高中化学 人教版选修4 第四章第一节 原电池 教学设计、教案、学案

第一节原电池
1．以锌铜原电池为例，了解原电池的工作原理。

2.学会判断原电池的正、负极，并能正确书写电极反应式和总反应方程式。

3.认识化学能与电能的相互转化，并能设计简单的原电池。

原电池的基础知识
1．原电池
(1)概念：将化学能转化为电能的装置。

(2)实质：利用能自发进行的氧化还原反应，把化学能转化为电能。

(3)形成条件
①两个活泼性不同的电极；②电解质溶液或熔融电解质；③形成闭合回路；④能自发进行的氧化还原反应。

2．工作原理(以锌铜原电池为例)
装置
示意图
现象锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转
电极Zn电极Cu电极
电极名称负极正极
得失电子失电子得电子
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
3.盐桥及其作用
(1)成分：含有琼胶的KCl饱和溶液。

(2)离子移动方向：Cl－移向负极区，K＋移向正极区。

(3)作用
①通过离子在盐桥中的定向移动，使两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。

②将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，有利于最大程度地将化学能转化为电能。

1．正误判断：正确的打“√”，错误的打“×”，并阐释错因或列举反例。

语句描述正误阐释错因或列举反例(1)在原电池构成的闭合回路中，电子从原电池的正极
通过导线流向负极
(2)原电池的正极一定是化学性质较不活泼的金属
(3)原电池工作时，正极上发生氧化反应，负极上发生
还原反应
(4)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池
(5)反应Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋能以原电池的形式来
实现
(2)×不一定，如Mg、Al和NaOH溶液构成原电池时，Al为负极，Mg为正极；导电非金属也可做正极
(3)×原电池工作时，正极上发生还原反应，负极上发生氧化反应
(4)√
(5)√
2．锌片和铁片紧贴在一起，放置于稀硫酸溶液中，能否形成原电池？
答案：能。

锌片、铁片两个活泼性不同的金属做电极，稀硫酸做电解质溶液，紧贴在一起即能形成闭合回路，符合原电池形成的条件。

训练一原电池的构成
1.(2019·聊城高二期末)如图装置中Cu和稀硫酸的作用分别是()
A．电极材料电子导体
B．电极反应物离子导体
C．电极材料离子导体
D．电极反应物电子导体
解析：选C。

装置中Cu为电极材料，H＋在Cu极上发生反应；电子不进入溶液，稀硫酸是离子导体。

2．(2019·唐山高二测试)下列装置中，能构成原电池的是()
解析：选D。

A项中酒精为非电解质，不能构成原电池，A错误；B项中未使用盐桥，没有形成闭合回路，B错误；C项中两个电极材料相同，不能构成原电池，C错误；D项中符合构成原电池的条件，D正确。

训练二原电池的工作原理
3.如图中两电极上发生的电极反应为
a极：Cu2＋＋2e－===Cu；
b极：Fe－2e－===Fe2＋。

下列说法中不正确的是()
A．该装置为原电池
B．a极上发生还原反应
C．电子由b极流向a极
D．该过程中能量的转换一定是化学能全部转化为电能
解析：选D。

该装置为原电池；a极发生还原反应，b极发生氧化反应；电子由负极(b)流出经导线流向正极(a)；该过程中能量由化学能转换为电能、热能等，不可能全部转化为
电能。

4．如图为一原电池装置，下列叙述中正确的是()
A．铜离子在铜片表面被还原
B．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液
C．电流从锌片经导线流向铜片
D．铜是正极，铜片上有气泡产生
解析：选A。

该原电池中，较活泼的金属锌做负极，发生氧化反应，较不活泼的铜做正极，发生还原反应；电子由负极(锌)流出经导线流向正极(铜)，电流的方向与之相反；负极和正极的电极反应分别为Zn－2e－===Zn2＋和Cu2＋＋2e－===Cu；盐桥中的阳离子向正极区(硫酸铜溶液)迁移，故A正确，B、C、D错误。

原电池正、负极的判断方法
原电池原理的应用
1．加快氧化还原反应速率
原理原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子移动时相互的干扰减小，使反应速率增大
实例实验室制H2时，粗锌与稀硫酸反应比纯锌快，或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液，也能加快反应速率
原理
一般原电池中，活泼金属做负极，发生氧化反应，较不活泼金属做正极，发生还原反应
实例两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到金属a溶解，金属b 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a＞b
3.用于金属的防护
原理使被保护的金属做原电池的正极而得到保护
实例要保护一个铁闸，可用导线将其与一锌块相连，使锌做原电池的负极，铁闸做正极
4.设计原电池
(1)理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

(2)设计示例
设计思路示例
以自发进行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＋
以两极反应为原理，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
电解质溶液：FeCl3溶液
画出示意图
1．在设计原电池装置时，由自发的氧化还原反应方程式，如何确定原电池的正、负极？以反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋为例说明。

答案：根据氧化还原反应原理先确定负极。

例如：题给反应中Fe发生失电子的氧化反应，确定Fe为负极；正极应为活泼性弱于Fe的金属材料或能导电的非金属材料(如石墨)。

2．(1)依据反应Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋，设计原电池。

①在方框中画出能形成稳定电流的半电池形式的装置图(标出电极材料、电解质溶液)。

②________为负极，电极反应为______________________________________。

________为正极，电极反应为_________________________________________。

(2)在锌粒和氯化铁溶液的反应中，撒入一些碳粒，反应速率________(填“加快”“不变”或“减慢”)。

解析：(1)分析元素化合价的变化可知，Zn为负极，比Zn活泼性弱的金属或非金属(石墨等)做正极，选择与电极反应有关的溶液做电解质溶液，盐桥连接两个半电池。

(2)形成原电池时可加快反应速率。

答案：(1)①如图(其他合理答案也可)
②Zn Zn－2e－===Zn2＋Pt(需与①对应)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋(2)加快
训练一利用原电池原理比较金属活动性、加快反应速率
1．X、Y、Z都是金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出；X、Y和稀硫酸组成原电池时，Y为电池的负极。

X、Y、Z三种金属的活动性顺序为() A．X＞Y＞Z B．X＞Z＞Y
C．Y＞X＞Z D．Y＞Z＞X
解析：选C。

活泼性强的金属能置换出活泼性弱的金属，把X浸入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，即活泼性X>Z；在以稀硫酸为电解质溶液的原电池中，负极的活泼性大于正极，X和Y组成原电池时，Y为电池的负极，即活泼性Y>X，故C正确。

2．100 mL浓度为2 mol/L的盐酸与过量的锌片反应时，为加快反应速率，又不影响生成H2的总量，可采用的方法是()
A．加入适量6 mol/L的盐酸
B．加入几滴CuCl2溶液
C．加入适量蒸馏水
D．加入适量NaCl溶液
解析：选B。

Zn置换出CuCl2中的Cu，Cu、Zn、稀盐酸构成原电池，加快了反应速率，同时也不影响产生H2的量。

训练二设计原电池
3．一个原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该电池电极材料及电解质溶液可能是()
选项正极负极电解质溶液
A Zn Cu CuCl2
B Cu Zn H2SO4
C Cu Zn CuSO4
D Mg Zn CuSO4
解析：选C。

原电池总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)，正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)。

因此负极材料只能是Zn，正极材料为活泼性比Zn弱的Cu(或Fe、C、Pt等)，电解质溶液应为可溶性铜盐。

4．已知电极材料：铁、铜、石墨、锌；电解质溶液：CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、稀硫酸。

按要求回答下列问题：
(1)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：负极为____________，正极为____________。

(若不能，后两空不填)
(2)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、电解质溶液及电池的正、负极)。

解析：(1)因为Fe2(SO4)3能与Cu发生反应Fe2(SO4)3＋Cu===2FeSO4＋CuSO4，因此根据给出的条件可以设计成原电池，其负极为Cu，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，正极为石墨，电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

(2)因为总反应式为Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，所以负极为Fe，正极可为Cu或石墨，电解质溶液为稀硫酸，据此即可画出装置图。

答案：(1)能Cu－2e－===Cu2＋2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(2)
学习小结
1.原电池构成的条件
(1)两个活泼性不同的电极；(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。

2.原电池正、负极判断“四方法”
(1)负极
①活泼性较强的金属。

②电子流出的一极。

③发生氧化反应的一极。

④阴离子移向的一极。

(2)正极
①活泼性较弱的金属或能导电的非金属(碳棒)。

②电子流入的一极。

③发生还原反应的一极。

④阳离子移向的一极。

课后达标检测
一、选择题
1.在如图所示的水果电池中，外电路上的电流从X电极流向Y电极。

若X为铁，则Y可能是()
A．锌B．石墨
C．银D．铜
解析：选A。

电流的方向与电子的移动方向相反，由已知条件知电子由Y电极流向X 电极，因此Y电极的金属活动性强于铁，故A选项中的锌符合题意。

2．(2019·韶关高二测试)实验室用铁片、铜片和AgNO3溶液组成原电池，则正极的电极反应式为()
A．Fe－3e－===Fe3＋B．Fe－2e－===Fe2＋
C．2H2O＋O2＋4e－===4OH－D．Ag＋＋e－===Ag
解析：选D。

在此原电池中，铁片、铜片分别为负极和正极，总反应式为Fe＋2AgNO3===2Ag＋Fe(NO3)2，正极的电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，D项正确。

3．下列说法正确的是()
A．构成原电池正极和负极的材料必须都是金属
B．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原
C．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀H2SO4反应
D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能
解析：选C。

构成原电池的电极材料可以是导电的非金属，如碳棒，所以A错。

在原电池中，电子流出的一极是负极，失电子被氧化，所以B错。

粗锌中含有杂质可形成原电池，所以C对。

原电池中的能量除转化为电能外，还有部分转化为热能等，所以D错。

4．(2019·十堰高二检测)关于如图所示的原电池，下列说法正确的是()
A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极
B．盐桥中的阴离子向CuSO4溶液中迁移
C．锌电极发生还原反应，铜电极发生氧化反应
D．铜电极上发生的电极反应是2H＋＋2e－===H2↑
解析：选A。

该原电池中，Zn为负极，Cu为正极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，电子由Zn电极流向Cu电极，故A项正确，C项错误；因电子由Zn电极流向Cu电极，故铜电极的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，所以盐桥中的阳离子向CuSO4溶液中迁移，阴离子向ZnSO4溶液中迁移，故B、D项错误。

5．下列各装置能形成原电池的是()
解析：选D。

判断一个装置能否形成原电池，要看是否符合原电池的形成条件：①电极材料(两种活动性不同的金属或金属与导电非金属)；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，不能形成原电池；C装置：没有形成闭合回路，不能形成原电池；D装置：符合原电池形成的条件，能形成原电池。

6．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
解析：选C。

乙烧杯中锌片与铜片没有接触，不能构成原电池，但锌可以与稀硫酸直接反应，锌片上有H2放出，溶液pH增大。

甲烧杯中铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中形成了原电池，由于金属活动性Zn＞Cu，所以锌为负极，铜片上有H2放出，加快了锌的溶解，溶液pH增大，故只有C项正确。

7．(2016·高考全国卷Ⅱ)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。

下列叙述错误的是()
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
解析：选B。

该电池中Mg做负极，失去电子发生氧化反应，生成Mg2＋，A项正确；正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，B项错误；电池放电时，Cl－从正极向负极迁移，C项正确；在负极，Mg会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，D项正确。

8．(2019·安阳高二测试)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
解析：选A。

在涉及原电池的有关计算中，关键是要把握住一点：两极得失电子数相等。

利用这一特点，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。

9．向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系如图所示，正确的是()
解析：选A。

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，向a中加入少量的CuSO4溶液，则有Zn＋CuSO4===Cu＋ZnSO4，消耗一部分Zn，生成的Cu附于Zn上，又构成无数微小的Zn-Cu
原电池，加快了Zn与稀硫酸的反应速率，所以反应先完成，但因Cu2＋消耗了一定量的Zn，生成H2的量要小于b。

10.(2019·太原高二检测)如图所示装置中，电流表指针发生偏转，a极逐渐
变粗，b极逐渐变细，c为电解质溶液，则a、b、c应是下列选项中的() A．a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4
B．a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4
C．a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液
D．a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液
解析：选D。

原电池工作时，a极逐渐变粗，b极逐渐变细，说明b极失去电子是负极，a极上金属离子得电子是正极，电解质溶液中含有先于H＋放电的金属阳离子。

11．(2019·黄冈高二质检)有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验装置部分实验现象
a极质量减小；b极质量增加
b极有气体产生；c极无变化
d极溶解；c极有气体产生
电流从a极流向d极
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>c D．a>b>d>c
解析：选C。

由第一个装置a极溶解，可知a极是负极，金属活动性a>b；第二个装置依据氧化性、还原性的强弱规律推出金属活动性b>c；第三个装置的金属活动性d>c；由第四个装置电流从a→d，则电子从d→a，故金属活动性d>a。

12．控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。

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，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
解析：选D。

由题图并结合原电池原理分析可知，Fe3＋得到电子变为Fe2＋，被还原，I －失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态，C 项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，平衡向逆反应方向移动，此时Fe2＋被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。

二、非选择题
13．(2019·泉州高二质检)为了避免锌片与Cu2＋直接接触发生反应而影响原电池的放电效率，有人设计了如图装置，按要求回答下列问题：
(1)此装置工作时，可以观察到的现象是______________________________________
________________________________________________________________________，电池总反应式为_________________________________________。

(2)以上电池中，锌和锌盐溶液组成________，铜和铜盐溶液组成________，中间通过盐桥连接起来。

(3)电池工作时，硫酸锌溶液中SO2－4向________移动，硫酸铜溶液中SO2－4向________移动。

(4)此盐桥内为饱和KCl溶液，盐桥是通过________的定向移动来导电的。

在工作时，K＋移向________。

解析：(1)该装置为锌铜原电池，总反应式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋，电池工作时，观察到①锌片不断溶解，②铜片上有红色物质析出，③电流计指针发生偏转。

(2)Zn与ZnSO4
溶液组成锌半电池，Cu与CuSO4溶液组成铜半电池。

(3)电池工作时，ZnSO4溶液中SO2－4向负极或锌电极移动，CuSO4溶液中SO2－4向盐桥移动。

(4)盐桥中，K＋向正极区或CuSO4溶液移动，Cl－向负极区或ZnSO4溶液移动，这样依靠离子的定向移动形成闭合回路而导电。

答案：(1)锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质析出，电流计指针发生偏转Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
(2)锌半电池铜半电池(3)锌电极(或负极)盐桥
(4)离子正极区(或CuSO4溶液)
14．A、B、C、D四种金属按下表中的装置图进行实验。

装置
现象A不断溶解生
成二价离子
C的质量增加
A上有
气泡产生
(1)装置甲中负极的电极反应是__________________________________________。

(2)装置乙中正极的电极反应是__________________________________________。

(3)装置丙中溶液的pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。

(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是______________________________________。

解析：甲、乙、丙均为原电池装置。

依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活动性A>B；乙中C的质量增加，即析出Cu，则B为负极，活动性B>C；丙中A上有气泡即H2产生，则A为正极，活动性D>A，随着H＋的消耗，溶液pH逐渐变大。

答案：(1)A－2e－===A2＋(2)Cu2＋＋2e－===Cu(3)变大(4)D>A>B>C
15．已知某原电池的电极反应是Fe－2e－===Fe2＋、Cu2＋＋2e－===Cu，据此设计原电池，并回答下列问题。

(1)若原电池装置为图甲所示：
①电极材料A是________，B是________。

(写材料名称)
②A电极观察到的现象是______________________________________________。

(2)若原电池装置为图乙所示：
①电极材料X可以是________(填字母，下同)。

a．铁b．铜c．石墨
②电解质Y可以是________。

a．FeSO4b．CuSO4c．CuCl2
解析：(1)结合氧化还原反应的知识可知Fe－2e－===Fe2＋是负极反应，故铁做负极，即B为铁；Cu2＋＋2e－===Cu是正极反应，故A可以是铜(或其他比铁活泼性差的金属或能导电的非金属等)，现象是有红色物质析出。

(2)不含盐桥的原电池中正极材料是比负极金属活泼性差的金属或能导电的非金属，故此时正极可以是铜或石墨，但负极只能是铁，电解质溶液是含铜离子的可溶性盐溶液，可为硫酸铜、氯化铜或硝酸铜。

答案：(1)①铜(答案合理即可)铁②有红色物质析出(2)①bc②bc。