第22讲原电池 化学电源.docx

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第22讲原电池化学电源

化学能与电能的转化

新课标要求

考纲要求

1、举例说明化学能和电能的转化关系，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。

体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池总反应方程式。

2、认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

3、通过查阅资料了解常见化学电源的种类及其工作原理，

4、能解释金属发生电化学腐蚀的原因，认识金属腐蚀的危害，通过实验探究防止金属腐蚀的措施。

1、了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。

了解常见化学电源的种类及其工作原理。

2、理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。

【考情分析】

近几年的高考中，电化学问题一直是常考常新，稳中有变的热点，常以选择题居多，也有以填空或简答的形式出现在非选择题中，既可以将无机、有机化合物知识、电解质溶液、能量变化、实验设计、化学计算等知识进行学科内综合，也可以与生产生活新科技及新技术等问题相联系，是一个不可忽视的知识点。

它在考试中常出现的考点包括五判断、二写、一比较和三解释。

五判断是：

判断池类型、判断电极、判断微粒（电子、离子）移动方向、判断电极上的反应物和产物、判断电极附近或整个溶液的酸碱性变化；二写是：

电极反应式和总反应方程式；一比较是：

比较原电池与电解池原理的异同；三解释是：

利用电化学知识解释电化学腐蚀、电化学防护和某些反应速率加快的原因。

【学法指导】

根据电化学知识的特点，复习时要注意以下几个方面：

1、加强联系，建构网络：

电化学与高中化学中许多主干知识有着必要的联系，如氧化还原反应原理、金属活动性顺序、有关物质的量计算、化学反应的能量变化。

复习时要着眼于整个所涉及的知识，找到知识的内在联系，使之系统化，网络化，并在知识、能力、题型之间寻找有关规律。

2、明确原理，善于比较：

电化学从根本上金分为原电池和电解池，但在高考命题中常常由此衍生出较复杂的电化学池，且二者有时又相互牵连。

复习时应以本质为依据，通过不同点的横向比较，弄清每个池的联系和不同。

3、重视知识迁移，灵活解题：

由于本部分所涉及的知识面很广，复习时既要形成扎实的基础知识与基本技能，又要有意识地培养灵活应用已有知识和新的信息解决实际问题的能力，要注意各种思维方法的灵活应用，例如在分析原电池的构成要素时，往往需要逆向思维，通过具体的电极现象、电子（或离子）流向等反推电池的正负极等。

原电池化学电源

【高考重点】

（1）原电池原理；

（2）电极反应的书写；（3）新型化学电源分析。

在复习时注重从原电池原理角度分析新型化学电源，以“负极氧化正还原”原则从理论上进行分析。

【对接高考——高考命题常设误区汇总】

设误选项摘录

设误角度诊断

1.在Mg－Al－NaOH溶液组成的原电池中，因Mg比Al活泼，故Mg作负极

判断原电池的正、负极时，不能只注意两电极的组成，还要注意电解质的成分

2.铜锌原电池工作时，在外电路，电子从正极流向负极

原电池工作过程中，电解质溶液中阳离子的移动方向与电流方向一致，阴离子的移动方向与电子流动方向一致，但与电流方向相反

3.铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应

电极名称与电极上发生反应的类型不对应

4.铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2mol电子时，消耗的H2SO4为0.1mol

解答有关原电池的计算题时，不能灵活利用电子守恒法或关系式法而导致错误

5.以KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池中，负极的电极反应式为H2－2e－===2H＋

书写燃料电池的电极反应式时，不能忽视电解质溶液的酸碱性

【知识网络】

【基础知识】

一、原电池

1、定义:

。

【例1】判断下列装置能否构成原电池，若能请写出电极反应式和总反应式，并描述现象

2、构成原电池的条件

（1）

（2）

（3）

（4）

3、原电池的工作原理

电子经导线流向正极

氧化反应还原反应

失电子ZnCu得电子

锌溶解SO42－铜极不变

Zn－2e－=Zn2+阴离子向负极移动；阳离子向正极移动2H++2e－=H2↑

注意：

盐桥是将热的琼脂倒入U形管中（不能产生裂隙），将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液中或NH4NO3饱和溶液中制得。

离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两个隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。

装置①：

正极：

负极：

总反应：

装置②：

正极：

负极：

总反应：

【说明】装置②的优点是：

装置②中盐桥（通常是装有饱和的KCl溶液或KNO3等和琼脂制成的胶冻）的作用：

4、原电池的两极

负极：

活泼性的，电子，发生反应

正极：

活泼性的，电子，发生反应

5、原电池正负极的判断方法：

（1）根据电极材料判断：

相对活泼的电极作，相对不活泼的电极作

（2）根据电子和电流流动方向来判断：

电子

电流

（3）根据电解质溶液中的阴阳离子迁移方向判断：

（4）根据电极反应类型判断：

（5）根据现象判断：

负极

正极

2、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

一般电池中的负极能够与电解质溶液反应，因此负极一般是活泼的金属材料。

正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极一般不能用同一种材料。

两个电极的构成分为以下四种情况：

①活动性不同的两种金属。

例如，锌铜原电池中，锌板作原电池的负极，铜板作原电池的正极。

②金属和非金属。

例如，锌锰干电池中，锌片作原电池的负极，石墨棒作原电池的正极。

③金属和化合物。

例如，铅蓄电池中，铅板作原电池的负极，二氧化铅作原电池的正极。

④惰性电极。

例如，氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。

（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。

【例1】请根据：

Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl3设计原电池，并画出装置图，写出电极反应式

【例2】依据氧化还原反应：

2Ag＋＋Cu＝Cu2＋＋2Ag设计的原电池如图所示。

⑴电极X的材料是；电解质溶液Y是；

⑵银电极为极，电极反应为；X电极上的电极反应为；

⑶外电路中的电子是从电极流向电极。

三、原电池电极反应式的书写

【例1】请指出下列原电池的正负极，并写出电极反应式和总反应式

（1）Mg—Al—HCl溶液

（2）Mg—Al—NaOH溶液

（3）Fe—Cu—稀硝酸（4）Fe—Cu—浓硝酸

【例2】氢氧燃料电池

（1）介质为溶液

酸性溶液

（如稀H2SO4）

总反应：

pH

负极：

pH

正极：

pH

碱性溶液

（如KOH溶液）

总反应：

pH

负极：

pH

正极：

pH

（2）介质为

熔融的固体

电解质

总反应

负极

正极

【例3】甲烷燃料电池

以稀H2SO4

作电解质

电池总反应：

负极：

正极：

以KOH溶液作电解质

电池总反应：

负极：

正极：

【总结】1、电极反应方程式的书写方法思路

2、电极反应式的书写注意事项：

（1）、一定要切记：

负极电子，不能把正负极得失电子弄颠倒了！

（2）、注意遵循质量守恒、电荷守恒、得失电子守恒（若只写某一极时，电子可以不守恒）

（3）、注意遵循大量共存原理：

①正极的产物、负极的产物以及总反应的产物与电解质一定要大量共存：

如Al|NaOH溶液|Mg中的负极电极反应式为：

甲醇碱性燃料电池中的总反应式为：

②碱性溶液中：

反应物、生成物中无，酸性溶液中：

反应物、生成物中均无

如氢氧燃料电池碱性环境中，负极反应式为

（4）、燃料电池中O2一极的电极反应式：

【注意】溶液中不存在O2－，只有在固体电解质中才会有O2-：

熔融的固体电解质中：

酸性溶液中：

碱性或中性溶液中：

（5）、书写的技巧：

①加减法：

“正极”+“负极”=“总反应”（注意：

相加前，正负极的电子要守恒）

“总反应的离子方程式”—“较简单的一极电极反应式”=“另一极电极反应式”

②抓住变价元素的化合价，先将氧化剂、还原产物、得电子数或还原剂、氧化产物、失

电子固定好，再利用大量共存原理，补充H+、OH-或H2O，再使电荷和质量守恒

实用电池一般具有以下的特点：

（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。

四、常见的化学电源：

一次电池又称、二次电池、燃料电池

1、干电池——不可充电电池

①普通锌锰干电池

总反应式：

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

正极材料：

石墨棒负极材料：

锌

电解质：

NH4Cl、MnO2等糊状物

电极反应式：

负极，正极

②锌-锰碱性干电池：

具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用

【例1】锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，总反应Zn（s）+2MnO2（s）+H2O（l）=

Zn（OH）2（s）+Mn2O3（s），下列说法错误的是（）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

C．电池正极的电极反应式为：

2MnO2（s）+H2O

（1）+2e-==Mn2O3（s）+2OH-（aq）

D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

2、二次电池——可充电电池

（1）铅蓄电池总反应式为：

Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O

①、放电时：

负极（）

正极（）

②、充电时：

阳极

阴极

【提醒】放电时负极电极反应式的逆反应就是充电时阴极的电极反应式，

同理，放电时正极反应式的逆反应就是充电时阳极的电极反应式

（2）、银锌纽扣电池总反应式为：

Zn＋Ag2O＋H2O

ZnOH2＋2Ag

放电时：

负极，正极

充电时：

阳极，阴极

若总反应为：

Zn+Ag2O

ZnO+2Ag时：

放电时：

负极，正极

3、燃料电池：

①将燃料和氧化剂中的能直接、连续地转化为能的发电装置；

②燃料作极，O2作极；如氢氧燃料电池、甲醇燃料电池、铝海水空气燃料电池

③与其它电池最大的不同点：

【例】铝—海水空气电池负极材料：

铝；正极材料：

石墨、铂网等能导电的惰性材料

负极电极反应式：

，正极电极反应式：

总反应式为：

【说明】铝板要及时更换,铂做成网状是为了

五、原电池PH值的变化和简单计算

1．在原电池工作时，由于失去电子进入电解溶液，正极附近的阳离子得到电子从溶液中析出,可能会引起溶液PH值的变化。

（1）当负极产生的金属离子结合溶液中的ＯH－时,电极附近的溶液PH值。

当正极O2得电子时结合溶液中的水时，生成OH－使溶液中的PH值增大。

（2）电池工作时整个溶液PH值的变化必须从总反应式来分析。

当电解液中酸被消耗时，溶液PH值增大，当电解质溶液中碱被消耗时，溶液PH值减小。

2．原电池的有关计算

电子守恒法是依据氧化剂与还原剂相等这一原则进行计算的。

电子守恒法是氧化还原计算的最基本的方法。

计算时可由电极反应式中的氧化剂（或还原剂）与失去的电子（或得电子）之间的关系进行计算。

例：

（1）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计。

锌片上发生的电极反应：

___________________；银片上发生的电极反应：

_____________。

（2）若该电池中两电极的总质量为60g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47g，试计算：

产生氢气的体积（标准状况）；

通过导线的电量。

（已知NA=6.02×1023/mol，电子电荷为1.60×10－19C）

六、原电池的应用

1、制造化学电源

2、加快氧化还原反应的速率，如实验室制氢气：

3、比较金属的活泼性：

通常原电池负极金属的活泼性正极金属的活泼性

4、防止金属被腐蚀：

被防护的金属作为原电池的极——

【近五年新课标考查情况】

1、（2014·新课标理综II）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，溶液中的Li+从b向a迁移

2、（2014·全国大纲）右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－→M＋H2O＋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

3、（2013年新课标理综Ⅰ））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

4、（2013年新课标理综II）“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

5、（2012·全国大纲）①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池，①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极，②④相连时，②有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少，据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（）

A①③②④B①③④②C③④②①D③①②④

6、（2011新课标全国Ⅰ）铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：

Fe+Ni2O3+3H2O===Fe（OH）2+2Ni（OH）2，下列有关该电池的说法不正确的是（）

A.电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe

B.电池放电时，负极反应为Fe+2OH－－2e－===Fe（OH）2

C.电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低

D.电池充电时，阳极反应为2Ni（OH）2+2OH－－2e－===Ni2O3+3H2O

7、（2012·新课标全国卷）（4）]与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应为______________，该电池总反应的离子方程式为______________________________________________________________。

8、（2013·新课标卷I）锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。

某锂离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO2），导电剂乙炔黑和铝箔等。

充电时，该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi++xe-=LixC6。

（5）充放电过程中发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化，写出放电时电池反应方程式

（6）上述工艺中“放电处理”有利于锂在正极的回收。

其原因是

9、（2013·新课标卷I）二甲醚直接燃料电池具有启动快，效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃烧燃料电池（5.93kW·h·kg-1），若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为

一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生___________个电子的电量；该电池理论输出电压1.20V，能量密度E=（列式计算，能量密度=电池输出电能/燃料质量，1kW·h=3.6×106J）

【2014年高考试题汇编】

1．（2014·浙江）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+NO2－，下列说法正确的是（）

A．NiMH电池放电过程中，正极电极反应式为：

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

2．（2014·天津理综）已知：

锂离子电池的总反应为LixC＋Li1－xCoO2C＋LiCoO2，

锂硫电池的总反应2Li＋SLi2S，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·上海单科）如右图，将铁棒和石墨棒插入盛有饱和NaCl溶液的U型管中，下列分析正确的是（）

A．K1闭合，铁棒上发生的反应为2H＋+2e→H2↑

B．K1闭合，石墨棒周围溶液pH逐渐升高

C．K2闭合，铁棒不会被腐蚀，属于牺牲阳极的阴极保护法

D．K2闭合，电路中通过0.002NA个电子时，两极共产生

0.001mol气体

4．（2014·海南单科）下列有关叙述正确的是（双选）（）

A．碱性锌锰电池中，MnO2是催化剂

B．银锌纽扣电池工作时，Ag2O被还原为Ag

C．放电时，铅酸蓄电池中硫酸浓度不断增大

D．电镀时，待镀的金属制品表面发生还

原反应

5．（2014·广东理综）某同学组装了图4所示的电化学装置，电极ⅠAl，其它均为Cu，则（）

A．电流方向：

电极Ⅳ→A→电极Ⅰ

B．电极Ⅰ发生还原反应C．电极Ⅱ逐渐溶解

D．电极Ⅲ的电极反应：

Cu2++2e- = Cu 

6．（2014·福建理综）某原电池装置如右图所示，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

7．（2014·海南单科）锂锰电池的体积小，性能优良，是常用的一次电池。

该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。

回答下列问题：

（1）外电路的电流方向是由____极流向____极。

（填字母）

（2）电池正极反应式为________________________。

（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？

__________（填“是”或“否”）原因是

（4）MnO2可与KOH和KClO3在高温条件下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为，K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物质的量之比为______________。

8．（2014·重庆理综）氢能是最重要的新能源。

储氢作为氢能利用的关键技术，是当前关注的热点之一。

（4）一定条件下，题11图所示装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其它有机物）。

①导线中电子转移方向为。

（用A、D表示）

②生成目标产物的电极反应式为。

③该储氢装置的电流效率η＝。

（η＝生成目标产物消耗的电子数/转移的电子总数×100%，计算结果保留小数点后1位。

）

【2013年全国高考试题汇编】

1．（2013·海南化学）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-。

有关该电池的说法正确的是（）

A．Mg为电池的正极B．负极反应为AgCl+e-=Ag+Cl-

C．不能被KCl溶液激活D．可用于海上应急照明供电

2．回答下列问题：

（1）普通锌锰电池放电时发生的主要反应为：

Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn（NH3）2Cl2+2MnOOH

该电池中，负极材料主要是______，电解质的主要成分是______，正极发生的主要反

应是。

【2012年全国高考试题汇编】

1.（2012·四川理综）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－+H2O=CH3COOH+4H＋。

下列有关说法正确的是（）

A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动

B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气

C．电池反应的化学方程式为：

CH3CHO+O2=CH3COOH+H2O

D．正极上发生的反应是：

O2+4e－+2H2O=4OH－

2．（2012·安徽理综）某兴趣小组设计如下微型实验装置。

实验时，先断开K2，闭合K1，两极均有气泡产生：

一段时

间后，断开K1，闭合K2，发现电流表A指针偏转。

下列有

关描述正确的是（　）

A．断开K2，闭合K1时，总反应的离子方程式为：

2H++2Cl-

Cl2↑+H2↑

B．断开K2，闭合K1时，石墨电极附近溶液变红

C．断开K1，闭合K2时，铜电极上的电极反应式为：

Cl2+2e-=2Cl-

D．断开K1，闭合K2时，石墨电极作正极

3．（2012·海南）肼一空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的反应式为。

4.（2012·广东理综）碘也可用作心脏起搏器电源—锂碘电池的材料。

该电池反应为：

2Li（s）+I2（s）=2LiI（s）△H

已知：

4Li（s）+O2（g）=2Li2O（s）△H1

4LiI（s）+O2（g）=2I2（s）+2Li2O（s）△H2

则电池反应的△H=_______________；碘电极作为该电池的___________极。

5.（2012·天津理综）熔融状态下，Na和FeCl2能组成可充电电池（装置示意图如下），反应原理为：

（Z：

Na，G：

Cl）2Na+FeCl2

F