届高考化学总复习第6章化学反应与能量变化第2讲原电池化学电源配套练习新人教版.docx

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届高考化学总复习第6章化学反应与能量变化第2讲原电池化学电源配套练习新人教版

第2讲　原电池　化学电源

【2019·备考】

最新考纲：

1.理解原电池的构成、工作原理及应用。

2.能书写电极反应和总反应方程式。

3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

考点一　原电池的工作原理及其应用

（频数：

★★☆　难度：

★☆☆）

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。

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。

3．工作原理

以锌铜原电池为例

（1）反应原理

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片沿导线流向Cu片

自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与溶解的氧气等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。

4．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，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。

（2）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。

（3）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。

1．（RJ必修2·P42“实践活动”改编）如图所示是一位同学在测试水果电池，下列有关说法错误的是（　　）

A．若金属片A是正极，则该金属片上会产生H2

B．水果电池的化学能转化为电能

C．此水果发电的原理是电磁感应

D．金属片A、B可以一个是铜片，另一个是铁片

答案　C

2．（溯源题）（2016·上海化学，8）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________。

①铜棒的质量　②c（Zn2＋）　③c（H＋）　④c（SO

）

答案　③

探源：

本考题源于教材RJ选修4P71“图41锌铜原电池装置”，对原电池的工作原理进行了考查。

题组一　原电池基础

1．基础知识判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（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）在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生（　　）

（5）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（　　）

（6）在内电路中，电子由正极流向负极（　　）

（7）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（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×　（7）×

2．课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。

下列结论错误的是（　　）

A．原电池是将化学能转化成电能的装置

B．原电池由电极、电解质溶液和导线等组成

C．图中电极a为铝条、电极b为锌片时，导线中会产生电流

D．图中电极a为锌片、电极b为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片

解析　D项，电极a为负极，电子由负极（锌片）流出。

答案　D

【反思归纳】

规避原电池工作原理的3个失分点

（1）原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。

（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。

题组二　原电池原理的应用

3．用a、b、c、d四种金属按表中所示的装置进行实验，下列叙述中正确的是（　　）

甲

乙

丙

实验

装置

现象

a不断溶解

c的质量增加

a上有气泡产生

A.装置甲中的b金属是原电池的负极

B．装置乙中的c金属是原电池的阴极

C．装置丙中的d金属是原电池的正极

D．四种金属的活泼性顺序：

d>a>b>c

解析　甲中a溶解说明a是负极，活泼性a>b，A错误；原电池用正极或负极命名电极，B错误，由乙中现象知活泼性b>c；丙中d是负极，活泼性d>a，C错误；综上可知D正确。

答案　D

4．某学校研究性学习小组欲以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。

（1）给你一只电流表，请你画出该原电池的示意图，并标出正负极。

（2）一段时间后，铝片发生的电极反应式是______________________________

________________________________________________________________；

镁条表面只有极少量的气泡产生，则镁电极产生的主要反应的电极反应式为____________________________________________________________。

解析　铝能够与NaOH溶液反应，所以作原电池的负极，而镁与NaOH溶液不反应，故作原电池的正极。

答案　

（1）如图所示

（2）Al＋4OH－－3e－===AlO

＋2H2O

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

【规律总结】

原电池设计程序

在设计原电池装置时，首先要书写出总氧化还原反应的离子方程式，确定原电池的正、负极，再把总反应的离子方程式拆写成氧化反应（负极反应）和还原反应（正极反应）。

热点说明：

相对于常规原电池，盐桥原电池能减少副反应，提高电池的供电效率。

一些原电池装置考查题，常带有盐桥，正确理解盐桥作用，注意盐桥中的离子移向是解题关键。

1．盐桥的构成

盐桥里的物质一般是强电解质而且不与两池中电解质反应，教材中常使用装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管，离子可以在其中自由移动，这样溶液是不致流出来的。

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。

3．单池原电池和盐桥原电池的对比

图1和图2两装置的比较

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

[模型解题]

　盐桥原电池装置分析

1．一定条件下，实验室利用如图所示装置，通过测电压求算Ksp（AgCl）。

工作一段时间后，两电极质量均增大。

下列说法正确的是（　　）

A．右池中的银电极作负极

B．正极反应为Ag－e－===Ag＋

C．总反应为Ag＋＋Cl－===AgCl↓

D．盐桥中的NO

向右池方向移动

解析　若“右池中的银电极作负极”，Ag失去电子被氧化为Ag＋：

Ag－e－===

Ag＋，电极质量减轻，不符合题干中的信息“两电极质量均增大”，A项错误。

该装置图很容易让考生联想到盐桥电池，抓住“两电极质量均增大”判断，若左池Ag失去电子被氧化为Ag＋，Ag＋再结合溶液中的Cl－生成AgCl：

Ag－e－＋Cl－===AgCl，即左池的银失去电子作负极；此时右池电解质溶液中的Ag＋在银电极表面得到电子被还原为Ag：

Ag＋＋e－===Ag，即右池的银电极为正极；两个电极反应式相加得到总反应：

Ag＋＋Cl－===AgCl↓；综上所述，B项错误，C项正确。

根据“阴阳相吸”可判断盐桥中的NO

向负极方向（即左池）移动，D项错误。

答案　C

2．事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是________（填序号，下同）。

a．C（s）＋H2O（g）===CO（g）＋H2（g）　ΔH>0

b．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）　ΔH<0

c．NaOH（aq）＋HCl（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l）　ΔH<0

若以KOH溶液为电解质溶液，依据所选反应设计一个原电池，其正极的电极反应为____________________________________________________________。

某同学用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂－KNO3的U形管）设计成一个原电池，如图所示，下列判断中正确的是________。

a．实验过程中，左侧烧杯中NO

浓度不变

b．实验过程中取出盐桥，原电池能继续工作

c．若开始时用U形铜代替盐桥，装置中无电流产生

d．若开始时用U形铜代替盐桥，U形铜的质量不变

解析　根据题中信息，设计成原电池的反应通常是放热反应，排除a，根据已学知识，原电池反应必是自发进行的氧化还原反应，排除c。

原电池正极发生还原反应，由于是碱性介质，则电极反应中不应出现H＋，故正极的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

该原电池的工作原理是Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋，盐桥起形成闭合回路和平衡电荷的作用，因此当电池工作时，盐桥中的NO

向负极移动，因此左侧烧杯中NO

的浓度将增大，a错误。

当取出盐桥，不能形成闭合回路，电池处于断路状态，不能继续工作，b错误。

若开始时用U形铜代替盐桥，则左侧烧杯相当于电解装置，而右侧烧杯相当于原电池装置，电极反应从左往右依次为阳极：

Cu－2e－===Cu2＋，阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu，负极：

Cu－2e－===Cu2＋，正极Ag＋＋e－===Ag，由此可知c错误、d正确。

答案　b　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　d

　可逆反应中的“盐桥”

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

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；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；D项，在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－

2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

答案　D

4．（原创题）已知反应AsO

＋2I－＋2H＋

AsO

＋I2＋H2O是可逆反应。

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）两次操作过程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Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向________烧杯溶液（填“A”或“B”）。

（4）Ⅰ操作过程中，C1棒上发生的反应为___________________________。

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，平衡向正反应方向移动，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，平衡向逆反应方向移动，AsO

失电子，I2得电子，此时，C1极是正极，C2极是负极。

故化学平衡向不同方向移动，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）A　（4）2I－－2e－===I2

考点二　化学电源

（频数：

★★★　难度：

★★★）

1．一次电池

（1）碱性锌锰干电池（图一）

图一

负极材料：

Zn

电极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极材料：

碳棒

电极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2

（2）锌银电池（图二）

图二

负极材料：

Zn

电极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极材料：

Ag2O

电极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag

2．二次电池

铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

3．燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种：

种类

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池反应式

2H2＋O2===2H2O

探源：

书写燃料电池的电极反应时，要注意溶液的酸碱性，介质的酸碱性对半反应及总反应书写的影响。

1．教材知识思考（RJ选修4P78“科学视野”微型燃料电池）

微型燃料电池是采用甲醇（质子交换膜）取代氢作燃料设计而成的，性能良好，有望取代传统电池，说出此微型燃料电池的优点，并写出电池的负极反应。

提示　优点①电池设计简单；

②和传统充电电池比电池的能量密度高。

负极反应：

CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋

2．（RJ选修4·P783改编）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

答案　B

3．（溯源题）（2017·课标全国Ⅲ，11）全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：

16Li＋xS8===8Li2Sx（2≤x≤8）。

判断下列说法是否正确

（1）电池工作时，正极可发生反应：

2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4（　　）

（2）电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14g（　　）

（3）石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性（　　）

（4）电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）√　（4）×

探源：

本考题源于RJ选修4P76“二次电池”及其知识拓展，对常见及新型电源的工作原理及电极反应进行了考查。

题组　教材常见传统电池的分析判断与拓展

1．铅蓄电池的工作原理为：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，研读下图，下列判断正确的是（　　）

A．K闭合时，d电极的电极反应式：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

B．当电路中通过0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2mol

C．K闭合时，Ⅱ中SO

向c电极迁移

D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为负极

解析　根据图示，K闭合时，Ⅰ为原电池，a为正极，b为负极，Ⅱ为电解池，c为阴极，d为阳极。

d为阳极，发生氧化反应：

PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋

4H＋＋SO

，A项错误；根据铅蓄电池的总反应知，电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗0.2molH2SO4，B项正确；K闭合时，Ⅱ中SO

向阳极（d极）迁移，C项错误；K闭合一段时间后，c电极析出Pb，d电极析出PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，此时可以形成铅蓄电池，d电极作正极，D项错误。

答案　B

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　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，C错误；由反应中锰元素价态变化知D正确。

答案　C

3．电池在现代社会中具有极其广泛的应用。

（1）银锌蓄电池是人造卫星所使用的高能电池之一，其放电时的反应是Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag。

则该电池的负极材料是________，放电时正极的电极反应式为______________________________________________________________，

放电时负极区的pH________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（2）某氢氧燃料电池用固体金属化合物陶瓷作电解质（可电离出金属离子和O2－），两极上发生的反应为A极：

2H2＋2O2－－4e－===2H2O；B极：

_____________。

电子流动的方向是________；假设该燃料电池工作时，每生成1molH2O（l）时产生的最大电能为240kJ，则该电池的能量转化效率为________（H2的燃烧热为285kJ·mol－1，最大电能与所能释放出的全部热量之比）。

解析　

（1）由总反应式知锌是负极，电极反应为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，故负极区的pH减小。

（2）该燃料电池中，因A极上发生的是失去电子的反应，故B极上是氧气得到电子变成O2－的反应，工作过程中A极失去电子而B极得到电子。

能量转化效率为

×100%＝84.2%。

答案　

（1）锌　Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－　减小　

（2）O2＋4e－===2O2－　由A极流向B极　84.2%

热点说明：

随着全球能源逐渐枯竭，研发、推广新型能源迫在眉睫，因此，化学中的新型电源，成为科学家研究的重点方向之一，也成了高考的高频考点。

高考中的新型化学电源，一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量（单位质量释放的能量）高等特点。

由于该类试题题材广、信息新、陌生度大，因此许多考生感觉难度大。

但应用的解题原理仍然还是原电池的基础知识，只要细心分析，实际上得分相对比较容易。

1．新型燃料电池（FuelCell）

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

其特点是：

（1）有两个相同的多孔电极，同时电极不参与反应（掺杂适当的催化剂）。

（2）不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内。

（3）能量转换率较高，超过80%（普通燃烧能量转换率30%多）。

【解题模板】

2．可充电电池

对于一般的电池而言，充电电池具有一定的可逆性，在放电时，它是原电池装置；在充电时，它是电解过程，是一种经济、环保、电量足、适合大功率、长时间使用的电器。

【模型示例】　镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，镁电池放电时电压高且平稳，因此成为人们研制绿色电池所关注的重点。

有一种镁二次电池的反应为xMg＋Mo3S4

MgxMo3S4。

下列说法错误的是（　　）

A．放电时Mg2＋向正极移动

B．放电时正极的电极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S

C．放电时Mo3S4发生氧化反应

D．充电时阴极的电极反应为xMg2＋＋2xe－===xMg

【解题模板】

答案　C

3．电极反应式书写与判断的三个步骤

步骤一：

负极失去电子发生氧化反应；正极上，溶液中阳离子（或氧化性强的离子）得到电子，发生还原反应，充电时则正好相反。

步骤二：

两电极转移电子数守恒，符合正极反应加负极反应等于电池反应的原则；

步骤三：

注意电极产物是否与电解质溶液反应，若反应，一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生的反应合并。

[模型解题]

　“常考不衰”的燃料电池

1．科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。

质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．电极a为电池的负极

B．电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．电路中每流过4mol电子，在正极消耗44.8LH2S

D．每17gH2S参与反应，有1molH＋经质子膜进入正极区

解析　电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，则电极a为电池的负极，A项正确；电极b上O2转化为H2O，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，B项正确；负极反应式为2H2S－4e－===S2＋4H＋，电路中每流过4mol电子，在负极消耗2molH2S，而不是正极，且题中未指明H2S所处的状态，C项错误；根据2H2S－4e－===S2＋4H＋知，17g（0.5mol）H2S参与反应，生成1molH＋经质子膜进入正极区，D项正确。

答案　C

2．（2018·保定模拟）液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。

一种以液态肼（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溶液作为电解质溶液。

下列关于该电池的叙述正确的是（　　）

A．b电极发生氧化反应

B．a电极的电极反应式：

N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O

C．放电时，电流从a电极经过负载流向b电极

D．其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜

解析　燃料电池燃料（N2H4）在负极（a电极）发生氧化反应：

N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，O2在正极发生还原反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，A项错误，B项正确；放电时电流由正极流向负极，C项错误；OH－在正极生成，移向负极，所以离子交换膜应让OH－通过，故选用阴离子交换膜，D项错误。

答案　B

　“起点高、落点低”的压轴选择题：

可逆电池

3．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＋