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1、第21讲原电池化学电源考纲要求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。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。考点一原电池及其工作原理1概念原电池是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(1)原理分析电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=Cu 反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn沿导线流向Cu盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极(2)两种装置比较盐桥作用：a.连接内电路形成闭合回路。b.维持两电极电势差(中和电荷)，使电池能持续提供电流。装置中有部分Zn与Cu2直接反应，使电池效率降低；装置中使Zn与Cu2
2、隔离，电池效率提高，电流稳定。3原电池的构成条件(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。负极：活泼性较强的金属。正极：活泼性较弱的金属或能导电的非金属。(2)电极均插入电解质溶液中。(3)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。(4)能自发地发生氧化还原反应。【感悟测评】1下列示意图中能构成原电池的是()答案：B2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)相同情况下，带有“盐桥”的原电池比
3、不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。()(5)原电池电解质溶液中，阴离子一定移向负极。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)1原电池正、负极的判断2原电池电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写(2)复杂电极反应式的书写如CH4酸性燃料电池中CH42O2=CO22H2O总反应式2O28H8e=4H2O正极反应式CH42H2O8e=CO28H负极反应式考向一原电池的工作原理1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()MNPAZnCu稀H2SO4BCuFe稀HClCAgZnAgNO3溶液DZnFeFe(NO3)3溶液解析：在装
4、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：C2分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是 ()A中Mg作负极，中Fe作负极B中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2答案：B【速记卡片】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。考向二盐桥原电池3如图所示，杠杆AB两端分别挂有体
5、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Fe2e=Fe2，正极Cu22e=Cu，铜球增重，铁球质量减轻，杠杆A低B高。答案：C4控制适合的条件，将反应2Fe3I2Fe2I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是 ()A反应开始
6、时，乙中石墨电极上发生氧化反应B反应开始时，甲中石墨电极上Fe3被还原C电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态D电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极 解析：由图示结合原电池原理分析可知，Fe3得电子变成Fe2被还原，I失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe32I2Fe2I2向左移动，I2被还原为I，乙中石墨为正极，D不正确。答案：D【速记卡片】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
7、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。考点二原电池原理的应用1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。如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以推出金属活动性AB。2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。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，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可
8、用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。4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2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2设计的原电池为：【多维思考】1A、B两种金属用导线连接后，插入烧碱溶液中，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，该现象能否说明活动性AB？请举例说明。提示：不能。如Mg、Al、NaOH溶液组成原电池时，Al极溶解、Mg极上有H2生成，但活动性：MgAl。2镀锌铁桶破损后，铁桶仍能长时间使用，但镀锡铁桶破损后，破损处很快会出现小孔，其原因是什么呢？提示：镀锌铁桶破损后，形
9、成原电池锌作负极，Fe得到保护；镀锡铁桶破损后，形成原电池，铁作负极，加速了铁的腐蚀。(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。(3)设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以。考向一判断金属的活泼性及反应速率1有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连接起来，浸入稀硫酸中，电极反应式之一为a2e=a2；将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应激烈；又知一定条件下能发生如下离子反应：c2b=b2c，则四种
10、金属的活动性由强到弱的顺序是()Adcab B.dabcCdbac D.badc解析：a、b两金属连接后在稀H2SO4溶液中，a失电子，活泼性：ab；与酸反应d反应剧烈，活泼性：da；根据离子反应，还原性：还原剂大于还原产物，则活泼性：bc，综合以上有金属活泼性由强到弱顺序：dabc。答案：B2(2018揭阳二模)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()解析：等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，发生：ZnCu2=Zn2Cu，形成
11、原电池，反应速率增大，反应用时少于b，但生成的氢气也少于b，图象应为D。答案：D【题后悟道】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CH3COONa，由于CH3COO与H反应，使c(H)减小，反应速率减小，但不影响生成H2的量。考向二设计原电池3将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中，发生反应的离子方程式为：Co2(aq)Cd(s)=Co(s)Cd2(aq)(aq表示溶液)，若将该反应设计为如图的原电池，则下列说法一定错误的是()A
12、Cd作负极，Co作正极B原电池工作时，电子从负极沿导线流向正极C根据阴阳相吸原理，盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动D甲池中盛放的是CdCl2溶液，乙池中盛放的是CoCl2溶液解析：在电池反应中，Co2得电子发生还原反应，则Co作正极、Cd作负极；放电时，电子从负极Cd沿导线流向正极Co；盐桥中阳离子向正极区域乙移动、阴离子向负极区域甲移动；甲中失电子发生氧化反应，电解质溶液为CdCl2溶液，乙池中盛放的是CoCl2溶液。答案：C4电子工业常用30%的FeCl3溶液腐蚀绝缘板上的铜箔，制造印刷电路板。某工程师为了从废液中回收铜，重新获得FeCl3溶液，设计了下列实验步骤：写出一个能证明还原性Fe
13、比Cu强的离子方程式：_。该反应在上图步骤_中发生。请根据上述反应设计一个原电池，在方框中画出简易装置图(标出电极名称、电极材料、电解质溶液)。解析：a是Fe，发生的反应有FeCu2=Fe2Cu和Fe2Fe3=3Fe2，试剂b是盐酸。将FeCu2=Fe2Cu设计成原电池，Fe作负极，比Fe不活泼的Cu作正极，电解质溶液是含Cu2的溶液。答案：FeCu2=Fe2Cu【题后悟道】“装置图”常见失分点提示(1)未用虚线画出烧杯中所盛放的电解质溶液。(2)未用导线将两电极连接起来。(3)未指明：正、负极及其材料；电解质溶液。 考点三化学电源1一次电池(以碱性锌锰干电池为例)负极(Zn)，电极反应式：Z
14、n2e2OH=Zn(OH)2正极(MnO2)，电极反应式：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应：Zn2MnO22H2O=Zn(OH)22MnOOH2二次电池(以铅蓄电池为例)(1)负极反应：Pb2eSO=PbSO4(逆向为充电时阴极反应)。(2)正极反应：PbO22e4HSO=PbSO42H2O；(逆向为充电时阳极反应)。(3)总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)(逆向为充电时总反应)。3燃料电池(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24H4e=2H2OO2
15、2H2O4e=4OH电池总反应2H2O2=2H2O(2)燃料电池的电极本身不参与反应，燃料和氧化剂连续地由外部供给。 【多维思考】可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？提示：【感悟测评】判断正误(正确的打“”，错误的打“”)(1)太阳能电池不属于原电池。()(2)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。()(3)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2 mol电子时，消耗的H2SO4为0.1 mol。()(4)铅蓄电池工作时，当电路中转换0.1 mol电子时，负极增加48 g。()答案：(1)(2)(3)(4)燃料电池电极反应式的书写第一步：写出电池总反应式：燃料电池的总反应与
16、燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为：CH42O2=CO22H2OCO22NaOH=Na2CO3H2O式式得燃料电池总反应式为CH42O22NaOH=Na2CO33H2O。第二步：写出电池的正极反应式：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，电解质溶液不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：a酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H4e=2H2O。b碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H2O4e=4OH。c固体电解质(高温下能传导O2)环境下电极反应式：O24e=2O2。d熔融碳
17、酸盐(如：熔融K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO。第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。考向一电极、电池反应式的书写1(2018潍坊模拟)镁过氧化氢燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，其总反应为MgH2O2H2SO4=MgSO42H2O，结构示意图如图所示。下列关于该电池的叙述正确的是()A电池内部可以使用MnO2作填料B电池工作时，H向Mg电极移动C电池工作时，正极的电极反应式为Mg2e=Mg2D电池工作时，电解质溶液的pH将不断变大解析：MnO2可催化H2
18、O2分解；电解质溶液中的阳离子向正极(石墨)移动；Mg2e=Mg2为负极反应；硫酸参与正极反应，则电解质溶液的酸性减弱，pH增大。答案：D2LiSOCl2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4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为_，发生的电极反应为_。(2)电池正极发生的电极反应为_。解析：分析反应的化合价变化，可知Li失电子，被氧化，为负极，电极反应为：4Li4e=4Li；正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到。答案：(1)Li4Li4e=4Li(2)2SOCl24e=4ClSSO
19、2【技法归纳】电极反应式的书写方法(1)拆分法：写出原电池的总反应，如2Fe3Cu=2Fe2Cu2。把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，并注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应，正极：2Fe32e=2Fe2负极：Cu2e=Cu2。(2)加减法：写出总反应，如LiLiMn2O4=Li2Mn2O4。写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)。如Lie=Li(负极)。利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4Lie=Li2Mn2O4(正极)。考向二燃料电池3(2018河南二模)甲醇燃料电池体积小巧、洁净环保、比能量高，已在便携式通讯
20、设备、汽车等领域应用。某型甲醇燃料电池的总反应式为2CH4O3O2=2CO24H2O，如图是该燃料电池的示意图。下列说法错误的是()Aa是甲醇，b是氧气B燃料电池将化学能转化为电能C质子从M电极区穿过交换膜移向N电极区D负极反应：CH4O6eH2O=CO26H解析：由质子交换膜知，电解质溶液呈酸性，N极上生成水，则a为氧气，N为正极，M为负极，负极反应式为CH4O6eH2O=CO26H，正极反应式为O24H4e=H2O，b是甲醇、c是二氧化碳，质子从M电极区通过质子交换膜到N电极区，通过以上分析知，B、C、D正确。答案：A【技法归纳】根据电极产物判断燃料电池正、负极的方法(1)在酸性燃料电池中
21、，有H2O生成的是正极，有CO2生成的是负极。(2)在碱性燃料电池中有H2O生成的是负极，其另一极为正极。(3)在熔盐电池，能传导O2的固体电解质电池，生成H2O或CO2的是负极，其另一极为正极。4某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度，其装置如图所示，该电池中电解质为氧化钇氧化钠，其中O2可以在固体介质NASICON中自由移动。(1)其反应式为负极_；正极：_。电池反应为：_。(2)如果将上述电池中电解质“氧化钇氧化钠，其中O2可以在固体介质NASICON中自由移动”改为熔融的K2CO3，b极通入的气体为氧气和CO2，负极_；正极：_。电池反应为_。解析：(1)该装置是原电池，通
22、入一氧化碳的电极a是负极，负极上一氧化碳失电子发生氧化反应，电极反应式为：COO22e=CO2，b为正极，O24e=2O2，总方程式为2COO2=2CO2。(2)该电池的总反应为2COO2=2CO2。正极反应式为O24e2CO2=2CO。负极反应式总反应正极反应式：2CO4e2CO=4CO2。答案：(1)COO22e=CO2O24e=2O22COO2=2CO2(2)2CO4e2CO=4CO2O24e2CO2=2CO2COO2=2CO2考向三新型电池5(2018大庆二模)光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图，当光照在表面涂有氯化银的银片上时AgCl(s)Ag(s)Cl(AgCl)，Cl(
23、AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面，接着Cl(AgCl)e=Cl(aq)，若将光源移除，电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是()A光照时，电流由X流向YB光照时，Pt电极发生的反应为：2Cl2e=Cl2C光照时，Cl向Pt电极移动D光照时，电池总反应为：AgCl(s)Cu(aq)Ag(s)Cu2(aq)Cl(aq)解析：该装置中氯原子在银电极上得电子发生还原反应，所以银作正极、铂作负极，光照时，电流从正极银X流向负极铂Y；光照时，Pt电极作负极，负极上亚铜离子失电子发生氧化反应，电极反应式为Cu(aq)e=Cu2(aq)；光照时，该装置是原电池，银作正极，铂作负极，电解质中氯离
24、子向负极铂移动；光照时，正极上氯原子得电子发生还原反应，负极上亚铜离子失电子，所以电池反应式为AgCl(s)Cu(aq)Ag(s)Cu2(aq)Cl(aq)。答案：B6(2018甘肃一诊)电动汽车具有绿色、环保等优点，镍氢电池(NiMH)是电动汽车的一种主要电池类型。NiMH中的M表示储氢金属或合金，电池中主要以KOH溶液作电解液，该电池在充电过程中的总反应方程式是：Ni(OH)2M=NiOOHMH。下列有关镍氢电池的说法中正确的是()A充电过程中OH离子从阳极向阴极迁移B充电过程中阴极的电极反应式：H2OMe=MHOH，H2O中的H被M还原C电池放电过程中，正极的电极反应式为：NiOOHH2
25、Oe=Ni(OH)2OHD电池放电过程中，负极附近的溶液pH增大解析：充电过程中OH离子从阴极向阳极迁移，A项错误；阴极上H2O得电子生成MH，则充电过程中阴极的电极反应式：H2OMe=MHOH，H2O中的H被还原，M的化合价不变，B错误；电池放电过程中，正极上NiOOH得电子生成Ni(OH)2，则正极的电极方程式为：NiOOHH2Oe=Ni(OH)2OH，C项正确；电池放电过程中，负极的电极方程式为：MHOHe=H2OM，则负极上消耗氢氧根离子，所以负极附近的溶液pH减小，D项错误。答案：C 1(2017高考全国卷)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨
26、烯的S8材料，电池反应为：16LixS8=8Li2Sx(2x8)。下列说法错误的是()A电池工作时，正极可发生反应：2Li2S62Li2e=3Li2S4B电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g C石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性D电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多解析：A.原电池工作时，Li向正极移动，则a为正极，正极上发生还原反应，随放电的多少可能发生多种反应，其中可能为2Li2S62Li2e=3Li2S4，故A正确；B.原电池工作时，转移0.02 mol电子时，金属锂的物质的量减少为0.02 mol，质量为0.14 g，故B正确；C.石墨能导电，
27、利用石墨烯作电极，可提高电极a的导电性，故C正确；D.电池充电时间越长，转移电子数越多，生成的Li和S8越多，即电池中Li2S2的量越少，故D错误。答案：D2(2016高考全国卷)MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是()A负极反应式为Mg2e=Mg2B正极反应式为Age=AgC电池放电时Cl由正极向负极迁移D负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2解析：根据题意，电池总反应式为：Mg2AgCl=MgCl22Ag，正极反应为：2AgCl2e= 2Cl 2Ag，负极反应为：Mg2e=Mg2，A项正确，B项错误；对原电池来说，阴离子由正极移向负极，C项正确；
28、由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2，D项正确；答案选B。答案：B3(2016高考全国卷)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2ZnO24OH2H2O=2Zn(OH)。下列说法正确的是()A充电时，电解质溶液中K向阳极移动B充电时，电解质溶液中c(OH)逐渐减小C放电时，负极反应为：Zn4OH2e=Zn(OH)D放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)解析：A.充电时阳离子向阴极移动，故错误；B.放电时总反应为：2ZnO24KOH2H2O=2K2Zn(OH)4，则充电时生成氢氧化钾，溶液中的c(OH)
29、增大，故错误；C.放电时，锌在负极失去电子，故正确；D.标准状况下22.4 L氧气的物质的量为1 mol，对应转移4 mol电子，故错误。答案：C4(2016高考浙江卷)金属(M)空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4MnO22nH2O=4M(OH)n。已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是()A采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面B比较Mg、Al、Zn三种金属空气电池，Al空气电池的理论比能量最高CM空气电池放电过程的正极
30、反应式：4MnnO22nH2O4ne=4M(OH)nD在Mg空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜解析：根据题干放电的总反应4MnO22nH2O=4M(OH)n，氧气在正极得电子，由于有阴离子交换膜，正极反应式为O22H2O4e=4OH，故选C。答案：C5(2016高考四川卷)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为：Li1xCoO2LixC6=LiCoO2C6(x1)。下列关于该电池的说法不正确的是()A放电时，Li在电解质中由负极向正极迁移B放电时，负极的电极反应式为LixC6xe=xLiC6C充电时，若转移1 mole，石墨(C6)电极将增重7x gD充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2xe=Li1xCoO2xLi解析：A.放电时，阳离子向正极移动，故正确；B.放电时，负极失去电子，故正确；C.充电时，若转移1 mol电子，则石墨电极上溶解1/x mol C6，电极质量减少，故错误；D.充电时阳极失去电子，为原电池的正极的逆反应，故正确。答案：C20