全国高考化学总复习《原电池和化学电源》专题突破.docx

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全国高考化学总复习《原电池和化学电源》专题突破

2018年全国高考化学总复习《原电池和化学电源》专题突破

【考纲要求】

　1．了解原电池的工作原理。

2．能写出原电池的电极反应式和反应的总方程式。

3．能根据氧化还原反应方程式设计简单的原电池。

4．能根据原电池原理进行简单计算。

5．熟悉常见的化学电源（一次电池、二次电池和燃料电池），能分析常见化学电池工作原理，了解废旧电池回收的意义。

【考点梳理】

考点一、原电池的概念

1．能量的转化

原电池：

将化学能转变为电能的装置。

电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。

2．工作原理

设计一种装置，使氧化还原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。

电子从负极（较活泼金属）流向正极（较不活泼金属或碳棒），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

电极

电极材料

反应类型

电子流动方向

负极

还原性较强的金属

氧化反应

负极向外电路提供电子

正极

还原性较弱的金属

还原反应

正极从外电路得到电子

以下是锌铜原电池装置示意图：

要点诠释：

盐桥的作用

a．组成：

将热的饱和KCl或NH4NO3琼胶溶液倒入U形管中（不能产生裂隙），即可得到盐桥。

将冷却后的U形管浸泡在KCl饱和溶液或NH4NO3饱和溶液中备用。

b．作用：

（1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。

（2）平衡电荷。

在整个装置的电流回路中，溶液中的电流通路是靠离子迁移完成的。

Zn失去电子形成的Zn2+进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液因Zn2+增多而带正电荷。

同时，CuSO4则由于Cu2+变为Cu，使得SO42-相对较多而带负电荷。

溶液不保持电中性，这两种因素均会阻止电子从锌片流向铜片，造成电流中断。

由于盐桥（如KCl）的存在，其中阴离子Cl-向ZnSO4溶液扩散和迁移，阳离子K+则向CuSO4溶液扩散和迁移，分别中和过剩的电荷，保持溶液的电中性，因而放电作用不间断地进行，一直到锌片全部溶解或CuSO4溶液中的Cu2+几乎完全沉淀下来。

若电解质溶液与KCl溶液反应产生沉淀，可用NH4NO3代替KCl作盐桥。

3．原电池的组成条件

（1）两个活泼性不同的电极（材料可以是金属或导电的非金属），分别发生氧化和还原反应。

原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。

（2）电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。

（3）导线将两电极连接，形成闭合回路。

（4）有能自发进行的氧化还原反应。

4．原电池的判断方法

（1）先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。

（2）多池相连，但无外电源时，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。

5．原电池的正负极的判断方法

判断依据

负极

正极

电极材料

活泼性较强的金属

活泼性较弱的金属或能导电的非金属

电子流动方向

电子流出极

电子流入极

电解质溶液中离子定向移动方向

阴离子移向的负极

阳离子移向的正极

发生的反应

氧化反应

还原反应

反应现象

溶解的极

增重或有气泡放出的极

6．原电池中带电粒子的移动方向

在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。

在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。

具体情况见图：

考点二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应的速率

例如：

在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱

例如：

有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．用于金属的防护

将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。

例如：

在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。

4．原电池的设计

设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。

具体方法是：

（1）首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应；

（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。

①电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。

并且，原电池的电极必须导电。

电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应。

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（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。

如在铜—锌—硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。

（3）按要求画出原电池装置图。

考点三、几种常见的电池

（一）电池的评价

比能量：

电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。

比功率：

电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。

质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。

（二）实用电池的特点

（1）能产生比较稳定而且较高电压的电流；

（2）安全、耐用且便于携带，易于维护；

（3）能够适用于各种环境；

（4）便于回收处理，不污染环境或对环境的污染影响较小；

（5）能量转换率高。

（三）几种常见的电池

1、一次电池：

放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。

干电池：

一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。

碱性锌锰电池

构成：

负极是锌，正极是MnO2，电解质是KOH

负极：

Zn+2OH－－2e－=Zn（OH）2；

正极：

2MnO2+2H2O+2e－=2MnOOH+2OH－

总反应式：

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2

特点：

比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电。

2、二次电池

①铅蓄电池

放电电极反应：

负极：

Pb（s）+SO42－（aq）－2e－＝PbSO4（s）；

正极：

PbO2（s）+4H+（aq）+SO42－（aq）+2e－＝PbSO4（s）+2H2O（l）

总反应式：

Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）＝2PbSO4（s）+2H2O（l）

充电电极反应：

阳极：

PbSO4（s）+2H2O（l）－2e－=PbO2（s）+4H+（aq）+SO42－（aq）；

阴极：

PbSO4（s）+2e－=Pb（s）+SO42－（aq）

总反应：

2PbSO4（s）+2H2O（l）=Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）

总反应方程式：

Pb（s）+PbO2（s）+2H2SO4（aq）2PbSO4（s）+2H2O（l）

说明：

a负极

阴极正极

阳极

b

电池的正负极分别和电源的正负极相连

c各极的pH变化看各电极反应，电池的pH变化看电池总反应

②镍一镉碱性蓄电池

负极：

Cd+2OH－－2e－=Cd（OH）2；

正极：

2NiO（OH）+2H2O+2e－=2Ni（OH）2+2OH－

总反应式：

Cd+2NiO（OH）+2H2O2Ni（OH）2+Cd（OH）2

3、燃料电池

电池

电极

反应

酸性电解质

碱性电解质

氢氧燃料电池

负极

2H2－4e－＝4H+

2H2+4OH－－4e－＝4H2O

正极

O2+4H++4e－＝2H2O

O2+2H2O+4e－＝4OH－

总反应

2H2+O2＝2H2O

2H2+O2＝2H2O

甲烷燃料电池

负极

CH4+2H2O－8e－=CO2+8H+

CH4+10OH－－8e－=CO32－+7H2O

正极

2O2+8H++8e－＝4H2O

2O2+4H2O+8e－=8OH－

总反应

CH4+2O2=CO2+2H2O

CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O

甲醇燃料电池

负极

2CH3OH+2H2O－12e－=2CO2+12H+

2CH3OH+16OH－－12e－=2CO32－+12H2O

正极

3O2+12H++12e－＝6H2O

3O2+6H2O+12e－=12OH－

总反应

2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O

2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。

燃料电池的能量转化率高于80％，远高于燃烧过程（仅30％左右），有利于节约能源。

燃料电池有广阔的发展前途。

（四）正确书写电极反应式

（1）列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。

（2）标明电子的得失。

（3）使质量守恒。

电极反应式书写时注意：

①负极反应生成物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该写入负极反应式；

②若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式，且生成物为OH－；若电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。

③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。

（4）正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。

若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。

注意相加减时电子得失数目要相等。

【典型例题】

类型一：

原电池原理

例1．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，电子从负极流向正极

D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液

【答案】BC

【解析】Zn是负极，故A错；电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同，故B正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。

【总结升华】一定要记住：

原电池工作时，电子沿导线从负极流向正极，在溶液中阴离子向负极移动。

举一反三：

【变式1】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型管）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

A．①②B．②③C．②④D．③④

【答案】C

【变式2】右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是（）

A．该系统中只存在3种形式的能量转化

B．装置Y中负极的电极反应式为：

O2+2H2O+4e－＝4OH－

C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

【答案】C

【解析】本题主要考查的是电化学知识。

A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O；C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；D项，在反应过程中，有能量的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。

综上分析可知，本题选C项。

【变式3】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↑

【答案】B

【解析】②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能与NaOH溶液反应失去电子，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错，C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―==2AlO2―+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。

例2．某同学根据离子反应方程式2Fe3++Fe==3Fe2+来设计原电池。

下列设计方案中可行的是（）

A．电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液

B．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe（NO3）3溶液

C．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液

D．电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液

【答案】B

【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。

举一反三：

【变式1】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）CuAgNO3溶液

（2）正Ag++e－==AgCu－2e－==Cu2+（3）XAg

【解析】由氧化还原反应：

2Ag+（aq）+Cu（s）==Cu2+（aq）+2Ag（s）可知，可以选用Cu（s）—Ag（s）—AgNO3（aq）构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag++e－==Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu－2e－==Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。

类型二：

金属活动性强弱比较

例3．根据下列实验事实：

（1）X+Y2+=X2++Y

（2）Z+2H2O（冷水）=Z（OH）2+H2↑

（3）Z2+离子的氧化性比X2+弱

（4）由Y、W作电极组成的原电池负极反应为：

Y—2e－=Y2+，

由此可知，X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是（）

A．X>Y>Z>WB．Y>X>W>Z

C．Z>X>Y>WD．Z>Y>X>W

【答案】C

【解析】

（1）X能将Y2+还原说明X的还原性强于Y。

（2）Z能与冷水作用，说明Z一定为活泼性很强的金属。

（3）Z2+氧化性比X2+弱说明Z的金属性强于X。

（4）在原电池中Y做负极，故Y的活泼性强于W。

举一反三：

【变式1】X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。

X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是W→Z；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。

据此判断四种金属的活泼性顺序是（）

A．X＞Z＞W＞YB．Z＞X＞Y＞WC．W＞X＞Y＞ZD．Y＞W＞Z＞X

【答案】A

【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。

电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反（物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向）。

因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性X＞Y；Z、W相连时，电流方向是W→Z，则活泼性Z＞W；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性X＞Z；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性W＞Y。

综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是X＞Z＞W＞Y。

类型三：

干电池

例4．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。

锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：

Zn（s）+2MnO2（s）+2H2O

（1）==Zn（OH）2（s）+2MnOOH（s）

下列说法错误的是（）

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为：

2MnO2（s）+2H2O

（1）+2e－==2MnOOH（s）+2OH－（aq）

C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减少6.5g

【答案】C

【解析】该电池工作时，Zn应为负极，失去电子，故A正确。

原电池正极发生得电子反应，即还原反应，故B正确。

电子应由原电池的负极流出，通过外电路流向正极，故C错误。

由于Zn失去2mol电子时，自身消耗的质量为65g，则失去0.2mol电子，理论上消耗6.5g，故D正确。

举一反三：

【变式1】Zn-MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。

（1）该电池的负极材料是　　　　。

电池工作时，电子流向　　　　（填“正极”或“负极”）。

（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是　　　　。

欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的　　　　（填代号）。

a.NaOHb.Zn　　　　c.Fed.NH3·H2O

（3）MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。

阴极的电极反应式是　　　　。

若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为　　　　。

【答案】

（1）Zn正极

（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀b

（3）2H++2e-=H2↑，87g

【解析】

（1）负极发生氧化反应，Zn失电子，做负极。

电子由负极经外电路流向正极。

（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。

除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。

（3）阴极上得电子，发生还原反应，H+得电子生成氢气。

因为MnSO4～MnO2～2e-，通过2mol电子产生1molMnO2，质量为87g。

【变式2】锂电池是新一代高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为：

Li+MnO2==LiMnO2，下列说法正确的是（）

A．Li是正极，电极反应为：

Li－e－==Li+

B．Li是负极，电极反应为：

Li－e－==Li+

C．MnO2是负极，电极反应为：

MnO2+e－==MnO2－

D．Li是负极，电极反应为：

Li－2e－==Li2+

【答案】B

【解析】分析电池的总反应式Li+MnO2==LiMnO2，可以知道Li失去电子，发生氧化反应，所以Li是负极，电极反应为Li－e－==Li+；MnO2是正极，发生还原反应，电极反应为MnO2+e－==MnO2－。

类型四：

蓄电池

例5．锂离子电池的总反应为：

LixC+Li1﹣xCoO2

C+LiCoO2；

锂硫电池的总反应为：

2Li+S

Li2S。

有关上述两种电池说法正确的是（）

A．锂离子电池放电时，Li+向负极迁移

B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应

C．理论上两种电池的比能量相同

D．图中表示用锂离子电池给锂硫电池充电

【思路点拨】电池充电的实质是把放电时发生的变化再复原的过程，即放电是原电池、充电是电解的过程，解决该类题目时，先分清原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

【答案】B

【解析】A、原电池中阳离子向正极移动，则锂离子电池放电时，Li+向正极迁移，故A错误；

B、锂硫电池充电时，锂电极与外接电源的负极相连，锂电极上Li+得电子发生还原反应，故B正确；

C、比能量是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，锂硫电池放电时负极为Li，锂离子电池放电时负极为LixC，两种电池的负极材料不同，所以比能量不同，故C错误；

D、用锂离子电池给锂硫电池充电时，Li为阴极，应与负极C相连，S为阳极应与正极LiCoO2相连，故D错误；

故选B。

【总结升华】原电池中应注意的3个“方向”：

（1）外电路中电子移动方向：

负极→正极，电流方向：

正极→负极；

（2）电池内部离子移动方向：

阴离子→负极，阳离子→正极；

（3）盐桥中（含饱和KCl溶液）离子移动方向：

K+→正极，Cl-→负极。

举一反三：

【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：

2PbSO4+2H2O

PbO2+Pb+2H2SO4

下列对铅蓄电池的说法中错误的是（）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

c．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－+SO42－==PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

【答案】A

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42－生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；工作时（即放电时），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的越浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

【变式2】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为

　　3Zn+2K2FeO4+8H2O

3Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH，下列叙述不正确的是（）

A．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

B．充电时阳极反应为：

2Fe（OH）3－6e－+10OH－=2FeO42－+8H2O

C．放电时负极反应为：

3Zn－6e－+6OH－=3Zn（OH）2

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

【答案】A

【解析】A项中放电时正极应被还原，D项中放电时正极：

2FeO42－+6e－+8H2O=2Fe（OH）3+10OH－，故溶液的碱性增强。

启示：

分析问题要先定性后定量，注意关键字词。

【变式3】镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。

已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：

Cd+2NiOOH+2H2O

Cd（OH）2+2Ni（OH）2有关该电池的说法正确的是（）

A．充电时阳极反应：

Ni（OH）2－e—+OH-==NiOOH+H2O

B．充电过程是化学能转化为电能的过程

C．放电时负极附近溶液的碱性不变

D．放电时电解质溶液中的OH-向正极移动

【答案】A

【解析】由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知，Ni（OH）2作阳极，电解质溶液为KOH溶液，所以阳极电极反应式为：

Ni（OH）2－e－＋OH-===NiOOH＋H2O；Cd（OH）2作阴极，Cd（OH）2＋2e－===Cd＋2OH－；充电的过程是将电能转化为化学能，放电时，Cd作负极，Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，Cd周围的c（OH－）下降，OH－向负极移动。

【变式4】蓄电池在放电时起原电池的作用，在充电时起电解池的作用。

下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电时发生的反应：

Fe+NiO2+2H2O

Fe（OH）