞Ag，即Cd＞Co＞Ag。
【详解】A、由于金属性Cd强于Ag，则2Ag(s)＋Cd2＋(aq)=2Ag＋(aq)＋Cd(s)反应不可能发生，故A错误；
B、由于金属性Cd强于Co，则反应可以发生，故B正确；
C、由于金属性Cd强于Ag，则2Ag＋(aq)＋Cd(s)= 2Ag(s)＋Cd2＋(aq)反应可以发生，故C正确；
D、由于金属性Co强于Ag，则反应可以发生，故D正确；
答案选A。
13．B
【详解】A．银器放在铝制容器中，由于铝的活泼性大于银，故铝为负极，失电子，银为正极，银表面的Ag2S得电子，析出单质银，所以银器质量减小，故A错误；
B．银作正极，正极上Ag2S得电子作氧化剂，在反应中被还原生成单质银，故B正确；
C．Al2S3在溶液中不能存在，会发生双水解反应生成H2S和Al(OH)3，故C错误；
D．黑色褪去是Ag2S转化为Ag而不是AgCl，故D错误；
故选B。

14．(1) Zn-2e-=Zn2＋ 2H＋＋2e-=H2↑
(2)由Cu极流向Zn极
(3) 4.875 9.03×1022 0.75 mol·L-1

【分析】由题干图示信息可知，Zn电极是负极，电极反应为：Zn-2e-=Zn2+，Cu电极为正极，电极反应为：2H++2e-=H2↑，据此分析解题：
【详解】（1）由分析可知，原电池的负极反应是Zn-2e-=Zn2+，正极反应是2H++2e-=H2↑，故答案为：Zn-2e-=Zn2+；2H++2e-=H2↑；
（2）由分析可知，Zn比Cu活泼，故Zn电极为负极，Cu电极为正极，电流的方向是由正极经导线流向负极即由Cu极流向Zn极，故答案为：由Cu极流向Zn极；
（3）产生0.075 mol H2，通过0.075×2=0.15 mol电子，消耗0.075 mol Zn和0.075 mol H2SO4.所以m(Zn)=0.075 mol×65 g·mol-1=4.875 g，N(e-)=0.15 mol×6.02×1023 mol-1=9.03×1022，c(H2SO4)==0.75 mol·L-1，故答案为：4.875；9.03×1022；0.75 mol·L-1。
15．A
【分析】以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，负极：Zn－2e－=Zn2＋；正极：2H＋＋2e－=H2↑，据此分析解题。
【详解】A．从电极反应式看：当溶解1 mol锌时失去2 mol电子，铜片上析出1 mol氢气得到 2 mol电子，A正确；
B．正极析出氢气，负极溶解金属，B错误；
C．锌片溶解与铜片上析H2的物质的量为1:1，锌片溶解了31 g，铜片上析出约0.95 g H2，C错误；
D．根据电极反应式可知，锌片溶解了1 mol，硫酸消耗了1 mol，D错误；
答案选A。
16．B
【详解】自发的氧化还原反应可以设计成原电池；根据2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋可以判断，铁作负极发生氧化反应生成亚铁离子，比Fe活泼性弱的Cu、Ag或C棒作正极，电解质溶液中含有Fe3＋在正极放电发生还原反应生成亚铁离子；锌做负极，锌会发生氧化反应生成锌离子，故B不符合题意；
故选B。
17．C
【详解】A.由图象可知该原电池反应原理为Zn+Cu2＋= Zn2＋+ Cu，故Zn电极为负极失电子发生氧化反应，Cu电极为正极得电子发生还原反应，故A项错误；
B.该装置中为阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故两池中c()不变，故B项错误；
C.电解过程中溶液中Zn2＋由甲池通过阳离子交换膜进入乙池，乙池中Cu2＋+2e—= Cu，故乙池中为Cu2＋～Zn2＋，摩尔质量M(Zn2＋)>M(Cu2＋)故乙池溶液的总质量增加，C项正确；
D.该装置中为阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中溶液中Zn2＋由甲池通过阳离子交换膜进入乙池保持溶液中电荷平衡，阴离子并不通过交换膜，故D项错误；
本题选C。

18．(1) 铜 硝酸银溶液
(2) 正 Ag++e-＝Ag Cu-2e-＝Cu2+
(3) 铜 银

【详解】（1）由反应2Ag＋(aq)＋Cu(s) =Cu2＋(aq)＋2Ag(s)可知，铜失去电子，Ag+得到电子，所以铜必须是负极，银是正极，即X为铜，Y是硝酸银溶液。
（2）银是正极，电极反应式为Ag++e-＝Ag。铜为负极，电极反应式为Cu-2e-＝Cu2+。
（3）在外电路中电子从负极流向正极，即从铜电极流向银电极。
19．BC
【详解】A.锌铜原电池中Zn作负极，Cu作正极，正极反应是Cu2＋+2e-= Cu，A错误；
B.负极反应为Zn-2e-=Zn2+，正极反应是Cu2＋+2e-= Cu，电池总反应的离子方程式为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，B正确；
C.外电路中电子从负极经导线流向正极，C正确；
D.原电池中，阳离子向正极移动，所以盐桥中的K＋移向CuSO4溶液，D错误；
答案选BC。
20． B 负 Zn-2e-=Zn2+ Cu2++2e-=Cu 2H++2e-=H2↑ O2+2H2O+4e-=4OH- 4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3
【详解】(1)在甲图装置中，Zn易失电子作负极、Cu作正极，当电流计中指针发生偏转时，盐桥中K+向正极移动，即向B烧杯移动，故答案为：B；
(2)锌为负极，负极上锌失电子发生氧化反应，电极反应为Zn-2e-=Zn2+，Cu为正极，正极上铜离子得电子发生还原反应，电极反应为Cu2++2e-=Cu，故答案为：负；Zn-2e-=Zn2+；Cu2++2e-=Cu；
(3)①正极上氢离子放电生成氢气，电极反应为2H++2e-=H2↑；②正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，故答案为：2H++2e-=H2↑；O2+2H2O+4e-=4OH-；
(4)以金属铝和石墨为电极，以海水为电解质溶液，最终铝变成氢氧化铝，则负极上Al放电生成Al3+，正极上生成OH-，Al3+和OH-反应生成Al(OH)3，所以电池反应式为4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3，故答案为：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3。