高考高考化学第六章第二讲原电池新型化学电源考点分析.docx
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高考高考化学第六章第二讲原电池新型化学电源考点分析
2019高考高考化学第六章第二讲原电池新型化学电源考点分析
1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。
2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。
2016，卷甲11T；
2016，卷丙11T；
2015，卷Ⅰ11T；
2015，卷Ⅱ26T
（1）
（2）；
2014，卷Ⅱ12T
原电池及其工作原理
[知识梳理]
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中。
三、原电池的工作原理
如图是两种锌铜原电池示意图：
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
电池反应
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
2.原电池中的三个方向
（1）电子流动方向：
从负极流出沿导线流入正极；
（2）电流流动方向：
从正极沿导线流向负极；
（3）离子迁移方向：
电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
四、盐桥原电池的组成和作用
1．盐桥原电池中半电池的构成条件：
电极金属和其对应的盐溶液。
一般不要任意替换成其他阳离子盐溶液，否则可能影响效果。
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。
[自我检测]
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）在原电池中，发生氧化反应的一极是负极。
（ ）
（2）在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强。
（ ）
（3）在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。
（ ）
答案：
（1）√
（2）× （3）×
2．（教材改编题）下列装置不能形成原电池的是（ ）
解析：
选C。
A、B、D项都具有①活泼性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回路；④自发进行的氧化还原反应，均能构成原电池；C项中酒精为非电解质，不能构成原电池。
3．（2017·北京丰台区高三模拟）有关如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。
该装置是原电池装置，其中Cu为负极，失电子发生氧化反应：
Cu－2e－===Cu2＋，Ag为正极，得电子发生还原反应：
Ag＋＋e－===Ag。
原电池中，负极（Cu）失去的电子沿导线流向正极（Ag），盐桥中的阳离子移向正极，即移向AgNO3溶液，综上所述，D错误。
原电池原理考查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。
（2016·高考全国卷甲，11，6分）Mg AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
下列叙述错误的是（ ）
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg（OH）2＋H2↑
[解析] 该电池中Mg作负极，失去电子发生氧化反应，生成Mg2＋，A项正确；正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，B项错误；对原电池来说，阴离子由正极移向负极，C项正确；在负极，Mg会发生副反应Mg＋2H2O===Mg（OH）2＋H2↑，D项正确。
[答案] B
我国首创以铝空气海水电池作为能源的新型的海水标志灯，以海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水数分钟，就会发出耀眼的白光。
则电源的负极材料是__________，负极反应式为______________________；正极材料是________，正极反应式为____________________。
答案：
铝 4Al－12e－===4Al3＋ 石墨等惰性电极 3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
原电池正、负极的判断方法
原电池构成及原理考查
1．（教材改编题）如图所示是一位同学在测试水果电池，下列有关说法错误的是（ ）
A．若金属片A是正极，则该金属片上会产生H2
B．水果电池的化学能转化为电能
C．此水果发电的原理是电磁感应
D．金属片A、B可以一个是铜片，另一个是铁片
答案：
C
2．（2016·高考海南卷改编）某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液。
下列说法正确的是（ ）
A．Zn为电池的负极，被还原
B．正极反应式为2FeO
＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2O
C．该电池放电过程中电解质溶液浓度不变
D．电池工作时OH－向负极迁移
解析：
选D。
A.根据化合价升降判断，Zn化合价只能升高，故为负极材料，被氧化，不正确；B.KOH溶液为电解质溶液，则正极电极反应式为2FeO
＋6e－＋8H2O===2Fe（OH）3＋10OH－，错误；C.该电池放电过程中电解质溶液浓度减小，错误；D.电池工作时阴离子OH－向负极迁移，正确。
原电池正、负极的判断
3．如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细，由此判断表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是（ ）
选项
M
N
P
A
Zn
Cu
稀H2SO4
B
Cu
Fe
稀HCl
C
Ag
Zn
AgNO3溶液
D
Zn
Fe
Fe（NO3）3溶液
解析：
选C。
在装置中电流计指针发生偏转，说明该装置构成了原电池，根据正负极的判断方法，溶解的一极为负极，增重的一极为正极，所以M棒为正极，N棒为负极，且电解质溶液能析出固体，则只有C项正确。
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↑
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。
对盐桥原电池原理的考查
5．（2017·泗洪模拟）如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是（ ）
A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极
B．电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu
C．该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋
D．盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子
解析：
选C。
该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋。
电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的正极，反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，电极Ⅱ为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。
盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递离子。
6．（2017·浙江六校联考）将反应IO
＋5I－＋6H＋3I2＋3H2O设计成如下图所示的原电池。
开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸，电流计指针发生偏转，一段时间后，电流计指针回到零，再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液，电流计指针再次发生偏转。
下列判断不正确的是（ ）
A．开始加入少量浓硫酸时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．开始加入少量浓硫酸时，同时在甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液，只有乙烧杯中溶液变蓝
C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．两次电流计指针偏转方向相反
解析：
选B。
开始加入少量浓硫酸时，由氧化还原反应方程式可知，反应正向进行，KI是还原剂，KIO3是氧化剂，故甲为正极区，甲中石墨作正极，得电子发生还原反应，电极反应式为2IO
＋10e－＋12H＋===I2＋6H2O，乙为负极区，乙中石墨作负极，失电子发生氧化反应，电极反应式为10I－－10e－===5I2，两烧杯中均有I2生成，在甲、乙两烧杯中都加入淀粉溶液，两烧杯中的溶液均变蓝，A正确，B错误；电流计读数为零时，表明反应达到化学平衡状态，C正确；由氧化还原反应方程式可知，电流计指针读数为零，反应达到平衡状态，此时再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液，则消耗了H＋，原氧化还原反应的平衡逆向移动，电流计指针的偏转方向与第一次相反，D正确。
（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）要明确盐桥中离子的移动方向；明确其与可逆反应平衡移动方向的关系。
原电池原理的应用
[知识梳理]
1．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。
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．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加快。
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。
4．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。
[自我检测]
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＞E
D．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。
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，反应速率减慢，且氢气的生成量会减少，错误；B中加入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，生成的氢气会增多，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，并且没有影响氢气的生成量，正确。
（1）比较金属活动性强弱的三种方法
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。
（2）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。
从下列各反应条件的叙述中选择合适的图像：
（1）将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，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分别加入等量的稀硫酸中，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________。
[解析]
（1）a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原电池，反应速率加快，所以a放出H2的量减少，但速率加快。
（2）a中加入CuSO4消耗Zn，但由于Zn过量并不影响产生H2的量，速率会加快。
（3）CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没有发生变化。
[答案]
（1）A
（2）B （3）C
上题
（1）和
（2）中若不向a中加CuSO4溶液，仅对a中溶液加热，则两题应对应哪个图像？
为什么？
答案：
都对应B图。
（1）和
（2）中都产生等量的氢气，对a中溶液加热，使产生H2的速率加快，反应所需的时间缩短，故B图合理。
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Zn的量，即不影响产生H2的量；而加入CuSO4，会消耗一部分Zn，但是否影响产生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）加水稀释，使c（H＋）减小，反应速率减小，但不影响产生H2的量。
（4）改变反应的温度，也会影响Zn与H＋的反应速率。
（5）把锌粒换成锌粉，加快Zn与H＋的反应速率。
原电池的工作原理
1．（2015·高考安徽卷）常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池（图1），测得原电池的电流强度（I）随时间（t）的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。
0～t1时，原电池的负极是Al片，此时，正极的电极反应式是________________________，溶液中的H＋向________极移动。
t1时，原电池中电子流动方向发生改变，其原因是__________________________________________________________。
解析：
在0～t1时，正极上NO
得电子后结合H＋生成NO2和H2O；在原电池中，阳离子向正极移动，故H＋向正极移动；由于Al在浓硝酸中发生了钝化，生成的氧化膜阻止了反应的进行，此时Cu与浓硝酸反应而导致Cu作负极，电子流动方向发生了改变。
答案：
NO
＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O 正 Al在浓硝酸中发生钝化，生成的氧化膜阻止了Al的进一步反应
2．（2017·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→导线→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。
外电路的电子流向为X→导线→Y，电流方向与其相反；X极失电子，作负极，发生的是氧化反应，Y极发生的是还原反应；若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。
原电池的设计
3．请根据原电池原理，利用反应2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，设计一个原电池装置。
负极反应式：
_____________________________________________________________，
正极反应式：
____________________________________________________________，
并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，标明电极材料和电解质溶液，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＋
（合理即可）
设计原电池要注意的问题
（1）必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。
（2）正、负极材料的选择：
根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属（如石墨等）作为正极。
（3）电解质溶液的选择：
电解质溶液一般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（如溶解于溶液中的氧气）。
但如果氧化反应和还原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，这样可减少离子极化作用，便于电子和离子的移动，如在Cu Zn构成的原电池中，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。
化学电源及电极反应式的书写
[知识梳理]
一、一次电池——碱性锌锰干电池
负极材料：
Zn，电极反应式：
Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；
正极材料：
MnO2，电极反应式：
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。
二、二次电池（以铅蓄电池为例）
1．放电时的反应
（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）；
（3）总反应：
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）===2PbSO4（s）＋2H2O（l）。
2．充电时的反应
（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）；
（3）总反应：
2PbSO4（s）＋2H2O（l）===Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。
三、燃料电池
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。
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
四、电极反应式书写技巧和步骤
首先明确电极反应式属于以离子反应表达的氧化还原半反应，要遵循离子方程式的拆分物质的规则。
1．先写出电极反应式的主要框架（待配平）
（1）酸性电解液
负极：
还原剂－xe－→氧化产物＋H＋
正极：
氧化剂＋xe－＋H＋→还原产物
（2）非酸性电解液（或质）（包括碱溶液、熔融碳酸盐及氧化物）
负极：
还原剂－xe－＋阴离子→氧化产物
正极：
氧化剂＋xe－→阴离子＋还原产物
2．依据化合价变化分别标出氧化剂与电子的比例、还原剂与电子的比例，也就是配平氧化剂、还原剂和电子的系数。
3．根据电荷守恒配平离子，注意要把得电子看作负电荷，失电子看作正电荷处理。
4．最后根据元素守恒配平其余物质。
[自我检测]
1．以甲烷燃料电池为例来分析不同环境下电极反应式的书写。
（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）CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
2O2＋8e－＋8H＋===4H2O
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
（2）CH4－8e－＋10OH－===CO
＋7H2O
2O2＋8e－＋4H2O===8OH－
CH4＋2O2＋2OH－===CO
＋3H2O
（3）CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－ CH4＋2O2===CO2＋2H2O
（4）CH4－8e－＋4CO
===5CO2＋2H2O
2O2＋8e－＋4CO2===4CO
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2．（教材改编题）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．放电时负极附近溶液的碱性不变
B．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
C．放电时正极反应：
NiOOH＋e－＋H2O===Ni（OH）2＋OH－
D．放电时Cd在正极上放电
解析：
选C。
放电时Cd作负极，发生Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，负极附近溶液碱性减弱，A、D错误；放电时电解质溶液中的OH－向负极
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