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

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>PC．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＋＋CuC．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－===PbC．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↑＋4H2OD．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＋2H2O①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②①＋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＋LiC．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。