2022版高考化学一轮复习课件：第6章 第2节 原电池　化学电源

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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__________________。
☞知识点1　原电池工作原理及其应用
2．原电池的构成条件(1)一看反应：看是否有能______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________不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需要三个条件：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入__________溶液中。
3．工作原理(1)以铜－锌原电池为例。
Zn－2e－===Zn2＋　
Cu2＋＋2e－===Cu　
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu　
(2)盐桥的组成和作用。①盐桥的组成：盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。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)原电池仍然体现了反应过程中的能量守恒，是化学能与热能的知识延伸，是化学能与电能的转化。(2)原电池反应必须是氧化还原反应，但自行发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与溶解的氧气等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。
判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。(1)理论上自发进行的氧化还原反应一般都能设计成原电池(　　)(2)原电池中电流的产生是发生氧化还原反应引起的(　　)(3)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定做负极(　　)(4)把铜片和铁片靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面产生气泡(　　)(5)构成原电池两个电极的材料必须是两种金属(　　)
(6)电子通过外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被氢离子得到放出氢气(　　)(7)在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快(　　)(8)铜、锌原电池工作时，若有13 g锌溶解，电路中有0.2 ml电子通过(　　)【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×　(6)×　(7)√　(8)×
突破一　原电池工作原理及应用1．有如图所示装置，下列有关说法正确的是(　　)A．该装置外电路中电流由Cu棒转移到C棒B．该装置中负极是Cu，发生还原反应C．该装置能实现电能转化为化学能D．该装置的总反应式为Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋【答案】D
2．(2019·河北翼州质检)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均错误；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋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错误。
突破二　原电池电极反应式的书写3．(2020·华南师大附中月考)利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O设计的电池装置如图所示，该装置既能有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能。下列说法正确的是(　　)
A．电池工作时，OH－从左向右迁移B．电极A上发生氧化反应，电极A为正极C．当有0.1 ml NO2被处理时，外电路中通过电子0.4 mlD．电极B的电极反应式为2NO2＋8e－＋8H＋===N2＋4H2O【答案】C【解析】由反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O可知，反应中NO2为氧化剂，NH3为还原剂，则A为负极，B为正极，电池工作时，OH－从右向左迁移，A错误；A为负极，发生氧化反应，B错误；电极B为正极，发生还原反应，电极反应式为2NO2＋8e－＋4H2O===N2＋8OH－，C正确、D错误。
4．酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。(1)该电池的正极反应式为_________________________________ ，电池反应的离子方程式为__________________________________。(2)维持电流强度为0.5 A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g。(已知F＝96 500 C·ml－1)【答案】(1)MnO2＋e－＋H＋===MnOOH　Zn＋2MnO2＋2H＋===Zn2＋＋2MnOOH　(2)0.05
“三步”完成电极反应式的书写
突破三　有盐桥的原电池5．有关如图所示原电池的说法正确的是(　　)A．随着反应进行，左烧杯中盐溶液浓度上升，右烧杯中酸溶液浓度下降B．盐桥的作用是让电子通过，以构成闭合回路C．随着反应进行，右烧杯中溶液pH变小D．总反应为2H＋＋Zn===H2↑＋Zn2＋　ΔH>0【答案】A
6．根据下图判断，下列说法正确的是(　　)
A．装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－===Fe2＋B．装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．装置Ⅰ和装置Ⅱ的盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动D．放电过程中，装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大【答案】D【解析】装置Ⅰ中的负极为Zn，A错误；装置Ⅱ中的正极反应为2H＋＋2e－===H2↑，B错误；阳离子向正极移动，装置Ⅰ中向左侧移动，C错误。
☞知识点2　化学电源的种类及其工作原理
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 　
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 　
Zn＋2MnO2＋H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 　
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－ 　
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag 　
3．燃料电池(1)燃料电池的分类：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。
2H2－4e－===4H＋ 　
2H2＋4OH－－4e－===4H2O 　
O2＋4e－＋4H＋===2H2O 　
O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 　
(2)解答燃料电池题目的思维模型。
判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。(1)燃料电池中通入燃料的一极为负极(　　)(2)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O (　　)(3)原电池中的电解液一定参与反应(　　)(4)碱性锌锰电池属于二次电池(　　)(5)二次电池充电时电池负极接电源的正极(　　)
(6)氢氧燃料电池分酸性和碱性两种，其总反应是相同的(　　)(7)甲烷燃料电池在碱性条件下也能得到CO2气体(　　)(8)新型化学电源是将化学能转化为电能的装置(　　)【答案】(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)√
突破一　根据图示理解化学电源1．(2019·浙江卷)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是(　　)A．甲：Zn2＋向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H＋浓度增加B．乙：正极电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－C．丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄D．丁：使用一段时间后，电解质溶液酸性减弱，导电能力下降【答案】A
2．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法正确的是(　　)A．Li为电池的正极B．电池工作时，Li＋向负极移动C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好【答案】C
突破二　二次电池3．磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性，具有较长的循环寿命，放电时的反应为LixC6＋Li1－xFePO4===6C＋LiFePO4。某磷酸铁锂电池的切面如下图所示。下列说法错误的是(　　)
A．放电时Li＋脱离石墨，经电解质嵌入正极B．隔膜在反应过程中只允许Li＋通过C．充电时电池正极上发生的反应为LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋D．充电时电子从电源经铝箔流入正极材料【答案】D【解析】充电时电子从电源负极流出经铜箔流入阴极材料(即原电池的负极)，D错误。
4．(2020·山东济南模拟)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及黏结剂等)为负极，V2O5为正极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是(　　)
A．放电时，Zn2＋向V2O5电极移动B．充电时，阳极区电解液的浓度变大C．充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应D．放电时，V2O5电极上的电极反应式为V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5【答案】B
【解析】放电时，阳离子向正极移动，所以Zn2＋向V2O5电极移动，A正确；充电时，阳极区发生氧化反应，同时阳离子向阴极移动，则锌离子通过阳膜向左移动，所以阳极区电解液的浓度没有变大，B错误；充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，C正确；放电时，V2O5电极为正极，发生还原反应，电极反应式为V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，D正确。
(1)放电时为原电池，充电时为电解池。(2)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”。
(3)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。
突破三　燃料电池与新型原电池5．(2020·福建南平质检)如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该电池的工作温度可高达700～900 ℃，生成物均为无毒无害的物质。下列说法错误的是(　　)
A．电池总反应为N2H4＋2O2===2NO＋2H2OB．电池内的O2－由电极乙移向电极甲C．当甲电极上消耗1 ml N2H4时，乙电极理论上有 22.4 L(标准状况下)O2参与反应D．电池正极反应式为O2＋4e－===2O2－【答案】A【解析】按照题目意思，生成物均为无毒无害的物质，因此N2H4和O2反应的产物为N2和H2O，总反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O，A错误。
6．某新型水系钠离子电池工作原理如图所示。TiO2光电极能使电池在太阳光照下充电，充电时Na2S4 还原为 Na2S。下列说法不正确的是(　　)
A．充电时，太阳能转化为电能，电能又转化为化学能B．M是阴离子交换膜C．放电时，a 极为负极D．充电时，阳极的电极反应式为 3I－－2e－===I【答案】B【解析】根据原电池原理可知，为防止氧化剂和还原剂直接反应，用离子交换膜将两者隔离，而钠离子不参与电池反应，故离子交换膜可允许钠离子自由通过，所以M应该是阳离子交换膜，B错误。
(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所靠近的电极的反应。
突破四　陌生电极反应式的书写7．(1)某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。
①正极反应为________________ ______。②当电路中转移0.01 ml e－时，交换膜左侧溶液中约减少____________ml离子。
(2)(2018·全国卷Ⅰ，改编)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为①EDTA－Fe2＋－e－===EDTA－Fe3＋；②2EDTA－Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA－Fe2＋。
该装置工作时，阴极的电极反应：__________________________；协同转化总反应：________________________；若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTAFe3＋/EDTAFe2＋，溶液需为______________(填“碱性”“中性”或“酸性”)。【答案】(1)①Cl2＋2e－===2Cl－　②0.02(2)CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OCO2＋H2S===CO＋H2O＋S　酸性
【解析】(1)①根据电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl可知，氯气在正极上得到电子生成氯离子，电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－；②放电时，当电路中转移0.01 ml e－时，交换膜左侧的电极放电产生0.01 ml Ag＋，与电解质中的0.01 ml Cl－结合生成AgCl沉淀，同时约有0.01 ml H＋通过阳离子交换膜转移到右侧溶液中，则交换膜左侧溶液中约减少0.02 ml离子。(2)由图可知，ZnO@石墨烯作电解池的阴极，CO2被还原生成CO，电极反应式为CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O；石墨烯失电子作阳极，阳极Fe2＋失电子生成Fe3＋，Fe3＋继续与H2S反应生成Fe2＋与S，故协同转化总反应为CO2＋H2S===CO＋H2O＋S，Fe2＋、Fe3＋易水解，只能在酸性条件下存在。
1．(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn－CO2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。
【答案】D【解析】充电时，正极即为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，溶液中H＋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，D错误。
【答案】B【解析】反应过程中正极生成大量的OH－使正极区pH升高，负极消耗OH－使负极区OH－浓度减小pH降低，B错误。
3．(2020·山东卷)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含 CH3COO－的溶液为例)。
下列说法错误的是(　　)A．负极反应为 CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C．当电路中转移1 ml电子时，模拟海水理论上除盐58.5 gD．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1【答案】B
【解析】结合电荷守恒可得电极反应式为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，A正确；为了实现海水的淡化，模拟海水中的氯离子需要移向负极，即a极，则隔膜1为阴离子交换膜，钠离子需要移向正极，即b极，则隔膜2为阳离子交换膜，B错误；当电路中转移1 ml电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1 ml Cl－移向负极，同时有1 ml Na＋移向正极，即除去1 ml NaCl，质量为58.5 g，C正确；b极为正极，水溶液为酸性，所以氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，所以当转移8 ml电子时，正极产生4 ml气体，根据负极反应式可知负极产生2 ml气体，物质的量之比为4∶2＝2∶1，D正确。
4．(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。
下列说法错误的是(　　)A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B
【解析】生物燃料电池的工作原理是N2＋3H2===2NH3，其中N2在正极区得电子发生还原反应，H2在负极区失电子发生氧化反应，原电池工作时阳离子向正极区移动。利用生物燃料电池在室温下合成氨，既不需要高温加热，同时还能将化学能转化为电能，A正确；原电池只有正、负极，不存在阴、阳极，其中负极区，氢气在氢化酶的作用下，发生氧化反应，反应式为H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，B错误；N2在正极区得电子发生还原反应，生成NH3，C正确；燃料电池工作时，负极区生成的H＋透过质子交换膜进入正极区，D正确。