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)

二、化学电源

1．一次电池

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。

②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　D

2．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＋＋Cu

C．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＋2H2O①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②

①＋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－===Pb

C．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KMnO4

C．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>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。

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↑＋4H2O

D．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→b

C．b电极的电极反应式为：O2＋2e－＋2H＋===H2O2

D．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 L

D．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。