高中化学（人教版，选修4） 第四章电化学基础 第一节 原电池

高中化学（人教版，选修4） 第四章电化学基础 第一节 原电池

第四章 电化学基础 第一节　原电池 ‎[目标要求]　1.理解原电池的工作原理，能够写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解半反应、盐桥、内电路、外电路等概念。3.会判断原电池的正、负极，能够利用氧化还原反应设计简单的原电池。‎ 一、原电池 ‎1．原电池定义：将化学能转变为电能的装置。‎ ‎2．实质：将氧化还原反应的电子转移变成电子的定向移动。即将化学能转化成电能。‎ ‎3．简单原电池的构成条件：‎ ‎①活泼性不同的两个电极，②电解质溶液，③形成闭合回路，④能自发进行的氧化还原反应。‎ 二、原电池的工作原理 工作原理：利用氧化还原反应在不同区域内进行，以适当方式连接起来，获得电流。‎ 以铜锌原电池为例：‎ ‎1．在ZnSO4溶液中，锌片逐渐溶解，即Zn被氧化，锌原子失电子，形成Zn2＋进入溶液，从锌片上释放的电子，经过导线流向铜片；‎ CuSO4溶液中，Cu2＋从铜片上得电子，还原成为金属铜并沉积在铜片上。‎ 锌为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；‎ 铜为正极，发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。‎ 总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，反应是自发进行的。‎ ‎2．闭合回路的构成：‎ 外电路：电子从负极到正极，电流从正极到负极，‎ 内电路：溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液，阳离子移向CuSO4溶液。‎ ‎3．盐桥 盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液。当其存在时，随着反应的进行，Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2＋过多，带正电荷。Cu2＋获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2＋过少，SO过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性时，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在就避免了这种情况的发生，其中Cl－向ZnSO4溶液迁移，K＋向CuSO4溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。‎ 知识点一　原电池 ‎1．下列装置中能构成原电池产生电流的是(　　)‎ 答案　B 解析　A、D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项符合原电池的构成条件，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，故不能构成原电池。‎ ‎2．下列各装置能形成原电池的是(　　)‎ 答案　D 解析　判断一个装置能否构成原电池，要看是否符合原电池的构成条件：①电极材料(活动性不同的金属、金属与非金属、金属与金属氧化物)；②电解质溶液；③构成闭合回路；④能自发进行的氧化还原反应。A装置：由于两个电极是同种金属，不能形成原电池；B装置：酒精不是电解质溶液，不能构成原电池；C装置：没有形成闭合回路，不能形成原电池；D装置：符合原电池构成的条件，能形成原电池。‎ 知识点二　原电池的原理 ‎3．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是(　　)‎ A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生 B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极 C．两烧杯中溶液的pH均增大 D．产生气泡的速率甲比乙慢 答案　C 解析　因乙杯中锌片和铜片没有接触，故不能构成原电池，A、B皆错；因甲烧杯中Zn、Cu用导线连接后构成原电池，加快了Zn的溶解，故D错；又因两杯中的Zn都能与稀H2SO4反应产生H2而消耗H＋，故C正确。‎ ‎4．把A、B、C、D四块金属泡在稀H2SO4中，用导线两两相连可以组成各种原电池。A、B相连时，A为负极；C、D相连时，D上有气泡逸出；A、C相连时，A极减轻；B、D相连时，B为正极。则四种金属的活动性顺序由大到小排列为(　　)　　　　　　　　　　　　　‎ A．A>B>C>D B．A>C>B>D C．A>C>D>B D．B>D>C>A 答案　C 解析　金属组成原电池，相对活泼的金属失去电子作负极，相对不活泼的金属作正极。负极被氧化，质量减轻，正极发生还原反应，有物质析出，由题意得活动性A>B、A>C、C>D、D>B，故正确答案为C。‎ 知识点三　原电池的应用 ‎5．一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，则有关此电池推断正确的是(　　)‎ A．通入乙烷的电极为正极 B．参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比为7∶2‎ C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度减少 D．负极反应式为C2H6＋6H2O－14e－===2CO＋18H＋‎ 答案　C 解析　乙烷燃烧的化学方程式为‎2C2H6＋7O2―→4CO2＋6H2O，在该反应中氧气得电子，乙烷失电子，因此通入氧气的电极为正极，而通入乙烷的电极为负极，故A答案错误；反应中参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比应为2∶7，故B答案错误；考虑到该电池是以KOH为电解质溶液的，生成的CO2会和KOH反应转化成K2CO3，反应中消耗KOH，KOH的物质的量浓度减少，故C答案正确；由于该电池是以KOH溶液为电解液的，D答案中负极生成的H＋显然在溶液中是不能存在的，故D答案错误。考虑到电解质溶液的影响，此时该电池的总反应式应为‎2C2H6＋8KOH＋7O2―→4K2CO3＋10H2O，正极反应式为14H2O＋7O2＋28e－===28OH－(正极氧气得电子，理论上形成O2－，但该粒子在水中不稳定，必须以OH－形式存在)，负极反应式可用总反应式减去正极反应式得到：‎2C2H6＋36OH－－28e－===4CO＋24H2O。‎ ‎6．已知电极材料：铁、铜、银、石墨、锌、铝；电解质溶液：CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶 液、硫酸。按要求回答下列问题：‎ ‎(1)电工操作上规定：不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因 ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，能否构成原电池？________。若能，请写出电极反应式，负极：____________________，正极：‎ ‎________________________。(若不能，后两空不填)‎ ‎(3)设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池，要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。‎ 答案　(1)二者连接在一起时，接头处在潮湿的空气中形成原电池而被腐蚀 ‎(2)能　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋‎ ‎(3)‎ 解析　(1)当Cu、Al导线连接时，接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。‎ ‎(2)因为FeCl3能与Cu发生反应：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2，因此根据给出的条件可以设计成原电池，其负极为Cu，反应为Cu－2e－===Cu2＋，正极为石墨，电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。‎ ‎(3)因为总反应式为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，所以负极为Fe，正极可为Cu、Ag或石墨，电解质为稀硫酸，即可画出装置图。‎ 练基础落实 ‎1．下列关于实验现象的描述不正确的是(　　)‎ A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡 B．用锌片作负极，铜片作正极，在CuSO4溶液中，铜片质量增加 C．把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁 D．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出的速率加快 答案　C 解析　铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中，铜片上的H＋获得由铁片传递过来的电子：2H＋＋2e－===H2↑，所以可观察到铜片表面出现气泡；锌片作负极，铜片作正极，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，生成的Cu在铜片上析出使其质量增加；铜片插入FeCl3溶液中，发生的反应是Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，并没有单质铁的析出；向盛有锌粒和盐酸的试管中滴入几滴CuCl2溶液，发生反应Zn＋Cu2＋===Zn2＋‎ ‎＋Cu，置换出的Cu与剩余的Zn接触，置于盐酸中，构成了原电池，加速2H＋＋2e－===H2↑反应，可观察到气泡放出的速率加快。‎ ‎2．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)‎ A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 B．反应开始时，甲中石墨电极上的Fe3＋被还原 C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极 答案　D 解析　由反应2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2可知，反应开始时，甲中Fe3＋发生还原反应，乙中I ‎－发生氧化反应；当电流计读数为零时，则反应达到了平衡状态，此时在甲中溶入FeCl2固体，平衡向逆反应方向移动，乙中I2发生还原反应，则乙中石墨电极为正极；故选D。‎ ‎ 3.以锌片和铜片为两极，以稀硫酸为电解质溶液组成原电池，当导线中通过2 mol电子时，下列说法正确的是(　　)‎ A．锌片溶解了1 mol，铜片上析出1 mol H2‎ B．两极上溶解和析出的物质的质量相等 C．锌片溶解了‎31 g，铜片上析出了‎1 g H2‎ D．锌片溶解了1 mol，硫酸消耗了0.5 mol 答案　A 解析　在涉及原电池的有关计算中，关键是要把握住一点即两极得、失电子数相等。利用这一特点，我们从电极反应式看：负极：Zn－2e－===Zn2＋；正极：2H＋＋2e－===H2↑。当溶解1 mol锌时失去2 mol电子，铜片上析出1 mol氢气得到 2 mol电子，得失电子守恒，这样即可推出A正确。‎ 练方法技巧 ‎4．以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是(　　)‎ A．该电池能够在高温下工作 B．电池的负极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋‎ C．放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移 D．在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体 L ‎ 答案　B 解析　‎ 由葡萄糖微生物燃料电池结构示意图可知，此燃料电池是以葡萄糖为燃料，以氧气为氧化剂，以质子交换膜为隔膜，以惰性材料为电极的一种燃料电池。由于是微生物电池，而微生物的生存温度有一定的范围，所以高温下微生物不一定能够生存，A错误；放电时，负极：C6H12O6被微生物分解成CO2、H＋和电子，电极反应式：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，B正确；负极产生的H＋透过质子交换膜进入正极室，C错误；负极产生的电子沿外电路从负极流向正极，在正极室与H＋和氧气发生反应生成水。总反应方程式为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，由总反应方程式可知：每消耗1 mol氧气，理论上可以生成标准状况下CO2气体‎22.4 L，D错误。‎ ‎5．据报道，我国拥有的完全自主产权的氢氧燃料电池车已在北京奥运会期间为运动员提供了服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是(　　)‎ A．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ B．工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变 C．该燃料电池的总反应方程式为2H2＋O2===2H2O D．用该电池电解CuCl2溶液，产生‎2.24 L Cl2(标准状况)时，有0.1 mol电子转移 答案　D 解析　本题考查燃料电池的工作原理。氧气在正极发生还原反应，A正确；该燃料电池中氢气与氧气反应生成水，KOH没有消耗，也没有生成，故KOH的物质的量不变，但其溶液浓度变小，B正确；H2和O2反应生成水是该电池发生的反应，C正确；CuCl2Cu＋Cl2↑，2Cl－－2e－===Cl2↑，n(Cl2)＝‎2.24 L/‎22.4 L·mol－1＝0.1 mol，n(e－)＝0.2 mol，D错 误。‎ 练综合拓展 ‎6．某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极，但甲同学将电极放入6 mol·L－1的稀H2SO4中，乙同学将电极放入6 mol·L－1的NaOH溶液中，如图所示。‎ ‎(1)写出甲池中发生的有关电极反应的反应式：‎ 负极___________________________________________________________________，‎ 正极___________________________________________________________________。‎ ‎(2)写出乙池中发生的有关电极反应的反应式：‎ 负极____________________________________________________________________，‎ 正极___________________________________________________________________。‎ 总反应离子方程式为______________________________________________________。‎ ‎(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________活动性更强，而乙会判断出________活动性更强(填写元素符号)。‎ ‎(4)由此实验，可得到如下哪些结论？________。‎ A．利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质 B．镁的金属性不一定比铝的金属性强 C．该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值 D．该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变，应具体问题具体分析 ‎(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序表直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案_____________________________________________________________。‎ 答案　(1)Mg－2e－===Mg2＋　2H＋＋2e－===H2↑‎ ‎(2)2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O ‎6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑‎ ‎2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑‎ ‎(3)Mg　Al　(4)AD ‎(5)不可靠　将两种金属电极连上电流表而构成原电池，利用电流表检测电流的方向，从而判断电子的流动方向，再来确定原电池的正、负极 解析　(1)甲池中电池总反应方程式为Mg＋H2SO4===MgSO4＋H2↑，Mg作负极，电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，Al作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。‎ ‎(2)乙池中电池总反应方程式为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极上为Al被氧化生成Al3＋后与OH－反应生成AlO，电极反应式为2Al－6e－＋8OH－===2AlO＋4H2O；正极产物为H2，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑。‎ ‎(3)甲池中Mg为负极，Al为正极；乙池中Al为负极，Mg为正极，若根据负极材料金属比正极活泼，则甲判断Mg活动性强，乙判断Al活动性强。‎ ‎(4)选AD。Mg的金属活动性一定比Al强，金属活动性顺序表是正确的，应用广泛。‎ ‎(5)判断正、负极可根据回路中电流方向或电子流向等进行判断，直接利用金属活动性顺序表判断原电池的正、负极是不可靠的。‎