2020年高考化学一轮总复习文档：第九章第28讲原电池化学电源 学案
展开第九章 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、原电池原理
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．构成条件
(1)有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)
(1)反应原理
(2)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。
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。
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(填“增大”“减小”或“不变”)。
(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，燃料和氧化剂连续地由外部供给。
(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，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池。(√)
错因：_____________________________________________________________
(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)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加。(√)
错因：_____________________________________________________________
(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。(×)
错因：碱性锌锰干电池中的MnO2在正极上得电子，是氧化剂。
(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。(×)
错因：燃料电池直接将化学能转化为电能。
(6)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。
(7)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
(据人教必修二P44 T1)原电池是利用______________反应、将________能转化为________能的装置。其中，负极是电子________的一极，发生________反应；正极是电子________的一极，发生________反应。
答案 能自发进行的氧化还原 化学 电 流出 氧化 流入 还原
3．教材改编题
(据人教选修四P78 T3)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 原电池的工作原理及应用
[典例1] (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 B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
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。
答案 A
名师精讲
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．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；B正确；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。
2．(2018·厦门模拟)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。
考点 化学电源
[典例2] (2018·青岛模拟)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
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。
答案 B
[典例3] (2018·茂名一模)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
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；若去掉阳离子交换膜，正极产生的OH－直接向负极移动，不能产生稳定的电流，D错误。
答案 C
名师精讲
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。
(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．如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是( )
A．a为电池的正极
B．电池充电反应为Li2Mn2O4===LiMn2O4＋Li
C．放电时，a极锂的化合价发生变化
D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移
答案 C
解析 根据原电池中金属性较强的材料作负极，可知b为电池的负极，则a为电池的正极，A正确；电池的充电反应为电解池原理，B正确；放电时，a作电池的正极，Mn元素化合价发生变化，Li元素化合价不变，C错误；放电时，阳离子移向电池的正极，D正确。
4．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__________________________________。若线路中转移2 mol电子，则上述CH3OH燃料电池消耗的O2在标准状况下的体积为________L。
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＋ 11.2
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，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑；溶液中H＋放电，导致溶液中H＋浓度减小，pH升高。
(2)Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成如题图所示的原电池装置，根据方程式中物质发生的反应类型判断，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＋，线路中转移2 mol电子时消耗氧气0.5 mol，标准状况下体积为11.2 L。
