人教版高中化学52总复习原电池和化学电源基础知识讲解Word下载.docx

人教版高中化学52总复习原电池和化学电源基础知识讲解Word下载.docx

《人教版高中化学52总复习原电池和化学电源基础知识讲解Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《人教版高中化学52总复习原电池和化学电源基础知识讲解Word下载.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

（2）多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。

5．原电池的正负极的判断方法

判断依据

活泼性较强的金属

活泼性较弱的金属或能导电的非金属

电子流出极

电子流入极

电解质溶液中离子定向移动方向

阴离子移向的负极

阳离子移向的正极

发生的反应

反应现象

溶解的极

增重或有气泡放出的极

6．原电池中带电粒子的移动方向

在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。

在外电路上电子从负极经导线上流入正极；

在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。

具体情况见图：

考点二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

例如：

在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．用于金属的防护

将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。

在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。

4．原电池的设计

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。

具体方法是：

（1）首先将已知的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或其中溶解的物质反应。

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—硫酸铜构成的原电池中，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+的电解质溶液中。

（3）按要求画出原电池装置图。

考点三、几种常见的电池

（一）电池的评价

比能量：

电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。

比功率：

电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。

质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。

（二）实用电池的特点

（1）能产生比较稳定而且较高电压的电流；

（2）安全、耐用且便于携带，易于维护；

（3）能够适用于各种环境；

（4）便于回收处理，不污染环境或对环境的污染影响较小；

（5）能量转换率高。

（三）几种常见的电池

1、一次电池：

放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。

干电池：

一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。

碱性锌锰电池

构成：

负极是锌，正极是MnO2，电解质是KOH

负极：

Zn+2OH－－2e－=Zn（OH）2；

正极：

2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－

总反应式：

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

特点：

比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电。

2、二次电池

①铅蓄电池

放电电极反应：

Pb（s）+SO42－（aq）－2e－＝PbSO4（s）；

PbO2（s）+4H+（aq）+SO42－（aq）+2e－＝PbSO4（s）+2H2O（l）

Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）＝2PbSO4（s）+2H2O（l）

充电电极反应：

阳极：

PbSO4（s）+2H2O（l）－2e－=PbO2（s）+4H+（aq）+SO42－（aq）；

阴极：

PbSO4（s）+2e－=Pb（s）+SO42－（aq）

总反应：

2PbSO4（s）+2H2O（l）=Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）

总反应方程式：

Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）2PbSO4（s）+2H2O（l）

说明：

a负极

阴极正极

阳极

b

电池的正负极分别和电源的正负极相连

c各极的pH变化看各电极反应，电池的pH变化看电池总反应

②镍一镉碱性蓄电池

Cd+2OH－－2e－=Cd（OH）2；

2NiO（OH）+2H2O+2e－=2Ni（OH）2+2OH－

Cd+2NiO（OH）+2H2O2Ni（OH）2+Cd（OH）2

3、燃料电池

电池

反应

酸性电解质

碱性电解质

氢氧燃料电池

2H2－4e－＝4H+

2H2+4OH－－4e－＝4H2O

O2+4H++4e－＝2H2O

O2+2H2O+4e－＝4OH－

总反应

2H2+O2＝2H2O

甲烷燃料电池

CH4+2H2O－8e－=CO2+8H+

CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O

2O2+8H++8e－＝4H2O

2O2+4H2O+8e－=8OH－

CH4+2O2=CO2+2H2O

CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O

甲醇燃料电池

2CH3OH+2H2O－12e－=2CO2+12H+

2CH3OH+16OH－－12e－=2CO32－+12H2O

3O2+12H++12e－＝6H2O

3O2+6H2O+12e－=12OH－

2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；

除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。

燃料电池的能量转化率高于80％，远高于燃烧过程（仅30％左右），有利于节约能源。

燃料电池有广阔的发展前途。

（四）正确书写电极反应式

（1）列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。

（2）标明电子的得失。

（3）使质量守恒。

电极反应式书写时注意：

①负极反应生成物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该写入负极反应式；

②若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式，且生成物为OH－；

若电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。

③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。

（4）正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。

若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。

注意相加减时电子得失数目要相等。

【典型例题】

类型一：

原电池原理

例1．（2015高考•天津卷）锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（　　）

A．铜电极上发生氧化反应

B．电池工作一段时间后，甲池的c（SO42－）减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加

D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

【思路点拨】阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，不允许SO42－穿过。

【答案】C

【解析】由图像可知该原电池反应原理为Zn+Cu2+=Zn2++Cu。

A．Zn比Cu活泼，则Zn为负极，发生氧化反应，Cu为正极，发生还原反应，故A错误；

B．阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则两池中c（SO42－）不会改变，故B错误；

C．甲池中电极反应式为Zn-2e-→Zn2+，乙池中电极反应式为Cu2++2e-→Cu，Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池中，由于Zn的摩尔质量比Cu大，则乙池溶液的总质量增加，故C正确；

D．由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，则阴离子并不能通过交换膜，故D错误；

故选C。

【总结升华】原电池工作时，活泼金属作负极，在溶液中阴离子一般向负极移动，但本题例外，阴离子不能通过阳离子交换膜。

举一反三：

【变式1】用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U型管）构成一个原电池。

以下有关该原电池的叙述正确的是

①在外电路中，电流由铜电极流向银电极

②正极反应为：

Ag++e-=Ag

③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作

④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A.①②B.②③C.②④D.③④

【变式2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（）

A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极

C．两烧杯中溶液的pH均增大

D．产生气泡的速率甲比乙慢

【答案】C

【解析】图甲是一个原电池装置，负极：

Zn－2e－==Zn2+，正极（Cu）：

2H++2e－==H2↑，形成的原电池能加快产生氢气的速率；

图乙中，Zn直接与稀硫酸反应生成H2：

Zn+2H+==Zn2++H2↑，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。

【高清课堂：

399158例2】

【变式3】右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是

A．该系统中只存在3种形式的能量转化

B．装置Y中负极的电极反应式为：

C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

【解析】本题主要考查的是电化学知识。

A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；

B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O；

C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；

D项，在反应过程中，有能量的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。

综上分析可知，本题选C项。

例2．某同学根据离子反应方程式2Fe3++Fe==3Fe2+来设计原电池。

下列设计方案中可行的是（）

A．电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液

B．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe（NO3）3溶液

C．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液

D．电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液

【答案】B

【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。

【变式1】依据氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）==Cu2+（aq）+2Ag（s）设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是________；

电解质溶液Y是________；

（2）银电极为电池的________极，发生的电极反应为________；

X电极上发生的电极反应为________；

（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。

【答案】

（1）CuAgNO3溶液

（2）正Ag++e－==AgCu－2e－==Cu2+（3）XAg

【解析】由氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）==Cu2+（aq）+2Ag（s）可知，可以选用Cu（s）—Ag（s）—AgNO3（aq）构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag++e－==Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu－2e－==Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。

类型二：

金属活动性强弱比较

例3．X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。

X、Y相连时，X为负极；

Z、W相连时，电流方向是W→Z；

X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；

W、Y相连时，W极发生氧化反应。

据此判断四种金属的活泼性顺序是（）

A．X＞Z＞W＞YB．Z＞X＞Y＞WC．W＞X＞Y＞ZD．Y＞W＞Z＞X

【答案】A

【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；

不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。

电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反（物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向）。

因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；

Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；

X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；

W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。

综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

【变式1】根据下列实验事实：

（1）X+Y2+=X2++Y

（2）Z+2H2O（冷水）=Z（OH）2+H2↑

（3）Z2+离子的氧化性比X2+弱

（4）由Y、W作电极组成的原电池负极反应为：

Y—2e－=Y2+，

由此可知，X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是

A．X>

Y>

Z>

WB．Y>

X>

W>

Z

C．Z>

WD．Z>

W

【解析】

（1）X能将Y2+还原说明X的还原性强于Y。

（2）Z能与冷水作用，说明Z一定为活泼性很强的金属。

（3）Z2+氧化性比X2+弱说明Z的金属性强于X。

（4）在原电池中Y做负极，故Y的活泼性强于W。

类型三：

干电池

例4．Zn-MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。

（1）该电池的负极材料是　　　　。

电池工作时，电子流向　　　　（填“正极”或“负极”）。

（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是　　　　。

欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的　　　　（填代号）。

a.NaOHb.Zn　　　　c.Fed.NH3·

H2O

（3）MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。

阴极的电极反应式是　　　　。

若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为　　　　。

【答案】

（1）Zn正极

（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀b

（3）2H++2e-=H2↑，87g

（1）负极发生氧化反应，Zn失电子，做负极。

电子由负极经外电路流向正极。

（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。

除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。

（3）阴极上得电子，发生还原反应，H+得电子生成氢气。

因为MnSO4～MnO2～2e-，通过2mol电子产生1molMnO2，质量为87g。

399158例5】

【变式1】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。

锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：

Zn（s）+2MnO2（s）+2H2O

（1）==Zn（OH）2（s）+2MnOOH（s）

下列说法错误的是（）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为：

2MnO2（s）+2H2O

（1）+2e－==2MnOOH（s）+2OH－（aq）

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减少6.5g

【解析】该电池工作时，Zn应为负极，失去电子，故A正确。

原电池正极发生得电子反应，即还原反应，故B正确。

电子应由原电池的负极流出，通过外电路流向正极，故C错误。

由于Zn失去2mol电子时，自身消耗的质量为65g，则失去0.2mol电子，理论上消耗6.5g，故D正确。

类型四：

蓄电池

例5．一种充电电池放电时的电极反应为：

　　H2+2OH--2e-=2H2O；

　　　　NiO（OH）+H2O+e-=Ni（OH）2+OH-

　　当

为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是

　　A.H2O的还原　　　　　　　B.NiO（OH）的还原

　　C.H2的氧化　　　　　　　　D.NiO（OH）2的氧化

【答案】D

【解析】由题中给出的电极反应可判断出做原电池时，H2是还原剂被氧化、NiO（OH）是氧化剂被还原，则充电时H2是还原产物、NiO（OH）是氧化产物，与正极相连的是阳极发生氧化反应，所以D选项正确。

　　【总结升华】本题考查二次电池中的氧化还原问题。

原电池放电时，先要分析氧化剂与还原剂，氧化剂被还原、还原剂被氧化；

充电时（电解池），将原电池负极反应式反着写为还原过程，发生在阴极，原电池中的正极反应反着写为氧化过程，发生在阳极。

【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：

2PbSO4+2H2O

PbO2+Pb+2H2SO4

下列对铅蓄电池的说法中错误的是（）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

c．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－+SO42－==PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；

在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42－生成PbSO4沉淀；

放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；

工作时（即放电时），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的越浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

【变式2】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为：

　　3Zn+2K2FeO4+8H2O

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH，下列叙述不正确的是　　　　　　

　　A．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

　　B．充电时阳极反应为：

2Fe（OH）3－6e－+10OH－=2FeO42－+8H2O

　　C．放电时负极反应为：

3Zn－6e－+6OH－=3Zn（OH）2

　　D．放电时正极附近溶液的碱性增强

【解析】A项中放电时正极应被还原，D项中放电时正极：

2FeO42－+6e－+8H2O=2Fe（OH）3+10OH－，故溶液的碱性增强。

启示：

分析问题要先定性后定量，注意关键字词。

【变式3】镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。

已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：

Cd+2NiOOH+2H2O

Cd（OH）2+2Ni（OH）2有关该电池的说法正确的是

A．充电时阳极反应：

Ni（OH）2－e—+OH-==NiOOH+H2O

B．充电过程是化学能转化为电能的过程

C．放电时负极附近溶液的碱性不变

D．放电时电解质溶液中的OH-向正极移动

　　【解析】由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知，Ni（OH）2作阳极，电解质溶液为KOH溶液，所以阳极电极反应式为：

Ni（OH）2－e－＋OH-===NiOOH＋H2O；

Cd（OH）2作阴极，Cd（OH）2＋2e－===Cd＋2OH－；

充电的过程是将电能转化为化学能，放电时，Cd作负极，Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，Cd周围的c（OH－）下降，OH－向负极移动。

类型五：

燃料电池

399158例1】

例6．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：

2H2＋O2＝2H2O，下列有关说法正确的是

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为：

O2＋2H2O＋4e－＝4OH－

C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2

D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

【答案】D

【解析】该氢氧燃料电池的a极通入H2，故为负极，b极通入O2，为正极。

这样电子通过外电路应由a极流向b极，故A选项错误；

酸性电解质存在下，B选项中b极上的电极反应为O2+4e-+4H+=2H2O；

C选项没有说明是标准状况下；

D选项是正确的，H2在a极失电子变成H+，由固体酸电解质传递至b极。

【变式1】用二根铂丝作电极插入KOH溶液中，分别向两极通入甲烷和氧气，可作为一种燃料电池的模拟装置。

试判断下列说法正确的是（）

A．通氧气的铂极为负极B．此电池反应为CH4+2O2=CO2+2H2O

C．此电池放电时，KOH浓度减小D．此电池放电时，KOH浓度不变

【变式2】有人设计出利用CH4和O2反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。

电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应，则下列说法中正确的是（）

①每消耗lmolCH4可以向外电路提供8mole－

②负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4+10OH－－8e－==CO32－+7H2O

③负极上O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e－==4OH－

④电池放电时，溶液pH不断升高

A．①②B．①③C．①④D．③④

【解析】CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应，即CH4→CO2，严格地讲生成的CO2还与KOH溶液反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，作电池的负极，电极反应式为CH4+10OH－－8e－==CO32－+7H2O，1molCH4参加反应有8