高考化学大一轮复习 专题6 化学反应与能量变化 第2单元 原电池的工作原理及应用教师用书.docx

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高考化学大一轮复习专题6化学反应与能量变化第2单元原电池的工作原理及应用教师用书

第二单元　原电池的工作原理及应用

浙江考试标准

知识条目

必考要求

加试要求

（1）原电池的概念

a

a

（2）铜锌原电池的原理及电极反应式

b

b

（3）原电池的构成条件

a

b

（4）常见化学电源

b

c

（5）银锌电池、铅蓄电池、燃料电池的工作原理与应用价值

b

（6）原电池的构造与工作原理，盐桥的作用

b

（7）判断与设计简单的原电池

c

（8）原电池的电极反应式和电池反应方程式

b

（9）原电池的正、负极和电子流向的判断

c

考点1|原电池原理及其应用　

[基础知识自查]

1．原电池：

把化学能转化为电能的装置。

2．工作原理：

（以锌铜原电池为例）

装置

—

Zn电极

Cu电极

现象

锌片逐渐溶解

铜片上产生气泡

得失电子

失电子

得电子

正、负极判断

负极

正极

电子流向

流出

流入

电极反应式

Zn－2e－===Zn2＋

2H＋＋2e－===H2↑

总反应式

Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

3.构成条件

4.盐桥电池的构造与工作原理（加试要求）

（1）构造

盐桥中通常装有含KCl饱和溶液的琼脂。

随着反应的进行，Zn棒中的Zn原子失去电子成为Zn2＋进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2＋过多，带正电荷；Cu2＋获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2＋过少，SO

过多，溶液带负电荷。

当溶液不能保持电中性时，将阻止放电作用的继续进行，盐桥的存在就避免了这种情况的发生；其中Cl－向ZnSO4溶液中迁移，K＋向CuSO4溶液中迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。

（2）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。

（3）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。

通过盐桥中阴阳离子定向移动而使两极电解质溶液中正负电荷守恒而保持电中性。

③将两个半电池完全隔开，有利于将化学能最大限度地转化为电能。

5.原电池原理的应用（加试要求）

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。

[核心要点提升]

1．原电池原理

2．原电池正、负极的判断（加试要求）

【特别提醒】　

（1）活泼性强的金属不一定作负极，但负极一定发生氧化反应。

（2）负极本身不一定参加反应，如燃料电池中负极材料只起导电作用。

[典型例题讲解]

　（2015·浙江7月学考）如图是铜锌原电池的示意图。

当该原电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．铜片上产生O2

B．锌片为原电池的负极

C．电子由铜片经导线流向锌片

D．铜片上发生氧化反应

【解析】　Cu是原电池的正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故铜片上产生H2，A错误；锌片是原电池的负极，B正确；电子由负极（Zn）经导线流向正极（Cu），C错误；铜片上发生还原反应，D错误。

【答案】　B

　利用反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2，设计一个原电池装置。

（1）画出简易装置图，标明电极材料和电解质溶液。

（2）简易装置的效率不高，电流在短时间内就会衰减。

为解决以上问题，常将原电池设计成带盐桥的装置，画出该原电池装置，标明电极材料和电解质溶液。

（3）写出两个电极上的电极反应。

负极：

________________________________________________，

正极：

________________________________________________。

【解析】　首先将已知的反应拆成两个半反应：

Cu－2e－===Cu2＋、2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，然后结合原电池的电极反应特点分析可知，该原电池的负极材料为Cu，正极材料选用比铜活动性差的能导电的材料即可。

【答案】　

（1）

（2）

（3）Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

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：

电极材料和导线的粗细差异；电解质溶液也要画出；简易装置图和带有盐桥的装置图的区别。

[题组对点训练]

1．下列装置能组成原电池，且能产生明显电流的是（　　）

B　[A项，两电极均为Cu；C项，Cu与CuSO4溶液不反应，不能产生明显电流；D项，Zn、Cu与ZnSO4溶液不反应，不能产生电流。

]

2．（2015·浙江10月学考）如图所示进行实验，下列说法不正确的是（　　）

A．装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生

B．甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能

C．装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转

D．装置乙中负极的电极反应式：

Zn－2e－===Zn2＋

B　[装置乙的铜片上电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，A正确；甲装置中是化学能转变为热能，不能转化为电能，B错误；装置乙构成原电池，C正确；装置乙中Zn片是负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，D正确。

]

3．（加试题）铜锌原电池工作时，下列叙述正确的是（　　）

A．正极反应为：

Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从正极流向负极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

B　[Zn为负极，A项错；在外电路中电子从负极流向正极，C项错；盐桥中的K＋应移向正极所在的CuSO4溶液，D项错。

]

4．（2015·浙江9月选考样题）如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．铁电极的电极反应式为Fe－3e－===Fe3＋

B．溶液中的H＋移向Fe电极

C．该装置中能量转化方式为电能转化为化学能

D．电子从铁棒经导线流入石墨棒

D　[由图可知，为Fe、C原电池，即化学能转化为电能，C错误；铁作负极，碳棒作正极，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，A错误；在溶液中H＋应移向正极，在正极得电子生成H2，B错误；电子在外电路中应由负极移向正极，D正确。

]

5．（加试题）①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。

①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。

据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（　　）

A．①③②④　　　　　　B．①③④②

C．③④②①D．③①②④

B　[利用原电池的形成和工作原理解决问题。

在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：

①>③>④>②。

]

考点2|化学电源、电极反应式的书写（加试要求）　

[基础知识自查]

1．一次电池（以普通锌锰干电池为例）

总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

2．二次电池

（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

（2）二次电池充电时的电极连接

3．燃料电池——氢氧燃料电池

[核心要点提升]

1．一般电极反应式的书写

常用方法有：

（1）拆分法

①写出原电池的总反应，如2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。

②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：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

负极：

Cu－2e－===Cu2＋。

（2）加减法

①写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。

②写出其中容易写出的一个半反应（正极或负极）。

如Li－e－===Li＋（负极）。

③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LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4（正极）。

2．燃料电池电极反应式的书写步骤

第一步：

写出电池总反应式。

燃料电池的总反应与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：

NaOH溶液）的反应式为

CH4＋2O2===CO2＋2H2O　①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O　②

①式＋②式得燃料电池总反应式为

CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。

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：

（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

。

第三步：

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。

【特别提醒】　燃料电池电极反应式书写3原则

（1）共存原则：

因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。

碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H＋参加反应；当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH－参加反应。

（2）得氧失氧原则：

得氧时，在反应物中加H2O（电解质溶液为酸性时）或OH－（电解质溶液为碱性或中性时）；失氧时，在反应物中加H2O（电解质溶液为碱性或中性时）或H＋（电解质溶液为酸性时）。

（3）中性吸氧反应成碱原则：

在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。

[典型例题讲解]

　（2016·浙江4月选考真题）MgH2O2电池是一种化学电源，以Mg和石墨为电极，海水为电解质溶液，示意图如下。

下列说法不正确的是（　　）

A．石墨电极是该电池的正极

B．石墨电极上发生还原反应

C．Mg电极的电极反应式：

Mg－2e－===Mg2＋

D．电池工作时，电子从Mg电极经导线流向石墨电极，再从石墨电极经电解质溶液流向Mg电极

【解析】　Mg是活泼金属，作原电池的负极，发生失电子的氧化反应，其电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，C选项正确；石墨是不活泼电极，作原电池的正极，电极上发生得电子的还原反应，A和B选项正确；原电池工作时，电子从负极沿导线移向正极，不能经过电解质溶液，D选项错误。

【答案】　D

　液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小、无需气体存储装置等优点。

一种以肼（N2H4）为液体燃料的电池装置如图所示。

该电池用空气中的氧气作氧化剂，KOH作电解质。

下列关于该燃料电池的叙述不正确的是（　　）

A．电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极

B．负极发生的电极反应式为：

N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O

C．该燃料电池的电极材料采用多孔导电材料，以提高电极反应物质在电极表面的吸附量

D．该燃料电池持续放电时，K＋从负极向正极迁移，因而离子交换膜需选用阳离子交换膜

【解析】　通入空气的一极为正极，通入N2H4的一极为负极，电流的方向是从正极经过负载流向负极，A项正确；负极发生氧化反应，N2H4失去电子生成N2，B项正确；该液体燃料电池的电极材料采用多孔导电材料时，可以提高电极反应物质在电极表面的吸附量，C项正确；该燃料电池持续放电时，电池的负极消耗OH－，电池的正极生成OH－，OH－应该从右向左移动，以保证负极有足够多的OH－参与反应，因而离子交换膜需选用阴离子交换膜，D项错误。

【答案】　D

书写电极反应式的一般思路

（1）首先要列出反应物和该反应物得失电子后生成的直接产物，并标出得失电子的数目。

（2）然后分析介质中是否有与该直接产物反应的微粒，如有写出稳定产物，该稳定产物即为最终的产物。

（3）最后根据电子守恒、电荷守恒和原子守恒配平电极反应式。

[题组对点训练]

1．如图是以葡萄糖为燃料的微生物燃料

电池结构示意图。

关于该电池的叙述

不正确的是（　　）

A．该电池不能在高温下工作

B．电池的负极反应为：

C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋

C．放电过程中，电子从正极区向负极区每转移1mol，便有1molH＋从阳极室进入阴极室

D．微生物燃料电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相容性等优点，值得研究与推广

C　[高温条件下微生物会死亡，该电池不能正常工作，A选项正确；电池的负极失电子，发生氧化反应，即葡萄糖失电子生成二氧化碳气体，B选项正确；放电过程中，电子从负极区向正极区转移，C选项错误；结合题给条件分析，D选项正确。

]

2．“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，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（　　）

【导学号：

81640086】

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

B　[A项，在负极Na失电子生成Na＋，正极反应为NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－，故电池反应中有NaCl生成；B项，电池的总反应是金属钠还原二价镍离子；C项，正极上NiCl2发生还原反应，电极反应为NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－；D项，钠在负极失电子，被氧化生成Na＋，Na＋通过钠离子导体在两电极间移动。

]

3.（2016·浙江金、丽、衢十二校二模）一种酸性“二甲醚（CH3OCH3）直接燃料电池”具有启动快、能量密度高、效率好等优点，其电池原理如图所示。

下列有关该电池的说法不正确的是（　　）

A．多孔碳a能增大气固接触面积，提高反应速率，该电极为负极

B．电极b上发生的反应为：

CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋

C．H＋由电极b向多孔碳a迁移

D．二甲醚直接燃料电池能量密度（kW·h·kg－1）约为甲醇（CH3OH）直接燃料电池能量密度的1.3倍

A　[采用多孔导电材料，可以提高电极反应物在电极表面的吸附量，并使反应物与电解质溶液充分接触，多孔碳a上是氧气放电生成H2O，所以是正极，故A错误；电极b是负极，发生氧化反应，电极反应式为：

CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，故B正确；原电池中阳离子向正极移动，所以H＋由电极b向多孔碳a迁移，故C正确；二甲醚提供1mol电子所需质量为

g，而甲醇（CH3OH）提供1mol电子所需质量为

g，所以二甲醚直接燃料电池能量密度（kW·h·kg－1）约为甲醇（CH3OH）直接燃料电池能量密度的1.3倍，故D正确。

]