人教版化学选修4原电池化学电源教案无答案.docx
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人教版化学选修4原电池化学电源教案无答案
第18讲
原电池 化学电源
考点一 原电池及其工作原理
1．概念
把化学能转化为电能的装置。
2．工作原理
以锌铜原电池为例
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沿导线流向Cu
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极
3．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。
题组一 原电池工作原理的考查
1．下列装置中能构成原电池产生电流的是（ ）
2．有关电化学知识的描述正确的是（ ）
A．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
B．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
C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成
D．理论上说，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池
规避原电池工作原理的4个易失分点
（1）只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。
（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。
（4）原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。
题组二 原电池正、负极的判断
3．下列有关原电池的说法中正确的是（ ）
A．在内电路中，电子由正极流向负极
B．在原电池中，相对较活泼的金属作负极，不活泼的金属作正极
C．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生
D．原电池工作时，可能会伴随着热能变化
4．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↑
原电池正、负极判断方法
说明 原电池的正极与负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
考点二 原电池原理的应用
1．用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。
例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。
2．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。
3．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。
4．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。
题组训练 原电池原理的应用
1．电工经常说的一句口头禅：
“铜接铝，瞎糊弄”，所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用，说明原因：
______________________________________________________________________。
2．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。
请写出电极反应式，负极______________________________________________________________，
正极_______________________________________________________________，
并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。
3．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>EB．A>C>D>B>E
C．C>A>B>D>ED．B>D>C>A>E
4．把适合题意的图像填在横线上（用A、B、C、D表示）
（1）将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，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________。
（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________。
改变Zn与H＋反应速率的方法
（1）加入Cu或CuSO4，形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响Zn的量，但加入CuSO4，Zn的量减少，是否影响产生H2的量，应根据Zn、H＋的相对量多少判断。
（2）加入强碱弱酸盐，由于弱酸根与H＋反应，使c（H＋）减小，反应速率减小，但不影响产生H2的量。
考点三 化学电源
1．碱性锌锰干电池——一次电池
总反应式：
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。
正极反应：
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
负极反应：
Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2。
2．锌银电池——一次电池
负极反应：
Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；
正极反应：
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应式：
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。
3．二次电池（可充电电池）
铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。
（1）放电时的反应
①负极反应：
Pb＋SO－2e－===PbSO4；
②正极反应：
PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；
③总反应：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
（2）充电时的反应
①阴极反应：
PbSO4＋2e－===Pb＋SO；
②阳极反应：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO；
③总反应：
2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。
4．燃料电池
（1）氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。
种类
酸性
碱性
负极反应式
正极反应式
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
（2）燃料电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
（1）酸性条件
（2）碱性条件
2．铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正负极极板是惰性材料，请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：
（1）放电时电解液中H2SO4的浓度将变
_______________________________________________________；
当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加________g。
（2）在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按右图连接，电解一段时间后，
则在A电极上生成________，B电极上生成____________，此时铅
蓄电池的正负极的极性将________。
3．
（1）氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH_______________________________________________。
（填“减小”、“增大”或“不变”）
（2）氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将________，溶液的pH______________________________________________。
（填“减小”、“增大”或“不变”）
题组一 化学电源中电极反应式的书写
1．Li SOCl2电池可用于心脏起搏器。
该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4 SOCl2。
电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。
请回答下列问题：
（1）电池的负极材料为__________，发生的电极反应为________________________。
（2）电池正极发生的电极反应为_________________________________________。
2．铝空气海水电池：
以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。
电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3
负极：
______________________________________________________________；
正极：
______________________________________________________________。
化学电源中电极反应式书写的一般程序
“加减法”书写电极反应式
（1）先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。
（2）注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。
若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，且O2生成OH－，若电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，O2生成水。
（3）正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。
若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
题组二 不同介质对燃料电池电极反应式书写的影响
3．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：
（1）酸性条件
燃料电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
燃料电池正极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：
____________________________________。
（2）碱性条件
燃料电池总反应式：
CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O①
燃料电池正极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：
______________________________________。
（3）固体电解质（高温下能传导O2－）
燃料电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
燃料电池正极反应式：
O2＋4e－===2O2－②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：
_____________________________________。
（4）熔融碳酸盐（如：
熔融K2CO3）环境下
电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
正极电极反应式：
O2＋2CO2＋4e－===2CO②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：
____________________________________。
答案
（1）CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
（2）CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
（3）CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
（4）CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O
燃料电池电极反应式的书写
（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电池的负极反应式
电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：
电池的总反应式＝电池正极反应式＋电池负极反应式
故根据第一、二步写出的反应，有：
电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。
考点四 盐桥原电池的专题突破
1．盐桥的组成和作用
（1）盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
（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。
2．单池原电池和盐桥原电池的对比
图1和图2两装置的相同点：
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。
深度思考
1．能用金属代替盐桥吗？
不可以，在电路接通的情况下，这个盐桥只是整个回路的一部分，随时要保持电中性，琼胶作为盐桥因其中含有两种离子，可以与溶液中的离子交换，从而达到传导电流的目的，而且琼胶本身可以容纳离子在其中运动；若用金属作盐桥（已经不能叫做盐桥了），电子流向一极后不能直接从另一极得到补充，必然趋势就是向另一极释放金属阳离子或者溶液中的金属阳离子在电子流出的那一极得电子析出金属，从而降低了整个电池的电势。
所以，光有自由电子是不够的，应该有一个离子的通道即“盐桥”。
2．在有盐桥的铜锌原电池中，电解质溶液的选择为什么要与电极材料的阳离子相同？
如Zn极对应的是硫酸锌，能不能是氯化铜或者氯化钠？
可以的，如果该溶液中溶质的阳离子对应的金属单质比电极强的话没有问题。
反正这边发生的反应只是Zn的溶解而已。
但是如果比电极弱的话，例如硫酸铜，锌就会置换出铜，在表面形成原电池，减少供电量。
使用盐桥就是为了避免这种情况，至于电解液要跟电极相同那只是一个做题的技巧，具体问题具体分析就行。
题组一 有关原电池原理的考查
1．某原电池构造如下图所示。
下列有关叙述正确的是（ ）
A．在外电路中，电子由银电极流向铜电极
B．取出盐桥后，电流计的指针仍发生偏转
C．外电路中每通过0.1mol电子，铜的质量理论上减小6.4g
D．原电池的总反应式为Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu（NO3）2
2．如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是（实验过程中，不考虑两球的浮力变化）（ ）
A．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端高B端低
B．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端低B端高
C．当杠杆为导体时，A端低B端高
D．当杠杆为导体时，A端高B端低
题组二 可逆反应与原电池的工作原理
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．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
4．已知在酸性条件下发生的反应为AsO＋2I－＋2H＋===AsO＋I2＋H2O，在碱性条件下发生的反应为AsO＋I2＋2OH－===AsO＋H2O＋2I－。
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
结果发现电流计指针均发生偏转。
试回答下列问题：
（1）两次操作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Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为___________________________________；
（4）操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为___________________________________。
（5）操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向______烧杯溶液（填“A”或“B”）。
当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流计指针示数为零；当电流计指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。
1．（2011·海南，12改编）根据下图，下列判断中正确的是（ ）
A．烧杯a中的溶液pH升高
B．烧杯b中发生还原反应
C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2
D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2
2．（2011·福建理综，11）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↑
3．（2011·新课标全国卷，11）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
4．（2012·福建理综，9）将下图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是（ ）
A．Cu电极上发生还原反应
B．电子沿Zn→a→b→Cu路径流动
C．片刻后甲池中c（SO）增大
D．片刻后可观察到滤纸b点变红色
5．[2012·海南，13（4）]肼—空气燃料电池是一种碱性电池，N2H4在负极发生氧化反应生成H2O和N2，该电池放电时，负极的反应式为___________________________
6.[2012·新课标全国卷，26（4）节选]与MnO2 Zn电池类似，K2FeO4 Zn也可以组成碱性电池2FeO＋3Zn＋8H2O===2Fe（OH）3＋3Zn（OH）2＋4OH－。
K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应为______________，该电池负极反应的离子方程式为_______________________
7．[2011·新课标全国卷，27（5）]在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为________、正极的反应式为________。
理想状态下，该燃料电池消耗1mol甲醇所能产生的最大电能为702.1kJ，则该燃料电池的理论效率为____（燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比，甲醇的燃烧热ΔH＝－726.5kJ·mol－1）。
8．[2011·山东理综，29
（2）]如图为钠硫高能电池的结构示意图。
该
电池的工作温度为320℃左右，电池反应为2Na＋xS===Na2Sx，
正极的电极反应式为________。
M（由Na2O和Al2O3制得）的两
个作用是________。
与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极
活性物质时，钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的___________
倍。
（Pb:
207,Na:
23）
1．关于原电池的叙述正确的是（ ）
A．原电池工作时，电极上不一定都发生氧化还原反应
B．某可逆电流充、放电时的反应式为Li1－xNiO2＋xLi
LiNiO2，放电时此电池的负极材料是Li1－xNiO2
C．铅、银和盐酸构成的原电池工作时，铅板上有5.175g铅溶解，正极上就有1120mL（标准状况）气体析出
D．在理论上可将反应CH4（g）＋2O2（g）===CO2（g）＋2H2O（l）ΔH<0设计成原电池
2．将两金属A、B分别用导线相连接，并同时插入电解质溶液中，发现A极的质量增加，则下列说法正确的是（ ）
A．金属活动性：
A>B
B．A极是正极，电解质溶液可以是盐酸
C．B极是负极
D．要判断A极与B极是正极还是负极，还需考虑电解质溶液
3．一种新型燃料电池，以镍板为电极插入KOH溶液中，分别向两极通入乙烷（C2H6）和氧气，其中某一电极反应式为C2H6＋18OH－－14e－===2CO＋12H2O。
有关此电池的推断不正确的是（ ）
A．通入氧气的电极为正极
B．参加反应的O2与C2H6的物质的量之比为7∶2
C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度将下降
D．放电一段时间后，正极区附近溶液的pH减小
4．由NO2、O2、熔融盐NaNO3组成的燃料电池如图所示，在
使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，下列有关
说法正确的是（ ）
A．石墨Ⅰ极为正极，石墨Ⅱ极为负极
B．Y的化学式可能为NO
C．石墨Ⅰ极的电极反应式为NO2＋NO－e－===N2O5
D．石墨Ⅱ极上发生氧化反应
5．如图所示为某原电池的结构示意图，下列说法不正确的是（盐桥
中装满用饱和KCl溶液和琼胶做成的冻胶）
（ ）
A．该原电池的总反应式为2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
B．该电池工作时，Cu2＋在电极上得到电子，发生还原反应
C．若用此电池电解饱和氯化钠溶液制取Cl2，当铜电极的质量减少6.4g时，产生氯气的体积为2.24L（折算为标准状况）
D．电池工作过程中，电子由铜电极经过电流表流向石墨电极
6．综合如图判断，下列说法正确的是（ ）
A．装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋
B．装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D．放电过程中，装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
7．实验发现，298K时，在FeCl3酸性溶液中加少量锌粒后，Fe3＋
立即被还原成Fe2＋。
某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了
如图所示
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