高三化学一轮复习专题6第2单元原电池化学电源教师用书苏教版.docx

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高三化学一轮复习专题6第2单元原电池化学电源教师用书苏教版

第二单元　原电池　化学电源

考纲定位

考情播报

1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能写出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·全国甲卷T11/全国丙卷T11

2015·全国卷ⅠT11/全国卷ⅡT26

（1）

（2）

2014·全国卷ⅡT12

2013·全国卷ⅠT10、T27（5）、T28（5）/全国卷ⅡT11

2012·全国卷T26（4）

考点1|原电池的工作原理及简单应用　

[基础知识自查]

1．概念及反应本质

把化学能转化为电能的装置，其本质是发生了氧化还原反应。

2．构成条件

（1）有两个活动性不同的电极（常见为金属或石墨）。

（2）将电极插入电解质溶液中。

（3）两电极间构成闭合回路（两电极接触或用导线连接）。

（4）能自发发生氧化还原反应。

3．工作原理

如图是CuZn原电池，请填空：

（1）反应原理

电极名称

负极

正极

电极材料

Zn

Cu

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。

（3）两种装置的比较

图Ⅰ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Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分别在两个池中，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。

（4）盐桥作用

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。

4．原电池原理的三个应用

（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。

[应用体验]

1．在如图所示的8个装置中，不能形成原电池的是

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________（填序号），并指出原因。

[提示]　①只有一个金属，不能构成两极

③两极金属相同

⑤酒精不是电解质溶液，不导电

⑧未形成闭合回路

2．

（1）根据反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计的原电池的负极反应式为

_______________________________________________________________，

正极反应式为_______________________。

（2）根据2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O设计的原电池的正极反应式为

_____________________________________________________________。

[提示]　

（1）Fe－2e－===Fe2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

（2）O2＋4e－＋4H＋===2H2O

[考点多维探究]

角度1　原电池的工作原理及电极判断

1．（2015·天津高考）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

）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

C　[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

不参加电极反应，故甲池的c（SO

）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。

]

2．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。

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．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

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；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；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。

]

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↑

B　[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错误；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作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。

]

原电池的工作原理简图

注意：

①一般负极金属较活泼，正极金属或非金属不活泼。

②一般负极溶解或质量减轻，正极有气泡或质量增重。

③若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。

角度2　原电池原理的应用

4．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验，试比较金属活动性的强弱：

（1）A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极，活动性________；

（2）C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C，活动性________；

（3）A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡，活动性________；

（4）B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，活动性________；

（5）用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出，活动性________。

综上所述，这五种金属的活动性从强到弱的顺序为________。

[答案]　

（1）A>B　

（2）C>D　（3）A>C　（4）D>B　（5）B>E　A>C>D>B>E

5．把适合题意的图像填在横线上（用A、B、C、D表示）

（1）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________。

（2）将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，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________。

（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，但不影响产生H2的量，速率也加快。

（3）CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。

[答案]　

（1）A　

（2）B　（3）C

6．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。

[答案]　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

原电池设计的思维模板

（1）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。

（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（如溶解于溶液中的空气）。

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。

（3）画装置图：

注明电极材料与电解质溶液。

但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合回路。

考点2|常见化学电源的原理及电极反应式的书写　

[基础知识自查]

1．一次电池（以碱性锌锰电池为例）

总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

2．二次电池

（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

（2）二次电池充电时的电极连接

3．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。

介质

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

注：

①燃料电池的电极不参加电极反应，外通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。

②书写电极反应时，注意介质的参与反应。

[应用体验]

1．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

请回答下列问题：

（1）放电时，负极反应式为___________________________________，

正极反应式为__________________________________________。

（2）充电时，阴极反应式为____________________________________，

阳极反应式为__________________________________________。

（3）放电时，K＋向________极迁移，负极的溶液pH的变化为________。

（4）充电时，镍镉电池的负极应与外接电源的________极相连。

[提示]　

（1）Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2

2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni（OH）2＋2OH－

（2）Cd（OH）2＋2e－===Cd＋2OH－

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O

（3）正　减小　（4）负

2．以CO为燃料气，请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应式（填入表格中）。

电解质

电极反应式或总反应式

①酸性介质

正极

负极

总反应

②碱性介质

正极

负极

总反应

③固体氧化物（其中O2－可以在固体介质中自由移动）

正极

负极

总反应

④熔融碳酸盐（CO

）

正极

负极

总反应

[提示]　①O2＋4e－＋4H＋===2H2O

2CO－4e－＋2H2O===2CO2＋4H＋

2CO＋O2===2CO2

②O2＋4e－＋2H2O===4OH－

2CO－4e－＋8OH－===2CO

＋4H2O

2CO＋O2＋4OH－===2CO

＋2H2O

③O2＋4e－===2O2－

2CO－4e－＋2O2－===2CO2

2CO＋O2===2CO2

④O2＋4e－＋2CO2===2CO

2CO－4e－＋2CO

===4CO2

2CO＋O2===2CO2

[考点多维探究]

角度1　常见化学电源的原理分析

1．（2017·长沙模拟）比亚迪双模电动汽车使用的是高铁电池，其总反应为3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH

3Zn＋2K2FeO4＋8H2O，下列说法正确的是（　　）

A．放电时，若有6mol电子发生转移，则有2molK2FeO4被氧化

B．放电时，正极反应为FeO

＋4H2O－3e－===Fe（OH）3＋5OH－

C．充电时，电池的负极与外接电源的负极相连

D．充电时，阴极附近溶液的pH变小

C　[由反应方程式可知，放电时，K2FeO4被还原，A项错误；放电时正极得电子，电极反应为FeO

＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3＋5OH－，B项错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，C项正确；充电时，阴极附近溶液的pH变大，D项错误。

]

2．（2017·信阳市一模）某充电宝锂离子电池的总反应为xLi＋Li1－xMn2O4

LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为NiOOH＋MH

M＋Ni（OH）2（M为储氢金属或合金），有关上述两种电池的说法不正确的是（　　）

A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移

B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：

NiOOH＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－

C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电

D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：

LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4＋xLi＋

D　[A项，锂离子电池放电时阳离子移向正极，所以Li＋向正极迁移，故A正确；B项，放电时，正极发生还原反应，方程式为NiOOH＋e－＋H2O===Ni（OH）2＋OH－，故B正确；C项，题图表示用锂离子电池为放电过程，而镍氢电池为充电过程，故负极Li接M极发生M＋H＋＋e－===MH，故C正确；D项，锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：

Li＋＋e－===Li，故D错误。

]

3．（2016·全国丙卷）锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn（OH）

。

下列说法正确的是（　　）

A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动

B．充电时，电解质溶液中c（OH－）逐渐减小

C．放电时，负极反应为：

Zn＋4OH－－2e－===Zn（OH）

D．放电时，电路中通过2mol电子，消耗氧气22.4L（标准状况）

C　[A项，充电时，电解质溶液中K＋向阴极移动，错误；B项，充电时，总反应方程式为2Zn（OH）

2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，所以电解质溶液中c（OH－）逐渐增大，错误；C项，在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2＋将与OH―结合生成Zn（OH）

，正确；D项，O2～4e－，故电路中通过2mol电子时，消耗氧气0.5mol，在标准状况体积为11.2L，错误。

]

角度2　常见电源电极反应式的书写

4．

（1）FeCu稀H2SO4组成的原电池中，负极反应为

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________，

正极反应为______________________________________________，

电池总反应为________________________________________________。

（2）MgAlNaOH溶液组成的原电池中，负极反应为________________，正极反应为__________________________________________________，

电池总反应为________________________________________________。

（3）（2015·全国卷Ⅱ节选）酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。

该电池放电过程产生MnOOH。

回收处理该废电池可得到多种化工原料。

回答下列问题：

①该电池的正极反应式为_______________________________________，

电池反应的离子方程式为________________________________________。

②维持电流强度为0.5A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g。

（已知F＝96500C·mol－1）

（4）（2012·全国卷节选）与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________，

该电池总反应的离子方程式为

_______________________________________________________________

_____________________________________________________________。

（5）用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料（用MH表示），NiO（OH）作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。

电池充放电时的总反应为：

NiO（OH）＋MH

Ni（OH）2＋M

电池放电时，负极的电极反应式为

_______________________________________________________________，

充电时，阳极反应式为

_____________________________________________________________。

[解析]　

（1）Fe作负极，电极反应：

Fe－2e－===Fe2＋；Cu作正极，电极反应：

2H＋＋2e－===H2↑。

（2）Al作负极，电极反应：

Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O；Mg作正极，电极反应：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。

（3）①根据酸性锌锰干电池的构造可知，放电时，负极Zn失去电子生成Zn2＋，正极MnO2得到电子生成MnOOH，从而可写出正极和负极的电极反应式，然后在遵循电子守恒的前提下将两极反应式加合可得电池反应的离子方程式。

②电池工作5分钟，通过的电量Q＝It＝0.5A×5min×60s/min＝150C，因此通过电子的物质的量n（e－）＝

＝

≈1.554×10－3mol，则理论消耗Zn的质量是m（Zn）＝

×65g/mol≈0.05g。

（4）K2FeO4Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeO

中＋6价铁元素被还原为Fe（OH）3中＋3价铁元素，其电极反应式为FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe（OH）3和Zn（OH）2。

（5）负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H＋，H＋再与OH－结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MH－e－＋OH－===M＋H2O。

充电时阳极发生氧化反应，反应式为Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2O。

[答案]　

（1）Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑　Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

（2）Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑

（3）①MnO2＋H＋＋e－===MnOOH　2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋　②0.05

（4）FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－

2FeO

＋8H2O＋3Zn===2Fe（OH）3＋3Zn（OH）2＋4OH－

（5）MH－e－＋OH－===M＋H2O

Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2O

化学电源中电极反应书写的思维模板

（1）明确两极的反应物；

（2）明确直接产物：

根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；

（3）确定最终产物：

根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；

（4）配平：

根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。

注意：

①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，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。

　特定新型电池的命题分析

命题点1　特定装置的新型电池原理分析

（1）特定装置的新型电池的命题点

①两极的判断及电极反应式的书写与判断。

②两极产物及反应类型判断。

③电子、电流、离子的移动方向的判断。

④电池总反应式的书写与判断。

⑤转移电子及产物的计算。

（2）特定装置的新型电池的分析思路

①分析装置中提供的信息：

如反应物或产物、介质粒子成分、交换膜的类型、离子移动方向、电极材料等。

②分析两极反应原理及电极反应或总反应。

③完成有关问题。

[对点训练1]　（2015·全国卷Ⅰ）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。

下列有关微生物电池的说法错误的是（　　）

A．正极反应中有CO2生成

B．微生物促进了反应中电子的转移

C．质子通过交换膜从负极区移向正极区

D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O

A　[图示所给出的是原电池装置。

A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。

B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。

C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。

D.正极