1、第一节 原电池 化学电源,三年26考 高考指数: 1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。 2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。,一、原电池 1.概念：把_转化为_的装置。 2.构成条件 (1)有两个_的电极(常见为金属或石墨)。 (2)将电极插入_中。 (3)两电极间构成闭合回路。,化学能,电能,活泼性不同,电解质溶液,3工作原理 如图是CuZn原电池，请填空：,(1)电极 负极为_，正极为_。 (2)电极反应 负极：_，正极：_。 (3)电子方向和电流方向 电子从_流出经外电路流入_； 电流从_流出经外电路流入_。,Zn,Cu,Zn-2e-=Zn2+,Cu2+2e-
2、=Cu,负极,正极,正极,负极,(4)离子的迁移方向 电解质溶液中，阴离子向_迁移，阳离子向_迁移。(5)两种装置的比较 装置中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触，易造成能量损耗；装置能避免能量损耗；装置中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。,负极,正极,二、化学电源的种类及其工作原理 1.一次电池(碱性锌锰干电池) 碱性锌锰干电池的工作原理如图：,负极（Zn），电极反应式： _ 正极（MnO2），电极反应式： _ 总反应： Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnOOH,Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2,2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-,2.二次电池(以铅蓄
3、电池为例),(1)放电时的反应 负极反应：_ 正极反应：_ _ 总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l) (2)充电时的反应 阴极反应：_ 阳极反应：_ 总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq),Pb(s)+SO42- (aq)-2e-=PbSO4(s),PbO2(s)+4H+(aq)+SO42- (aq)+2e-= PbSO4(s)+2H2O(l),PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq),PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-
4、 (aq),3.燃料电池 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。,2H2-4e-=4H+,2H2+4OH-4e-=4H2O,O2+4H+4e-=2H2O,O2+2H2O+4e-=4OH-,1.不是所有化学反应都可以设计成原电池。( ) 【分析】正确。只有氧化还原反应才可以设计成原电池。 2.原电池的两电极中，较活泼的电极一定为负极。( ) 【分析】错误。不一定，如铝、镁和NaOH溶液构成的原电池，铝作原电池的负极，镁作原电池的正极。,3.燃料电池的反应条件是燃烧。( ) 【分析】错误。燃料电池利用的是可燃物燃烧这一氧化还原反应，但绝不是燃烧。 4.可充电电池中的电极反应是可
5、逆反应。( ) 【分析】错误。可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的，故它不是可逆反应。,原电池的构成及电极反应式的书写 1.原电池的构成,原电池构成,电极,两极为导体且存在活泼性差异(燃料 电池的电极一般为惰性电极),溶液,两极插入电解质溶液中,回路,形成闭合回路或两极直接接触,本质,有无氧化还原反应发生,2.正、负极的判断,3.电极反应式的书写 (1)一般电极反应式的书写,负极发生氧化反应 正极发生还原反应,参加反应的微粒 和得失电子数,在电解质溶液的环境中要生成稳定的电极 产物，即H+、OH-、H2O等是否参加反应 遵守电荷守恒、质量守恒、电子守恒,两电极反应式相加，与总反应式对照
6、验证,(2)复杂电极反应式的书写如CH4酸性燃料电池中，电极反应式为： CH4+2O2=CO2+2H2O总反应式 2O2+8H+8e-=4H2O正极反应式 CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+负极反应式,【高考警示钟】(1)负极本身不一定都参加反应，如燃料电池中，作为负极的材料本身并不参加反应。 (2)不注意电解质溶液的成分，容易误写电极反应式，如Al负极，在酸性溶液中生成Al3+，在碱性溶液中生成AlO2-。 (3)电子从负极经外电路流向正极，但电子不能通过电解液，是通过阴阳离子的移动形成闭合回路。 (4)用总电极反应减去一极的电极反应时，须在两式电子转移数相等的前提下进行。,【拓展延伸
7、】原电池正负极的其他判断方法 (1)根据原电池中电解质溶液内离子的定向移动判断。在原电池的电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。 (2)根据电池总反应判断。反应中的还原剂是负极的活性物质，对应的电极为负极；氧化剂则是正极上得电子的活性物质，对应的电极为正极。,【典例1】生物燃料电池(BFC)是以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电池，其能量转化效率高，是一种真正意义上的绿色电池，其工作原理如图所示。,已知C1极的电极反应式为：C2H5OH+3H2O12e=2CO2+12H+。 下列有关说法不正确的是( ) AC1极为电池负极，C2极为电池正极 B电子由C2极经
8、外电路导线流向C1极 CC2极的电极反应式为O2+4H+4e=2H2O D该生物燃料电池的总反应式为： C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O,【解题指南】解答本题时应注意以下两点： (1)燃料电池中通入燃料的一极一定为负极； (2)正极产生的OH-要与溶液中的H+反应。 【解析】选B。燃料电池中，通入燃料的一极为负极，发生氧化反应，通入氧气的一极为正极，发生还原反应，A、C项正确；电子由负极经外电路流向正极，B项错误。,【技巧点拨】燃料电池的电极判断及电极反应式的书写 (1)作为燃料电池，充入氧气的一极一定是正极，另外一极为负极。 (2)书写正负电极反应时，要先写简单的一极，如燃料电池，一
9、般先写正极反应。当介质为碱性时，电极反应式为2H2O+O2+4e-=4OH-，当介质为酸性溶液时，电极反应式为4H+O2+4e-=2H2O，然后用总反应减去该电极反应，即可得出另一极反应(前提是两式电子转移数相等)。,【变式训练】(2011海南高考改编)根据如图，下列判断中正确的是( ),AFe极作负极 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2Cl2e=Cl2 【解析】选B。Zn比Fe活泼，所以Zn作负极，发生氧化反应，电极反应式为：Zn2e=Zn2+，故A、D错误；Fe作正极，氧气在该电极上发生还原反应，电极反应式为：2H2O+O2+ 4e=4
10、OH，C错。,【变式备选】MCFC型燃料电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为600700 ，所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3。该电池的总反应式为：2H2+O2=2H2O，负极反应为：H2+CO32-2e-=H2O+CO2。则下列推断中，正确的是( ) A正极反应为4OH-4e-=2H2O+O2 B当电池生成1 mol水时，转移4 mol电子 C放电时CO32-向负极移动 D通H2的一极为负极，发生还原反应,【解析】选C。A项，正极反应应有O2参加，故A错误；B项，根据总电极反应式可知，当生成1 mol水时，转移2 mol电子，B错误；C项，因负极上氢气失电子，从而负极带上了正电荷，故
11、放电时CO32-向负极移动，C正确；D项，通H2的一极为负极，发生氧化反应，D错误。,原电池工作原理的应用 1比较金属的活动性强弱 原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。 如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以断定金属活动性AB。,2加快化学反应速率 由于形成了原电池，导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成CuZn原电池，加快反应进行。 3用于金属的防护 使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁
12、质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。,4.设计制作化学电源 设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件。 (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。 电极材料的选择 在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。,电解质溶液的选择 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(如溶解于
13、溶液中的空气)。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Cu-Zn-硫酸构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。,(3)按要求画出原电池装置图。 如根据2Fe3+Cu=2Fe2+Cu2+设计原电池：负极：Cu-2e-=Cu2+ 正极：2Fe3+2e-=2Fe2+,【高考警示钟】(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。 (2)利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的
14、量还是取决于酸的量。 (3)设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以。,【典例2】某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目： 方案I：有人提出将大小相等的铁片和铜片，分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为_。,方案：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。正极：_； 负极：_。,方案：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu
15、活动性的简单实验方案(与方案、不能雷同) _， 用离子方程式表示其反应原理：_。,【解析】方案：铁可以和稀硫酸(或稀盐酸)反应生成H2，而Cu在金属活动性顺序表中位于H的后面，不能置换出酸中的氢。 方案：利用原电池原理证明金属活动性FeCu，可以把铁片作为原电池的负极，铜片作为原电池的正极，稀硫酸作电解质溶液，按要求组成闭合回路，画出装置图，并写出相应的电极反应式。也可以设计盐桥组成原电池。 方案：可以利用金属与盐溶液的置换反应验证金属的活泼性。把铁片插入CuSO4溶液中观察现象。,答案：方案：Fe2H+=Fe2+H2 方案：正极：2H+2e-=H2或Cu2+2e-=Cu 负极：Fe2e-=F
16、e2+,方案：把一个光洁的铁片插入到CuSO4溶液中，观察现象 FeCu2+=Fe2+Cu,【互动探究】在以上题目中，是通过设计原电池，利用原电池的工作原理，验证了铁的金属活动性强于铜。但是，是否铁与铜分别作电极构成的原电池中，铁一定作为原电池的负极呢？ 提示：不一定，用铁、铜和浓硝酸构成的原电池中，因铁在常温下和浓硝酸发生钝化，故它不再继续发生氧化反应，而铜则容易和浓硝酸发生氧化反应，表现为失电子，故铜成为了原电池的负极，铁成为了原电池的正极。,1.下列图示装置属于原电池的是( ),【解析】选B。原电池的形成条件之一就是存在活动性不同的两种金属或金属、非金属，故A错误；另一条件是存在电解质溶
17、液或两电极直接接触，故C错误；再者就是构成闭合回路，D项，没有构成闭合回路，D错误。,2.X、Y、Z、W 4块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是WZ；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断4种金属的活动性顺序是( ) A.XZWY B.ZXYW C.XYZW D.YWZX,【解析】选A。由“X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是WZ”得出金属活动性顺序为XY，ZW；再由“X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应”得出金属活动性顺序为XZ，WY。,3.2011年8月美
18、国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁-过氧化氢燃料电池系统。电池总反应是：Mg+H2O2+2H=Mg2+2H2O，其工作原理如图所示：以下说法中错误的是( ),A电池的负极反应为：Mg-2e=Mg2 B电池工作时，H向负极移动 C电池工作一段时间后，溶液的pH增大 DH2O2的还原产物为H2O,【解析】选B。电池工作时，H应向正极移动，B错误；C项，由电极总反应式Mg+H2O2+2H=Mg2+2H2O可知，H+被消耗，故pH变大，C正确。,4.某可充电的锂离子电池以LiMn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li导电固体为电解质。放电时的电池反应为：LiLiMn2O4
19、=Li2Mn2O4。下列说法正确的是( ) A放电时，LiMn2O4发生氧化反应 B放电时，正极反应为： LiLiMn2O4e=Li2Mn2O4 C充电时，LiMn2O4发生氧化反应 D充电时，阳极反应为：Lie=Li,【解析】选B。A项，由LiLiMn2O4=Li2Mn2O4可知，锰的价态降低，故发生还原反应；C项，充电时，Li2MnO4发生氧化反应；D项，阳极反应为Li2Mn2O4-e-=LiMn2O4+Li+。,5.某学生为探究铜生锈的过程设计如图所示装置，下列选项中正确的是( )A一段时间后C棒上有气泡冒出，附近的溶液变为红色 B一段时间后溶液中会有蓝色沉淀产生 CCu棒为正极，发生：
20、Cu-2e-=Cu2+ DC棒为正极，发生：2H+2e-=H2,【解析】选B。A项，装置中Cu作负极，失电子，生成Cu2+，正极O2得电子生成OH-，故正极不会产生气体，故A、C、D三项皆错误；一段时间后，负极上产生的Cu2+与正极上产生的OH-相遇，在溶液中生成蓝色沉淀Cu(OH)2，故B项正确。,6.如图为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图。,该反应的还原剂是_(写名称)；若b电极的反应式为：3O2+12e-+12H+=6H2O，则a电极的反应式为：_。 【解析】在燃料电池中，可燃物作还原剂，氧气作氧化剂。由总电极反应式(CH3)2O+3O2=2CO2+3H2O，减去正极反应可得负极反应为(CH3)2O-12e-+3H2O=2CO2+12H+。 答案：二甲醚(CH3OCH3) (CH3)2O+3H2O-12e-=2CO2+12H+,
