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自主学习·基础知识解疑合探·重难释疑学科素养·实验探究第一节原电池[学习目标]1.了解原电池的工作原理和构成原电池的条件。(重点)2.能正确书写电极反应式和电池反应方程式。(重难点)3.能设计简单的原电池。一、原电池原理1．原电池概念：利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。2．构成条件化学氧化还原3．原电池工作原理(以锌铜原电池为例)装置现象锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出，电流表指针发生偏转电极名称Zn电极—负极Cu电极—正极得失电子失电子得电子偏转逐渐溶解红色物质析出电子流向流出流入反应类型氧化反应还原反应电极反应式Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu总反应式Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu还原流出氧化流入1．原电池的两个电极必须都是金属吗？原电池中盐桥的作用是什么？【提示】原电池中的电极不一定是金属材料，可用石墨等导电非金属作电极。盐桥的作用是利用盐桥中离子的移动，使两个半电池中的溶液形成闭合回路。2．Cu、Ag与稀硫酸能否设计成原电池？【提示】不能。Cu、Ag与稀硫酸不能自发地发生氧化还原反应。二、原电池的设计理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应注意以下几方面。(1)外电路负极(的物质)――→e－导线正极(较稳定的金属或能导电的非金属)。还原性较强(2)内电路将两极浸入溶液中，使正、负离子作。(3)闭合电路定向移动电解质3．根据原电池原理怎样比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱？【提示】将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中，铁片溶解，铜片表面有气泡产生，说明铁比铜活泼。4．中和反应能够放出大量的热，有人设想将其设计成原电池，你认为他能成功吗？【提示】不能成功。中和反应不是氧化还原反应，没有电子转移。1．易误诊断(1)原电池是将化学能转化为电能的装置。()(2)CaO＋H2O===Ca(OH)2是放热反应，可设计成原电池。()(3)原电池正极发生氧化反应，负极发生还原反应。()(4)碳是非金属，故碳棒不能用来作原电池的电极。()【答案】(1)√(2)×(3)×(4)×2．下图中能组成原电池产生电流的是()【解析】A、D两项中电极与电解质溶液之间不发生反应，不能构成原电池。B项符合原电池的三个构成条件，且Zn能与H2SO4溶液反应，两电极发生的反应分别是Zn－2e－===Zn2＋，2H＋＋2e－===H2↑。C项中酒精不是电解质，故不是原电池。【答案】B3．(双选)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－2e－===Zn2＋B．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．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【解析】原电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；在外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。【答案】BC4．下列反应不可用于设计成原电池的是()A．CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2OB．2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2OC．Zn＋2HCl===ZnCl2＋H2↑D．4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3【解析】A项不是氧化还原反应，不能设计成原电池。【答案】A学生分组探究一原电池正、负极的判断方法第1步探究——问题引入，自主探究1．原电池中，电子流出的一极是正极还是负极？【提示】负极。2．若某电极在反应过程中增重，则该电极是原电池的正极还是负极？【提示】正极。第2步阐述——要点归纳，深化知识根据电极材料的活泼性来判断正负极，要注意电解质溶液对原电池正负极的影响。例如，①Mg、Al、NaOH溶液构成的原电池，Al为负极；②Fe(或Al)、Cu、浓HNO3构成的原电池，Cu为负极。第3步例证——典例印证，思维深化某高二化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果如下。试根据下表中的实验现象回答下列问题：编号电极材料电解质溶液电流计指针偏转方向1Mg、Al稀盐酸偏向Al2Al、Cu稀盐酸偏向Cu3Al、石墨稀盐酸偏向石墨4Mg、AlNaOH偏向Mg5Al、Zn浓硝酸偏向Al(1)实验1、2中Al所作的电极是否相同？(2)写出实验3中的电极反应式和电池总反应方程式。(3)实验4中Al作正极还是作负极？为什么？写出Al电极的电极反应式。(4)解释实验5中电流计指针偏向Al的原因。(5)根据实验结果总结：在原电池中金属铝作正极还是作负极受到哪些因素的影响？【解析】一般情况下，较活泼的金属作原电池的负极，根据实验1、2的结果，自然得出实验1中Al作正极，实验2中Al作负极。在NaOH溶液中，Al能与其发生氧化还原反应而Mg不能，故Al作负极。在浓硝酸中由于Al发生钝化，Zn作负极。【答案】(1)不同，实验1中Al作正极，实验2中Al作负极；(2)Al为负极：Al－3e－===Al3＋，石墨为正极：2H＋＋2e－===H2↑，2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑；(3)Al作负极，因为Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，Al＋4OH－－3e－===AlO－2＋2H2O；(4)实验5中由于Al在浓硝酸中发生钝化，所以Zn为负极；(5)与另一电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关。第4步运用——精选习题，落实强化1．对于原电池的电极名称，叙述错误的是()A．发生氧化反应的一极为负极B．正极为电子流入的一极C．比较不活泼的金属为负极D．电流流出的一极为正极【解析】原电池中相对活泼的金属为负极，发生氧化反应；相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极，发生还原反应。【答案】C2．在如图所示的装置中，a的金属活动性比氢要强，b为碳棒，关于此装置的各种叙述不正确的是()A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大B．a是正极，b是负极C．导线中有电子流动，电子从a极流向b极D．a极上发生了氧化反应【解析】电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。因活动性ab(碳棒)，所以a为原电池的负极，b为正极。电极反应式：a(负)极：a－ne－===an＋(氧化反应)b(正)极：nH＋＋ne－===n2H2↑(还原反应)由于正极放电消耗H＋，溶液中c(H＋)减小，pH增大，在外电路中，电子由a极流出经电流表A流向b极。【答案】B3．在如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()MNPA锌铜稀硫酸溶液B铜铁稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液【解析】本题通过电极变化来确定原电池的正负电极，N棒变细，即N极上发生氧化反应，N棒金属较活泼，排除A、D，由M棒变粗，可知B不正确。【答案】C4．(1)下列装置属于原电池的是________。(2)在选出的原电池中，________是负极，发生______反应，________是正极，该极的现象是____________________________。(3)此原电池反应的化学方程式为__________________。【解析】(1)构成原电池的条件：两个活泼性不同的电极；电解质溶液；形成闭合回路；自发进行的氧化还原反应。根据此条件知，⑤属于原电池。(2)(3)在⑤中，Fe为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，Cu表面有气泡冒出，反应实质为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑。【答案】(1)⑤(2)Fe氧化CuCu表面有气泡产生(3)Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑学生分组探究二原电池原理的应用第1步探究——问题引入，自主探究1．若纯锌与粗锌(含Fe、C等)分别与同浓度的稀H2SO4反应制取H2，哪种方法产生H2的速率快？【提示】粗锌。2．将金属a、b用导线相连插入稀H2SO4中，发现b上产生气泡，则a与b相比较，谁更活泼？【提示】a。第2步阐述——要点归纳，深化知识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．比较金属活动性强弱例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀硫酸中，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ab。3．用于金属的防护如要保护一个铁闸，可用导线将其与一锌块相连，使锌作原电池的负极，铁闸作正极。4．设计化学电池例如：以2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2为依据，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。电极反应式为：负极：Cu－2e－===Cu2＋正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋(2)确定电极材料若发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极[若为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极]。正极的电极材料必须不如负极材料活泼。(3)确定电解质溶液一般选用反应物中的电解质溶液即可。如本例中可用FeCl3溶液作电解液。(4)构成闭合回路。第3步例证——典例印证，思维深化(2013·广东高考)原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)；铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图(如图所示)，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。(2)以铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极________。(3)甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________，其原因是_______________________________。【解析】(1)因为电子的流向是从左到右，所以可以这样设计原电池：左侧烧杯内盛放FeSO4溶液，电极用铁片(或左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液，电极用锌片)，右侧烧杯内盛放CuSO4溶液，电极用铜片，即可实现反应Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu(或Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4)。(2)由所给的电极材料可知，当铜片作电极时，铜片一定是正极，则负极是活泼的金属(失电子，发生氧化反应)，反应现象是电极逐渐溶解，表面有红色固体析出。(3)以锌片和铜片作电极为例，如果不用盐桥，则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应，会使部分化学能以热能的形式转化掉，而盐桥的使用可以避免锌和铜离子的直接接触，从而避免了化学能转化为热能，提高电池效率。【答案】(1)(2)逐渐溶解(质量减少)(3)甲甲使用了盐桥，避免负极金属直接与溶液中的铜离子反应而造成能量损失第4步运用——精选习题，落实强化1．一个原电池反应的离子方程式是Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该原电池的正确组成是()ABCD正极ZnCuCuZn负极CuZnZnCu电解质溶液CuCl2溶液H2SO4溶液CuSO4溶液CuCl2溶液【解析】本题考查原电池的组成。活泼金属为负极，且能与电解质溶液自发地发生氧化还原反应。【答案】C2．某原电池总反应离子方程式为：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池是()A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液B．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液C．正极为Ag，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CuSO4溶液【解析】由2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋得出负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，可知负极材料为铁，正极材料为比铁不活泼的导体，电解质溶液中必须有Fe3＋，故D选项不能满足要求。【答案】D3．X、Y、Z、W四块金属板分别用导线两两相连浸入稀硫酸中构成原电池。X、Y相连时，X为