高中化学一轮复习讲义解析版原电池 化学电源.docx

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高中化学一轮复习讲义解析版原电池化学电源

原电池化学电源

【学习目标】

1.理解原电池的工作原理

2.电极反应式的书写及电化学计算

3.化学电源的工作原理及分析

◆感知高考

1．[2020·新课标Ⅲ]一种高性能的碱性硼化钒（VB2）—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：

该电池工作时，下列说法错误的是

A．负载通过0.04mol电子时，有0.224L（标准状况）O2参与反应

B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高

C．电池总反应为

D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

【答案】B

【解析】正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-,因此正极区的pH升高，由负极的电极反应式

可知，反应消耗OH-，溶液的pH降低，即负极区溶液的pH降低，故B不正确。

2.[2020·山东（新高考）10]微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。

现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水（以含CH3COO-的溶液为例）。

下列说法错误的是

A.负极反应为

B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜

C.当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g

D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:

1

【答案】B

【解析】

A．a极为负极，CH3COOˉ失电子被氧化成CO2和H+，结合电荷守恒可得电极反应式为CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，故A正确；

B．为了实现海水的淡化，模拟海水中的氯离子需要移向负极，即a极，则隔膜1为阴离子交换膜，钠离子需要移向正极，即b极，则隔膜2为阳离子交换膜，故B错误；

C．当电路中转移1mol电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1molClˉ移向负极，同时有1molNa+移向正极，即除去1molNaCl，质量为58.5g，故C正确；

D．b极为正极，水溶液为酸性，所以氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H++2eˉ=H2↑，所以当转移8mol电子时，正极产生4mol气体，根据负极反应式可知负极产生2mol气体，物质的量之比为4:

2=2:

1，故D正确；故答案为B。

◆核心知识

1.实验探究

实验步骤

解释或说明

锌与稀硫酸发生置换反应产生氢气，而铜则不能

结论：

原电池是将能转化为能的装置；原电池的反应本质是反应。

理论上说，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池（正确、不正确）

【答案】1.从左到右从上到下：

锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生，导线中有电流；锌与稀硫酸反应产生氢气，但导线中无电流；乙醇是非电解质，与锌、铜都不反应；化学电氧化还原正确。

2．原电池的构造与工作原理（以锌铜原电池为例）

（1）有关的实验现象

①锌片，铜片，硫酸铜溶液颜色；

②电流计的指针，装置中的能量变化是。

（2）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

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＋移向极，Cl－移向极

（3）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、外）电路，形成闭合回路；b.，使原电池不断产生电流。

（4）原电池正负极的判断方法

①根据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。

从更本质上说，氧化反应发生在（正、负）极，还原反应发生在（正、负）极。

②根据电流方向或电子流动方向判断。

电流由___极经外电路流向___极；电子由___极经外电路流向___极。

③根据电解质溶液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__极。

④根据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）①溶解，加厚变亮，变浅；②发生偏转，化学能转化为电能。

（2）反应原理氧化反应还原反应；正　负

（3）②内；平衡电荷。

（4）①负　正　负　正②正　负　负　正　③正　负　④负　正　⑤负　正　

3.常见化学电源及工作原理

（1）一次电池：

只能使用一次，不能充电复原继续使用

①碱性锌锰干电池

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：

；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

②钮扣式锌银电池

电解质是；正极材料：

。

负极反应：

；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

③锂电池

Li—SOCl2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LiAlCl4—SOCl2。

电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。

负极材料为________，电极反应为_______________________________________________。

正极的电极反应为____________________________________________________________。

【答案】　①Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

②KOH；Ag2O。

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

③锂　8Li－8e－===8Li＋3SOCl2＋8e－===2S＋SO

＋6Cl－

（2）二次电池：

放电后能充电复原继续使用

①铅蓄电池

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，正极材料是。

ⅰ放电时的反应

负极反应：

；正极反应：

。

ⅱ充电时的反应

阴极反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

；

阳极反应：

；

总反应：

PbO2＋Pb＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

【答案】Pb，PbO2。

ⅰPb＋SO

－2e－===PbSO4；PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

ⅱPbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；

（3）“高效、环境友好”的燃料电池

①氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。

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

②解答燃料电池题目的思维模型

③氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结

负极

正极

【易混易错】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：

________________________________________________________。

（2）碱性介质（如KOH）

负极：

______________________________；正极：

______________________________；

总反应式：

_____________________________________________________。

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

负极：

______________________________；正极：

______________________________；

总反应式：

_____________________________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3环境下）

负极：

______________________________；正极：

______________________________；

总反应式：

______________________________________________________。

【答案】　

（1）CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋；2O2＋8e－＋8H＋===4H2O；CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（2）CH4－8e－＋10OH－===CO

＋7H2O；2O2＋8e－＋4H2O===8OH－；CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

（3）CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O；2O2＋8e－===4O2－；CH4＋2O2===CO2＋2H2O

（4）CH4－8e－＋4CO

===5CO2＋2H2O；2O2＋8e－＋4CO2===4CO

；CH4＋2O2===CO2＋2H2O

【易混易错辨析】判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”

（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）×

◆变式再现

1．某课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置如图所示。

下列说法错误的是（　　）

A．铜片表面有气泡生成

B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换

C．如果将硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动

D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变

【答案】　C

【解析】　铜锌原电池中，Cu作正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以Cu片上有气泡生成，故A项正确；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，故B项正确；柠檬汁显酸性，也能作电解质溶液，所以将硫酸换成柠檬汁，仍然构成原电池，导线中有电子流动，故C项错误；Cu的金属活动性比Zn、Fe都弱，Cu作正极，所以电路中的电流方向不变，仍然由Cu经导线流向负极，故D项正确。

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↑

【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作负极；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两项均错误；②中电池的总反应为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项正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D项错误。

3．如图所示装置是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能。

下列有关说法正确的是（　　）

A．电流由呼气所在的铂电极流出

B．H＋透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极

C．电路中流过2mol电子时，消耗11.2LO2

D．该电池的负极反应式为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

【答案】B

【解析】根据图示，通入氧气的铂电极为正极，呼气所在的铂电极为负极。

电流由氧气所在的铂电极流出，A项错误；阳离子移向正极，H＋透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极，B项正确；电路中流过2mol电子时，消耗标准状况下11.2LO2，C项错误；根据图示，该电池的负极生成乙酸，电极反应式为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D项错误。

4．一种新型可逆电池的工作原理如图所示。

放电时总反应为：

Al＋3Cn（AlCl4）＋4AlCl

4Al2Cl

＋3Cn（Cn表示石墨）。

下列说法中正确的是（　　）

A．放电时负极反应为2Al－6e－＋7Cl－===Al2Cl

B．放电时AlCl

移向正极

C．充电时阳极反应为AlCl

－e－＋Cn===Cn（AlCl4）

D．电路中每转移3mol电子，最多有1molCn（AlCl4）被还原

【答案】　C

【解析】　熔融盐中Cl－是以AlCl

形式存在，放电时负极反应式为Al－3e－＋7AlCl

===4Al2Cl

，A项错误；放电时，AlCl

向负极移动，B项错误；充电时石墨电极与电源的正极相连，石墨电极为阳极发生氧化反应生成Cn（AlCl4）：

AlCl

＋Cn－e－===Cn（AlCl4），C项正确；放电时，石墨电极为正极，发生反应Cn（AlCl4）＋e－===AlCl

＋Cn，则电路中通过3mol电子，最多有3molCn（AlCl4）被还原，D项错误。

5．某同学将反应2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2设计成下图所示的原电池：

实验步骤及现象如下：

①闭合开关，指针发生偏转，随后电流计读数逐渐变小，当读数变为零时，打开开关；

②取少许甲烧杯中溶液，滴入3～4滴淀粉溶液，溶液显蓝色；

③取少许乙烧杯中溶液，滴入3～4滴KSCN溶液，溶液显血红色；

④向乙烧杯中加入少量FeCl2固体，再次闭合开关，指针向左偏转（最后读数变为零）。

【查阅资料】　灵敏电流计指针总是偏向电源正极；原电池中存在内阻，会影响反应进程。

请回答：

（1）步骤①中，开始时指针向________（填“左”或“右”）偏转，甲烧杯中发生的电极反应式________________________________________________________________。

（2）经步骤①后，乙烧杯溶液中新增金属阳离子________（填离子符号）。

（3）步骤④中指针向左偏转，乙烧杯中发生的电极反应式______________________________。

（4）要证明2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2为可逆反应，你认为上述实验步骤不必做的是________（填序号）。

【答案】　

（1）右　2I－－2e－===I2　

（2）Fe2＋、K＋

（3）Fe2＋－e－===Fe3＋　（4）②③

【解析】　

（1）根据总反应2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2，甲烧杯中石墨为负极，图中灵敏电流计的指针向右偏转，甲中石墨电极上的电极反应式为2I－－2e－===I2；

（2）经步骤①后，乙烧杯中发生还原反应生成亚铁离子，同时盐桥中钾离子移向乙烧杯，乙烧杯溶液中新增金属阳离子有Fe2＋、K＋；

（3）步骤④中指针向左偏转，说明甲烧杯中石墨为正极，乙烧杯中发生氧化反应，电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋；

（4）根据上述实验①，可以证明存在反应2Fe3＋＋2I－―→2Fe2＋＋I2，根据实验④，可以证明存在反应2Fe2＋＋I2―→2Fe3＋＋2I－，说明反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2为可逆反应，实验步骤②和③不必做。

6．人们应用原电池原理制作了多种电池，以满足不同的需要。

以下每小题中的电池广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面，请根据题中提供的信息填空。

（1）蓄电池在放电时起原电池作用，在充电时起电解池的作用。

铅蓄电池在放电时发生的电池反应式为：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

负极反应式为______________，反应一段时间后负极的质量________（填“增加”“减少”或“不变”）。

（2）燃料电池是一种高效、环境友好的供电装置，如图是甲烷燃料电池原理示意图，该电池的负电极反应式是：

______________________________；正极电极反应式为__________________。

（3）将铝片和铜片用导线相连，分别插入浓硝酸中（a组）和插入烧碱溶液中（b组），都形成了原电池，在a组原电池中，负极材料为________；写出b组插入烧碱溶液中形成原电池的负极反应式：

_______________________。

【答案】　

（1）Pb＋SO

－2e－===PbSO4　增加　

（2）CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O　4H2O＋2O2＋8e－===8OH－　（3）Cu　Al＋4OH－－3e－===AlO

＋2H2O

【解析】

（1）因为原电池的负极发生氧化反应，分析原电池反应Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O可知，铅元素化合价由0价（Pb）升高到＋2价（PbSO4），发生氧化反应，所以负极电极反应式：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4，因为PbSO4难溶于水，生成的PbSO4在负极板上析出，负极质量增加。

（2）由甲烷燃料电池原理示意图可知，CH4通入的一极产生了CO

，碳元素的化合价由－4价升高到＋4价，发生氧化反应，即CH4通入的一极是负极，考虑到电解质溶液是强碱溶液，再根据电荷守恒和原子守恒可写出负极反应式为：

CH4－8e－＋10OH－===CO

＋7H2O。

正极是O2通入的一极，正极电极反应式为：

2O2＋8e－＋4H2O===8OH－。

（3）常温下浓硝酸能使铝的表面形成致密的氧化物薄膜，阻止了浓硝酸继续氧化铝，将铝片和铜片插入浓硝酸中，铝变得稳定，而铜能被浓硝酸持续氧化，所以铜为负极；常温下铝与烧碱溶液反应：

2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，该反应中铝被氧化，所以铝为负极，负极反应式为：

Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O。

◆深度理解

1．钠－氯化镍电池以βAl2O3（Al2O3·xNa2O）作为固体电解质构成的一种新型电池（2Na＋NiCl2

Ni＋2NaCl），其结构如图所示。

下列关于该电池的叙述错误的是（　　）

A．放电时NaCl在熔融电解质中生成

B．充电时阴极反应：

Na＋＋e－===Na

C．氯离子通过βAl2O3（s）在两电极间移动

D．如果电池过度放电，AlCl

可能被还原

【答案】　C

【解析】　阴极发生还原反应，充电时阴极反应：

Na＋＋e－===Na，故B正确；如果电池过度放电，AlCl

可能被还原为Al，故D正确。

2．我国研究锂硫电池获得突破，电池的总反应是16Li＋S8

8Li2S，充放电曲线如图所示，下列说法不正确的是（　　）

A．充电时，电能转化为化学能

B．放电时，锂离子向正极移动

C．放电时，1molLi2S6转化为Li2S4得到2mole－

D．充电时，阳极总电极反应式是8S2－－16e－===S8

【答案】　C

【解析】充电时，是电解池，电能转化为化学能，故A正确；放电时，是原电池，在原电池中，阳离子向正极移动，因此锂离子向正极移动，故B正确；根据图示，放电时，1molLi2S6转化为Li2S4的反应为2Li2S6＋2Li===3Li2S4，反应中2molLi2S6得到2mole－，即1molLi2S6得到1mole－，故C错误；根据16Li＋S8

8Li2S，充电时，阳极总电极反应式是8S2－－16e－===S8，故D正确。

3．科学家研发出一种新型水溶液锂电池，采用复合膜包裹的金属锂作负极，锰酸锂（LiMn2O4）作正极，以0.5mol·L－1Li2SO4水溶液作电解质溶液。

电池充、放电时，LiMn2O4与Li2Mn2O4可以相互转化。

下列有关该电池的说法正确的是（　　）

A．该电池放电时，溶液中的SO

向电极b移动

B．该电池负极的电极反应式为：

2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

C．电池充电时，外加直流电源的正极与电极a相连

D．电池充电时，阳极的电极反应式为：

Li2Mn2O4－e－===LiMn2O4＋Li＋

【答案】　D

【解析】　根据图示可知，电极a为金属Li作负极，电极b为正极，所以电池放电时，溶液中的SO

向电极a移动，故A错误；该电池负极的电极反应式为Li－e－===Li＋，故B错误；在给电池充电时，遵循正接正、负接负的原则，所以外加直流电源的正极与该电池的电极b相连，故C错误；根据放电、充电时电子转移的规律可知，充电时的阳极反应式为放电时正极反应的逆反应，即Li2Mn2O4－e－===LiMn2O4＋Li＋，故D正确。

4．中国是一个严重缺水的国家，污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚，其原理如图所示，下列说法不正确的是（　　）

A．电流方向从A极沿导线经小灯泡流向B极

B．B极为电池的阳极，电极反应式为CH3COO－－8e－＋4H2O===2HCO

＋9H＋

C．当外电路中有0.2mole－转移时，通过质子交换膜的H＋的个数为0.2NA

D．A极的电极反应式为

＋H＋＋2e－===Cl－＋

【答案】　B

【解析】原电池工作时，电流从正极经导线流向负极，即电流方向从A极沿导线经小灯泡流向B极，故A正确；B极为电池的负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为CH3COO－－8e－＋4H2O===2HCO

＋9H＋，B极不是阳极，故B错误；根据电子守恒可知，当外电路中有0.2mole－转移时，通过质子交换膜的H＋的个数为0.2NA，故C正确；A为正极，得到电子，发生还原反应，正极有氢离子参与反应，电极反应式为

＋2e－＋H＋===

＋Cl－，故D正确。

5．我国科技工作者首次提出一种新型的Li＋电池，该电池正极为含有I－、Li＋的水溶液，负极为固态有机聚合物，电解质溶液为LiNO3溶液，聚合物离子交换膜作为隔膜将液态正极和固态负极隔开，其工作原理如图所示。

下列有关判断正确的是（　　）

A．甲是原电池工作原理图，乙是电池充电原理图

B．放电时，液态电解质溶液的颜色加深

C．充电时，Li＋穿过隔膜从右侧移向左侧

D．放电时，负极反应式为

【答案】　D

【解析】“负极为固态有机聚合物”，即固态有机聚合物在负极失电子，电极反应式为

，故乙是原电池工作原理图，A错误、D正确；放电时，正极电极反应式为I

＋2e－===3I－，I

被还原为I－，液态电解质溶液颜色变浅，B错误；充电过程为电解过程，阳离子从阳极移向阴极，即甲中Li＋从左侧移向右侧，C错误。

6．

（1）SO2、CO、CO2、NOx是对环境影响较大的几种气体，对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径。

利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料，装置如图所示。

①若A为CO，B为H2，C为