第六章第3讲.docx

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第六章第3讲

第3讲　化学能转化为电能——电池

[考纲要求]　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.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

考点一　原电池

1．概念

把________能转化为________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

电极反应

反应类型

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．原电池构成条件

（1）两个______________的电极。

（2）将电极插入________________中。

（3）用导线连接电极构成__________。

（4）能自发进行的____________。

4．正、负极判断

1．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

2．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↑

（1）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。

（2）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。

（3）原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。

（4）原电池电极的“正”极与“负”极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。

考点二　化学电源

1．碱性锌锰干电池——一次电池

总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO（OH）＋Zn（OH）2。

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO（OH）＋2OH－；

负极反应：

______________________________________________________________。

2．锌银电池——一次电池

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应式：

______________________________________________________________。

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________，正极材料是________。

（1）放电时的反应

①负极反应：

______________________________________________________________

②正极反应：

______________________________________________________________

③总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

（2）充电时的反应

①阴极反应：

_____________________________________________________________

②阳极反应：

_____________________________________________________________

③总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4

（3）可充电电池原理示意图

4．燃料电池

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。

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总

反应式

2H2＋O2===2H2O

3．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）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________。

4．

（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“变小”、“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“变小”、“增大”或“不变”）

考点三　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．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。

5．有A、B、C、D四块金属片，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。

据此，判断四种金属的活动性顺序是（　　）

A．A>B>C>DB．A>C>D>B

C．C>A>B>DD．B>D>C>A

6．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中加少量CuSO4溶液，下图

中产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系，其中正确的是（　　）

原电池电极反应式的书写程序

1．“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。

【例1】　有人设计以Pt和Zn为电极材料，埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起搏器的能

源。

它依靠跟人体内体液中含有的一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作，试写出该电池的两极反应式。

【例2】　LiSOCl2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

LiAlCl4SOCl2。

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__________________________________________

________________________________________________________________________。

【例3】　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：

_________________________________________________________________

2．燃料电池电极反应式的书写

电极：

惰性电极。

燃料包含：

H2、CO、烃（如CH4、C2H6）、醇（如C2H5OH）等。

电解质包含：

①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O3；④熔融碳酸盐，如K2CO3等。

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合后的反应。

如氢氧燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O；

甲烷燃料电池（电解质溶液为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都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：

（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。

【例4】　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＋2H2O。

正极电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

。

电池总反应式－正极电极反应式得负极电极反应式：

_____________________________________________________________________。

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等溶液和琼脂制成的胶冻。

（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。

【例5】　某原电池装置如图所示。

下列有关叙述中，正确的是（　　）

A．Fe作正极，发生氧化反应

B．负极反应：

2H＋＋2e－===H2↑

C．工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变

D．工作一段时间后，NaCl溶液中c（Cl－）增大

【例6】　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

结果发现检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）（Ⅰ）操作过程中C1棒上发生的反应为___________________________________；

（4）（Ⅱ）操作过程中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”）。

【例7】　根据氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）===Cu2+（aq）+2Ag（s）设

计的原电池如图所示，其中盐桥内装琼脂饱和KNO3溶液。

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，写出两电极的电极反应式：

银电极：

_____________________________________________________________；

X电极：

______________________________________________________________。

（3）外电路中的电子是从　　　电极流向　　　　电极。

（4）盐桥中向CuSO4溶液中迁移的离子是　　　（填序号）。

A．K＋B．NO

C．Ag＋D．SO

（5）其中CuSO4溶液能否被H2SO4（稀）溶液代替________。

Ag电极能否被石墨代替

________。

高考题组一　原电池正负极的判断、电极反应

式的书写

1．（2011·北京理综，8）结合下图判断，下列叙述正确的是（　　）

A．Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护

B．Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋

C．Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量K3[Fe（CN）6]溶液，均有蓝色沉淀

2．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

3．铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是（　　）

A．正极反应为：

Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为：

Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从正极流向负极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

4．（2011·广东理综，12）某小组为研究电化学原理，设计如图装置。

下列叙述不正确的是

（　　）

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动

5．（2010·课标全国卷，12）根据下图，可判断出下列离子方程式中错误的是（　　）

A．2Ag（s）＋Cd2＋（aq）===2Ag＋（aq）＋Cd（s）

B．Co2＋（aq）＋Cd（s）===Co（s）＋Cd2＋（aq）

C．2Ag＋（aq）＋Cd（s）===2Ag（s）＋Cd2＋（aq）

D．2Ag＋（aq）＋Co（s）===2Ag（s）＋Co2＋（aq）

6．（2008·广东，5）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）构成一个原电池。

以下有关该原电池的叙述正确的是（　　）

①在外电路中，电流由铜电极流向银电极　②正极反应为：

Ag＋＋e－===Ag　③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作　④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同（提示：

盐桥中K＋、NO

可自由移动）

A．①②B．②③C．②④D．③④

7．Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，当银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电

池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn（OH）4，写出该电池反应方程式：

____________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

高考题组二　原电池原理的应用

（一）设计原电池

8．（2009·福建理综，11）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

（二）蓄电池

9．（2011·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

10．（2008·海南，7）关于铅蓄电池的说法正确的是（　　）

A．在放电时，正极发生的反应是Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）

B．在放电时，该电池的负极材料是铅板

C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小

D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO

（aq）

（三）燃料电池

11．（2010·安徽理综，11）某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构见

下图，电池总反应可表示为：

2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是（　　）

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2

D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

12．（2009·广东，14）可用于电动汽车的铝空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为

电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。

下列说法正确的是（　　）

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－===Al（OH）3↓

C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

13．科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开

发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。

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）。

（已知CH3OH的燃烧热为－726.5kJ·mol－1）

（四）新型电池

14．（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↑

15．（2010·浙江理综，9）LiAl/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反

应式为：

2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe，有关该电池的下列说法中，正确的是（　　）

A．LiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价

B．该电池的电池反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应式为Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

16．（2011·山东理综，29）科研、生产中常涉及钠、硫及其化合物。

（1）实验室可用无水乙醇处理少量残留的金属钠，化学反应方程式为______________________。

要清洗附着在试管壁上的硫，可

用的试剂是________。

（2）右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。

（3）N