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版高考化学总复习专题六原电池化学电源教学案
课时2 原电池 化学电源
[2018备考·最新考纲]
1.理解原电池的构成、工作原理及应用。
2.能写出电极反应式和电池反应方程式。
3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
考点一 原电池的工作原理及其应用
(考点层次A→自学、识记、辨析)
1.原电池的概念:
将化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
(1)能自发地发生氧化还原反应。
(2)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。
①负极:
活泼性较强的金属。
②正极:
活泼性较弱的金属或能导电的非金属。
(3)电极均插入电解质溶液中。
(4)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
3.工作原理
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
由锌片沿导线流向铜片
离子迁移方向
阴离子向负极迁移;
阳离子向正极迁移
电池反应方程式
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
两类装置的不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,既有化学能转化为电能,又有化学能转化为热能,造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触,仅有化学能转化为电能,避免了能量损耗,故电流稳定,持续时间长
提醒:
①在原电池中活泼性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。
如Mg-Al-NaOH溶液组成的原电池,Al作负极。
②自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应,也可能是电极与溶解的氧气等发生反应,如将铁与石墨相连插入食盐水中。
4.原电池原理的三大应用
(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
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
(3)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如:
根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
设计的原电池为:
教材
高考
1.(SJ选修4·P461改编)当铜锌原电池产生电流时,下列说法正确的是( )
A.阳离子移向Zn极,阴离子移向Cu极
B.电子由Cu电极流向Zn电极
C.电流由Zn电极流向Cu电极
D.阴离子移向Zn电极,阳离子移向Cu电极
答案 D
2.(RJ必修2·P42“实践活动”改编)如图所示是一位同学在测试水果电池,下列有关说法错误的是( )
A.若金属片A是正极,则该金属片上会产生H2
B.水果电池的化学能转化为电能
C.此水果发电的原理是电磁感应
D.金属片A、B可以一个是铜片,另一个是铁片
答案 C
3.(溯源题)(2016·上海化学,8)图1是铜锌原电池示意图。
图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示③。
①铜棒的质量 ②c(Zn2+) ③c(H+) ④c(SO
)
探源:
本考题源于教材SJ选修4P13“图1-9 铜锌原电池构造和原理示意图”,对原电池的工作原理进行了考查。
[诊断性题组]
1.基础知识判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极(√)
(2)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强(×)
(3)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应(×)
(4)其他条件均相同,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长(√)
(5)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生(×)
(6)CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能(×)
(7)在内电路中,电子由正极流向负极(×)
(8)某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液(×)
2.原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。
下列说法中正确的是( )
A.
(1)
(2)中Mg作负极,(3)(4)
中Fe作负极
B.
(2)中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.(3)中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.(4)中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
解析
(1)中Mg作负极;
(2)中Al作负极;(3)中铜作负极;(4)是铁的吸氧腐蚀,Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。
答案 B
3.(2017·广东粤西四校联考)铜锌原电池(如图)工作时,下列叙述正确的是( )
A.一段时间后,铜棒上有红色物质析出
B.正极反应为:
Zn-2e-===Zn2+
C.在外电路中,电流从负极流向正极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
解析 Cu为正极,电极反应为Cu2++2e-===Cu,铜棒上有红色物质析出,A项正确,B项错误;在外电路中,电流从正极流向负极,C项错误;CuSO4溶液中c(Cu2+)降低,故盐桥中的K+移向CuSO4溶液,D项错误。
答案 A
4.某学校研究性
学习小组欲以镁条、铝片为电极,以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。
(1)给你一只电流表,请你画出该原电池的示意图,并标出正负极。
(2)一段时间后,铝片发生的电极反应式是________________________________________________________________;
镁条表面只有极少量的气泡产生,则镁电极产生的主要反应的电极反应式为_________________________________________________________________。
解析 铝能够与NaOH溶液反应,所以作原电池的负极,而镁与NaOH溶液不反应,故作原电池的正极。
答案
(1)如图所示
(2)Al+4OH--3e-===AlO
+2H2O
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
【易错警示】
规避原电池基础中的6个失分点
1.原电池的闭合回路有多种形式,如两电极相接触也是一种闭合。
2.盐桥使两池电解液相连接,构成闭合,但不能用导线替换。
3.只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池,把多余的能量转化成电能。
4.在原电池中,电子不能通过电解质溶液。
5.电解液中的阴阳离子与导线中的电子各自的定向移动,构成一个完整的闭合回路,电子由负极移向正极,电解液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。
6.两个电极即使都是石墨,也可构成原电池,如一些燃料电池。
考点二 形形色色的化学电源
(考点层次B→共研、理解、整合)
对应学生用书P136
1.一次电池
碱性锌锰
干电池
负极材料:
Zn
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极材料:
碳棒
电极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2
锌银电池
负极材料:
Zn
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极材料:
Ag2O
电极反应:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-
总反应:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag
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,可分为酸性和碱性两种:
种类
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-
电池反应式
2H2+O2===2H2O
提醒:
①原电池反应中,两极材料本身不一定发生反应。
②书写燃料电池的电极反应式时,一定要注意溶液的酸碱性。
教材
高考
1.(SJ选修4·P15“问题解决”改编)碱性锌锰电池总反应为Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2,则其正极反应为MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-。
2.(RJ选修4·P783改编)镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行:
Cd+2NiO(OH)+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2,由此判断错误的是( )
A.放电时,Cd作负极
B.放电时,NiO(OH)作负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2
答案 B
3.(溯源题)(2016·课标全国Ⅱ,11)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
判断下列说法是否正确
(1)负极反应式为Mg-2e-===Mg2+(√)
(2)正极反应式为Ag++e-===Ag(×)
(3)电池放电时Cl-由正极向负极迁移(√)
(4)负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑(√)
探源:
本考题源于SJ选修4P15“图1-10 化学电源”及拓展,对常见化学电源的工作原理及电极反应进行了考查。
[拓展性题组]
题组一 “常考不衰”的燃料电池
1.科学家设想以N2和H2为反应物,以溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制造出既能提供电能,又能固氮的新型燃料电池,装置如图所示,下列说法不正确的是( )
A.通入N2的电极的电极反应式为:
N2+6e-+8H+===2NH
B.反应过程中溶液的pH会变大,故需要加入盐酸
C.该电池外电路电流从通入H2的电极流向通入N2的电极
D.通入H2的电极为负极,A为NH4Cl
解析 N2与H2反应生成NH3,由于以稀盐酸为电解质,所以总反应为N2+3H2+2HCl===2NH4Cl。
由“负氧正还”可知N2在正极反应,电极反应式为:
N2+6e-+8H+===2NH
,H2在负极反应,电极反应式为3H2-6e-===6H+,A、B、D正确,C项错误。
答案 C
2.(2017·惠州模拟)金属锂燃料电池是一种新型电池,比锂离
子电池具有更高的能量密度。
它无电时也无需充电,只需更换其中的某些材料即可,其工作示意图如下,下列说法正确的是( )
A.放电时,空气极为负极
B.放电时,电池反应为4Li+O2===2Li2O
C.有机电解液可以是乙醇等无水有机物
D.在更换锂电极的同时,要更换水性电解液
解析 A.放电时,Li极为负极,错误;B.放电时,电池反应为4Li+O2+2H2O===4LiOH,错误;C.因为有锂存在,就不能用乙醇,锂和乙醇反应,错误;D.水性电解液中有沉淀生成,所以在更换锂电极的同时,要更换水性电解液,正确,所以选D。
答案 D
3.如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量侦测与控制的功能,非常适合进行现场酒精检测。
下列说法不正确的是( )
A.电流由O2所在的铂电极流出
B.O2所在的铂电极处发生还原反应
C.该电池的负极反应式为:
CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2↑+12H+
D.微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量
解析 燃料电池,燃料在负极反应,氧气在正极反应。
氧气在正极发生还原反应,电流由正极流向负极,A、B正确;由图可知负极反应物为CH3CH2OH(碳元素的化合
价平均显-2价),生成物为CH3COOH(碳元素的化合价平均显0价),由质子交换膜可知溶液呈酸性,负极的电极反应式为:
CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+,C项错误。
答案 C
【思维建模】
燃料电池电极方程式书写步骤
题组二 “起点高、落点低”的压轴选择题:
可逆电池
4.(石家庄模拟)快速充电电池的电解液为LiAlCl4-SOCl2,电池的总反应为4LiCl+S+SO2
4Li+2SOCl2。
下列说法正确的是( )
A.该电池的电解质可为LiCl水溶液
B.该电池放电时,负极发生还原反应
C.充电时阳极反应式为4Cl-+S+SO2-4e-===2SOCl2
D.放电时电子从负极经外电路流向正极,再从正极经电解质溶液流向负极
解析 A项,该电池的电解质溶液不能是LiCl的水溶液,因为Li能和水发生反应,错误;B项,电池放电时,负极发生氧化反应,错误;D项,放电时,电子从负极经外电路流向正极,电解质溶液中移动的是阴、阳离子而不是电子,错误。
答案 C
5.镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染,镁电池放
电时电压高且平稳,因此成为人们研制绿色电池所关注的重点。
有一种镁二次电池的反应为xMg+Mo3S4
MgxMo3S4。
下列说法错误的是( )
A.放电时Mg2+向正极移动
B.放电时正极的电极反应式为Mo3S4+2xe-===Mo3S
C.放电时Mo3S4发生氧化反应
D.充电时阴极的电极反应为xMg2++2xe-===xMg
答案 C
【审题建模】
以上述第5题为例:
微专题八 “盐桥”原电池
明原理判装置
1.(2017·河北石家庄高三模拟)综合如图判断,下列说法正确的是( )
A.装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-===Fe2+
B.装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+4e-===4OH-
C.装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D.放电过程中,装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
解析 装置Ⅰ中,由于Zn比Fe活泼,所以Zn作原电池的负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+;Fe作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。
由于正极有OH-生成,因此溶液的pH增大。
装置Ⅱ中,Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。
正极由于不断消耗H+,所以溶液的pH逐渐增大。
据此可知A、B错,D正确。
在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,所以C错误。
答案 D
2.某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池:
2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4===2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O,盐桥中装有饱和K2SO4溶液。
下列叙述中正确的是( )
A.乙烧杯中发生还原反应
B.甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
C.电池工作时,盐桥中的SO
移向甲烧杯
D.外电路的电流方向是从a到b
解析 由2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4===2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O可知,Mn元素的化合价降低,得到电子,Fe元素的化合价升高,失去电子,则b为负极,a为正极。
A项,b为负极,是乙烧杯中发生氧化反应,故A错误;B项,甲烧杯中发生还原反应,Mn元素的化合价降低,电极反应为MnO
+8H++5e-===Mn2++4H2O,则pH逐渐增大,故B错误;C项,阴离子向负极移动,则盐桥中的SO
移向乙烧杯中,故C错误;D项,由上述分析可知,a为正极,外电路中电流由正极流向负极,即从a流向b,故D正确。
答案 D
【知识归纳】
盐桥电池的两大特点
1.盐桥的作用:
连接内电路,形成闭合回路,平衡电荷,使原电池不断产生电流,避免断路时发生化学腐蚀(隔离作用)。
2.盐桥中有关电极的判断
:
同原电池电极的判断一致,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区。
对于活泼
金属和不活泼金属,则活泼金属作负极,不活泼金属作正极;对于金属与非金属,则是金属作负极,非金属作正极;对于还原性不同的物质,则是还原性强的作负极,还原性弱的作正极。
可逆反应中的“盐桥”
3.(2017·浙江省高三六校联考)将反应IO
+5I-+6H+3I2+3H2O设计成如下图所示的原电池。
开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸,电流表指针发生偏转,一段时间后,电流表指针回到零,再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液,电
流表指针再次发生偏转。
下列判断不正确的是( )
A.开始加入少量浓硫酸时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.开始加入少量浓硫酸时,同时在甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液,只有乙烧杯中溶液变蓝
C.电流表读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.两次电流表指针偏转方向相反
解析 加入少量浓H2SO4时,电极反应式:
负极:
10I--10e-===5I2
正极:
2IO
+10e-+12H+===I2+6H2O
加入几滴浓NaOH溶液时,电极反应式:
负极:
5I2+10e-===10I-
正极:
I2-10e-+12OH-===2IO
+6H2O
B项,根据电极反应可以看出,甲、乙烧杯中均有I2生成,所以甲、乙烧杯中溶液均变蓝。
答案 B
4.(原创题)已知反应AsO
+2I-+2H+AsO
+I2+H2O是可逆反应。
设计如图装置(C1、C2均为石墨电极),分别进行下述操作:
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸
Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液
结果发现电流表指针均发生偏转。
试回答下列问题:
(1)两次操作过程中指针为什么发生偏转?
______________________________________________________________。
(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反?
试用化学平衡移动原理解释之。
______________________________________________________________。
(3)操作Ⅱ过程中,盐桥中的K+移向________烧杯溶液(填“A”或“B”)。
(4)Ⅰ操作过程中,C1棒上发生的反应为__________________________________________________________________。
答案
(1)两次操作中均能形成原电池,化学能转变成电能
(2)(Ⅰ)加酸,c(H+)增大,平衡向正反应方向移动,AsO
得电子,I-失电子,所以C1极是负极,C2极是正极。
(Ⅱ)加碱,c(OH-)增大,平衡向逆反应方向移动,AsO
失电子,I2得电子,此时,C1极是正极,C2极是负极。
故化学平衡向不同方向移动,发生不同方向的反应,电子转移方向不同,即电流表指针偏转方向不同
(3)A (4)2I--2e-===I2
【对比归纳】
单池原电池
和盐桥原电池的对比
图1和图2两装置的比较:
相同点
正负极、电极反应、总反应、反应现象
负极:
Zn-2e-===Zn2+
正极:
Cu2++2e-===Cu
总反应:
Zn+Cu2+===Cu+Zn2+
不同点
图1中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。
图2中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
关键点
盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区
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