2021届高考化学人教版一轮创新教学案：第9章第28讲原电池　化学电源

第九章　电化学基础[考纲解读]　1.理解原电池的构成、工作原理及应用。2.能书写出电极反应和总反应方程式。3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。4.理解电解池的构成、工作原理及应用。5.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。第28讲　原电池　化学电源一、原电池1．概念原电池是把化学能转化为电能的装置。2．构成条件(1)能自发进行的氧化还原反应。(2)活泼性不同的两电极。(3)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(以铜－锌原电池为例)装置图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锌片沿导线流向铜片 电流方向由铜片沿导线流向锌片 离子流向电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移盐桥中含有饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极电池反应方程式Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 两类装置的不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，减少了能量损耗，故电流稳定，持续时间长 二、化学电源1．一次电池碱性锌锰干电池负极材料：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－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2锌银电池负极材料：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－总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag  2．二次电池铅蓄电池(电解质溶液为30%H2SO4溶液)(1)放电时的反应负极反应：Pb－2e－＋SO===PbSO4，正极反应：PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O，总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。电解质溶液的pH增大。(2)充电时的反应阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SO，阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO，总反应：2PbSO4＋2H2OPb＋PbO2＋2H2SO4。 3．燃料电池(1)氢氧燃料电池①氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。电解质溶液酸性碱性负极反应式2H2－4e－===4H＋2H2－4e－＋4OH－===4H2O正极反应式O2＋4e－＋4H＋===2H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应式2H2＋O2===2H2O②燃料电池的电极本身不参与反应，燃料和氧化剂由外部供给。(2)甲烷燃料电池①碱性介质中(以KOH为例)：负极：CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O，正极：2O2＋8e－＋4H2O===8OH－，总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O。②酸性介质中：负极：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋，正极：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。 1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。(1)理论上说，任何自发反应都可设计成原电池。(×)错因：必须是自发的氧化还原反应才可设计成原电池。(2)在锌铜原电池中，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。(×)错因：电子不能通过电解质溶液。(3)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。(×)错因：碱性锌锰干电池中的MnO2在正极上得电子，是氧化剂。(4)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后将热能转化为电能。(×)错因：燃料电池直接将化学能转化为电能。(5)由于CaO＋H2O===Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池。(×)错因：该反应不是氧化还原反应，不能设计成原电池。(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。(×)错因：原电池工作时，溶液中的阳离子向正极移动。2．教材改编题(据人教选修四P78T3)镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行：Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，由此判断错误的是(　　)A．放电时，Cd作负极B．放电时，NiO(OH)作负极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答案　B考点一　原电池的工作原理及应用[解析]　锌片、Cu片与导线相连插入酸性溶液中会形成原电池，电子由Zn片通过导线流向铜片，D错误。[答案]　D　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．原电池的判断方法(1)先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。(2)然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：(3)多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。2．判断原电池正、负极的五种方法3．原电池原理的应用(1)加快化学反应速率一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率加快。(2)金属的防护使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。(3)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。(4)设计制作化学电源①首先将能自发进行的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。如：根据反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计的原电池为：1．对原电池的电极名称，下列叙述中错误的是(　　)A．电子流入的一极为正极B．比较不活泼的一极为正极C．电子流出的一极为负极D．发生氧化反应的一极为正极答案　D2．下列有关铜锌原电池的叙述正确的是(　　)A．盐桥中的Cl－移向CuSO4溶液B．电池总反应式为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从正极流向负极D．取下盐桥，原电池仍可工作答案　B解析　盐桥中的Cl－移向负极，即移向ZnSO4溶液，A错误；原电池工作时，电子从电池负极经外电路流向正极，C错误；取下盐桥，不能形成闭合回路，原电池不能工作，D错误。考点二　化学电源    [解析]　该装置为原电池，铜为负极，石墨为正极，电子从铜电极流向石墨电极，故A错误；溶液中Cl－向铜电极移动，故B错误；负极为铜电极，结合电池反应得到，负极的电极反应式为Cu＋Cl－－e－===CuCl(s)，负极生成了CuCl(s)，质量增重了，故C错误；总反应方程式为2Cu＋2Cl－＋HN3＋3H＋===2CuCl(s)＋N2↑＋NH，负极的电极反应式为Cu＋Cl－－e－===CuCl(s)，用总反应式减去负极反应式得到正极反应式为HN3＋2e－＋3H＋===N2↑＋NH，故D正确。[答案]　D     [解析]　由电子流向可知，a电极为原电池负极，b电极为原电池正极，O2应从b电极通入发生还原反应，NH3应从a电极通入发生氧化反应生成N2，电极反应式为2NH3－6e－===N2＋6H＋。[答案]　b　2NH3－6e－===N2＋6H＋　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 化学电源电极反应式的书写书写电极反应式时，首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极，然后结合电解质溶液的环境确定电极产物，最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有：1．拆分法(1)写出原电池的总反应，如2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。(2)把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及得失电子守恒配平两个半反应：正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋负极：Cu－2e－===Cu2＋2．加减法(1)写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。(2)写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)，如Li－e－===Li＋(负极)。(3)利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4(正极)。3．燃料电池电极反应式的书写(1)写出燃料电池反应的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(电解质为NaOH溶液)的反应式为CH4＋2O2===CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②①＋②得燃料电池总反应式为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O，其离子方程式为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。(2)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是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：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。(3)根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。3．Zn­ZnSO4­PbSO4­Pb电池装置如图，下列说法错误的是(　　)A．SO从右向左迁移B．电池的正极反应为Pb2＋＋2e－===PbC．左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变D．若有6.5 g锌溶解，有0.1 mol SO通过离子交换膜答案　B解析　锌是负极，SO从右向左迁移，A正确；电池的正极反应为PbSO4＋2e－===Pb＋SO，B错误；左边锌失去电子转化为ZnSO4，ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变，C正确；若有6.5 g锌即0.1 mol锌溶解，根据电荷守恒可知有0.1 mol SO通过离子交换膜，D正确。4．(2019·安徽池州高三期末)新型高效的二甲醚燃料电池工作时总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O。(1)向该电池中通入的a是________，负极电极反应式为______________________________________________________。(2)利用该电池冶铝，若制得金属铝54 g，理论上消耗二甲醚________g。答案　(1)CH3OCH3　CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋　(2)23解析　(1)根据题图知交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据电子流动方向和氢离子移动方向可知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上二甲醚失去电子发生氧化反应生成二氧化碳，负极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋。(2)根据得失电子守恒，可以建立关系式4Al～12e－～CH3OCH3，由此可得，若制得金属铝54 g，理论上消耗二甲醚23 g。    
　　建议用时：40分钟　　　满分：100分　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　一、选择题(每题7分，共70分)1．在如图所示的8个装置中，属于原电池的是(　　)A．①④  B．③④⑤ C．④⑧  D．②④⑥⑦答案　D解析　根据原电池的构成条件可知：①中只有一个电极，③中两电极材料相同，⑤中酒精不是电解质，⑧中两电极材料相同且无闭合回路，故①③⑤⑧不能构成原电池。2．(2019·北京朝阳高三期末)电动汽车(标志为“”)在改善城市交通、保护环境等方面的作用至关重要。下列说法不正确的是(　　)A．电动汽车的使用有助于减少氮氧化物的排放B．燃油汽车也可以悬挂该标志C．电动汽车使用时涉及化学能与电能的转换D．电动汽车充电、放电过程均有电子转移答案　B解析　电动汽车使用时化学能先转化为电能，然后电能再转化为机械能，不产生氮氧化合物，所以有助于减少氮氧化物的排放，A正确；电动汽车使用时首先是化学能转化为电能，电能转化为机械能，充电时电能转化为化学能，所以涉及化学能与电能的转换，C正确；电动汽车充电、放电过程有电能与化学能的转化过程，所以均有电子转移，D正确。3．下列有关电池的说法不正确的是(　　)A．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从锌电极流向铜电极C．氢氧燃料电池工作时，氢气在负极被氧化D．原电池中一定发生了氧化还原反应答案　A解析　太阳能电池的主要材料是高纯硅，A错误；铜锌原电池工作时电子从锌极流出，沿外电路流入铜极，B正确；燃料电池中燃料在负极被氧化，C正确；原电池中一定发生氧化还原反应，D正确。4．(2019·北京海淀高三期末)锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率，称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是(　　)A．两者正极材料不同B．MnO2的放电产物可能是KMnO4C．两者负极反应式均为Zn失电子D．原电池中Zn与稀H2SO4存在自放电现象答案　B解析　题左图为干电池，干电池的正极材料是碳棒，题右图为原电池，正极材料是铜单质，两者正极材料不同，故A正确；干电池中MnO2应作氧化剂，Mn的化合价降低，故B错误；所给装置中Zn为负极，Zn失去电子，故C正确；根据自放电现象的定义，Zn与稀硫酸能够发生反应，即原电池中Zn与稀硫酸存在自放电现象，故D正确。5．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>PC．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。6. 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　阳离子交换膜不允许阴离子通过，所以电池工作一段时间后，甲池的c(SO)不变，B、D错误；乙池发生的电极反应为：Cu2＋＋2e－===Cu，溶液中Cu2＋逐渐减少，为维持溶液中的电荷平衡，Zn2＋会不断移向乙池，使溶液质量增加，C正确。7．将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列说法不正确的是(　　)A．盐桥中的K＋移向FeCl3溶液B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极答案　D解析　甲中石墨为正极，乙中石墨为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K＋移向FeCl3溶液，A正确；反应开始时，因乙中I－失去电子放电，元素的化合价升高，则发生氧化反应，B正确；当电流计为零时，说明没有电子发生转移，则反应达到平衡，C正确；当加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，D错误。 8．肼(N2H4)暴露在空气中容易爆炸，但是以其为燃料的燃料电池是一种理想的电池，具有容量大、能量转化效率高、产物无污染等特点，其工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)A．电池工作时，正极附近的pH降低B．当消耗1 mol O2时，有2 mol Na＋由甲槽向乙槽迁移C．负极反应式为4OH－＋N2H4－4e－===N2↑＋4H2OD．若去掉阳离子交换膜，电池也能正常工作答案　C解析　电池工作时，O2在正极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，由于生成OH－，溶液的pH增大，A错误；当消耗1 mol O2时，电路中转移4 mol电子，生成4 mol OH－，为保持溶液呈电中性，应有4 mol Na＋由甲槽向乙槽迁移，B错误；N2H4在负极上失电子发生氧化反应，则负极反应式为4OH－＋N2H4－4e－===N2↑＋4H2O，C正确；若撤走阳离子交换膜后，肼会与水中溶解的氧气直接接触发生爆炸，电池无法工作，D错误。9．(2019·潍坊上学期统考)根据光合作用原理，设计如图原电池装置。下列说法正确的是(　　)A．a电极为原电池的正极B．外电路电流方向是a→bC．b电极的电极反应式为：O2＋2e－＋2H＋===H2O2D．a电极上每生成1 mol O2，通过质子交换膜的H＋为2 mol答案　C解析　根据图示可知，a电极上H2O转化为H＋和O2，发生氧化反应，则a电极为原电池的负极，A错误；a电极为负极，b电极为正极，外电路电流方向应从正极到负极，即b→a，B错误；根据图示可知，b电极上O2得电子转化为H2O2，电极反应式为：O2＋2e－＋2H＋===H2O2，C正确；a电极上每生成1 mol O2，转移4 mol电子，则通过质子交换膜的H＋为4 mol，D错误。10．氮的化合物可以通过电化学方法相互转化，如图为NO转化为NO2的工作原理示意图，下列说法正确的是(　　)A．Pt电极上发生的是氧化反应B．Pt电极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．每转化1 mol NO，消耗O2的体积为11.2 LD．外电路中电子由NiO电极向Pt电极移动答案　D解析　根据装置图可知，Pt电极上氧气得到电子转化为O2－，所以Pt电极作正极，发生还原反应，A、B错误；不能确定氧气所处的状况，则不能计算氧气的体积，C错误；NiO是负极，NO在负极上失去电子，外电路中电子由NiO电极向Pt电极移动，D正确。二、非选择题(共30分)11．(14分)如图所示，是原电池的装置图。请回答：(1)若C为稀H2SO4溶液，电流表指针发生偏转，B电极材料为Fe且作负极，则A电极上发生的电极反应式为__________________________；反应进行一段时间后溶液C的pH将________(填“升高”“降低”或“基本不变”)。(2)若需将反应：Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成如图所示的原电池装置，则A极(负极)材料为________，B极(正极)材料为________，溶液C为________。(3)若C为CuCl2溶液，Zn是________极，Cu极发生________反应，电极反应式为______________________________。反应过程溶液中c(Cu2＋)________(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)CO与H2反应还可制备CH3OH，CH3OH可作为燃料使用，用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下：电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，则c电极是________(填“正极”或“负极”)，c电极的反应方程式为__________________________________。答案　(1)2H＋＋2e－===H2↑　升高(2)Cu　石墨(其他合理答案也可)　FeCl3溶液(其他合理答案也可)(3)负　还原　Cu2＋＋2e－===Cu　变小(4)负极　CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋解析　(1)铁作负极，则该原电池反应是铁与稀硫酸置换H2的反应，所以正极反应是H＋得电子生成H2，溶液中H＋放电，导致溶液中H＋浓度减小，pH升高。(2)Cu发生氧化反应，作原电池的负极，所以A极材料是Cu，B极材料是比Cu不活泼的导电物质如石墨、Ag等即可。溶液C中含有Fe3＋，如FeCl3溶液。(3)Zn比较活泼，在原电池中作负极，Cu作正极，正极发生还原反应，Cu2＋在正极得到电子变成Cu，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，Cu2＋发生了反应，则c(Cu2＋)变小。(4)根据图中的电子流向知c是负极，是甲醇发生氧化反应：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋。12．(16分)直接乙醇燃料电池(DEFC)具有很多优点，引起了人们的研究兴趣。现有以下三种乙醇燃料电池。(1)三种乙醇燃料电池中正极反应物均为________。(2)碱性乙醇燃料电池中，电极a上发生的电极反应式为_______________，使用空气代替氧气，电池工作过程中碱性会不断降低，其原因是____________________________________________。(3)酸性乙醇燃料电池中，电极b上发生的电极反应式为______________________________，通过质子交换膜的离子是________。(4)熔融盐乙醇燃料电池中若选择熔融碳酸钾为介质，电池工作时，CO向电极________(填“a”或“b”)移动，电极b上发生的电极反应式为_____________。答案　(1)氧气　(2)C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O　空气中的CO2会与KOH溶液反应，降低溶液的碱性，同时反应中也会消耗KOH　(3)O2＋4H＋＋4e－===2H2O　H＋　(4)a　O2＋2CO2＋4e－===2CO解析　(1)燃料电池中通入燃料的一极为负极，通入氧气或空气的一极为正极，三种乙醇燃料电池中正极反应物均为氧气。(4)根据图示可知，a为负极，原电池中阴离子由正极向负极移动，所以CO向电极a移动；电极b为正极，由图示可知，CO2也参与了正极的反应，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。