原电池工作原理知识

董顺

一、知识梳理

1.原电池：将化学能转化为电能的装置。

2.原电池工作原理（以锌铜原电池为例）：

（1）电极名称和电极反应

原电池中，相对活泼的电极为负极，相对不活泼的金属（或石墨电极）为正极。

上述电池发生的反应为

锌电极（负极）：Zn-2e=Zn？摇 铜电极（正极）：2H+2e=H↑

总反应方程式：Zn+2H=Zn+H↑

（2）电子、电流流动方向

电子从原电池负极经导线流向正极，电流在外电路中从原电池的正极到负极。

（3）阴阳离子的迁移

阳离子→正极 阴离子→负极

注：“电子不下水，离子不上岸。”

上述过程可表示为右图：

例1 锌片、铜片和稀硫酸组成的原电池装置，工作一段时间后，下列说法正确的是（ ）。

A.锌片是正极，铜片上有气泡产生

B.电流方向是从锌片经导线流向铜片

C.溶液中硫酸的物质的量浓度减小

D.电解质溶液的pH保持不变

解析 活泼金属锌为负极；外电路中电流的方向由正极到负极，与电子流动的方向相反；随着H消耗，pH逐渐增大。

答案 C

（4）原电池正、负极判断

特例：Al在碱性溶液中比Mg更易失电子，Al做负极，Mg做正极；Fe、Al在浓硝酸中钝化后比Cu等金属更难失电子，Cu等金属做负极，Fe、Al做正极。

例2 如右图所示的装置，在盛有水的烧杯中，用一根绝缘的细丝吊着铁圈和银圈，使之平衡，小心地从烧杯中央滴入CuSO溶液，片刻后可观察到的现象是（ ）。

A.铁圈和银圈左右摇摆不定？摇 B.保持平衡

C.铁圈向下倾斜？摇 D.银圈向下倾斜

解析 铁圈和银圈两种活动性不同的金属相互连接组成闭合回路，放入CuSO溶液中，构成了原电池。活泼金属铁做负极，失电子生成Fe进入溶液中：Fe-2e=Fe，电子传给了银圈，溶液中的Cu在银圈上得电子生成铜单质：Cu+2e=Cu，所以铁圈向上倾斜，银圈向下倾斜。

答案 D

（5）原电池的形成条件

①具有能自发进行的氧化还原反应（前提条件）；

②有两种活泼性不同的金属（或金属与石墨）做电极；

③要有电解质溶液（或熔融电解质）；

④形成闭合回路（工作条件）。

例3 如下图所示的装置能够组成原电池产生电流的是（ ）。

解析 依据构成原电池的四个必要条件分析：A中两电极相同，C中没有构成闭合回路，D中酒精是非电解质，唯有B符合条件。

答案 B

3.原电池电极反应式的书写方法

（1）写出总化学反应方程式（即氧化还原反应方程式）；

（2）根据总反应方程式，从电子得失（或元素化合价升降）的角度将总反应分成氧化反应和还原反应；

（3）氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，注意介质可能参与反应；

（4）验证：两电极反应式相加所得式子和总化学反应方程式相同，则书写正确。

4.原电池的主要应用

（1）利用原电池原理设计新型化学电池；

（2）改变化学反应速率，如实验室用粗锌与稀硫酸反应制取氢气；

（3）进行金属活动性强弱比较；

（4）电化学保护法，即将金属作为原电池的正极进行保护。如在铁质轮船底部镶嵌锌块。

例4 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，电流流向为d→导线→c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，b极上发生还原反应。则四种金属的活动性顺序由强到弱的顺序为（ ）。

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

解析 根据原电池原理可知，作为负极的金属活动性比正极的金属活动性强，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，据此判断金属的活动性：a>b，c>d，a>c，d>b。

答案 C

例5 某原电池总反应为：Cu+2Fe=Cu+2Fe，下列能实现该反应的原电池是（ ）。

答案 ？摇D

5.化学电源

一次电池：用过后不可复原，如常见干电池；

二次电池：充电后能继续使用，如铅蓄电池。

燃料电池（氢氧燃料电池）：

①用酸性电解质时：

总反应方程式：2H+O=2HO

负极：2H-4e=4H？摇？摇 正极：O+4H+4e=2HO

②用NaOH等碱性电解质时：

总反应方程式：2H+O=2HO

负极：2H+4OH-4e=4HO？摇 ？摇正极：O+2HO+4e=4OH

二、典型试题导析

1.如右图所示，电流计G发生偏转，同时A极逐渐变粗，B极逐渐变细，C为电解质溶液，则A、B、C应是下列各组中的（ ）。

A.A是Zn、B是Cu、C为稀硫酸溶液

B.A是Cu、B是Zn、C为稀硫酸溶液

C.A是Fe、B是Ag、C为AgNO溶液

D.A是Ag、B是Fe、C为AgNO溶液

解析 该装置为原电池，A极变粗，说明A上有金属析出，即在A极上发生还原反应，A为正极；电解质溶液中应含有易得电子的金属阳离子；B为负极，应是比A极材料更活泼的金属，只有D项符合题意；D中负极（Fe）反应：Fe-2e=Fe，正极（Ag）反应：2Ag+2e=2Ag。

答案 D

2.某原电池反应的离子方程式为Fe+2H=Fe+H↑，则下列说法正确的是（ ）。

A.HNO为电解质溶液？摇？摇 ？摇？摇？摇？摇？摇B.锌可能为原电池正极

C.铁极质量不变？摇？摇？摇？摇 ？摇？摇D.铜可能为原电池正极

解析 由电池反应的离子方程式知，电池的负极为铁，则正极应是比铁更不活泼的金属（B选项错误），在反应中负极不断被消耗（C选项错误），由于反应中放出了氢气并生成了Fe，故知电解质溶液不能是HNO。由上分析可知正确选项为D。

答案 D

3.把适合题意的图像填在横线上（用A、B、C、D表示）。

（1）向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO溶液，产生H的体积V（L）与时间t（min）的关系是 。

（2）向过量的两份锌粉a、b中分别加入等量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO溶液，产生H的体积V（L）与时间t（min）的关系是 。

（3）将（1）中的CuSO溶液改成NaCl溶液，其他条件不变，则图像是 。

解析 加入CuSO溶液后，Zn置换出Cu，形成原电池，能够加快反应速率。（1）a中Zn减少，H体积减小，A项正确；（2）中由于HSO定量，产生H的体积一样，B项正确；（3）当把CuSO溶液改成NaCl溶液时，相当于将溶液稀释，反应速率减小，但产生H的体积不变，C项正确。

答案 （1）A （2）B （3）C

4.某高一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，实验结果如下。试根据下表中的实验现象回答下列问题：

（1）实验1、2中Al所做的电极是否相同？

（2）写出实验3中的电极反应式和电池总反应方程式。

（3）实验4中Al做正极还是做负极，为什么？写出Al电极的电极反应式。

（4）解释实验5中电流计指针偏向Al的原因。

（5）根据实验结果总结：在原电池中金属铝做正极还是做负极受到哪些因素的影响？

解析 一般情况下，较活泼的金属做原电池的负极，根据实验1、2的结果，自然得出1中Al做正极，2中Al做负极，但在NaOH溶液中Al比Mg活泼，Al做负极，在浓硝酸中由于Al发生钝化，Cu做负极。

答案 （1）不同

（2）Al为负极：Al-3e=Al，石墨为正极：2H+2e=H↑，总反应方程式：2Al+6H=2Al+3H↑

（3）Al做负极，因为Al能与NaOH溶液反应而Mg不能，Al+4OH-3e=AlO+2HO

（4）实验5中由于Al在浓硝酸中发生钝化，所以Cu为负极

（5）与另一电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关