第2讲 原电池 化学电源.docx

第2讲 原电池 化学电源.docx

《第2讲 原电池 化学电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2讲 原电池 化学电源.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第2讲原电池化学电源

第2讲　原电池　化学电源

[考纲要求]　1.理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，了解原电池的应用。

考点一　原电池及其工作原理

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.工作原理

以铜锌原电池为例

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

3.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。

深度思考

1.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。

2.判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（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）带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长（　　）

题组一　原电池正、负极的判断

1.下列有关原电池的说法中正确的是（　　）

A.在内电路中，电子由正极流向负极

B.在原电池中，相对较活泼的金属作负极，不活泼的金属作正极

C.原电池工作时，正极表面一定有气泡产生D.原电池工作时，可能会伴随着热能变化

2.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↑

　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。

题组二　原电池工作原理的考查

3.下列装置中能构成原电池产生电流的是（　　）

4.有关电化学知识的描述正确的是（　　）

A.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，把其中的化学能转化为电能

B.某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液

C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成

D.理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池

规避原电池工作原理的4个易失分点

（1）只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能

转化为电能。

（2）电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向

移动共同组成了一个完整的闭合回路。

（3）无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。

（4）原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。

考点二　原电池原理的应用

1.用于金属的防护

使被保护的金属制品作原电池而得到保护。

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，一般作的金属比作的金属活泼。

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。

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。

题组一　判断金属的活泼性

1.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>EB.A>C>D>B>E

C.C>A>B>D>ED.B>D>C>A>E

2.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

题组二　设计原电池

3.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

4.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。

“装置图”常见失分点提示

（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。

题组三　改变化学反应速率

5.电工经常说的一句口头禅：

“铝接铜，瞎糊弄”，所以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：

__________________________________。

6.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________。

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，但不影响生成H2的量。

考点三　化学电源

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：

；

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：

。

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，正极材料是。

（1）放电时的反应

①负极反应：

；

②正极反应：

；

③总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

（2）充电时的反应

①阴极反应：

；

②阳极反应：

；

③总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

4.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＋

正极反应式

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

深度思考

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”）

题组一　化学电源中电极反应式的书写

1.LiSOCl2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4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

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____________________。

（1）负极材料为Li（还原剂），Li－e－===Li。

（2）正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到：

2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。

2.铝空气海水电池：

以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反

应产生电流。

电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________。

化学电源中电极反应式书写的一般步骤

“加减法”书写电极反应式

（1）先确定原电池的正、负极，列出正、负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。

（2）注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，且O2生成OH－，若电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，O2生成水。

（3）正、负极反应式相加得到电池反应的总反应式。

若已知电池反应的总反应式，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。

题组二　“久考不衰”的可逆电池

3.一种碳纳米管能够吸附氢气，可作二次电池（如下图所示）的碳电极。

该电池的电解质溶液为6mol·L－1的KOH溶液，下列说法正确的是（　　）

A.充电时阴极发生氧化反应B.充电时将碳电极与电源的正极相连

C.放电时碳电极反应为H2－2e－===2H＋

D.放电时镍电极反应为NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－

题组三　“一池多变”的燃料电池

4.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

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

________________________________________。

（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

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

___________________________________________。

（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

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

________________________________________。

（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

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

____________________________。

燃料电池电极反应式的书写

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。

考点四　盐桥原电池的专题突破

1.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：

①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。

2.单池原电池和盐桥原电池的对比

图1和图2两装置的相同点：

正负极、电极反应、总反应、反应现象。

负极：

Zn－2e－===Zn2＋

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

总反应：

Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋

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。

关键点：

盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区。

深度思考

1.能用金属代替盐桥吗？

2.在有盐桥的铜锌原电池中，电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳离子相同？

如Zn极对应的是硫酸锌，能不能是氯化铜或者氯化钠？

题组一　根据装置明确原理

1.根据右图，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

2.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

题组二　平衡移动与“盐桥”作用

3.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，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

4.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”）。

（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。

探究高考　明确考向

1.（2012·四川理综，11）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。

下列有关说法正确的是（　　）

A.检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动

B.若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气

C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O

D.正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

2.（2013·新课标全国卷Ⅰ，10）银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故，根据电化学原理可进行如下处理，在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去，下列说法正确的是（　　）

A.处理过程中银器一直保持恒重B.银器为正极，Ag2S被还原生成单质银

C.该过程中总反应为2Al＋3Ag2S===6Ag＋Al2S3

D.黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl

3.（2013·新课标全国卷Ⅱ，11）“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（　　）

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

4.（2013·江苏，1）燃料电池能有效提高能源利用率，具有广泛的应用前景。

下列物质均可用作燃料电池的燃料，其中最环保的是（　　）

A.甲醇B.天然气C.液化石油气D.氢气

5.（2013·江苏，9）MgH2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该

电池以海水为电解质溶液，示意图如右。

该电池工作时，下列

说法正确的是（　　）

A.Mg电极是该电池的正极B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大D.溶液中Cl－向正极移动

6.（2013·安徽理综，10）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图所示，其中作为电解质的无水LiClKCl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－===CaCl2B.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

7.（2012·福建理综，9）将下图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是（　　）

A.Cu电极上发生还原反应B.电子沿Zn→a→b→Cu路径流动

C.片刻后甲池中c（SO

）增大D.片刻后可观察到滤纸b点变红色

8.[2012·新课标全国卷，26（4）]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______________________________________________________________。

9.（2013·高考试题组合）

（1）[2013·广东理综，33

（2）（3）]能量之间可相互转化：

电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。

设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。

限选材料：

ZnSO4（aq），FeSO4（aq），CuSO4（aq）；铜片，铁片，锌片和导线。

①完成原电池甲的装置示意图（见右图），并作相应标注，要求：

在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。

②以铜片为电极之一，CuSO4（aq）为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极__________。

③甲乙两种原电池可更有效地将化学能转化为电能的是________，其原因是________。

④根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在上述的材料中应选__________作阳极。

（2）[2013·北京理综，26（4）]通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：

①Pt电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”）

②写出NiO电极的电极反应式：

___________________________。

10.（2012·高考试题组合）

（1）[2012·海南，13（4）]肼—空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的反应式为_______________________________________________________。

（2）[2012·江苏，20（3）]铝电池性能优越，AlAgO电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。

该电池反应的化学方程式为__________________。

练出高分

1.下列反应没有涉及原电池的是（　　）

A.生铁投入稀盐酸中

B.铜片与银片用导线连接后，同时插入FeCl3溶液中

C.纯锌投入硫酸铜溶液中D.