高考化学一轮复习讲练 第6章 第20讲　原电池　化学电源 (含解析)

这是一份高考化学一轮复习讲练 第6章 第20讲　原电池　化学电源 (含解析)，共24页。试卷主要包含了1 ml电子时，负极增重4，8 L H2S等内容，欢迎下载使用。
第20讲　原电池　化学电源
考纲要求　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。


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。
理解应用
在如图所示的4个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)，并指出原因 。

答案　①④　①中酒精是非电解质；④中未形成闭合回路
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。
理解应用
“异常”原电池原理的深度分析
(1)铝铜浓硝酸电池
初期，活泼金属铝作负极被氧化，由于铝表面很快形成致密氧化物薄膜阻止反应继续进行，使铝钝化，钝化铝作正极，铜被浓硝酸氧化，作负极，电极反应：
铜：Cu－2e－===Cu2＋；
钝化铝：2NO＋2e－＋4H＋===2NO2↑＋2H2O。
(2)镁铝烧碱溶液电池
镁不溶于烧碱，铝单质可溶于烧碱，铝作负极，镁作正极，电极反应，铝：2Al－6e－＋8OH－===2AlO＋4H2O；
镁：6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－。

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。

(1)原电池工作时，正极表面一定有气泡产生(×)
(2)Mg—Al形成的原电池，Mg一定作负极(×)
(3)在原电池中，正极材料本身一定不参与电极反应，负极材料本身一定要发生氧化反应(×)
(4)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳(√)
(5)铁铜原电池中，负极反应式为Fe—3e－===Fe3＋(×)
(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(×)
(7)锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液，形成闭合回路，所以有电流产生(×)

判断原电池正、负极的5种方法


题组一　原电池工作原理
1．(2015·天津理综，4)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
答案　C
解析　A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO)不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2＋通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。



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↑
答案　B
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，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，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。
3．我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．该装置的总反应为H2SH2＋S
B．能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”
C．a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋
D．a极区需不断补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液
答案　D
解析　该装置发生的有关反应为H2S＋2Fe3＋===2H＋＋S＋2Fe2＋(a极区)、2Fe2＋－2e－===2Fe3＋(a极)、2H＋＋2e－===H2(b极)，这三个反应相加，结合反应条件得到总反应H2SH2＋S，故A、C正确；该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，故B正确；a极区涉及两步反应，第一步利用氧化态Fe3＋高效捕获H2S得到硫和还原态Fe2＋，第二步是还原态Fe2＋在a极表面失去电子生成氧化态Fe3＋，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液，故D错误。
题组二　聚焦“盐桥”原电池
4．(2019·河北高三模拟)根据下图，下列判断中正确的是(　　)

A．烧杯a中的溶液pH降低
B．烧杯b中发生氧化反应
C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑
D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑
答案　B
解析　由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋。
5．控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。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，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
答案　D
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；在甲中加入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。

原电池的工作原理简图

注意　①电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。
②若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
③若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。

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。
应用体验
设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：
。
(2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：
①负极： 。
②正极： 。
(3)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥
②含盐桥


答案　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(2)①Cu－2e－===Cu2＋
②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)
①不含盐桥
②含盐桥




(1)某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼脂的KCl饱和溶液(×)
(2)10 mL浓度为1 mol·L－1的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的CuSO4溶液能加快反应速率但又不影响氢气生成量(√)
(3)若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀(×)
(4)由于CaO＋H2O===Ca(OH)2可以自发进行，且放大量热，故可以设计成原电池(×)

1．(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀，可采取的措施有(　　)
A．与石墨棒相连 B．与铜板相连
C．埋在潮湿、疏松的土壤中 D．与锌板相连
答案　D
2．(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是(　　)


答案　D
解析　a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。
3．(比较金属活动性)有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验装置




部分实验现象
a极质量减少；b极质量增加
b极有气体产生；c极无变化
d极溶解；c极有气体产生
电流从a极流向d极

由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a
C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c
答案　C
解析　把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a＞b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d＞c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。综上所述可知活动性：d＞a＞b＞c。
4．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(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。

请回答下列问题：
(1)电极X的材料是 ；电解质溶液Y是 (填化学式)。
(2)银电极为电池的 极，其电极反应式为
。
(3)盐桥中的NO移向 溶液。
答案　(1)Cu　AgNO3　(2)正　Ag＋＋e－===Ag
(3)Cu(NO3)2



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.燃料电池常用的燃料
H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。
3．燃料电池常用的电解质
①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸盐，如K2CO3；⑤质子交换膜等。
4．燃料电池电极反应式书写的常用方法
第一步，写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应如下：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O　①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O　②
①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：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，因电解质溶液不同，故其电极反应也会有所不同：
(1)酸性电解质：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
(2)碱性电解质：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
第三步，电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。
应用体验
以甲烷燃料电池为例，分析不同的环境下电极反应式的书写。
(1)酸性介质(如H2SO4)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案　CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
2O2＋8e－＋8H＋===4H2O
(2)碱性介质(如KOH)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案　CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O
2O2＋8e－＋4H2O===8OH－
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案　CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－

(1)太阳能电池不属于原电池(√)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)
(3)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加(√)
(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)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移(×)
(7)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g(√)

题组一　根据图示理解化学电源的工作原理
1．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法正确的是(　　)

A．Li为电池的正极
B．电池工作时，Li＋向负极移动
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－
D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好
答案　C
解析　A项，由→发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。
2．(2019·济南一模)如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－===2HCO＋9H＋
答案　D
解析　根据图示：工作时，b极上CH3COO－→HCO，碳原子从0价升至＋4价，b极是原电池的负极，则a极是电池的正极。a、b极上发生的反应为电解质溶液的变化，电极材料可同可异，A项错误；a极(正极)的电势高于b极(负极)的电势，B项错误；a极(正极)电极反应式为＋H＋＋2e－―→＋Cl－，正极每得到2 mol电子时，为使溶液保持电中性，必有2 mol H＋通过质子交换膜进入a极溶液，同时电极反应消耗1 mol H＋，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；据图中物质转化，考虑到质量守恒和电荷守恒关系，b极(负极)反应为CH3COO－＋4H2O－8e－===2HCO＋9H＋，D项正确。
3.如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320 ℃左右，电池的反应式为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为 。
M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是 。

答案　xS＋2e－===S(或2Na＋＋xS＋2e－===Na2Sx)　导电和隔离钠与硫
题组二　二次电池的充放电
4．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＋2H2OCd(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＋OH－－e－===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　放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。
5．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