原电池原理及其应用
（一）网上课堂
[本讲主要内容]
原电池，化学电池，金属的电化学腐蚀和防护
[学习指导]
1.原电池:
原电池是把化学能变电能的装置。现以锌铜稀硫酸构成原电池为例，来认识原电池。
（1）教学演示，组装原电池。
下面这个表是在教学中，选用250mL烧杯，内装1:4的稀硫酸，用两个同样大小的锌片和铜板做电极，两根铜导线，电流计，主要分4个步骤。使学生认识消耗化学物质，产生电能，基础是氧化还原反应。
教学演示，组装原电池的过程
主要操作
反应现象及离子方程式
对实验现象的解释
锌片被腐蚀，由银白色变黑色在锌片表面(液面下部分)冒气泡Zn+2H+=Zn2++H2↑
锌还原性较强，H+能氧化Zn，所以Zn和H+接触顺利发生了氧化还原以应。
锌片被腐蚀，铜片无变化，液面下的锌片上冒出气泡
Zn+2H+=Zn2++H2↑
锌与H+自发进行氧化还原反应产生H2。H+不能氧化铜，或说Cu还原性弱，不能还原H+，所以Cu无变化。
锌片被腐蚀，也有气泡放出，但明显减少，铜片表面无变化，但是有较多气泡从铜片上冒出，Zn+2H+=Zn2++H2↑
Zn与Cu片对顶接触(交叉接触也可以)，Zn被氧化失去的电子流入到Cu片上，H+在Cu片上获得Zn失的电子被还原，在Cu片上有H2放出。
锌片被腐蚀，大量气泡从铜片上冒出，电流计指针发生偏转
Zn+2H+=Zn2++H2↑
已经构成了比较规范的教学原电池，Zn片被氧化，电子经导线流过电流计，电流计指针偏转，经导线流入Cu片，H+在Cu片上获得电子，放出H2。
构成原电池的条件：用导线相连着的两种活泼性不同的金属（或一种金属与一种非金属）浸在电解质溶液中，至少有一种金属能跟电解质溶液发生氧化还原反应。
（2）原电池的术语（仍以Cu、Zn稀H2SO4原电池为例）
负极：还原性强的金属。发生氧化反应，失去电子或电子输出极，如Zn。
正极：还原性强的金属（或C）。电解质溶液中的阳离子（如H2SO4中的H+）在正极上获得电子被还原，或者是发生还原反应。是电子输入极。
电极反应式，在极板上分别发生的氧化反应或还原反应叫极板反应，极板反应的方程式叫电极反应方程式。
负极：Zn-2e-=Zn2+
正极：2H++2e-=H2↑
有时要写原电池的电池反应方程式或电池反应的离子方程式。把两个极板反应式加起来，就可得电池反应式。
Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2↑或
Zn+2H+=Zn2++H2↑
通过电池反应式可以看出，能产生电流，是消耗了化学物质Zn和H2SO4，那么正极Cu起什么作用呢？Cu片只做电子的栖存“公寓”，并不参加反应。没有这所“公寓”，Zn丢的电子杂乱无章地被H+获得，不能形成稳定的电流，电能无法利用起来。而组装成原电池以后，电能可以被利用。
2．化学电源:
教学原电池，是为认识原电池的原理，实用起来有诸多不便。现在介绍几种实用电池。”
（1）干电池:
手电筒使用的干电池，叫锌——锰干电池，电压1.5V。
除图上注明的物质之外，还有调成糊状的氯化铵，做为电解质溶液。放在多孔纸和锌筒之间。
电极反应：负极（锌筒）Zn-2e-=Zn2+
正极（石墨）2NH4++2e-=2NH3+H2
电池总反应：Zn+2NH4+=Zn2++2NH3+H2
同学们：你们每个人都会用过大小号不同的干电
池，是否发生过NH3外逸，或者气体把电池冲破的现
象呢？不会有这种现象。原因是，电池里已经备有了
吸收NH3和H2的物质。
H2被MnO2吸收，2MnO2+H2=Mn2O3+H2O
NH3被Zn2+吸收，Zn2++4HN3=[Zn(NH3)4]2+
所以电池里总的化学反应方程式为：
2Zn+4NH4Cl+2MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O
（2）铅蓄电池:
汽车上的电池，也叫电瓶
负极是铅，正极是二氧化铅，30%的H2SO4做电解质溶液。铅畜电池电压稳定，使用方便，安全可靠，又可以循环使用。
电极反应：负极：Pb-2e-+SO42-=PbSO4
正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O
总反应方程式：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
所谓循环使用是指，在Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
反应中，正向是放电反应，就是原电池产生电流的反应，逆向是充电反应，是电解反应，是消耗电流的反应，这部分内容到高三再学。
目前市场上有一种“干电池”也是可充电电池。它是一种银锌蓄电池，电解质溶液是KOH溶液。
负极：Zn+2OH-—2e-=Zn(OH)2
正极：Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-
电池总反应式：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag
正向为原电池，产生电流，为放电。
逆向为电解池，消耗电流，为充电。
（3）锂电池:
锂的密度是0.53g·cm-3，是金属中最小的，做电池的负极，跟用同等质量的其它金属做负极相比，它使用的寿命大大延长。有一种锂电池中，锂为负极，碳为正极，电解质溶液由四氯化铝锂（LiAlCl4）溶解在亚硫酰氯（SOCl2）中组成电池。电池的总反应为：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S
（4）新型燃烧电池:
燃料电池不需要把还原剂和氧化剂都储存在电池里，而是在工作中，不断输入，把产物不断排出。因此，燃料电池是名符其实的把能源中的燃料燃烧反应的化学能转化为电能的“能量转换器”
①氢氧燃料电池:
氢氧燃料电极用具有很高催化活性材料，如铂电极或活性炭电极。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。
负极：H22H 2H+2OH-—2e-=2H2O
电极反应式
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
电池总反应 2H2+O2==2H2O
氢氧燃烧电池除了具有能量转化率高，可持续使用优点外，而且对环境无污染。
②甲烷燃料电池，该电池用金属铂片插入KOH溶液中为电极，又在两极上分别通入CH4和O2。
负极：CH4+10OH-—8e-=CO32-+7H2O
电解反应式
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
电池总反应式：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
还有一种原种电池，叫铝海水空气电池，已应用在导航事业上。
铝为原电池负极，空气为正极，海水为电解质溶液。
负极：Al-3e-=Al3+
电极反应
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
电池总反应为：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3
3．金属的电化学腐蚀和防护:
金属腐蚀的本质，是金属原子失去电子变成阳离子的过程。也就是说，金属在腐蚀过程中，发生了氧化还原反应。
（1）化学腐蚀：金属跟接触到的物质直接反应引起的腐蚀。例如：2Fe+3Cl22FeCl3，输原油钢管被石油里含的硫化合物腐蚀等等。
（2）不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。绝对纯的金属很少，空气中总有水蒸气，所以电化学腐蚀很普遍。
同学们几乎都骑过自行车，也会发现自行车被雨淋过以后，被腐蚀很快，甚至一夜之间，某些部位就出现了锈斑，为什么？
原来在冶炼或炼钢中，都有碳，钢属于铁碳合金，车淋过雨，车表面有一层水膜，O2在水中有微量溶解。这样就构成了无数的小的原电池。原电池的负极是铁，正极是碳，H2O是电解质，获得铁失去的电子的物质是溶在水中的O2。
负极：Fe-2e-=Fe2+
电极反应
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
电池的总反应式为2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2
电化腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。
接下来我们讨论铁锈是怎么生成的。
我们学过Fe(OH)2还原性很强，易被O2氧化，当有微量的Fe(OH)2生成时，就迅速被O2氧化，发生4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3的反应。氧化反应一般都是放热反应。生成的Fe(OH)3会分解、生成Fe2O3·xH2O。就是我们看到的红色锈斑。
4．金属的防护:
金属被腐蚀，就本质来讲，是它本身易失去电子，如何不给它失电子的机会，是人们要寻找保护金属的措施。
如果金属里含不活泼的金属或碳少一些，也就是说金属纯度大一些，形成的小电池就少，金属使用寿命就长一些。把金属制成合金，抗腐蚀能力也提高，比如医院用手术刀，是铁铬合金，抗腐蚀。
与金属接触的介质关系也大，金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体和电解质溶液，被腐蚀就快。那么就不让金属接触它们。加保护层如喷漆、电镀、涂油，烧搪瓷等方法与介质隔离。精密仪器关键部件加环境保护气（如He气）防止氧化等等。大的金属闸门还采用电化学保护法，就是在闸门上通有电流，压制金属不能丢电子，消耗电能保持金属不腐蚀。
[例题精讲]
1．下面4个实验装置，其中电流计指针发生偏转的是（ ）
分析：电流计指针偏转，说明有电子流过，那么这个装置就是原电池。
构成原电池的条件：必须是用导线连接着的活泼性不同的金属或金属与非金属（主要指C）与电解质溶液能发生氧化还原反应。否则不是原电池。
A选项，相当于把Zn置于稀H2SO4中，构不成原电池。
B符合构成原电池条件，Zn为负极，Fe为正极，Zn与HCl能发生氧化还原反应。Fe虽然也能跟HCl发生氧化还原反应，但Zn还原性强于Fe，Zn优先失电子，电子负载在铁板上，铁不能再失电子了。
C选项中，酒精是非电解质，不符合构成原电池条件，不会有电流产生。
D选项中，符合构成原电池条件。Zn为负极Cu为正极。Zn能与CuSO4溶液发生氧化还原反应。
选择BD。
2．把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时，a为负极；c、d相连时c为负极；a、c相连时c为正极；b、d相连时b为正极。则四种金属的活动性顺序（由大到小）为（ ）
A．a>b>c>d B．a>c>d>b
C．a>c>b>d D．b>d>c>a
分析：在原电池的结构中，负极是活泼性强的金属，正极活泼性弱于负极。
在a、b电极中 a>b
在c、d电极中 c>d
在a、c电极中 a>c
在b、d电极中 d>b
连接4个不等式得 a>c>d>b
选择B.
下图各容器中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快变慢的顺序是
A．Va>Vb>Vc B．Vb>Vc>Va
C．Vc>Va>Vb D．Vb>Va>Vc
分析：海水是电解质溶液，b、c看成是原电池，反应情况，可以参考金属的腐蚀。b装置：Fe为负极，电极反应是Fe-2e-=Fe2+，Sn是正极，在正极上发生还原反应是溶在海水中的O2，电极反应式：O2+2H2O+4e-=4OH-。同样逆理，c装置也是原电池，负极反应：Zn-2e-=Zn2+Fe为正极，极板反应：O2+2H2O+4e-=4OH-。而a装置构不成原电池，它被腐蚀是铁内部的杂质与铁、海水形成小的原电池，被腐蚀部位是临海水液面下接近液面处，因为只有在这个部分，接触O2机会多些。
如何比较Fe被腐蚀的快和慢，形成人为原电池的(b、c)被腐蚀速度大于非人为因素形成微小原电池的腐蚀速度，在形成人为原电池的b、c两装置中，Fe被腐蚀的快慢，要比较负极和正极化学活泼性差别的大小。换言之，看在金属活动性顺序表中相距位置的远和近，远之，被腐蚀得快；近之，相对慢些。所以，Fe被腐蚀速度b>c。
选择B.
（二）网上能力训练题
[基础性训练题]
一．选择题:
1．下列装置中，能构成原电池的是（ ）
2．下列叙述中，可以说明金属甲的活动性比金属乙的活泼性强的是（ ）
A．在氧化还原反应中，甲原子失去电子比乙原子失去的电子多
B．同价态的阳离子，甲比乙的氧化性强
C．甲能跟稀盐酸反应放出氢气而乙不能
D．将甲、乙做电极组成原电池时，甲为负极
3．由铜、锌、稀H2SO4组成的原电池工作时，电解质溶液的pH变化情况是（ ）
A．不变 B．先变小后变大
C．逐渐变大 D．逐渐变小
4．氢氧燃料电池是将H2和O2分别充入电池，穿过浸有40%的KOH溶液的多孔碳电极，其电极反应式为：H2+2OH--2e-=2H2O和O2+H2O+2e-=2OH-。下列叙述正确的是（ ）
A．通H2的一极是正极，通入O2的一极是负极
B．通入H2的一极是负极，通入O2的一极是正极
C．工作一段时间后电解质溶液的pH变大
D．工作一段时间后电解质溶液的pH变小
5．金属铁发生电化学腐蚀时，发生还原反应的电极反应式为（ ）
A．Fe-2e-=Fe2+
B．2H++2e-=H2↑
C．4OH--4e-=2H2O+O2↑
D．2H2O+O2+4e-=4OH-
6．下列关于金属腐蚀叙述正确的是（ ）
A．金属在潮湿情况下腐蚀其实质是M+nH2O=M(OH)n+H2↑
B．金属化学腐蚀的实质是：M-ne-=Mn+
C．金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行
D．在潮湿或中性环境中，金属的电化腐蚀，主要是水膜中的O2做氧化剂
7．如图示，电流计指针发生偏转，X会变粗Y会变细，符合这一情况的是（ ）
A．X是Cu，Y是Zn，Z是H2SO4溶液
B．X是Zn，Y是Cu，Z是CuSO4溶液
C．X是Ag，Y是Zn，Z是AgNO3溶液
D．X是Fe，Y是Cu，Z是AgNO3溶液
8．埋在地下的输油铸铁管道，在下列各种情况下，被腐蚀速度最慢的是（ ）
A．在含铁元素较多的酸性土址中
B．在潮湿疏松透气的土址中
C．在干燥致密的不透气的土址中
D．在含碳粒较多，潮湿透气的中性土址中
二．填空题:
9．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验，根据实验现象填表。
装置
现象
金属A不断溶解
C的质量不断增加
A上有气体产生
正极
反应式
四种金属活动性由弱到强的顺序是：
10．利用下列氧化还原反应，Zn-2e-=Zn2+，Hg2++2e-=Hg设计一个锌汞原电池，画出原电池的装置图，注明电极材料和电解质溶液。
[提高性训练题]
一．选择题:
11．把a、b、c、d4块金属片浸入稀H2SO4中，分别用导线两两组成原电池。a、b相连时，a为负极；d、c相连时，电流由d→c；a、c相连时，c极上产生大量气泡；b、d相连时，d极上发生氧化反应，这4种金属的活动性由强到弱的顺序是（ ）
A．a、b、c、d B．a、c、b、d
C．c、a、b、d D．b、d、c、a
12．铁钉和碳棒用导线连接后，浸入0.01mol·L-1的食盐溶液中，可能发生（ ）
A．碳棒上放出氯气
B．碳棒附近产生OH-
C．碳棒上放出氧气
D．铁钉被氧化
13．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为硫酸，工作时反应式为：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，下列结论正确的是（ ）
A．Pb为正极被氧化
B．SO42-只向PbO2极移动
C．电解质溶液密度不断减小
D．溶液的pH不断减小
14．某原电池总的反应的离子方程式：2Fe3++Fe=3Fe2+不能实现该反应的原电池是（ ）
A．正极是Cu，负极是Fe，电解质溶液是FeCl3溶液
B．正极是C，负极是铁，电解质溶液是Fe(NO3)3溶液
C．正极是Fe，负极是Zn，电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液
D．正极是Ag，负极是Fe，电解质溶液为CuSO4溶液
15．如图所示的装置，在铁环和银环的焊接处，用一根棉线将其悬吊于盛水的烧杯中，使之平衡。小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液，片刻后对两金属环可观察到的现象是（ ）
A．铁环和银环左右摇摆不定
B．保持水平状况
C．铁环向下倾斜
D．银环向下倾斜
16．电子表和电子计算器的电源常用微型银锌原电池，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液是KOH溶液。电池反应式为：Ag2O+2H2O+Zn=Zn(OH)2+2Ag，试判断下列说法正确的是（ ）
A．锌是负极，氧化银是正极
B．锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应
C．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动
D．随着电极反应的不断进行，电解质溶液中pH基本不变
二．填空题:
17．用足量的锌和稀H2SO4反应，（1）为了使反应速率加快，并使生成氢气的量基本不变，应采取的措施是（不允许加热）_______________。
（2）为了使反应速率减慢，并使生成氢气的量基本不变，应采取的措施是______________。
18．市场上出售的“热敷袋”其主要成分是铁屑、碳粉、木屑和少量NaCl、水等。热敷袋启用之前，用塑料袋轻轻搓就会放出热量，使用完后会发现大量铁锈存在。试回答：（1）热敷袋放出的热量是利用铁__________；（2）碳粉的主要作用是______；（3）加入NaCl的主要作用是______。
[研究性习题]
19．利用下述反应：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2设计一个原电池装置，画出装置图，标明电极材料和电解质溶液，写出电极反应方程式。
20．在教学演示中的这套装置
电流产生后，很快就消失。原因是由于细小的H2气泡包裹住Cu极，阻碍了H+再获得电子，所以电流消失，这样的电池没有实用价值。下面这付图，是正规的原电池，它可长期使用，图中倒扣着的U型管里装的是饱和KCl溶液，两端用棉花塞堵，叫盐桥。其作用是离子可以自由迁移。
（1）写出电极反应式
负极：______________ 正极：______________
（2）电池工作时，K+迁移到______（填化学式）溶液中。
Cl-迁移到______（填化学式）溶液中。
（3）如果把盐桥换成比较粗的金属导线，是否还能构成原电池______（填能、或不能）简述理由______________。
[能力训练题点拨与解答]
基础性训练题部分
一．
1．a、c
a选择看成只是铁被腐蚀，构成原电池。Fe为负极Fe-2e-=Fe2+，c为正极O2+2H2O+4e-=4OH-。b不是原电池，煤油是非电解质的混合物。c的负极是Zn，Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正极是Ag2O。Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，d不是原电池，因为玻璃棒不是导体。
2．CD
金属活泼性的强弱，原则上讲，应该看它与水反应，与酸反应置换出氢的难易；看它的最高价氧化物对应的水化物碱性的强弱，也可以参考，其阳离子获得电子的难易（但要注意，Fe为Fe2+，不是Fe3+）。现在学了原电池，通过原电池的反应，可以判断金属的活泼性强弱。负极是活泼金属。
3．C
因为正极反应式2H++2e-=H2↑C(H+)不断变小，pH就逐渐升高。
4．BD
负极发生氧化反应，H2+2OH--2e-=2H2O是氧化反应，所以通入H2的一极是负极，那么通O2一极就是正极。燃料电池工作中，负极区消耗OH-，pH会变小，正极区产生OH-，pH会变大。但氢氧燃料电池总反应：2H2+O2=2H2O，C(OH-)逐渐变小。C(H+)会升高，所以pH会变小。
5．D
A是负极的氧化反应，D是溶在水膜中的O2获得电子被还原的反应。
6．BD
无论金属在什么条件下发生腐蚀，总是失去了电子被氧化成离子，最普遍的腐蚀，是在潮湿的空气中，O2做氧化剂，使金属被氧化。
7．C、A是原电池，Y是负极，能变细，X是正极，析出H2，不会变粗。B也是原电池，X是负极，X变细，Y变粗。C是原电池，Y是负极，Zn被氧化而变细，电解质溶液中的Ag+在X电极上获得电子还原成Ag，使Ag极变粗。D是原电池，X变细，Y变粗。
8．C
减少构成原电池的条件。
二．
9．2H++2e-=H2↑ Cu2++2e-=Cu 2H++2e-=H2↑
Cb；c、d原电池中；电流d→c，电子由c→d，所以c>d；a、c原电池中，c为正极，所以a>c；b、d原电池中，d极氧化，d为负极，d>b，比较4个不等式，得B。
12．BD
铁被电化学腐蚀，Fe为负极，Fe-2e-=Fe2+，c为正极，O2+2H2O+4e-=4OH-所以碳棒附近产生OH-。
13．C
从反应式上看，由于PbSO4不溶相当于从溶液中拿走2个SO42-，向溶液中投入2个氧原子，造成液体密度变小。
14．CD
在原电池里，负极被氧化，而E极不参加反应，在四个选项中，C的负极是Zn不是Fe，所以不能实现2Fe3++Fe=3Fe2+这个反应。而D的选项中，电解质溶液是CuSO4，不是Fe3+盐，也就不能发生2Fe3++Fe=3Fe2+这个反应。
15．D
此题是Fe、Ag和CuSO4溶液构成原电池Fe为负极，因氧化而消耗，Cu2+在Ag极上被还原成Cu、Ag极质量增加，所以银环向下沉。
16．AD
锌是负极，发生氧化反应，OH-向负极区移动，K+、H+向正极区移动。电极反应：Zn+2OH-—2e-=Zn(OH)2，Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，C(OH-)变化不大，可以认为pH基本不变。
二．
17．加快反应，最有效办法是形成原电池。可以加入CuSO4溶液，相当于构成Zn、Cu、稀H2SO4的原电池，既加快反应速率，又不影响产生H2的量，减慢产生H2的速率，就必须降低C(H+)浓度，有效办法是生成弱酸，使电离出H+的能力下降，但也没影响产生H2的量。
（1）加CuSO4溶液
（2）加CH3COONa
18．
（1）氧化反应
（2）做正极
（3）做电解质溶液
[研究性习题]
19．解：Cu片为负极，石墨为正极，FeCl3溶液为电解质溶液。
负极 Cu-2e-=Cu2+
电解反应
正极 2Fe3++2e-=2Fe2+
20．解：
（1）Zn-2e-=Zn2+
Cu2++2e-=Cu
（2）CuSO4 ZnSO4
（3）不能
无法维持两个溶液呈电中性。
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