高中化学选修4之知识讲解_原电池_基础-

原电池

【学习目标】

1、进一步了解原电池的工作原理；

2、能够写出原电池的电极反应式和原电池的总反应方程式。

【要点梳理】

要点一、原电池

1、概念：将化学能转化为电能的装置叫原电池。

【原电池#原电池的组成条件】

2、原电池的构成条件

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)，分别发生氧化和还原反应。

负极：活泼性强，失去电子发生氧化反应。

正极：活泼性弱，溶液中阳离子得到电子发生还原反应。

②电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动形成内电路。

③导线将两电极连接，形成闭合回路。

④有能自发进行的氧化还原反应。

要点诠释：a．原电池中，电极材料可能与电解质反应，也可能与电解质不反应。如图：

b．形成闭合回路的方式有多种，可以是用导线连接两个电极，也可以是两电极直接接触。如图：

要点二、原电池工作原理的实验探究

【原电池#原电池的工作原理】

1、实验设计

①按照图示装置进行实验。请观察两个金属片插入溶液后电流表指针位置的变化、金属电极表面的变化以及溶液温度的变化，分析是否有电流产生。

②按照下图组装实验装置，注意最后将盐桥插入两种电解质溶液中。请观察反应过程中电流表指针位置的变化，判断是否有电流产生，并观察电极表面以及溶液温度的变化情况。

要点诠释：盐桥的作用及优点

a．组成：将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中(不能产生裂隙)，即可得到盐桥。将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。

b．作用：使两个半电池中的溶液连成一个通路。

c．优点：使原电池中的氧化剂和还原剂近乎完全隔离，并在不同区域之间实现了电子的定向移动，使原电池能持续、稳定地产生电流。

2、实验记录

电流产生情况 电极表面变化情况 温度变化情况 能量变化情况

(Ⅰ) 有电流产生 锌片质量减小，同时铜片上有红色物质析出，铜片质量增加 溶液温度升高 化学能转化为电能、热能

(Ⅱ) 有电流产生 锌片质量减小，铜片上有红色物质析出，铜片质量增加 溶液温度不变 化学能转化为电能

3、实验分析

①对于图甲装置

Zn片：Zn－2e－＝Zn2+

Cu片：Cu2++2e－＝Cu

同时在Zn片上，Zn可直接与CuSO4溶液反应，生成Cu与ZnSO4，因此该装置中既有化学能转化为电能，同时也有化学能转化为热能。

②对于图乙所示原电池

锌片：负极，Zn－2e－＝Zn2+(氧化反应)

铜片：正极，Cu2++2e－＝Cu(还原反应)

总化学方程式：Zn+Cu2+＝Cu+Zn2+

4、实验原理分析：(如图所示)

要点三、原电池中电荷移动方向

在原电池构成的闭合电路中，有电荷的流动；从电路的构成方面来说，有外电路上电荷的流动和内电路上电荷的流动；从电荷的类型方面来说，有电子的流动和阴、阳离子的流动，其中的具体情况见图。

要点四、原电池的电极判断

要点诠释：活泼金属在原电池中不一定作负极。

如Mg—Al—NaOH溶液原电池，活泼性Mg＞Al，但此原电池中Al作负极，Mg作正极。负极反应：Al+4OH－－3e－＝AlO2－+2H2O，正极反应：2H++2e－＝H2↑，总反应：2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑。判断一个原电池中的正负极，最根本的方法是：失e－的一极是负极；得e－的一极为正极。

要点五、原电池电极反应式的书写

1、题目给定图示装置

2、题目给定总反应式

①分析化合价，确定电极反应物与产物，按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应的原理，写出正负电极的反应物与产物。

②在电极反应式的左边写出得失电子数，并使左右两边电荷守恒。

③根据质量守恒定律配平电极反应式。

3、几个注意点

①负极材料若不与电解质溶液发生反应，则负极失电子，空气中的O2得电子发生还原反应。

②电极反应式的书写必须遵守离子方程式的书写要求，如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物等均应写成化学式形式。

③注意电解质溶液的成分对正负极反应产物的影响。如负极反应生成的阳离子若与电解质溶液的阴离子反应，则电解质溶液的阴离子应写入电极反应式，例如Fe与Cu在NaOH溶液中形成原电池，负极反应为Fe+2OH－－2e－＝Fe(OH)2。

要点六、原电池原理在化学中的应用

1、设计原电池

从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

关键：

电解质溶液：一般能与负极反应。或者溶解在溶液中的物质(如O2)与负极反应。

电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属作正极。

设计思路：

设计思路 实例

以自发的氧化还原反应为基础 2FeCl3+Cu＝2FeCl2+CuCl2

把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应，从而确定电极反应 氧化反应(负极)：Cu－2e－＝Cu2+；

还原反应(正极)：2Fe3++2e－＝2Fe2+

以两极反应原理为依据，确定电极材料及电解质溶液 负极材料：Cu；

正极材料：石墨或铂或比Cu不活泼的其他金属；

电解质溶液：FeCl3溶液

画出示意图

【原电池#原电池的应用】

2、原电池工作原理的其他应用

①制造种类电池

②金属的腐蚀与防护

③判断金属的活泼性

④加快反应的速率

构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制取H2时，用粗锌与稀H2SO4反应比用纯锌时的速率快。

【典型例题】

类型一：原电池原理及简单应用

例1 （2015 扬州模拟）下图为一原电池装置，下列叙述中正确的是（ ）

①离子在铜片表面被还原；②盐桥中的K+移向ZnSO4溶液；③电流从锌片经导线流向铜片；④铜是正极，铜片上有气泡产生；⑤正极反应为Cu2++2e-=Cu；⑥实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作；⑦将锌片浸入CuSO4溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A．①⑤⑦ B．①③④ C．②⑤⑦ D．④⑥⑦

【思路点拨】判断出原电池的正、负极是解答本题的关键。

【答案】A

【解析】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（电流的方向与之相反），负极、正极的反应分别为负极：Zn-2e-=Zn2+，正极：Cu2++2e-=Cu；盐桥中的阳离子向正极区硫酸铜溶液中迁移，故①、⑤正确，②、③、④错误；取出盐桥后不能构成闭合回路，原电池不能继续工作，⑥错误；无论是否为原电池，反应实质相同，均为氧化还原反应，⑦正确。

【总结升华】原电池原理：

（1）原理图示

（2）正、负极的判断方法：

举一反三：

【原电池#例3】

【变式1】下列变化中属于原电池反应的是 ( )

A．在空气中金属铝表面迅速氧化成保护层

B．镀锌铁表面有划损时，仍然能阻止铁被氧化

C．红热的铁丝与冷水接触，表面形成蓝黑色的保护层

D．锌与稀硫酸反应时，加入少量的CuSO4溶液可使反应加快

【答案】BD

例2 如图所示的原电池装置中，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，则对此装置的下列说法正确的是( )

A．外电路的电流方向为：X→外电路→Y

B．若两电极分别为Zn棒和碳棒，则X为碳棒，Y为Zn棒

C．若两电极都是金属，则它们的活动性为X＞Y

D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

【答案】C

【解析】由图可知电子的流动方向是X→外电路→Y，则电流的方向为Y→外电路→X；X为原电池的负极，Y为正极，X的活动性比Y强；X极应发生氧化反应，Y极应发生还原反应。所以，A、B、D错误，C正确。

举一反三：

【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( )

A．X＞Z＞W＞Y B．Z＞X＞Y＞W C．W＞X＞Y＞Z D．Y＞W＞Z＞X

【答案】A

【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z

＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

类型二：原电池的设计

【原电池#例1】

例3 利用反应Zn+2Fe3+＝Zn2++2Fe2+设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为________，电极反应式为________；负极为________，电极反应式为________。

【答案】Pt 2Fe3++2e－＝2Fe2+ Zn Zn－2e－＝Zn2+ 实验装置图如下：

或

【解析】根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，首先将已知的反应拆成两个半反应(即氧化反应和还原反应)：Zn－2e－＝Zn2+，2Fe3++2e－＝2Fe2+；然后再结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子，可选用Pt或碳棒等，电解质溶液只能选用含Fe3+的电解质溶液，如FeCl3溶液等。

举一反三：

【变式1】（2015 武汉模拟）可以将反应Zn+Br2====ZnBr2设计成原电池，下列4个电极反应：

①Br2+2e-====2Br-，②2Br--2e-====Br2，③Zn-2e-====Zn2+，④Zn2++2e-====Zn，其中表示放电时负极和正极反应的分别是（ ）

A．②和③ B．②和① C．③和① D．④和①

【答案】C

【解析】放电时负极反应物为Zn，失电子被氧化，正极反应物为Br2，得电子被还原。

类型三：电极反应式、电池反应式的书写

例4（2016 北京西城二模）已知某种微生物燃料电池工作原理如图所示。下列有关该电池的说法中，正确的是（ ）