苏教版选修4 化学反应原理专题一 化学反应与能量变化第二单元 化学能与电能的转化第1课时课堂检测

第二单元　化学能与电能的转化

第1课时　原电池的工作原理

目标与素养：1.以铜锌原电池为例，理解原电池的工作原理。(宏观辨识与微观探析)2.学会判断原电池的正、负极，掌握原电池反应方程式和电极反应式的书写。(宏观辨识与微观探析)3.掌握原电池原理的基本应用。(科学态度与社会责任)

一、原电池的工作原理

1．原电池

(1)概念：将化学能转化为电能的装置。

(2)构成条件

①两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。

②电解质溶液。

③形成闭合回路(或两极直接接触)。

④能自发地发生氧化还原反应。

2．铜锌原电池的工作原理

(1)用温度计测量锌粉与CuSO4溶液反应的温度变化，说明该反应为放热反应，该反应在物质变化的同时，实现化学能转化为热能。

(2)铜锌原电池的工作原理

3.盐桥(以铜锌原电池为例)

(1)成分：含有KCl饱和溶液的琼脂。

(2)离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液(负极区)，K＋移向CuSO4溶液(正极区)。

(3)作用：①使两个半电池形成通路，并保持两溶液的电中性。②避免电极与电解质溶液反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

二、原电池的设计

请根据离子反应Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu设计一个原电池

(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极的电极反应式。

负极：Fe－2e－===Fe2＋；

正极：Cu2＋＋2e－===Cu。

(2)确定电极材料

如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作正极。

发生还原反应的电极材料一般不如负极材料活泼。

本例中可用铁作负极，用铜作正极。

(3)确定电解质溶液

①负极区用FeCl2溶液作电解液；

②正极区用CuCl2溶液作电解液；

③如果原电池中没有盐桥，可用CuCl2溶液作电解液。

(4)构成闭合回路：将电极用导线连接，使之构成闭合回路。

(5)画出装置图

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)原电池中电子流出的一极是正极，发生氧化反应。 (　　)

(2)原电池中的盐桥是为了连通电路，也可用金属导线代替。 (　　)

(3)在原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极。 (　　)

(4)铜、锌与硫酸组成的原电池中，锌为负极，质量减少，铜为正极，质量不变。  (　　)

答案：(1)×　(2)×　(3)√　(4)√

2．关于如图所示的原电池，下列说法正确的是(　　)

A．电子从锌电极通过导线流向铜电极

B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移

C．锌电极发生还原反应

D．铜电极上发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑

A　[该原电池中，较活泼的金属——锌作负极，发生氧化反应，较不活泼的铜作正极，发生还原反应，电子由负极——锌流出，经导线流向铜电极，电极反应分别为负极：Zn－2e－===Zn2＋，正极：Cu2＋＋2e－===Cu；盐桥中的阴离子向负极区域硫酸锌溶液中迁移，故A正确，B、C、D错误。]

3.如图所示：(1)当K断开时，________片上有气泡产生，生成气体对应的离子方程式为______________________________

__________________________________________________。

(2)当K闭合时，________片上有气泡。生成气体对应的反应式为____________________________________________________。

解析：(1)K断开时，Zn与盐酸直接发生置换反应，离子方程式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

(2)K闭合时，Zn、Cu和盐酸构成原电池，Cu为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，因此铜片上产生气体。

答案： (1)锌　Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

(2)铜　2H＋＋2e－===H2↑

1．原电池正负极的判断

2．原电池的电极材料“两注意”

(1)注意电解质溶液对电极类型的影响

一般较活泼金属作负极，较不活泼的金属或导电的非金属作正极，但若是较不活泼的金属发生的氧化还原反应设计的原电池，则是较不活泼的金属作负极。例如：镁­铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但若以氢氧化钠为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。

(2)注意电极材料是否参与反应

负极材料不一定参与反应，如燃料电池；负极和正极材料都参与反应，如铅蓄电池。

3．一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。

4．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。

【例1】　如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是(　　)

A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极

B．电极Ⅱ的电极反应式为：Cu2＋＋2e－===Cu

C．该原电池的总反应为：2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋

D．若盐桥中装有含氯化钾的琼脂，则其作用是传递电子

C　[该原电池所发生的反应实质是Fe3＋与Cu的反应，C正确；电极Ⅰ上发生还原反应，作正极，A错；电极Ⅱ为负极，电极反应式为：Cu－2e－===Cu2＋，B错；电子在负极上产生后经导线聚集在正极上被吸收掉，不可能通过溶液和盐桥，D错。]

原电池电极反应式在书写时应注意的问题

(1)电极反应常用“===”而不用“”连接。

(2)电极反应中若有气体生成，需加“↑”，弱电解质或难溶物均以化学式表示，其余以离子符号表示。

(3)注意电解质溶液的酸碱性，酸性溶液中进行的反应，电极反应中不能出现OH－；碱性溶液中进行的反应，电极反应中不能出现H＋，电极反应中出现的离子要与电解质溶液的性质相吻合。

(4)必须遵循质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数相等的规律。

(5)原电池正、负两极的电极反应在得失电子数相等的情况下加和即得总反应(合二为一)；反之，总反应减去其中的一极反应可得另一极反应(一分为二)。

1.如图，在盛有稀硫酸的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法中正确的是  (　　)

A．外电路的电流方向为：X→外电路→Y

B．若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为Fe

C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y

D　[由图示电子流向知X为负极，Y为正极，则电流方向为Y→外电路→X，故A错；若两电极分别为Fe和碳棒，则X为铁，Y为碳棒，B错；负极上失去电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应，C错；若两电极均为金属，活泼金属作负极，故有活动性X>Y。]

2．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)

A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极

B．②中Mg作为正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑

C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋

D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

B　[Mg比Al活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg不反应，而Al可以反应，故②中Al是负极。在浓硝酸中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。在④中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H＋得电子能力强，故Fe失去电子，在Cu极O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。]

1.加快氧化还原反应的速率

例如：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．比较金属活动性的强弱

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。根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．设计原电池

【例2】　依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示。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，发生的电极反应式为_____________；X电极上发生的电极反应式为___________。

(3)外电路中的电子是从________极流向________极。

解析：原电池中负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，盐桥起到形成闭合回路、平衡电荷的作用。由总反应方程式可知电极X的材料是Cu，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐溶液，常用AgNO3溶液。电极反应式如下，负极：Cu－2e－===Cu2＋，正极：2Ag＋＋2e－===2Ag，电子由负极(Cu)流出，经外电路流向正极(Ag)。

答案：(1)Cu　AgNO3溶液

(2)正　2Ag＋＋2e－===2Ag　Cu－2e－===Cu2＋

(3)负(Cu)　正(Ag)

(1)如果将装置图中的两个烧杯换成一个烧杯，还需要CuSO4溶液吗？

(2)正极材料除了用金属Ag，还可以用哪些材料？

提示：(1)不需要，只需要用AgNO3溶液。

(2)还可以用金属Pt、石墨电极等。

3．一个原电池的总反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该反应的原电池的正确组成是(　　)

C　[根据Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu知，Zn发生氧化反应，Zn－2e－===Zn2＋，是电池负极；正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，故正极材料可以是石墨或Cu等，电解质溶液应是可溶性铜盐溶液，C符合。]

1．下列装置不可以组成原电池的是(　　)

A　　　　　　　B

C　　　　　　　D

C　[C中的装置不能形成闭合回路。]

2．关于原电池的说法，正确的是(　　)

A．在正极上发生氧化反应

B．某电极上有氢气产生，则此电极为正极

C．在外电路电子流出的为正极

D．在负极上发生还原反应

B　[A项，正极发生还原反应；B项，产生H2的电极上得电子，发生还原反应，是正极；C项，外电路中电子由负极流出；D项，负极失去电子发生氧化反应。]

3．铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是(　　)

A．正极反应为：Zn===Zn2＋＋2e－

B．电池反应为：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电流从负极流向正极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

B　[电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中涉及的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电流从正极流向负极，C选项错误；在烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中带正电荷的离子增加，为维持电中性，盐桥中的Cl－移向ZnSO4溶液，而K＋应该通过盐桥流向CuSO4溶液所在的右烧杯，D选项错误。]

4．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　[根据装置Ⅰ可确定活动性：a>b；根据装置Ⅱ可确定活动性：b>c；根据装置Ⅲ可确定活动性：d>a。]

5．现有如下两个反应：

(A)NaOH＋HCl===NaCl＋H2O

(B)Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag

(1)根据两反应本质，判断能否设计成原电池：___________。

(2)如果不能，说明其原因：_____________________。

(3)如果可以，则写出正、负极材料及其电极反应式和反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：

负极：________，____________________，____________；

正极：________，____________________，____________；

若导线上转移电子1 mol，则正极质量增加________g，电解质溶液为________。

解析：(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池，(B)是氧化还原反应且能自发进行。

(3)根据电池反应式Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜还不活泼的金属或导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。

答案：(1)(A)不能，(B)可以　(2)(A)为非氧化还原反应，没有电子转移　(3)Cu　Cu－2e－===Cu2＋　氧化反应　碳棒、Ag、Pt、Au(任选一)　2Ag＋＋2e－===2Ag　还原反应　108　AgNO3溶液