第二单元 化学能与电能的转化
1-2 课时1 原电池的工作原理
知能定位
1.了解原电池的工作原理及构成条件。
2.能正确判断原电池的正、负极。
3.能写出原电池电极反应式和电池反应方程式。
4.能根据氧化还原反应设计原电池。
情景切入
原电池可将化学能转化为电能，如何来实现呢？
自主研习
一、原电池的工作原理
1.原电池定义
将化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
（1）活泼性不同的电极材料。
（2）电解质溶液。
（3）形成闭合回路。
（4）能自发地发生氧化还原反应。
3.原电池的工作原理
外电路中电子由负极流向正极；内电路（电解质溶液）中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电子发生定向移动从而形成电流，实现了化学能向电能的转化。
以铜锌原电池为例分析
装置示意图
现象
锌片不断溶解，铜片上有气泡产生，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
从负极流出
流向正极
反应类型
氧化反应
还原反应
电极反应式
Zn===Zn2++2e－
Cu2++2e-===Cu
总反应式
Zn+Cu2+===Cu+Zn2+
二、原电池的设计理论上，能自发进行的氧化还原反应均能设计成原电池。实际设计时应注意以下几方面。
1.外电路
负极（还原性较强的物质）正极
导线
2.内电路
将两极浸入电解质溶液中，使正、负离子作定向移动。
3.闭合电路
规律方法：原电池的设计思路一般是先依据反应式中的氧化剂和还原剂来确定正、负极材料，然后再看电解质溶液是否符合题意，只有自发进行的氧化还原反应才可以设计成原电池，其中发生氧化反应的物质作负极，发生还原反应的物质作正极。一般选用酸、碱或能参与负极反应的氧化性物质作电解质溶液。
课堂师生互动
知识点１ 原电池电极反应式的书写
原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应，正极发生还原反应 ，负极发生氧化反应，据此书写电极反应的方法如下：
（1）确定原电池的正、负极，以及两极上发生反应的物质。
负极：失去电子被氧化，发生氧化反应；正极：得到电子被还原，发生还原反应。
（2）书写电极反应式时，注意电解质溶液是否参加反应。电极反应也遵守质量守恒、电荷守恒及正、负两极得失电子数守恒的规律。
（3）将两极的电极反应式相加可得原电池的总反应式，反过来，也可以将总反应式与其中一个电极反应相减得另一个电极反应式。
考例１ 分析下图所示的四个原电池装置，结论正确的是（ ）
A.（1）（2）中Mg作负极，（3）（4）中Fe作负极
B.（2）中Mg作正极，电极反应式为：6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.（3）中Fe作电池负极
D.（4）中Cu作正极，电极反应式为：2H++2e-===H2↑
解析：本题考查原电池的正、负极的判断及电极反应式的书写，电解质溶液不同，导致两极发生改变。考查学生知识的迁移能力和灵活应变能力。
思路如下：当稀硫酸是电解质溶液时，Mg作负极（活泼性Mg>Al）；当NaOH是电解质溶液时，Al作负极（Mg不与NaOH溶液反应）；（3）中Cu作负极，反应式为：Cu-2e-===
Cu2+，Fe作正极，因为常温下，Fe被浓硝酸钝化，（4）中Cu作正极，电极反应式为：2H2O+O2+4e-===4OH 。
答案： B
变式探究1 （2011·安徽卷，12）研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：5MnO2+2Ag+2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl
下列“水” 电池在海水中放电时的有关说法正确的是（ ）
A.正极反应式：Ag+Cl -e ===AgCl
B.每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动
D.AgCl是还原产物
答案： B
解析：本题综合考查原电池和氧化还原反应的相关知识。正极反应该得电子，因此A错；原电池中电解质溶液中的阳离子应该向正极移动，C错；Ag是反应的还原剂，因此AgCl是氧化产物，D错。
变式探究2 (2008·广东卷，5)用铜片、银片、Cu(NO3) 2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂—KNO3的U型管）构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是（ ）
①在外电路中，电流由铜电极流向银电极
②正极反应为：Ag++e-=Ag
③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①② B.②③
C②④ D.③④
答案： C
解析：①原电池工作时外电路中电流由正极流向负极，应由银电极流向铜电极，③中取出盐桥不能形成闭合回路，原电池不能继续工作。
变式探究3 （2010·新课标卷）根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是 ( )
A.2Ag（s）+Cd2+（aq）===2Ag+（s）+Cd（s）
B.Co2+（aq）+Cd（s）===Co（s）+Cd2+（aq）
C.2Ag+（aq）+Cd（s）===2Ag（s）+Cd2+（aq）
D.2Ag+（aq）+Co（s）===2Ag（s）+Co2+（aq）
答案： A
解析：第一个原电池装置中，Cd作负极，Co作正极，自发进行的氧化还原反应是Co2+ (aq)+Cd(s) ===Co(s)+Cd2+ (aq)；第二个原电池装置中，Co作负极，Ag作正极，自发进行的氧化还原反应是2Ag+(aq)+Co(s) ===2Ag(s) +Co2+ (aq)。由以上两个方程式相加可得2Ag+ (aq) +Cd(s) ===2Ag(s)+Cd2+ (aq)，因此B、C、D都正确，Cd2+不能氧化Ag，所以A不正确，故本题选A。
知识点２ 原电池的极判断方法
原电池有两个电极，一个是正极，一个是负极。判断正极和负极的方法是：
（1）由组成原电池的两极材料判断。一般是活泼性较强的金属为负极。活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
（2）根据电流方向或电子流动方向判断。电流是由正极流向负极；电子流动方向是由负极流向正极。
（3）根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向。
在原电池的电解质溶液内，阳离子移向的极是正极，阴离子移向的极为负极。
（4）根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极总是失电子发生氧化反应，其正极总是得电子发生还原反应。
（5）X极增重或减轻。工作后，X极质量增加，说明溶液中的阳离子在X极（正极）放电，X极活动性弱；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极，活动性强。
（6）X极有气泡冒出。工作后，X极上有气泡冒出，是因为发生了析出H2的电极反应，说明X极为正极，活动性弱。
考例２ 在下图中的8个装置中，属于原电池的是哪几个？
构成原电池要有四个基本条件。①电解质溶液；②两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼。两个电极直接或间接地连接在一起，并插入电解质溶液中；③能自发地发生氧化还原反应；④形成闭合电路。
答案：④⑥⑦
变式探究4 在盛有稀硫酸的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（ ）
A.正极附近的SO2-4离子浓度逐渐增大
B.电子通过导线由铜片流向锌片
C.正极有O2逸出
D.铜片上有H2逸出
答案： D
解析：本题符合铜锌原电池的形成条件，原电池工作时，电子由负极(锌)经外电路(导线)流向正极(铜)。负极锌片：Zn-2e-===Zn2+；正极铜片：2H++2e-===H2↑，总反应为：Zn+2H+===
Zn2++H2↑，原电池中没有产生O2。没有参与反应的SO2-4离子浓度不会逐渐增大。
特别提醒
（1）原电池的电极类型不仅跟电极材料有关，还与电解质溶液的性质有关。
如镁－铝电极在稀硫酸中构成原电池，镁为负极，铝为正极，但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液，则铝为负极，镁为正极。
（2）原电池中并非只有负极电极材料参与化学反应。一般地，负极是活泼的金属材料。但有的两极都参与化学反应，如可充电电池。有的两电极材料都不参与化学反应，如氢氧燃料电池。
（3）原电池原理的应用
①判断金属的活动性
在原电池中，一般相对活泼的金属作负极，相对不活泼的金属作正极。
②加快反应速率
构成原电池时反应速率比反应物直接接触发生反应的反应速率快，如粗锌与稀硫酸反应产生H2的速率比纯锌与稀硫酸反应产生H2的速率大，这是因为锌、杂质金属与稀硫酸构成了原电池。
③设计原电池，其具体方法是：首先将已知的氧化还原反应拆成两个半反应。然后根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料和电解质溶液。
课后强化作业
基础夯实
1.关于如图所示装置的叙述，正确的是（ ）
A.是阳极，铜片上有气泡产生
B.片质量逐渐减少
C.流从锌片经导线流向铜片
D.离子在铜片表面被还原
答案： D
解析：本题主要考查有关原电池的知识。由所给图示可知Zn为原电池负极，失去电子被氧化，电子经导线流向正极铜电极，溶液中的氢离子在正极得到电子而被还原为H2。原电池只分正极、负极，不用阴极、阳极表示，电流与电子流的方向相反。
2.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中，用导线两两相连组成原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时，电流由d到c；a、c相连时，c极产生大量气泡，b、d相连时，b上有大量气泡产生，则四种金属的活动性顺序由强到弱的为（ ）
A.a>b>c>d B.a>c>d>b
C.c>a>b>d D.b>d>c>a
答案： B
解析：根据原电池原理，作为负极的金属活动性比正极金属的活动性强。电子流动方向是由负极流向正极，电流方向与电子流动方向相反，因此可作出如下判断：活动性：①a>b；②c>d；③a>c；④d>b，综合得结论，金属活动性：a>c>d>b。
3.某原电池中，将两金属X、Y用导线连接，同时插入相应的电解质溶液中，发现Y电极质量增加，则可能是下列情况中的（ ）
A.X是负极，电解质溶液为CuSO4溶液
B.X是负极，电解质溶液为稀H2SO4溶液
C.X是正极，电解质溶液为CuSO4溶液
D.X是正极，电解质溶液为稀H2SO4溶液
答案： A
解析： Y电极质量增加，可能是溶液中的阳离子得电子而在Y极（正极）上析出金属形成的。故只有A符合题意。
4.如下图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈连接着一根绝缘的细丝，使之平衡。小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液。片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）（ ）
A.铁圈和银圈左右摇摆不定
B.保持平衡状态不变
C.铁圈向下倾斜
D.银圈向下倾斜
答案： D
解析：铁圈和银圈作为电极与CuSO4溶液构成原电池，Cu2+在正极（银圈）上得到电子而析出。
5.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu，该反应的原电池的正确组成是（ ）
A
B
C
D
正极
Zn
Cu
Cu
Fe
负极
Cu
Zn
Zn
Zn
电解质溶液
CuCl2
H2SO4
CuSO4
CuCl2
答案： CD
解析：活泼金属作负极，且能与电解质溶液发生自发的氧化还原反应。
6.如下图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是（ ）
M
N
P
A
锌
铜
稀硫酸溶液
B
铜
铁
稀盐酸
C
银
锌
硝酸银溶液
D
锌
铁
硝酸铁溶液
答案： C
解析： N棒变细，即N极上发生氧化反应，应为负极，N棒金属较活泼，排除A、D，由M棒变粗，可知B不正确。
7.已知电极材料：铁、铜、银、石墨、锌、铝；电解质溶液：CuCl2溶液、Fe2(SO4) 3溶液、硫酸。按要求回答下列问题：
（1）电工操作上规定：不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因 。（2）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： ，正极： 。（若不能，后两空不填）
（3）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（需标明电极材料及电池的正、负极）。
答案：（1）二者连接在一起时，接头处在潮湿的空气中形成原电池而被腐蚀
（2）能 Cu-2e-===Cu2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
(3)
解析： (1)当Cu、Al导线连接时，接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。
（2）因为FeCl3能与Cu发生反应：2FeCl3++Cu===2FeCl2++CuCl2，因此根据给出条件可以设计成原电池，其负极为Cu，电极反应为Cu-2e-===Cu2+,正极为石墨，电极反应为2Fe++2e-===2Fe2+。
（3）因为反应为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,所以负极为Fe,正极可为Cu、Ag或石墨，电解质溶液为稀硫酸，即可画出装置图。
能力提升
1.（2011·广东卷，12）某小组为研究电化学原理，设计如图装置。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分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动
答案： D
解析：本题考查了原电池原理、电极反应式的书写以及电解原理。a和b不连接时，不能构成原电池。铁与铜发生置换反应，生成的铜附着在铁片上，A项正确；a和b用导线连接，构成原电池，溶液中的Cu2＋得到电子生成铜在铜片上析出，B项正确；无论a和b是否连接，都是铁片不断溶解生成Fe2＋，溶液中的Cu2＋不断得到电子生成Cu，溶液颜色从蓝色逐渐变成浅绿色，C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，铜片做阳极，失电子生成铜离子，溶液中铜离子向阴极移动，在阴极上得电子，D项错误。
2.将Mg条、Al条平行插入一定浓度的NaOH溶液中（如下图所示），用电器连接成原电池。此电池工作时，下列叙述正确的是( )
A.Mg比Al活泼，Mg失去电子被氧化成Mg2+
B.Al条表面虽有氧化膜，但可不进行处理
C.该电池的外电路中，电子由Mg极流出，Al极流入
D.消耗24 gMg，电路中将流动2 mol电子
答案： B
解析：本题主要考查原电池原理。Mg虽然比Al活泼，但Mg与NaOH溶液不反应，所以Mg条、Al条、NaOH溶液构成的原电池中，Al条作负极，失去电子被氧化成Al3+，故A、C、D项错误；Al条表面的氧化膜可溶于NaOH溶液，因此不必处理，B项正确。
3.某原电池的电池反应为Fe+2Fe3+===3Fe2+与此电池反应不符的原电池是（ ）
A.铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池
B.石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池
C.铁片、锌片、Fe2(SO4) 3溶液组成的原电池
D.银片、铁片、Fe(NO3) 2溶液组成的原电池
答案： CD
解析：首先通过电池反应可知：Fe失电子应作原电池负极，而正极反应为Fe3++e-===
Fe2+，电解液必须是Fe3+的盐溶液，正极材料的活动性要弱于铁。C中锌比铁活泼，不能作正极；D中，电解液为Fe(NO3) 2，与反应不符。
4.下列叙述正确的是 ( )
①原电池是把化学能转化为电能的一种装置
②原电池的正极发生氧化反应，负极发生还原反应
③不能自发进行的氧化还原反应，通过原电池的装置均可实现
④碳棒不能用来作原电池的正极
⑤反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+，能以原电池的形式来实现
A.①⑤ B.①④⑤
C.②③④ D.②⑤
答案： A
解析：②原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应；③原电池的反应必须是自发进行的氧化还原反应；④碳棒是导体，可作原电池的正极。
5.（2011·福建卷，11）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是（ ）
A.水既是氧化剂又是溶剂
B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH 向正极移动
D.总反应为：2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
答案： C
解析：本题考查了原电池中的电极反应、溶液中离子的移动方向等原理问题，旨在考查学生对原电池原理的理解能力。根据题给信息锂水电池的反应方程式为：2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，D正确；在反应中氢元素化合价降低，因此H2O做氧化剂，同时又起到溶剂的作用，A项正确；放电时正极反应为：2H2O+2e ===2OH－+H2↑, B项正确；正极周围聚集大量OH ，因此溶液中的阳离子Li+向正极移动；负极周围聚集大量Li+，因此溶液中的阴离子OH－向负极移动，C项错误。
6.将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，同时向a中加少量的CuSO4溶液，下列各图中产生H2的体积V (L)与时间t (min)的关系，正确的是 ( )
答案： A
解析： a中锌先与Cu2+反应，生成的Cu与Zn形成原电池，加快了反应速率，但锌粉被消耗了一部分，造成产生H2的量变少。
7.利用反应Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2，设计一个原电池，在下边方框内画出实验装置图，并指出正极为 ，电极反应式为 ；负极为 ，电极反应式为 。
答案： Pt 2Fe3++2e-===2Fe2+ Zn Zn-2e-===Zn2+ 实验装置图如下图：
解析：根据已知的氧化还原反应设计原电池的思路是，首先将已知的反应拆成两个半反应（即氧化反应和还原反应）：Zn-2e-===Zn2+，2Fe3++2e-===2Fe2+；然后结合原电池的电极反应 特点，分析可知，该电池的负极应该用Zn作材料，正极要保证Fe3+得到负极失去的电子， 一般用不能还原Fe3+的材料如Pt或碳棒等，电解质溶液只能用含Fe3+的电解质溶液如FeCl3溶液等。
8.某化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验记录如下表。
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针偏转方向
1
Mg、Al
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C
4
Mg、Al
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据表中的实验记录回答下列问题：
（1）实验1、2中Al所作的电极是否相同？答： 。
（2）写出实验3中的负极反应式： ；正极反应式： ；电池总反应方程式： 。
（3）实验4中的Al作 极（填“正”或“负”），理由是 。Al电极的电极反应式是： 。
（4）实验5中电流计指针偏向Al的原因是 。
（5）根据实验结果进行总结：影响Al在原电池中作正极还是负极的重要因素是 。
答案：（1）不同
（2）2Al-6e-===2Al3+ 6H++6e-===3H2↑ 2Al+6H+===2Al3++3H2↑
（3）负 NaOH溶液跟Al反应，跟Mg不反应
Al-3e-+4OH-===AlO 2+2H2O
（4）电流计的指针总是偏向正极。实验5中Al是正极
（5）电解质溶液的性质和另一个电极材料的活动性
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