高考苏教版化学一轮第1部分 专题6 第2单元 原电池 化学电源.docx

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高考苏教版化学一轮第1部分专题6第2单元原电池化学电源

第二单元　原电池　化学电源

考纲定位

核心素养

1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式。

2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。

1.变化观念——认识原电池的本质是氧化还原反应。

能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。

2．模型认知——能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。

3．科学态度——探究新型化学电源及绿色环保化学电源，并评价化学电源的优劣。

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．构成条件

反应

能发生自发进行的氧化还原反应（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）

电极

一般是活泼性不同的两电极（金属或石墨）

闭合

回路

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中

3．工作原理

如图是CuZn原电池，请填空：

（1）反应原理

电极名称

负极

正极

电极材料

Zn

Cu

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型

氧化反应

还原反应

（2）原电池中的三个方向

①电子方向：

从负极流出沿导线流入正极；

②电流方向：

从正极沿导线流向负极；

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。

（3）盐桥作用

①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷（盐桥中阴离子移向负极，阳离子移向正极），使原电池不断产生电流。

[深度归纳]

（1）两种装置的比较

图Ⅰ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，电能效率低。

图Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分别在两个池中，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，电能效率高。

（2）原电池正、负极的判断

注意：

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式。

如在Mg－NaOH（aq）－Al原电池中Al为负极；在Cu－浓硝酸－Fe（Al）原电池中Cu为负极。

4．原电池原理的两个应用

（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。

（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加快。

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

1．正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）在化学反应中，所有自发的放热反应均可以设计成原电池。

（　　）

（2）在Mg－NaOH（aq）－Al电池中负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O。

（　　）

（3）相同情况下，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。

（　　）

（4）原电池反应时，电子从负极流出经导线流入正极，然后通过溶液流回负极。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）×

2．在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是____________（填序号）。

③装置发生的电极反应式为________________________________

_______________________________________________________。

答案：

②④　负极：

Fe－2e－===Fe2＋，正极：

2H＋＋2e－===H2↑

考法1　原电池的原理

1．（2018·潍坊一模）根据光合作用原理，设计如图原电池装置。

下列说法正确的是（　　）

A．a电极为原电池的正极

B．外电路电流方向是a→b

C．b电极的电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===H2O2

D．a电极上每生成1molO2，通过质子交换膜的H＋为2mol

C　[根据图示可知，a电极上H2O转化为H＋和O2，发生氧化反应，则a电极为原电池的负极，A项错误；a电极为负极，b电极为正极，外电路电流方向应从正极到负极，即b→a，B项错误；根据图示可知，b电极上O2得电子转化为H2O2，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===H2O2，C项正确；a电极上每生成1molO2，转移4mol电子，则通过质子交换膜的

H＋为4mol，D项错误。

]

2．（2019·厦门模拟）将反应2Fe3＋＋2I－

2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。

下列说法不正确的是（　　）

A．盐桥中的K＋移向FeCl3溶液

B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极

D　[A项，甲池中石墨电极为正极，乙池中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以向FeCl3溶液迁移，正确；B项，反应开始时，乙中I－失去电子，发生氧化反应，正确；C项，当电流计读数为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡，正确；D项，当加入

Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，错误。

]

考法2　原电池原理的应用

3．M、N、P、E四种金属，已知：

①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。

则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是（　　）

A．P>M>N>E　　　B．E>N>M>P

C．P>N>M>ED．E>P>M>N

A　[由①知，金属活动性：

M>N；M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属活动性：

P>M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：

N>E。

]

4．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。

（1）负极反应式：

_________________________________________。

（2）正极反应式：

_________________________________________。

（3）电池总反应方程式：

___________________________________。

（4）在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：

①不含盐桥

②含盐桥

答案：

（1）Cu－2e－===Cu2＋

（2）2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（3）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

（4）①

　②

（1）正、负极材料的选择：

根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属（如石墨等）作为正极。

（2）电解质溶液的选择：

电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如溶解于溶液中的空气）。

但如果氧化反应和还原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选择与电极材料相同的阳离子。

（3）画装置图：

注明电极材料与电解质溶液。

但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合回路。

考点二|常见化学电源的分类及其工作原理

一次电池

1．银锌钮扣电池

银锌钮扣电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．碱性锌锰电池

碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

二次电池

铅蓄电池

总反应式为

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

提醒：

（1）二次电池充电时的电极连接

即正极接正极，负极接负极。

（2）充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。

燃料电池

燃料电池中的常见燃料有氢气、烃（CH4、C2H6）、烃的衍生物（甲醇、乙醇）、CO、金属（Al、Li等），燃料在电池中的负极发生反应。

1．氢氧燃料电池

介质

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

注：

①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。

②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。

[深度归纳]　化学电源中电极反应书写的一般方法思路

（1）明确两极的反应物；

（2）明确直接产物：

根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；

（3）确定最终产物：

根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；

（4）配平：

根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。

注意：

①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应和总反应

（3）固体氧化物（O2－可移动

1．正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）太阳能电池不属于原电池。

（　　）

（2）碱性锌锰电池的负极附近的介质的碱性增强。

（　　）

（3）铅蓄电池的两极在电池工作时质量均增加。

（　　）

（4）氢氧燃料电池的正极反应式均为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）×

2．CO为燃料，O2为氧化剂，碱性溶液作电解质溶液，电池工作时负极反应式为________________，正极反应式为________________，总反应式为___________________________________________________。

答案：

CO－2e－＋4OH－===CO

＋2H2O　

O2＋2e－＋H2O===

2OH－　2CO＋O2＋4OH－===2CO

＋2H2O

考法1　一次电池与二次电极

1．（2019·兰州模拟）被称为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片（在其一边镀锌，在其另一边镀二氧化锰）作为传导体。

在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。

电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。

下列说法正确的是（　　）

A．该电池的正极为锌

B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用

C．当0.1molZn完全溶解时，流经电解液的电子个数约为

1.204×1023

D．电池正极反应式为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－

D　[A项，由电池反应知，Zn元素化合价由0变为＋2，Zn失电子作负极，错误；B项，该电池中二氧化锰参加反应且作氧化剂，错误；C项，电子不进入电解质溶液，电解质溶液导电是通过离子定向移动形成电流，错误；D项，正极上二氧化锰得电子发生还原反应，电极反应式为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－，正确。

]

2．（2019·湖南湘东五校联考）高铁电池具有比能量高、无污染的特点，用如图装置模拟其工作原理（放电时两电极均有稳定的金属氢氧化物生成），下列有关说法中正确的是（　　）

A．放电时，电子由正极通过外电路流向负极

B．放电时，负极上的电极反应式为Zn－2e－＋2H2O===Zn（OH）2＋2H＋

C．充电时，电源的正极连接高铁电池的Zn极

D．充电时，阳极上的电极反应式为Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO

＋4H2O

D　[放电时，电子由负极通过外电路流向正极，A项错误；放电时，负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，B项错误；充电时，电源的正极应连接石墨电极，C项错误；充电时，阳极上Fe（OH）3转化为FeO

，发生氧化反应：

Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO

＋4H2O，D项正确。

]

3．（2019·郑州模拟）如图是一种正投入生产的大型蓄电系统。

放电前被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3，放电后分别变为Na2S4和NaBr。

下列叙述正确的是（　　）

A．放电时，负极反应为3NaBr－2e－===NaBr3＋2Na＋

B．充电时，阳极反应为2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋

C．放电时，Na＋经过离子交换膜，由b池移向a池

D．用该电池电解饱和食盐水，产生2.24LH2时，b池生成17.40gNa2S4

C　[根据放电后Na2S2转化为Na2S4，S元素化合价升高，知Na2S2被氧化，故负极反应为2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋，A项错误；充电时阳极上发生氧化反应，NaBr转化为NaBr3，电极反应为3NaBr－2e－===NaBr3＋2Na＋，B项错误；放电时，阳离子向正极移动，故Na＋经过离子交换膜，由b池移向a池，C项正确；放电时b池为负极区域，发生氧化反应：

2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋，用该电池电解饱和食盐水，产生标准状况下2.24LH2时转移0.2mol电子，生成0.1molNa2S4，其质量为17.40g，D项错误。

]

考法2　形形色色的燃料电池

4．（2019·哈尔滨模拟）新型NaBH4/H2O2燃料电池（DBFC）的结构如图所示，（已知硼氢化钠中氢为－1价），有关该电池的说法正确的是（　　）

A．电极B材料中含MnO2层，MnO2可增强导电性

B．电池负极区的电极反应：

BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O

C．放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移

D．在电池反应中，每消耗1L6mol·L－1H2O2溶液，理论上流过电路中的电子数为6NA

B　[A项，电极B采用MnO2，为正极，H2O2发生还原反应，得到电子被还原生成OH－，MnO2既作电极材料又有催化作用，错误；B项，负极发生氧化反应，电极反应式为BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O，正确；C项，放电时，Na＋向正极移动，错误；D项，在电池反应中，每消耗1L6mol·L－1H2O2溶液，理论上流过电路中的电子数为

6mol·L－1×1L×2×NA/mol＝12NA，错误。

]

5．（2019·西安八校联考）微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。

某微生物燃料电池的工作原理如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．HS－在硫氧化菌作用下转化为SO

的反应为HS－＋4H2O－8e－===SO

＋9H＋

B．电子从电极b流出，经外电路流向电极a

C．如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化

D．若该电池电路中有0.4mol电子发生转移，则有0.5molH＋通过质子交换膜

A　[本题中微生物燃料电池的工作原理包括两个阶段：

①引发反应，有机物＋SO

CO2↑＋HS－；②电池反应，负极反应为HS－＋4H2O－8e－===SO

＋9H＋，正极反应为2O2＋8H＋＋8e－===4

H2O。

根据题图知，在硫氧化菌作用下HS－转化为SO

，发生氧化反应：

HS－＋4H2O－8e－===SO

＋9H＋，A项正确；电子从电极a流出，经外电路流向电极b，B项错误；如果将反应物直接燃烧，有部分化学能转化为热能和光能，能量的利用率降低，C项错误；若该电池电路中有0.4mol电子发生转移，则有0.4molH＋通过质子交换膜，D项错误。

]

6．（2019·贵阳模拟）一种以液态肼（N2H4）为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。

下列关于该电池的叙述正确的是（　　）

A．b电极是负极

B．a电极的电极反应式：

N2H4＋4OH－＋4e－===N2↑＋4H2O

C．放电时，电子从a电极经过负载流向b电极

D．电池工作时，K＋从正极移向负极

C　[燃料电池中正极上通入空气，故b电极为正极，A项错误；a电极为负极，负极上N2H4发生氧化反应：

N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O，B项错误；放电时，电子从负极（a电极）经过负载流向正极（b电极），C项正确；该装置交换膜为阴离子交换膜，电池工作时，OH－从正极移向负极，D项错误。

]

（1）首先写出正极反应式

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固体氧化物电解质（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

。

（2）根据总反应式减去正极反应式确定负极反应式。

专项突破（十三）　新型化学电源试题的解答突破

1．命题分析

命题人常常根据新型化学电池的装置特点，以新介质、新燃料、轻金属为背景，涉及下列命题角度。

（1）电极的判断及其电极反应式的书写或判断。

（2）两极产物及两极反应类型的判断。

（3）两极附近溶液的pH变化或计算。

（4）电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。

（5）电子守恒的相关计算。

2．常考新型电源的原理分析

（1）镍氢电池（KOH溶液）：

NiOOH＋MH

Ni（OH）2＋M

负极反应式：

MH－e－＋OH－===M＋H2O；

正极反应式：

NiOOH＋e－＋H2O===Ni（OH）2＋OH－。

（2）锂离子电池总反应式为xLi＋Li1－xMn2O4

LiMn2O4

负极反应式：

xLi－xe－===xLi＋；

正极反应式：

Li1－xMn2O4＋xe－＋xLi＋===LiMn2O4。

（3）研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池，Al、Cn为电极，有机阳离子与阴离子（AlCl

、Al2Cl

）组成的离子液体为电解质，如图为该电池放电过程示意图。

负极反应式：

Al－3e－＋7AlCl

===4Al2Cl

；

正极反应式：

3Cn[AlCl4]＋3e－===3Cn＋3AlCl

。

[典例导航]

（2017·全国卷Ⅲ，T11）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常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx（2≤x≤8）。

下列说法错误的是（　　）

A．电池工作时，正极可发生反应：

2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4

B．电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14g

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

[思路点拨]　

（1）16Li＋xS8===8Li2Sx（2≤x≤8）

　　　　　　　　　　⇓

Li作负极，电极反应式为16Li－16e－===16Li＋

S8作正极，电极反应式为xS8＋16e－＋16Li＋===8Li2Sx

⇓放电时

电极a作正极，放电时间越长，Li2Sx中x越小

⇓充电时

电极a作阳极，充电时间越长，Li2Sx中x越大

（2）负极Li生成Li＋移向正极，减重

×7g·mol－1＝0.14g

答案：

D

（1）放电时负极反应式为______________，正极反应式（当x＝6时）为___________，放电过程中Li2S8―→Li2S6的正极反应式为__________。

（2）充电时，阳极反应式（Li2S2―→Li2S4）____________________。

答案：

（1）Li－e－===Li＋　6S8＋16e－＋16Li＋===8Li2S6　3Li2S8＋2e－＋2Li＋===4Li2S6

（2）2Li2S2－2e－===Li2S4＋2Li＋

[综合体验]

1．（2019·山西八校联考）硼化钒（VB2）—空气电池是目前储电能力最高的电池，电池示意图如图，该电池工作时发生的反应为4VB2＋11O2===4B2O3＋2V2O5。

下列说法不正确的是（　　）

A．电极a为电池正极

B．图中选择性透过膜为阴离子透过膜

C．电池工作过程中，电极a附近区域pH减小

D．VB2极发生的电极反应为2VB2＋22OH－－22e－===V2O5＋2B2O3＋11H2O

C　[根据电池反应，O2发生还原反应，故通入空气的电极a为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项正确；根据电池反应，VB2发生氧化反应转化为V2O5、B2O3，VB2极的电极反应式为2VB2＋22OH－－22e－===V2O5＋2B2O3＋11H2O，D项正确；根据负极反应和正极反应可知，正极上生成OH－，负极上消耗OH－，故该选择性透过膜为阴离子透过膜，B项正确；由正极反应式可知，电池工作过程中，电极a附近c（OH－）增大，pH增大，C项错误。

]

2．（2019·石家庄联考）某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池。

放电时电池的总反应式为Li1－xCoO2＋LixC6

===LiCoO2＋C6（x<1）。

下列关于该电池的说法不正确的是（　　）

A．放电时，Co元素的化合价升高

B．放电时，正极的电极反应式为Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2

C．充电时，Li＋在电解液中由阳极向阴极迁移

D．充电时，阴极的电极反应式为C6＋xLi＋＋xe－===LixC6

A　[由放电时电池的总反应式可知，放电时Co的化合价降低，A项错误；放电时正极的电极反应式为Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2，B项正确；充电时阳离子由阳极向阴极迁移，C项正确；充电时阴极反应与放电时负极反应互为逆反应，阴极反应式为C6＋xLi＋＋xe－===LixC6，D项正确。

]

3．（2019·日照质检）一种突破传统电池设计理念的镁－锑液态金属储能电池的工作原理如图所示，该电池所用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。

下列说法不正确的是（　　）

A．放电时，Mg（液）层的质量减小

B．放电时，正极反应为Mg2＋＋2e－===Mg

C．该电池充电时，Mg－Sb（液）层发生还原反应

D．该电池充电时，Cl－向下层移动

C　[根据电流方向（由正极流向负极）可知，镁（液）层为原电池的负极，放电时，Mg（液）层的质量减小，A项正确；根据题意知，正极反应为熔融的Mg2＋得电子发生还原反应，电极反应式为Mg2＋＋2e－===

Mg，B项正确；充电时镁（液）层为阴极，Mg－Sb（液）层为阳极，则Mg－Sb（液）层发生氧化反应，C项错误；充电时阴离子向阳极移动，即Cl－向下层移动，D项正确。

]

课堂反馈　真题体验

1．（2018·全国卷Ⅱ，T12）我国科学家研发了一种