高考化学大一轮复习专题7化学反应与能量变化第二单元原电池化学电源学案.docx

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高考化学大一轮复习专题7化学反应与能量变化第二单元原电池化学电源学案

第二单元　原电池　化学电源

[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.原电池的构造与工作原理，盐桥的作用

b

6.判断与设计简单的原电池

c

7.原电池的电极反应式及电池反应方程式

b

8.原电池的正、负极和电子流向的判断

c

9.银锌电池、铅蓄电池、燃料电池的工作原理与应用价值

b

考点　原电池的工作原理

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

（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

（2）原理归纳

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中。

4．盐桥原电池（加试）

（1）构造

（2）盐桥的组成和作用

①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。

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。

③盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极。

（3）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溶液分别在两个池子中，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。

1．（2015·浙江9月选考，17）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

答案　D

2．（2015·浙江10月选考，16）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＋

答案　B

解析　本题考查化学能和电能知识。

装置甲为锌片与稀硫酸反应装置，可观察到锌片上有气泡产生；装置乙为铜锌原电池，锌片、铜片和硫酸形成的原电池中，铜片为原电池正极，该极上氢离子得电子生成氢气，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，故装置乙的铜片上也可观察到有气泡产生。

锌片为原电池负极，锌失电子，负极上的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，电子由负极经导线流向正极，整个电路形成回路，产生电流，化学能转变为电能，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。

故A、C、D正确；甲装置不是原电池，能量变化不是化学能转化为电能，没有产生电流，而乙装置是原电池，原电池中的能量变化为化学能转化为电能，B不正确；故选B。

3．（2016·浙江10月选考，17）在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现。

铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式：

2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2，Fe（OH）2进一步被氧气氧化为Fe（OH）3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如图。

下列说法正确的是（　　）

A．铁片发生还原反应而被腐蚀

B．铁片腐蚀最严重区域应该是生锈最多的区域

C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀

答案　D

解析　A项，在铁的吸氧腐蚀过程中，铁片发生氧化反应而被腐蚀；B项，铁片负极腐蚀最严重，由于离子的移动，在正极区域生成铁锈最多；C项，铁片腐蚀中负极反应式应为Fe－2e－===Fe2＋。

备考导向　在学考中，考查原电池的形成条件和基本工作原理，以及根据原电池的工作原理探究金属的腐蚀。

题目较简单。

题组一　原电池装置的判断与应用

1．下面装置中，能构成原电池的是________（填序号）。

答案　②④⑥⑦⑨

2．（2017·台州市高三2月选考科目教学质量评估测试）某化学兴趣小组利用反应Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2，设计了如图所示的原电池装置，下列说法正确的是（　　）

A．Zn为负极，发生还原反应

B．b电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

C．电子流动方向是a电极→FeCl3溶液→b电极

D．电池的正极材料可以选用石墨、铂电极，也可以用铜电极

答案　D

解析　根据氯离子移动方向，可知b是负极，a是正极。

Zn为负极，失电子发生氧化反应，A错误；b电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，B错误；电子流动方向是b电极→导线→a电极，C错误；正极材料的活泼性比负极材料弱，D正确。

3．（2017·浙江省余姚中学高三月考）依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Zn（s）===Zn2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

（1）X电极上电子________（填“流入”或“流出”）；电解质溶液Y是________（填化学式）；

（2）Ag电极上发生的电极反应为______________；X电极上发生的电极反应为____________；

答案　

（1）流出　AgNO3

（2）Ag＋＋e－===Ag　Zn－2e－===Zn2＋

规避原电池工作原理的3个失分点

（1）原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。

（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。

题组二　依据原电池的原理探究金属的腐蚀

4．（2017·浙江省余姚中学高三月考）钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2。

以下说法正确的是（　　）

A．负极发生的反应为Fe－2e－===Fe2＋

B．正极发生的反应为2H2O＋O2＋2e－===4OH－

C．钢铁被腐蚀最后生成的铁锈为Fe（OH）2

D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀

答案　A

题组三　原电池正、负极的判断

5．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

答案　D

解析　A项，内电路中不存在电子的移动；B项，若是由铝、镁、氢氧化钠溶液构成的原电池，则负极是铝；C项，若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池，则正极表面析出铜，没有气泡产生。

6．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。

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”的思维定式。

题组四　盐桥原电池

7．（2016·绍兴调研）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↑

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＋。

8．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，调节杠杆并使其保持平衡，然后小心地向左边水槽中滴入浓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

答案　C

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：

Fe－2e－===Fe2＋，

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu，

铜球质量增加，铁球质量减少，杠杆A端低B端高。

题组五　原电池原理的应用

应用一　判断金属的活动性

9．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：

（1）A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极，活动性________。

（2）C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C，活动性________。

（3）A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡，活动性________。

（4）B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，活动性________。

（5）用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出，活动性________。

综上所述，这五种金属的活动性从强到弱的顺序为_________________________________。

答案　

（1）A>B　

（2）C>D　（3）A>C　（4）D>B

（5）B>E　A>C>D>B>E

10．（2017·浙江省余姚中学高三第一次月考）有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置及部分反应现象如下：

a极质量减小，b极质量增加

b极有气体产生，c极无变化

d极溶解，c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是（　　）

A．d>a>b>cB．b>c>d>a

C．a>b>c>dD．a>b>d>c

答案　A

比较金属活动性顺序的思维模型

（1）思路归纳

依据原理，判断正、负极，比较活动性。

（2）方法归纳

①根据原电池：

一般情况下，负极大于正极。

②根据电解池：

易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。

③根据金属活动性顺序表。

应用二　设计原电池，画出装置图

11．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。

答案　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

“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。

提醒　只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池将化学能转化成电能。

微专题10　学考第17题——突破新型化学电源

1．碱性锌锰电池——一次电池

电池组成：

锌、碳棒、二氧化锰、氢氧化钾

特点：

用途广泛

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．银锌钮扣电池——一次电池

电池组成：

锌、氧化银、氢氧化钾溶液

特点：

放电平稳，电流大

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．铅蓄电池——二次电池

电池组成：

铅、二氧化铅、硫酸

特点：

广泛用于机动车辆

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

①负极反应：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4；

②正极反应：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

（2）充电时的反应

①阴极反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

；

②阳极反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；

总反应：

PbO2＋Pb＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

4．镍氢电池——二次电池

电池组成：

贮氢合金、泡沫氧化镍、氢氧化钾溶液

特点：

寿命长，性能好，比能量高

（1）放电时的反应

负极反应：

MH－e－＋OH－===M＋H2O

正极反应：

NiO（OH）＋e－＋H2O===Ni（OH）2＋OH－

（2）充电时的反应

阴极反应：

M＋H2O＋e－===MH＋OH－

阳极反应：

Ni（OH）2＋OH－－e－===NiO（OH）＋H2O

总反应：

NiO（OH）＋MH

Ni（OH）2＋M

说明　

（1）MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢。

（2）可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。

5．氢氧燃料电池

电池组成：

铂碳/氢气、铂碳/氧气，氢氧化钾溶液（或H2SO4溶液）

特点：

用于航天飞机、牵引车等

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

1．（2017·浙江11月选考，17）金属（M）空气电池的工作原理如图所示。

下列说法不正确的是、

（　　）

A．金属M作电池负极

B．电解质是熔融的MO

C．正极的电极反应O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．电池反应2M＋O2＋2H2O===2M（OH）2

答案　B

解析　金属（M）空气电池中M失电子作负极，故A正确；根据传递M2＋和OH－，可知电解质是熔融的M（OH）2，故B错误；空气得电子作正极，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故C正确；电池总反应为2M＋O2＋2H2O===2M（OH）2，故D正确。

2．（2017·浙江4月选考，17）银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

其工作示意图如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．Zn电极是负极

B．Ag2O电极发生还原反应

C．Zn电极的电极反应式：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

D．放电前后电解质溶液的pH保持不变

答案　D

解析　反应中锌失去电子，Zn电极是负极，A正确；Ag2O得到电子，发生还原反应，B正确；电解质溶液显碱性，Zn电极的电极反应式：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，C正确；根据方程式可知消耗水，且产生氢氧化锌，氢氧根浓度增大，放电前后电解质溶液的pH升高，D错误。

1．以甲烷燃料电池为例来分析不同的环境下电极反应式的书写。

（1）酸性介质（如H2SO4）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

_____________________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

2O2＋8e－＋8H＋===4H2O

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（2）碱性介质（如KOH）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

_____________________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋10OH－===CO

＋7H2O

2O2＋8e－＋4H2O===8OH－

CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

_____________________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应式：

_____________________________________________________________________。

答案　CH4－8e－＋4CO

===5CO2＋2H2O

2O2＋8e－＋4CO2===4CO

CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2．（2017·宁波市高三新高考选考适应性考试）锌－空气电池（原理如图）适宜用作城市电动车的动力电源。

该电池放电时Zn转化为ZnO。

该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．Zn电极是该电池的正极

B．Zn电极的电极反应：

Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋

C．OH－向石墨电极移动

D．氧气在石墨电极上发生还原反应

答案　D

解析　A项，放电时Zn转化为ZnO，发生氧化反应，故Zn电极为该电池的负极，错误；B项，根据图像可知，电解液为碱性，故Zn电极的电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，错误；C项，放电时，阴离子移向负极，即OH－向Zn电极移动，错误；D项，电池工作时，正极发生还原反应，正确。

3．（2017·衢州市高三1月教学质量检测）某手机电池采用了石墨烯电池，可充电5分钟，通话2小时。

一种石墨烯锂硫电池（2Li＋S8===Li2S8）工作原理示意图如图。

已知参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小称为该电池的比能量。

下列有关该电池说法不正确的是

（　　）

A．金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料

B．A电极为该电源的负极，发生氧化反应

C．B电极的反应：

2Li＋＋S8＋2e－===Li2S8

D．电子从A电极经过外电路流向B电极，再经过电解质流回A电极

答案　D

解析　石墨烯锂硫电池总反应式为2Li＋S8===Li2S8，Li失电子发生氧化反应，Li是负极材料；金属锂的摩尔质量小，单位质量的Li放出电能明显比其他金属大，故A正确；电池内部阳离子向正极移动，则A电极为该电源的负极，发生氧化反应，故B正确；B为电源的正极，发生的电极反应为2Li＋＋S8＋2e－===Li2S8，故C正确；原电池的外电路中有电子转移，而电池的内部只有阴、阳离子的移动，没有电子的移动，故D错误；答案为D。

4．（2017·温州市高三第二次选考模拟）有一种新型的固体氧化物型燃料电池，装置如图所示，在两极上分别通入甲烷和空气，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO3固体。

在高温熔融状态下能传导O2－。

下列说法正确的是（　　）

A．a处通入的是甲烷

B．工作时，在熔融电解质中，O2－移向d电极

C．c电极为正极，发生氧化反应

D．d电极的电极反应式：

O2＋4e－===2O2－

答案　B

解析　依据装置图中电流流向分析，c为正极，氧气得到电子发生还原反应，d为负极，甲烷失电子发生氧化反应。

a处通入的是空气，A错误；原电池中阴离子向负极移动，所以工作时，在熔融电解质中，O2－移向负极，即移向d电极，B正确；c电极为正极，发生还原反应，C错误；d电极为电池负极，甲烷失电子发生氧化反应，在两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO3固体，它在高温下能传导正极生成的O2－，负极电极反应为CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O，D错误；答案选B。

5．（2017·浙江省教育绿色评价联盟高三3月适应性考试）某化学电源的工作原理如图。

下列说法不正确的是（　　）

A．采用多孔金属作电极可增大电极接触面积，提高对气体的吸附能力

B．通H2的电极作负极，发生氧化反应

C．通O2的电极发生的电极反应：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

D．该电池工作时发生的主要能量转化形式为化学能转化为电能和热能

答案　C

解析　多孔活性金属电极具有较强的吸附性，可增大电极接触面积，提高对气体的吸附能力，故A正确；氢氧燃料电池中，氢气失电子发生氧化反应，通氢气的电极为原电池的负极，故B正确；通入氧气的电极是原电池的正极，在碱性条件下，氧气得电子被还