版步步高高三化学一轮复习 第21讲原电池化学电源.docx

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版步步高高三化学一轮复习第21讲原电池化学电源

第21讲　原电池　化学电源

考纲要求

　1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写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。

考点一　原电池的工作原理及应用

1．概念和反应本质

原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。

2．原电池的构成条件

（1）一看反应：

看是否有能自发进行的氧化还原反应发生（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）。

（2）二看两电极：

一般是活泼性不同的两电极。

（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中。

3．工作原理

以锌铜原电池为例

（1）反应原理

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Zn片沿导线流向Cu片

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）盐桥的组成和作用

①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。

②盐桥的作用：

a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。

（1）理论上说，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池（√）

（2）在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极（√）

（3）用Mg、Al分别作电极，用NaOH溶液作电解液构成的原电池，Mg为正极（√）

（4）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（×）

（5）原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动（×）

（6）两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极（×）

（7）一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高（√）

（8）由于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（×）

原电池正负极的判断方法

（1）由组成原电池的电极材料判断。

一般是活动性较强的金属为______极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为______极。

（2）根据电流方向或电子流动方向判断。

电流由______极流向______极；电子由______极流向______极。

（3）根据原电池中电解质溶液内离子的移动方向判断。

在原电池的电解质溶液内，阳离子移向______极，阴离子移向______极。

（4）根据原电池两极发生的变化来判断。

原电池的______极失电子发生氧化反应，其______极得电子发生还原反应。

（5）根据现象判断。

一般情况下，溶解的一极为______极，增重或有气体逸出的一极为______极。

答案　

（1）负　正　

（2）正　负　负　正　（3）正　负　（4）负　正　（5）负　正　

提示　判断电极时，不能简单地依据金属的活动性顺序来判断，要看反应的具体情况，例如：

Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；Fe、Al在浓HNO3中钝化，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。

题组一　原电池的工作原理

1．

（1）下列装置属于原电池的是________。

（2）在选出的原电池中，________是负极，电极反应为__________；________是正极，电极反应为__________。

答案　

（1）⑤　

（2）Fe　Fe－2e－===Fe2＋　Cu　2H＋＋2e－===H2↑

2．（2017·信阳质检）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↑

答案　B

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在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极反应式为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。

（1）Fe作负极，发生氧化反应时，失2e－变成Fe2＋，而不是Fe3＋。

（2）书写某一极电极反应式时，若书写困难，也可先写另一极的电极反应式。

用“减法”来处理，即用总的电极反应式减去容易写出一极的电极反应式（前提是电量守恒）。

题组二　聚焦“盐桥”原电池

3．（2017·太原市第五中学高三模拟）根据下图，下列判断中正确的是（　　）

A．烧杯a中的溶液pH降低

B．烧杯b中发生氧化反应

C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑

D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

答案　B

解析　由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c（OH－）增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：

Zn－2e－===Zn2＋。

4．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2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，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

答案　D

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；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

题组三　原电池工作原理的应用

5．（2018·江门质检）M、N、P、E四种金属，已知：

①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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＞EB．E＞N＞M＞P

C．P＞N＞M＞ED．E＞P＞M＞N

答案　A

解析　由①知，金属活动性：

M＞N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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。

综合可知，A正确。

6．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如图所示（盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管）。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是________；电解质溶液Y是________（填化学式）。

（2）银电极为电池的________极，其电极反应为____________________________________

________________________________________________________________________。

（3）盐桥中的NO

移向________溶液。

答案　

（1）Cu　AgNO3　

（2）正　Ag＋＋e－===Ag（3）Cu（NO3）2

原电池设计类试题的解题思路

（1）利用氧化还原反应知识判断题给总反应中的氧化反应、还原反应。

（2）选择合适的电极材料和电解质溶液。

（3）画出原电池装置图。

画图时应注意：

电极材料、电解质溶液；简易装置图和带有盐桥的装置图的区别等。

7．银器日久表面会逐渐变黑，这是因为生成了硫化银。

有人设计用原电池原理进行“抛光”，其处理方法：

将一定浓度的氯化钠溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去，而银器恢复光泽，且不会损失。

试回答：

（1）氯化钠溶液的作用是________________________________________________。

（2）在此原电池反应中，负极发生的电极反应为______________________________________

__________________________________________________________，正极发生的电极反应为

________________________________________________________________________。

（3）反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，溶液中发生的反应为____________________________

________________________________________________________________________，原电池总反应方程式为__________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）为电解质溶液，起导电作用

（2）2Al－6e－===2Al3＋　3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－

（3）2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑　3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3↓＋3H2S↑

解析　要善于抓住题给信息，“黑色会褪去，而银器恢复光泽，且不会损失”，必然发生Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应，Ag2S＋2e－===2Ag＋S2－，负极反应为活泼金属Al发生氧化反应：

Al－3e－===Al3＋。

正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中发生双水解反应：

2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑，与题意产生臭鸡蛋气味的气体相吻合。

原电池的总反应为上述三个反应的和：

3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3↓＋3H2S↑。

考点二　化学电源

1．日常生活中的三种电池

（1）碱性锌锰干电池——一次电池

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池——一次电池

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

（3）二次电池（可充电电池）

铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。

①放电时的反应

a．负极反应：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4；

b．正极反应：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O；

c．总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

②充电时的反应

a．阴极反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

；

b．阳极反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；

c．总反应：

2PbSO4＋2H2OPb＋PbO2＋2H2SO4。

注　可充电电池的充、放电不能理解为可逆反应。

2．“高效、环境友好”的燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。

种类

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

备注

燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用

对常见化学电源的认识与理解

（1）铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加（　　）

（2）手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池（　　）

（3）若使反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋以原电池方式进行，可用锌铁作电极材料（　　）

（4）碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长（　　）

（5）燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能（　　）

（6）氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H2－4e－===4H＋（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×

解析　

（2）锂离子电池属于可充电电池，即二次电池。

（3）若用锌和铁作电极，则电极反应就变为Zn＋2Fe3＋===Zn2＋＋2Fe2＋。

（4）MnO2不是催化剂。

（5）燃料电池直接将化学能转变为电能。

（6）负极反应应写为2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

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

总反应式：

______________________________________________________________；

正极反应式：

________________________________________________________________；

负极反应式：

________________________________________________________________。

（2）碱性条件

总反应式：

__________________________________________________________________；

正极反应式：

_______________________________________________________________；

负极反应式：

________________________________________________________________。

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

总反应式：

__________________________________________________________________；

正极反应式：

_________________________________________________________________；

负极反应式：

____________________________________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下

总反应式：

___________________________________________________________________；

正极反应式：

_______________________________________________________________；

负极反应式：

__________________________________________________________________。

答案　

（1）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋8H＋＋8e－===4H2O

CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

（2）CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

（3）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

（4）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋4CO2＋8e－===4CO

CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O

题组一　根据图示理解化学电源

1．（一次电池的工作原理）（2017·银川一模）普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。

在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。

该电池工作时的总反应为Zn＋2NH

＋2MnO2===[Zn（NH3）2]2＋＋Mn2O3＋H2O。

下列关于锌锰干电池的说法中正确的是（　　）

A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原

B．电池负极反应式为2MnO2＋2NH

＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O

C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极

D．外电路中每通过0.1mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

答案　C

解析　普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1mol电子，消耗锌的质量是65g·mol－1×

＝3.25g，D项错误。

2．锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。

该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。

回答下列问题：

（1）外电路的电流方向是由________（填字母，下同）极流向________极。

（2）电池正极反应式为_____________________________________________________。

（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？

______（填“是”或“否”），原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）b　a

（2）MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2

（3）否　电极Li是活泼金属，能与水反应

解析　

（1）结合所给装置图以及原电池反应原理，可知Li作负极材料，MnO2作正极材料，所以电子流向是从a→b，那么电流方向则是b→a。

（2）根据题目中的信息“电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2”，所以正极的电极反应式为MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2。

（3）因为负极的电极材料Li是活泼的金属，能够与水发生反应，故不能用水代替电池中的混合有机溶剂。

题组二　燃料电池

3．（2017·湖南郴州一模）乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应：

C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示。

下列说法中正确的是（　　）

A．电池工作时，质子向电池的负极迁移

B．电池工作时，电子由b极沿导线流向a极

C．a极上发生的电极反应：

C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋

D．b极上发生的电极反应：

4H＋＋O2＋4e－===2H2O

答案　D

4．（2017·兰州一诊）科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。

质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。

下列说法错误的是（　　）

A．电极a为电池的负极

B．电极b上发生的电极反应：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．电路中每通过4mol电子，在正极消耗44.8LH2S

D．每17gH2S参与反应，有1molH＋经质子膜进入正极区

答案　C

解析　根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4mol电子，正极应该消耗1molO2，负极应该有2molH2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8L，故C错误；17gH2S即0.5molH2S，每0.5molH2S参与反应会消耗0.25molO2，根据正极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2O，可知有1molH＋经质子膜进入正极区，故D正确。

（1）要注意介质是什么？

是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。

（2）通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。

（3）通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

题组三　可充电电池

5．（二次电池的理解与应用）镍镉（Ni－Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。

已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：

Cd＋2NiOOH＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2，有关该电池的说法正确的是（　　）

A．充电时阳极反应：

Ni（OH）2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O

B．充电过程是化学能转化为电能的过程

C．放电时负极附近溶液的碱性不变

D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动

答案　A

解析　放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd（OH）2作阴极，Ni（OH）2作阳极，电极反应式为Ni（OH）2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。

6．（2018·柳州模拟）锌—空气燃料电池可作电动车的动力电源，电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋2H2O＋4OH－===2Zn（OH）

。

下列说法正确的是（　　）

A．放电时，电解质溶液中K＋移向负极

B．放电时，电解质溶液的pH不变

C．充电时，阴极的反应为Zn（OH）

＋2e－===Zn＋4OH－

D．充电时，当有4.48L氧气（标准状况下）释放出来时，则析出固体Zn为13g

答案　C

解析　放电时，为原电池，溶液中阳离子向正极移动，即K＋向正极移动，故A错误；放电时，消耗氢氧根离子，碱性减弱，pH减小，故B错误；充电时，阴极上发生得电子的还原反应，则阴极反应为Zn（OH）

＋2e－===Zn＋4OH－，故C正确；产生1mol氧气，转移电子为4mol，充电时，当有4.48L氧气（标准状况下）释放出来时，转移电子的物质的量为

×4＝0.8mol，根据Zn～2e－，则析出固体Zn：

×65g·mol－1＝26g，故D错误。

1.充放电电池

（1）放电时为原电池，充电时为电解池。

（2）充电时电极的连接：

充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。

（3）工作时的电极反应式：

同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。

2.

微专题

　新型电源及电极反应式的书写