人教通用版届高考化学一轮总复习讲义第二节原电池化学电源.docx

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人教通用版届高考化学一轮总复习讲义第二节原电池化学电源

第二节

原电池__化学电源

明考纲要求

理主干脉络

1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。

2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。

一、原电池

1．概念

把化学能转化为电能的装置。

2．构成条件

（1）有两上活动性不同的电极（常见为金属或石墨）。

（2）具有电解质溶液。

（3）两电极间形成闭合回路。

3．工作原理

如图是两种CuZn原电池示意图，请填空：

（1）电极：

负极为Zn，正极为Cu。

（2）电极反应；负极：

Zn－2e－===Zn2＋，正极：

Cu2＋＋2e－===Cu。

（3）电子移动方向和电流方向：

电子从负极流出经外电路流入正极；电流从正极流出经外电路流入负极。

（4）离子的迁移方向：

电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。

（5）两种装置的比较：

装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ能避免能量损耗；装置Ⅱ中盐桥的作用是提供阴阳离子定向移动的通路，导电。

二、化学电源

1．一次电池——碱性锌锰干电池

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

2．二次电池（以铅蓄电池为例）

（1）放电时的反应：

①负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）

②正极：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）

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）

②阳极：

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

（aq）。

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，可分为酸性和碱性两种。

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

1.如何判断一个装置是原电池？

提示：

（1）先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池；然后依据原电池的形成条件分析判断。

主要是“四看”：

看电极——两极为导体且存在活泼性差异（燃料电池的电极一般为惰性电极）；看溶液——是否是电解质溶液；看回路——两极插入溶液中，形成闭合回路或两极直接接触；看本质——有无氧化还原反应发生，原电池反应是总反应能够自发进行的氧化还原反应。

（2）多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。

2．实验室常用锌和稀H2SO4反应制备H2，试讨论纯锌和粗锌哪个反应快，为什么？

提示：

粗锌快，因为粗锌中含有杂质金属，可以和锌形成原电池，反应速率较快。

3．依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是__________；电解质溶液Y是________；

（2）银电极为电池的______极，发生的电极反应为______________________________；

X电极上发生的电极反应为_________________________________________________；

（3）外电路中的电子是从______电极流向________电极。

答案：

（1）Cu　AgNO3

（2）正　Ag＋＋e－===Ag

Cu－2e－===Cu2＋

（3）Cu　Ag

4．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。

（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式_____________________________

________________________________________________________________________。

（2）若将

（1）中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。

正极反应：

_______________________________________________________________；

负极反应：

_______________________________________________________________。

解析：

（1）Fe3＋具有强氧化性，可以把一些金属单质如铁、铜等氧化成相应的离子，离子方程式是：

2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。

（2）由反应2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋可以判断出铜发生氧化反应，铜作负极，Fe3＋发生还原反应，正极可以选用石墨棒，电解质溶液可以选用氯化铁溶液，仿照教材上的铜锌原电池装置，可以画出此原电池的装置图。

答案：

（1）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋

（2）

正极反应：

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

负极反应：

Cu－2e－===Cu2＋

原电池正负极的判断和电极反应式的书写

1．（2013·课标全国卷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

解析：

选B　根据信息可知在银器处理过程中运用了原电池原理，铝质容器作负极，电极反应为2Al－6e－===2Al3＋；银器作正极，电极反应为3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－；继而Al3＋和S2－发生互相促进的水解反应：

2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al（OH）3↓＋3H2S↑，故原电池的总反应为：

3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3＋3H2S↑，故C错误。

黑色褪去的原因是Ag2S被还原为Ag，此过程中银器质量逐渐减小，故A、D错误，B正确。

2．（2013·江苏高考）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

解析：

选C　根据题意可知电池的总反应为：

Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O。

Mg电极是该电池的负极，A错误。

H2O2在正极发生还原反应，B错误。

石墨电极的电极反应式为：

H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，由于水电离出的H＋不断被消耗，所以该电极附近溶液的pH增大，C正确。

在原电池中，阴离子向负极移动，D错误。

3．高考组合题

书写以下电极反应式或电池反应方程式。

（1）（2013·新课标全国卷Ⅰ节选）二甲醚（CH3OCH3）直接燃料电池具有启动快、效率高的特点，若电解质为酸性，其负极反应式为_____________________________________________。

（2）（2012·新课标全国高考节选）高铁酸钾（K2FeO4）是一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料。

FeCl3和KClO在强碱性条件下反应可制取K2FeO4，其反应的离子方程式为________________________________；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，其电极反应式为________________________，该电池总反应的离子方程式为____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）（2013·新课标全国卷Ⅱ节选）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__________________________________________________________________。

（4）（2011·四川高考节选）用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料（用MH表示），NiO（OH）作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。

电池充放电时的总反应为：

NiO（OH）＋MH

Ni（OH）2＋M

电池放电时，负极的电极反应式为____________________________________________。

解析：

（1）首先判断酸性条件下的反应产物。

电池正极O2为反应物，正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则负极二甲醚被氧化为CO2。

负极发生氧化反应，由反应物、生成物，结合得失电子守恒、原子守恒及溶液呈酸性，可写出负极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋。

（2）FeCl3和KClO在强碱性条件下反应，实质是KClO氧化Fe（OH）3，ClO－的还原产物应该是Cl－；K2FeO4Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeO

中＋6价铁元素被还原为Fe（OH）3中＋3价铁元素，其电极反应式为FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe（OH）3和Zn（OH）2。

（3）由普通锌锰电池放电时的总反应可知，Zn作负极，NH4Cl为电解质，正极上发生还原反应：

MnO2＋NH

＋e－===MnOOH＋NH3。

（4）负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H＋，H＋再与OH－结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MH－e－＋OH－===M＋H2O

答案：

（1）CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋

（2）2Fe（OH）3＋3ClO－＋4OH－===2FeO

＋5H2O＋3Cl－

FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－

2FeO

＋8H2O＋3Zn===2Fe（OH）3＋3Zn（OH）2＋4OH－

（3）ZnNH4ClMnO2＋NH

＋e－===MnOOH＋NH3

（4）MH－e－＋OH－===M＋H2O

1．原电池正、负极判断的七种方法

（1）由组成原电池的两极材料判断。

一般相对较活泼的金属为负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属为正极。

（2）根据电流方向或电子流动方向判断。

在外电路，电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。

（3）根据原电池里电解质溶液中离子的定向移动方向判断。

在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向负极。

（4）根据原电池两极发生的变化来判断。

原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

（5）X极增重或减轻。

工作后，X极质量增加，说明X极有物质析出，X极为正极；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极。

（6）X极有气体产生。

工作后，X极上有气体产生，一般是发生了析出H2的电极反应，说明X极为正极。

（7）根据X极附近pH的变化来判断。

析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而工作后，X极附近pH增大了，说明X极为正极。

[特别提醒]　在判断金属活泼性的规律中，有一条为“当两种金属构成原电池时，活泼金属作负极，不活泼金属作正极”，但这条规律也有例外情况，如Mg和Al为原电池的两极，KOH溶液为电解质溶液时，虽然Mg比Al活泼，但因Mg不和KOH溶液反应，所以Mg作原电池的正极等。

2．电极反应式的书写方法

（1）电极反应的书写步骤：

列物质

标得失

↓

看环境

配守恒

↓

两式加

验总式

（2）燃料电池电极反应式的书写：

燃料电池的总反应相当于燃料燃烧的反应，然后再看燃烧产物与电解质溶液是否发生反应，从而得总反应。

燃料电池中都是燃料在负极失电子，O2（或其他氧化剂）在正极得电子。

书写此类反应，应先写正极反应式，然后利用总式正极反应式＝负极反应式写出负极反应式。

需要注意的是，由于电解质的不同，正极反应一般分为以下几类：

①若电解质溶液是酸性的，在电极反应式中不能出现OH－。

如氢氧燃料电池，当电解质溶液呈酸性时，正极反应式为

O2＋2e－＋2H＋===H2O；

②若电解质溶液是碱性的，在电极反应式中不能出现H＋。

如氢氧燃料电池，当电解质溶液呈碱性时，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

原电池原理的应用

4．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＞E　　　　　B．A＞C＞D＞B＞E

C．C＞A＞B＞D＞ED．B＞D＞C＞A＞E

解析：

选B　①说明A比B活泼，②说明C比D活泼，③说明C极H＋被还原，C极为正极，则A比C活泼；④D为负极，D比B活泼；⑤说明B比E活泼。

综上所述，五块金属活动顺序为A＞C＞D＞B＞E。

5．某原电池总反应为：

Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，下列能实现该反应的原电池是（　　）

A

B

C

D

电极材料

Cu、Zn

Cu、C

Fe、Zn

Cu、Ag

电解液

FeCl3

Fe（NO3）2

CuSO4

Fe2（SO4）3

解析：

选D　由题意知，Cu为负极材料，由正极材料的金属活性必须小于Cu，其中B、D项符合该条件；由Fe3＋得电子生成Fe2＋知，电解质溶液中必须含有Fe3＋，同时符合上述两条件的只有D项。

6．选择合适的图像：

（1）将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，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________。

解析：

（1）a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原电池，反应速率加快，所以a放出H2的量减少，但速率加快。

（2）a中加入CuSO4消耗Zn，但不影响产生H2的量，速率也加快。

（3）CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。

答案：

（1）A　

（2）B　（3）C

7．（2013·长沙一中模拟）原电池原理广泛应用于科技、生产和生活中，请回答以下问题：

（1）肼（N2H4）又称联氨，是一种可燃性的液体，可用作火箭燃料。

肼—空气燃料电池是一种碱性燃料电池，产物无污染，电解质溶液是20%～30%的KOH溶液。

肼—空气燃料电池放电时：

正极的电极反应式是__________________________________________________；

负极的电极反应式是____________________________________________________。

（2）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N2、H2为电极反应物，以HCl—NH4Cl为电解质溶液制造新型燃料电池。

试写出该电池的正极反应式：

__________________。

（3）请运用原电池原理设计实验，验证I2、Fe3＋氧化性的强弱，请画出实验装置图并写出电极反应式。

解析：

（1）肼燃烧的化学方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O，由此可知电极反应式分别为：

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－；

负极：

N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O。

（2）写此电极反应式时要注意电解质溶液显酸性，与电极产物NH3反应，即N2＋8H＋＋6e－===2NH

。

（3）验证I2和Fe3＋的氧化性强弱可根据反应2I－＋2Fe3＋===2Fe2＋＋I2来进行判断，溶液中可加入少量淀粉溶液，若淀粉溶液变蓝证明生成了I2。

答案：

（1）O2＋2H2O＋4e－===4OH－

N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O

（2）N2＋8H＋＋6e－===2NH

（3）

原电池原理的四大应用

应用一：

比较金属的活动性强弱

原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属（或非金属）作正极。

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，则可以断定金属活动性A＞B。

应用二：

加快化学反应速率

由于形成了原电池，导致反应速率加快。

如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu－Zn原电池，加快反应进行。

应用三：

用于金属的防护

使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。

例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。

应用四：

设计原电池

设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件。

（1）必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。

（2）根据氧化还原关系找出正负极材料（负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨）及电解质溶液。

①电极材料的选择：

在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。

一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。

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（如溶解于溶液中的空气）。

但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。

如在CuZn构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2＋的电解质溶液中。

（3）按要求画出原电池装置示意图：

如根据Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag设计电池：

或

[特别提醒]　

（1）能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。

（2）利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。

需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。

（3）设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以。

新型化学电源问题

新型化学电源是高考中每年必考的知识点，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，有“氢镍电池”、“高铁电池”、“锌—锰碱性电池”、“海洋电池”“燃料电池”（如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池）“锂离子电池”“银锌电池”、“钮扣电池”等，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。

虽然该类试题貌似新颖、但应用的解题原理还是原电池的知识。

试题的考查形式主要有以下几种角度。

1．新型电池“放电”时正、负极的判断

新型电池

2．新型电池“放电”时，电极反应式的书写

首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。

3．新型电池“充电”时阴、阳极的判断

首先明确原电池放电时的正、负极，再根据充电时，电源正极接正极、电源负极接负极的原理进行分析。

4．新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断

首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。

1．（2013·安徽高考）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

解析：

选D　正极上发生还原反应，A项错误；放电过程中Li＋向正极移动，B项错误；由电池总反应式可知，每转移0.1mol电子，理论上生成0.05molPb，质量为10.35g，C项错误；常温下，电解质不是熔融态，离子不能移动，不能产生电流，因此连接电流表或检流计，指针不偏转。

2．（2011·福建高考）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。

该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。

关于该电池的下列说法不正确的是（　　）

A．水既是氧化剂又是溶剂

B．放电时正极上有氢气生成

C．放电时OH－向正极移动

D．总反应为：

2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

解析：

选C　该电池的负极是锂，氧化剂水在正极上得到电子生成氢气，又电解质是LiOH，故A、B、D项正确；原电池中OH－向负极移动，C项错误。

3．（2013·新课标全国卷）“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

解析：

选B　该电池总反应为：

2Na＋NiCl2===2NaCl＋Ni，因此有NaCl生成，A项正确；电池总反应为Na还原Ni2＋，B项错误；正极为NiCl2发生还原反应：

NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－，C项正确；钠离子通过钠离子导体由负极移向正极，D项正确。

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