原电池 化学电源.docx

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原电池化学电源

第1节原电池化学电源

★考纲要求

1．了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池总反应式。

2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。

★高考动向

本节的重点内容为原电池工作原理及其应用。

原电池工作原理的考查往往以新型能源电池或燃料电池为载体，考查原电池正负极的判断、电极反应式的书写、电子或电流的方向及溶液pH的变化等；原电池原理的应用主要考查原电池的设计电化学腐蚀以及解释某些化学现象等。

预计实物图分析、新型电池分析、电解池与原电池的联系以及设置趣味电化学实验是近年高考的热点。

★基础知识梳理

一、原电池

1．概念

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）

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

电子流向

由负极沿导线流向正极

3.原电池构成条件

（1）两个活泼性不同的电极，（其中一极可以为非金属导体，如碳棒）。

（2）将电极插入电解质溶液中。

（3）两电极间构成闭合回路。

（4）能自发地进行氧化还原反应。

思考　原电池内部阴、阳离子如何移动？

为什么？

【提示】　阴离子移向负极、阳离子移向正极。

这是因为负极失电子，生成大量阳离子集聚在负极附近，致使该极附近有大量正电荷，所以溶液中的阴离子要移向负极；正极得电子，该极附近的阳离子因得电子生成电中性物质而使该极附近带负电荷，所以溶液中阳离子要移向正极。

二、常见的化学电源

1．一次电池（锌锰干电池）

酸性

碱性

电极材

料及电

极反应

式

正

C：

2NH

＋2e－===2NH3＋H2

C：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

负

Zn：

Zn－2e－===Zn2＋

Zn：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

电池总

反应式

2NH

＋Zn===2NH3＋H2＋Zn2＋

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2

2.二次电池（可充电电池）

如：

铅蓄电池是常见的二次电池，负极材料是铅（Pb），正极材料是PbO2。

（1）放电时的电极反应

①负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4

②正极反应：

PbO2＋SO

＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O

③电池总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

（2）充电时的电极反应

①阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

②阳极：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SO

＋4H＋

③电池总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4

3．燃料电池

如：

氢氧燃料电池：

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

★高频考点剖析

考点一原电池原理

1.原理图示

2．原电池的判断方法

（1）先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。

（2）然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：

例1　（2011·安徽理综）研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：

5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是（　　）

A．正极反应式：

Ag＋Cl－－e－===AgCl

B．每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子

C．Na＋不断向“水”电池的负极移动

D．AgCl是还原产物

解析　A项，Ag＋Cl－－e－===AgCl应为负极反应式，故错误；B项，负极只有Ag失电子，根据电荷守恒，由总反应式可知B项正确；C项，Na＋由负极向正极移动，故错误；D项，AgCl为氧化产物，故错误。

答案　B

互动训练1　（2011·福建理综）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。

该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。

关于该电池的下列说法不正确的是（　　）

A．水既是氧化剂又是溶剂

B．放电时正极上有氢气生成

C．放电时OH－向正极移动

D．总反应为：

2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

解析　在原电池中电解质溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。

答案　C

考点二原电池正负极的判断与电极反应式的书写

1.正、负极的判断

判断依据

负极

正极

电极材料

一般活泼性较强金属

一般活泼性较弱的金属或非金属导体

电子流向

电子流出极

电子流入极

电解质离子移向

阴离子移向的极

阳离子移向的极

电极反应类型

发生氧化反应的电极

发生还原反应的电极

电极现象

溶解（或减轻）的电极

质量增加或放出气体的电极

特别提醒：

（1）根据化学方程式判断正负极，化合价升高发生氧化反应的一极为负极，化合价降低发生还原反应的一极为正极。

（2）判断电极时，不能简单地依据金属活动性来判断，还要注意电解质溶液的性质：

如：

①Mg、Al、稀H2SO4组成原电池，Mg为负极，Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，Al作负极。

②Fe、Cu、稀HNO3组成原电池，Fe为负极，Fe、Cu、浓HNO3组成原电池，Cu作负极，Fe作正极（因浓HNO3使Fe钝化）。

2．电极反应式的书写

（1）由总方程式写电极反应式

①列物质，标得失：

按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数目。

②看环境，配守恒：

注意电解质溶液中的离子是否参与反应，若参与反应，则写入电极反应式。

依据电极反应应遵守电荷守恒和原子守恒配平。

③两式加，验总式：

先使两电极反应式得失电子总数相等，再相加，消去相同化学式，与总反应式对照。

（2）由总反应式和其中一种电极反应式写另一电极反应式，总反应式－已知电极反应式＝另一电极反应式。

（3）由电极反应式写原电池总反应式

使两电极反应式得失电子总数相等后，将两式相加，消去相同的化学式，得原电池总反应式。

特别提醒：

书写电极反应式时，必需考虑电解质溶液是否与电极生成的离子反应，把两步反应结合起来写总的电极反应式。

如：

Mg－Al－NaOH溶液原电池中，

负极反应式：

2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O

正极反应式：

6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－。

例2　可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。

下列说法正确的是（　　）

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：

Al＋3OH－－3e－===Al（OH）3↓

C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

解析　本题考查原电池的构成、电极反应方程式的书写及电解质溶液的影响，意在考查考生的迁移能力。

O2在以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时形成OH－，A正确；以NaOH溶液为电解液时，OH－是足量的，因此铝形成AlO

，B错；以NaOH溶液为电解液时，该电池的总反应方程式为：

4Al＋3O2＋4NaOH===4NaAlO2＋2H2O，C错；原电池工作时外电路电子由负极流向正极，D错。

答案　A

互动训练2　（2012·广东六校联考）固体氧化物燃料电池（SOFC）以固体氧化物作为电解质，其工作原理如图所示。

下列关于固体燃料电池的有关说法正确的是（　　）

A．电极b为电池负极，电极反应式为O2＋4e－===2O2－

B．固体氧化物的作用是让电子在电池内部通过

C．若H2作为燃料气，则接触面上发生的反应为：

H2＋2OH－－2e－===2H2O

D．若C2H4作为燃料气，则接触面上发生的反应为：

C2H4＋6O2－－12e－===2CO2＋2H2O

解析　a极为负极，b极为正极，b极上O2发生还原反应生成O2－，故选项A错；固体氧化物的作用是让离子通过，选项B错；电解质中无OH－，故选项C错。

答案　D

考点三原电池原理的应用

1.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增大。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2速率加快。

2．比较金属活动性强弱

两种金属分别做原电池的两极时，一般做负极的金属比做正极的金属活泼。

3．设计制作化学电源

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。

具体方法是：

（1）首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应。

（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料及电解质溶液。

①电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。

并且，原电池的电极必须导电。

电池中的负极必须能够与电解质溶液自发的反应。

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（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。

如在铜—锌—硫酸构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的溶液中。

（3）按要求画出原电池装置图。

如根据以下反应设计的原电池：

原理

装置图

化学反应：

CuCl2＋Fe===FeCl2＋Cu

电极反应：

负极：

Fe－2e－===Fe2＋

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu

化学反应：

2H2＋O2

2H2O

电极反应：

负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

4.用于金属的防护

使被保护的金属制品做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，使锌做原电池的负极。

特别提醒：

应用原电池原理可以设计任一自发的氧化还原反应的电池，但有的电流相当微弱。

同时要注意电解质溶液不一定参与反应，如燃料电池，水中一般要加入NaOH、H2SO4或Na2SO4等。

例3　Li－Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为：

2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe，有关该电池的下列说法中，正确的是（　　）

A．Li－Al在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价

B．该电池的电池反应式为：

2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应式为：

Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应式为：

Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

解析　A中Li－Al在电池中作为负极材料，但该材料中的Li是单质，化合价为0；该电池的负极反应为2Li－2e－===2Li＋，电池反应为2Li＋FeS===Li2S＋Fe，故B正确，C不正确；充电时，阴极得电子发生的电极反应式为Li2S＋Fe2＋＋2e－===2Li＋FeS。

答案　B

互动训练3　铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。

（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式________________________。

（2）若将

（1）中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。

正极反应___________________________________；

负极反应___________________________________。

（3）腐蚀铜板后的混合溶液中，若Cu2＋、Fe3＋和Fe2＋的浓度均为0.10mol·L－1。

请参照下表给出的数据和药品，简述除去CuCl2溶液中Fe3＋和Fe2＋的实验步骤：

________________________________________________________________________________________________。

氢氧化物开始沉淀时的pH

氢氧化物沉淀完全时的pH

Fe3＋

1.9

3.2

Fe2＋

7.0

9.0

Cu2＋

4.7

6.7

提供的药品：

Cl2　浓H2SO4　NaOH溶液　CuO　Cu

（4）某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。

请从上表提供的药品中选择两种（水可任选），设计最佳实验，验证劣质不锈钢易被腐蚀。

有关反应的化学方程式__________，劣质不锈钢腐蚀的实验现象

_______________________________________________。

解析　

（1）FeCl3与Cu发生反应：

2FeCl3＋Cu===CuCl2＋2FeCl2。

（2）依据上述氧化还原反应，设计的原电池为：

Cu作负极，C（石墨）为正极，FeCl3溶液作电解质溶液。

其中负极反应：

Cu－2e－===Cu2＋

正极反应：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（3）根据沉淀Fe2＋、Fe3＋和Cu2＋的pH确定。

首先将溶液中的Fe2＋氧化成Fe3＋，然后利用Fe3＋的水解：

Fe3＋＋3H2OFe（OH）3＋3H＋往溶液中加入CuO时，CuO与H＋作用从而使上述平衡右移。

pH将逐渐增大，Fe3＋转化成Fe（OH）3沉淀而除去。

（4）不锈钢在CuSO4中发生置换反应：

CuSO4＋Fe===FeSO4＋Cu

从而在不锈钢的表面析出了红色Cu，这样构成了Cu－Fe原电池，加快了不锈钢的腐蚀。

验证的方法是先使CuO与H2SO4作用生成CuSO4，然后把劣质不锈钢放入CuSO4溶液中，观察表面是否有红色物质生成。

答案　

（1）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

（2）装置图

正极反应：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

负极反应：

Cu－2e－===Cu2＋

（3）①通入足量氯气将Fe2＋氧化成Fe3＋；

②加入CuO调节溶液的pH至3.2～4.7；

③过滤[除去Fe（OH）3和多余的CuO]

（4）CuO＋H2SO4===CuSO4＋H2O，

CuSO4＋Fe===FeSO4＋Cu

不锈钢表面有红色物质生成

【方法规律】　氧化还原反应与原电池反应的关系：

以Zn和稀H2SO4的反应与铜——锌原电池比较：

1相同点：

二者反应结果是一样的，都是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

2不同点：

①后者有电流产生，可做电池，而前者无此作用。

②后者产生H2的速率比前者快。

③后者的氧化还原反应是在两个电极上发生的，电子的转移是通过外电路进行的，而前者电子是由锌片直接转移给H＋。

★课堂强化训练

1．铜锌原电池（如图）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，电子从负极流向正极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

2．（2011·北京市西城区考试）某原电池装置如图所示。

下列有关叙述中，正确的是（　　）

A．Fe作正极，发生氧化反应

B．负极反应：

2H＋＋2e－===H2↑

C．工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变

D．工作一段时间后，NaCl溶液中c（Cl－）增大

3．（2011·北京理综）结合下图判断，下列叙述正确的是（　　）

A．Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护

B．Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋

C．Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量K3[Fe（CN）6]溶液，均有蓝色沉淀

4．（2011·课标全国）铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：

Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe（OH）2＋2Ni（OH）2下列有关该电池的说法不正确的是（　　）

A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe

B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe（OH）2

C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低

D．电池充电时，阳极反应为2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O

5．（2011·山东省菏泽市考试）某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。

请你帮助他们完成有关实验项目：

方案Ⅰ：

有人提出将大小相等的铁片和铜片，分别同时放入稀硫酸（或稀盐酸）中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。

该原理的离子方程式为：

________。

方案Ⅱ：

有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。

试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。

正极反应式：

_____________________________；

负极反应式：

______________________________。

方案Ⅲ：

结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案（与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同）：

_______________________________________________；

用离子方程式表示其反应原理：

_________________________________________。

课堂练习答案：

1.答案　BC

解析　本题考查原电池。

电池的正极得电子，A选项错误；结合该电池的装置图可知，该过程中涉及的氧化还原反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B选项正确；外电路中，电子从负极流向正极，C选项正确；左烧杯中由于Zn失去电子形成Zn2＋，使得该烧杯中正电荷的离子增加，为维持电中性，K＋应该通过盐桥流向CuSO4所在的右烧杯，D选项错误。

2.答案　D

解析　A项，Fe作负极，发生氧化反应，不正确；B项，负极反应为：

Fe－2e－===Fe2＋，故不正确；C项，因为正极反应为：

2H＋＋2e－===H2↑，故右侧烧杯中溶液的pH增大，不正确；D项，因为在原电池中阴离子向负极移动，故NaCl溶液中c（Cl－）增大，正确。

3.答案　A

解析　A项，电子从负极流向正极，抑制正极失电子，所以正极均被保护。

B项，Ⅰ中的负极反应为Zn－2e－===Zn2＋。

C项，Ⅱ中的正极反应为2H＋＋2e－===H2↑。

D项，由于Ⅰ中负极反应产生Zn2＋，不会与K3[Fe（CN）6]溶液作用产生蓝色沉淀。

4.答案　C

解析　A项，由电池反应可知，Ni2O3→Ni（OH）2，Ni的化合价由＋3价→＋2价，化合价降低，发生还原反应，故Ni2O3为正极，Fe→Fe（OH）2，Fe的化合价由0价→＋2价，化合价升高，发生氧化反应，故Fe为负极，正确；B项，负极发生氧化反应，Fe＋2OH－－2e－===Fe（OH）2，正确；C项，阴极发生还原反应，Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－，c（OH－）增大，溶液的pH增大，故错误；D项，阳极发生氧化反应，电极反应为2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，D正确。

5.答案　方案Ⅰ：

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

方案Ⅱ：

装置图如图所示

2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋

方案Ⅲ：

把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观察铁片表面是否生成红色物质

Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu

解析　金属活动性即其还原性，可以利用金属与H＋反应的难易或剧烈程度来进行比较，也可以用原电池正负极进行判断，也可以用金属之间的置换反应进行比较，还可以利用最高价氧化物的碱性强弱来比较。