高考理综高三一轮高考化学复习 第6章 第2讲 原电池 化学电源.docx

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高考理综高三一轮高考化学复习第6章第2讲原电池化学电源

第2讲　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反应方程式。

2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

考点一　原电池及其工作原理

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

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沿导线流向Cu

盐桥中离子移向

盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极

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。

题组一　原电池工作原理的考查

1．下列装置中能构成原电池产生电流的是（　　）

答案　B

解析　A项，电极相同不能构成原电池；C项，酒精不是电解质溶液，不能构成原电池；D项，锌与电解质溶液不反应，无电流产生。

2．有关电化学知识的描述正确的是（　　）

A．CaO＋H2O===Ca（OH）2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能

B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu（NO3）2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液

C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成

D．理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池

答案　D

解析　CaO＋H2O===Ca（OH）2不是氧化还原反应，KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。

　规避原电池工作原理的4个易失分点

（1）只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。

（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。

（4）原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。

题组二　原电池正、负极的判断

3．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。

4．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在浓硝酸中易钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A错，C错。

②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为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　原电池的正极与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势。

考点二　原电池原理的应用

1．用于金属的防护

使被保护的金属制品作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，使锌作原电池的负极。

2．设计制作化学电源

（1）首先将氧化还原反应分成两个半反应。

（2）根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。

3．比较金属活动性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

4．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的反应速率加快。

题组训练　原电池原理的应用

1．电工经常说的一句口头禅：

“铜接铝，瞎糊弄”，所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用，说明原因：

______________________________________________________________________。

答案　铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池，加快了铝的腐蚀，易造成电路断路

2．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＋

3．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：

①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应；⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。

据此，判断五种金属的活动性顺序是

（　　）

A．A>B>C>D>EB．A>C>D>B>E

C．C>A>B>D>ED．B>D>C>A>E

答案　B

解析　金属与稀H2SO4溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成H2，电子运动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。

在题述原电池中，AB原电池，A为负极；CD原电池，C为负极；AC原电池，A为负极；BD原电池，D为负极；E先析出，E不活泼。

综上可知，金属活动性：

A>C>D>B>E。

4．把适合题意的图像填在横线上（用A、B、C、D表示）

（1）将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系是________。

（2）将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系是________

（3）将

（1）中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是________。

答案　

（1）A　

（2）B　（3）C

解析　加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，

（1）a中Zn减少，H2体积减小；

（2）中由于H2SO4定量，产生H2的体积一样多；（3）当把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液时，由于CH3COO－＋H＋CH3COOH，a中c（H＋）减少，反应速率减小，但产生H2的体积不变，所以C项正确。

　改变Zn与H＋反应速率的方法

（1）加入Cu或CuSO4，形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响Zn的量，但加入CuSO4，Zn的量减少，是否影响产生H2的量，应根据Zn、H＋的相对量多少判断。

（2）加入强碱弱酸盐，由于弱酸根与H＋反应，使c（H＋）减小，反应速率减小，但不影响产生H2的量。

考点三　化学电源

1．碱性锌锰干电池——一次电池

总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2。

2．锌银电池——一次电池

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应式：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

3．二次电池（可充电电池）

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；

③总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋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

；

③总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

4．燃料电池

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

深度思考

1．可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？

答案

2．铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正负极极板是惰性材料，请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：

（1）

放电时电解液中H2SO4的浓度将变

_______________________________________________________；

当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加________g。

（2）在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按右图连接，电解一段时间后，

则在A电极上生成________，B电极上生成____________，此时铅

蓄电池的正负极的极性将________。

答案　

（1）小　48　

（2）Pb　PbO2　对换

解析　

（1）放电时为原电池，正极为PbO2，其电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

从电池总反应式可知，随着电池放电，H2SO4不断被消耗，因此，其浓度逐渐变小；由Pb＋SO

－2e－===PbSO4可知，当外电路通过1mole－时，理论上负极板有0.5molPb变为0.5molPbSO4，即质量增加96g·mol－1×0.5mol＝48g。

（2）当完全放电耗尽PbO2和Pb时，两极均变为PbSO4，再按图中通电——电解时，A极板发生反应：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

，B极板发生反应：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

。

此时铅蓄电池的正负极的极性将对换。

3．

（1）氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH_______________________________________________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

（2）氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH______________________________________________。

（填“减小”、“增大”或“不变”）

答案　

（1）减小　减小　

（2）减小　增大

题组一　化学电源中电极反应式的书写

1．LiSOCl2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LiAlCl4SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为__________，发生的电极反应为________________________。

（2）电池正极发生的电极反应为_________________________________________。

答案　

（1）锂　Li－e－===Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑

解析　分析反应的化合价变化，可知Li失电子，被氧化，为还原剂，SOCl2得电子，被还原，为氧化剂。

（1）负极材料为Li（还原剂），Li－e－===Li＋；

（2）正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到：

2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。

2．铝空气海水电池：

以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。

电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3

负极：

______________________________________________________________；

正极：

______________________________________________________________。

答案　4Al－12e－===4Al3＋

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

化学电源中电极反应式书写的一般程序

“加减法”书写电极反应式

（1）先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。

（2）注意负极反应生成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写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，且O2生成OH－，若电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，O2生成水。

（3）正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。

若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

题组二　不同介质对燃料电池电极反应式书写的影响

3．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：

（1）酸性条件

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

____________________________________。

（2）碱性条件

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

______________________________________。

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）

燃料电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

燃料电池正极反应式：

O2＋4e－===2O2－②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

_____________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如：

熔融K2CO3）环境下

电池总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

正极电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：

____________________________________。

答案　

（1）CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

（2）CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

（3）CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

（4）CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O

燃料电池电极反应式的书写

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：

（1）酸性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

（2）碱性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）环境下电极反应式：

O2＋4e－===2O2－

（4）熔融碳酸盐（如：

熔融K2CO3）环境下电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

。

第三步：

根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式

电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：

电池的总反应式＝电池正极反应式＋电池负极反应式

故根据第一、二步写出的反应，有：

电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。

考点四　盐桥原电池的专题突破

1．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：

①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。

2．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。

深度思考

1．能用金属代替盐桥吗？

答案　不可以，在电路接通的情况下，这个盐桥只是整个回路的一部分，随时要保持电中性，琼胶作为盐桥因其中含有两种离子，可以与溶液中的离子交换，从而达到传导电流的目的，而且琼胶本身可以容纳离子在其中运动；若用金属作盐桥（已经不能叫做盐桥了），电子流向一极后不能直接从另一极得到补充，必然趋势就是向另一极释放金属阳离子或者溶液中的金属阳离子在电子流出的那一极得电子析出金属，从而降低了整个电池的电势。

所以，光有自由电子是不够的，应该有一个离子的通道即“盐桥”。

2．在有盐桥的铜锌原电池中，电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳离子相同？

如Zn极对应的是硫酸锌，能不能是氯化铜或者氯化钠？

答案　可以的，如果该溶液中溶质的阳离子对应的金属单质比电极强的话没有问题。

反正这边发生的反应只是Zn的溶解而已。

但是如果比电极弱的话，例如硫酸铜，锌就会置换出铜，在表面形成原电池，减少供电量。

使用盐桥就是为了避免这种情况，至于电解液要跟电极相同那只是一个做题的技巧，具体问题具体分析就行。

题组一　有关原电池原理的考查

1．某原电池构造如下图所示。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．在外电路中，电子由银电极流向铜电极

B．取出盐桥后，电流表的指针仍发生偏转

C．外电路中每通过0.1mol电子，铜的质量理论上减小6.4g

D．原电池的总反应式为Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu（NO3）2

答案　D

解析　Cu作负极，Ag作正极，电极反应式分别为

负极：

Cu－2e－===Cu2＋

正极：

2Ag＋＋2e－===2Ag

总反应式：

Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu（NO3）2，D正确。

2．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，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓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

铜球增重，铁球质量减轻，杠杆A低B高。

题组二　可逆反应与原电池的工作原理

3．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。

下列判断不正确的是（　　）

A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原

C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

答案　D

解析　由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流计读数为零时Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2

Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

4．已知在酸性条件下发生的反应为AsO

＋2I－＋2H＋===AsO

＋I2＋H2O，在碱性条件下发生的反应为AsO

＋I2＋2OH－===AsO

＋H2O＋2I－。

设计如图装置（C1、C2均为石墨电极），分别进行下述操作：

Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸

Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液

结果发现电流表指针均发生偏转。

试回答下列问题：

（1）两次操作中指针为什么发生偏转？

（2）两次操作过程中指针偏转方向为什么相反？

试用化学平衡移动原理解释之。

（3）操作Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为___________________________________；

（4）操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为___________________________________。

（5）操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向______烧杯溶液（填“A”或“B”）。

答案　

（1）两次操作中均能形成原电池，化学能转变成电能。

（2）（Ⅰ）加酸，c（H＋）增大，AsO

得电子，I－失电子，所以C1极是负极，C2极是正极。

（Ⅱ）加碱，c（OH－）增大，AsO

失电子，I2得电子，此时，C1极是正极，C2极是负极。

故发生不同方向的反应，电子转移方向不同，即电流表指针偏转方向不同。

（3）2I－－2e－===I2

（4）AsO

＋2OH－－2e－===AsO

＋H2O

（5）A

解析　由于酸性条件下发生反应AsO

＋2I－＋2H＋===AsO

＋I2＋H2O，碱性条件下发生反应AsO

＋I2＋2OH－===AsO

＋H2O＋2I－都是氧化还原反应。

而且满足构成原电池的三大要素：

①不同环境中的两电极（连接）；②电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）；③形成闭合回路。

当加酸时，c（H＋）增大，C1：

2I－－2e－===I2，这是负极；C2：

AsO

＋2H＋＋2e－===AsO

＋H2O，这是正极。

当加碱时，c（OH－）增大，C1：

I2＋2e－===2I－，这是正极；C