2019高一化學(xué) 實驗14 原電池的工作原理學(xué)案.docx

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實驗14 原電池的工作原理 銅—鋅原電池 1、掌握原電池的構(gòu)成條件 2、掌握原電池的工作原理 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 +2H2SO4===Zn2SO4+ +H2↑ 燒杯、導(dǎo)線、電流計、銅片、鋅片、碳棒、稀硫酸 步驟 實驗現(xiàn)象 結(jié)論及解釋 ①將銅片插入到盛有稀鹽酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象。再插入一根碳棒，觀察現(xiàn)象，一段時間后，將碳棒和銅片用導(dǎo)線連接（導(dǎo)線中間接一個電流表） 銅片、碳棒插入到稀硫酸中無現(xiàn)象，用導(dǎo)線連接后也無現(xiàn)象，指針不偏轉(zhuǎn) 銅、碳不與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，所以無現(xiàn)象，指針不偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)線中沒有電子的定向移動，說明沒有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生無法形成原電池 ②將一塊鋅片插入到盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象。一段時間后，再插入一塊鋅片，觀察現(xiàn)象。再過一段時間，用導(dǎo)線連接（導(dǎo)線中間連接一個電流表） 鋅片上有氣泡產(chǎn)生，用導(dǎo)線連接后，指針不偏轉(zhuǎn) Zn是活潑金屬能和稀硫酸發(fā)生反應(yīng)生成H2，所以有氣泡產(chǎn)生，用導(dǎo)線連接后，兩極都是鋅，產(chǎn)生的電勢相等，故無電流產(chǎn)生，無法使指針偏轉(zhuǎn)，說明原電池的兩極要存在活潑性的差異 ③將一塊銅片插入到盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象，再將一塊鋅片平行插入，觀察現(xiàn)象，一段時間后，將銅片和鋅片用導(dǎo)線連接（導(dǎo)線中間連接一個電流表） 最開始銅片無現(xiàn)象，鋅片上有大量氣泡出現(xiàn)，用導(dǎo)線連接后，鋅片逐漸溶解，銅片上有氣泡產(chǎn)生，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn) 銅不與稀硫酸反應(yīng)，Zn是活潑金屬能和稀硫酸發(fā)生反應(yīng)生成H2，用導(dǎo)線連接后，形成了閉合回路，鋅片逐漸溶解，銅片上有氣泡產(chǎn)生，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明形成了原電池。Zn和稀硫酸發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，電極材料Zn和Cu活潑性存在差異，且通過導(dǎo)線連接，Zn片：Zn－2e===Zn2+失電子氧化反應(yīng)，電子通過導(dǎo)線流向銅片，Cu片：2H++2e===H2得電子還原反應(yīng)，電解質(zhì)H2SO4溶液中的H+在銅極得電子變成H2?？偟碾x子方程式：Zn+2H+===Zn2++H2 通過③的實驗，原電池中，我們將失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)的一極叫負(fù)極，得電子發(fā)生還原反應(yīng)的一極叫正極。正負(fù)兩極得失電子數(shù)相等。電子的流向是從Zn片（負(fù)極）沿導(dǎo)線流向Cu片（正極）。電解質(zhì)溶液中的H+（陽離子）移向正極，SO（陰離子）移向負(fù)極。電流的流向是從正極流向負(fù)極。 工作原理：負(fù)極—發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子（M-ne===Mn+，如：Zn－2e===Zn2+ ） 正極—發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子（如：2H++2e===H2） 電子沿外電路（導(dǎo)線）定向移動 原電池工作原理示意圖 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) 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 原電池電流的產(chǎn)生原因？ 每個電極都有一定的電極電勢，金屬越活潑，電極的電勢越低。金屬越不活潑，電極的電勢越高，導(dǎo)線將兩者連接在一起就形成電勢差。電子定向移動的電勢差就是電池的電壓。 電子在內(nèi)電路中從正極通過電解質(zhì)溶液轉(zhuǎn)移到負(fù)極的表達(dá)是否正確？ 錯，電子的轉(zhuǎn)移只能通過導(dǎo)線發(fā)生定向移動 將反Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+ 設(shè)計成原電池？ Cu－2e===Cu2+ 發(fā)生氧化反應(yīng)，做負(fù)極；Fe3++e===Fe2+ 發(fā)生還原反應(yīng)，是正極。 電極：負(fù)極—銅片；正極—碳棒或比銅活潑性弱的金屬 電解質(zhì)溶液—FeCl3溶液/Fe2(SO4)3溶液 Mg－Al－稀硫酸原電池和Mg－Al－NaOH溶液原電池的負(fù)極都是Mg嗎？ 錯，Mg－Al－稀硫酸原電池中，鎂和鋁均與稀硫酸反應(yīng)，所以選擇活潑性較強的鎂做負(fù)極；Mg－Al－NaOH溶液原電池中，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是2Al+2NaOH+2H2O ===2NaAlO2+3H2↑，所以在這做負(fù)極的是金屬鋁。 1．原電池是（）裝置 A．化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 B．電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 C．熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 D．化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能 【答案】A 【解析】原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其中負(fù)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，正極發(fā)生得到電子的還原反應(yīng)。而電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置是電解池。答案選A。 2．下列反應(yīng)，不能用于設(shè)計原電池的是（） A．Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4 +2H2O B．2A1+3I2===2AlI3 C．Mg(OH)2+ H2SO4===MgSO4 +2H2O D．O2+ 2H2===2H2O 【答案】C 【解析】A．Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4 +2H2O 屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，能設(shè)計成原電池，故A不選；B．2A1+3I2===2AlI3屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，能設(shè)計成原電池，故B不選；C．Mg(OH)2+ H2SO4===MgSO4 +2H2O中和反應(yīng)屬于復(fù)分解反應(yīng)，不是氧化還原反應(yīng)，不能用于設(shè)計原電池，故C選；D．O2+2H2===2H2O燃燒反應(yīng)屬于自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，能設(shè)計成原電池，故D不選；故選C。 3．下列有關(guān)說法不正確的是（） A．構(gòu)成原電池正極和負(fù)極的材料必須是兩種金屬 B．把銅片和鐵片緊靠在一起浸入稀硫酸中，銅片表面出現(xiàn)氣泡 C．把銅片插入三氯化鐵溶液中，在銅片表面不會出現(xiàn)一層鐵 D．把鋅粒放入盛有鹽酸的試管中，加入幾滴氯化銅溶液，氣泡放出速率加快 【答案】A 【解析】A．構(gòu)成原電池正負(fù)極的材料不一定是兩種金屬，可能是金屬和導(dǎo)電的非金屬，如石墨，A錯誤；B．鐵比銅活潑，鐵為負(fù)極，銅為正極，氫離子在正極放電，銅片表面出現(xiàn)氣泡，B正確；C．把銅片插入三氯化鐵溶液中發(fā)生反應(yīng)Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2，在銅片表面不會出現(xiàn)一層鐵，C正確；D．把鋅粒放入盛有鹽酸的試管中，加入幾滴氯化銅溶液，鋅置換出銅，構(gòu)成原電池，反應(yīng)速率加快，即氣泡放出速率加快，D正確；答案選A。 4．已知空氣—鋅電池的電極反應(yīng)為 鋅片：Zn+2OH－2e===ZnO+H2O； 碳棒：O2+2H2O+4e===4OH。 據(jù)此判斷，鋅片是（） A．正極，被還原 B．正極，被氧化 C．負(fù)極，被還原 D．負(fù)極，被氧化 【答案】D 【解析】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，所以溶液中的陽離子向正極移動，正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。根據(jù)方程式可知鋅失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，因此鋅是負(fù)極，被氧化。碳棒是正極，氧氣得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，被還原。答案選D。 5．關(guān)于下圖所示的原電池，下列說法正確的是（） A．Cu為正極發(fā)生氧化反應(yīng) B．負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e===Zn2+ C．電子由銅片通過導(dǎo)線流向鋅片 D．該裝置能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 【答案】B 【解析】A．在原電池中負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬性鋅強于銅，鋅是負(fù)極，銅是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，A錯誤；B．鋅是負(fù)極，負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e===Zn2+，B正確；C．鋅是負(fù)極，發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，則電子從鋅出來通過導(dǎo)線流向銅，C錯誤；D．原電池是將化學(xué)能變化電能的裝置，D錯誤。答案選B。 6．下列有關(guān)原電池的說法中，正確的是（） A．鋁片和鎂片用導(dǎo)線連接后插入NaOH溶液中，鎂片較活潑，作負(fù)極 B．鐵片和銅片用導(dǎo)線連接后插入濃硝酸中，銅作負(fù)極 C．鍍鋅鐵和鍍錫鐵的鍍層破損后，前者較易被腐蝕 D．將反應(yīng)2Fe3++Fe===3Fe2+設(shè)計為原電池，則可用鋅片作負(fù)極，鐵片作正極，F(xiàn)eCl3溶液作電解質(zhì) 【答案】B 【解析】A．鋁片和鎂片用導(dǎo)線連接后插入NaOH溶液中，鋁可以與NaOH溶液反應(yīng)，而鎂片與NaOH溶液不反應(yīng)，所以鋁作負(fù)極，A錯誤；B．鐵片和銅片用導(dǎo)線連接后插入濃硝酸中，鐵發(fā)生鈍化，銅能與濃硝酸反應(yīng)，所以銅作負(fù)極，B正確；C．鍍鋅鐵和鍍錫鐵的鍍層破損后，前者鋅鐵形成原電池，鋅作負(fù)極被腐蝕從而保護鐵，而錫鐵原電池，鐵的活潑性強于錫，鐵作負(fù)極易被腐蝕，所以后者較易被腐蝕，C錯誤；D．鋅片作負(fù)極，鐵片作正極，F(xiàn)eCl3溶液作電解質(zhì)形成的原電池中，鋅參與反應(yīng)生成鋅離子，與2Fe3++Fe===3Fe2+的設(shè)計目標(biāo)不符，應(yīng)該是鐵作負(fù)極，D錯誤；答案選B。 7．有一種銀鋅電池，其電極分別為Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH、電極反應(yīng)式分別為Zn+2OH﹣2e===ZnO+H2O，Ag2O+H2O+2e===2Ag+2OH，根據(jù)上述反應(yīng)式，下列說法正確的是（） A．使用過程中，電極正極溶液的pH增大 B．使用過程中，溶液中氫氧根向Ag2O電極移動 C．使用過程中，電子由Ag2O極經(jīng)外路流向Zn極 D．使用過程中，Zn電極發(fā)生還原反應(yīng)，Ag2O電極發(fā)生氧化反應(yīng) 【答案】A 【解析】A．正極發(fā)生Ag2O+H2O+2e===2Ag+2OH，c(OH)增大，所以電池正極區(qū)溶液的pH增大，A正確；D．原電池中陰離子向負(fù)極移動，則使用過程中，溶液中氫氧根向Zn電極移動，B錯誤；C．Zn為負(fù)極，Ag2O為正極，則使用過程中，電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極，C錯誤；D．Zn失去電子，Zn為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，Ag2O得到電子是正極，發(fā)生還原反應(yīng)，D錯誤；答案選A。 8．某同學(xué)用如圖所示實驗來探究構(gòu)成原電池的一般條件，下列說法中正確的是（） A．左瓶的燈泡發(fā)光 B．右瓶的銅棒變粗 C．右瓶中鐵棒為正極 D．左瓶：Fe-2e－===Fe2+ 【答案】B 【解析】A．左瓶電極插入苯中，苯是非電解質(zhì)，不能構(gòu)成原電池，燈泡不會發(fā)光，A錯誤；B．右瓶電極插入硫酸銅溶液中，且構(gòu)成閉合回路，形成原電池，鐵是負(fù)極，銅是正極，溶液中的銅離子得到電子析出銅，所以銅棒變粗，B正確；C．金屬性鐵強于銅，因此右瓶中鐵棒為負(fù)極，C錯誤；D．左瓶不能形成原電池，鐵與硫酸銅溶液直接發(fā)生置換反應(yīng)，D錯誤。答案選B。 9．Mg—H2O2電池可用于驅(qū)動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質(zhì)溶液，示意圖如下。該電池工作時，下列說法正確的是（） A．鎂電極是該電池的正極 B．過氧化氫在石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng) C．石墨電極附近溶液的pH增大 D．溶液中氯離子向正極移動 【答案】C 【解析】該反應(yīng)為原電池反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下，負(fù)極反應(yīng)：Mg-2e－===Mg2+， Mg失電子，被氧化，發(fā)生氧化反應(yīng)；正極反應(yīng)：H2O2+2e－===2OH－，H2O2得電子，被還原，發(fā)生還原反應(yīng)。A．原電池中，Mg失電子，被氧化，發(fā)生氧化反應(yīng)，則Mg是該電池的負(fù)極，故A錯誤；B．在石墨電極上，H2O2得電子，被還原，發(fā)生還原反應(yīng)，故B錯誤；C．石墨電極是正極，OH－濃度增大，pH增大，故C正確；D．電解質(zhì)溶液中的陰離子向負(fù)極移動，陽離子向正極移動，則Cl-向負(fù)極移動，故D錯誤。故選C。 10．將鐵棒和鋅棒用導(dǎo)線連接插入CuSO4溶液里，當(dāng)電池中有0.2mol電子通過時，負(fù)極質(zhì)量的變化是（） A．增加5.6 g B．減少0.1 g C．減少6.5 g D．增加6.4 g 【答案】C 【解析】鐵棒、鋅棒和硫酸銅溶液形成的原電池中，較活潑的金屬鋅棒作負(fù)極，鐵棒作正極，負(fù)極上鋅失電子變成鋅離子進入溶液，所以負(fù)極質(zhì)量會減少，正極上銅離子得電子生成銅單質(zhì)，所以正極上鐵棒質(zhì)量會增加，根據(jù)電極方程式Zn-2e－===Zn2＋和轉(zhuǎn)移電子的關(guān)系計算即可．鐵棒、鋅棒和硫酸銅溶液形成的原電池中，較活潑的金屬鋅棒作負(fù)極，鐵棒作正極，負(fù)極上鋅失電子質(zhì)量減少，正極上銅離子得電子質(zhì)量增加。設(shè)負(fù)極上質(zhì)量減少x。負(fù)極上的電極反應(yīng)式為：Zn－2e－===Zn2+， 65g 2mol x0.2mol x=65g0.2mol/2mol=6.5g，所以負(fù)極質(zhì)量減少6.5g，故選：C。 11．將質(zhì)量相等的鐵片和銅片用導(dǎo)線相連浸入500mL硫酸銅溶液中構(gòu)成如圖1的裝置：（以下均假設(shè)反應(yīng)過程中溶液體積不變）。 （1）鐵片上的電極反應(yīng)式為___________________________。 （2）若2min后測得鐵片和銅片之間的質(zhì)量差為1.2g，計算：導(dǎo)線中流過的電子的物質(zhì)的量為_________mo1； 【答案】（1）Fe－2e－===Fe2＋ （2）0.02 【解析】將質(zhì)量相等的鐵片和銅片用導(dǎo)線相連浸入 500mL 硫酸銅溶液中構(gòu)成原電池，鐵的活潑性大于銅，所以鐵是負(fù)極、銅是正極，電池總反應(yīng)為Cu2++Fe===Cu+Fe2+，負(fù)極反應(yīng)為Fe－2e－===Fe2+、正極反應(yīng)為Cu2++2e－===Cu；根據(jù)以上分析，（1）鐵的活潑性大于銅，鐵片是負(fù)極，負(fù)極反應(yīng)式為Fe－2e－===Fe2+。（2）根據(jù)Cu2++Fe===Cu+Fe2+，負(fù)極溶解鐵的物質(zhì)的量與正極生成銅的物質(zhì)的量相等，若2min后測得鐵片和銅片之間的質(zhì)量差為1.2g，設(shè)負(fù)極溶解鐵的物質(zhì)的量為xmol，則56x+64x=1.2，x=0.01mol，根據(jù)負(fù)極反應(yīng)式Fe－2e－===Fe2+，導(dǎo)線中流過的電子的物質(zhì)的量為0.02mo1。 12．（1）在下圖的8個裝置中，屬于原電池的是____________。 （2）航天飛機常采用燃料電池作為電能來源，燃料電池一般指采用H2、CH4、CO、C2H5OH等可燃物質(zhì)與O2一起構(gòu)成的電池裝置，它可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。如圖是甲烷燃料電池原理示意圖，回答下列問題： ①電池的負(fù)極是___(填“a”或“b”)，該極的電極反應(yīng)是______________________________。 ②消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下5.6L O2時，有____mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移。 ③開始放電時，正極附近溶液的pH__________(填“增大”“減小”或“不變”) 【答案】（1）④⑥⑦ （2）①a CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O ②1 ③增大 【解析】（1）根據(jù)原電池中有兩個電極可以排除掉①②；而且兩電極活潑性不同，排除③；注意④⑥⑦都含有兩種活潑性不同的金屬或非金屬，即含兩個電極；必須存在電解質(zhì)溶液，可排除⑤；電極與電解質(zhì)溶液要形成閉合回路，⑧不符合要求；④⑥⑦都滿足形成原電池的條件。因此，本題正確答案是：④⑥⑦；（2）①甲烷燃料電池中，甲烷在負(fù)極失電子，a為負(fù)極，氧氣在正極得電子，電極反應(yīng)式為：O2+4e－+2H2O===4OH－，用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式得負(fù)極反應(yīng)式：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，②5.6L氧氣的物質(zhì)的量為：=0.25mol，根據(jù)電極反應(yīng)：O2+4e－+2H2O===4OH－，消耗5.6L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)O2時,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為：0.25mol4═1mol，③開始放電時，正極上是氧氣發(fā)生得電子得還原反應(yīng)，即O2+4e－+2H2O===4OH－，產(chǎn)生氫氧根，在該極附近溶液氫氧根離子濃度增大。