资料简介
第2课时 化学反应能量转化的
重要应用——化学电池
一、原电池的构造及原理
1.原电池原理
(1)原电池:一种利用_____________将_____________________的装置。
(2)原电池原理
①氢氧燃料电池
氧化还原反应 化学能直接转化成电能
②原电池原理(以氢氧燃料电池为例)
实验装置
原电池原理 还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生_____反应和
_____反应,并通过能导电的物质形成_________产生_____
两极反应
负极 氢气_______,发生_____反应
正极 氧气_______,发生_____反应
电子转移 电子由___极通过导线流向___极,形成电流
氧化
还原 闭合回路 电流
失电子 氧化
得电子 还原
负 正
2.原电池的构造
【自主探索】1.(情境思考)燃料电池是利用燃料(如H2、CO、CH4等)跟氧气反应
从而将化学能转化成电能的装置。
如图是关于CO空气燃料电池(KOH作电解质)
完成下列表格
a极 为______极 发生______ 通入______
b极 为______极 发生______ 通入______
内电路中钾离子移动方向 由a极向b极移动
提示:一氧化碳空气燃料电池中,一氧化碳为负极,发生氧化反应;氧气为正极,发
生还原反应;外电路中电子由负极流向正极;内电路中阳离子向正极移动,阴离子
向负极移动。
答案:
a极 为负极 发生氧化反应 通入一氧化碳气体
b极 为正极 发生还原反应 通入空气
内电路中钾离子移动方向 由a极向b极移动
2.(教材二次开发)教材中描述“此外,还要有能传导电荷的电解质(如稀硫酸)
作为离子导体;而导线则作为电子导体,起到传导电子形成闭合回路的作用。”
那么电解质溶液导电与导线导电的原理是否相同?
提示:不同。电解质溶液导电的过程是电解质中的阴阳离子定向移动的过程;
而导线导电的过程是金属中电子定向移动的过程。
二、设计原电池及原电池的分类
1.原电池的设计
(1)基本思路
(2)具体流程
(3)设计铜锌原电池
①设计依据:Zn+2H+====Zn2++H2↑
②实验装置图
③设计思路及依据
确定负极
负极反应物 锌片
负极材料 锌片
确定正极
正极反应物 氢离子
正极材料 铜片
构成闭
合回路
离子导体 稀硫酸
电子导体 导线
④实验现象
电流表指针 指针发生偏转
锌电极 锌片质量_____
铜电极 有气泡冒出
减少
⑤电极反应方程式:
负极:Zn-2e- ====
正极:2H++2e-====H2↑
2Zn
2.原电池的分类
【自主探索】 铜-锌-稀硫酸组成的原电池,在实际操作中发现两极表面都有气
泡冒出,原因是什么?
提示:由于负极材料锌与电解质溶液稀硫酸接触,有一部分金属锌与稀硫酸在锌
电极表面直接发生氧化还原反应生成硫酸锌与氢气,因此在锌电极表面有气泡冒
出。
(情境思考)若将上述铜锌原电池的电解质溶液改为硫酸铜溶液,试分析其实验
现象和工作原理。
(1)装置
(2)实验现象
电流表指针 电极表面变化情况
发生______ 锌片质量________,铜片质量________
(3)实验分析
电极名称 负极 正极
电极材料 ________片 ________片
电极反应 ______ ______
反应类型 ________反应 ________反应
电子流向 由________片沿导线流向________片
离子迁
移方向
阴离子向 ________极迁移;
阳离子向 ________极迁移
电池反应
方程式 __________
提示:该装置中负极材料为锌,正极材料为铜,负极上锌失去电子发生氧化反应,
正极铜电极上铜离子发生还原反应生成金属铜。
(2)实验现象
电流表指针 电极表面变化情况
发生_____ 锌片质量_____,铜片质量_____偏转 减少 增加
(3)实验分析
电极名称 负极 正极
电极材料 ___片 ___片
电极反应 ______________ ______________
反应类型 _____反应 _____反应
电子流向 由___片沿导线流向___片
离子迁
移方向
阴离子向___极迁移;
阳离子向___极迁移
电池反应
方程式 _________________
Zn Cu
Zn-2e-====Zn2+ Cu2++2e-====Cu
氧化 还原
锌 铜
负
正
Zn+Cu2+====Zn2++Cu
知识点一 原电池的原理及电极的判断
1.原理(以铜锌原电池为例)
2.正负极的判断
【规律方法】设计原电池的方法
(1)依据:已知一个氧化还原反应,首先分析找出氧化剂、还原剂,一般还原剂为
负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还
原。
(2)选择合适的材料
①电极材料:电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料,或者在
该氧化还原反应中,本身失去电子的材料。
②电解质溶液:电解质溶液一般能与负极反应。
【易错提醒】判断正负极时应注意的几个问题
(1)活泼性强的不一定是负极,如镁和铝放入氢氧化钠溶液中形成原电池,铝是
负极;铜和铝放入浓硝酸中形成原电池,由于铝的钝化,铜是负极。
(2)燃料电池中电极不参与反应,通入燃料的一极为负极,通入助燃剂(一般为氧
气)的一极为正极。
(3)如果给了电池反应,正负极还可以根据化合价的改变来判断,化合价升高的
物质失电子,为负极;化合价降低的物质得电子,为正极。
【合作探究】
(1)(教材二次开发)教材“观察思考”中图a和b所发生的反应是否为可逆反应?
两装置在反应过程中的能量转化是怎么样的?(宏观辨识与微观探析)
提示:a过程需要通电,b过程不需要任何条件,由此可以看出,两装置的条件不同,
因此不属于可逆反应;a装置中电能转化为化学能,b装置中化学能转化为电能。
(2)(思维升华)判断原电池的正负极时,一定是活泼金属为负极吗?(宏观辨识与
微观探析)
提示:不是。在判断原电池正、负极时,不要只根据金属活泼性强弱,还要考虑
电解质溶液,如Mg—Al和NaOH溶液构成原电池,Al作负极而Mg作正极,Al—Cu和
浓HNO3构成原电池,Cu作负极而Al作正极。
(情境应用)如图为某原电池装置图
写出下表中原电池装置的电极反应式和总的化学反应方程式:(科学探究与创新
意识)
A电极 B电极 电解质溶液甲
① 铁 铜 稀硫酸
② 铜 银 硝酸银
①该电池的正极材料为____________________________________________,
电极反应式为______________________________________________________;
该电池的负极材料为______________________________________________,
电极反应式为______________________________________________________;
总反应方程式____________________________________________________。
提示:铜 2H++2e-====H2↑ 铁 Fe-2e-====Fe2+ Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑
②该电池的正极材料为______________________________________________,
电极反应式为______________________________________________________;
该电池的负极材料为_______________________________________________,
电极反应式为______________________________________________________;
总反应方程式_____________________________________________________。
提示:银 2Ag++2e-====2Ag 铜 Cu-2e-====Cu2+ Cu+2AgNO3====Cu(NO3)2+2Ag
【典例示范】
【典例】(2020·德州高一检测)某同学为了探究原电池产生电流的过程,设计
了如图实验。
(1)打开K,观察到的现象为_________________________________________。
(2)关闭K,观察到的现象是__________________________________________。
此电池负极的电极反应式为________________________________________。
(3)关闭K,溶液中阳离子向________(填“Zn”或“C”)极移动,外电路中,电子
流动方向是________。
【解题指南】解答本题需要注意以下两点。
(1)若两电极不连接,则能反应的金属独立于电解质溶液发生反应;
(2)若两金属连接,则形成原电池,活泼金属作负极。
【解析】(1)打开K,锌与硫酸铜接触,置换出铜,所以可以看到锌棒上附着有红
色固体。(2)关闭K,形成原电池,锌作负极,碳作正极,溶液中的铜离子在碳棒上
得到电子生成铜,看到碳棒上附着有红色固体;负极反应为Zn-2e-====Zn2+。(3)
关闭K,溶液中的阳离子向正极移动,即向碳棒移动,电子从锌出来经过导线流向
碳棒。
答案:(1)锌棒上附着有红色固体
(2)碳棒上附着有红色固体 Zn-2e-====Zn2+
(3)C Zn→C(或负极→正极)
【规律方法】
解答原电池原理型题目的解题步骤如下:
【素养训练】 微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,
有一种银锌电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电极反应为
Zn+2OH--2e-====ZnO+H2O,Ag2O+H2O+2e-====2Ag+2OH-,总反应为Ag2O+Zn====
ZnO+2Ag。根据反应式回答问题:
(1)两极材料分别是什么?
(2)外电路中电子的流向是什么?
(3)当通过电路1 mol电子时,负极消耗物质的质量是多少?
(4)在使用过程中,电解质溶液中KOH的物质的量如何变化?
提示:(1)根据电极反应可知Zn失电子被氧化而溶解,Ag2O得电子被还原发生还原
反应,所以,负极为Zn,正极为Ag2O。(2)发生原电池反应时,电子由负极经外电路
到正极,即电子从Zn极经外电路到Ag2O极。(3)当通过电路1 mol电子时,负极消
耗Zn的质量是32.5 g。(4)电池中KOH只起到增强导电的作用,不参与反应,故电
池使用过程中KOH的物质的量不变。
知识点二 原电池原理的应用
【规律方法】金属活泼性强弱的判断方法
(1)与水或酸反应置换出氢气的难易程度。
(2)最高价氧化物对应的水化物的碱性强弱。
(3)置换反应。
(4)阳离子氧化性的强弱。
(5)通常情况下原电池中负极金属活泼性强于正极。
【合作探究】
(思维升华)等质量的两份锌粉a、b,分别加入两支相同的试管中,然后加入等体
积等物质的量浓度且均过量的稀硫酸,同时向a中加入少量CuSO4溶液,则产生氢
气的体积(V)与时间(t)的关系用图象表示如图。
试解释出现这种图象的原因。(证据推理与模型认知)
提示:等质量的两份锌粉中,加入等体积等物质的量浓度且均过量的稀硫酸,同
时向a中加入少量CuSO4溶液,则a中发生的反应有Zn+Cu2+====Zn2++Cu,
Zn+2H+====Zn2++H2↑,由于置换出来的Cu与Zn在稀硫酸中构成原电池,所以,a中
的反应速率比b中的反应速率大,即反应完成所需的时间短,但Cu2+消耗了少量的
Zn,a中产生的H2比b中产生的H2少。b中只发生反应:Zn+2H+====Zn2++H2↑。
(情境应用)利用原电池原理可以比较金属的活泼性顺序,某实验小组拟用原
电池原理比较①②③④四种金属的活泼性顺序,该小组同学将四种金属片两两
相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时,外电路电流从②流向①;①③
相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。
据此判断这四种金属活泼性由大到小的顺序是什么?(证据推理与模型认知)
提示:①②相连时,外电路电流从②流向①,则金属活泼性①大于②;①③相连时,
③为正极,则金属活泼性①大于③;②④相连时,②上有气泡逸出,则金属活泼性
④大于②;③④相连时,③的质量减少,则金属活泼性③大于④,故金属活泼性由
大到小的顺序为①③④②。
【典例示范】【典例】(2020·盐城高一检测)分别按图甲、乙所示装置进行实
验,两个烧杯里的溶液为同浓度的稀硫酸,甲中A为电流表。请回答下列问题:
(1)下列叙述正确的是 ( )
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片作正极,乙中铜片作负极
C.两烧杯中溶液的H+浓度均减小
D.甲产生气泡的速率比乙的慢
(2)甲装置中的能量转化形式:________能转化为________能,乙装置中的能量
转化形式:______能转化为________能。
(3)某同学发现甲装置中不仅铜片上有气泡产生,且锌片上也产生了气泡,除了
可能是Zn与稀硫酸直接反应,还可能的原因是
。
(4)在甲装置中,若把稀硫酸换成CuSO4溶液,试写出铜电极的电极反应
。
【解题指南】解答本题注意以下两点:
(1)形成原电池可以加快化学反应速率;
(2)原电池中较为活泼的电极为负极。
【解析】(1)甲装置为原电池,乙中Zn与稀硫酸接触反应;甲装置中铜片作正
极,H+在铜片上得电子被还原为H2,形成原电池后产生气泡的速率比乙装置中产
生气泡的速率快;随着两烧杯溶液中H+不断被消耗,溶液中的H+浓度均减小。(2)
甲装置中,锌、铜及稀硫酸形成原电池,是将化学能转化为电能,乙装置主要是
锌与稀硫酸反应,该反应是将化学能转化为热能。(3)锌片上产生气体,原因可
能是锌片不纯,锌与杂质形成原电池。(4)若将稀硫酸换成CuSO4溶液,则铜片上
会析出Cu。
答案:(1)C (2)化学 电 化学 热 (3)锌片不纯,锌与杂质形成原电池
(4)Cu2++2e-====Cu
【母题追问】(1)上题甲中若锌电极减少6.5 g,铜电极上生成氢气在标准状况
下的体积为多少升?
提示:原电池的电路及两极转移电子的物质的量相等,当甲装置的锌电极上溶解
6.5 g锌时电路中转移0.2 mol的电子,此时铜电极上有0.1 mol氢气生成,其在
标准状况下的体积为2.24 L。
(2)若将甲中的铜电极改为银电极,电极改变前后两装置产生气体的速率一样快
吗?
提示:由于铜与锌的活泼性差异小于银与锌,因此银锌电池的电压更大,放出气
体的速率更快。
【素养训练】
利用生活或实验室中常用物品,根据氧化还原反应知识和电学知识,自己动手
设计一个原电池。实验原理:Fe+2H+====Fe2++H2↑。
(1)如何选择电池的正负极材料?
(2)如何选择离子导体?除了以上物质还缺少什么实验用品(已有耳机)?
(3)实验装置如图:
①按如图所示连接好实验仪器,注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出,如果没
有,可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意:接触的同时
耳机的另一个极是连接在原电池的另一个电极上的),这时可以听见耳机发出
“嚓嚓嚓”声音。其原因是在原电池中,由化学能转化为什么能?
②如果将装置中的耳机改为电流计,则铁钉应该接电流计的什么极?电极反应是
什么?另一极应该接电流计的什么极?发生氧化反应还是还原反应?
【解析】(1)原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。负极应用铁钉或
铁条,正极可选铜棒、铜钉或石墨(如铅笔芯)等。
(2)离子导体可以选择稀硫酸溶液,应盛放在烧杯中,电子导体应用导线。
(3)原电池是将化学能转化为电能的装置,电流计的负极应与电源负极相连,负
极发生氧化反应,正极发生还原反应。
答案:(1)负极:铁钉或铁条 正极:铜钉(其他的惰性电极如铅笔芯、铂等都正
确) (2)稀硫酸 烧杯、导线 (3)①电能 ②负极 Fe-2e-====Fe2+ 正极
还原反应
【课堂小结】
【三言两语话重点】
(1)原电池是将化学能转化为电能的装置。
(2)原电池的形成条件是:电极、电解质溶液及闭合回路、自发的氧化还原反应。
(3)原电池的两极分别是正极和负极,其中负极是失去电子、发生氧化反应、电
子流出的电极。
(4)根据化合价变化选择了电极,然后选择电解质溶液就可以设计原电池。
1.(教材二次开发·教材习题改编)对于锌、铜和稀硫酸组成的原电池(如图),
下列有关说法错误的是 ( )
A.溶液中H+向负极移动
B.电子由Zn经外电路流向Cu
C.Zn电极反应:Zn-2e-====Zn2+
D.Cu是正极
【解析】选A。原电池中的阳离子移向正极(Cu),负极锌发生氧化反应,电子由
负极流向正极,选A。
2.某化学实验小组学习了原电池后,根据原电池的形成条件,四个实验小组分别
设计了如下所示的四个装置,其中,有电流产生的是 ( )
【解析】选C。A项两电极材料相同,B项没有构成闭合回路,D项中四氯化碳为非
电解质。
3.已知空气—锌电池的电极反应如下:锌电极:Zn+2OH--2e-====ZnO+H2O;石墨电
极: O2+H2O+2e-====2OH-。可以判断石墨电极是 ( )
A.负极,发生还原反应 B.正极,发生氧化反应
C.负极,发生氧化反应 D.正极,发生还原反应
【解析】选D。空气—锌电池中,失去电子的一极是负极,发生氧化反应,得到电
子的一极是正极,发生还原反应。
1
2
4.在理论上不能用于设计原电池的化学反应是 ( )
A.HCl+NaOH====NaCl+H2O
B.2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O
C.4Fe(OH)2+2H2O+O2 ==== 4Fe(OH)3
D.2H2+O2 ==== 2H2O
【解析】选A。原电池的化学反应原理是自发的氧化还原反应,有电子的转移,
而A项中的反应是中和反应,没有电子的转移。
5.(2020·郑州高一检测)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,铜片表面产生气泡
B.用铜片、铁片作电极,CuSO4作电解质溶液形成原电池,铁作负极
C.把铜片插入FeCl3溶液中,铜片上有铁析出
D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加几滴CuCl2溶液,产生气泡的速率加快
【解析】选C。铜、铁、稀硫酸形成原电池,铜作正极,铜表面上产生气泡,A项
正确;铜、铁与CuSO4溶液形成原电池,铁作负极,B项正确;Fe3+得电子只能生成
Fe2+,而不能生成Fe,C项错误;加入CuCl2溶液后形成了锌铜原电池,加快了生成H2
的速率,D项正确。
6.(2020·淄博高一检测)某小组为研究电化学原理,设计了如图所示装置。下
列叙述不正确的是 ( )
A.a和b不连接时,铁片上会有金属铜析出
B.a和b用导线连接时,铜片上发生的反应为Cu2++2e-====Cu
C.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色
D.a和b用导线连接后,电流由铁电极经导线流向铜电极
【解析】选D。a和b不连接时,Fe和Cu2+直接发生氧化还原反应,铁片上会有金属
铜析出,A项正确;若a和b用导线连接,则构成原电池,此时铁为负极,铜为正极,
电极反应式分别为Fe-2e-====Fe2+、Cu2++2e-====Cu,B项正确;分析选项A、B可
知,选项C是正确的;在原电池中,电流应由正极流出,经导线流向负极,故D项错。
7.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,在常温下,设计并进行了
以下一系列实验,实验结果记录如下。
编号 电极材料 电解质溶液 检流计指针
偏转方向
1 Al、Mg 稀盐酸 偏向Al
2 Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu
3 Al、C(石墨) 稀盐酸 偏向石墨
4 Al、Mg 氢氧化钠溶液 偏向Mg
5 Al、Zn 浓硝酸 偏向Al
试根据上表中的实验现象回答下列问题:
(1)实验1、2中Al所作的电极(正极或负极)是否相同?________(填“是”或
“否”)。
(2)由实验3完成下列填空:
①铝为________极,电极反应式:______________________________________;
②石墨为________极,电极反应式:____________________________________;
③电池总反应式:__________________________________________________。
(3)实验4中铝作负极还是正极?________,理由是________________________
_________________________________________________________________。
写出铝电极的电极反应式:____________________________________________
_________________________________________________________________。
(4)解释实验5中检流计指针偏向铝的原因:____________________________
________________________________________________________________。
(5)根据实验结果总结出影响铝在原电池中作正极或负极的因素:__________
_________________________________________________________________。
【解析】在稀盐酸中的活动性:Mg>Al>Cu。由实验1和2可知,原电池中检流计指
针是偏向正极。在实验3中检流计指针偏向石墨,由上述规律可知,Al是负极,石
墨是正极,化学反应是Al失去电子被氧化为Al3+,盐酸中的H+得到电子被还原为H2。
在NaOH溶液中活动性:Al>Mg,则Al是负极,Mg是正极。Al在浓硝酸中发生钝
化,Zn在浓硝酸中被氧化,即在浓硝酸中活动性:Zn>Al,Zn是负极,Al是正极,所
以在实验5中检流计指针偏向铝。
答案:(1)否 (2)①负 Al-3e-====Al3+ ②正
2H++2e- ==== H2↑ ③2Al+6HCl ==== 2AlCl3+3H2↑
(3)负极 在NaOH溶液中,活动性:Al>Mg
Al+4OH--3e- ====[Al(OH)4]-
(4)Al在浓硝酸中发生钝化,Zn在浓硝酸中发生反应,被氧化,即在浓硝酸中,活
动性:Zn>Al,Al是原电池的正极
(5)①另一个电极材料的活动性;②电解质溶液
素养新思维
8.近年来野外生存的真人秀节目在各大卫视频繁播放。某节目中野外生存达人
用一个柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池用于野外生火。某同学感到
好奇自己制作了一个这样的“超级柠檬电池”。
(1)该电池的电池反应是什么?
提示:该电池利用了金属锌与酸的反应,离子方程式为Zn+2H+====Zn2++ H2↑。
(2)若用铁片代替锌片LED灯能不能亮? 若用铁片代替铜片呢?
提示:若用铁片代替锌片,由于铁能与酸反应,LED灯仍然能亮;若用铁片代替铜
片,由于锌比铁活泼,仍然发生反应Zn+2H+====Zn2++ H2↑,LED灯仍然能亮。
(3)若用银片代替锌片LED灯能不能亮?
提示:不能。银片代替锌片,银和铜都不能与酸反应,无电流产生,LED灯不亮。
(4)由上面分析可知构成原电池的条件有哪些?
提示:①两个活泼性不同的金属电极或金属与非金属;②电解质溶液;③闭合回
路;④自发进行的氧化还原反应。
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