人教版高考化学一轮复习专题6化学反应与能量第2单元原电池化学电源学案

这是一份人教版高考化学一轮复习专题6化学反应与能量第2单元原电池化学电源学案，共24页。
第二单元　原电池　化学电源
[课标解读]　
1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和电池总反应方程式。　
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。　
3.会分析新型化学电源的工作原理。

　原电池工作原理及其应用

知识梳理
1．原电池的构成
(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
反应
能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合回路
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
[辨易错]
(1)中和反应放热，可以设计原电池。 (　　)

(2)右图可以形成原电池。 (　　)
(3)原电池中的两电极一定是活泼性不同的金属材料。 (　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)×
2．原电池的工作原理
如图是Cu­Zn原电池，请填空：

(1)两装置的反应原理
电极名称
负极
正极
电极材料
Zn
Cu
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
(2)原电池中的三个方向
①电子方向：从负极流出沿导线流入正极。
②电流方向：从正极沿导线流向负极。
③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。盐桥溶液中阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
[深思考]
(1)Ⅱ中盐桥的作用是什么？
(2)Ⅱ装置比Ⅰ装置有哪些优点？
[答案]　(1)①连接内电路，形成闭合回路
②平衡溶液中电荷，溶液呈电中性，使电池不断地产生电流
(2)电流转化效率高，电流稳定，且持续时间长。
3．原电池原理的应用
(1)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。
(2)加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率加快。例如，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。
(3)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Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，负极用Cu，正极用Ag或C等，AgNO3为电解质溶液。
[辨易错]
(1)在Mg—NaOH溶液—Al构成的原电池中负极为Mg，反应为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2。 (　　)
(2)任何原电池工作时，正极本身一定不参加反应，负极本身一定参加反应。 (　　)
(3)对于Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋反应，设计反应池时两极材料可以是Cu与Fe。 (　　)
(4)粗Zn与稀硫酸反应制H2比纯Zn与稀硫酸反应快。 (　　)
[答案]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√
知识应用
1．在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)。③装置发生的电极反应式为
。

[答案]　②④　负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑
2．有下列图像：

A　　　　　B　　　　C　　　　D
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，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 。
[答案]　(1)A　(2)B　(3)C

命题点1　原电池的工作原理
1．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)

①　　　②　　　③　　　④
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↑
B　[②中Mg作正极，③中的Fe作正极，A错误；③中的Cu作负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，C错误；④中的Cu作正极，反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，D错误。]
2．某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2O>Fe3＋，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是(　　)

A．甲烧杯的溶液中发生还原反应
B．乙烧杯中发生的电极反应为：2Cr3＋＋7H2O－6e－===Cr2O＋14H＋
C．外电路的电流方向是从b到a
D．电池工作时，盐桥中的SO移向乙烧杯
C　[A项，甲烧杯的溶液中发生氧化反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；B项，乙烧杯的溶液中发生还原反应，应为Cr2O得到电子生成Cr3＋；C项，a极为负极，b极为正极，外电路中电流由b到a；D项，SO向负极移动，即移向甲烧杯。]
3．(2020·山东名校联考)在微生物作用下，利用电化学装置可将Fe2＋转化为Fe3＋，工作原理图如图所示。下列有关说法正确的是(　　)

A．该交换膜为阴离子交换膜
B．该电池的正极反应式为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．该电池中1 mol Fe2＋被转化时，有4 mol离子通过交换膜
D．在高温下进行能够大大提高转化效果
B　[O2转化为H2O的反应为还原反应，说明右侧电极是正极，正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，正极反应需要消耗H＋，通过交换膜的离子应为H＋，故该交换膜不是阴离子交换膜，A项错误，B项正确；该电池的负极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋，1 mol Fe2＋被转化时，电路中通过1 mol e－，同时有1 mol H＋通过交换膜，C项错误；高温下蛋白质会发生变性，微生物会失去生物活性，转化效果降低，D项错误。]

原电池的工作原理简图

注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②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。
命题点2　原电池原理的应用
4．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：
实验装置




部分实验现象
a极质量减少；b极质量增加
b极有气体产生；c极无变化
d极溶解；c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A．a>b>c>d　　　　　　 B．b>c>d>a
C．d>a>b>c D．a>b>d>c
C　[把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b>c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d>a。综上所述可知活动性：d>a>b>c。]
5．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)负极反应式： 。
(2)正极反应式： 。
(3)电池总反应方程式： 。
(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥

②含盐桥

[答案]　(1)Cu－2e－===Cu2＋
(2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①　
②

原电池设计的一般思路
(1)正、负极材料的选择：根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极。
(2)电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生相应反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生相应反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液一般选择与电极材料相同的阳离子溶液。
(3)画装置图：注明电极材料与电解质溶液。但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合回路。
　化学电源

知识梳理
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。
2．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：8Li－8e－===8Li＋；
正极：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SO＋2S；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
3．二次电池
铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

注意：①充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。
②二次电池充电时的电极连接

即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
介质
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
注意：①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。

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：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－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－；③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。
知识应用
1．2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一种锂离子电池的反应式为LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2(x