新高考总复习第6章 化学反应与能量第2讲原电池化学电源doc.docx

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第2讲　原电池　化学电源

考点一　原电池及其工作原理

1．概念

把化学能转化为电能的装置。

2．构成条件

（1）一看反应：

看是否有能自发进行的氧化还原反应发生。

（2）二看两电极：

一般是金属活动性不同的两电极。

（3）三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：

①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液。

3．工作原理（以下图铜—锌原电池为例）

电极材料

锌

铜

电极名称

负极

正极

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

电子从负极流出经外电路流入正极

离子流向

阳离子流向正极，阴离子流向负极

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）在原电池中，发生氧化反应的一极是负极（　　）

（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）带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长（　　）

2．在下列原电池图示中依据电子流向和离子移动方向画出形成闭合回路的原理。

3．两个半电池构成的原电池中，盐桥的作用是什么？

提示：

　1.

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√

2.

3．使两个烧杯中的溶液形成一个导电通路。

使溶液保持电中性，氧化还原反应能顺利进行产生持续的电流。

1．下列示意图中能构成原电池的是（　　）

解析：

　本题考查原电池装置，意在考查考生对原电池原理的理解。

Cu与稀硫酸不反应，A装置不能构成原电池；Al与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应，B装置能构成原电池；C装置中的“导线”不是盐桥，不能构成原电池；D装置中缺少盐桥。

答案：

　B

2.

根据右图，可判断出下列离子方程式中错误的是（　　）

A．2Ag（s）＋Cd2＋（aq）===2Ag＋（aq）＋Cd（s）

B．Co2＋（aq）＋Cd（s）===Co（s）＋Cd2＋（aq）

C．2Ag＋（aq）＋Cd（s）===2Ag（s）＋Cd2＋（aq）

D．2Ag＋（aq）＋Co（s）===2Ag（s）＋Co2＋（aq）

解析：

　从两个原电池的电极可以判断出三种金属的活动性关系为：

Cd>Co>Ag，则氧化性关系为：

Cd2＋

答案：

　A

3．如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是（　　）

M

N

P

A

Zn

Cu

稀H2SO4

B

Cu

Fe

稀HCl

C

Ag

Zn

AgNO3溶液

D

Zn

Fe

Fe（NO3）3溶液

解析：

　在装置中电流计指针发生偏转，说明该装置构成了原电池，根据正负极的判断方法，溶解的一极为负极，增重的一极为正极，所以M棒为正极，N棒为负极，且电解质溶液能析出固体，则只有C项正确。

答案：

　C

4．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是（　　）

A．①②中Mg作负极，③④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：

　②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中易钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A错，C错。

②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确。

④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错。

答案：

　B

原电池正、负极判断方法

　说明　原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。

5．如下图是Zn和Cu组成的原电池示意图，某小组做完该实验后，在读书卡片上作了如下记录，其中合理的是（　　）

卡片：

No.10　Date：

2015－3－11

实验记录：

①导线中电流方向：

锌→铜。

②铜极上有气泡产生。

③锌片变薄。

实验结论：

④Zn为正极，Cu为负极。

⑤铜比锌活泼。

⑥H＋向铜片移动

A．①②③　　　　　　　　　B．④⑤⑥

C．③④⑤D．②③⑥

解析：

　由图可知，该电池反应为：

Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑，活泼金属Zn作负极，Cu作正极；外电路中电流由正极流向负极，①、④、⑤错误；Zn失去电子被氧化成Zn2＋，失去的电子经外电路流向正极，溶液中的H＋在正极上得到电子，析出H2，②、③、⑥正确。

答案：

　D

6.

如右图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡，小心地从烧杯中央滴入CuSO4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B．保持平衡

C．铁圈向下倾斜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CuSO4溶液中，构成了原电池，活泼金属铁作负极，失电子生成Fe2＋进入溶液中质量减轻：

Fe－2e－===Fe2＋，电子传给了银圈，溶液中的Cu2＋在银圈上得电子生成铜单质而增重，Cu2＋＋2e－===Cu，所以铁圈向上倾斜，银圈向下倾斜。

答案：

　D

原电池中的“3”个方向

（1）电子方向：

电子从负极流出经外电路流入正极；

（2）电流方向：

电流从正极流出经外电路流入负极；

（3）离子的迁移方向：

电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。

考点二　原电池原理的应用

1．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。

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．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。

4．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，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。

1．电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用，说明原因：

________________________________________________________________________。

2．为了保护海水中的钢铁闸门，需要连接某种金属，你认为该金属的活动性应比铁的活动性强还是弱？

3．依据原电池原理将反应Fe＋2FeCl3===3FeCl2设计成一个原电池。

提示：

　1.铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池，加快了铝的腐蚀，易造成电路断路

2．比铁的活动性强。

3.

1．某原电池总反应为：

Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，下列能实现该反应的原电池是（　　）

A

B

C

D

电极材料

Cu、Zn

Cu、C

Fe、Zn

Cu、Ag

电解液

FeCl3

Fe（NO3）2

CuSO4

Fe2（SO4）3

答案：

　D

2．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。

请写出电极反应式，负极________________________，正极__________________________，

并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。

答案：

　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

原电池装置图“4”个常见出错点

（1）不注明电极材料名称或元素符号。

（2）不画出电解质溶液（或画出但不标注）。

（3）误把盐桥画成导线。

（4）不能连成闭合回路。

3．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：

①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应；⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。

据此，判断五种金属的活动性顺序是（　　）

A．A>B>C>D>E　　　　　B．A>C>D>B>E

C．C>A>B>D>ED．B>D>C>A>E

答案：

　B

4．有A、B、C、D四种金属，做如下实验：

①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀；②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；③将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。

据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（　　）

A．A>B>C>DB．C>D>A>B

C．D>A>B>CD．A>B>D>C

答案：

　C

比较金属活泼性的“3”种方法

（1）根据原电池：

一般情况下，负极大于正极。

（2）根据电解池：

易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。

（3）根据金属活动性顺序表。

5．把适合题意的图像填在横线上（用A、B、C、D表示）

（1）将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系是____________。

（2）将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系是____________。

（3）将

（1）中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是____________。

解析：

　加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，

（1）a中Zn减少，H2体积减小；

（2）中由于H2SO4定量，产生H2的体积一样多；（3）当把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液时，由于CH3COO－＋H＋

CH3COOH，a中c（H＋）减少，反应速率减小，但产生H2的体积不变，所以C项正确。

答案：

（1）A　

（2）B　（3）C

改变Zn与H＋反应速率的方法

（1）加入Cu或CuSO4，形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响Zn的量，但加入CuSO4，Zn的量减少，是否影响产生H2的量，应根据Zn、H＋的相对量多少判断。

（2）加入强碱弱酸盐，由于弱酸根与H＋反应，使c（H＋）减小，反应速率减小，但不影响产生H2的量。

考点三　化学电源

1．一次电池（碱性锌锰干电池）

碱性锌锰干电池的工作原理如图：

负极（Zn），电极反应式：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极（MnO2），电极反应式：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnOOH

2．二次电池（以铅蓄电池为例）

（1）放电时的反应

①负极反应：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4

②正极反应：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O

③总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

（2）充电时的反应

①阴极反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

②阳极反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

③总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4

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。

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．可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？

2．

（1）氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

（2）氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

提示：

　1.可充电电池充电时的电极接法为：

2．

（1）减小　减小　

（2）减小　增大

1．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下图所示，其中作为电解质的无水LiCl－KCl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：

　正极上发生还原反应，A项错误；放电过程中Li＋向正极移动，B项错误；由电池总反应式可知，每转移0.1mol电子，理论上生成0.05molPb，质量为10.35g，C项错误；常温下，电解质不是熔融态，离子不能移动，不能产生电流，因此连接电流表或检流计，指针不偏转。

答案：

　D

2．高铁酸钾（K2FeO4）是一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料。

（1）FeCl3与KClO在强碱性条件下反应可制取K2FeO4，其反应的离子方程式为________

__________________。

（2）与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应为_______________，该电池总反应的离子方程式为________________________。

解析：

（1）FeCl3和KClO在强碱性条件下反应，实质是KClO氧化Fe（OH）3，ClO－的还原产物是Cl－，根据元素守恒、得失电子守恒和电荷守恒即可完成方程式。

（2）根据题意可写出题给原电池的负极反应式为3Zn－6e－＋6OH－===3Zn（OH）2，总反应式为3Zn＋2FeO

＋8H2O===3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4OH－。

用总反应式减去负极反应式可得正极反应式为2FeO

＋6e－＋8H2O===2Fe（OH）3＋10OH－。

答案：

（1）2Fe（OH）3＋3ClO－＋4OH－===2FeO

＋5H2O＋3Cl－

（2）FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－

3Zn＋2FeO

＋8H2O===3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4OH－

一般电极反应式的书写模式

3．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：

（1）酸性条件

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O②

负极反应式为_________________________________________________。

（2）碱性条件

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－②

负极反应式为___________________________________________。

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋4e－===2O2－②

负极反应式为__________________________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如：

熔融K2CO3）环境下

电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

正极电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

②

电池负极反应式：

　。

解析：

（1）酸性条件：

①－②×2即得负极反应式。

（2）碱性条件：

①－②×2即得负极反应式。

（3）①－②×2得负极反应式。

（4）①－②×2得负极反应式。

答案：

（1）CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

（2）CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

（3）CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

（4）CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O

燃料电池电极反应式的书写方法

　根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：

（1）酸性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

（2）碱性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）环境下电极反应式：

O2＋4e－===2O2－

（4）熔融碳酸盐（如：

熔融K2CO3）环境下电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

。

再根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式

电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：

电池的总反应式＝电池正极反应式＋电池负极反应式

电池负极反应式＝电池的总反应式－电池正极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。

解题技能（十二）　盐桥电池

1．盐桥电池的构成特点

（1）一般情况下，金属插入其可溶性盐溶液中，组成负极和正极。

（2）为使溶液保持电中性，盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路。

（3）盐桥电池的两个电极材料可以不同，也可以相同，但环境绝对不同。

2．盐桥的作用

（1）使整个装置构成闭合回路，代替两溶液直接接触。

（2）平衡电荷。

如在Zn/ZnSO4—Cu/CuSO4原电池中Zn失去电子形成Zn2＋进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液中因Zn2＋增多而带正电荷。

同时，CuSO4溶液则由于Cu2＋变成Cu，使得SO

相对较多而带负电荷。

通过盐桥中阴阳离子定向移动而使两半电池电解质溶液中正负电荷守恒而保持电中性。

3．单池原电池和盐桥原电池的对比

（1）图1和图2两装置的相同点

负极：

Zn－2e－===Zn2＋

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应：

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋

（2）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。

（3）关键点：

盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区。

已知在酸性条件下发生的反应为AsO

＋2I－＋2H＋===AsO

＋I2＋H2O，在碱性条件下发生的反应为AsO

＋I2＋2OH－===AsO

＋H2O＋2I－。

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Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为____________________________________。

（4）操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为____________________________________。

（5）操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向________烧杯溶液（填“A”或“B”）。

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，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，AsO

失电子，I2得电子，此时，C1极是正极，C2极是负极。

故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）2I－－2e－===I2

（4）AsO

＋2OH－－2e－===AsO

＋H2O

（5）A

（1）当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流表指针示数为零；当电流表指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。

（2）电子流向的分析方法

改变条件，平衡移动；平衡移动，电子转移；电子转移，判断区域；根据区域，判断流向；根据流向，判断电极。

　如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是（实验过程中，不考虑两球的浮力变化）（　　）

A．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端高B端低

B．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端低B端高

C．当杠杆为导体时，A端低B端高

D．当杠杆为导体时，A端高B端低

解析：

　当杠杆为导体时，构成原电池，Fe作负极，Cu作正极，电极反应式分别为负极：

Fe－2e－===Fe2＋，正极：

Cu2＋＋2e－===Cu，铜球增重，铁球质量减轻，杠杆A低B高。

答案：

　C

1．（2014·北京理综，8）下列电池工作时，O2在正极放电的是（　　）

解析：

　氢燃料电池中，负极上H2放电，正极上O2放电，A、C、D中均不存在O2放电，故选B。

答案：

　B2．（2014·新课标全国卷Ⅱ，12）2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。

下列叙述错误的是（　　）

A．a为电池的正极

B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C．放电时，a极锂的化合价发生变化

D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移

解析：

　由图可知，b极（Li电极）为负极，a极为正极，放电时，Li＋从负极（b）向正极（a）迁移，A、D项正确；该电池放电时，负极：

xLi－xe－===xLi＋，正极：

Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4，a极Mn元素的化合价发生变化，C项错误；由放电反应可得充电时的反应，B项正确。

答案：

　C

3．（2013·新课标全国卷Ⅱ，11）“ZEBRA”蓄电池的结构如下图所示，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：

　该电池总反应为：

2Na＋NiCl2===2NaCl＋Ni，因此有NaCl生成，A项正确；电池总反应为Na还原Ni2＋，B项错误；正极为NiCl2发生还原反应：