苏教版高考化学一轮复习专题6化学反应与能量变化第18讲原电池化学电源学案

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第18讲　原电池　化学电源
【课标要求】　1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

考点1　原电池的工作原理及应用


1．概念：把化学能转化为电能的装置。
2．构成条件
(1)有两个电极(大多数不同，也可能相同，如氢氧燃料电池等)；
(2)有电解质(电解质通常是溶液，也可能是熔融状态或固体电解质)；
(3)有闭合回路(首尾连通，教学时展示各种闭合回路)；
(4)有自发的氧化还原反应。
3．工作原理(以铜锌原电池为例)

(1)工作原理

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
(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。
[提醒]　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无论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。
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。

1．下面装置中，能构成原电池的是________(填序号)。



答案：②④⑥⑦⑨
2．原电池正负极的判断方法
(1)由组成原电池的电极材料判断。一般是活动性较强的金属为________极，活动性较弱的金属或能导电的非金属为________极。
(2)根据电流方向或电子流动方向判断。电流由________极流向________极；电子由________极流向________极。
(3)根据原电池中电解质溶液内离子的移动方向判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子移向________极，阴离子移向________极。
(4)根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的________极失电子发生氧化反应，其________极得电子发生还原反应。
(5)根据现象判断。一般情况下，溶解的一极为________极，增重或有气体逸出的一极为________极。
答案：(1)负　正　(2)正　负　负　正　(3)正　负　(4)负　正　(5)负　正
[归纳提升]
原电池正、负极的判断














题组一　原电池的工作原理
1．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(　　)

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：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。
答案：C
2．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
解析：Zn作负极，Cu作正极，铜电极上发生还原反应，A项错误；负极发生的反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，而该离子交换膜是阳离子交换膜，因此Zn2＋由甲池交换到乙池，故甲池中硫酸根离子浓度几乎不变，B、D项错误；铜电极上Cu2＋放电，Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池，C项正确。
答案：C
3．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________________________________________________________
_____________________________________________________________。
答案：2H＋＋NO＋e－===NO2↑＋H2O　正　Al在浓HNO3中发生钝化，氧化膜阻止了Al的进一步反应
[归纳提升]
原电池工作原理简图

题组二　原电池原理的应用
4．(1)将过量的两份锌粉a、b分别加入一定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，请画出产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系图像。
(2)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。请画出产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系图像。
(3)将第(2)题中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，请画出产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系图像。
答案：
(1)　(2)　(3)
5．某校化学兴趣小组进行探究性活动：将氧化还原反应2Fe3＋＋2I－⇌2Fe2＋＋I2，设计成带盐桥的原电池。提供的试剂：FeCl3溶液、KI溶液；其他用品任选。
请画出设计的原电池装置图，并标出电极材料，电极名称及电解质溶液。
答案：

归纳提升
画原电池装置图常见失分点
失分点1.不注明电极材料名称或元素符号。
失分点2.不画出电解质溶液(或画出但不标注)。
失分点3.误把盐桥画成导线。
失分点4.不能连成闭合回路。
题组三　聚焦“盐桥”原电池
6．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
解析：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。
答案：D
7．(双选)如图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应“AsO＋2I－＋2H＋⇌AsO＋I2＋H2O”设计成的原电池装置，其中C1、C2均为碳棒。甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸；乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40% NaOH溶液。

下列叙述中正确的是(　　)
A．甲组操作时，电流表(A)指针发生偏转
B．甲组操作时，溶液颜色变浅
C．乙组操作时，C1做正极
D．乙组操作时，C1上发生的电极反应为I2＋2e－===2I－
解析：装置Ⅰ中的反应，AsO＋2I－＋2H＋⇌AsO＋I2＋H2O，当加入适量浓盐酸时，平衡向右移动，有电子转移，但电子不会沿导线通过，所以甲组操作时，电流表(A)指针不会发生偏转，但由于I2浓度增大，所以溶液颜色变深；向装置ⅡB烧杯中加入NaOH溶液，C2上发生：AsO－2e－＋2OH－===AsO＋H2O，电子沿导线到C1棒，I2＋2e－===2I－，所以C2为负极，C1为正极。
答案：CD
考点2　化学电源


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


总反应式：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
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8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。

(2)正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SO＋6Cl－。
二、二次电池：放电后能充电复原继续使用
　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＋SO－2e－===PbSO4；
正极反应：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SO；
阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO_。
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，分为酸性和碱性两种。
电池
酸性
碱性或中性
负极反
应式
2H2－4e－===4H＋
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反
应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
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


　(1)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加。(　　)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。(　　)
(3)若使反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋以原电池方式进行，可用锌铁做电极材料。(　　)
(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。(　　)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能。(　　)
(6)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2 mol电子时，消耗0.1 mol H2SO4。(　　)
答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×

　可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？
答案：



题组一　传统一次电池
1．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。该电池放电过程中产生MnOOH。
(1)该电池的正极反应式为___________________________________________，
电池总反应的离子方程式为___________________________________________。
(2)维持电流强度为0.5 A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g (已知F＝96 500 C·mol－1)。
解析： (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，然后在遵循得失电子守恒的前提下，将两极反应式加合可得电池总反应的离子方程式。(2)电池工作5分钟，通过的电量Q＝0.5 A×5 min×60 s·min－1＝150 C，则理论上消耗Zn的质量m(Zn)＝×65 g·mol－1≈0.05 g。
答案：(1)MnO2＋e－＋H＋===MnOOH
Zn＋2MnO2＋2H＋===Zn2＋＋2MnOOH
(2)0.05
题组二　传统二次电池
2．镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行：
Cd＋2NiO(OH)＋2H2O Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，由此判断错误的是(　　)
A．放电时，Cd作负极
B．充电时，正极上发生还原反应
C．电解质溶液为碱性溶液
D．放电时，负极反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
解析：该原电池放电时，Cd元素化合价由0价变为＋2价，Cd失电子发生氧化反应而作负极，故A正确；充电时，正极是阳极，发生氧化反应，故B错误；放电时，正、负极上电极反应式分别为NiO(OH)＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－、Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，根据电极反应式知，电解质溶液为碱性溶液，故C正确；放电时，Cd失电子发生氧化反应而作负极，电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，故D正确。
答案：B

3．铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正、负极板是惰性材料，电池总反应式为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO 2PbSO4＋2H2O。请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：
(1)放电时：正极的电极反应式是______________________________________
___________________________________________________________________；
电解液中H2SO4的浓度将变________；当外电路通过1 mol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，若按如图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成________，B电极上生成________，此时铅蓄电池的正极、负极的极性将________。
解析：(1)原电池里正极上得电子，负极上失电子。根据电池总反应式负极反应为
Pb＋SO－2e－===PbSO4　　质量增加
2 mol 96 g
1 mol Δm
求得Δm＝48 g。
(2)电解池里与电源正极相连的电极(阳极)上失电子，与电源负极相连的电极(阴极)上得电子。则阳极反应为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO；阴极反应为PbSO4＋2e－===Pb＋SO。根据图示，电解一段时间后，原PbO2极变成Pb，原Pb极变成PbO2，即铅蓄电池的正负极的极性对换。
答案：(1)PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O　小　48　(2)Pb　PbO2　对换
题组三　新型二次电池
4．(2020·河北省承德月考)用吸附了H2的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，甲电极为正极，OH－移向乙电极
B．放电时，乙电极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiO(OH)＋H2O
C．充电时，电池的甲电极与直流电源的正极相连
D．电池总反应为H2＋2NiO(OH) 2Ni(OH)2
解析：A.放电时，该电池为原电池，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH－向负极甲电极移动，A错误；B.放电时，乙电极为正极，得电子发生还原反应，电极反应为NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，B错误；C.放电时，氢气在碳电极发生氧化反应，碳电极作负极；充电时，碳电极发生还原反应，作阴极，应与电源的负极相连，C错误；D.放电时，正极电极反应式为NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，负极电极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O，两式相加得总反应：H2＋2NiO(OH) 2Ni(OH)2，D正确。
答案：D
题组四　锂离子电池
5．石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，而研发的新型可充放电电池，其反应式为LixC6＋Li1－xCoO2 C6＋LiCoO2，其工作原理如图所示。下列关于该电池的说法正确的是(　　)

A．充电时，Li＋嵌入LiCoO2中
B．放电时，LiCoO2极发生的电极反应为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
C．放电时负极反应式为Li－e－===Li＋
D．充电时，若转移1 mol e－，石墨烯电极增重7 g
解析：根据电池反应式知，负极反应式为LixC6－xe－===C6＋xLi＋，正极反应式为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，B、C错误；充电时，阴极、阳极反应式与负极、正极反应式正好相反，石墨烯为阴极，C6发生还原反应生成LixC6，则Li＋向石墨烯移动，故A项错误；充电时，石墨烯电极的电极反应式为C6＋xLi＋＋xe－===LixC6，根据关系式xe－～C6～LixC6电极增重的实际质量为锂元素的质量，所以若转移1 mol e－，电极增重为1 mol×7 g·mol－1＝7 g，故D项正确。
答案：D
6．(双选)铝­石墨双离子电池是一种全新的低成本高效能电池，反应原理为AlLi＋Cx(PF6) Al＋xC＋Li＋＋PF。下列说法正确的是(　　)
A．放电时，外电路中电子向铝锂电极移动
B．充电时，应将石墨电极与电源负极相连
C．放电时，正极反应式为Cx(PF6) ＋e－===xC＋PF
D．充电时，若电路中转移1 mol电子，则阴极质量增加7 g
解析：根据反应总方程式可知，该装置放电过程中，锂元素化合价升高发生氧化反应，所以铝锂电极作负极，石墨电极作正极，则外电路电子向石墨电极移动，故A项错误；充电过程为放电过程的逆过程，石墨电极作为阳极与电源的正极相连，故B项错误；放电时正极发生还原反应，其电极反应式可表示为Cx(PF6)＋e－===xC＋PF，故C项正确；充电时，阴极锂离子发生还原反应，电极反应为：Al＋Li＋＋e－===AlLi，所以转移1 mol e－，阴极电极从Al变为AlLi将增重1 mol×7 g·mol－1＝7 g，故D项正确。
答案：CD
　四步敲定高考新情景电池电极反应式的书写


　近几年高考中的新型电池种类繁多，“储氢电池”“高铁电池”“海洋电池”“燃料电池”“锂离子电池”等，这些新型电源常以选择题的形式呈现。解答这类考题，首先要理解常见的化学电源种类及原电池的工作原理，其次会判断正负电极或阴阳极，以及会书写电极反应式等，其中，电极反应式的书写要求较高，难度较大。
1．以CH3OH燃料电池的负极为例解读四步法
第一步，还原剂－ne－―→氧化产物：CH3OH－ne－―→CO2↑(注意电解质溶液呈碱性时：CH3OH－ne－―→CO)。
第二步，标变价算n值：n＝[4－(－2)]×1＝6。
第三步，根据电池情景用H＋、OH－、O2－、CO等阴、阳离子配平电荷；即在第二步的基础上观察方程式：CH3OH－6e－―→CO2↑左边有6个单位的正电荷。
(1)酸性电解质时右边加6个单位的H＋使电荷守恒：得CH3OH－6e－―→CO2↑＋6H＋；
(2)熔融氧化物为电解质时左边加3个单位的O2－使电荷守恒：得CH3OH－6e－＋3O2－―→CO2↑；
(3)熔融碳酸盐为电解质时左边加3个单位的CO使电荷守恒：得CH3OH－6e－＋3CO―→4CO2↑；
(4)碱性电解质时，在第二步的基础上观察方程式：CH3OH－6e－===CO左边有6个单位的正电荷，右边有2个单位的负电荷，此时，左边加8个单位的OH－使电荷守恒：得CH3OH－6e－＋8OH－―→CO。
第四步，用H2O等小分子配平原子。
(1)酸性电解质时左边加1个单位的H2O分子使原子守恒：得CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋；
(2)熔融氧化物为电解质时右边加2个单位的H2O分子使原子守恒：得CH3OH－6e－＋3O2－===CO2↑＋2H2O；
(3)熔融碳酸盐为电解质时右边加2个单位的H2O分子使原子守恒：得CH3OH－6e－＋3CO===4CO2↑＋2H2O；
(4)碱性电解质时右边加6个单位的H2O分子使原子守恒：得CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O。
“四步法”书写电极反应式的步骤归纳如下：
第一步：书写负极(阳极)，还原性微粒－ne－―→氧化性产物；正极(阴极)：氧化性微粒＋ne－―→还原性产物。
第二步：标变价算n值，n＝(高价－低价)×变价原子个数。
第三步：根据电池情景用H＋、OH－、O2－、CO等阴、阳离子配平电荷。
第四步：用H2O等小分子配平原子。
2．已知总方程式，书写电极反应式的步骤与技巧
(1)书写步骤
①步骤一：在电池总反应式上标出电子转移的方向和数目(ne－)。
②步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。
③步骤三：写电极反应式。
负极反应：还原剂－ne－―→氧化产物
正极反应：氧化剂＋ne－―→还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。
[考能突破练]
1．MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为2AgCl＋Mg===Mg2＋＋2Ag＋2Cl－，试书写该电池的电极反应式：
负极：_______________________________________________________________
____________________________________________________________________；
正极：_______________________________________________________________
____________________________________________________________________。
答案：Mg－2e－===Mg2＋
2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－
2．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：________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
答案：4Al－12e－===4Al3＋　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
3．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池。放电时电池总反应为
Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x