届高考化学大一轮复习教学讲义91原电池化学电源.docx

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届高考化学大一轮复习教学讲义91原电池化学电源

第一节　原电池　化学电源

1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

（高频）

2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。

（中频）

　原电池

1．概念：

把化学能转化为电能的装置。

2．工作原理：

（以铜—锌原电池为例）

单液原电池

双液原电池

装置图

电极名称

负极

正极

电极材料

锌片

铜片

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型

氧化反应

还原反应

电子流向

由锌片沿导线方向流向铜片

电池反应方程式

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

不同点

Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2＋，会有一部分Zn与Cu2＋直接反应，该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高

Zn和CuSO4溶液在两个池子中，Zn与Cu2＋不直接接触，不存在Zn与Cu2＋直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长

3.构成条件

　常见的化学电源

1．一次电池（以碱性锌锰电池为例）

总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

2．二次电池

铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

3．燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。

酸　性

碱　性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

1．易误诊断（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）原电池是将化学能转化为电能的装置（　　）

（2）任何氧化还原反应均可设计成原电池（　　）

（3）原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应（　　）

（4）原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动（　　）

（5）盐桥中的阳离子向正极移动（　　）

（6）燃料电池工作时燃料在电池中燃烧（　　）

【答案】　

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×

2．

（1）下列装置可以形成原电池的是________，并写出形成原电池的电极材料及电极反应式：

正极：

___________；

负极：

________________。

（2）根据下列氧化还原反应设计一个原电池：

2FeCl3＋Fe===3FeCl2。

要求：

①画出此原电池的装置图，装置采用烧杯和盐桥。

②注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。

【答案】　

（1）B　银片：

2Ag＋＋2e－===2Ag　铜片：

Cu－2e－===Cu2＋

（2）

3．LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4SOCl2。

电池的总反应可表示为：

4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为____________，该极的电极反应为______________。

（2）电池正极发生的电极反应为___________________________________。

【答案】　

（1）锂　4Li－4e－===4Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2

2个方面：

（1）能量转化：

化学能转化为电能；

（2）反应本质：

氧化还原反应。

两极反应类型：

（1）负极：

发生氧化反应；

（2）正极：

发生还原反应。

3个条件：

（1）两个活泼性不同的电极（常见为金属或石墨）；

（2）两电极插入电解质溶液中；

（3）形成闭合回路。

4个应用：

（1）加快氧化还原反应的速率；

（2）比较金属活动性强弱；

（3）用于金属的防护；

（4）制作化学电源。

原电池原理及电极反应方程式的书写

1.原电池的构成

2．正、负极的判断

3．电极反应式的书写

（1）（2013·北京高考节选）通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：

①Pt电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”）。

②写出NiO电极的电极反应式：

_____________________________________。

（2）（2013·新课标全国卷Ⅰ节选）二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池（5.93kW·h·kg－1）。

若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为_____________，一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生________个电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E＝________________（列式计算。

能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1kW·h＝3.6×106J）。

【解析】　

（1）根据氧离子的移向可得Pt电极为正极，应发生还原反应；NiO电极上NO失电子，与O2－结合为NO2，根据元素守恒和电荷守恒可写出其电极反应式。

（2）二甲醚直接燃料电池的总反应为CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O，负极反应式的书写步骤：

第一步先写反应物、生成物：

CH3OCH3——2CO2；

第二步写明转移电子数：

CH3OCH3－12e－——2CO2；

第三步配平：

3H2O＋CH3OCH3－12e－===2CO2＋12H＋。

1mol二甲醚被氧化生成2molCO2，失去12NA个电子，故1个二甲醚分子转移12个电子。

据能量密度＝电池输出电能/燃料质量，若燃料质量为1kg，则：

÷（3.6×106J·kW－1·h－1）≈8.39kW·h·kg－1。

【答案】　

（1）①还原　②NO＋O2－－2e－===NO2

（2）CH3OCH3＋3H2O===2CO2＋12H＋＋12e－　12

÷（3.6×106J·kW－1·h－1）≈8.39kW·h·kg－1

书写电极方程式时，正负极的判断是关键，看两极与电解质溶液得、失电子而快速推断出正、负极，同时还应充分注意介质与电极生成物的反应：

①负极生成的金属离子在碱性溶液中能与OH－反应生成难溶性碱，如在碱性条件下，钢铁腐蚀中负极生成的Fe2＋与溶液中的OH－结合生成Fe（OH）2；②在碱性条件下电极析出的CO2能与OH－反应生成CO等。

考向1　原电池基本原理

1．（2010·广东高考）铜锌原电池（如图）工作时，有关叙述正确的是（　　）

A．正极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从负极流向正极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

【解析】　Zn是负极，故A项错误；电池总反应和没有形成原电池时的氧化还原反应相同，故B项正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C项正确；在溶液中，阳离子向正极移动，故D项错误。

【答案】　BC

考向2　电极反应式的书写

2．

（1）（2012·山东高考节选）利用反应2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极电极反应为____________________。

（2）（2012·江苏高考节选）铝电池性能优越，AlAgO电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。

该电池反应的化学方程式为______________________。

（3）（2012·海南高考改编）肼（N2H4）和空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的反应式为：

___________。

【解析】　

（1）据电池反应可知，Cu作负极，电极反应为2Cu－4e－===2Cu2＋，则正极反应为O2＋4H＋＋4e－===

2H2O。

（2）由铝电池原理图可知，Al作负极，AgO/Ag作正极，电池反应为：

2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O。

（3）负极反应是还原剂失电子的反应，注意反应为碱性环境。

【答案】　

（1）O2＋4H＋＋4e－===2H2O

（2）2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O

（3）N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑

原电池原理的应用

1.加快氧化还原反应的速率

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。

2．比较金属活动性强弱

在酸性（非氧化性酸）电解质溶液中，两种金属分别作原电池的两极时，作负极的金属比作正极的金属活泼。

3．用于金属的防护

使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。

例如，要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等，可将锌与其相连，使锌作原电池的负极。

4．设计制作化学电源

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。

具体方法是：

（1）首先判断出电池反应中的还原剂和氧化剂，将还原剂（一般为比较活泼金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极，含氧化剂对应离子的电解质溶液作电解液。

（2）如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。

（3）按要求画出原电池装置图。

如根据以下反应设计的原电池：

原理

装置图

化学反应：

CuCl2＋Fe===FeCl2＋Cu

还原剂：

Fe；

氧化剂：

CuCl2

电极反应：

负极：

Fe－2e－===Fe2

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu＋

或

应用原电池原理可以将任何自发进行的氧化还原反应设计成原电池，但有的电池相当微弱，同时要注意电解质溶液不一定参与反应，如燃料电池，水中一般要加入强碱或强酸，以增强溶液的导电性。

　（2013·广东高考节选）

（1）能量之间可以相互转化：

电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。

设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。

限选材料：

ZnSO4（aq），FeSO4（aq），CuSO4（aq）；铜片，铁片，锌片和导线。

①完成原电池甲的装置示意图（见下图），并作相应标注。

要求：

在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。

②铜片为电极之一，CuSO4（aq）为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极_________________。

③甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________，其原因是_________________。

（2）根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在

（1）的材料中应选________作阳极。

【解析】　

（1）①因为电子的流向是从左到右，所以我们可以这样设计原电池：

左侧烧杯内盛放ZnSO4溶液，电极用锌片（或左侧烧杯内盛放FeSO4溶液，电极用铁片），右侧烧杯内盛放CuSO4溶液，电极用铜片，即可实现Zn＋CuSO4===

ZnSO4＋Cu（或Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4）；②由所给的电极材料可知，当铜片作电极时，铜片一定是正极，则负极是活泼的金属（失电子，发生氧化反应），反应现象是电极逐渐溶解，表面有红色固体析出；③以锌片和铜片作电极为例，如果不用盐桥，则除了发生原电池反应外还发生锌和铜离子的直接的置换反应，会使部分化学能以热能的形式转化掉，而盐桥的使用可以避免锌和铜离子的直接接触，从而避免了化学能转化为热能，提高电池效率。

（2）根据牺牲阳极的阴极保护法，可知被保护的金属作阴极，即铁片作阴极，锌片作阳极。

【答案】　

（1）①

②电极逐渐溶解，表面有红色固体析出

③甲　负极不和铜离子接触，避免了铜离子直接与负极发生反应而使化学能转化为热能

（2）锌片

考向1　金属活动性顺序比较

3．（2012·大纲全国卷）①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。

①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。

据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（　　）

A．①③②④　　　　B．①③④②

C．③④②①D．③①②④

【解析】　利用原电池的形成和工作原理解决问题。

在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：

①>③>④>②。

【答案】　B

考向2　利用原电池原理除“银锈”

4．（2013·新课标全国卷Ⅰ）银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。

根据电化学原理可进行如下处理：

在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去。

下列说法正确的是（　　）

A．处理过程中银器一直保持恒重

B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银

C．该过程中总反应为2Al＋3Ag2S===6Ag＋Al2S3

D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl

【解析】　铝质容器、变黑的银器及食盐溶液构成原电池装置，铝作负极，变质的银器作正极。

负极反应式为Al－3e－===Al3＋，正极反应式为Ag2S＋2e－===2Ag＋S2－。

Al3＋与S2－在溶液中不能共存，能发生水解相互促进反应2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑，故原电池总反应为2Al＋3Ag2S＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3＋3H2S↑，故B项正确，C项错误。

A项，原电池反应是自发进行的氧化还原反应，银器中Ag2S被还原成Ag，质量减轻，A项错误。

D项，黑色褪去的原因是黑色的Ag2S转化为Ag，D项错误。

【答案】　B

新型化学电源分析探究

1.新型电池“放电”时正、负极的判断

新型电池

2．新型电池“放电”时正极、负极上电极反应式的书写

首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应－较简单一极电极反应式＝较复杂一极电极反应式的方法解决。

3．新型电池“充电”时阴、阳极的判断

首先明确原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时，阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

4．新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断

首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。

　（2013·新课标全国卷Ⅱ）“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。

下列关于该电池的叙述错误的是（　　）

A．电池反应中有NaCl生成

B．电池的总反应是金属钠还原三价铝离子

C．正极反应为：

NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－

D．钠离子通过钠离子导体在两电极间移动

【解析】　A项，在负极Na失电子生成Na＋，正极反应为NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－，故电池反应中有NaCl生成；B项，电池的总反应是金属钠还原二价镍离子；C项，正极上NiCl2发生还原反应，电极反应为NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－；D项，钠在负极失电子，被氧化生成Na＋，Na＋通过钠离子导体在两电极间移动。

【答案】　B

考向1　新型电池的原理分析

5．（2013·安徽高考）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。

一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiClKCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。

该电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。

下列有关说法正确的是（　　）

A．正极反应式：

Ca＋2Cl－＋2e－===CaCl2

B．放电过程中，Li＋向负极移动

C．每转移0.1mol电子，理论上生成20.7gPb

D．常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转

【解析】　A．分析电池总反应，Ca在反应中失电子，所以Ca应作负极；PbSO4中的Pb2＋得电子生成单质铅，所以正极反应物应是PbSO4，所以A项错误。

B.放电过程中，负极失电子，电子通过导线流向正极，所以正极表面聚集大量电子，能够吸引电解质中的阳离子向正极移动，所以B项错误。

C.根据方程式知，每转移0.1mol电子，生成0.05mol铅，其质量为10.35g，所以C项错误。

D.根据题给信息，该电池为热激活电池，常温下，无水LiClKCl为固态，没有自由移动的离子，该装置不能形成闭合回路，处于非工作状态，所以没有电流产生，即电流表或检流计的指针不会发生偏转。

【答案】　D

考向2　新型充放电池的原理分析

6．一种以2mol·L－1Na2SO4水溶液为电解质溶液的钠离子电池的总反应如下：

NaTi2（PO4）3＋Zn＋Na2SO4

Na3Ti2（PO4）3＋ZnSO4

其中P的化合价为＋5。

下列有关说法正确的是（　　）

A．放电时，NaTi2（PO4）3发生氧化反应

B．放电时，Na＋向负极移动

C．充电时，阳极反应式为Zn－2e－===Zn2＋

D．充电时，每转移0.2mol电子，消耗0.1molNa3Ti2（PO4）3

【解析】　放电时，作原电池，锌失电子为负极，发生氧化反应，A项错误；原电池中阳离子向正极移动，B项错误；充电时，阳极Na3Ti2（PO4）3失电子，C项错误；充电时，每转移2mol电子消耗1molNa3Ti2（PO4）3，D项正确。

【答案】　D

原电池工作原理实验探究

高考母题

（2012·福建高考）将下图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是（　　）

A．Cu电极上发生还原反应

B．电子沿Zn→a→b→Cu路径流动

C．片刻后甲池中c（SO）增大

D．片刻后可观察到滤纸b点变红色

【解析】　将装置中K闭合，该装置构成原电池，其中Zn电极上发生氧化反应，Cu电极上发生还原反应，故A正确；电子沿Zn→a，在a上溶液中的H＋得到电子，在b上溶液中的OH－失去电子，电子不能直接由a→b，故B错误；该装置工作过程中，甲、乙两烧杯中的SO的浓度都不改变，只是盐桥中的Cl－和K＋分别向甲、乙两烧杯中移动，故C错误；在b处溶液中的OH－失去电子，c（OH－）减小，c（H＋）增大，b处滤纸不可能变红色，故D错误。

【答案】　A

教材溯源

（人教选修4P71）

装置如图所示，用一个充满电解质溶液的盐桥，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流计，观察有什么现象发生。

取出盐桥，又有什么现象发生？

锌铜原电池装置

命题展望

原电池原理在中学教材中出现两次。

人教版必修2已有涉及，至选修4中再次涉及，增加了“盐桥”，使产生电流更稳定、持久。

近年来高考对原电池工作原理频繁考查。

该实验点高考还可能从以下几方面考查：

1．电流流向：

原电池外电路电流和电子流向的路径是怎样的？

【提示】　原电池外电路电流从正极到负极，而电子从负极流向正极。

2．盐桥中离子的迁移方向：

原电池工作过程中，盐桥中Cl－向哪极移动？

【提示】　盐桥中Cl－移向负极区。

3．原电池计算：

铜锌原电池工作过程中，若有0.2mole－转移，两极的质量相差多少？

（假设开始时，两极质量相等）

【提示】　负极反应：

Zn－2e－===Zn2＋，

正极反应：

Cu2＋＋2e－===Cu。

当有0.2mole－转移时，负极减少6.5g，正极增加6.4g，故两极质量差为：

12.9g。