届高考化学二轮复习原电池化学电源学案.docx

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届高考化学二轮复习原电池化学电源学案

【知识精讲】

一、体系构建

二、原电池的工作原理及应用

1.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。

2.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。

3.工作原理

以锌铜原电池为例

（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

电子流向

由Zn片沿导线流向Cu片

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

（2）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：

a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。

4.原电池原理的应用

（1）比较金属的活动性强弱：

原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属（或非金属）。

（2）加快化学反应速率：

氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。

（3）用于金属的防护：

将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。

（4）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根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。

三、常见化学电源及工作原理

（一）一次电池：

只能使用一次，不能充电复原继续使用

1.碱性锌锰干电池

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

负极材料：

Zn。

电极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2。

正极材料：

碳棒。

电极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

2.纽扣式锌银电池

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

电解质是KOH。

负极材料：

Zn。

电极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2。

正极材料：

Ag2O。

电极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

3.锂电池

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8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。

（1）负极材料为________，电极反应为_________________________________________。

（2）正极的电极反应为_______________________________________________________。

答案　

（1）锂　8Li－8e－===8Li＋

（2）3SOCl2＋8e－===2S＋SO

＋6Cl－

（二）二次电池：

放电后能充电复原继续使用

1.铅蓄电池总反应：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

（1）放电时——原电池

负极反应：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）；

正极反应：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）。

（2）充电时——电解池

阴极反应：

PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO

（aq）；

阳极反应：

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

（aq）。

2.图解二次电池的充放电

3.二次电池的充放电规律

（1）充电时电极的连接：

充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。

（2）工作时的电极反应式：

同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。

（三）“高效、环境友好”的燃料电池

1.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。

种类

酸性

碱性

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电池总反应式

2H2＋O2===2H2O

备注

燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用

2.解答燃料电池题目的思维模型

3.解答燃料电池题目的几个关键点

（1）要注意介质是什么？

是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。

（2）通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。

（3）通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

【典题精练】

考点1、考查原电池的工作原理

例1．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，一定是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

解析：

A项，内电路中不存在电子的移动；B项，若是由铝、镁、氢氧化钠溶液构成的原电池，则负极是铝；C项，若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池，则正极表面析出铜，没有气泡产生。

答案：

D

误区警示：

规避原电池工作原理的3个失分点

（1）原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。

（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。

考点2、考查原电池正负极的判断及电极反应式的书写

例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↑

解析：

②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子作负极；③中Fe在浓HNO3中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，则Fe作正极A、C错；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO

＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。

答案：

B

练后归纳：

判断原电池正、负极的5种方法

说明：

原电池的正极和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3、考查原电池原理的应用

例3.4．某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。

请你帮助他们完成有关实验项目：

方案Ⅰ：

有人提出将大小相等的铁片和铜片，分别同时放入稀硫酸（或稀盐酸）中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。

该原理的离子方程式为__________。

方案Ⅱ：

有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。

试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。

正极反应式：

__________________________________

负极反应式：

__________________________________

方案Ⅲ：

结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案：

____________（与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同），用离子方程式表示其反应原理：

________。

解析：

方案Ⅰ：

铁与酸反应产生气泡，Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，而铜与酸不反应。

方案Ⅱ：

设计原电池时以铁、铜为电极，电解质溶液为稀硫酸或盐酸等溶液。

实验现象是铁溶解，而铜极上有无色气泡产生。

在负极：

Fe失去电子变为Fe2＋，Fe－2e－===Fe2＋；在正极，溶液中的H＋获得电子变为H2,2H＋＋2e－===H2↑。

方案Ⅲ：

设计简单实验时注意原理与方案Ⅰ及方案Ⅱ的原理不同，且现象明显，操作简单。

将铁片置于CuSO4溶液，若铁片表面覆盖一层铜，说明Fe比Cu活动性强，离子方程式为Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。

（合理即可）

答案：

方案Ⅰ：

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

方案Ⅱ：

装置如图所示

2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋

方案Ⅲ：

将铁片置于CuSO4溶液，若铁片表面覆盖一层铜，说明Fe比Cu活动性强　Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu

方法技巧：

利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法

将A、B两种金属用导线连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。

考点4、考查新型电池——可充电电池的工作原理

例4．“天宫一号”飞行器白天靠太阳能帆板产生电流向镍氢电池充电，夜间镍氢电池向飞行器供电。

镍氢电池的结构示意图如图所示。

若电池总反应为2Ni（OH）2

2NiOOH＋H2。

则下列说法正确的是（　　）

A．放电时，NiOOH发生氧化反应

B．充电时，a电极的pH增大，K＋移向b电极

C．充电时，a电极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

D．放电时，负极反应为NiOOH＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－

解析：

放电时，NiOOH在正极上放电，发生还原反应，A错误；充电时，a电极作阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，pH增大，K＋移向a电极，B错误、C正确；放电时，负极上H2放电，D错误。

答案：

C

解题技巧：

4方面突破可充电电池

考点5、考查新型电池——燃料电池的工作原理

例5．如图所示为以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的结构示意图。

关于该电池的叙述不正确的是（　　）

A．该电池不能在高温下工作

B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋

C．放电过程中，电子从正极区向负极区每转移1mol，便有1molH＋从阳极室进入阴极室

D．微生物燃料电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相容性等优点，值得研究与推广

解析：

高温条件下微生物会死亡，电池不能正常工作，A选项正确；电池的负极失电子，发生氧化反应，即葡萄糖失电子生成CO2气体，B选项正确；放电过程中，电子从负极区向正极区转移，C选项错误；结合题给条件分析，D选项正确。

答案：

C

解题规律：

特定燃料电池电极反应式的书写与判断

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和后的反应。

如甲烷燃料电池（电解质：

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，电解质溶液不同，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，写出负极反应式。

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。

【名校新题】

1．（2019·山东师范大学附中高考模拟）下图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。

下列说法正确的是

A．a、b极不能使用同种电极材料

B．工作时，a极的电势低于b极的电势

C．工作一段时间之后，a极区溶液的pH增大

D．b极的电极反应式为：

CH3COO－+4H2O－8e－=2HCO3－+9H+

【答案】D

【解析】图中连接负载（用电器）的装置为原电池，根据电极上的物质变化，判断得或失电子、电极名称，写出电极反应式。

A项：

电极a、b上发生的反应不同，因而两极间形成电势差，故电极材料可同可异，A项错误；B项：

工作时，电极b上CH3COO-→HCO3-，碳元素从平均0价失电子升至+4价，电极b是原电池的负极，则电极a是电池的正极，a极的电势高于b极的电势，B项错误；C项：

电极a（正极）电极反应为

+H++2e-　→　

＋Cl-，正极每得到2mol电子时，为使溶液电中性，必有2molＨ+通过质子交换膜进入a极溶液，同时电极反应消耗1molＨ+。

故工作一段时间之后，a极区溶液中H+浓度增大，pH减小，C项错误；D项：

据图中物质转化，考虑到质量守恒和电荷守恒关系，电极b（负极）反应为CH3COO－+4H2O－8e－=2HCO3－+9H+，D项正确。

本题选D。

2．（2019·山东高考模拟）一种钌（Ru）基配合物光敏染料敏化太阳能电池的示意图如图。

电池工作时电极上发生的反应为：

RuII

RuII*（激发态）RuII*→RuIIII3﹣+2e﹣→3I﹣下列关于该电池的叙述正确的是:

A．电池工作时，是将化学能转化为电能

B．电池工作时，电解质溶液中I﹣和I3﹣浓度不断减少

C．透明导电玻璃上的电势比镀Pt导电玻璃上的电势高

D．电解质溶液中发生反应：

2Ru3++3I﹣═2Ru2++I3﹣

【答案】D

【解析】A.根据图示可知，该电池工作时，是将太阳能转化为电能的装置，A错误；

B.电池工作时，电解质溶液中I-和I3-浓度不变，B错误；C.根据装置图可知，电子由透明导电玻璃上通过用电器转移至镀Pt导电玻璃上，所以透明导电玻璃上的电势比镀Pt导电玻璃上的电势低，C错误；D.电池工作时，在电解质溶液中发生反应：

2Ru3++3I-=2Ru2++I3-，D正确；故合理选项是D。

3．（2019·山东高三期末）金属-硫电池价格低廉，使用寿命长，能量密度高，因而在电池研究领域得到广泛关注。

常温下新型Mg-S电池放电时的总反应为：

Mg+nS=MgSn。

下列关于该电池的说法中正确的是

A．负极材料为金属镁，正极材料为固体硫

B．电解质溶液可选用硫酸铜溶液

C．放电时，溶液中的阳离子向负极移动

D．将金属镁换成金属钠或锂也可以形成原电池

【答案】D

【解析】A.根据总反应方程式可知，在反应中Mg失去电子，所以金属镁作原电池的负极，而固态S不能导电，因此不能作电极，A错误；B.若电解质溶液选用硫酸铜溶液，则在正极上就不能是S获得电子变为阴离子，B错误；C.在原电池放电时，溶液中的阳离子向负电荷较多的正极移动，C错误；D.若将金属镁换成金属钠或锂，由于这两种金属的活动性也很强，因此也可以形成原电池，D正确；故合理选项是D。

4．（2019·山东高三期末）某新型水系钠离子电池工作原理如下图所示。

TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，充电时Na2S4转化为Na2S。

下列说法正确的是

A．充电时，太阳能转化为化学能，化学能又转化为电能

B．放电时，a极为正极

C．充电时，阳极的电极反应式为3I--2e-=I3-

D．M可以使用阴离子交换膜

【答案】C

【解析】A.根据题意：

TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，所以充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能，A错误；B.充电时Na2S4还原为Na2S，放电和充电互为逆过程，所以a是负极，B错误；C.在充电时，阳极b上失电子，发生氧化反应，根据图示知道电极反应为：

3I--2e-═I3-，故C正确；D.根据图示可以知道交换膜允许钠离子自由通过，所以应该是阳离子交换膜，D错误；故合理选项是C。

5．（2019·山东省济南市长清第一中学高三月考）通过膜电池可除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚（

），其原理如下图所示，下列说法正确的是

A．B为电池的正极，发生还原反应

B．电流方向从B极沿导线经小灯泡流向A极

C．A极的电极反应式为:

D．当外电路中有0.2mole-转移时，A极区增加的H+的数目为0.1NA

【答案】D

【解析】原电池中阳离子移向正极，根据原电池中氢离子的移动方向可知A为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为

，电流从正极经导线流向负极，则A．B为电池的负极，发生氧化反应，A错误；B．电流从正极A沿导线流向负极B，B错误；C．A为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为

，C错误；D．据电荷守恒，当外电路中有0.2mole-转移时，通过质子交换膜的H+的个数为0.2NA，而发生

，则A极区增加的H+的个数为0.1NA，D正确；答案选D。

6．（2019·山东济宁一中高三开学考试）中国科学家用蘸墨汁书写后的纸张作为空气电极，设计并组装了轻型、柔性、能折叠的可充电锂空气电池如下图1，电池的工作原理如下图2。

下列有关说法正确的是

A．放电时，纸张中的纤维素作锂电池的正极

B．开关K闭合给锂电池充电，X为直流电源负极

C．放电时，Li+由正极经过有机电解质溶液移向负极

D．充电时，阳极的电极反应式为：

Li2O2+2e-=O2↑+2Li+

【答案】B

【解析】可充电锂空气电池放电时，纸张中的石墨作锂电池的正极，活泼的锂是负极，电解质里的阳离子负极经过有机电解质溶液移向正极；开关K闭合给锂电池充电，电池负极接电源的负极，充电时阳极上发生失电子的氧化反应。

A、可充电锂空气电池放电时，纸张中的石墨作锂电池的正极，故A错误；B、开关K闭合给锂电池充电，电池负极接电源的负极，X为直流电源负极，故B正确；C、放电时，Li+由正极经过有机电解质溶液移向正极，故C错误；D、充电时阳极上发生失电子的氧化反应

Li2O2-2e-=O2↑+2Li+，故D错误；故选B。

7．（2019·临猗县临晋中学高三月考）某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2＝2AgCl。

下列说法正确的是

A．正极反应为AgCl＋e－＝Ag＋Cl－

B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D．当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

【答案】D

【解析】A项正确的正极反应式为Cl2＋2e－＝2Cl－，错误；B项由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，故在左侧溶液中才会有大量白色沉淀生成，错误；C项若用NaCl溶液代替盐酸，电池总反应不变，错误；D项当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧产生0.01molAg＋与盐酸反应产生AgCl沉淀，同时约有0.01molH＋通过阳离子交换膜转移到右侧溶液中，故左侧溶液共约0.02mol离子减少，正确。

故选D。

8．（2019·山东高考模拟）利用微生物燃料电池进行废水处理，实现碳氮联合转化。

其工作原理如下图所示，其中M、N为厌氧微生物电极。

下列有关叙述错误的是

A．负极的电极反应为CH3COO-—8e-+2H2O==2CO2↑+7H+

B．电池工作时，H+由M极移向N极

C．相同条件下，M、N两极生成的CO2和N2的体积之比为3：

2

D．好氧微生物反应器中发生的反应为NH4++2O2==NO3-+2H++H2O

【答案】C

【解析】图示分析可知：

N极NO3-离子得到电子生成氮气、发生还原反应，则N极正极。

M极CH3COO-失电子、发生氧化反应生成二氧化碳气体，则M极为原电池负极，NH4+在好氧微生物反应器中转化为NO3-，A．M极为负极，CH3COO-失电子、发生氧化反应生成二氧化碳气体，电极反应为CH3COO-—8e-+2H2O==2CO2↑+7H+，故A正确；B．原电池工作时，阳离子向正极移动，即H+由M极移向N极，故B正确；C．生成1molCO2转移4mole-，生成1molN2转移10mole-，根据电子守恒，M、N两极生成的CO2和N2的物质的量之比为10mol：

4mol=5:

2，相同条件下的体积比为5:

2，故C错误；D．NH4+在好氧微生物反应器中转化为NO3-，则反应器中发生的反应为NH4++2O2==NO3-+2H++H2O，故D正确；故答案为C。

9．（2019·山东高考模拟）已知过氧化氢在强碱性溶液中主要以HO2-存在。

我国研究的Al-H2O2燃料电池可用于深海资源的勘查、军事侦察等国防科技领域，装置示意图如下。

下列说法错误的是

A．电池工作时，溶液中OH-通过阴离子交换膜向Al极迁移

B．Ni极的电极反应式是HO2-+2e-+H2O=3OH-

C．电池工作结束后，电解质溶液的pH降低

D．Al电极质量减轻13.5g，电路中通过9.03×1023个电子

【答案】C

【解析】A.根电池装置图分析，可知Al较活泼，作负极，而燃料电池中阴离子往负极移动，因而可推知OH-（阴离子）穿过阴离子交换膜，往Al电极移动，A正确；

B.Ni为正极，电子流入的一端，因而电极附近氧化性较强的氧化剂得电子，又已知过氧化氢在强碱性溶液中主要以HO2-存在，可知HO2-得电子变为OH-，故按照缺项配平的原则，Ni极的电极反应式是HO2-+2e-+H2O=3OH-，B正确；

C.根电池装置图分析，可知Al较活泼，Al失电子变为Al3+，Al3+和过量的OH-反应得到AlO2-和水，Al电极反应式为Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O，Ni极的电极反应式是HO2-+2e-+H2O=3OH-，因而总反应为2Al+3HO2-=2AlO2-+H2O+OH-，显然电池工作结束后，电解质溶液的pH升高，C错误；D.A1电极质量减轻13.5g，即Al消耗了0.5mol，Al电极反应式为Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O，因而转移电子数为0.5×3NA=9.03×1023，D正确。

故答案选C。

10．（2019·山东高考模拟）中国是一个严重缺水的国家，污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚，其原理如图所示，下列说法不正确的是

A．电流方向从A极沿导线经小灯泡流向B极

B．B极为电池的阳极，电极反应式为CH3COO——8e−+4H2O═2HCO3—+9H+

C．当外电路中有0.2mole−转移时，通过质子交换膜的H+的个数为0.2NA

D．A极的电极反应式为

+H++2e−═Cl−+

【答案】B

【解析】原电池中阳离子移向正极，根据原电池中氢离子的移动方向可知A为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为

+2e-+H+═

+Cl-，B为负极，电极反应式为CH3COO--8e-+4H2O ═2HCO3-+9H+，A．原电池工作时，电流从正极经导线流向负极，即电流方向从A极沿导线经小灯泡流向B极，故A正确；B．B极为电池的负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为CH3COO--8e-+4H2O ═2HCO3-+9H+，B极不是阳极，故B错误；C．根据电子守恒可知，当外电路中有0.2mole-转移时，通过质子交换膜的H