知識點(diǎn)一 原電池工作原理
1．實(shí)驗(yàn)探究
2.原電池的概念
原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。原電池的反應(yīng)本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。
3．原電池的工作原理
(1)分析下圖并填空
原電池總反應(yīng)式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
(2)能量轉(zhuǎn)化：化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>(3)電子的移動方向：從負(fù)極流出，經(jīng)導(dǎo)線流向正極。
(4)離子的移動方向：陽離子向正極移動，陰離子向負(fù)極移動。
4．原電池的構(gòu)成條件
判斷下列說法是否正確。(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)HCl＋NaOH===NaCl＋H2O是放熱反應(yīng)，可以設(shè)計(jì)成原電池。(×)
(2)將銅片和鋅片用導(dǎo)線連接插入酒精中，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。(×)
(3)在銅—鋅—稀硫酸原電池中，電子由鋅通過導(dǎo)線流向銅，再由銅通過電解質(zhì)溶液到達(dá)鋅。(×)
(4)原電池中陽離子向正極移動。(√)
(5)原電池中的負(fù)極反應(yīng)一定是電極材料失電子。(×)
在銅鋅原電池中，電子是怎樣移動的？電子能否通過電解質(zhì)溶液？如果不能，電流是如何形成的？
提示：由于金屬鋅比金屬銅活潑，鋅失去電子，電子通過導(dǎo)線流向銅片。電子不能通過電解質(zhì)溶液。在稀硫酸中H＋移向銅片，SOeq \\al(2－,4)移向鋅片，陰陽離子定向移動形成電流。
知識點(diǎn)二 原電池原理的應(yīng)用
1．鋼鐵的電化學(xué)腐蝕
(1)電化學(xué)腐蝕
不純的金屬跟電解質(zhì)溶液接觸，發(fā)生原電池反應(yīng)，較活潑的金屬失去電子被氧化的腐蝕。
(2)鋼鐵的電化學(xué)腐蝕
2.金屬活動性強(qiáng)弱的判斷
由A、B、C、D四種金屬按下表中裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
(1)裝置甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式是A－2e－===A2＋。
(2)裝置乙中正極的電極反應(yīng)式是Cu2＋＋2e－===Cu。
(3)四種金屬活動性由強(qiáng)到弱的順序是D>A>B>C。
判斷下列說法是否正確。(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)為保護(hù)船體不被腐蝕，可以在船體外殼焊一些不活潑的銅塊。(×)
(2)一般作原電池正極的金屬較活潑。(×)
(3)鋼鐵在潮濕的空氣里發(fā)生的腐蝕是電化學(xué)腐蝕。。(√)
(4)生活中用到的暖貼，就是以鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理制成的。(√)
(5)鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，負(fù)極鐵失去電子生成Fe3＋。(×)
鋅與稀硫酸反應(yīng)時，若滴幾滴硫酸銅溶液，反應(yīng)速率會加快，試分析其原因。
提示：滴加硫酸銅溶液后，會有少量鋅與硫酸銅反應(yīng)置換出銅，生成的銅與鋅分別作為兩個電極而形成原電池，從而加快鋅與稀硫酸的反應(yīng)。
1786年，意大利解剖學(xué)和醫(yī)學(xué)教授伽伐尼在一次解剖青蛙的實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用兩種不同金屬材質(zhì)的解剖刀同時觸碰青蛙腿時，蛙腿會發(fā)生痙攣。此后伽伐尼變換各種條件， 重復(fù)這個實(shí)驗(yàn)。最后他得出猜想：動物體內(nèi)存在生物電流。當(dāng)時很多人贊同這一猜想，但是化學(xué)家伏打卻產(chǎn)生了疑惑：已死去的青蛙為何還會產(chǎn)生“生物電”？為什么蛙腿只有與銅制品和鐵制品同時接觸時才會抽動？為此，伏打把自己當(dāng)成了青蛙，做起了實(shí)驗(yàn)：首先，他將一種金屬放在自己的舌頭上，沒有太多感覺。接著，他將2 種金屬制的彎棒， 一端放入嘴里， 另一端跟眼接觸， 瞬間眼睛里有光亮的感覺。接下來他發(fā)現(xiàn)只要將2 種不同的金屬相接觸， 中間隔有濕紙、濕布等， 都有電流產(chǎn)生。
[問題1] 閱讀上述材料，總結(jié)構(gòu)成原電池的條件有哪些？
提示：具有活潑性不同的兩個電極；兩電極插入電解質(zhì)溶液中；形成閉合回路；能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
[問題2] 下列裝置中，哪些能構(gòu)成原電池？其他不能構(gòu)成原電池的原因是什么？
A B
C D
提示：裝置D能構(gòu)成原電池；裝置A不能構(gòu)成原電池，原因是酒精為非電解質(zhì)；裝置B不能構(gòu)成原電池，原因是沒有形成閉合回路；裝置C不能構(gòu)成原電池，原因是兩個電極的金屬活潑性相同。
[問題3] 鐵制品和銅制品與蛙腿接觸時，鐵制品發(fā)生氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)？寫出反應(yīng)的電極反應(yīng)式。
提示：鐵制品與蛙腿接觸時發(fā)生氧化反應(yīng)。電極反應(yīng)式為Fe－2e－=== Fe2＋。
[問題4] 原電池工作時，電子和離子分別怎樣移動？
提示：電子是從負(fù)極經(jīng)過導(dǎo)線移向正極；在原電池電解質(zhì)溶液中，陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極。
微點(diǎn)撥：(1)構(gòu)成原電池的兩電極材料不一定都是金屬，正極材料可以為導(dǎo)電的非金屬，例如石墨。兩極材料可能參與反應(yīng)，也可能不參與反應(yīng)。
(2)兩個活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接，共同插入電解質(zhì)溶液中不一定構(gòu)成原電池，必須有一個能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
(3)在判斷原電池正負(fù)極時，既要考慮金屬活潑的強(qiáng)弱也要考慮電解質(zhì)溶液的性質(zhì)。如Mg—Al—HCl溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Al，正極為Mg。
1．原電池的構(gòu)成條件
(1)原電池反應(yīng)必須是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。
(2)具有活動性不同的兩個電極(金屬與金屬或金屬與能導(dǎo)電的非金屬)。
(3)兩電極均插入電解質(zhì)溶液中。
(4)電解質(zhì)溶液、電極、導(dǎo)線形成閉合回路。
2．原電池正、負(fù)極的判斷方法
1．下列裝置中，能構(gòu)成原電池的是( )
A．只有甲 B．只有乙
C．只有丙D．除乙均可以
C [甲裝置不能形成閉合回路，乙裝置兩電極材料相同，丁裝置酒精是非電解質(zhì)，只有丙裝置具備原電池的構(gòu)成條件。]
2．關(guān)于原電池及其電極名稱的下列敘述中正確的是( )
A．原電池的正極和負(fù)極必須是兩種活動性不同的金屬
B．正極上發(fā)生還原反應(yīng)，一定產(chǎn)生氣體
C．電子流出的一極為負(fù)極
D．陰離子在電解質(zhì)溶液中向正極移動
C [構(gòu)成原電池的正極和負(fù)極必須是兩種活動性不同的電極，可以是兩種不同金屬，也可以是一種金屬、一種非金屬，A錯；原電池中正極上發(fā)生還原反應(yīng)，但不一定產(chǎn)生氣體，B錯；原電池中電子流出的一極為負(fù)極，電子由負(fù)極流向正極，C對；原電池放電時，電解質(zhì)溶液中陰離子向負(fù)極移動，D錯。]
如圖，蘋果插上兩個不同電極可以構(gòu)成原電池，那么怎樣設(shè)計(jì)原電池呢？請完成下列討論：
[問題1] NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，這個反應(yīng)能設(shè)計(jì)成原電池嗎，為什么？CO2＋Ceq \(=====,\s\up10(高溫))2CO能設(shè)計(jì)成嗎？
提示：不能，因?yàn)樗皇茄趸€原反應(yīng)。CO2＋Ceq \(=====,\s\up10(高溫))2CO也不能，雖然它是氧化還原反應(yīng)，但不是釋放能量的氧化還原反應(yīng)。
[問題2] Zn與H2SO4反應(yīng)制H2時向溶液中加少量CuSO4后為什么反應(yīng)速率加快？
提示：鋅置換出銅構(gòu)成原電池。
1．加快氧化還原反應(yīng)的速率
(1)原理：原電池中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩極進(jìn)行，使溶液中離子運(yùn)動時相互的干擾減小，使反應(yīng)速率增大。
(2)實(shí)例：實(shí)驗(yàn)室用鋅和稀硫酸反應(yīng)制取氫氣時，可滴入幾滴硫酸銅溶液，形成原電池，加快反應(yīng)速率。
2．比較金屬活潑性強(qiáng)弱
(1)原理：一般原電池中，活潑金屬作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，不活潑金屬作正極，發(fā)生還原反應(yīng)。
(2)實(shí)例：有兩種金屬A和B，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到A極溶解，B極上有氣泡產(chǎn)生。由原電池原理可知，金屬活動性A＞B。
3．設(shè)計(jì)原電池
(1)依據(jù)：已知一個氧化還原反應(yīng)，首先分析找出氧化劑、還原劑，一般還原劑為負(fù)極材料(或在負(fù)極上被氧化)，氧化劑(即電解質(zhì)溶液中的陽離子)在正極上被還原。
(2)選擇合適的材料
①電極材料：電極材料必須導(dǎo)電。負(fù)極材料一般選擇較活潑的金屬材料，或者在該氧化還原反應(yīng)中，本身失去電子的材料。
②電解質(zhì)溶液：電解質(zhì)溶液一般能與負(fù)極反應(yīng)。
3．有a、b、c、d四個金屬電極，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：
由此可判斷這四種金屬的活動性順序是( )
A．a(chǎn)＞b＞c＞dB．b＞c＞d＞a
C．d＞a＞b＞cD．a(chǎn)＞b＞d＞c
C [裝置一是原電池，a極質(zhì)量減小，說明a極金屬易失去電子形成離子，故a極金屬比b極金屬活潑；裝置二沒有形成原電池，可知b比c活潑，且c位于金屬活動性順序表中氫的后面；裝置三和四均形成原電池，易知d比c活潑，d比a活潑。因此四種金屬的活動性順序?yàn)閐＞a＞b＞c，故選C。]
4．利用反應(yīng)2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制備CuSO4，若將該反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池。
(1)負(fù)極材料是________(寫名稱)，電極反應(yīng)式為_______________________
________________________________________________________________。
(2)正極電極反應(yīng)式為_____________________________________________。
(3)溶液中SOeq \\al(2－,4)向________極移動。
[解析] 該氧化還原反應(yīng)中還原劑為Cu，故負(fù)極是銅，電極反應(yīng)式為Cu－2e－===Cu2＋，氧化劑是O2，故正極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，溶液中的SOeq \\al(2－,4)向負(fù)極移動。
[答案] (1)銅 Cu－2e－===Cu2＋ (2)O2＋4H＋＋4e－===2H2O (3)負(fù)
1．下列關(guān)于原電池的敘述正確的是( )
A．HCl＋NaOH===NaCl＋H2O反應(yīng)可以設(shè)計(jì)成原電池
B．原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置
C．在原電池中，電子流出的一極是負(fù)極，該電極被還原
D．原電池放電時，電流的方向是從負(fù)極到正極
B [A項(xiàng)，能構(gòu)成原電池的條件是能自發(fā)地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，在反應(yīng)過程中沒有電子的轉(zhuǎn)移，不是氧化還原反應(yīng)，錯誤；B項(xiàng)，原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，正確；C項(xiàng)，在原電池中，電子流出的一極是負(fù)極，該電極被氧化，錯誤；D項(xiàng)，原電池放電時，電流的方向是從正極到負(fù)極，錯誤。]
2．鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是( )
A．2H＋＋2e－===H2↑ B．2H2O＋O2＋4e－===4OH－
C．Fe－2e－===Fe2＋D．4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C [原電池中較活潑的金屬是負(fù)極，失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電子經(jīng)導(dǎo)線傳遞到正極，則鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，負(fù)極是鐵，失去電子，發(fā)生的反應(yīng)是Fe－2e－===Fe2＋。]
3．某興趣小組設(shè)計(jì)的水果電池裝置如圖所示。該電池工作時，下列說法正確的是 ( )
A．銅片作負(fù)極
B．鋅片發(fā)生還原反應(yīng)
C．電子從銅片沿導(dǎo)線流向鋅片
D．電子由鋅片經(jīng)導(dǎo)線流向銅片
D [根據(jù)金屬活動性可以判斷鋅作負(fù)極，銅為正極，A錯；鋅作負(fù)極，負(fù)極上鋅失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，B錯；電子從負(fù)極鋅沿導(dǎo)線流向正極銅，C錯、D對。]
4．原電池原理的發(fā)現(xiàn)是儲能和供能技術(shù)的巨大進(jìn)步，是化學(xué)對人類的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。
(1)現(xiàn)有兩個反應(yīng)：A.NaOH＋HCl===NaCl＋H2O；B.Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，判斷能否設(shè)計(jì)成原電池：A.________，B.________(填“能”或“不能”)。
(2)將純鋅片和純銅片按如圖方式插入100 mL相同濃度的稀硫酸中一段時間，回答下列問題：
①下列說法正確的是________(填字母)。
a．甲、乙均為化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置
b．乙中銅片上沒有明顯變化
c．甲中銅片質(zhì)量減少，乙中鋅片質(zhì)量減少
d．兩燒杯中的溶液中H＋濃度均減小
②在相同時間內(nèi)，兩燒杯中產(chǎn)生氣泡的速率：甲________乙(填“>”“乙。③負(fù)極失電子，反應(yīng)式為Zn－2e－===Zn2＋，原電池中陰離子向負(fù)極移動，即向鋅極移動，硫酸根離子不參與氧化還原反應(yīng)，故離子濃度不變。
[答案] (1)不能 能 (2)①bd ②> ③Zn－2e－===Zn2＋ 負(fù) 不變學(xué) 習(xí)
任 務(wù)
1.通過實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的原理。
2.從電子轉(zhuǎn)移的角度理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)及原電池的構(gòu)成條件，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。
3.形成化學(xué)有助于提高人類生活質(zhì)量的觀念。
實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
鋅片：逐漸溶解，有氣泡產(chǎn)生
銅片：沒有變化
鋅與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣，銅與稀硫酸
不反應(yīng)
鋅片：逐漸溶解，有氣泡產(chǎn)生
銅片：沒有變化
鋅與稀硫酸反應(yīng)生成氫氣，銅與稀硫酸不反應(yīng)
鋅片：逐漸溶解
銅片：有氣泡產(chǎn)生
鋅失去電子，變?yōu)殇\離子進(jìn)入溶液，氫離子在銅片上得到電子生成氫氣
鋅片：逐漸溶解
銅片：有氣泡產(chǎn)生
電流計(jì)：指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)
鋅失去電子，變?yōu)殇\離子，電子經(jīng)過導(dǎo)線流向銅片，產(chǎn)生電流，氫離子在銅片上得到電子生成氫氣，反應(yīng)過程中產(chǎn)生了電能
電解質(zhì)溶液
鋼鐵表面水膜中含有H＋和OH－，還溶有O2等氣體
電極
負(fù)極
材料：Fe，電極反應(yīng)：2Fe－4e－===2Fe2＋
正極
材料：C，電極反應(yīng)：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
總反應(yīng)
2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，進(jìn)一步被氧化，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，F(xiàn)e(OH)3易脫水生成鐵銹(Fe2O3·xH2O)
裝置
現(xiàn)象
二價(jià)金屬A不斷溶解
C的質(zhì)量增加
A上有氣體產(chǎn)生
探究原電池的構(gòu)成與工作原理
原電池原理的應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)
裝置
部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象
a極質(zhì)量減小，b極質(zhì)量增大
b極有氣體產(chǎn)生，c極無變化
d極溶解，c極有氣體產(chǎn)生
電流從a極流向d極

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