原电池化学电源

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第21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。

考点一原电池的工作原理及应用

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．原电池的构成条件

(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。 3．工作原理以锌铜原电池为例

(1)反应原理

电极名称电极材料电极反应反应类型电子流向盐桥中离子移向

(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。

负极锌片 Zn－2e===Zn2 －＋＋正极铜片 Cu2＋2e===Cu －氧化反应还原反应由Zn片沿导线流向Cu片盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极＋－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。

(1)理论上说，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√) (2)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极(√)

(3)用Mg、Al分别作电极，用NaOH溶液作电解液构成的原电池，Mg为正极(√) (4)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(×) (5)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(×) (6)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极(×) (7)一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(√)

(8)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(×)

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

提示判断电极时，不能简单地依据金属的活动性顺序来判断，要看反应的具体情况，例如：Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；Fe、Al在浓HNO3中钝化，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。

题组一原电池的工作原理

1．(1)下列装置属于原电池的是________。

(2)在选出的原电池中，________是负极，电极反应为__________；________是正极，电极反应为__________。

答案 (1)⑤ (2)Fe Fe－2e===Fe2 Cu 2H＋2e===H2↑

－

＋

－

2．(2017·信阳质检)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===2AlO2＋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。

(1)Fe作负极，发生氧化反应时，失2e变成Fe2，而不是Fe3。

－

＋

－

＋－

(2)书写某一极电极反应式时，若书写困难，也可先写另一极的电极反应式。用“减法”来处理，即用总的电极反应式减去容易写出一极的电极反应式(前提是电量守恒)。题组二聚焦“盐桥”原电池

3．(2017·太原市第五中学高三模拟)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。

－

＋

－

＋

－

4．控制适合的条件，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。题组三原电池工作原理的应用

5．(2018·江门质检)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 C．P＞N＞M＞E 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．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

＋

B．E＞N＞M＞P D．E＞P＞M＞N

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，其电极反应为____________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)盐桥中的NO3移向________溶液。

答案 (1)Cu AgNO3 (2)正 Ag＋e===Ag(3)Cu(NO3)2

原电池设计类试题的解题思路

(1)利用氧化还原反应知识判断题给总反应中的氧化反应、还原反应。 (2)选择合适的电极材料和电解质溶液。

(3)画出原电池装置图。画图时应注意：电极材料、电解质溶液；简易装置图和带有盐桥的装置图的区别等。

7．银器日久表面会逐渐变黑，这是因为生成了硫化银。有人设计用原电池原理进行“抛光”，其处理方法：将一定浓度的氯化钠溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去，而银器恢复光泽，且不会损失。试回答：

(1)氯化钠溶液的作用是________________________________________________。 (2)在此原电池反应中，负极发生的电极反应为______________________________________ __________________________________________________________，正极发生的电极反应为 ________________________________________________________________________。 (3)反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，溶液中发生的反应为____________________________

＋

－

________________________________________________________________________，原电池总反应方程式为__________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。答案 (1)为电解质溶液，起导电作用

(2)2Al－6e===2Al3 3Ag2S＋6e===6Ag＋3S2

－

＋

－

(3)2Al3＋3S2＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑ 3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋

＋

－

3H2S↑

解析要善于抓住题给信息，“黑色会褪去，而银器恢复光泽，且不会损失”，必然发生Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应，Ag2S＋2e===2Ag＋S2，负极反应为活泼金属

－

Al发生氧化反应：Al－3e===Al3。正极生成的S2和负极生成的Al3在溶液中发生双水解

－

＋

－

＋

反应：2Al3＋3S2＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑，与题意产生臭鸡蛋气味的气体相吻合。

＋

－

原电池的总反应为上述三个反应的和：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3↓＋3H2S↑。

考点二化学电源

1．日常生活中的三种电池 (1)碱性锌锰干电池——一次电池

正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e===2MnOOH＋2OH；负极反应：Zn＋2OH－2e===Zn(OH)2；

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。 (2)锌银电池——一次电池

负极反应：Zn＋2OH－2e===Zn(OH)2；正极反应：Ag2O＋H2O＋2e===2Ag＋2OH；总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 (3)二次电池(可充电电池)

铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。 ①放电时的反应

a．负极反应：Pb＋SO24－2e===PbSO4；

－

－－

－

b．正极反应：PbO2＋4H＋SO24＋2e===PbSO4＋2H2O；

＋

－

c．总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。 ②充电时的反应

a．阴极反应：PbSO4＋2e===Pb＋SO24；

－

b．阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e===PbO2＋4H＋SO24；

－

＋

－

c．总反应：2PbSO4＋2H2O=====Pb＋PbO2＋2H2SO4。注可充电电池的充、放电不能理解为可逆反应。 2．“高效、环境友好”的燃料电池

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。

种类负极反应式正极反应式电池总反应式备注

对常见化学电源的认识与理解

(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，可用锌铁作电极材料( )

＋

电解

酸性 2H2－4e===4H O2＋4e＋4H===2H2O －＋－＋碱性 2H2＋4OH－4e===4H2O O2＋2H2O＋4e===4OH －－－－2H2＋O2===2H2O 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 (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)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H2－4e===4H( ) 答案 (1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)×

解析 (2)锂离子电池属于可充电电池，即二次电池。(3)若用锌和铁作电极，则电极反应就变为Zn＋2Fe3===Zn2＋2Fe2。(4)MnO2不是催化剂。(5)燃料电池直接将化学能转变为电能。

＋

－

＋

(6)负极反应应写为2H2－4e＋4OH===4H2O。

以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。 (1)酸性条件

总反应式：______________________________________________________________；正极反应式：________________________________________________________________；负极反应式：________________________________________________________________。 (2)碱性条件

总反应式：__________________________________________________________________；正极反应式：_______________________________________________________________；负极反应式：________________________________________________________________。

－－

(3)固体电解质(高温下能传导O2)

－

总反应式：__________________________________________________________________；正极反应式：_________________________________________________________________；负极反应式：____________________________________________________________。 (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下

总反应式：___________________________________________________________________；正极反应式：_______________________________________________________________；负极反应式：__________________________________________________________________。答案 (1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O 2O2＋8H＋8e===4H2O CH4－8e＋2H2O===CO2＋8H (2)CH4＋2O2＋2OH===CO23＋3H2O

－

＋

－

2O2＋4H2O＋8e===8OH CH4＋10OH－8e===CO23＋7H2O

－

－－

(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O 2O2＋8e===4O2

－

CH4＋4O2－8e===CO2＋2H2O

－

(4)CH4＋2O2===CO2＋2H2O 2O2＋4CO2＋8e===4CO23

－

CH4＋4CO23－8e===5CO2＋2H2O

－

题组一根据图示理解化学电源

1．(一次电池的工作原理)(2017·银川一模)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＋2NH4＋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＋2NH4＋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0.1mol电子，锌的质量理论上减小6.5g 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，电极反应式为Zn－2e===Zn2，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1mol

－

＋＋

－

电子，消耗锌的质量是65g·mol1×

－

0.1mol

＝3.25g，D项错误。 2

2．锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列问题：

＋

(1)外电路的电流方向是由________(填字母，下同)极流向________极。

(2)电池正极反应式为_____________________________________________________。 (3)是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？______(填“是”或“否”)，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。答案 (1)b a

(2)MnO2＋e＋Li===LiMnO2

(3)否电极Li是活泼金属，能与水反应

解析 (1)结合所给装置图以及原电池反应原理，可知Li作负极材料，MnO2作正极材料，所以电子流向是从a→b，那么电流方向则是b→a。

(2)根据题目中的信息“电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li通过电解质迁移入MnO2晶

＋

－

＋

格中，生成LiMnO2”，所以正极的电极反应式为MnO2＋e＋Li===LiMnO2。

(3)因为负极的电极材料Li是活泼的金属，能够与水发生反应，故不能用水代替电池中的混合有机溶剂。

题组二燃料电池

3．(2017·湖南郴州一模)乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示。下列说法中正确的是( )

－＋

A．电池工作时，质子向电池的负极迁移 B．电池工作时，电子由b极沿导线流向a极

C．a极上发生的电极反应：C2H5OH＋3H2O＋12e===2CO2＋12H D．b极上发生的电极反应：4H＋O2＋4e===2H2O 答案 D

4．(2017·兰州一诊)科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是( )

＋

－

＋

A．电极a为电池的负极

B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋4e===2H2O C．电路中每通过4mol电子，在正极消耗44.8LH2S D．每17gH2S参与反应，有1molH经质子膜进入正极区答案 C

解析根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4 mol电子，正极应该消耗1 mol O2，负极应该有2 mol H2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8 L，故C错误；17 g H2S即0.5 mol H2S，每0.5 mol H2S参与反应会消耗0.25 mol O2，根据正极反应式O2＋4H＋4e===2H2O，可知有1 mol H经质子膜进入正极区，故D正确。

＋

－

＋

－

(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。 (2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。

(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

题组三可充电电池

5．(二次电池的理解与应用)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＋2H2O充电Cd(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

－

放电

－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。

6．(2018·柳州模拟)锌—空气燃料电池可作电动车的动力电源，电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋2H2O＋4OH===2Zn(OH)24。下列说法正确的是( )

－

A．放电时，电解质溶液中K移向负极 B．放电时，电解质溶液的pH不变

C．充电时，阴极的反应为Zn(OH)24＋2e===Zn＋4OH

－

＋

D．充电时，当有4.48L氧气(标准状况下)释放出来时，则析出固体Zn为13g 答案 C

解析放电时，为原电池，溶液中阳离子向正极移动，即K向正极移动，故A错误；放电时，消耗氢氧根离子，碱性减弱，pH减小，故B错误；充电时，阴极上发生得电子的还原反应，则阴极反应为Zn(OH)24＋2e===Zn＋4OH，故C正确；产生1 mol氧气，转移电子