原電池工作原理知識(shí)

董順

一、知識(shí)梳理

1.原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

2.原電池工作原理（以鋅銅原電池為例）：

（1）電極名稱(chēng)和電極反應(yīng)

原電池中，相對(duì)活潑的電極為負(fù)極，相對(duì)不活潑的金屬（或石墨電極）為正極。

上述電池發(fā)生的反應(yīng)為

鋅電極（負(fù)極）：Zn-2e=Zn？搖 銅電極（正極）：2H+2e=H↑

總反應(yīng)方程式：Zn+2H=Zn+H↑

（2）電子、電流流動(dòng)方向

電子從原電池負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，電流在外電路中從原電池的正極到負(fù)極。

（3）陰陽(yáng)離子的遷移

陽(yáng)離子→正極 陰離子→負(fù)極

注：“電子不下水，離子不上岸。”

上述過(guò)程可表示為右圖：

例1 鋅片、銅片和稀硫酸組成的原電池裝置，工作一段時(shí)間后，下列說(shuō)法正確的是（ ）。

A.鋅片是正極，銅片上有氣泡產(chǎn)生

B.電流方向是從鋅片經(jīng)導(dǎo)線流向銅片

C.溶液中硫酸的物質(zhì)的量濃度減小

D.電解質(zhì)溶液的pH保持不變

解析 活潑金屬鋅為負(fù)極；外電路中電流的方向由正極到負(fù)極，與電子流動(dòng)的方向相反；隨著H消耗，pH逐漸增大。

答案 C

（4）原電池正、負(fù)極判斷

特例：Al在堿性溶液中比Mg更易失電子，Al做負(fù)極，Mg做正極；Fe、Al在濃硝酸中鈍化后比Cu等金屬更難失電子，Cu等金屬做負(fù)極，F(xiàn)e、Al做正極。

例2 如右圖所示的裝置，在盛有水的燒杯中，用一根絕緣的細(xì)絲吊著鐵圈和銀圈，使之平衡，小心地從燒杯中央滴入CuSO溶液，片刻后可觀察到的現(xiàn)象是（ ）。

A.鐵圈和銀圈左右搖擺不定？搖 B.保持平衡

C.鐵圈向下傾斜？搖 D.銀圈向下傾斜

解析 鐵圈和銀圈兩種活動(dòng)性不同的金屬相互連接組成閉合回路，放入CuSO溶液中，構(gòu)成了原電池。活潑金屬鐵做負(fù)極，失電子生成Fe進(jìn)入溶液中：Fe-2e=Fe，電子傳給了銀圈，溶液中的Cu在銀圈上得電子生成銅單質(zhì)：Cu+2e=Cu，所以鐵圈向上傾斜，銀圈向下傾斜。

答案 D

（5）原電池的形成條件

①具有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)（前提條件）；

②有兩種活潑性不同的金屬（或金屬與石墨）做電極；

③要有電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)）；

④形成閉合回路（工作條件）。

例3 如下圖所示的裝置能夠組成原電池產(chǎn)生電流的是（ ）。

解析 依據(jù)構(gòu)成原電池的四個(gè)必要條件分析：A中兩電極相同，C中沒(méi)有構(gòu)成閉合回路，D中酒精是非電解質(zhì)，唯有B符合條件。

答案 B

3.原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)方法

（1）寫(xiě)出總化學(xué)反應(yīng)方程式（即氧化還原反應(yīng)方程式）；

（2）根據(jù)總反應(yīng)方程式，從電子得失（或元素化合價(jià)升降）的角度將總反應(yīng)分成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)；

（3）氧化反應(yīng)在負(fù)極發(fā)生，還原反應(yīng)在正極發(fā)生，注意介質(zhì)可能參與反應(yīng)；

（4）驗(yàn)證：兩電極反應(yīng)式相加所得式子和總化學(xué)反應(yīng)方程式相同，則書(shū)寫(xiě)正確。

4.原電池的主要應(yīng)用

（1）利用原電池原理設(shè)計(jì)新型化學(xué)電池；

（2）改變化學(xué)反應(yīng)速率，如實(shí)驗(yàn)室用粗鋅與稀硫酸反應(yīng)制取氫氣；

（3）進(jìn)行金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱比較；

（4）電化學(xué)保護(hù)法，即將金屬作為原電池的正極進(jìn)行保護(hù)。如在鐵質(zhì)輪船底部鑲嵌鋅塊。

例4 把a(bǔ)、b、c、d四塊金屬片浸入稀硫酸中，用導(dǎo)線兩兩相連組成原電池。若a、b相連時(shí)，a為負(fù)極；c、d相連時(shí)，電流流向?yàn)閐→導(dǎo)線→c；a、c相連時(shí)，c極上產(chǎn)生大量氣泡；b、d相連時(shí)，b極上發(fā)生還原反應(yīng)。則四種金屬的活動(dòng)性順序由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋?）。

A.a>b>c>d？搖 B.c>a>b>d？搖？搖 C.a>c>d>b？搖 D.b>d>c>a

解析 根據(jù)原電池原理可知，作為負(fù)極的金屬活動(dòng)性比正極的金屬活動(dòng)性強(qiáng)，電子流動(dòng)方向是由負(fù)極流向正極，電流方向與電子流動(dòng)方向相反，據(jù)此判斷金屬的活動(dòng)性：a>b，c>d，a>c，d>b。

答案 C

例5 某原電池總反應(yīng)為：Cu+2Fe=Cu+2Fe，下列能實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)的原電池是（ ）。

答案 ？搖D

5.化學(xué)電源

一次電池：用過(guò)后不可復(fù)原，如常見(jiàn)干電池；

二次電池：充電后能繼續(xù)使用，如鉛蓄電池。

燃料電池（氫氧燃料電池）：

①用酸性電解質(zhì)時(shí)：

總反應(yīng)方程式：2H+O=2HO

負(fù)極：2H-4e=4H？搖？搖 正極：O+4H+4e=2HO

②用NaOH等堿性電解質(zhì)時(shí)：

總反應(yīng)方程式：2H+O=2HO

負(fù)極：2H+4OH-4e=4HO？搖 ？搖正極：O+2HO+4e=4OH

二、典型試題導(dǎo)析

1.如右圖所示，電流計(jì)G發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)A極逐漸變粗，B極逐漸變細(xì)，C為電解質(zhì)溶液，則A、B、C應(yīng)是下列各組中的（ ）。

A.A是Zn、B是Cu、C為稀硫酸溶液

B.A是Cu、B是Zn、C為稀硫酸溶液

C.A是Fe、B是Ag、C為AgNO溶液

D.A是Ag、B是Fe、C為AgNO溶液

解析 該裝置為原電池，A極變粗，說(shuō)明A上有金屬析出，即在A極上發(fā)生還原反應(yīng)，A為正極；電解質(zhì)溶液中應(yīng)含有易得電子的金屬陽(yáng)離子；B為負(fù)極，應(yīng)是比A極材料更活潑的金屬，只有D項(xiàng)符合題意；D中負(fù)極（Fe）反應(yīng)：Fe-2e=Fe，正極（Ag）反應(yīng)：2Ag+2e=2Ag。

答案 D

2.某原電池反應(yīng)的離子方程式為Fe+2H=Fe+H↑，則下列說(shuō)法正確的是（ ）。

A.HNO為電解質(zhì)溶液？搖？搖 ？搖？搖？搖？搖？搖B.鋅可能為原電池正極

C.鐵極質(zhì)量不變？搖？搖？搖？搖 ？搖？搖D.銅可能為原電池正極

解析 由電池反應(yīng)的離子方程式知，電池的負(fù)極為鐵，則正極應(yīng)是比鐵更不活潑的金屬（B選項(xiàng)錯(cuò)誤），在反應(yīng)中負(fù)極不斷被消耗（C選項(xiàng)錯(cuò)誤），由于反應(yīng)中放出了氫氣并生成了Fe，故知電解質(zhì)溶液不能是HNO。由上分析可知正確選項(xiàng)為D。

答案 D

3.把適合題意的圖像填在橫線上（用A、B、C、D表示）。

（1）向等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b中分別加入過(guò)量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量的CuSO溶液，產(chǎn)生H的體積V（L）與時(shí)間t（min）的關(guān)系是 。

（2）向過(guò)量的兩份鋅粉a、b中分別加入等量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量的CuSO溶液，產(chǎn)生H的體積V（L）與時(shí)間t（min）的關(guān)系是 。

（3）將（1）中的CuSO溶液改成NaCl溶液，其他條件不變，則圖像是 。

解析 加入CuSO溶液后，Zn置換出Cu，形成原電池，能夠加快反應(yīng)速率。（1）a中Zn減少，H體積減小，A項(xiàng)正確；（2）中由于HSO定量，產(chǎn)生H的體積一樣，B項(xiàng)正確；（3）當(dāng)把CuSO溶液改成NaCl溶液時(shí)，相當(dāng)于將溶液稀釋?zhuān)磻?yīng)速率減小，但產(chǎn)生H的體積不變，C項(xiàng)正確。

答案 （1）A （2）B （3）C

4.某高一化學(xué)興趣小組為了探索鋁電極在原電池中的作用，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了以下一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。試根據(jù)下表中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象回答下列問(wèn)題：

（1）實(shí)驗(yàn)1、2中Al所做的電極是否相同？

（2）寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)3中的電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)方程式。

（3）實(shí)驗(yàn)4中Al做正極還是做負(fù)極，為什么？寫(xiě)出Al電極的電極反應(yīng)式。

（4）解釋實(shí)驗(yàn)5中電流計(jì)指針偏向Al的原因。

（5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)：在原電池中金屬鋁做正極還是做負(fù)極受到哪些因素的影響？

解析 一般情況下，較活潑的金屬做原電池的負(fù)極，根據(jù)實(shí)驗(yàn)1、2的結(jié)果，自然得出1中Al做正極，2中Al做負(fù)極，但在NaOH溶液中Al比Mg活潑，Al做負(fù)極，在濃硝酸中由于Al發(fā)生鈍化，Cu做負(fù)極。

答案 （1）不同

（2）Al為負(fù)極：Al-3e=Al，石墨為正極：2H+2e=H↑，總反應(yīng)方程式：2Al+6H=2Al+3H↑

（3）Al做負(fù)極，因?yàn)锳l能與NaOH溶液反應(yīng)而Mg不能，Al+4OH-3e=AlO+2HO

（4）實(shí)驗(yàn)5中由于Al在濃硝酸中發(fā)生鈍化，所以Cu為負(fù)極

（5）與另一電極材料的活潑性、電解質(zhì)溶液的酸堿性以及電解質(zhì)溶液的氧化性強(qiáng)弱等因素有關(guān)