基础课时16　原电池的工作原理

一、原电池的工作原理

1．原电池：利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。

2．原电池的构成条件

3．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)

　盐桥在原电池中有何作用？若撤去盐桥，电流表的指针如何变化？

[提示]　盐桥的作用：利用溶液中离子的移动，使两个半电池中的溶液形成闭合回路。若撤去盐桥，电流表的指针会不发生偏转。

　为了避免锌片与Cu2＋直接接触发生反应而影响原电池的放电效率，有人设计了如下装置。

按要求完成以下填空：

(1)此装置工作时，可以观察到的现象是____________________________

_______________________________________________________________，

电池总反应式为_______________________________________________。

(2)以上电池中，锌和锌盐溶液组成____________，铜和铜盐溶液组成____________，中间通过盐桥连接起来。

(3)电池工作时，硫酸锌溶液中SO向________移动，硫酸铜溶液中SO向________移动。

(4)此盐桥内为饱和KCl溶液，盐桥是通过________移动来导电的。在工作时，K＋移向________。

[解析]　该装置为锌铜原电池，总反应式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋。电池工作时，观察到①电流计指针发生偏转，②锌片不断溶解，③铜片上有红色物质析出。其中Zn与ZnSO4溶液组成锌半电池，Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。电池工作时，ZnSO4溶液中SO向负极(锌电极)移动，CuSO4溶液中SO向盐桥移动，而盐桥中的K＋向正极区(CuSO4溶液)移动，Cl－向负极区(ZnSO4溶液)移动，这样靠离子的移动形成闭合回路。

[答案]　(1)电流表指针发生偏转，锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出　Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu　(2)锌半电池　铜半电池　(3)锌电极　盐桥　(4)离子　正极区(CuSO4溶液)

二、原电池工作原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

3．设计原电池

实例：根据Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag设计电池：

或

　下列有关电化学知识的描述正确的是(　　)

A．行人踩踏发电瓷砖(原理是利用行人踩踏地板产生的振动来发电)是将化学能转化为电能

B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥可以装有含琼胶的KCl饱和溶液

C．因为铁的活泼性强于铜，所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中，若能组成原电池，必是铁作负极、铜作正极

D．理论上，任何能自发进行的且能放出能量的氧化还原反应都可设计成原电池

D　[行人踩踏地板产生的振动不属于化学能，A错误；在原电池的正极端氯离子和银离子反应，所以不可以用KCl饱和溶液制得的琼胶，B错误；Fe在浓硝酸中发生钝化，Cu能与浓硝酸反应，可组成原电池，但铁作正极、铜作负极，C错误；原电池是将化学能转化为电能，需要自发进行的释放能量的氧化还原反应，D正确。]

1789年，意大利生理学家伽法尼在一次解剖青蛙时，把铜钩钩着的青蛙腿挂在阳台的铁栏杆上，偶然发现蛙腿每次接触铁栏杆就会抽搐一次。经过研究，伽法尼认为这种肌肉收缩作用是“动物电”引起的。

伽法尼的同事——意大利物理学家伏打一开始相信这种解释，还亲自体验了这一过程。他将放在舌尖上的锡箔与一枚银币接触，感觉到满口酸味。由此他猜想：肌肉收缩不一定是由动物电引起的，很可能是受到了电刺激产生的。为了证明自己的猜想，伏打在1792～1796年多次重复了伽法尼的实验，发现只要两种不同的金属接触，中间隔着湿的硬纸、皮革或其他海绵状物品，不管有没有接触蛙腿都会起电。

[问题1]　阅读上述材料总结构成原电池的条件有哪些？

[提示]　具有活泼性不同的两个电极，两电极插入电解质溶液中，形成闭合回路，且两电极能自发地发生氧化还原反应。

[问题2]　下列装置中，哪些能构成原电池？其他不能构成原电池的原因是什么？

A　　　　　　B

C　　　　　　　　　D

[提示]　装置D能构成原电池；装置A不能构成原电池，原因是酒精为非电解质；装置B不能构成原电池，原因是没有形成闭合回路；装置C不能构成原电池，原因是两个金属电极的活泼性相同。

[问题3]　铁制品和铜制品与蛙腿接触时，铁制品发生氧化反应还是还原反应？写出反应的电极反应式。

[提示]　铁制品与蛙腿接触时发生氧化反应。电极反应式为Fe－2e－=== Fe2＋。

[问题4]　原电池工作时，电子和离子分别怎样移动？

[提示]　电子是从负极经过导线移向正极；在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

　原电池的工作原理

(1)反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

(2)电子的移动方向：从负极流出，经导线流向正极。

(3)离子的移动方向：阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

1．用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼胶­KNO3的U形管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是(　　)

①在外电路中，电流由铜电极流向银电极　②正极反应式为Ag＋＋e－===Ag　③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作　④将铜片直接浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A．①②　　　B．②③　　　C．②④　　　D．③④

C　[铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线、盐桥构成一个原电池，Cu作负极，Ag作正极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋(负极)，2Ag＋＋2e－===2Ag(正极)，盐桥起到了传导离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反。因此①③错误，②④正确。]

2．如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述正确的是(　　)

A．氧化剂和还原剂必须直接接触才能发生反应

B．电极Ⅱ上发生还原反应，作原电池的正极

C．该原电池的总反应式为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋

D．盐桥中装有含氯化钾的琼胶，K＋移向负极区

C　[A项，该原电池反应中氧化反应和还原反应在两个不同的烧杯中进行，因此氧化剂和还原剂没有直接接触，错误；B项，Cu电极为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，错误；D项，正极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，正电荷减小，K＋移向正极区补充正电荷，错误。]

构建原电池的思维模型

2019年诺贝尔化学奖授予了三位在锂离子电池发展做出突出贡献的化学家。由于金属锂的化学性质非常活泼，使得金属锂在加工、保存、使用等环节要求很高，所以锂电池长期没有得到广泛应用，随着电子技术的发展，在科学家的努力下锂离子电池进入了大规模的实用阶段。某种锂电池的总反应方程式为Li＋MnO2=== LiMnO2。

[问题1]　你能依据总反应方程式书写该电池的正极、负极电极反应式吗？

[提示]　负极反应式为Li－e－===Li＋，正极反应式为MnO2＋ e－===MnO。

[问题2]　有人用原电池原理除去银器皿表面的黑色硫化银，其处理方法：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，有臭鸡蛋气味的气体放出，银表面的黑色会褪去而银不会损失。你能否依据信息材料书写其电池总反应式、电极反应式？

[提示]　要善于抓住题示信息。“黑色褪去而银不会损失”，必然发生变化：Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应：3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－，负极反应应为活泼金属发生氧化反应：2Al－6e－===2Al3＋，正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中都能水解且相互促进：2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑，有臭鸡蛋气味的硫化氢气体产生。原电池的总反应为上述三个反应式的加合：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑。

1．一般电极反应式的书写方法

(1)定电极，标得失。按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。

(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。

(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。

2．已知总反应式，书写电极反应式

(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。

(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。

(3)根据质量守恒配平电极反应式。

(4)复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。

1．设计原电池Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，在方框中画出能形成稳定电流的装置图(标出电极材料、电解质溶液)。

负极：________，电极反应： ________________________________

__________________________________________________________。

正极：________，电极反应： ________________________________

__________________________________________________________。

[解析]　由题意知所要求设计的装置图中有盐桥，分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性差的金属或非金属石墨等作正极，选择与电极材料有相同离子的溶液作电解质溶液。

[答案]　

(答案合理即可)

Zn　Zn－2e－===Zn2＋　Pt　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

2．根据下列原电池的总反应式，写出其电极反应式。

(1)利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备硫酸铜，若将该反应设计为原电池，其负极反应式是__________________________________，

正极反应式是________________________________________________。

(2)某原电池总反应为2FeO＋3H2===Fe2O3＋4OH－＋H2O，在该原电池中：

负极反应式是______________________________________________；

正极反应式是____________________________________________。

[解析]　(1)将总方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：2Cu－4e－===2Cu2＋；氧化剂在正极上发生还原反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。(2)将总方程式拆成氧化反应和还原反应两个半反应，还原剂在负极上发生氧化反应：3H2－6e－＋6OH－===6H2O；氧化剂在正极上发生还原反应：2FeO＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－。

[答案]　(1)2Cu－4e－===2Cu2＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O

(2)3H2－6e－＋6OH－===6H2O　2FeO＋5H2O＋6e－===Fe2O3＋10OH－

1．关于如图所示装置，说法不正确的是(　　)

①　　　　②

A．在①装置中锌棒逐渐变细，铜棒无变化

B．在②装置中锌棒逐渐变细，铜棒逐渐变粗

C．在②装置中部分化学能转化成了电能

D．在①②装置中锌棒均被氧化

B　[A项，在①装置中锌与氢离子反应生成锌离子和氢气，锌棒变细，铜不与氢离子反应，铜棒没有变化；B项，在②装置中锌棒与铜棒通过导线连接形成了闭合回路，构成了原电池，锌失去电子转化为锌离子，锌棒变细，氢离子在铜棒上得电子生成氢气，铜棒不会变粗；C项，②装置实现了化学能到电能的转化；D项，在①②装置中，锌均失去电子发生氧化反应。]

2．关于如图所示的原电池，下列说法正确的是(　　)

A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极

B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移

C．锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，电极反应是2H＋＋2e－===H2↑

D．取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变

A　[锌片作负极，铜片作正极，电子从负极流向正极，A选项正确；盐桥中的阴离子向负极移动，B选项错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，铜电极发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，C选项错误；取出盐桥后不能形成原电池，铜电极在反应后质量增加，D选项错误。]

3．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)

A．a＞b＞c＞d　 B．b＞c＞d＞a

C．d＞a＞b＞c   D．a＞b＞d＞c

C　[由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性：a＞b，对于第二个装置，依据还原性规律知，金属活动性：b＞c，第三个装置的金属活动性：d＞c，由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性：d＞a。]

4．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)

①　　　②　　　③　　　④

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，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋

D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

B　[②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中易钝化，Cu和浓硝酸反应失去电子作负极，A、C均错。②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确。④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错。]

5．能源是现代社会发展的三大支柱之一，化学在提高能源的利用率和开发新能源中起到了重要的作用。电能是现代社会中应用最广泛的二次能源。

(1)下列装置中能够实现化学能转化为电能的是_____________(填字母)。

A　　　　　　　B

C　　　　 　　　D

(2)写出所选装置正极反应的电极反应式：________________________

__________________________________________________________。

(3)所选装置中溶液里的阴离子移向________(填电极的化学式)极。

(4)若所选装置中转移了0.2 mol电子，则理论上溶液增加的质量是________________。

[解析]　(1)原电池的构成条件：①有两个活泼性不同的电极，②将电极插入电解质溶液中，③两电极间构成闭合回路，④能自发地进行氧化还原反应，C装置符合构成原电池的条件，故C装置正确。(2)C装置中Ag作正极，正极上氢离子得电子生成氢气，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，负极为锌失电子生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；总反应式为2H＋＋Zn===Zn2＋＋H2↑。(3)阴离子移向负极锌。(4)装置中转移了0.2 mol电子，根据总反应式：2H＋＋Zn===Zn2＋＋H2↑，则理论上溶液质量增重0.1×65 g－0.1×2 g＝6.3 g。

[答案]　(1)C　(2)2H＋＋2e－===H2↑　(3)Zn　(4)6.3 g