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1、第六章 化学反应与能量第18讲 原电池化学电源（精讲）【考情分析】原电池的内容是高考的常考知识点之一，常以选择题的形式考查原电池的工作原理，如判断电极反应式和电池反应方程式的正误，电子或阴阳离子的移向，及依据电极反应式判断电极及电解质溶液中的现象；以填空题的形式考查新型原电池电极反应式和电池反应式的书写。【核心素养分析】1.变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。2.证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。3.科学态度与社会责任：具有可持续发展
2、意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。【网络构建】【知识梳理】智能点一 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，其反应本质是自发进行的氧化还原反应。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：电解质溶液；两电极直接或间接接触；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)反应原理电子移动方向：锌失电子逐渐溶解变成Zn2进入溶液，电子从负极经导线流入正极。离
3、子移动方向：阴离子向负极移动(如SO)，阳离子向正极移动(如Zn2和H，溶液中H在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。两极电极反应式负极(锌极)：Zn2e=Zn2(氧化反应)。正极(铜极)：2H2e=H2(还原反应)。总反应：Zn2H=Zn2H2。(2)单液原电池和双液原电池对比比较项目单液原电池双液原电池相同点正负极，电极反应，总反应式，电极现象不同点能量变化化学能转化为电能和热能化学能只转化为电能反应区域两极反应在相同区域两极反应在不同区域(3)双液原电池中盐桥的组成和作用盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。盐桥中离子移向：盐桥含饱和KCl（KNO3）溶液，K移向正极，
4、Cl（NO3）移向负极盐桥的作用：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。4.原电池原理的应用(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：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增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率增大。(3)用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。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。(4)设计制作化学电源拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应。选择电极
5、材料：将还原剂（一般为比较活泼的金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极石墨棒、铂片作负极。构成闭合回路：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。如果两个半反应分别在两个容器进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。智能点二 常见化学电源及工作原理1化学电源的优点和优劣判断标准(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可
6、靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。2日常生活中的几种电池(1)碱性锌锰干电池一次电池正极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH；负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2；总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。(2)银锌电池一次电池负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。(3)锂电池一次电池LiSOCl2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LiAl
7、Cl4SOCl2。电池的总反应可表示为8Li3SOCl2=6LiClLi2SO32S。负极材料为锂，电极反应为8Li8e=8Li。正极的电极反应为3SOCl28e=2SSO6Cl。(4)二次电池(可充电电池)：放电后能充电复原继续使用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。放电时的反应a负极反应：PbSO2e=PbSO4；b正极反应：PbO24HSO2e=PbSO42H2O；c总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。充电时的反应a阴极反应：PbSO42e=PbSO；b阳极反应：PbSO42H2O2e=PbO24HSO；c总反应：2PbSO42H2O=Pb
8、PbO22H2SO4。注：可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。3.图解二次电池的充放电4.二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。5.“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2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24e4H=2H2OO22H2O4e
9、=4OH电池总反应式2H2O2=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）甲烷燃料电池酸性介质(如H2SO4)或传导质子（H）固体介质总反应式：CH42O2=CO22H2O。负极反应式：CH48e2H2O=CO28H。正极反应式：2O28e8H=4H2O。碱性介质(如KOH)总反应式：CH42O22OH=CO3H2O。负极反应式：CH48e10OH=CO7H2O。正极反应式：2O28e4H2O=8OH。熔融盐介质(如K2CO3)总反应式：CH42O2=CO22H2O。负极反应式：CH48e4CO32-=5CO22H2O。正极反应式：2O28e4CO2=4CO32-
10、。用能传导氧离子(O2-)的固体作介质总反应式：CH42O2=CO22H2O。负极反应式：CH48e4O2-=CO22H2O。正极反应式：2O28e=4O2-。（3）解答燃料电池题目的思维模型（4）解答燃料电池题目的几个关键点要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。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。6.化学电源中电极反应式书写的一般方法(1)明确两极的反应物；(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最
11、终产物；(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。注意：H在碱性环境中不存在；O2在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH；若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。【典例剖析】高频考点1 考查原电池原理例1. (2020·陕西榆林一模)电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如图所示。下列说法正确的是()Ab电极反应式为O22H2O4e=4OHB溶液中OH向电极b移动CNH3的还原产物为N2D电流
12、方向：由a经外电路到b【解析】由图中信息可知，a电极上NH3失去电子生成N2，为负极，电极反应式为2NH36e6OH=N26H2O；b电极作正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH；N2为氧化产物；OH由b极移向a极；电流由b经外电路到a。故选A。【答案】A【名师归纳】原电池的工作原理简图注意：若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。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。【变式训练】（2020·河北唐山模拟）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2H2e=H2
13、D.烧杯b中发生的反应为2Cl2e=Cl2【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：O22H2O4e=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：Zn2e=Zn2。【答案】B高频考点2 考查原电池正、负极的判断例2.分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A中Mg作负极，中Fe作负极B中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2【解析】中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al
14、是负极；中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错误；中电池总反应为2Al2NaOH2H2O=2NaAlO23H2，负极反应式为2Al8OH6e=2AlO4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O6e=6OH3H2，B正确；中Cu是正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH，D错误。【答案】B【题后归纳】判断原电池正、负极的5种方法说明：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。【变式训练】观察如图所示装置，可发现电流计指针偏转，M棒变粗，N棒变细。表中所列的M、N、P对应物质可构成该装置的是选项MNPA锌铜稀硫酸
15、B铜铁稀盐酸C银锌硝酸银溶液D锌铁硝酸铁溶液AABBCCDD【解析】该装置没有外接电源，是原电池装置。原电池中，负极材料比正极材料活泼，且负极材料是随着反应的进行质量逐渐减少，正极质量增加或放出气泡。根据题意知，N极是负极，M是正极，且N极材料比M极活泼。A锌比铜活泼，即M极材料比N极活泼，不符合题意，故A不选；BM极上放出氢气，M棒不会变粗，故B不选；C锌比银活泼，即N极材料比M极活泼，且M极上有银析出，M棒变粗，锌逐渐溶解，N棒变细，符合题意，故C选；D锌比铁活泼，即M极材料比N极活泼，不符合题意，故D不选；故选C。【答案】C高频考点3 考查原电池原理的应用例3A、B、C、D都是金属，把C
16、浸入A的硫酸盐溶液中，C的表面有A析出；A与D组成原电池时，A质量减少；B与D构成原电池时，电子是从D经导线流向B。A、B、C、D四种金属的活动性顺序为AA>B>C>DBA>C>D>BCC>A>D>BDC>D>B>A【解析】C能置换出A，故活泼性C>A；A质量减少，A为负极，活泼性A>D；电子D经导线流向B，电子是从负极流向正极，活泼性D>B，金属活泼型综合为C>A>D>B。故选C。【答案】C【题后归纳】利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法：将A、B两种金属用导线连接后，插入到稀
17、硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。【变式训练1】现有A、B、C、D四种金属片：把A、B用导线连接后同时浸入稀硫酸中，B表面逐渐溶解；把C、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，C发生氧化反应；把A、C用导线连接后同时浸入稀硫酸中，电子流动方向为A导线C根据上述情况，下列说法中正确的是A在中，金属片B发生还原反应B在中，金属片C作正极C上述四种金属的活动性由强到弱的顺序是：A>B>C>DD如果把B、D用导线连接后同时漫入稀硫酸中，则金属片D上有气泡产生【解析】在中，B表面逐渐溶解，则B作负极，A作正极；在
18、中，C发生氧化反应，则C作负极，D作正极；在中，电子流动方向为A导线C，则A作负极，C作正极。A把A、B用导线连接后同时浸入稀硫酸中，B表面变黑并逐渐溶解；则活动性B>A，B发生氧化反应，A错误；B在中，由于金属片C发生氧化反应，所以C作负极，B错误；C把C、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，C发生氧化反应；则活动性C>D；把A、C用导线连接后同时浸入稀硫酸中，电子流动方向为A导线C，则活动性A>C，所以四种金属活动性由强到弱的顺序是：B>A> C>D，C错误；D如果把B、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，由于活动性B> D，则金属片D作正极，在D上氢离子
19、得到电子产生氢气，所以有气泡产生，D正确；答案选D。【答案】D【变式训练2】（加快氧化还原反应速率）把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_。(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_。(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是_。【解析】(1)a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原电池，反应速率加快，所
20、以a放出H2的量减少，但速率加快。(2)a中加入CuSO4消耗Zn，但不影响产生H2的量，速率也加快。(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。【答案】(1)A(2)B(3)C高频考点4 考查可充电电池（二次电池）例4.（2020·新课标）科学家近年发明了一种新型ZnCO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是A. 放电时，负极反应为B. 放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2
21、molC. 充电时，电池总反应为D. 充电时，正极溶液中OH浓度升高【解析】由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，发生还原反应生成Zn，以此分析解答。放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为：，故A正确；放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，故B正确；充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上转化为Zn，电池总反应为：，故C正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为：，溶液中H+
22、浓度增大，溶液中c(H+)c(OH-)=KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH-浓度降低，故D错误。【答案】D【题后归纳】可充电电池的思维模型因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。【变式训练】“天宫一号”飞行器在太空工作期间必须有源源不断的电源供应。其供电原理是：白天太阳能帆板发电，将一部分电量直接供给天宫一号，另一部分电量储存在镍氢电池里，供黑夜时使用。如图为镍氢电池构造示意图(氢化物电极为储氢金属，可看做H2直接参加反应)。下列说法正确的是A充电时阴极区电解质溶液pH降低B充电时阳极反应为Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2OC放电时NiOOH在电
23、极上发生氧化反应D在使用过程中此电池要不断补充水【解析】A充电时阴极是水得到电子，生成OH-和氢气，所以溶液的pH增大，故A错误；B阳极是得到电子的，所以充电时阳极反应为Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2O，故B正确；C放电氢气在负极失去电子，发生氧化反应，NiOOH在正极得到电子，发生还原反应，故C错误；D在反应中水是循环利用的，所以不需要补充水，故D错误；故选B。【答案】B高频考点5 考查新型电源（新型燃料电池）例5.（2021·内蒙古高三一模）一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池，其工作原理如图所示。下列说法错误的是A电池工作时，将太阳能转化为电能BX电极为
24、电池的负极CY电极发生的电极反应为+2e-=3I-D当电池工作从开始到结束时，电解质溶液中I-和的浓度分别会发生很大变化【解析】A电池工作时，太阳光使Ru(II)失电子转化为Ru(III)，发生氧化还原反应，将太阳能转化为电能，选项A正确；BX电极电子流岀，发生氧化反应，为电池的负极，选项B正确；CY电极电子流入，发生还原反应，电极反应为+2e-=3I-，选项C正确；D电池工作时，+2e-=3I-，生成的I-又可与Ru(III)反应重新生成，整个过程电解质溶液中I-和的浓度基本不变，选项D错误；答案选D。【答案】D【名师归纳】间接电化学反应原理分析(1)定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”
25、功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。(2)原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。其原理如下图所示：【变式训练】（2021·吉林松原市实验高级中学高三月考）由于化石燃料的长期大量消耗，传统能源逐渐枯竭，而人类对能源的需求量越来越高，氢能源和化学电源的开发与利用成为全球发展的重要问题。科学家利用氨硼烷设计成原电池装置如图所示，该电池在常温下即可工作，总反应为。下列说法错误的是Ab室为该原电池的正极区Ba室发生的电极反应式为C放电过程中
26、，通过质子交换膜由b室移向a室D其他条件不变，向溶液中加入适量硫酸能增大电流强度【解析】以氨硼烷电池工作时的总反应为：可知，左侧通入电极为负极，发生失电子的氧化反应，电极反应式为：；右侧所在电极为正极，发生得电子的还原反应，电极反应式为：。右侧所在电极为正极，发生得电子的还原反应，b室为该原电池的正极区，故A正确；B左侧通入电极为负极，a室为该原电池的负极区，电极反应为：，故B正确；C原电池中阳离子移向正极，电池工作时，通过质子交换膜向正极移动，由a室移向b室，故C错误；D右侧为正极得到电子发生还原反应，电极反应式为，反应条件为酸性，所以向溶液中加入适量硫酸，能增强的氧化性、增大电流强度，故D正确；故选：C。【答案】C