【讲通练透】高考化学知识清单19 原电池原理与应用（思维导图+知识解读+易混易错+典例分析）

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知识清单19 原电池原理与应用
知识点01 原电池的工作原理
1．定义和反应本质
（1）能量转化：把化学能能转化为电能能
（2）反应本质：发生氧化还原反应。
2．构成条件
（1）一看反应：看是否有能自发进行放热的氧化还原反应
（2）二看两电极：一般是活泼性不同的两电极（两种金属或一种金属和一种能导电的非金属）。
（3）三看是否形成闭合回路
①有电解质溶液或熔融的电解质
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）电极反应
①负极：电子流出的一极，发生氧化反应；
②正极：电子流入的一极，发生还原反应。
（2）三个“流向”
①电子流向：负极eq \(---------→,\s\up7(外电路))正极
②电流流向：正极eq \(---------→,\s\up7(外电路))负极eq \(-------→,\s\up7(内电路))正极
③离子流向：阳离子→正极；阴离子→负极
（3）盐桥作用
①导电：盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路
②平衡电荷：使由它连接的两溶液保持电中性
③隔离：使相互反应的物质不接触
4．根据经验规律判断电池的正负极
（1）根据电极材料判断正负极
①金属单质和非金属形成的电池，金属单质为负极
②金属单质和化合物形成的电池，金属单质为负极
③电极材料相同的原电池，还原剂为负极
（2）根据电解质溶液的酸碱性及氧化性判断正负极
①能够和电解质溶液反应的电极为负极
②容易和电解质溶液反应的电极为负极
（3）燃料电池中，可燃物作负极，助燃物作正极
易错点01 活泼性强的金属不一定作负极
对于某些原电池，如镁、铝和NaOH溶液组成的原电池，Al作负极，Mg作正极。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，不要形成思维定式——活泼金属一定是负极，但负极一定发生氧化反应。
易错点02 电子不能通过电解质溶液，溶液中的离子不能通过盐桥和导线(即电子不下水，离子不上岸)。
易错点03 负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数
易错点04 自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可以是电极与溶解的O2等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中
【典例01】（2023·广东卷）负载有和的活性炭，可选择性去除实现废酸的纯化，其工作原理如图。下列说法正确的是
A．作原电池正极
B．电子由经活性炭流向
C．表面发生的电极反应：
D．每消耗标准状况下的，最多去除
【答案】B
【解析】在Pt得电子发生还原反应，Pt为正极，Cl-在Ag极失去电子发生氧化反应，Ag为负极。A．由分析可知，Cl-在Ag极失去电子发生氧化反应，Ag为负极，A错误；B．电子由负极经活性炭流向正极，B正确；C．溶液为酸性，故表面发生的电极反应为，C错误；D．每消耗标准状况下的，转移电子2ml，而失去2ml电子，故最多去除，D错误。
【典例02】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(SOeq \\al(2－,4))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(SO2－4)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。
知识点02 原电池工作原理的应用
1．比较金属活泼性
（1）基本规律：一般负极金属活泼
（2）特殊情况
①强碱性溶液中，Mg-NaOH溶液-Al原电池中，Al负极
②氧化性溶液中，Cu-浓硝酸-Fe原电池中，Cu是负极
③铅蓄电池，负极质量增加，正极质量增加
2．加快氧化还原反应的速率
（1）一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。
①向反应中加入少量不活泼金属的盐溶液
②不纯的金属腐蚀速率快
（2）金属腐蚀速率：电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀
（3）利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。
①足量的锌和一定量的稀硫酸反应，加入少量硫酸铜，产生氢气的量不变
②一定量的锌和足量的稀硫酸反应，加入少量硫酸铜，产生氢气的量减少
3．设计原电池

（1）分析原电池反应，判断正负极和溶液
①能设计成原电池的反应一定是自发的、放热的氧化还原反应
②负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以
（2）盐桥式原电池
①导电：盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路
②平衡电荷：使由它连接的两溶液保持电中性，使电池能持续提供电流
③隔离：相互反应的电极和溶液通过盐桥隔离开
4、用于金属的防护——牺牲阳极法
【典例01】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。
【典例02】M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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
【答案】A。
【解析】由①知，金属活动性：M＞N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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。综合可知，A正确。
【典例03】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
知识点03 化学电源
1．化学电源的分类
2．一次电池
（1）特点：只能使用一次，不能充电复原继续使用
（2）代表：碱性锌锰干电池、酸性锌锰干电池
3．二次电池：又称可逆电池、蓄电池、可充电电池
（1）特点：放电后能充电复原继续使用
（2）代表：铅蓄电池
4．燃料电池
（1）工作原理：
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能代表：氢氧燃料电池
（2）电极：石墨电极材料
（3）特点：燃料电池没有燃烧现象。
= 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①清洁、安全、高效
②燃料电池的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上
= 3 \* GB3 ③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低
= 4 \* GB3 ④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用
（4）优点：能量利用效率高、可连续使用、排放污染物少。
易错点 可充电电池的常见易错点
（1）可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应
（2）放电时的负极反应和充电时的阴极反应、放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆。将负(正)极反应式变方向并将电子移向即得出阴(阳)极反应式
（3）二次电池充电时原负极必然要发生还原反应(生成原来消耗的物质)，即作阴极，连接外接电源的负极；同理，原正极连接电源的正极，作阳极。简记为：负连负，正连正
（4）放电总反应和充电总反应在形式上互逆，但不是可逆反应
【典例01】普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn＋2NHeq \\al(＋,4)＋2MnO2===[Zn(NH3)2]2＋＋Mn2O3＋H2O。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是( )
A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原
B．电池负极反应式为2MnO2＋2NHeq \\al(＋,4)＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O
C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极
D．外电路中每通过0.1 ml电子，锌的质量理论上减小6.5 g
【答案】C
【解析】普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1 ml电子，消耗锌的质量是65 g·ml－1×eq \f(0.1 ml,2)＝3.25 g，D项错误。
【典例02】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。
【典例03】 （2023·天津·统考三模）如图1所示为铅蓄电池，图2所示为用铅蓄电池做电源，石墨做电极，电解溶液，Z为盐桥。下列说法正确的是
A．X连B极，Y连A极
B．铅蓄电池放电时，负极得电子被氧化，电极析出，质量越来越大
C．将Z换成阴离子交换膜，电解一小段时间后，X极区和Y极区溶液浓度均变小。
D．将Z换成铜片，电解一小段时间，Z的质量几乎不变
【答案】D
【解析】用铅蓄电池做电源，石墨做电极，电解溶液，Z为盐桥，铅蓄电池中铅为负极、氧化铅为正极，正极连接图2的Y极，负极连接X极，X极上氯离子失电子产生氯气，Y极上铜离子得电子产生铜。
A为负极，B为正极，即X连A极，Y连B极，A错误；负极失电子被氧化，B错误；若2是阴离子交换膜，Y为阳极，电极反应式为，同时左边溶液转移相同个数的到右边，X为阴极，电极反应式为，所以左边溶液浓度减小，理论上右边溶液浓度不变，C错误；若将Z换成铜片，相当于两个串联的电解池，X为阴极(电极反应式为)，Z左侧为阳极(电极反应式为)，Z右侧为阴极(电极反应式为)，Y为阳极(电极反应式为)，理论上Z的质量不变，D正确。
【典例04】（2023·辽宁卷）某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是
A．放电时负极质量减小
B．储能过程中电能转变为化学能
C．放电时右侧通过质子交换膜移向左侧
D．充电总反应：
【答案】B
【解析】该储能电池放电时，Pb为负极，失电子结合硫酸根离子生成PbSO4，则多孔碳电极为正极，正极上Fe3+得电子转化为Fe2+，充电时，多孔碳电极为阳极，Fe2+失电子生成Fe3+，PbSO4电极为阴极，PbSO4得电子生成Pb和硫酸。
放电时负极上Pb失电子结合硫酸根离子生成PbSO4附着在负极上，负极质量增大，A错误；储能过程中，该装置为电解池，将电能转化为化学能，B正确；放电时，右侧为正极，电解质溶液中的阳离子向正极移动，左侧的H+通过质子交换膜移向右侧，C错误；充电时，总反应为PbSO4+2Fe2+=Pb++2Fe3+，D错误。
知识点04 原电池电极反应式的书写
1．书写步骤
（1）确定反应物和最终产物
（2）确定得失电子的数目
（3）电荷守恒配离子
①优先选择原电解质溶液中所含的离子
②再选择水中的H+或OH－，原则“左水右离子”
（4）元素守恒配平其他物质，一般缺H或O，用水补
2．典型电池电极反应的产物
（1）含碳燃料的氧化产物
（2）含氮燃料的氧化产物：与环境无关，都是氮气
（3）氢气的氧化产物
（4）氧气的还原产物
3．几种一次电池的电极反应式
（1）碱性锌锰干电池
①电池反应：Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn（OH）2
②负极反应：Zn+2OH－－2e－Zn（OH）2
③正极反应：2MnO2+2H2O+2e－2MnOOH+2OH－
（2）纽扣式锌银电池
①电池反应：Zn+Ag2O+H2OZn（OH）2+2Ag
②负极反应：Zn+2OH－－2e－Zn（OH）2
③正极反应：Ag2O+H2O+2e－2Ag+2OH－
4．二次电池
（1）放电时为原电池，电极属性为正负极；充电时为电解池，电极属性为阴阳极
（2）阳极连正极，阴极连负极，电极反应和电极反应式相反，充放电时电极互变
①充电时，阳极变成正极，阴极变成负极
②放电时，正极变成阳极，负极变成阴极
（3）铅蓄电池：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
①负极反应：Pb+SO42－－2e－PbSO4
②正极反应：PbO2+4H++SO42－+2e－PbSO4+2H2O
③阳极反应：PbSO4+2H2O－2e－PbO2+4H++SO42－
④阴极反应：PbSO4+2e－Pb+SO42－
（4）钴酸锂电池：LixC6+Li1－xCO2C6+LiCO2
①负极反应：LixC6－xe－C6+xLi+
②正极反应：Li1－xCO2+xLi+LiCO2－xe－
③阳极反应：LiCO2－xe－Li1－xCO2+xLi+
④阴极反应：C6+xLi++xe－LixC6
（5）LaNi5H6+6NiOOHLaNi5+6Ni(OH)2（储氢合金和储氢物质中各元素的化合价均为0价）
①负极反应：LaNi5H6－6e－+6OH－LaNi5+6H2O
②正极反应：6NiOOH+6e－6Ni（OH）2+6OH－
③阳极反应：6Ni（OH）2+6OH－－6e－6NiOOH+6H2O
④阴极反应：LaNi5+6H2O+6e－LaNi5H6+6OH－
5．燃料电池
（1）燃料电池的电极材料
①可燃物在负极上发生氧化反应，如氢气、甲烷、乙醇等还原剂
②助燃物在正极上发生还原反应，如氧气、氯气等氧化剂
（2）燃料电池的总反应：可燃物的燃烧反应兼顾产物和溶液的反应
（3）燃料电池的正极反应式
（5）氧气在正极上的反应式
（6）燃料电池的负极反应式
电极反应式书写中的常见易错点：
（1）有机物中化合价处理方法：“氧－2，氢＋1，最后算碳化合价”，并且要注意溶液环境与产物之间的反应，碱性环境下，C元素最终产物应为CO32－
（2）水溶液中不能出现O2－；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH－，中性溶液反应物中无H+ 和OH－
【典例01】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：
(1)放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应，则负极反应式为________________________________，正极反应式为_________________________________________
(2)放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
【答案】(1)还原 3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2 2FeO42—＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－ (2)正
【解析】根据高铁电池放电时的总反应式可知，Zn为负极，负极反应为3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2，由电池的总反应－负极反应＝正极反应可知，正极反应为2FeO42—＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，正极区生成OH－且消耗水，OH－浓度增大，故正极附近溶液的碱性增强。
【典例02】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________________________，正极反应式为__________________________。
【答案】MH－e－＋OH－===M＋H2O NiO(OH)＋H2O＋e－＋OH－===Ni(OH)2
【解析】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。
【典例03】微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示。
(1)该微生物燃料电池，负极为_____(填“a”或“b”)，当电路中有0.5 ml电子发生转移，则有____ ml的H＋通过质子交换膜
(2)该电池正极反应式为：____________________________；负极反应式为：_____________________________
【答案】(1)a 0.5 (2)2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，HS－＋4H2O－8e－===SOeq \\al(2－,4)＋9H＋
【解析】 (1)根据图示，在硫氧化菌作用下HS－转化为SOeq \\al(2－,4)，发生氧化反应：HS－＋4H2O－8e－===SOeq \\al(2－,4)＋9H＋；电极a上发生氧化反应，电极a为负极，b为正极，正极上发生还原反应：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，当电路中有0.5 ml电子发生转移，则有0.5 ml H＋通过质子交换膜。
知识点01 原电池的工作原理
知识点03 原电池电极反应式的书写
知识点02 原电池工作原理的应用
原理
利用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性较强的金属做负极，用导线相连
要求
被保护的金属作正极，活泼性更强的金属作负极
实例
要保护一个钢闸门，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极
结构
碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液
电极
反应
负极
锌筒作负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极
石墨作正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
总反应
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点
比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电
结构
铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板覆盖有Pb，稀硫酸作电解质溶液
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
放电时——原电池
负极反应
铅作负极：Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极反应
二氧化铅作正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
充电时——电解池
阴极反应
PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)
阳极反应
PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)
特点
性能优良，价格便宜，可多次充放电；单位重量的电极材料释放的电能小。
正常产物
酸性
碱性
碳酸盐溶液
熔融碳酸盐
O2－
CO2
CO2
CO32－
HCO3－
CO2
CO32－
正常产物
酸性
碱性
中性
CO32－
O2－
H+
H+
H2O
H+
CO2+H2O
H2O
正常产物
酸性
碱性
中性
CO2
O2－
H2O
OH－
OH－
CO32－
环境
氧气
氮气
酸性环境
4H++O2+4e－2H2O
N2+6e－+8H+2NH4+
碱性环境
2H2O+O2+4e－4OH－
N2+6e－+6H+2NH3
中性环境
2H2O+O2+4e－4OH－
N2+6e－+6H+2NH3
熔融氧化物
O2+4e－2O2－
N2+6e－2N3－
有CO2存在
O2+4e－+2CO22CO32－
环境
甲烷
氢气
酸性环境
CH4+2H2O－8e－CO2+8H+
H2－2e－2H+
碱性环境
CH4+10OH－－8e－CO32－+7H2O
H2－2e－+2OH－2H2O
熔融碳酸盐
CH4+4CO32－－8e－5CO2↑+2H2O
H2－2e－+CO32－H2O+ CO2↑
碳酸盐溶液
CH4+9CO32－－8e－+3H2O10HCO3－
H2－2e－+CO32－H2O+ CO2↑
熔融氧化物
CH4+5O2－－8e－CO32－+2H2O
H2－2e－+O2－2H2O
环境
甲醇
肼
酸性环境
CH3OH+H2O－6e－CO2↑+6H+
N2H4－4e－N2↑+4H+
碱性环境
CH3OH+8OH－－6e－CO32－+6H2O
N2H4－4e－+4OH－N2↑+4H2O
熔融碳酸盐
CH3OH－6e－+3CO32－4CO2↑+2H2O
碳酸盐溶液
CH3OH +7CO32－－6e－+2H2O8HCO3－
熔融氧化物
CH3OH +4O2－－6e－CO32－+2H2O
N2H4－4e－+2O2－N2↑+2H2O