2020版化学新增分大一轮苏教（江苏）讲义：专题6　化学反应与能量变化第18讲

第18讲　原电池　化学电源
考纲要求　1.理解原电池的工作原理，能写出简单电极反应和电池反应方程式。2.了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的重要应用。3.了解研制新型化学电源的重要性。
考点一　原电池的工作原理及应用

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)一看反应：看是否有能自发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：一般是活泼性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路，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
以锌铜原电池为例

(1)反应原理
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电子流向
由Zn片沿导线流向Cu片
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极

(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。
4.原电池原理的应用
(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。
(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。
(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
(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根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。

(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√)
(2)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极(√)
(3)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(×)
(4)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(×)
(5)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极(×)
(6)一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(√)

1.在如图所示的4个装置中，不能形成原电池的是_____(填序号)，并指出原因_______。

答案　①④　①中酒精是非电解质；④中未形成闭合回路。
2.设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：_____________________________。
(2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：
①负极：__________________________________________________________________。
②正极：__________________________________________________________________。
(3)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)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(2)①Cu－2e－===Cu2＋
②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)
①不含盐桥
②含盐桥




题组一　原电池的工作原理
1.课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是(　　)

A.原电池是将化学能转化成电能的装置
B.原电池由电极、电解质溶液和导线等组成
C.图中a极为铝条、b极为锌片时，导线中会产生电流
D.图中a极为锌片、b极为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片
答案　D
解析　D项，a极为负极，电子由负极(锌片)流出。
2.(2015·天津理综，4)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是(　　)

A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小
C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D.阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
答案　C
解析　A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO)不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2＋)>M(Cu2＋)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2＋通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。
3.(2018·盐城调研)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O2＋2H2O＋4e－===4OH－
答案　BD
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错；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正确。

原电池的工作原理简图

注意　①电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。
②若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
③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。


题组二　原电池原理的应用
4.(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是(　　)


答案　D
解析　a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。
5.(比较金属活动性)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顺序是(　　)
A.a＞b＞c＞d B.b＞c＞d＞a
C.d＞a＞b＞c D.a＞b＞d＞c
答案　C
解析　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。
6.(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀，可采取的措施有(　　)
A.与石墨棒相连 B.与铜板相连
C.埋在潮湿、疏松的土壤中 D.与锌板相连
答案　D
解析　A项，石墨棒与铁构成原电池，铁活泼，失电子作负极，被腐蚀；B项，铜板与铁构成原电池，铁比铜活泼，失电子作负极，被腐蚀；C项，在潮湿、疏松的土壤中，铁与土壤中的碳、水、空气构成原电池，铁失电子作负极，被腐蚀；D项，锌板与铁构成原电池，锌比铁活泼，锌失电子作负极，锌被腐蚀，铁被保护。
题组三　聚焦“盐桥”原电池
7.根据下图，下列判断中正确的是(　　)

A.烧杯a中的溶液pH升高
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑
答案　AB
解析　由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋。
8.控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)

A.反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原
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，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
答案　D
解析　由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流计读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。
9.依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。

请回答下列问题：
(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是________(填化学式)。
(2)银电极为电池的________极，其电极反应为________________________________。
(3)盐桥中的NO移向________溶液。
答案　(1)Cu　AgNO3　(2)正　Ag＋＋e－===Ag　(3)Cu(NO3)2
考点二　常见化学电源及工作原理

一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用
1.碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：碳棒。
电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2.纽扣式锌银电池
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

电解质是KOH。
负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：Ag2O。
电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。
3.锂电池
Li－SOCl2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8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)负极材料为________，电极反应为_________________________________________。
(2)正极的电极反应为_______________________________________________________。
答案　(1)锂　8Li－8e－===8Li＋
(2)3SOCl2＋8e－===2S＋SO＋6Cl－
二、二次电池：放电后能充电复原继续使用
1.铅蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。
2.图解二次电池的充放电

3.二次电池的充放电规律
(1)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。
(2)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。
三、“高效、环境友好”的燃料电池
1.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。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用

2.解答燃料电池题目的思维模型

3.解答燃料电池题目的几个关键点
(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靠近一极的电极反应。

(1)太阳能电池不属于原电池(√)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)
(3)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加(√)
(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(×)
(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(×)
(6)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移(×)
(7)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g(√)

题组一　根据图示理解化学电源
1.普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn＋2NH＋2MnO2===[Zn(NH3)2]2＋＋Mn2O3＋H2O。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是(　　)

A.当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原
B.电池负极反应式为2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O
C.原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极
D.外电路中每通过0.1 mol电子，锌的质量理论上减小3.25 g
答案　CD
解析　普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1 mol电子，消耗锌的质量是65 g·mol－1 ×＝3.25 g，D项正确。
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
解析　A项，由→发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。
3.下图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320 ℃左右，电池的反应式为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为______________________________________________。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是________________________________________。

答案　xS＋2e－===S(或2Na＋＋xS＋2e－===Na2Sx)　导电和隔离钠与硫
题组二　可充电电池
4.(二次电池的理解与应用)镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是(　　)
A.充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
答案　A
解析　放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。
5.(2016·四川理综，5)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x