第19讲 原电池 化学电源（基础过关）-2022年高考化学一轮复习讲练全能王（有答案）

第十九讲  原电池 化学电源

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。

1．变化观念与平衡思想：认识原电池的本质是氧化还原反应。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。

知识点一　原电池

1．概念

把________能转化为____能的装置。

2．工作原理：(以锌铜原电池为例)

3.原电池构成条件

(1)两个____________的电极。

(2)将电极插入______________中。

(3)用导线连接电极构成____________。

(4)能自发进行的____________________。

总之原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示：

知识点二　化学电源

1．一次电池

(1)碱性锌锰干电池

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

(2)锌银电池

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

2．二次电池(可充电，可多次重复使用)

如铅蓄电池：H2SO4作电解质溶液

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O；

总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。

3．燃料电池

(1)氢氧燃料电池

①用酸性电解质时：

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：H2＋O2===H2O。

②用NaOH等碱性溶液时：

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：H2＋O2===H2O。

(2)CH4燃料电池：电解质为KOH

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O。

【易错易混问题】

1．在原电池中是否较活泼金属一定作负极？

问题剖析：

不一定，例如将Mg和Al用导线连接插入NaOH溶液中，Al作负极，Mg作正极。

2．原电池内部阴、阳离子如何移动？

问题剖析：

根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原理可知，在电解质溶液中，阴离子移向负极，阳离子移向正极。

3．怎样判断原电池的正负极？

问题剖析：

(1)根据电子流动方向判断。在原电池中，电子流出的一极是负极；电子流入的一极是正极。

(2)根据两极材料判断。一般活泼性较强金属为负极；活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

(3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

(4)根据原电池两极发生的变化来判断。负极总是失去电子，发生氧化反应，正极总是得到电子，发生还原反应。

(5)根据现象判断。溶解的一极为负极，质量增加或放出气体的一极为正极。

4．可充电电池充电时，电极与外接电源的正负极如何连接？发生什么变化？

问题剖析：

5．氢氧燃料电池在碱性介质中如何反应？反应后溶液的碱性有何变化？

问题剖析：

负极反应：2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－

总反应式：2H2＋O2===2H2O

从上述反应可以看出，虽然OH－反应前后的量不变，但有水生成，介质溶液的碱性减弱。

【疑难探究】

一、原电池电极反应式的书写

1．一般电极反应式的书写步骤

2．复杂电极反应式的书写

如CH4酸性燃料电池中，负极反应式为

CH4＋2O2―→CO2＋2H2O……总反应式①

____________________________……正极反应式②

______________________……负极反应式(①－②)

【疑难解析】

一、1.氧化反应　还原反应　电荷　质量　得失电子

2．总反应式　较简单一极的电极反应式　2O2＋8H＋＋8e－===4H2O　CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋

【疑难探究】

二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应速率

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率________。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率________。

2．比较金属活动性强弱

两种金属作原电池的两极时，其活泼性与正极、负极有什么关系？

3．设计化学电源

(1)设计原电池的一般思维方法是什么？

(2)设计原电池时，对电解质溶液有何要求？若有盐桥时两个半电池中的电解质溶液是否相同？

(3)在电极材料的选择使用方面有何要求？电极材料必须参与化学反应吗？

【疑难解析】

二、1.加快　加快

2．一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

3．(1)一般思维方法：①首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应；

②根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料(负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨)及电解质溶液。

③按要求画出原电池装置图。

(2)电解质溶液的要求：

电解质是使负极放电的物质。因此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(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在锌铜原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的溶液中。但H2—KOH—O2构成的电池中两个半电池中可都用KOH溶液。

(3)电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料(也可以是还原性较强的非金属材料如H2、CH4等)。

1．科学工作者为心脏病人设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体内液体中含有一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作。回答下列问题：

(1)正极材料是________，电极反应是

________________________________________________________________________。

(2)负极材料是________，电极反应是

________________________________________________________________________。

2．LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法正确的是(　　)

A．可加入硫酸以提高电解质的导电性

B．放电时电池内部Li＋向负极移动

C．充电过程中，电池正极材料的质量增加

D．放电时电池正极反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4

3．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中加少量CuSO4溶液，下图中产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系，其中正确的是(　　)

4．有A、B、C、D四种金属。将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀。将A、D分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈。将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化。如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是(　　)

A．D、C、A、B       B．D、A、B、C

C．D、B、A、C       D．B、A、D、C

5．根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3＋Fe===3FeCl2。

要求：(1)画出此原电池的装置图，装置可采用烧杯。

(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。

(3)写出两个电极上发生的电极反应。

一、原电池正、负极的判断与电极反应式的书写

1．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是(　　)

A．水既是氧化剂又是溶剂

B．放电时正极上有氢气生成

C．放电时OH－向正极移动

D．总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

2．研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl

下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是(　　)

A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl

B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子

C．Na＋不断向“水”电池的负极移动

D．AgCl是还原产物

3．某小组为研究电化学原理，设计如图装置。

下列叙述不正确的是(　　)

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D．a和b分别连接直流电流正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动

4．铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，研读下图，下列判断不正确的是(　　)

A．K闭合时，d电极反应式：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

B．当电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2 mol

C．K闭合时，Ⅱ中SO向c电极迁移

D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极

5．铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是(　　)

A．正极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从正极流向负极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

二、原电池原理的应用

1．Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，可通过下列方法制备：在KOH溶液中加入适量AgNO3溶液，生成Ag2O沉淀，保持反应温度为80 ℃，边搅拌边将一定量K2S2O8溶液缓慢加到上述混合物中，反应完全后，过滤、洗涤、真空干燥得固体样品。反应方程式为2AgNO3＋4KOH＋K2S2O8Ag2O2↓＋2KNO3＋2K2SO4＋2H2O

回答下列问题：

(1)上述制备过程中，检验洗涤是否完全的方法是

________________________________________________________________________。

(2)银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池反应方程式：

________________________________________________________________________。

(3)准确称取上述制备的样品(设仅含Ag2O2和Ag2O)2.588 g，在一定条件下完全分解为Ag和O2，得到224.0 mL O2(标准状况下)。计算样品中Ag2O2的质量分数(计算结果精确到小数点后两位)。

2．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：

(1)

氢氧燃料电池的能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子流动方向为________(用a、b表示)。

(2)负极反应式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)电极表面镀铂粉的原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H22LiH

Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是________________，反应Ⅱ中的氧化剂是________________。

②已知LiH固体密度为0.82 g·cm－3，用锂吸收224 L(标准状况)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

三、原电池原理及其应用

1．理论上不能用于设计成原电池的反应是(　　)

A．HCl＋NaOH===NaCl＋H2O　ΔH＜0

B．2CH3OH(l)＋3O2(g)2CO2(g)＋4H2O(l)　ΔH＜0

C．4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)===4Fe(OH)3(s)　ΔH＜0

D．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH＜0

2．X、Y、Z都是金属，把X投入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X与Y组成原电池时，Y为电池的负极，X、Y、Z三种金属的活泼性顺序为(　　)

A．X>Y>Z        B．X>Z>Y

C．Y>X>Z        D．Y>Z>X

3．依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如下图所示。

请回答下列问题：

(1)电极X的材料是______；电解质溶液Y是

________________________________________________________________________；

(2)银电极为电池的________极，发生的电极反应为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

X电极上发生的电极反应为

________________________________________________________________________；

(3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。

四、原电池正、负极的判断和电极反应式的书写

1．将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。已知，通入CH4的一极，其电极反应式是CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O；通入O2的另一极，其电极反应式是2O2＋4H2O＋8e－===8OH－。下列叙述不正确的是(　　)

A．通入CH4的电极为负极

B．正极发生氧化反应

C．燃料电池工作时，溶液中的OH－向负极移动

D．该电池使用一段时间后应补充KOH

2．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池的说法不正确的是(　　)

A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极

B．该电池的总反应是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O

C．电路中每通过5 mol电子，约有5.6 L标准状况下的丙　烷被完全氧化

D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O

3．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是(　　)

A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)

B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)

C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)

D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－

4.(1)将Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片(　　)__________________________________________________________________，

Cu片(　　)__________________________________________________________________。

(2)若将Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中能否组成原电池？________(填“能”或“不能”)，若能组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片(　　)________________________________________________________________，

Cu片(　　)________________________________________________________________。

五、综合探究

1．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LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl ＋S ＋SO2↑。

请回答下列问题：

(1)电池的负极材料为________________，发生的电极反应为

________________________________________________________________________；

(2)电池正极发生的电极反应为

________________________________________________________________________；

(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。 如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是

________________________________________________________________________，

反应的化学方程式为

________________________________________________________________________；

(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。