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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(shè)計及應(yīng)用 原電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)可設(shè)計成原電池 Zn +H2SO4 =Zn2SO4 +H2；Zn+CuSO4=Zn2SO4 +Cu 燒杯、導(dǎo)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(yīng) 負(fù)極—發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子（Zn－2e?＝Zn2+）；正極—發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子（2H++2e?＝H2↑） 電子沿外電路（導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)線與電流計連接，另將一段導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)，作負(fù)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(yīng)，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(jìn)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(yīng)和還原反應(yīng)分開在不同區(qū)域進(jìn)行，再以適當(dāng)方式連接，可以獲得電流。 工作原理：負(fù)極—發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子（M-ne?＝Mn+）；正極—發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子 電子沿外電路（導(dǎo)線）定向移動，鹽橋中的Cl?會移向負(fù)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(fù)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(yīng) 原電池正負(fù)極判斷的方法 負(fù)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(yīng) 氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 電子流向 電子流出 電子流入 反應(yīng)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(yīng)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(yīng)放出熱量，將化學(xué)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(yīng)具備什么條件？ 1．要有導(dǎo)電性不同的兩個電極 2．兩個半反應(yīng)在不同的區(qū)域進(jìn)行 3．用導(dǎo)線和鹽橋分別將兩個半電池連接在一起 1．關(guān)于如圖裝置的敘述，正確的是（） A．銅是負(fù)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(dǎo)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(guān)原電池的知識，由所給圖示可知Zn為原電池負(fù)極，失去電子被氧化；Cu為原電池的正極。電子經(jīng)導(dǎo)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(guān)電化學(xué)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(yīng)設(shè)計成原電池，把其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 B．某原電池反應(yīng)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(jìn)行的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計成原電池 【答案】D 【解析】CaO＋H2O===Ca(OH)2不是氧化還原反應(yīng)；KCl和AgNO3反應(yīng)生成AgCl沉淀易阻止原電池反應(yīng)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(dǎo)線連接的電極X、Y，外電路中電子流向如圖所示，關(guān)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(yīng)，Y極上發(fā)生的是氧化反應(yīng) 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(fù)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(fù)極上失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，C錯；若兩電極均為金屬，活潑金屬作負(fù)極，故有活動性X>Y。 4．某同學(xué)根據(jù)離子反應(yīng)方程式2Fe3+＋Fe=3Fe2+來設(shè)計原電池。下列設(shè)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(guān)，也與電解質(zhì)溶液有關(guān)。下列說法中不正確的是（） A．由Al、Cu、稀硫酸組成原電池，其負(fù)極反應(yīng)式為Al－3e?===Al3+ B．由Mg、Al、NaOH溶液組成原電池，其負(fù)極反應(yīng)式為Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O C．由Fe、Cu、FeCl3溶液組成原電池，其負(fù)極反應(yīng)式為Cu－2e?===Cu2+ D．由Al、Cu、濃硝酸組成原電池，其負(fù)極反應(yīng)式為Cu－2e?===Cu2+ 【答案】C 【解析】原電池正、負(fù)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(yīng)，而鎂不能與NaOH溶液反應(yīng)等。 6．在如圖所示的裝置中，a的金屬活動性比氫要強(qiáng)，b為碳棒，下列關(guān)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(fù)極 C．導(dǎo)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(yīng) 【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(fù)極，b為正極。電極反應(yīng)式：a(負(fù))極：a－ne?===an+(氧化反應(yīng))；b(正)極：nH+＋ne?===H2↑(還原反應(yīng))。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(guān)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(xì)，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(yīng)2Fe3+＋2I?2Fe2+＋I(xiàn)2設(shè)計成如圖所示的原電池。 請回答下列問題： ①反應(yīng)開始時，乙中石墨電極上發(fā)生________(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)，電極反應(yīng)式為____________________________________。甲中石墨電極上發(fā)生________(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)，電極反應(yīng)式為________________________________。 ②電流表讀數(shù)為0時，反應(yīng)達(dá)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(fù)”)極，該電極的電極反應(yīng)式為____________________________。 （2）利用反應(yīng)2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制備CuSO4，若將該反應(yīng)設(shè)計為原電池，其正極電極反應(yīng)式為__________________________________。 【答案】（1）①氧化　2I?－2e?===I2　還原　2Fe3+＋2e?===2Fe2+?、谡2＋2e?===2I??。?）O2＋4e?＋4H+===2H2O 【解析】（1）根據(jù)反應(yīng)2Fe3+＋2I?===2Fe2+＋I(xiàn)2，原電池的電極反應(yīng)：負(fù)極：2I?－2e?===I2，發(fā)生氧化反應(yīng)。正極：2Fe3+＋2e?===2Fe2+，發(fā)生還原反應(yīng)。①反應(yīng)開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)；②當(dāng)電流表讀數(shù)為0時反應(yīng)已平衡，此時，在甲中加入FeCl2固體，反應(yīng)2Fe3＋＋2I?2Fe2＋＋I(xiàn)2向左移動。因此，右側(cè)石墨作正極，電極反應(yīng)式為：I2＋2e?===2I?；左側(cè)石墨作負(fù)極，電極反應(yīng)式為2Fe2+－2e?===2Fe3+。（2）Cu作負(fù)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(yīng)原理如圖所示，其中電解質(zhì)LiClO4溶于混合有機(jī)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(yīng)式為___________________________________________。 （3）是否可用水代替電池中的混合有機(jī)溶劑？________(填“是”或“否”)，原因是__________________________________________________。 （4）MnO2可與KOH和KClO3在高溫下反應(yīng)，生成K2MnO4，反應(yīng)的化學(xué)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(yīng) （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(yīng)原理，可知Li作負(fù)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(jī)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(yīng)式為MnO2＋e?＋Li＋===LiMnO2。（3）因為負(fù)極的電極材料Li是活潑的金屬，能夠與水發(fā)生反應(yīng)，故不能用水代替電池中的混合有機(jī)溶劑。（4）由題目中的信息“MnO2可與KOH和KClO3在高溫條件下反應(yīng)，生成K2MnO4”，可知該反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，Mn元素化合價升高(→)，則Cl元素的化合價降低(→)，所以化學(xué)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(diǎn)。而且高鐵電池的研制也在進(jìn)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(yīng)式為_______________________________；若維持電流強(qiáng)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(diǎn)有_______________。 （3）高鐵酸鉀生產(chǎn)方法之二是在強(qiáng)堿性介質(zhì)中用KClO氧化Fe(OH)3生成高鐵酸鉀，該反應(yīng)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(qiáng)氧化性能殺菌消毒且反應(yīng)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。