优化方案教师用书届高考化学一轮复习第六章第二讲原电池新型化学电源.docx

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优化方案教师用书届高考化学一轮复习第六章第二讲原电池新型化学电源

第二讲　原电池　新型化学电源

[考纲展示]

1．了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

　2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。

考点一　原电池及工作原理

一、原电池的概念和反应本质

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。

二、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。

三、原电池的工作原理

如图是两种锌铜原电池示意图，请填空：

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

2.原电池中的三个方向

（1）电子方向：

从负极流出沿导线流入正极；

（2）电流方向：

从正极沿导线流向负极；

（3）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。

原电池工作原理中四个常见失分点的规避

（1）只有自发进行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。

　（2015·高考天津卷）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

4）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]　A．Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO

4不参加电极反应，故甲池的c（SO

4）基本不变；C.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.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。

[答案]　C

—原电池正、负极的判断方法

　1.（2014·高考新课标全国卷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Li＋从b向a迁移

解析：

选C。

图示所给出的是原电池装置。

A.由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知，含有锂的一端为原电池的负极，即b为负极，a为正极，故正确。

B.电池充电时为电解池，反应式为原电池反应的逆反应，故正确。

C.放电时，a极为原电池的正极，发生还原反应的是Mn元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确。

D.放电时为原电池，锂离子为阳离子，应向正极（a极）迁移，故正确。

题组一　原电池构成辨析

1．（教材改编）判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）所有的氧化还原反应都能设计成原电池。

（　　）

（2）只有金属才能做原电池的电极。

（　　）

（3）原电池的两极中较活泼的金属一定为负极。

（　　）

（4）锌铜原电池工作时，外电路电子由负极流向正极。

（　　）

（5）在原电池中，电子流出的一极是负极，被还原。

（　　）

（6）原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×

2．（2015·浙江宁波模拟）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

解析：

选D。

CaO＋H2O===Ca（OH）2不是氧化还原反应，KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。

题组二　原电池原理及判断

3．（2015·河北邯郸高三一模）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，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中易钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C均错。

②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极电极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极电极反应式为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。

4.一种光化学电池的结构如图所示，当光照在表面涂有氯化银的银片上时，发生反应：

AgCl（s）

Ag（s）＋Cl（AgCl）[Cl（AgCl）表示生成的氯原子吸附在氯化银表面]，Cl（AgCl）＋e－―→Cl－（aq）。

下列说法正确的是（　　）

A．光照时，外电路电流由Y流向X

B．光照时，Pt电极上发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

C．光照时，Cl－向Ag电极移动

D．光照时，电池总反应为AgCl（s）＋Cu＋（aq）

Ag（s）＋Cu2＋（aq）＋Cl－（aq）

解析：

选D。

该装置是原电池，光照时，涂在银片上的氯化银先见光分解生成Ag和Cl（AgCl），然后Cl（AgCl）在银电极上得电子发生还原反应，所以涂有AgCl的银片作正极，Cu＋在铂电极上失电子发生氧化反应，铂作负极。

光照时，Cu＋在铂电极上失去电子，电子经导线流向X，电流方向与电子的流向相反，所以外电路电流从X流向Y，A项说法错误；光照时，铂电极上发生的反应为Cu＋－e－===Cu2＋，B项说法错误；原电池中阴离子移向负极，该电池中铂作负极，所以氯离子向铂电极移动，C项说法错误；光照时，正极上AgCl分解产生的氯原子得电子发生

还原反应，负极上Cu＋失电子发生氧化反应，所以电池总反应为AgCl（s）＋Cu＋（aq）

Ag（s）＋Cu2＋（aq）＋Cl－（aq），D项说法正确。

原电池正、负极判断的七种方法

（1）根据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判断

原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

（5）根据X极质量变化判断

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）根据X极有无气体产生判断

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为正极。

考点二　盐桥原电池的应用[学生用书P126]

一、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。

二、单池原电池和盐桥原电池的对比

1．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＋。

2．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。

3．关键点：

盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区。

1盐桥中的离子不断释放到两个池中，逐渐失去导电作用，需定期更换盐桥。

2半电池的构成条件：

电极金属与其对应盐溶液，不要任意替换成其他阳离子，否则可能影响效果。

　（2015·河北邯郸高三一模）右图为一种原电池，下列有关说法中正确的是（　　）

A．甲中盛硫酸锌溶液，乙中盛硫酸铜溶液，锌为阴极

B．乙中盛硫酸铜溶液，铜离子在铜电极上被氧化

C．电池工作时，盐桥中的阳离子移向甲，阴离子移向乙，溶液仍保持电中性

D．取出盐桥，电流表指针即回到零点

[解析]　锌为负极，不是阴极，A错误；Cu2＋在乙中得电子，被还原成Cu，B错误；甲中阳离子增多，故盐桥中阴离子进入甲，同理，盐桥中阳离子进入乙，C错误；取出盐桥后，不能构成闭合回路，故电路中无电流通过，即电流表指针回到零点，D正确。

[答案]　D

—突破解题障碍·理清解题思路

　2.将如图所示实验装置的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

解析：

选A。

将装置中K闭合，该装置构成原电池，其中Zn电极上发生氧化反应，Cu电极上发生还原反应，故A正确；电子沿Zn→a，在a上溶液中的H＋得到电子，在b上溶液中的OH－失去电子，电子不能直接由a→b，故B错误；该装置工作过程中，甲、乙两烧杯中的SO

的浓度都不改变，只是盐桥中的Cl－和K＋分别向甲、乙两烧杯中移动，故C错误；在b处溶液中的OH－失去电子，c（OH－）减小，c（H＋）增大，b处滤纸不可能变红色，故D错误。

题组一　对盐桥原电池原理的考查

1．（教材改编）根据下图，下列判断中正确的是（　　）

A．烧杯a中的溶液pH降低

B．烧杯b中发生氧化反应

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↑

解析：

选B。

据图示锌电极失去电子，该极上发生氧化反应，故B正确；O2在NaCl溶液中得到电子，发生反应：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－，使pH升高，A、C错；锌为负极，发生反应：

Zn－2e－===Zn2＋，故D错。

2．如图所示，杠杆A、B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

解析：

选C。

当杠杆为导体时，构成原电池，Fe作负极，Cu作正极，电极反应式分别为

负极：

Fe－2e－===Fe2＋，

正极：

Cu2＋＋2e－===Cu，

铜球增重，铁球质量减轻，杠杆A端低B端高。

题组二　平衡移动与“盐桥”作用

3．（2015·安徽合肥模拟）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．检流计读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．检流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

解析：

选D。

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；检流计读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态。

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。

4．已知在酸性条件下发生的反应为AsO3－4＋2I－＋2H＋===AsO3－3＋I2＋H2O，在碱性条件下发生的反应为AsO3－3＋I2＋2OH－===AsO3－4＋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。

结果发现检流计指针均发生偏转，且偏转方向相反。

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：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（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”）。

解析：

由于酸性条件下发生的反应为AsO3－4＋2I－＋2H＋===AsO3－3＋I2＋H2O、碱性条件下发生的反应为AsO3－3＋I2＋2OH－===AsO3－4＋H2O＋2I－都是氧化还原反应，而且满足构成原电池的三大要素：

①不同环境中的两电极（连接）；②电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）；③形成闭合回路。

当加酸时，c（H＋）增大，C1：

2I－－2e－===I2，为负极；C2：

AsO3－4＋2H＋＋2e－===AsO3－3＋H2O，为正极。

当加碱时，c（OH－）增大，C1：

I2＋2e－===2I－，为正极；C2：

AsO3－3＋2OH－－2e－===AsO3－4＋H2O，为负极。

答案：

（1）两次操作均能形成原电池，化学能转变成电能

（2）①加酸时，c（H＋）增大，AsO3－4得电子，I－失电子，所以C1极是负极，C2极是正极；②加碱时，c（OH－）增大，AsO3－3失电子，I2得电子，此时，C1极是正极，C2极是负极。

故加入浓盐酸和NaOH溶液时发生不同方向的反应，电子转移方向不同，即检流计指针偏转方向不同

（3）2I－－2e－===I2　（4）AsO3－3＋2OH－－2e－===AsO3－4＋H2O　（5）A

电化学的思维方向

在分析电化学的题目时，一般有两个思维方向：

（1）闭合回路：

如①锂电池放电有利于Li＋在正极回收，原因是放电过程Li＋向正极移动；②分析各电极质量变化等，要运用整个闭合回路中的得失电子守恒计算。

（2）电极反应：

如①电池工作时，各电极的pH变化，写出电极反应式即可分析；②金属作发生失电子反应的一极，腐蚀速率加快，作发生得电子反应的一极就被保护等。

考点三　原电池原理的应用[学生用书P128]

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。

二、加快化学反应速率

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，形成锌铜原电池，加快反应进行。

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。

四、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。

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）。

但如果两个半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。

例如：

在锌铜原电池中，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。

比较金属活泼性的三种方法

（1）根据原电池：

一般情况下，负极大于正极。

（2）根据电解池：

易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。

（3）根据金属活动性顺序表。

　（2015·河北保定质检）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（　　）

[解析]　加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，a中Cu2＋与少量Zn反应，导致与H＋反应的Zn减少，H2体积减小。

[答案]　A

—改变Zn与H＋反应速率的方法　　

（1）加入Cu粉或CuSO4，使Cu与Zn接触形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响与H＋反应的Zn的量，但加入CuSO4会消耗一部分Zn，使与H＋反应的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。

　3.（2015·河北保定一检）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。

金属与稀H2SO4溶液组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成H2，电子方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。

在题述原电池中，AB原电池，A为负极；CD原电池，C为负极；AC原电池，A为负极；BD原电池，D为负极；E先析出，E不如B活泼。

综上可知，金属活动性：

A>C>D>B>E。

题组一　金属活动性及电极的判断

1．①②③④四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上有气泡逸出；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（　　）

A．①③②④　　　　　　　B．①③④②

C．③④②①D．③①②④

解析：

选B。

本题考查原电池原理的应用。

电流方向与电子流向相反，①②相连时，电流由②流向①，则金属活动性①>②；①③相连时，③为正极，则金属活动性①>③；②④相连时，②上有气泡，则金属活动性④>②；③④相连时，③的质量减少，则金属活动性③>④。

综上分析，可得金属活动性顺序为①>③>④>②。

2．（2015·河南开封高三调研）如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是（　　）

A．外电路的电流方向为X→外电路→Y

B．若两电极分别为铁和碳棒，则X为碳棒，Y为铁

C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X>Y

解析：

选D。

外电路电子流向为X→外电路→Y，电流方向与其相反，X极失电子，作负极，Y极发生的是还原反应，X极发生的是氧化反应。

若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。

题组二　原电池设计问题

3．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。

解析：

据题意要求，应按照反应2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋进行设计，Cu作负极，Fe3＋作正极反应物即可。

答案：

Cu－2e－===Cu2＋

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

4．（2015·贵州遵义模拟）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，设计成带盐桥的原电池。

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，即可确定正负极区的电解质溶液。

（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Fe2＋失电子，电极变成负极。

答案：

（1）如图

（2）2I－－2e－===I2　（3）无　（4）负

原电池装置图常见失分点提示

（1）不注明电极材料名称或元素符号。

（2）不画出电解质溶液（或画出但不标注）。

（3）误把盐桥画成导线。

（4）不能连成闭合回路。

考点四　化学电源及电极反应式的书写[学生用书P1