高中化学人教版特色专题13新能源的世界原电池和电解池工作原理《讲义教师版》.docx

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高中化学人教版特色专题13新能源的世界原电池和电解池工作原理《讲义教师版》

第13讲新能源的世界—原电池和电解池工作原理

学习目标

1.  理解原电池的工作原理，能够写出电极反应式和电池反应方程式。

2.  了解半反应、盐桥、内电路、外电路等概念。

3.  会判断原电池的正、负极，能够利用氧化还原反应设计简单的原电池。

4．理解电解池的工作原理并能够利用电化学原理进行有关计算。

5．掌握电解、电镀、金属精炼、电冶金等方面的应用。

入门测

单选题

练习1.

（2021∙金安区校级模拟）25℃时，向Na2CO3溶液中滴入盐酸，混合溶液的pH与离子浓度变化的关系如图所示。

已知：

lgX=lg

或lg

，下列叙述错误的是（　）

A．曲线n表示pH与lg

的变化关系

B．当溶液呈中性时，c（Na+）=c（HCO3-）+2c（CO32-）

C．Ka1（H2CO3）=1.0×10-6.4

D．25℃时，CO32-+H2O⇌HCO3-+OH-的平衡常数为1.0×10-3.7

【答案】B

【解析】

题干解析:

A．溶液的pH越小，HCO3-和H2CO3的浓度越大，m曲线代表lg

，n曲线代表lg

，故A正确；

B．当溶液为中性时，溶液中溶质为氯化钠、碳酸氢钠和碳酸，溶液中电荷守恒为c（Na+）+c（H+）=c（OH-）+c（HCO3-）+2c（CO32-）+c（Cl-），则c（Na+）=c（HCO3-）+2c（CO32-）+c（Cl-），故B错误；

C．Ka1（H2CO3）=

，在M点lg

=1，即

=10，M点的pH=7.4，则c（H+）=10-7.4mol/L，所以Ka1（H2CO3）=10×10-7.4=1.0×10-6.4，故C正确；

D．Ka2（H2CO3）=

=10-1×10-9.3=1.0×10-10.3，25℃时，CO32-+H2O⇌HCO3-+OH-的平衡常数为Kh=

=

=1.0×10-3.7，故D正确；

练习2.

（2021春∙浙江期中）常温下，实验测得1.0mol/LNH4HCO3溶液pH=8.0．平衡时碳的分布系数（各含碳微粒的浓度占含碳各种微粒浓度之和的分数）与pH的关系如图所示。

下列说法正确的是（　）

A．常温下，Kb（NH3∙H2O）>Ka1（H2CO3）>Ka2（H2CO3）

B．pH=13时，溶液中不存在HCO3-的水解平衡

C．pH由8～11时，随着pH值的增大，

增大

D．pH=3时，有c（NH4）+c（NH3∙H2O）=c（HCO3）+c（H2CO3）+c（CO3）

【答案】

【解析】

题干解析:

A、根据越弱越水解原理，1.0mol/LNH4HCO3溶液pH=8.0，说明铵根水解程度小于碳酸氢根离子，应有Kb（NH3∙H2O）>ka（H2CO3）>Ka2（H2CO3），故A正确；

B、只要存在碳酸根离子就存在HCO3-的水解平衡，故B错误；

C、温度不变，碳酸氢根离子的电离平衡常数不变，故C错误；

D、pH=3时，NH4HCO3会与氢离子反应生成二氧化碳，所以c（NH4+）+c（NH3∙H2O）>c（HCO3-）+c（CO32-）+c（H2CO3），故D错误；

练习3.

（2021∙泸州模拟）已知Na2HPO4溶液显碱性，若向溶液中逐滴加入CaCl2溶液，有白色沉淀产生，溶液变酸性。

下列说法错误的是（　）

A．Na2HPO4溶液显碱性说明溶液中存在平衡：

HPO42-+H2O⇌H2PO4-+OH-

B．Na2HPO4溶液中离子浓度大小：

c（H2PO42-）>c（PO43-）

C．加入CaCl2溶液后变酸性的原因是：

2HPO42-+3Ca2+=Ca3（PO4）2↓+2H+

D．加入CaCl2溶液过程中c（HPO42-）和c（H2PO4-）均减小

【答案】D

【解析】

题干解析:

A．已知Na2HPO4溶液显碱性说明磷酸氢根离子水解程度大于其电离程度，Na2HPO4溶液显碱性说明溶液中存在平衡：

HPO42-+H2O⇌H2PO4-+OH-，故A正确；

B．Na2HPO4溶液显碱性说明磷酸氢根离子水解程度大于其电离程度，Na2HPO4溶液中离子浓度大小：

c（H2PO42-）>c（PO43-），故B正确；

C．加入CaCl2溶液后变酸性是钙离子结合磷酸根离子生成磷酸钙，促进磷酸氢根离子电离，溶液中氢离子浓度增大，2HPO42-+3Ca2+=Ca3（PO4）2↓+2H+溶液显酸性，故C正确；

D．钙离子结合磷酸根离子生成磷酸钙，促进磷酸氢根离子电离，水解平衡逆向进行，c（HPO42-）浓度不一定减小，故D错误；

情景导入

格林太太是位漂亮、开朗、乐观的妇女。

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令人百思不解的是，自从车祸后，格林太太经常头痛、夜间失眠、心情烦躁……医生搅尽脑汁，格林太太的病情仍未好转……

一位年轻的化学家来看望格林太太，并为格林太太揭开了病因。

化学家发现了什么？

你能为格林太太开一个药方吗？

知识集结

知识元

原电池的工作原理

知识讲解

一、原电池的工作原理

1、理清氧化还原反应的两条线索

（1）还原剂→失电子→元素化合价升高→被氧化→发生氧化反应。

（2）氧化剂→得电子→元素化合价降低→被还原→发生还原反应。

2、原电池的工作原理

原电池是将化学能转化为电能的装置，原电池内发生的反应属于氧化还原反应。

（1）正负极反应式及反应类型

原电池总反应式：

Zn＋2H＋==Zn2＋＋H2↑。

（2）电子流动方向和电流方向

①外电路：

电子由Zn电极经过导线流向铜电极，电流由铜电极流向Zn电极；

②内电路：

阳离子移向正极，阴离子移向负极。

3、原电池构成的条件

具有活动性不同的两个电极，二者直接或间接地连在一起，插入电解质溶液中，且能自发地发生氧化还原反应。

下列图示装置能形成原电池的是④⑥⑦。

二、原电池的正负极的判断

判断依据

负极

正极

电极材料

活动性较强的金属

活动性较弱的金属或能导电的非金属

电子流动方向

电子流出极

电子流入极

电解质溶液中离子定向流动的方向

阴离子移向的电极

阳离子移向的电极

电流方向

电流流入极

电流流出极

与电解质溶液能否发生反应

能自发发生氧化还原反应的金属

不能自发发生氧化还原反应的金属（非金属）

反应现象

电极溶解

电极增重或有气泡产生

例题精讲

原电池的工作原理

例1.

（2021春∙北海期末）某锂离子电池的工作原理如图所示（a极材料为金属锂和石墨的复合材料），其电池反应为Li+FePO4═LiFePO4，下列关干该电池的说法错误的是（　）

A．a极为负极

B．b极发生还原反应

C．Li+从a极室向b极室移动

D．可以用稀硫酸作电解质溶液

【答案】D

【解析】

题干解析:

A．原电池中电子馏出的电极a为负极，故A正确；

B．b为原电池的正极，发生还原反应，故B正确；

C．原电池中阳离子移向正极，Li+从a极室向b极室移动，故C正确；

D．a极为Li易与水发生反应，所以该电池中a极不能接触水溶液，不能用稀硫酸作电解质溶液，故D错误；

例2.

（2021春∙邢台期末）下列说法中正确的是（　）

A．氢氧燃料电池用KOH作电解质时，负极的电极反应式为H2-2e-═2H+

B．原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，再经电解液回到负极

C．二次电池在充、放电时均发生了氧化还原反应

D．锌锰干电池可以实现化学能向电能的转化，也能实现电能向化学能的转化

【答案】C

【解析】

题干解析:

A．通入氢气的电极是负极，电极反应式为H2-2e-+2OH-=2H2O，故A错误；

B．原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，不能通过电解液，故B错误；

C．二次电池在充电时发生的是非自发的氧化还原反应、放电时发生了自发进行的氧化还原反应，故C正确；

D．干电池是一次电池，所以不能实现电能向化学能的转化，故D错误；

例3.

（2021春∙湖南期末）科学家设计如图原理进行工业废气SO2处理的同时制备H2，下列说法正确的是（　）

A．该工作过程中只存在化学能与电能之间的转化

B．感光电极上的电极反应式为SO32-2e-+2OH-═SO42-+H2O

C．工作过程中，感光电极的电势高于石墨电极的电势

D．制备H2的过程中，OH-从右池向左池移动

【答案】B

【解析】

题干解析:

A．图中存在化学能转化为电能，还存在太阳能与化学能之间的能量转化，故A错误；

B．感光电极为原电池负极失电子发生氧化反应，电极反应式为SO32-2e-+2OH-═SO42-+H2O，故B正确；

C．工作过程中，感光电极为负极，感光电极的电势低于石墨电极的电势，故C错误；

D．原电池中阴离子移向负极，制备H2的过程中，OH-从右池向左池移动，故D错误；

例4.

（2021春∙濮阳期末）原电池的电极名称不仅与电极的性质有关，也与电解质溶液有关。

下列说法正确的是（　）

A．由Fe、Cu、FeC13溶液组成原电池，其负极电极反应式为：

Fe-2e-═Fe2+

B．由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池，其负极电极反应式为：

Mg-2e-═Mg2+

C．由Zn、Cu、稀H2SO4组成原电池，其负极电极反应式为：

Zn+2H+═Zn2++H2↑

D．电解质溶液为稀H2SO4的氢氧燃料电池，其负极电极反应式为：

H2-2e-+2OH-═2H2O

【答案】A

【解析】

题干解析:

A．该原电池中，Fe易失电子作负极，Cu作正极，负极反应式为Fe-2e-═Fe2+，故A正确；

B．该原电池中，Al易失电子作负极，Mg作正极，负极反应式为Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O，故B错误；

C．由Zn、Cu、稀H2SO4组成原电池，其负极电极反应式为：

Zn-2e-═Zn2+，故C错误；

D．燃料原电池中，氢气失电子发生氧化反应，氢气所在电极为负极，电解质溶液为稀H2SO4，电极反应式为：

H2-2e-=2H+，故D错误；

原电池的应用

知识讲解

一、原电池电极反应方程式的书写

1、一般电极反应式的书写方法

（1）定电极，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，找出得失电子的数量。

（2）看环境，配守恒。

电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。

电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。

（3）两式加，验总式。

两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。

2、已知总反应式，书写电极反应式

（1）分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。

（2）在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。

（3）根据质量守恒配平电极反应式。

（4）复杂电极反应方程式=总电极反应方程式-简单电极反应方程式。

二、原电池原理的应用

1、运用原电池原理，加快化学反应速率

如：

实验室中用Zn与稀H2SO4反应制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液。

这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成Zn与置换出的Cu、稀H2SO4构成了原电池，加快了反应的进行。

2、运用原电池原理，设计制造各种化学电源

3、运用原电池原理，对金属实行有效保护

例：

为保护轮船船体或大坝闸门的过快腐蚀，通常在船体或闸门外壳上连接一块比船体或闸门更活泼的金属，以保护船体或闸门。

4、运用原电池原理，判断金属的活动性大小

作为原电池负极的金属，金属活动性一般比作为正极的金属活动性强。

5、运用原电池原理，判断氧化还原进行的方向

例题精讲

原电池的应用

例1.

（2021春∙潮州期末）NO2、O2、熔融盐NaNO3组成的燃料电池如图所示，在使用过程中石墨I电极反应生成一种氧化物Y，下列有关说法正确的是（　）

A．石墨Ⅰ极为正极，石墨Ⅱ极为负极

B．Y的化学式可能为NO

C．石墨Ⅱ极上的O2被氧化

D．石墨Ⅰ极的电极反应式为NO2+NO3--e-═N2O5

【答案】D

【解析】

题干解析:

A、燃料电池中通氧气的为正极，通燃料的为负极，则石墨I极为负极，石墨II极为正极，故A错误；

B、NO2中氮元素的化合价为+4价，反应后化合价升高，所以Y的化学式为N2O5，故B错误；

C、石墨II极为氧气得电子发生还原反应，被还原，故C错误；

D、负极上NO2失电子生成N2O5，则石墨I极的电极反应式为NO2+NO3--e-═N2O5，故D正确；

例2.

（2021春∙商洛期末）我国成功研制出新型“海水电池”。

电池反应为4Al+3O2+6H2O═4Al（OH）3．下列关于该电池的说法不正确的是（　）

A．铝片作负极

B．海水作电解质溶液

C．电池工作时，O2失去电子

D．电池工作时实现了化学能向电能的转化

【答案】C

【解析】

题干解析:

A．由方程式可知Al被氧化，应为原电池的负极，故A正确；

B．海水中含有氯化钠等电解质，可导电，为原电池反应的电解质溶液，故B正确；

C．空气中氧气在正极发生还原反应，得电子，故C错误；

D．原电池为化学能转化为电能的装置，故D正确。

例3.

（2021春∙广安期末）选用下列试剂和电极：

稀硫酸、硫酸铁溶液、铁棒、铜棒、石墨棒，组成如图所示的原电池装置，观察到电流计G的指针均有偏转，则其可能的组合共有（　）

A．3种

B．4种

C．5种

D．6种

【答案】C

【解析】

题干解析:

该装置是原电池，根据原电池的构成条件选取电极和电解质溶液。

当电解质溶液为稀硫酸时，只有铁能作负极，则正极可以是铜，也可以是石墨棒，所以有两种组合；

当电解质溶液为硫酸铁时，负极可以是铁，则正极可以是铜，也可以是石墨棒；若负极为铜时，正极只能是石墨棒，所以有三种组合；

所以通过以上分析知，能构成原电池的组合有5种，

例4.

（2021春∙保定期末）关于如图所示装置的叙述正确的是（　）

A．Mg为正极，Fe为负极

B．工作过程中电解质溶液的pH不变

C．电流表的指针发生偏转

D．电子由镁电极经溶液流向铁电极

【答案】C

【解析】

题干解析:

A、镁比铁活泼，Mg为负极，Fe为正极，故A错误；

B、工作过程中电解质溶液中的氢离子减小，所以溶液的pH变大，故B错误；

C、装置是原电池装置，是将化学能转化为电能，所以电流表的指针发生偏转，故C正确；

D、电子由负极沿外电路流向正极，即电子由镁电极经导线流向铁电极，故D正确；

例5.

（2021春∙菏泽期末）如图是某课外活动小组设计的用化学电池使LED灯发光的装置。

下列说法错误的是（　）

A．负极反应为：

Zn-2e-═Zn2+

B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换

C．溶液中SO42-移向正极

D．铜表面有气泡生成

【答案】C

【解析】

题干解析:

A．正极发生还原反应生成氢气，负极反应为：

Zn-2e-=Zn2+，故A正确；

B．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正确；

C．溶液中阴离子移向负极，溶液中SO42-移向负极锌，故C错误；

D．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上有气泡生成，故D正确。

例6.

（2021春∙桥西区校级期中）可以将反应E+B2+=E2++B设计成原电池，下列4个电极反应：

①B-2e-=B2+

②E-2e-=E2+

③B2++2e-=B

④E2++2e-=E

其中表示负极反应和正极反应的分别是（　）

A．②和③

B．②和①

C．③和①

D．④和①

【答案】A

【解析】

题干解析:

反应E+B2+=E2++B设计成原电池，负极上发生失电子的氧化反应：

E-2e-=E2+，在正极上发生得电子的还原反应：

B2++2e-=B，

一次电池

知识讲解

 一次性电池：

即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。

  1、锌锰电池—干电池:

该电池的负极材料是锌，

  正极材料是碳棒，电解质是MnO2、NH4Cl、ZnCl2组成的糊状物。

  其电极反应式为：

  负极：

Zn-2e- == Zn2+           

  正极：

2MnO2+2NH4++2e-==Mn2O3+2NH3+H2O

  总反应式为：

  Zn+2MnO2+2 NH4+== Zn2++ Mn2O3+2NH3+H2O

 电池中MnO2的作用是将正极上NH4+还原生成的H氧化成为水，以免产生H2附在石墨

 面而增加电池内阻。

由于反应中锌筒不断消耗变薄，且有液态水生成，故电池用久后会变

 软。

 2、银锌电池—钮扣电池  该电池使用寿命较长，广泛用于电子表和电子计算机。

 其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液。

 其电极反应式为：

 负极：

Zn+2OH-2e- =ZnO+H2O          正极：

Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-

 总反应式为：

Zn+ Ag2O=ZnO+2Ag

 3、高能电池—锂电池  该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池。

由于锂的相

 原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长 

 适用于动物体内（如心脏起搏器）。

因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非

 水溶剂。

如作心脏起搏器的锂—碘电池的电极反应式为：

 负极：

2Li-2e- =2Li+                         正极：

I2+2e-=2I-     

 总反应式为：

2Li+I2=2LiI

例题精讲

一次电池

例1.

（2021∙西湖区校级模拟）有一种银锌电池，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为NaOH，其中Ag2O极电极反应式为Ag2O+H2O+2e-═2Ag+2OH-，根据上述反应式，下列说法正确的是（　）

A．使用过程中，电子由Ag2O极经外路流向Zn极

B．使用过程中，溶液中氢氧根向Ag2O电极移动

C．使用过程中，电极正极溶液的pH增大

D．使用过程中，Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应

【答案】C

【解析】

题干解析:

A．由电极反应式可知，Zn的化合价由0价升高到+2价，被氧化，为原电池的负极，则正极为Ag2O，原电池中电子从负极流向正极，即从锌经导线流向Ag2O，故A错误；

B．原电池工作时，阴离子想负极移动，故B错误；

C．正极发生Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH-，生成氢氧根离子，则pH增大，故C正确；

D．锌为负极，发生氧化反应，Ag2O为正极，发生还原反应，故D错误。

例2.

（2021春∙荔湾区校级期末）下列有关电池的叙述正确的是（　）

A．华为Mate系列手机采用的超大容量高密度电池是一种一次电池

B．原电池中的电极一定要由两种不同的金属组成

C．原电池中发生氧化反应的电极是负极

D．太阳能电池主要材料为二氧化硅

【答案】C

【解析】

题干解析:

A．华为Mate系列手机采用的超大容量高密度电池是可充可放的电池，是二次电池，故A错误；

B．原电池中的电极可能由导电的非金属和金属组成，如Zn、石墨和稀硫酸构成的原电池，故B错误；

C、原电池负极发生氧化反应，所以原电池中发生氧化反应的电极是负极，故C正确；

D．太阳能电池的主要材料为硅，光导纤维的主要材料是二氧化硅，故D错误；

例3.

（2021春∙文昌校级月考）下列关于干电池的描述错误的是（　）

A．最早的干电池是锌锰电池

B．普通干电池可以多次充电反复使用

C．普通锌锰干电池在使用过程中外壳逐渐变薄是因为：

Zn-2e-═Zn2+

D．普通干电池是一种将电能转变成化学能的装置

【答案】

【解析】

题干解析:

A．锌锰电池是最早的干电池，故A正确；

B．普通干电池是一次性电池，不像二次电池那样可以多次充电反复使用，故B错误；

C．干电池中的电解质溶液易与锌反应，消耗电解质的量和电极材料，Zn在负极失电子，逐渐溶解导致锌锰干电池在使用过程中外壳逐渐变薄，故C正确；

D．普通干电池属于原电池是化学能转化为电能的装置，故D错误。

二次电池

知识讲解

蓄电池：

可以多次反复使用，放电后可以充电复又称二次电池。

铅蓄电池：

铅蓄电池是一种常见的可充电池，在农业生产和日常生活中有广泛的应用。

该电池以Pb和PbO2作电极材料，H2SO4作电解质溶液。

其电极反应式为：

（放电时）

负极：

Pb+SO42--2e- = PbSO4         

正极：

PbO2 +4H++ SO42-+2e- = PbSO4+2H2O

（充电时）

阳极：

PbSO4＋2H2O－2e-＝PbO2＋4H+＋SO42-

阴极：

PbSO4＋2e-＝Pb＋SO42-

总反应：

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

例题精讲

二次电池

例1.

（2021∙四川模拟）用Li、石墨复合材料与Fe2O3纳米材料作电极的锂离子电池，在循环充放电过程中实现对磁性的可逆调控。

下列有关说法错误的是（　）

A．该电池的电解质溶液可以是硫酸溶液

B．放电时，总反应是6Li+Fe2O3=3Li2O+2Fe

C．充电时，阳极反应是2Fe+3Li2O-6e-=Fe2O3+6Li+

D．充放电过程中，电池可在被磁铁吸引和不吸引之间循环调控

【答案】A

【解析】

题干解析:

A．金属锂可以额酸之间反应，所以不能用硫酸做电解质，故A错误；

B．由图可知该电池充放电时的反应为：

6Li+Fe2O3

3Li2O+2Fe，故B正确；

C．充电时，阳极与正极相反，电极反应式为2Fe+3Li2O-6e-=Fe2O3+6Li+，故C正确；

D．充电时，Fe作为阳极失电子，电池逐渐摆脱磁铁吸引，放电时，电池被磁铁吸引，故D正确；

例2.

（2021∙浙江模拟）图是一种染料敏化太阳能电池的示意图，电池的一个电极由有机光敏染料（R）涂覆在TiO2纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，下列关于该电池叙述不正确的是（　）

A．染料敏化TiO2电极为电池负极，发生氧化反应

B．正极电极反应式是：

I3-+2e-═3I-

C．电池总反应是：

2R++3I-═I3-+2R

D．电池工作时将太阳能转化为电能

【答案】C

【解析】

题干解析:

A、根据图示装置可以知道染料敏化TiO2电极为电池负极，发生氧化反应R-e-=R+，故A正确；

B、正极电极发生还原反应，电极反应式是：

I3-+2e-═3I-，故B正确；

C、正极和负极反应相加可以得到总反应：

2R+I3-═3I-+2R+，故C错误；

D、太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能，故D正确。

例3.

（2021∙包头一模）某锂离子电池为可逆电池，其正极材料为钴酸锂（LiCoO2）、乙炔黑，已知它放电时电池反应方程式为Li1-xCoO2+LixC6═LiCoO2+6C．下列关于该锂离子电池的说法正确的是（　）

A．b为该电池正极

B．充电