第一節原電池第1課時原電池的工作原理[核心素養發展目標]1.理解原電池的工作原理，能根據電極反應、電流方向或離子的移動方向判斷原電池的正極和負極。2.能設計簡單的原電池并能理解原電池工作原理的應用。一、原電池的工作原理1．實驗探究含鹽橋的鋅銅原電池的工作原理(1)實驗現象：兩種電池均產生電流，鋅片逐漸溶解，銅片上有紅色物質生成，電流表指針發生偏轉。(2)實驗結論：兩種裝置均能構成原電池，將化學能轉化成電能。(3)分析上述原電池的工作原理負極正極電極材料鋅片銅片電極反應Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反應類型氧化反應還原反應電池總反應Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋電子流向由鋅極通過導線流向銅極離子移向陽離子移向正極，陰離子移向負極(4)根據以上實驗探究回答下列問題：①鹽橋(裝有含KCl飽和溶液的瓊脂)中離子移動方向：Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液。鹽橋在原電池裝置中的作用是形成閉合回路，平衡電荷，產生穩定電流。②對比圖Ⅰ與圖Ⅱ兩裝置，能更有效地將化學能轉化為電能的是圖Ⅱ，其原因是圖Ⅰ裝置中負極直接與CuSO4溶液接觸，導致部分化學能轉化為熱能，產生的電流強度小。2．原電池(1)定義：把化學能轉化為電能的裝置。(2)構成條件(1)理論上，任何的氧化還原反應都可設計成原電池()(2)在原電池中，發生氧化反應的一極一定是負極()(3)在鋅銅原電池中，因為有電子通過電解質溶液形成閉合回路，所以有電流產生()(4)一般來說，帶有“鹽橋”的原電池比不帶“鹽橋”的原電池效率高()(5)利用圖1能實現Cu＋H2SO4=CuSO4＋H2↑()(6)圖2能驗證鋅與硫酸銅反應過程中有電子轉移()答案(1)×(2)√(3)×(4)√(5)×(6)√(1)下列反應理論上能設計成原電池的是__________(填序號)。①HCl＋NaOH=NaCl＋H2OΔH＜0②2CH3OH(l)＋3O2(g)=2CO2(g)＋4H2O(l)ΔH＜0③4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)=4Fe(OH)3(s)ΔH＜0答案②③(2)下列裝置中，能構成原電池的是______(填序號)，能構成原電池的指出電極的名稱并寫出電極反應式。答案①②⑤①Cu是正極：2H＋＋2e－=H2↑；Fe是負極：Fe－2e－=Fe2＋。②Zn是負極：Zn－2e－=Zn2＋；Fe是正極：Cu2＋＋2e－=Cu。⑤Ag是正極：Ag＋＋e－=Ag；Cu是負極：Cu－2e－=Cu2＋。原電池中正、負極的判斷判斷依據負極正極電子流動方向電子流出極電子流入極電解質溶液中陰、陽離子定向移動的方向陰離子移向的電極陽離子移向的電極電流方向電流流入極電流流出極兩極發生的反應失電子，發生氧化反應得電子，發生還原反應電極材料一般是活動性較強的金屬活動性較弱的金屬或能導電的非金屬二、原電池工作原理的應用1．加快化學反應速率當試管a中滴入少量CuSO4溶液后，觀察到其中產生氣泡的速率較試管b中的________，其原因是____________。答案快CuSO4溶液與鋅發生置換反應生成Cu，從而形成微小鋅銅原電池，加快產生H2的速率2．比較金屬的活動性強弱原電池的兩極為兩種不同金屬時，一般作負極的金屬比作正極的金屬活潑(注意電解質溶液的種類)。3．設計原電池的一般思路首先將氧化還原反應拆分成氧化反應和還原反應兩個半反應。其次確定正、負極選擇電極材料，還原劑(一般為比較活潑的金屬)為負極，比較不活潑的金屬或惰性電極為正極。最后用導線連接兩個電極并插入電解質溶液形成閉合回路，如果兩個半反應分別在兩個容器中進行，中間應用鹽橋連接。1．某單液原電池的總反應為Cu＋2Ag＋=Cu2＋＋2Ag，下列關于該反應的電池設計正確的是()A．正極材料為Cu，電解質溶液為CuCl2B．負極材料為Ag，電解質溶液為AgNO3C．正極材料為C，電解質溶液為AgNO3D．負極材料為Cu，電解質溶液為CuSO4答案C解析由總反應式可知，Cu的化合價升高，失電子，Cu作負極，A、B錯誤；C與AgNO3不反應，電解質溶液中的Ag＋在正極得電子生成Ag，符合電池總反應，C正確，D錯誤。2．有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現象如下：實驗裝置部分實驗現象a極質量減小，b極質量增加b極有氣體產生，c極無變化d極溶解，c極有氣體產生電流從a極流向d極由此可判斷這四種金屬的活動性順序是____________。答案d＞a＞b＞c解析由第一個裝置a極質量減小可知，a極是負極，金屬活動性：a>b；第二個裝置依據氧化性、還原性的規律推出金屬活動性：b>c；第三個裝置的金屬活動性：d>c；由第四個裝置電流流向：a→d，故金屬活動性：d>a。綜上所述，這四種金屬的活動性順序是d>a>b>c。3．利用反應2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2，設計一個原電池裝置。(1)在下圖方框中畫出兩種原電池裝置圖，標明電極材料和電解質溶液。單液原電池裝置圖帶鹽橋的雙液原電池裝置圖(2)寫出電極反應式。負極：________________________________________________________________________。正極：________________________________________________________________________。答案(1)(說明：正極材料除石墨外，還可以用銀、金、鉑等)(2)Cu－2e－=Cu2＋2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋4．某探究活動小組想利用原電池反應檢測金屬的活動性順序，有甲、乙兩位同學均使用鎂片與鋁片作電極，但甲同學將電極放入6mol·L－1稀硫酸中，乙同學將電極放入6mol·L－1NaOH溶液中，如圖所示。(1)如果甲與乙兩位同學均認為“構成原電池的電極材料若是金屬，則構成負極材料的金屬應比構成正極材料的金屬活潑”，則甲會判斷出__________(填寫元素符號，下同)活動性更強，而乙會判斷出________活動性更強。由此實驗，可得到的結論是_________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)上述實驗也反過來證明了“利用金屬活動性順序直接判斷原電池中正、負極”的做法__________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，則請你提出另一個判斷原電池正、負極可行的實驗方案：_________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)MgAl利用原電池反應判斷金屬活動性順序時應注意選擇合適的電解質(2)不可靠在兩電極之間連上一個電流表，測電流方向，判斷原電池的正、負極(選擇題1～12題，每小題6分，共72分)題組一原電池的工作原理1．下列關于原電池的敘述錯誤的是()A．原電池中的電解質不一定處于液態B．若欲使原電池處于工作狀態，必須使其與外電路形成閉合回路C．金屬活動性順序中，排在前面的金屬總是作負極，排在后面的金屬總是作正極D．負極總是發生氧化反應，正極總是發生還原反應答案C解析原電池中的電解質不一定處于液態，也可以是固態或糊狀物，A正確；金屬活動性順序中，排在前面的金屬不一定總是作負極，排在后面的金屬也不一定總是作正極，例如鐵、銅和濃硝酸構成的原電池中鐵是正極，銅是負極，C錯誤；原電池中負極總是失去電子，發生氧化反應，正極總是得到電子，發生還原反應，D正確。2．下列裝置能組成原電池的是()答案C解析形成原電池的條件有四個：①兩個活潑程度不同的導電電極，②電極浸入電解質溶液，③形成閉合回路，④發生自發的氧化還原反應。A中兩電極均為Zn，活潑程度相同，B中塑料棒不導電，D中酒精不是電解質溶液，故A、B、D均錯。3．下列有關原電池負極的說法正確的是()A．一定是活潑金屬B．工作時電極本身一定被氧化C．工作時一定有電子流出D．一定帶負電荷答案C4.用銅片、銀片、CuSO4溶液、AgNO3溶液、導線和鹽橋(裝有瓊脂-KNO3的U形管)構成一個原電池。下列有關該原電池的敘述正確的是()①銅電極的質量減少②正極反應為Ag＋＋e－=Ag③在外電路中，電流由銅電極流向銀電極④實驗過程中取出鹽橋，原電池仍繼續工作A．①②B．②③C．②④D．③④答案A解析金屬活動性：Cu>Ag，Cu為負極，失去電子，Cu－2e－=Cu2＋，①正確；Ag為正極，得到電子，Ag＋＋e－=Ag，②正確；電子經外電路流向銀電極，電流由銀電極流向銅電極，③錯誤；取出鹽橋不能形成閉合回路，不能構成原電池，④錯誤。5.如圖所示，兩電極一為碳棒，一為鐵片，若電流表的指針發生偏轉，且a極上有大量氣泡生成，則下列敘述正確的是()A．a為負極，是鐵片，燒杯中的溶液為稀硫酸B．b為負極，是鐵片，燒杯中的溶液為硫酸銅溶液C．a為正極，是碳棒，燒杯中的溶液為稀硫酸D．b為正極，是碳棒，燒杯中的溶液為硫酸銅溶液答案C解析在鐵片、碳棒形成的原電池中，a極上有大量氣泡生成，可判斷a為原電池的正極(碳棒)，b為原電池的負極(鐵片)，電解質溶液為稀硫酸，不可能是硫酸銅溶液，C符合題意。題組二原電池工作原理的應用6．下列方法可以加快鐵和稀硫酸的反應速率的是()A．加入少量ZnSO4固體B．加入少量水C．加入少量CuSO4固體D．用98%的濃硫酸代替稀硫酸答案C解析加入少量ZnSO4固體，不會改變反應物的濃度，不會改變反應速率，故A不選；加水，溶液的體積增大，反應物的濃度減小，反應速率減小，故B不選；加入少量CuSO4固體，會發生反應置換出銅，形成原電池，使反應速率加快，故C選；濃硫酸在常溫下使鐵鈍化，D不選。7．(2023·湖南邵東高二期中)一個原電池的總反應的離子方程式是Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，該原電池的正確組成是()ABCD正極ZnCuZnC負性CuZnAgZn電解質溶液CuCl2溶液H2SO4溶液CuSO4溶液CuCl2溶液答案D解析根據總反應可知Zn為負極，正極為活動性比Zn弱的金屬或可導電非金屬，電解質溶液中含Cu2＋，只有D項符合題意。8．(2023·石家莊實驗中學月考)用A、B、C、D四種金屬按表中裝置進行實驗，下列敘述正確的是()實驗裝置甲乙丙實驗現象A不斷溶解C的表面有紅色固體析出A上有氣泡產生A.裝置甲中的B金屬是原電池的負極B．裝置乙中，外電路中電流的流向為B→CC．裝置丙中溶液里的SOeq\o\al(2－,4)移向AD．四種金屬的活動性由強到弱的順序是D>A>B>C答案D解析裝置甲中A不斷溶解，則A為負極，B為正極，A錯誤；裝置乙中C的表面有紅色固體析出，則C為正極，B為負極，外電路中電流方向：C→B，B錯誤；裝置丙中A上有氣泡產生，則A為正極，D為負極，溶液中SOeq\o\al(2－,4)向D移動，C錯誤。9.鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過。下列有關敘述正確的是()A．銅電極上發生氧化反應B．電池工作一段時間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))減小C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加D．陰、陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡答案C解析鋅電極是原電池的負極，發生氧化反應，銅電極是原電池的正極，發生還原反應，A項錯誤；陽離子交換膜不允許陰離子通過，所以電池工作一段時間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))不變，B、D項錯誤；乙池中發生的電極反應為Cu2＋＋2e－=Cu，溶液中Cu2＋逐漸減少，為維持溶液中的電荷平衡，Zn2＋會不斷移向乙池，使溶液質量增加，C項正確。10．實驗探究是提高學習效果的有力手段。某同學用如圖所示裝置研究原電池原理，下列說法錯誤的是()A．若將圖1裝置的Zn、Cu下端接觸，Zn片逐漸溶解，Cu片上能看到氣泡產生B．圖2中H＋向Cu片移動C．若將圖2中的Zn片改為Mg片，Cu片上產生氣泡的速率加快D．圖2與圖3中，Zn片減輕的質量相等時，正極產物的質量比為32∶1答案D解析Zn、Cu直接接觸能構成閉合回路而形成原電池，稀硫酸作電解質溶液，所以Cu片上可看到有氣泡產生，A正確；H＋帶正電荷，向正極移動，即向Cu片移動，B正確；由于Mg失電子能力強于Zn，所以將Zn片改為Mg片時，電子轉移速率加快，生成H2的速率也加快，C正確；若兩裝置負極消耗Zn的質量均為65g，圖2正極產生2gH2，圖3正極上析出64gCu，正極產物的質量比為1∶32，D錯誤。11．鋰電池是一代新型高能電池，它以質量輕、能量高而被重視，目前已研制成功多種鋰電池。某種鋰電池的總反應方程式為Li＋MnO2=LiMnO2，下列說法正確的是()A．Li是正極，電極反應式為Li－e－=Li＋B．Li是負極，電極反應式為Li－e－=Li＋C．MnO2是負極，電極反應式為MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是負極，電極反應式為Li－2e－=Li2＋答案B解析根據鋰電池的總反應式Li＋MnO2=LiMnO2，失電子的金屬Li為負極，電極反應式為Li－e－=Li＋，A、D錯誤，B正確；MnO2是正極，電極反應式為MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)，C錯誤。12．硝酸汞和碘化鉀溶液混合后會生成紅色的碘化汞沉淀，為了探究硝酸汞和碘化鉀溶液之間能否發生氧化還原反應，研究人員設計了如圖的實驗裝置，結果電流表指針發生了偏轉，下列分析正確的是()A．如圖裝置的電流方向是從C1到C2B．C1是負極，發生的反應是2I－－2e－=I2C．鹽橋中的K＋向C1電極移動D．裝置發生的總反應是Hg2＋＋2I－=HgI2↓答案B解析電流表指針發生偏轉說明有電流形成，此裝置為原電池，I－具有還原性，C1作負極，電極反應為2I－－2e－=I2，B正確；C2作正極，溶液中Hg2＋得電子，Hg2＋＋2e－=Hg，發生還原反應，電流方向是從正極(C2)流向負極(C1)，A錯誤；為保持硝酸汞溶液電荷守恒，鹽橋中陽離子移向硝酸汞溶液(C2電極)，C錯誤；裝置發生的總反應為Hg2＋＋2I－=Hg＋I2，D錯誤。13．(16分)某同學在做原電池原理的實驗時，有如下實驗步驟：①用導線將靈敏電流表的兩端分別與純凈的鋅片和銅片相連接(如圖1)；②把一塊純凈的鋅片插入盛有稀硫酸的燒杯中；③把一塊純凈的銅片插入盛有稀硫酸的燒杯中；④用導線把鋅片和銅片連接起來后，再平行地插入盛有稀硫酸的燒杯中(如圖2)。回答下列問題：(1)實驗步驟①中觀察到的現象是____________________________________________。(2)實驗步驟②中觀察到的現象是_____________________________________________。(3)實驗步驟③中觀察到的現象是_____________________________________________。(4)實驗步驟④中觀察到的現象是_____________________________________________。(5)通過實驗步驟④該同學頭腦中有了一個猜想，該猜想是___________