第2讲 原电池 化学电源.docx

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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.理解原电池的工作原理，能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式。

2.了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。

考点一　原电池及其工作原理

1．概念和反应本质

原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。

以铜锌原电池为例

2．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中。

　原电池正、负极判断方法

总结：

升失氧化负，降得还原正

深度思考

判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极（　　）

（2）在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强（　　）

（3）在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应（　　）

（4）其他条件均相同，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√

题组一　原电池工作原理的考查

1．下面装置中，能构成原电池的是________（填序号）。

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．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池

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．在外电路中，电子由负极流向正极

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

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↑

考点二　原电池原理的“四”个基本应用

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。

（原因：

Zn置换出的Cu与原来的稀H2SO4形成了原电池）

深度思考

1．电工经常说的一句口头禅：

“铝接铜，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，试说明原因：

______________________________________。

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．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。

请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

一思两变

1．将

（2）中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

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，请画出产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系图像。

答案　

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，但不影响生成H2的量。

题组一　判断金属的活泼性

1．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

2．有A、B、C、D四种金属，做如下实验：

①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀；②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；③将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。

据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（　　）

A．A＞B＞C＞DB．C＞D＞A＞B

C．D＞A＞B＞CD．A＞B＞D＞C

考点三　化学电源的工作原理

“高效、环境友好”的燃料电池

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．

（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

化学电源中电极反应式书写的一般步骤

“加减法”书写电极反应式

依“升失氧化负，降得还原正”

1．先确定原电池的正、负极，涉及化合价升高过程的物质列在负极上，化合价降低过程的物质列在正极上，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。

题组一　判断正、负极，书写化学电源电极反应式

1．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_____________________________________________。

2．Mg－AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为2AgCl＋Mg===Mg2＋＋2Ag＋2Cl－

试书写该电池的正、负极电极反应式。

3．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：

________________________________________________________________________。

题组二　“一池多变”的燃料电池

4．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：

_________________________________________________________。

题组三　“久考不衰”的可逆电池

5．一种碳纳米管能够吸附氢气，可作二次电池（如下图所示）的碳电极。

该电池的电解质溶液为6mol·L－1的KOH溶液。

（1）写出放电时的正、负极电极反应式。

（2）写出充电时的阴、阳极电极反应式。

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溶液分别在两个池子中，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。

题组一　根据装置明确原理

1．根据下图，下列判断中正确的是（　　）

A．烧杯a中的溶液pH降低

B．烧杯b中发生氧化反应

C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑

D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

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

题组二　平衡移动与“盐桥”作用

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．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

4．下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应“AsO

＋2I－＋2H＋AsO

＋I2＋H2O”设计成的原电池装置，其中C1、C2均为碳棒。

甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸；乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40%NaOH溶液。

下列叙述中正确的是（　　）

A．甲组操作时，电流表（A）指针不发生偏转

B．甲组操作时，溶液颜色变浅

C．乙组操作时，C2作正极

D．乙组操作时，C1上发生的电极反应为I2＋2e－===2I－

1.当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流表指针示数为零；当电流表指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。

2．电子流向的分析方法

改变条件，平衡移动；平衡移动，电子转移；

电子转移，判断区域；根据区域，判断流向；

根据流向，判断电极。

探究高考　明确考向

1．（2013·江苏，1）燃料电池能有效提高能源利用率，具有广泛的应用前景。

下列物质均可用作燃料电池的燃料，其中最环保的是（　　）

A．甲醇B．天然气C．液化石油气D．氢气

2．（2013·江苏，9）Mg－H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。

该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．Mg电极是该电池的正极

B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C．石墨电极附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正极移动

3．（2010·江苏，11）下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：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

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

各省市两年高考

1．（2014·新课标全国卷Ⅱ，12）2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。

下列叙述错误的是（　　）

A．a为电池的正极

B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C．放电时，a极锂的化合价发生变化

D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移

2．（2014·天津理综，6）已知：

锂离子电池的总反应为LixC＋Li1－xCoO2

C＋LiCoO2

锂硫电池的总反应为2Li＋S

Li2S

有关上述两种电池说法正确的是（　　）

A．锂离子电池放电时，Li＋向负极迁移

B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应

C．理论上两种电池的比能量相同

D．下图表示用锂离子电池给锂硫电池充电

3．（2014·浙江理综，11）镍氢电池（NiMH）目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。

NiMH中的M表示储氢金属或合金。

该电池在充电过程中的总反应方程式是：

Ni（OH）2＋M===NiOOH＋MH

已知：

6NiOOH＋NH3＋H2O＋OH－===6Ni（OH）2＋NO

下列说法正确的是（　　）

A．NiMH电池放电过程中，正极的电极反应式为NiOOH＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－

B．充电过程中OH－离子从阳极向阴极迁移

C．充电过程中阴极的电极反应式：

H2O＋M＋e－===MH＋OH－，H2O中的H被M还原

D．NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液

4．（2014·大纲全国卷，9）下图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池（MH—Ni电池）。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．放电时正极反应为NiOOH＋H2O＋e－―→Ni（OH）2＋OH－

B．电池的电解液可为KOH溶液

C．充电时负极反应为MH＋OH－―→H2O＋M＋e－

D．MH是一类储氢材料，其氢密度越大，电池的能量密度越高

5．（2014·福建理综，11）某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。

下列说法正确的是（　　）

A．正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－

B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D．当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

6．（2013·新课标全国卷Ⅱ，11）“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。

下列关于该电池的叙述错误的是（　　）

A．电池反应中有NaCl生成

B．电池的总反应是金属钠还原三价铝离子

C．正极反应为NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－

D．钠离子通过钠离子导体在两电极间移动

7．（2013·新课标全国卷Ⅰ，10）银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故，根据电化学原理可进行如下处理，在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去，下列说法正确的是（　　）

A．处理过程中银器一直保持恒重

B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银

C．该过程中总反应为2Al＋3Ag2S===6Ag＋Al2S3

D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl

8．（2013·安徽理综，10）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。

一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl－KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。

该电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。

下列有关说法正确的是（　　）

A．正极反应式：

Ca＋2Cl－－2e－===CaCl2

B．放电过程中，Li＋向负极移动

C．每转移0.1mol电子，理论上生成20.7gPb

D．常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转

9．（2013·高考试题组合）

（1）[2013·广东理综，33

（2）（3）]能量之间可相互转化：

电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。

设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。

限选材料：

ZnSO4（aq），FeSO4（aq），CuSO4（aq）；铜片，铁片，锌片和导线。

①完成原电池甲的装置示意图（见下图），并作相应标注，要求：

在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。

②以铜片为电极之一，CuSO4（aq）为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极__________。

③甲乙两种原电池可更有效地将化学能转化为电能的是________，其原因是____________。

④根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在上述的材料中应选__________作阳极。

（2）[2013·北京理综，26（4）]通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：

①Pt电极上发生的是________反应（填“氧化”或“还原”）

②写出NiO电极的电极反应式：

_________________________________________________。

练出高分

一、单项选择题

1．原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。

下列说法中不正确的是（　　）

A．由Al、Cu、稀H2SO4组成的原电池，负极反应式为Al－3e－===Al3＋

B．由Mg、Al、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O

C．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．由Al、Cu、浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

2．铅酸蓄电池是目前应用普遍的化学电池，新型液流式铅酸蓄电池以可溶的甲基磺酸铅为电解质，电池总反应：

Pb＋PbO2＋4H＋

2Pb2＋＋2H2O

下列有关新型液流式铅酸蓄电池的说法不正确的是（　　）

A．放电时，蓄电池由化学能转化为电能

B．充放电时，溶液的导电能力变化不大

C．放电时的负极反应式为Pb－2e－===Pb2＋

D．充电时的阳极反应式为Pb2＋＋4OH－＋2e－===PbO2＋2H2O

3．由于具有超低耗电量、寿命长的特点，LED产品越来越受人欢迎。

下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的装置。

下列有关叙述正确的是（　　）

A．a处通入氧气，b处通入氢气

B．该装置中只涉及两种形式的能量转化

C．电池正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．P－型半导体连接的是电池负极

4．某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时，该电池工作原理见下图。

下列说法正确的是（　　）

A．a为CH4，b为CO2

B．CO

向正极移动

C．此电池在常温时也能工作

D．正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

5．锂空气电池作为新一代大容量电池而备受瞩目，其工作原理如图所示。

下列有关锂空气电池的说法不正确的是（　　）

A．随着电极反应的不断进行，正极附近的电解液pH不断升高

B．若把碱性电解液换成固体氧化物电解质，则正极会因为生成Li2O而引起碳孔堵塞，不利于正极空气的吸附

C．放电时，当有22.4LO2（标准状况下）被还原时，溶液中有4molLi＋从左槽移动到右槽

D．锂空气电池又称作“锂燃料电池”，其总反应方程式为4Li＋O2===2Li2O

二、不定项选择题

6．利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示，下列说法不正确的是（　　）

A．电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极

B．为使电池持续放电，离子交换膜需选用阳离子交换膜

C．电极A极反应式为2NH3－6e－===N2＋6H＋

D．当有4.48LNO2（标准状况）被处理时，转移电子为0.8mol

7．液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小，无需气体存储装置等优点。

一种以肼（N2H4）为燃料的电池装置如图所示。

该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH作为电解质。

下列关于该燃料电池的叙述不正确的是（　　）

A．电