化学基本理论原电池化学电源新型化学电源.docx

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化学基本理论原电池化学电源新型化学电源

化学基本理论

——原电池、化学电源、新型化学电源

【考情调研】电化学在高考中属于必考内容，在选择题和非选择题中均会涉及，主要以新型电池或电解池为载体，考查考生在新情境中对电化学原理的应用能力，近三年全国卷所涉及的原电池或电解池如表所示：

考点

考查情况

原电池

2019全国ⅠT12利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成;全国ⅢT13考查采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池

2018全国ⅡT12考查室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池;全国ⅢT11考查可充

电锂一空气电池

高考中的电化学命题比较关注新科技及电化学原理的实际应用，涉及的常规考点有电极名称的判断、电极反应式的书写、电子和电流方向的判断及溶液pH的变化等，今后可能会通过考查电化学的相关计算来提升试题综合性和难度。

知识点一　原电池工作原理及应用

1．概念

原电池是把化学能转化为

能的装置。

2．构成条件

反应

能自发进行的氧化还原反应（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）

电极

一般是活泼性不同的两电极（金属或石墨）

闭合

回路

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

3．工作原理（如锌铜原电池可用简图表示）

总反应离子方程式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑

（1）电极

①负极：

失去电子，发生氧化反应；

②正极：

得到电子，发生还原反应。

（2）电子定向移动方向和电流方向

①电子从负极流出经外电路流入正极；

②电流从正极流出经外电路流入负极；

故电子定向移动方向与电流方向正好相反。

（3）离子移动方向

阴离子向负极移动（如SO

），阳离子向正极移动（如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出）。

[提醒]　①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。

②无论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。

4．原电池正、负极的判断

[提醒]　原电池的正极和负极既与电极材料的性质有关，又与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。

5．单液原电池（无盐桥）和双液原电池（有盐桥）对比

名称

单液原电池

双液原电池

装置

相同点

正、负极电极反应，总反应式，电极现象

不同点

还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗

Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长

[提醒]　盐桥的作用：

使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触；平衡电荷；提高电池效率。

6．原电池原理的应用

（1）加快氧化还原反应的速率

一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液置换出的Cu能与Zn形成原电池使产生H2的反应速率加快。

（2）比较金属活动性强弱

如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性：

A

B。

（3）设计制作化学电源

实例：

根据Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag设计电池：

【即时巩固】

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）理论上说，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池（√）

（2）在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极（√）

（3）用Mg、Al分别作电极，用NaOH溶液作电解液构成的原电池，Mg为正极（√）

（4）原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动（×）

（5）一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高（√）

（6）原电池放电时，电流方向由电源的负极流向正极（×）

（7）实验室制备H2时，用粗锌（含Cu、Fe等）代替纯锌与盐酸反应效果更佳（√）

（8）由于CaO＋H2O===Ca（OH）2，可以自发进行，且放出大量的热，故可以设计成原电池（×）

2．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

实验

装置

部分实验现象

a极质量减小；b极质量增加

b极有气体产生；c极无变化

d极溶解；c极有气体产生

电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是（　　）

A．a>b>c>d　　　　　　　B．b>c>d>a

C．d>a>b>cD．a>b>d>c

解析：

选C　把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：

a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：

b>c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：

d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：

d>a。

综合所述可知活动性：

d>a>b>c。

3.利用反应Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋设计了如图所示的原电池。

回答下列问题：

（1）该原电池的负极材料是________，发生________（填“氧化”或“还原”）反应。

（2）X是____________，图中“→”表示________的方向。

（3）盐桥中的SO

移向________溶液。

答案：

（1）Cu　氧化

（2）Fe2（SO4）3（或FeCl3）溶液　电子移动

（3）CuSO4

知识点二　化学电源

1．一次电池

（1）碱性锌锰干电池

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．二次电池（可充电电池）

铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是

，正极材料是PbO2。

（1）放电时的反应

①负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）（氧化反应）。

②正极：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）（还原反应）。

③总反应：

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

（2）充电时的反应

①阴极：

PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO

（aq）（还原反应）。

②阳极：

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

（aq）（氧化反应）。

③总反应：

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

3．燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性和碱性两种。

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－

===4H2O

正极反应式

O2＋4H＋＋4e－

===2H2O

O2＋2H2O＋4e－

===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

[提醒]　①燃料电池中通入O2的一极为正极，通入可燃物的一极为负极。

②书写燃料电池的电极反应时，要注意溶液的酸碱性，介质的酸碱性对电极反应和总反应都会产生影响。

【即时巩固】

1．镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行：

Cd＋2NiO（OH）＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2，由此判断错误的是（　　）

A．放电时，Cd作负极

B．放电时，NiO（OH）作负极

C．电解质溶液为碱性溶液

D．放电时，负极反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2

解析：

选B　镉镍电池放电时，Cd作负极，电板反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2；NiO（OH）作正极，电解质溶液为KOH等碱性溶液，B项错误。

2．由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池，以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质，铝和二氧化锰石墨为两极，其电池反应为Al＋3MnO2＋3H2O===3MnO（OH）＋Al（OH）3。

下列有关该电池放电时的说法不正确的是（　　）

A．二氧化锰石墨为电池正极

B．负极反应式为Al－3e－＋3NH3·H2O===Al（OH）3＋3NH

C．OH－不断由负极向正极移动

D．每生成1molMnO（OH）转移1mol电子

解析：

选C　由电池反应方程式知，铝为电池负极，铝失去电子转化为Al（OH）3，A、B正确；阴离子移向负极，OH－应不断由正极向负极移动，C错误；由反应中锰元素价态变化知D正确。

3.银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

其工作示意图如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．Zn电极是负极

B．Ag2O电极发生还原反应

C．Zn电极的电极反应式：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

D．放电前后电解质溶液的pH保持不变

解析：

选D　由电池的总反应Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag知，Zn从0价变为＋2价，化合价升高，失去电子，故Zn电极为负极，A正确；Ag2O中Ag从＋1价变为0价，化合价降低，得到电子，发生还原反应，B正确；在碱性条件下，Zn2＋与OH－结合生成Zn（OH）2，故Zn电极的电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，C正确；根据总反应可知，反应中H2O被不断地消耗，电解质溶液中OH－浓度增大，所以放电后电解质溶液的pH增大，D错误。

[课时检测]　

1.某兴趣小组设计的简易原电池装置如图所示。

该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．锌片作正极

B．铜片上有气泡产生

C．将电能转化为化学能

D．电子由铜片经导线流向锌片

解析：

选B　根据原电池的工作原理，活泼金属作负极，锌比铜活泼，锌片作负极，A错误；铜片作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，铜片上有气泡冒出，B正确；该装置为原电池装置，是将化学能转化成电能的装置，C错误；根据原电池的工作原理，电子从负极经导线流向正极，即电子从锌片经导线流向铜片，D错误。

2．图1是铜锌原电池示意图。

图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示（　　）

A．铜棒的质量　　　　　B．c（Zn2＋）

C．c（H＋）D．c（SO

）

解析：

选C　该装置构成原电池，Zn是负极，Cu是正极。

A项，在正极Cu上溶液中的H＋获得电子变为氢气，Cu棒的质量不变，错误；B项，由于Zn是负极，不断发生反应Zn－2e－===Zn2＋，所以溶液中c（Zn2＋）增大，错误；C项，由于反应不断消耗H＋，所以溶液的c（H＋）逐渐降低，正确；D项，SO

不参加反应，其浓度不变，错误。

3．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↑

解析：

选B　①中Mg作负极；②中Al作负极；③中铜作负极；④是铁的吸氧腐蚀，Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

4．如图所示为锌铜原电池。

下列叙述中，正确的是（　　）

A．盐桥的作用是传导离子

B．外电路电子由铜片流向锌片

C．锌片上的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn

D．外电路中有0.2mol电子通过时，铜片表面质量增加约3.2g

解析：

选A　“双液”原电池中，盐桥连接左、右两个烧杯中的溶液，传导离子，起到导电作用，A正确；锌的活泼性强于铜，则锌片作负极，铜片作正极；在外电路中，电子由负极流向正极，则电子由锌片流向铜片，B错误；锌片是负极，发生失去电子的氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，C错误；铜片是正极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，外电路中通过0.2mol电子时，铜片上析出0.1molCu，其质量为0.1mol×64g·mol－1＝6.4g，D错误。

5．MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。

下列叙述错误的是（　　）

A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋

B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag

C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移

D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg（OH）2＋H2↑

解析：

选B　MgAgCl电池的电极反应：

负极Mg－2e－===Mg2＋，正极2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－，A项正确，B项错误；在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确；Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg（OH）2和H2，D项正确。

6．电子计算机所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应式：

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

下列判断正确的是（　　）

A．锌为正极，Ag2O为负极

B．锌为负极，Ag2O为正极

C．原电池工作时，将电能转化成化学能

D．原电池工作时，负极区溶液的pH增大

解析：

选B　根据化合价变化可知Zn被氧化，应为原电池的负极，则正极为Ag2O，故A错误，B正确；原电池是将化学能转化为电能的装置，故C错误；原电池工作时，负极发生反应Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，溶液的pH减小，故D错误。

7．等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积（V）与时间（t）的关系，其中正确的是（　　）

解析：

选D　a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但ZnCu稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。

8.近年，科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。

该电池包括两个涂覆着酶的电极，它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。

由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜，其工作原理如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．左边为该电池的负极

B．该电池可在高温环境下使用

C．该电池负极反应为H2－2e－===2H＋

D．该电池正极反应为O2＋4e－===2O2－

解析：

选C　由电池示意图可知，H2→H＋，是H2被氧化的过程，通入H2的一极为原电池的负极，发生反应：

H2－2e－===2H＋；O2→H2O，是O2被还原的过程，通入O2的一极为原电池的正极，发生反应：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故A、D错误，C正确；该电池包括两个涂覆着酶的电极，高温下会使酶变性，不能在高温下使用，B错误。

9．某校化学兴趣小组进行探究性活动：

将氧化还原反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，设计成带盐桥的原电池。

提供的试剂：

FeCl3溶液，KI溶液；其他用品任选。

请回答下列问题：

（1）请补充下面原电池的装置图，在括号内填上正负极的材料、电解质溶液。

（2）发生氧化反应的电极反应式为_______________________________________。

（3）反应达到平衡时，外电路导线中__________（填“有”或“无”）电流通过。

（4）平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，当固体全部溶解后，则此时该溶液中电极变为__________（填“正”或“负”）极。

解析：

（1）依据原电池原理分析，氧化还原反应中Fe3＋在正极上得电子发生还原反应，I－在负极上发生氧化反应，负极所在的电解质溶液为KI溶液，正极所在的电解质溶液为FeCl3溶液。

电极材料可选取惰性电极，如石墨或其他不活泼的金属。

（2）发生氧化反应的电极是负极，I－失电子。

（3）反应达到平衡时，从左到右和从右到左移动的电子数目相等，故无电流产生。

（4）平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2的平衡逆向移动，此时Fe2＋失电子，电极变成负极。

答案：

（1）如图

（2）2I－－2e－===I2

（3）无　（4）负

10．

（1）锌锰（ZnMnO2）干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl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ZnCl2NH4Cl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________________________________________________________________________。

（2）铅蓄电池是常用的化学电源，其电极材料分别是Pb和PbO2，电解液为硫酸。

该电池总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

①该蓄电池放电时，电解质溶液中阴离子移向________（填“正极”或“负极”）；正极附近溶液的酸性__________（填“增强”“减弱”或“不变”），负极的电极反应式为______________________。

（已知：

硫酸铅为不溶于水的白色沉淀，生成时附着在电极上）

②实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气，今若制得0.050molCl2，这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是________mol。

（3）氢氧燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于铅蓄电池。

若电解液为KOH溶液，则氢氧燃料电池的负极反应式为_________________________________。

该电池工作时，外电路每流过2mole－，消耗标准状况下氧气________L。

解析：

（1）①负极上失电子发生氧化反应，则Zn失电子为负极，电子由负极流向正极。

②电化学腐蚀较化学腐蚀更快，锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。

（2）①在铅蓄电池中，根据原电池反应式中元素化合价变化知，在Pb电极上Pb元素化合价由0价变为＋2价，发生氧化反应：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4，所以Pb作负极，PbO2作正极，电解质溶液中阴离子移向负极。

工作时，该铅蓄电池正极上PbO2得电子发生还原反应，电极反应为PbO2＋SO

＋2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，正极附近溶液的酸性减弱。

②设生成0.05molCl2需转移的电子为xmol。

2Cl－－2e－===Cl2↑

2mol　1mol

xmol　0.050mol

解得x＝0.1，

设转移0.1mole－时，消耗硫酸的物质的量为ymol，放电时，铅蓄电池的电池反应式为

PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O　转移电子

2mol　　　　　　　　　　　2mol

ymol0.1mol

y＝0.1，所以消耗硫酸的物质的量为0.1mol。

（3）燃料与氧气反应的总化学方程式为2H2＋O2===2H2O，电解质溶液呈碱性，负极上氢气失电子生成水，则负极的电极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O或2H2＋4OH－－4e－===4H2O；该电池中正极上是氧气发生得电子的还原反应，其电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，则外电路每流过2mole－，消耗氧气为0.5mol，所以消耗标准状况下氧气的体积为0.5mol×22.4L·mol－1＝11.2L。

答案：

（1）①Zn　正极　②Zn与Cu2＋反应生成Cu，Zn与Cu构成原电池，加快反应速率

（2）①负极　减弱　Pb－2e－＋SO

===PbSO4　②0.1

（3）H2－2e－＋2OH－===2H2O　11.2

新型化学电源

题型一　燃料电池

燃料电池是利用氢气、甲烷、甲醇、硼氢化物等为燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化为电能的一类原电池。

其特点一是有两个相同的多孔电极，同时两个电极不参与电极反应；二是不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内；三是能量的转化率高，燃料电池具有高能环保、电压稳定、经久耐用等优点。

因此，这类电池正成为科学研究、高考命题的重点。

其主要命题角度有燃料电池正负极的判断，电池反应式的书写，电子、离子的移动及电解质溶液的组成变化情况分析等。

[重难点拨]

燃料电池电极反应式的书写

第一步：

写出燃料电池反应的总反应式

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。

如甲烷燃料电池（电解质为NaOH溶液）的反应式为

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②

①式＋②式得燃料电池总反应式为

CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。

第二步：

写出电池的正极反应式

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：

（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，写出负极反应式

电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。

因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。

[典例]　十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。

二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．该电池放电时质子从电极b移向电极a

B．电极a附近发生的电极反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋

C．电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1

[解析]　A项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极a为负极，则该电池放电时质子从电极a移向电极b，错误；B项，电极a为负极，发生氧化反应，电极反应为SO2＋2H2O－2e－===SO

＋4H＋，硫酸应当拆为离子形式，错误；C项，酸性条件下，氧气得电子与氢离子反应生成水，电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，错误；D项，由总反应式2SO2＋O2＋2H2O===2SO

＋4H＋可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，正确。

[答案]　D

[备考方略]　新型燃料电池的分析模板

[综合训练]

1.如图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＋通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极

C．电路中流过2mol电子时，消耗11.2LO2

D．该电池的负极反应为

CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

解析：

选B　呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸