江苏专版版高考化学一轮复习专题四第十六讲原电池化学电源学案.docx
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江苏专版版高考化学一轮复习专题四第十六讲原电池化学电源学案
原电池 化学电源
[江苏考纲要求]
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1．理解原电池的工作原理，能写出简单电极反应和电池反应方程式。
2．了解常见化学电源，认识化学能与电能相互转化的重要应用。
3．了解研制新型化学电源的重要性。
认识化学在解决能源危机中的重要作用。
原电池的工作原理
[教材基础—自热身]
1．原电池
（1）概念：
原电池是把化学能转化为能的装置。
（2）构成条件
①能自发进行的氧化还原反应发生（一般是活动性强的金属与电解质溶液反应）。
②活动性不同的两电极（金属或石墨）。
③形成闭合回路。
形成闭合回路需三个条件：
电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中。
2．原电池的工作原理
图甲和图乙是铜锌原电池装置示意图。
[说明]
（1）图乙盐桥中通常装有含琼脂的KCl饱和溶液。
（2）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。
电极名称
负极
正极
电极材料
Zn片
Cu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
3．原电池工作时导电粒子流向（如图）
电子流向（外电路）：
负极→导线→正极（电流方向与电子流向相反）。
离子迁移方向（内电路）：
阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。
[注意] 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。
[知能深化—扫盲点]
提能点
（一） 原电池正、负极的判断方法
1．一般情况下，常采用以下方法判断原电池的正极和负极
判断方法
负极
正极
①电极材料
较活泼金属
较不活泼金属或石墨
②通入物
通入还原剂的电极
通入氧化剂的电极
③两极反应类型
发生氧化反应的电极
发生还原反应的电极
④电子流向
（或电流方向）
电子流出的电极
（或电流流入的电极）
电子流入的电极
（或电流流出的电极）
⑤离子移向
阴离子移向的电极
阳离子移向的电极
⑥电极变化
质量减小的电极
质量增加或有气
泡产生的电极
2.特殊情况
（1）金属的活动性受所处环境的影响。
如Mg、Al的活动性：
在中性或酸性溶液中活动性：
Mg>Al；而在碱性溶液中，Al可以与OH－反应，而Mg不反应，所以Mg与Al用导线连接后放入NaOH溶液中，Al是负极，Mg是正极。
（2）Fe、Cu相连，浸入稀HNO3中，Fe作负极；浸在浓HNO3中，Cu作负极（Fe发生钝化）。
[对点练]
1．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↑
解析：
选B ②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子作负极；③中Fe在浓HNO3中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，则Fe作正极，A、C错误；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。
提能点
（二） 原电池电极反应式的书写
1．一般电极反应式的书写
（1）书写步骤
（2）常见介质
常见介质
注意事项
中性溶液
反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离
酸性溶液
反应物或生成物中均没有OH－
碱性溶液
反应物或生成物中均没有H＋
水溶液
不能出现O2－
2.用总反应式书写电极反应式
（1）书写三步骤
步骤一：
写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目（ne－）。
步骤二：
找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。
步骤三：
写电极反应式。
负极反应：
还原剂－ne－===氧化产物
正极反应：
氧化剂＋ne－===还原产物
（2）书写技巧
若某电极反应式较难写出时，可先写出较易的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。
[对点练]
2．
（1）有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂作电极，在KOH溶液中构成原电池。
电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应，则负极、正极的电极反应式为_____________________________________________________________________。
（2）CH3OCH3（二甲醚）酸性燃料电池中：
总反应式：
CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O，则正极、负极的电极反应式为___________________________________________。
解析：
（1）CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应，即CH4→CO2，生成的CO2与KOH反应生成K2CO3，碳元素的化合价升高，失去电子，即CH4在负极上发生氧化反应，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O；O2在正极上发生还原反应，得到电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
（2）
得到电子的O2为正极，还原产物为H2O，正极反应式为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，失去电子的CH3OCH3为负极，氧化产物为CO2，CH3OCH3→2CO2，需要H2O提供O原子，负极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，负极反应式也可以由总反应式减去正极反应式。
答案：
（1）负极：
CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
（2）正极：
3O2＋12H＋＋12e－===6H2O
负极：
CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋
[题点全练—过高考]
题点一 原电池的工作原理
1．有关下图所示原电池的叙述不正确的是（ ）
A．电子沿导线由Cu片流向Ag片
B．正极的电极反应式是Ag＋＋e－===Ag
C．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应
D．反应时盐桥中的阳离子移向Cu（NO3）2溶液
解析：
选D A项，该装置是原电池，铜作负极，银作正极，电子从铜片沿导线流向银片，正确；B项，正极电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，正确；C项，铜片上失电子发生氧化反应，银片上得电子发生还原反应，正确；D项，原电池工作时，电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以反应时盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液，错误。
2．锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（ ）
A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c（SO）减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
解析：
选C A项，Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B项，电池工作过程中，SO不参加电极反应，故甲池的c（SO）基本不变，错误；C项，电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64gCu析出，则进入乙池的
Zn2＋为65g，溶液总质量略有增加，正确；D项，由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。
题点二 原电池电极反应式的书写
3．乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如右所示。
下列说法中正确的是（ ）
A．电池工作时，质子向电池的负极迁移
B．电池工作时，电子由b极沿导线流向a极
C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋
D．b极上发生的电极反应是4H＋＋O2＋4e－===2H2O
解析：
选D 原电池中，阳离子向正极移动，所以质子向电池的正极迁移，故A错误；电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，在该电池中由a极沿导线流向b极，故B错误；a极上是乙醇失电子发生氧化反应，乙醇被氧化生成CO2和H＋，电极反应式为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，故C错误；b极氧气得到电子被还原，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，故D正确。
4．
（1）用零价铁（Fe）去除水体中的硝酸盐（NO）已成为环境修复研究的热点之一。
Fe还原水体中NO的反应原理如图所示。
①作负极的物质是________。
②正极的电极反应式是_________________________________________。
（2）通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图所示：
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：
______________________。
答案：
（1）①铁 ②NO＋8e－＋10H＋===NH＋3H2O
（2）①还原 ②NO＋O2－－2e－===NO2
原电池原理的四大应用
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（或可导电的非金属）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，即可以断定金属活动性：
A＞B。
[对点练]
1．M、N、P、E四种金属，已知：
①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。
则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是（ ）
A．P＞M＞N＞E B．E＞N＞M＞P
C．P＞N＞M＞ED．E＞P＞M＞N
解析：
选A 由①知，金属活动性：
M＞N；M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属活动性：
P＞M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：
N＞E。
加快化学反应速率
由于形成原电池，而使氧化还原反应速率加快。
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，加快化学反应速率。
[对点练]
2．一定量的稀盐酸跟过量锌粉反应时，为了加快反应速率又不影响生成H2的总量，可采取的措施是（ ）
A．加入少量稀NaOH溶液
B．加入少量CH3COONa固体
C．加入少量NH4HSO4固体
D．加入少量CuSO4溶液
解析：
选D A中加入NaOH溶液，消耗盐酸，H2的生成量会减少，错误；B中加入CH3COONa固体，在溶液中电离出CH3COO－会结合H＋，生成醋酸，减慢反应速率，错误；C中加入NH4HSO4固体，增加了H＋的量，生成的H2会增多，错误；D中加入少量CuSO4溶液，Zn置换出少量Cu附着在锌表面，形成原电池可以加快反应速率，并且不影响H2的生成量，正确。
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。
[对点练]
3.利用如图装置，可以模拟铁的电化学防护。
（1）若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于______处。
（2）若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为________________________________________________________________________。
解析：
铁被保护，可以是作原电池的正极，或者电解池的阴极。
故若X为碳棒，开关K应置于N处，Fe作阴极受到保护；若X为锌，开关K置于M处，铁作正极，锌作负极，称为牺牲阳极的阴极保护法。
答案：
（1）N
（2）牺牲阳极的阴极保护法
设计原电池
实例：
根据Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag设计电池：
[对点练]
4．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，设计成盐桥原电池。
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）请画出设计的原电池装置图，并标出电极材料、电极名称及电解质溶液。
（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）先分析氧化还原反应，找出正负极反应，即可确定正负极区电解质溶液。
（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，无电子流动，故无电流产生。
（4）平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，平衡逆向移动，此时FeCl2溶液失电子，正极变成负极。
答案：
（1）如图：
（2）2I－－2e－===I2 （3）无 （4）负
化学电源
[教材基础—自热身]
1．一次电池
（1）普通锌锰干电池
负极反应：
Zn－2e－===Zn2＋；
正极反应：
2NH＋2e－===2NH3＋H2，
2MnO2＋H2===Mn2O3＋H2O；
总反应：
Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===ZnCl2＋Mn2O3＋2NH3＋H2O。
（2）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。
（3）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。
总反应为Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）2PbSO4（s）＋2H2O（l）。
（1）放电时的反应——原电池
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）。
（2）充电时的反应——电解池
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）。
放电时原电池的负极作充电时电解池的阴极。
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
[知能深化—扫盲点]
提能点
（一） 燃料电池中电极反应式的书写
第一步：
写出电池总反应式
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＋2H2O ①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ②
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。
[对点练]
1．写出不同环境下的甲烷燃料电池的正负极的电极反应式和总反应式。
（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：
______________________________________________________________。
答案：
（1）负极：
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
正极：
2O2＋8e－＋8H＋===4H2O
总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
（2）负极：
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O
正极：
2O2＋8e－＋4H2O===8OH－
总反应式：
CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O
（3）负极：
CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
正极：
2O2＋8e－===4O2－
总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
（4）负极：
CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
正极：
2O2＋8e－＋4CO2===4CO
总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
提能点
（二） 新型化学电源
1．可充电电池
（1）可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。
（2）放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。
将负（正）极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴（阳）极反应式。
（3）充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断
分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。
①首先应分清电池是放电还是充电。
②再判断出正、负极或阴、阳极。
放电：
阳离子→正极，阴离子→负极；
充电：
阳离子→阴极，阴离子→阳极；
总之：
阳离子→发生还原反应的电极；阴离子→发生氧化反应的电极。
2．离子交换膜电池
离子交换膜是一种含离子基团的，对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。
（1）膜的功能：
使阴、阳离子选择性定向移动，使电解质溶液的电荷守恒。
（2）类型：
①阳离子交换膜：
只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过。
②阴离子交换膜：
只允许阴离子通过，阻止阳离子和气体通过。
③质子交换膜：
只允许质子（H＋）通过。
（3）作用：
隔离某些物质，防止副反应，常用于物质的制备、分离和提纯。
[对点练]
2．（2018·江淮十校联考）LiFePO4电池广泛用于电动车。
电池反应：
FePO4＋LiLiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解质。
下列说法正确的是（ ）
选项
放电过程
充电过程
A
Li＋向电池的正极迁移
化学能转化成电能
B
可以加入磷酸以提高电解质的导电率
阳极的电极反应式为
LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋
C
若正极增加7g，则有NA个电子经电解质由负极流向正极
阳极材料的质量不断减少
D
若有nmolLi＋迁移，则理论上负极失去nmol电子
阴极的电极反应式为
Li＋＋e－===Li
解析：
选D A项，充电过程是电能转化为化学能的过程，错误；B项，Li属于活泼金属，加入磷酸，Li会与磷酸反应，错误；C项，根据原电池的工作原理，电子从负极经外电路流向正极，电子不通过电解质，错误；D项，负极反应式为Li－e－===Li＋，迁移nmolLi＋，说明通过的电子物质的量为nmol，即Li失去电子nmol，充电时，电池的负极接电源的负极，即阴极反应式为Li＋＋e－===Li，正确。
3．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，离子交换膜需选用阴离子交换膜
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
解析：
选C 电极反应式为负极：
8NH3－24e－＋24OH－===4N2＋24H2O，正极：
6NO2＋24e－＋12H2O===3N2＋24OH－，因为为碱性介质，所以应选用阴离子交换膜；C项，应生成H2O，错误；D项，根据正极反应式转移电子为×24mol＝0.8mol。
[题点全练—过高考]
题点一 燃料电池
1．（2019·镇江模拟）锂—铜空气燃料电池是低成本高效电池。
该电池通过一种复杂的铜
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