原电池的工作原理及应用高考化学一轮复习过考点解析版.docx

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原电池的工作原理及应用高考化学一轮复习过考点解析版

考点32原电池的工作原理及应用

一、原电池的工作原理

1．原电池的构成条件

（1）定义：

能把化学能转化为电能的装置。

（2）构成条件：

2．实验探究：

锌铜原电池的工作原理（含盐桥）

装置示意图

注：

盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶

现象

锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转

能量转换

化学能转化为电能

微观探析

在硫酸锌溶液中，负极一端的Zn失去电子形成Zn2＋进入溶液

在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2＋获得电子变成Cu沉积在铜片上

电子或离子

移动方向

电子：

负极流向正极

盐桥：

Cl—移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液

工作原理，

电极反应式

负极：

Zn－2e－===Zn2＋（氧化反应）

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu（还原反应）

总反应：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

特别提醒　①盐桥的作用：

形成闭合回路；平衡两侧的电荷，溶液呈电中性；避免电极与电解质溶液的直接接触，减少电流的衰减。

②原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力。

3．原电池工作原理示意图

二、原电池的应用

1．加快氧化还原反应的速率

构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。

2．比较金属活动性强弱

例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：

a>b。

3．设计原电池

理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。

（a）外电路

负极——化合价升高的物质

正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒

（b）内电路：

化合价降低的物质作电解质溶液。

如：

2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2

①化合价升高的物质

负极：

Cu

②活泼性较弱的物质

正极：

C

③化合价降低的物质

电解质溶液：

FeCl3

示意图

考向一原电池工作原理

典例精析

1．（2021·福建高三其他模拟）近日，南开大学科研团队以KSn合金为负极，以含羧基多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）为正极催化剂构建了可充电K-CO2电池（如图所示），电池反应为4KSn+3CO2⇌2K2CO3+C+4Sn，其中生成的K2CO3附着在正极上。

该成果对改善环境和缓解能源问题具有巨大潜力。

下列说法正确的是

A．充电时，阴极反应为2K2CO3+C-4e-=4K++3CO2↑

B．电池每吸收22.4LCO2，电路中转移4mole-

C．放电时，内电路中电流由KSn合金经酯基电解质流向MWCNTs-COOH

D．为了更好的吸收温室气体CO2，可用适当浓度的KOH溶液代替酯基电解质

【答案】C

【详解】

A．充电时，阴极发生还原反应，电极反应为K++e-+Sn=KSn，A错误；

B．气体未指明状况，无法根据体积确定其物质的量，B错误；

C．放电时，KSn合金作负极，MWCNTs-COOH作正极，在内电路中电流由负极流向正极，C正确；

D．若用KOH溶液代替酯基电解质，则KOH会与正极上的MWCNTs-COOH发生反应，因此不能使用KOH溶液代替酯基电解质，D错误；

故选：

C。

考向二盐桥原电池

典例精析

2．（2020·全国高三专题练习）某实验小组利用下列装置探究电解质溶液的浓度对金属腐蚀的影响：

装置

现象

电流计指针不发生偏转

电流计指针发生偏转

下列有关说法正确的是（）

A．装置Ⅰ中的铁片均不会发生任何腐蚀

B．铁片d上可能发生的电极反应为：

Fe-3e-=Fe3+

C．利用K3[Fe（CN）6]溶液可确定装置Ⅱ中的正、负极

D．铁片a、c所处的NaCl溶液的浓度相等，二者腐蚀速率相等

【答案】C

【详解】

A．装置Ⅰ中因为两烧杯中NaCl溶液的浓度相等，两边电势相等，所以电流计指针不发生偏转，但铁片a、b仍可发生普通的化学腐蚀，A项错误；

B．铁片d上Fe发生反应生成Fe2＋，B项错误；

C．装置Ⅱ中负极发生反应：

Fe-2e-===Fe2＋，Fe2＋遇K3[Fe（CN）6]溶液生成蓝色沉淀，故可利用K3[Fe（CN）6]溶液确定装置Ⅱ中的正、负极，C项正确；

D．装置Ⅱ中明显产生了电流，电化学腐蚀比化学腐蚀要快得多，故铁片a、c的腐蚀速率不同，D项错误；

答案选C。

【点睛】

铁片c和铁片d谁的腐蚀速率更快？

实际上是铁片d更快，食盐固然可以增强水的导电性，但是食盐是极性的，浓度过大会降低非极性的氧气的溶解度，氧气浓度降低，腐蚀速率自然减缓。

考向三判断金属的活泼性及反应速率

典例精析

3．（2021·全国高三专题练习）有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

实验

装置

部分实验现象

a极质量减小；

b极质量增加

b极有气体产生；

c极无变化

d极溶解；

c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是

A．a>b>c>dB．b>c>d>a

C．d>a>b>cD．a>b>d>c

【答案】C

【详解】

把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：

a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：

b>c；由实验③可知，d极溶解，c极有气体产生，c作正极，则活动性：

d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，则活动性：

d>a；综上所述可知活动性：

d>a>b>c，故答案选C。

考向四设计原电池

典例精析

4．（2020·四川省宜宾市第四中学校高三其他模拟）我国科学家开发设计一种天然气脱硫装置，利用如右图装置可实现：

H2S+O2→H2O2+S。

已知甲池中有如下的转化：

下列说法错误的是：

A．该装置可将光能转化为电能和化学能

B．该装置工作时，溶液中的H+从甲池经过全氟磺酸膜进入乙池

C．甲池碳棒上发生电极反应：

AQ+2H++2e-=H2AQ

D．乙池①处发生反应：

H2S+I3-=3I-+S↓+2H+

【答案】B

【分析】

A.装置是原电池装置，据此确定能量变化情况；

B.原电池中阳离子移向正极；

C.甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应；

D.在乙池中，硫化氢失电子生成硫单质，I3-得电子生成I-，据物质的变化确定发生的反应。

【详解】

A.装置是原电池装置，根据图中信息知道是将光能转化为电能和化学能的装置，A正确；

B.原电池中阳离子移向正极，甲池中碳棒是正极，所以氢离子从乙池移向甲池，B错误；

C.甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应，即AQ+2H++2e-=H2AQ，C正确；

D.在乙池中，硫化氢失电子生成硫单质，I3-得电子生成I-，发生的反应为H2S+I3-═3I-+S↓+2H+，D正确。

故合理选项是B。

【点睛】

本题考查原电池的工作原理以及电极反应式书写的知识，注意知识的归纳和梳理是关键，注意溶液中离子移动方向：

在原电池中阳离子向正极定向移动，阴离子向负极定向移动，本题难度适中。

1．（2021·山东高考真题）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、（CH3）2NNH2—O2清洁燃料电池，下列说法正确的是

A．放电过程中，K+均向负极移动

B．放电过程中，KOH物质的量均减小

C．消耗等质量燃料，（CH3）2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大

D．消耗1molO2时，理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L

【答案】C

【分析】

碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为：

2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为：

N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[（CH3）2NNH2]中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为：

（CH3）2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O，据此结合原电池的工作原理分析解答。

【详解】

A．放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；

B．根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；

C．理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和（CH3）2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是：

、

、

，通过比较可知（CH3）2NNH2理论放电量最大，C正确；

D．根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；

故选C。

2．（2021·全国高三课时练习）微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。

现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水（以含CH3COO-的溶液为例）。

下列说法错误的是

A．a极为负极，b极为正极

B．负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-=2CO2↑+7H+

C．当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g

D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为1：

1

【答案】D

【分析】

据图可知a极上CH3COOˉ转化为CO2和H+，C元素被氧化，所以a极为该原电池的负极，则b极为正极，据此分析解答。

【详解】

A．根据分析可知a极为负极，

极为正极，A正确；

B．据图可知放电时负极上乙酸根被氧化为二氧化碳和氢离子，电极反应式为CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，B正确；

C．当电路中转移1mol电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1molClˉ移向负极，同时有1molNa+移向正极，即除去1molNaCl，质量为58.5g，C正确；

D．b极为正极，水溶液为酸性，所以氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H++2eˉ=H2↑，所以当转移8mol电子时，正极产生4mol气体，根据负极反应式可知负极产生2mol气体，物质的量之比为4:

2=2:

1，D错误；

综上所述答案为D。

3．（2021·广东佛山市·石门中学高三其他模拟）研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示，两电极区间用允许K+、H+通过的离子交换膜隔开，下列说法错误的是

A．该燃料电池的总反应方程式为：

HCOOH+Fe3+=CO2↑+H2O

B．放电过程中，K+向右移动

C．放电过程中需要补充的物质A为H2SO4

D．电池负极电极反应式为：

HCOO-+2OH--2e-=

+H2O

【答案】A

【详解】

A．该装置是燃料电池，因此总方程式为2HCOOH+O2+2OH-=2

+2H2O，选项A错误；

B．根据图示，该燃料电池加入HCOOH的一端为负极，通入O2的一端为正极，因此放电时K+向正极移动，即向右移动，选项B正确；

C．在正极一端发生的反应为O2+4Fe2++4H+=4Fe3++2H2O，需要消耗H+，且排出K2SO4，可推出需要补充的物质A为H2SO4，选项C正确；

D．根据图示，负极的电极反应式为：

HCOO-+2OH--2e-=

+H2O，选项D正确。

答案选A。

4．（2021·辽宁高三其他模拟）某实验室设计了如图装置制备

。

双极膜是阴、阳复合膜，层间的

解离成

和

并分别通过阴、阳膜定向移动。

下列说法错误的是

A．

为负极

B．石墨电极反应式为

C．双极膜中产生的

移向Pt电极

D．每消耗

时双极膜中消耗

【答案】D

【详解】

A．Pt电极一侧NH3生成N2H4，发生了失电子的氧化反应，所以为负极，故A正确；

B．双极膜中的

移向正极，

得电子发生还原反应，故B正确；

C．阴离子移向负极，故C正确；

D．没有说明气体的存在状况，无法计算物质的量，故D错误；

故选D。

5．（2021·天津高三一模）锌电池具有价格便宜、比能量大、可充电等优点。

一种新型锌电池的工作原理如图所示（凝胶中允许离子生成或迁移）。

下列说法正确的是

A．放电过程中，

向a极迁移

B．充电过程中，b电极反应为：

Zn2++2e-=Zn

C．充电时，a电极与电源正极相连

D．放电过程中，转移0.4mole-时，a电极消耗0.4molH+

【答案】C

【详解】

A．放电过程中，a为正极，b极为负极，溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极，所以放电过程中，

向b极迁移，A项错误；

B．充电过程中b电极得到电子发生还原反应，由于在碱性环境中Zn以

形式存在，则充电过程中,b电极应为:

+2e-=Zn+4OH-，B项错误；

C．由图示可知，充电时，a电极失电子发生氧化反应，即a电极与电源正极相连，C项正确；

D．放电过程中b电极为负极，其电极反应式为Zn+4OH--2e-=

，a极为正极，则其电极反应式为,MnO2+4H++2e-=Mn2++2H2O，所以放电过程中，转移0.4mole-时，a电极消耗0.8molH+，D项错误；

答案选C。

6．（2021·河北高考真题）K—O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。

关于该电池，下列说法错误的是

A．隔膜允许K+通过，不允许O2通过

B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极

C．产生1Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22

D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水

【答案】D

【分析】

由图可知，a电极为原电池的负极，单质钾片失去电子发生氧化反应生成钾离子，电极反应式为K—e-=K+，b电极为正极，在钾离子作用下，氧气在正极得到电子发生还原反应生成超氧化钾；据以上分析解答。

【详解】

A．金属性强的金属钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应，电池所选择隔膜应允许

通过，不允许

通过，故A正确；

B．由分析可知，放电时，a为负极，b为正极，电流由b电极沿导线流向a电极，充电时，b电极应与直流电源的正极相连，做电解池的为阳极，故B正确；

C．由分析可知，生成1mol超氧化钾时，消耗1mol氧气，两者的质量比值为1mol×71g/mol：

1mol×32g/mol≈2.22：

1，故C正确；

D．铅酸蓄电池充电时的总反应方程式为2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4，反应消耗2mol水，转移2mol电子，由得失电子数目守恒可知，耗

钾时，铅酸蓄电池消耗水的质量为

×18g/mol=1.8g，故D错误；

故选D。

7．（2021·广东汕头市·金山中学高三三模）如图为某二次电池充电时的工作原理示意图，该过程可实现盐溶液的淡化。

下列说法错误的是

A．放电时，负极反应式为：

Bi-3e-+H2O+Cl-=BiOCl+2H+

B．放电时，每生成1molBi消耗1.5molNa3Ti2（PO4）3

C．充电时，a极为电源正极

D．充电时，电解质溶液的pH变小

【答案】A

【详解】

A．由图可知：

充电时，Bi电极上，Bi失电子生成BiOCl，该反应式为Bi+Cl-+H2O-3e-=BiOCl+2H+，选项所给为充电的阳极反应，故A错误；

B．放电时，Bi为正极，BiOCl得电子发生还原反应，每生成1molBi转移3mol电子，而负极上Na3Ti2（PO4）3转化为Ti2（PO4）3失去2mol电子，由电子守恒可知每生成1molB，消耗1.5molNa3Ti2（PO4）3，故B正确；

C．由图可知：

充电时，Bi电极上，Bi失电子生成BiOCl，该反应式为Bi+Cl-+H2O-3e-=BiOCl+2H+，则Bi为阳极，所以a为电源正极，故C错误；

D．由图可知：

阳极反应为Bi+Cl-+H2O-3e-=BiOCl+2H+，电解时有H+生成，故电解质溶液pH减小，故D正确；

故答案：

A。

8．（2021·福建莆田市·莆田八中高三月考）利用原电池原理，各种化学电池应运而生。

某单液二次电池（如图所示），其反应原理为H2+2AgCl

2Ag+2HCl。

下列说法正确的是

A．放电时，正极的电极反应为AgCl+e−=Ag+Cl−

B．放电时，电子从左边电极经溶液移向右边电极

C．充电时，右边电极与电源的负极相连

D．充电时，每生成1molH2，溶液质量增加216g

【答案】A

【分析】

由H2+2AgCl

2Ag+2HCl可知，放电过程中H2发生氧化反应，AgCl发生还原反应，因此左侧Pt电极为负极，右侧Pt电极为正极，充电时负极与电源负极相连，正极与电源正极相连。

【详解】

A．AgCl难溶于水，由上述分析可知，放电时正极反应为AgCl+e−=Ag+Cl−，故A正确；B．电子不能进入溶液中，溶液中离子做定向移动，故B错误；

C．由上述分析可知，充电时，右边电极与电源的正极相连，故C错误；

D．充电时阳极（右侧Pt电极）反应为Ag+Cl−-e−=AgCl，阴极（左侧Pt电极）反应为2H++2e−=H2↑，每生成1molH2，溶液中有2molCl−转化为AgCl沉淀，即电解质溶液中会减少2molHCl，则减少的质量为73g，故D错误；

答案选A。

9．（2021·辽宁沈阳市·高三三模）某科研小组在研究硅氧材料的电化学性能时，将硅氧材料作为正极，金属锂作为负极；非水系的

作为电解液，起到在正、负极间传递

的作用，且充、放电时电解液所含的物质种类不发生变化。

电池放电时的总反应为

。

下列说法中错误的是

A．放电时的正极反应为

B．充电时，外电路转移

电子，则硅氧材料的质量增重

C．硅氧材料导电性差，可与石墨形成复合材料以增强电极的导电性

D．电池放电时，电解液中的

向硅氧材料移动

【答案】B

【详解】

A．由题给信息可知，硅氧材料为原电池的正极，在锂离子作用下，二氧化硅在正极得到电子发生还原反应生成LixSi和Li2Si2O5，电极反应式为

，故A正确；

B．充电时，硅氧材料为电解池的阳极，在Li2Si2O5作用下，LixSi在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化硅和锂离子，电极的质量减小，则外电路转移

电子，硅氧材料的质量减重

，故B错误；

C．二氧化硅是非电解质，不能导电，应与能导电的石墨形成复合材料以增强电极的导电性，提高电池的工作效率，故C正确；

D．原电池工作时，阳离子向正极移动，则电池放电时，电解液中的锂离子向硅氧材料移动，故D正确；

故选B。

10．（2021·广东高三其他模拟）我国关于石墨烯的专利总数世界排名第一、如图是我国研发的某种石墨烯电池有关原理示意图，左边装置工作时的电极反应为Li1-xC6+xLi++xe-=LiC6，Li[GS/Si]O2-xe-=Li1-x[GS/Si]O2+xLi+。

下列说法错误的是

A．a与d电极上发生的反应类型相同，左侧装置中b电极的电势高于a电极

B．左右两个装置中的离子交换膜均为阳离子交换膜

C．电池放电时，正极反应为Li1-x[GS/Si]O2+xLi++xe-=Li[GS/Si]O2

D．若装置工作前c与d电极质量相等，则转移0.1mol电子后两个电极质量相差0.7g

【答案】D

【详解】

A．由装置图可推出a为阴极，b为阳极，c为负极，d为正极，a与d电极上均发生还原反应，左侧装置中b电极为阳极，a电极为阴极，阳极电势高于阴极，A正确；

B．从装置图中可以看出，为保持溶液呈电中性，离子交换膜允许Li+通过，应该使用阳离子交换膜，B正确；

C．d电极为正极，其电极反应相当于充电时阳极反应的逆过程，根据题干中信息可知，正极（d电极）反应为Li1−x[GS/Si]O2+xLi++xe−=Li[GS/Si]O2，C正确；

D．若装置工作前c与d电极质量相等，则根据电极反应，转移0.1mol电子时，c极减少0.1molLi+，质量减少0.7g，d极增加0.1molLi+，质量增大0.7g，两个电极质量相差1.4g，D错误；

故选D。