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原電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 原電池 1、掌握原電池的構(gòu)成條件及工作原理 2、掌握雙液原電池中的鹽橋的作用 3、掌握雙液原電池的設計及應用 原電池是將化學能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，自發(fā)的氧化還原反應可設計成原電池 Zn +H2SO4 =Zn2SO4 +H2；Zn+CuSO4=Zn2SO4 +Cu 燒杯、導線、電流計、U形管、銅片、鋅片、碳棒、硫酸銅溶液、KCl飽和溶液 單液原電池 裝置圖 構(gòu)成條件 工作原理 存在問題 （1） 有兩種活潑性不同的金屬（或一種是非金屬單質(zhì)或金屬氧化物）作電極。 （2） 必須形成閉合回路。電解質(zhì)溶液；兩電極直接或間接接觸；兩電極插入電解質(zhì)溶液（3）自發(fā)的氧化還原反應 負極—發(fā)生氧化反應，失去電子（Zn－2e?＝Zn2+）；正極—發(fā)生還原反應，得到電子（2H++2e?＝H2↑） 電子沿外電路（導線）定向移動 將鋅片和銅片置于稀硫酸的原電池，如果用它做電源，不但效率低，而且時間稍長電流就很快減弱，因此不適合實際應用。 雙液原電池 實驗操作 實驗現(xiàn)象 實驗結(jié)論 按上圖所示，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液分別通過導線與電流計連接，有什么現(xiàn)象? 電流計指針不偏轉(zhuǎn)，且銅片和鋅片上均無明顯現(xiàn)象（即：無電子定向移動） 沒有閉合回路，無法形成原電池 按上圖所示，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液分別通過導線與電流計連接，另將一段導線兩端分別插入兩燒杯中，有什么現(xiàn)象? 電流計指針不偏轉(zhuǎn)，且銅片和鋅片上均無明顯現(xiàn)象（即:無電子定向移動） 沒有閉合回路，無法形成原電池 按上圖所示, 用一個充滿電解質(zhì)溶液的鹽橋，將置有鋅片的ZnSO4溶液和置有銅片的CuSO4溶液連接起來，然后將鋅片和銅片用導線連接，并在中間串聯(lián)一個電流表，觀察有什么現(xiàn)象？ 電流表指針偏轉(zhuǎn)，鋅片溶解，銅片上有紅色物質(zhì)析出，銅片質(zhì)量增加 有電流通過電路，形成了原電池 鋅片溶解，Zn－2e?＝Zn2+，發(fā)生氧化反應，作負極；銅片上有銅生成，溶液中的Cu2+在銅極上得電子Cu2++2e?＝Cu，發(fā)生還原反應，作正極。 鹽橋中的Cl?會移向ZnSO4溶液，K+移向CuSO4溶液，使ZnSO4溶液和CuSO4溶液均保持電中性，氧化還原得以繼續(xù)進行，從而使原電池不斷的產(chǎn)生電流。 雙液原電池是由兩個半電池組成，把氧化反應和還原反應分開在不同區(qū)域進行，再以適當方式連接，可以獲得電流。 工作原理：負極—發(fā)生氧化反應，失去電子（M-ne?＝Mn+）；正極—發(fā)生還原反應，得到電子 電子沿外電路（導線）定向移動，鹽橋中的Cl?會移向負極，K+移向正極。 雙液原電池的形成條件 1、 兩個電極（活潑性不同） 負極：較活潑的金屬正極：較不活潑的金屬、石墨等 2、 必須形成閉合回路 電解質(zhì)溶液；兩電極插入電解質(zhì)溶液；鹽橋 3、自發(fā)的氧化還原反應 原電池正負極判斷的方法 負極 正極 構(gòu)造方面 較活潑的金屬 較不活潑金屬或非金屬 電池反應 氧化反應 還原反應 電子流向 電子流出 電子流入 反應現(xiàn)象 不斷溶解 電極增重或者有氣體產(chǎn)生 離子移向 陰離子移向 陽離子移向 用銅—鋅—稀硫酸溶液的單液原電池做電源，不但效率低，而且時間稍長電流就很快減弱，這是什么原因造成的呢？ 該銅鋅-硫酸的原電池反應開始后，銅極上很快就聚集了許多氫氣泡，把銅極跟稀硫酸逐漸隔開，增加了電池的內(nèi)阻，電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象，這種極化作用會阻礙H+在Cu片上繼續(xù)得電子，Zn片上的電子也就不能順暢地輸送到Cu片上，使電流不能暢通，有些H+就直接在Zn片上奪取電子生成H2。并且在單液池中Zn和硫酸直接反應放出熱量，將化學能部分轉(zhuǎn)化為熱能 鹽橋是什么？ 鹽橋是將熱的瓊脂溶液（可以是飽和KCl溶液或NH4NO3溶液） 倒入U形管中（不能產(chǎn)生縫隙），將冷卻后的U形管浸泡在KCl飽和溶液或NH4NO3飽和溶液中制得的。 能產(chǎn)生穩(wěn)定、持續(xù)電流的原電池應具備什么條件？ 1．要有導電性不同的兩個電極 2．兩個半反應在不同的區(qū)域進行 3．用導線和鹽橋分別將兩個半電池連接在一起 1．關于如圖裝置的敘述，正確的是（） A．銅是負極，銅片上有氣泡產(chǎn)生 B．銅片質(zhì)量逐漸減少 C．電流從鋅片經(jīng)導線流向銅片 D．H+在銅片表面被還原后生成H2 【答案】D 【解析】本題主要考查有關原電池的知識，由所給圖示可知Zn為原電池負極，失去電子被氧化；Cu為原電池的正極。電子經(jīng)導線流向正極(Cu極)，溶液中的H＋在正極得到電子而被還原為H2。電流流向則與電子流向相反。 2．有關電化學知識的描述正確的是（） A．CaO＋H2O===Ca(OH)2，可以放出大量的熱，故可把該反應設計成原電池，把其中的化學能轉(zhuǎn)化為電能 B．某原電池反應為Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，裝置中的鹽橋中可以是裝有含瓊膠的KCl飽和溶液 C．原電池的兩極一定是由活動性不同的兩種金屬組成 D．從理論上講，任何能自發(fā)進行的氧化還原反應都可設計成原電池 【答案】D 【解析】CaO＋H2O===Ca(OH)2不是氧化還原反應；KCl和AgNO3反應生成AgCl沉淀易阻止原電池反應的發(fā)生；作電極的不一定是金屬，如石墨棒也可作電極。 3．如圖，在盛有稀硫酸的燒杯中放入用導線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關于該裝置的下列說法正確的是（） A．外電路的電流方向為X→外電路→Y B．若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為碳棒，Y為Fe C．X極上發(fā)生的是還原反應，Y極上發(fā)生的是氧化反應 D．若兩電極都是金屬，則它們的活動性順序為X>Y 【答案】D 【解析】由圖示電子流向知X為負極，Y為正極，則電流方向為Y→外電路→X，故A錯；若兩電極分別為Fe和碳棒，則X為Fe，Y為碳棒，B錯；負極上失去電子發(fā)生氧化反應，正極上得到電子發(fā)生還原反應，C錯；若兩電極均為金屬，活潑金屬作負極，故有活動性X>Y。 4．某同學根據(jù)離子反應方程式2Fe3+＋Fe=3Fe2+來設計原電池。下列設計方案中可行的是（） A．電極材料為Fe和Zn，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液 B．電極材料為Fe和石墨，電解質(zhì)溶液為Fe(NO3)3溶液 C．電極材料為Fe和石墨，電解質(zhì)溶液為FeCl2溶液 D．電極材料為石墨，電解質(zhì)溶液為FeCl3溶液 【答案】B 5．原電池的電極名稱不僅與電極材料的性質(zhì)有關，也與電解質(zhì)溶液有關。下列說法中不正確的是（） A．由Al、Cu、稀硫酸組成原電池，其負極反應式為Al－3e?===Al3+ B．由Mg、Al、NaOH溶液組成原電池，其負極反應式為Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O C．由Fe、Cu、FeCl3溶液組成原電池，其負極反應式為Cu－2e?===Cu2+ D．由Al、Cu、濃硝酸組成原電池，其負極反應式為Cu－2e?===Cu2+ 【答案】C 【解析】原電池正、負極的判斷不能完全依賴金屬的活動性，因為可能會出現(xiàn)特殊情況：濃硝酸使鐵、鋁鈍化；鋁與NaOH溶液反應，而鎂不能與NaOH溶液反應等。 6．在如圖所示的裝置中，a的金屬活動性比氫要強，b為碳棒，下列關于此裝置的敘述不正確的是（） A．碳棒上有氣體放出，溶液pH變大 B．a(chǎn)是正極，b是負極 C．導線中有電子流動，電子從a極流向b極 D．a(chǎn)極上發(fā)生了氧化反應 【答案】B 【解析】本題考查原電池基本知識，難度不大，但概念容易混淆。電極a、b與電解質(zhì)溶液稀H2SO4組成原電池。因活動性a>b(碳棒)，所以a為電池的負極，b為正極。電極反應式：a(負)極：a－ne?===an+(氧化反應)；b(正)極：nH+＋ne?===H2↑(還原反應)。由于正極消耗H+，溶液中c(H＋)減小，pH增大。在外電路中，電子由a極流出經(jīng)電流表流向b極。 7．有a、b、c、d四個金屬電極，有關的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下： 實驗 裝置 部分 實驗 現(xiàn)象 a極質(zhì)量減小，b極質(zhì)量增加 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 由此可判斷這四種金屬的活動性順序是（） A．a(chǎn)>b>c>d B．b>c>d>aC．d>a>b>c D．a(chǎn)>b>d>c 【答案】C 8．如圖所示裝置中觀察到電流計指針偏轉(zhuǎn)，M棒變粗，N棒變細，由此判斷下表中所列M、N、P物質(zhì)，其中可以成立的是（） M N P A 鋅 銅 稀硫酸溶液 B 銅 鐵 稀鹽酸溶液 C 銀 鋅 硝酸銀溶液 D 鋅 鐵 硝酸鐵溶液 【答案】C 9．（1）控制適合的條件，將反應2Fe3+＋2I?2Fe2+＋I2設計成如圖所示的原電池。 請回答下列問題： ①反應開始時，乙中石墨電極上發(fā)生________(填“氧化”或“還原”)反應，電極反應式為____________________________________。甲中石墨電極上發(fā)生________(填“氧化”或“還原”)反應，電極反應式為________________________________。 ②電流表讀數(shù)為0時，反應達到平衡狀態(tài)，此時在甲中加入FeCl2固體，則乙中的石墨作________(填“正”或“負”)極，該電極的電極反應式為____________________________。 （2）利用反應2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制備CuSO4，若將該反應設計為原電池，其正極電極反應式為__________________________________。 【答案】（1）①氧化　2I?－2e?===I2　還原　2Fe3+＋2e?===2Fe2+　②正　I2＋2e?===2I??。?）O2＋4e?＋4H+===2H2O 【解析】（1）根據(jù)反應2Fe3+＋2I?===2Fe2+＋I2，原電池的電極反應：負極：2I?－2e?===I2，發(fā)生氧化反應。正極：2Fe3+＋2e?===2Fe2+，發(fā)生還原反應。①反應開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應；②當電流表讀數(shù)為0時反應已平衡，此時，在甲中加入FeCl2固體，反應2Fe3＋＋2I?2Fe2＋＋I2向左移動。因此，右側(cè)石墨作正極，電極反應式為：I2＋2e?===2I?；左側(cè)石墨作負極，電極反應式為2Fe2+－2e?===2Fe3+。（2）Cu作負極，O2在正極上得電子：O2＋4e?＋4H+===2H2O。 10．鋰錳電池的體積小、性能優(yōu)良，是常用的一次電池。該電池反應原理如圖所示，其中電解質(zhì)LiClO4溶于混合有機溶劑中，Li＋通過電解質(zhì)遷移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列問題： （1）外電路的電流方向是由________極流向________極。(填字母) （2）電池正極反應式為___________________________________________。 （3）是否可用水代替電池中的混合有機溶劑？________(填“是”或“否”)，原因是__________________________________________________。 （4）MnO2可與KOH和KClO3在高溫下反應，生成K2MnO4，反應的化學方程式為________________________________________________。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物質(zhì)的量之比為________。 【答案】（1）b　a （2）MnO2＋e?＋Li＋===LiMnO2 （3）否　電極Li是活潑金屬，能與水反應 （4）3MnO2＋KClO3＋6KOH3K2MnO4＋KCl＋3H2O　2∶1 【解析】（1）結(jié)合所給裝置圖以及原電池反應原理，可知Li作負極材料，MnO2作正極材料，所以電子流向是從a→b，那么電流方向則是b→a。（2）根據(jù)題目中的信息“電解質(zhì)LiClO4溶于混合有機溶劑中，Li＋通過電解質(zhì)遷移入MnO2晶格中，生成LiMnO2”，所以正極的電極反應式為MnO2＋e?＋Li＋===LiMnO2。（3）因為負極的電極材料Li是活潑的金屬，能夠與水發(fā)生反應，故不能用水代替電池中的混合有機溶劑。（4）由題目中的信息“MnO2可與KOH和KClO3在高溫條件下反應，生成K2MnO4”，可知該反應屬于氧化還原反應，Mn元素化合價升高(→)，則Cl元素的化合價降低(→)，所以化學方程式為3MnO2＋KClO3＋6KOH3K2MnO4＋KCl＋3H2O；“K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4(K2nO4→KnO4)和MnO2(K2nO4→O2)”，根據(jù)得失電子守恒，可知生成的KMnO4和MnO2的物質(zhì)的量之比為2∶1。 11．鐵的重要化合物高鐵酸鉀(K2FeO4)是一種新型飲用水消毒劑，具有很多優(yōu)點。而且高鐵電池的研制也在進行中。如圖1是高鐵電池的模擬實驗裝置： （1）該電池放電時正極的電極反應式為_______________________________；若維持電流強度為1A，電池工作10min，理論消耗Zn___________g（已知F=96500Cmol-1）。 （2）圖2為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點有_______________。 （3）高鐵酸鉀生產(chǎn)方法之二是在強堿性介質(zhì)中用KClO氧化Fe(OH)3生成高鐵酸鉀，該反應的離子方程式為_______________________________________。 （4）K2FeO4能消毒、凈水的原因________________________________________。 【答案】（1）FeO+4H2O+3e?===Fe(OH)3+5OH?；0.2 （2）工作時間長工作電壓穩(wěn)定。 （3）3ClO?+2Fe(OH)3+4OH?===2FeO+3Cl?+5H2O （4）+6價鐵具有強氧化性能殺菌消毒且反應生成三價鐵離子水解又生成氫氧化鐵膠體吸附水中懸浮物。