【同步讲义】高中化学（鲁科版2019）选修第一册--第05讲 原电池的工作原理 讲义

第05讲  原电池的工作原理

知识点01  铜锌原电池实验探究

1．实验装置

2．实验现象

3．电极材料及电极反应

【特别提醒】外电路中由电子的定向移动产生电流，而电解质溶液内部只有离子的定向移动，没有电子的移动。

【即学即练1】（2021·忻州高二检测）在盛有稀H2SO4的烧杯中放入有导线连接的锌片和铜片。下列叙述正确的是（     ）。

    A．稀硫酸浓度逐渐增大    B．电子通过导线由铜片流向锌片

    C．正极有O2逸出         D．铜片上有H2逸出

知识点02  原电池的工作原理

1．原电池

（1）定义：能把______转化为______的装置。

（2）电极名称及电极反应

①负极：电子______的一极，发生______反应；

②正极：电子______的一极，发生______反应。

（3）原电池的构成条件

①两个活泼性不同的电极（两种金属或一种______和一种能导电的____________）。

②将电极插入______溶液。

③构成闭合回路。

④能自发发生的____________反应。

2．工作原理：电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。

（1）电子流向：外电路中电子由______极流向______极

（2）电流流向：外电路中电流由______极流向______极，内电路（电解质溶液）中电流由______极流向______极

（3）离子流向：内电路中，阴离子移向______极，阳离子移向______极；

【即学即练2】下列说法正确的是（     ）。

    A．原电池是把电能转化为化学能的装置

    B．原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应

    C．原电池的电极发生的反应均为氧化还原反应

    D．形成原电池后，原电池中的阳离子向正极移动

考法01  原电池的工作原理

【典例1】（2021·甘肃武威高二上学期期中）据图分析，下列有关该原电池的叙述正确的是（     ）。

    A．工作时，盐桥中的K+会移向CuSO4溶液

    B．取出盐桥后，检流计指针依然发生偏转

    C．铜电极上有气泡逸出

    D．反应前后铜电极的质量不变

【知识拓展】原电池的工作原理及电极判断

1．原电池的工作原理（以铜锌原电池为例）

2．原电池正负极的判断

考法02  原电池工作原理的应用

【典例2】（2022年湖北省新高考联考协作体高三3月模拟）已知Ag+的氧化性强于Co2+的氧化性，则关于下图所示原电池装置的说法中，正确的是（     ）。

    A．Co电极是原电池的正极

    B．盐桥中可填充KCl饱和溶液与琼脂的混合物

    C．该原电池的正极反应式为Ag++e－＝Ag

    D．盐桥中的电解质阴离子向右侧烧杯移动

【知识拓展】原电池工作原理的应用

1．加快化学反应速率

构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制H2时，粗锌比纯锌与稀硫酸反应快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，反应加快。

2．比较金属的活动性强弱

对于酸性电解质，一般是作负极的金属活动性强，作正极的金属活动性较弱。

3．设计原电池

（1）分析原电池反应，判断正负极和溶液

①能设计成原电池的反应一定是自发的、放热的氧化还原反应

②负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以

（2）盐桥式原电池

①导电：盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路

②平衡电荷：使由它连接的两溶液保持电中性，使电池能持续提供电流

③隔离：相互反应的电极和溶液通过盐桥隔离开

题组A  基础过关练

1．下列反应，不可以设计成原电池的是（     ）。

    A．2FeCl3+Cu＝2FeCl2+CuCl2

    B．NaOH+HCl＝NaCl+H2O

    C．2Fe+3Br2＝2FeBr3

    D．2KMnO4+5SO2+2H2O＝K2SO4+2MnSO4+2H2SO4

2．（2021·石家庄高二检测）下列装置能组成原电池的是（     ）。

3．以下铜锌原电池工作原理认知模型图中，不正确的是（     ）。

    A．正负极标注      B．电极反应式

    C．电子移动方向    D．H+的移动方向

4．（2021·山西晋中高二上期中）下列根据反应Zn+Cu2+＝Zn2++Cu设计的原电池不符合该反应的是（     ）。

5．（2021·北京市西城区高二上期中）锌铜原电池装置如图（盐桥相当于导线，通过溶液中离子的定向移动起导电作用），下列说法不正确的是（     ）。

    A．锌电极上发生氧化反应

    B．电子从锌片经电流计流向铜片

    C．盐桥中Cl－向正极移动

    D．铜电极上发生反应：Cu2++2e－＝Cu

6．（2022年1月浙江学考化学仿真模拟试卷A）如图为发光二极管连接柠檬电池。下列说法不正确的是（     ）。

    A．该装置的能量转化形式主要为化学能→电能

    B．电子的流向：Zn→导线→Cu→柠檬液→Zn

    C．锌片是负极，质量不断减小

    D．铜片上的电极反应为：2H++2e－＝H2↑

7．一种直接铁燃料电池（电池反应为：3Fe+2O2＝Fe3O4）的装置如图所示，下列说法正确的是（     ）。

    A．Fe极为电池正极

    B．KOH溶液为电池的电解质溶液

    C．电子由多孔碳极沿导线流向Fe极

    D．每5.6gFe参与反应，导线中流过1.204×1023个e－

8．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，有人设计了如图所示的装置，

按要求完成以下填空：

（1）此装置在工作时，可以观察到的现象是________________，电池的总反应式为___________________________________。

（2）原电池工作时，CuSO4溶液中SO42－向________移动。

（3）盐桥是通过________的定向移动实现导电的，若此盐桥内为KCl饱和溶液，则该电池在工作时，K+移向________（填“正”或“负”）极。

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

负极：________，电极反应：______________________________；

正极：________，电极反应：______________________________。

10．现有A、B、C、D四种金属片：①把A、B用导线连接后同时浸入稀硫酸溶液中，A上有气泡产生；②把C、D用导线连接后同时浸入稀硫酸溶液中，D发生还原反应；③把A、C用导线连接后同时浸入稀H2SO4溶液中，电子流动方向为A→导线→C，根据上述情况，回答下列问题：

（1）在①中，金属片______发生氧化反应，金属片______作正极；

（2）在②中，金属片______作负极；

（3）如果把B、D用导线连接后同时浸入稀H2SO4溶液，则金属片______上有气泡产生；

（4）上述四种金属的活动性由强到弱的顺序是________________________。

题组B  能力提升练

1．（2022届广东省广州市高三上学期12月调研）我国首创的海洋电池以铝板、铂网作电极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流，放电时（     ）。

    A．铝电极上发生还原反应

    B．阳离子移向负极

    C．氧气在正极上得电子

    D．电流由铝板经外电路流向铂网

2．（2021·天津南开区高二上期中）某同学用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂－KNO3的U形管）设计成一个原电池，如图所示，下列判断中正确的是（     ）。

    A．该原电池的工作原理是Cu+2Ag+＝2Ag+Cu2+

    B．实验过程中取出盐桥，原电池能继续工作

    C．实验过程中，左侧烧杯中NO3－浓度不变

    D．实验过程中电子流向为：Cu极→Cu（NO3）2溶液→AgNO3溶液→Ag极

3．（2020~2021学年浙江省七彩阳光新高考研究联盟高二上期中）某科学探究小组为探究电化学原理，设计了如图所示的装置进行探究实验。下列对实验中观察到的现象或相关结论的叙述错误的是（     ）。

    A．a和b不连接时，铁片上有红色的铜析出，该装置不能形成原电池

    B．a和b用导线连接时铜片为负极，发生的反应为：Cu2++2e－＝Cu

    C．无论a和b是否连接，反应的本质相同，铁片均会被氧化，溶液中均有Fe2+生成

    D．a和b用导线连接时，溶液中的Cu2+应向铜电极移动且能更快地在铜电极上析出铜

4．（2021·天津和平区高二检测）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（SO42－）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

5．（青海省西宁市海湖中学2021届高三上学期第二阶段考试）芝加哥伊利诺伊大学的研究人员设计了一种可用于商业化的新型锂金属电池，电池结构如图所示：电池工作时，下列说法错误的是（     ）。

    A．该装置将化学能转化为电能

    B．负极上发生的电极反应为Li－e－＝Li+

    C．该电池可用LiOH溶液作电解质

    D．电池工作时，电路中每流过1mol电子，正极增重7g

6．（2021~2022学年河北邯郸高二上学期期末检测）科研人员设想用如图所示装置生产硫酸，下列说法不正确的是（     ）。

    A．a为负极，b为正极

    B．生产过程中氢离子由左移向右

    C．从左下口流出的硫酸的质量分数一定大于10%

    D．正极反应式为O2+2H2O+4e－＝4OH－

7．原电池原理的发现是储能和供能技术的巨大进步，是化学对人类的一项重大贡献。

（1）将纯锌片和纯铜片按图方式插入100mL相同浓度的稀硫酸中一段时间，回答下列问题：

①下列说法正确的是______。

    A．甲乙均为化学能转变为电能的装置

    B．乙中铜片上没有明显变化

    C．甲中铜片质量减少，乙中锌片质量减少

    D．两烧杯中溶液的PH均增大

②在相同时间内，两烧杯中产生气泡的速度：甲____乙（填“＞”﹑“＜”或“＝”）。

③该反应是______反应（填“放热”或“吸热”）。

④当乙中产生1.12L（标准状况）气体时，将锌﹑铜片取出，再将烧杯中的溶液稀释至1L，测得溶液中c（H+）＝0.1mol•L－1（设反应前后溶液体积不变）。试确定原稀硫酸的物质的量浓度为______，转移电子数为______个。

（2）电子表和电子计算器中所用的是纽扣式微型银锌电池，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，放电时电池总反应为Ag2O+Zn+H2O＝2Ag+Zn（OH）2，工作时电池正极区的pH______（填“增大”﹑“减小”或“不变”），当外电路中通过1.8NA个电子，理论上消耗的锌的质量______g。

（3）铅蓄电池是常用的化学电源，其电极材料是Pb和PbO2，电解液为稀硫酸，工作时该电池总反应式为：PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O，据此判断：铅蓄电池的负极材料是______。工作时，电解质溶液的pH______（填“增大”﹑“减小”或“不变”）。工作时，电解质溶液中阴离子移向______极（填“正”或“负”）。

8．将洁净的金属片A、B、C、D分别放置在浸有盐溶液的滤纸上面并压紧（如图所示）。

在每次实验时，记录电压表指针的移动方向和电压表的读数如下：

已知：构成两电极的金属活动性相差越大，电压表的读数越大。请依据表中数据判断：

（1）最活泼金属为________（填字母序号，下同）。

（2）若滤纸改用NaOH溶液浸润，则在滤纸上能看到蓝色沉淀析出的是________金属，其负极的电极反应为___________________________。

（3）若（2）中滤纸上析出沉淀为9.8g，则转移电子为________mol。

题组C  培优拔尖练

1．（2021·宁波高二上学期期中检测）将Mg条、Al条平行插入一定浓度的NaOH溶液中，用导线、电流计连接成原电池，此电池工作时，下列叙述中正确的是（     ）。

    A．Mg比Al活泼，Mg失去电子被氧化成Mg2+

    B．负极反应式为：Al+4OH－－3e－＝AlO2－+2H2O

    C．该电池的内外电路中，电流均是由电子定向移动形成的

    D．原电池工作过程中溶液pH不变

2．利用铜和石墨作电极，在盐酸介质中，铜与氢叠氮酸（HN3）构成原电池，总反应方程式为2Cu+2Cl－+HN3+3H+＝2CuCl（s）+N2↑+NH4+。下列判断正确的是（     ）。

    A．电子从石墨电极流向铜电极

    B．溶液中Cl－向石墨电极移动

    C．每转移1mol电子，负极减重64 g

    D．正极反应式为HN3+2e－+3H+＝N2↑+NH4+

3．对铜－锌－稀硫酸组成的原电池装置中，当导线中有1mol电子通过时，理论上的两极变化是：①锌片溶解了32.5g；②锌片增重了32.5g；③铜片上析出1g氢气；④锌片上析出1mol氢气（     ）。

    A．①③    B．①④    C．②③    D．②④

4．（2021·四川成都高二上学期期中）常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池（图1），测得原电池的电流强度（I）随时间（t）的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。

下列说法错误的是（     ）。

    A．0～t1时，原电池的负极是Al片

    B．0～t1时，正极的电极反应式是NO3－+2H++e－＝NO2↑+H2O

    C．t1后，原电池的正、负极发生互变

    D．t1后，正极上每得到0.3mol电子，则负极质量减少2.7g

5．（2021·贵阳高二上学期期末检测）锌与100mL 1mol·L－1盐酸反应的实验中，若设想向溶液中分别加入少量的：①醋酸钠；②溴化铜；③醋酸铜（均为可溶性），并测定生成H2的速率（mL·min－1），预计三种方案的速率大小是（     ）。

    A．①＞③＞②    B．③＞②＞①

    C．②＞③＞①    D．①＞②＞③

6．某同学研究FeSO4溶液和AgNO3溶液的反应，设计如下对比实验。

下列说法正确的是（     ）。

    A．仅由Ⅰ中的现象可推知Ag+的氧化性强于Fe3+

    B．Ⅱ中电流表指针向左偏转的原因是Fe2+氧化了银电极

    C．Ⅱ中若将银电极换成石墨电极，电流表指针可能不再向左偏转

    D．对比Ⅰ、Ⅱ可知，Ⅰ中NO3－氧化了Fe2+

7．利用人工光合作用合成甲酸的原理为2CO2+2H2O2HCOOH+O2，装置如图所示。

请回答下列问题：

（1）从能量角度分析，该装置将太阳能转化为___________。

（2）NaCl溶液的作用是___________。

（3）电极1为______（填“正极”或“负极”），电极2的电极反应式为___________。

（4）产生O2的电极是______（填“电极1”或“电极2”），每消耗0.5molCO2时，理论上生成O2体积为___________（标准状况下）。

8．按要求填空：

（1）某同学依据氧化还原反应：2Ag++Cu＝Cu2++2Ag设计的原电池如图所示：

    ①负极发生的电极反应为___________；

    ②电解质溶液中的NO3－向__________电极移动；（写出电极材料的名称）

（2）当反应进行到一段时间后取出电极材料，测得某一电极增重了5.4g，则该原电池反应共转移的电子数目是________；

（3）水是生命之源，也是化学反应中的主角。请回答下列问题：已知：2molH2完全燃烧生成液态水时放出572kJ的热量。

    ①若2mol氢气完全燃烧生成水蒸气，则放出的热量______（填“＞”“＜”或“＝”）572kJ；

    ②每克氢气燃烧生成液态水时放出的热量为________；

（4）天然气（主要成分CH4）和氧气反应生成二氧化碳和水，该反应为放热的氧化还原反应，可将其设计成燃料电池，构造如图所示，a、b两个电极均由多孔的碳块组成。

a电极的电极反应式是___________________________。