1、第19讲 原电池 化学电源,【考纲要求】 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。,考点1 原电池及其工作原理及应用,知识梳理,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,自发进行,石墨,电解质溶液,3.工作原理,锌,铜,氧化,还原,锌,铜,负极,正极,4.原电池原理的四大应用 (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 极的金属比作 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 。例如,在Zn与稀H
2、2SO4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 必须是能自发进行且 的氧化还原反应。 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 . 的金属作为 ; 的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为 。,负,正,增大,放热,活泼,性较强,负极,活泼性较弱,正极,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(如溶解于溶液中的空气)。但如果设计含有盐桥的原电池,则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的 ,如在Cu-Zn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
3、浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。,实例:根据Cu+2Ag+ Cu2+2Ag设计原电池:,(4)用于金属的防护(牺牲阳极阴极保护法) 使被保护的金属制品作原电池 而得到保护。例如,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。,阳离子,正极,【多维思考】,提示:(1) (2) (3) (4) (5) (6),判断下列说法是否正确,正确的打“”,错误的打“”。 (1)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,把其中的化学能转化为电能。( ) (2)在原电池中,发生氧化反应的电极一定是负极。( ) (3)其他条件均相同,带有
4、“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。( ) (4)某原电池反应为Cu+2AgNO3 Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含琼脂的KCl饱和溶液。( ) (5)因为铁的活泼性强于铜,所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中组成原电池,必是铁作负极、铜作正极。( ) (6)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。( ),提示:(7) (8) (9) (10) (11),(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。( ) (8)电工操作中规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,是因为铜、铝在潮湿的环境中形成原电池,加快了铝的腐蚀,
5、易造成断路。( ) (9)锌与盐酸反应时,用粗锌比用纯锌产生H2的速率要快。( ) (10)C+H2O CO+H2可设计成原电池。( ) (11)将氧化还原反应设计成原电池,可以把物质内部的能量全部转化为电能。( ),考点演练,考向一 原电池的工作原理,D,1.关于原电池的叙述正确的是( ) A.原电池工作时,电极上不一定都发生氧化还原反应 B.某可逆电池充、放电时的反应式为Li1-xNiO2+xLi LiNiO2,放电时此电池的负极材料是Li1-xNiO2 C.铅、银和盐酸构成的原电池工作时,铅板上有5.175 g铅溶解,正极上就有1 120 mL (标准状况)气体析出 D.在理论上可将反应
6、CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(l) H0设计成原电池,解析:A中原电池工作时电极上一定都发生氧化反应或还原反应;B中电池放电时,负极材料是Li;C中通过电子守恒计算知正极上生成的气体在标准状况下应为560 mL。,2.(2015天津卷)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( )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,C,易错警示 规避原电池工作原理的3个失分点,1.原电池闭合回路的形
7、成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。 2.电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。 3.无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。,考向二 原电池的形成条件及正负极的判断 3.下列示意图中能构成原电池的是( ),解析:Cu、C与稀硫酸不反应,A装置不能构成原电池;Al与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应,B装置能构成原电池;C装置中两电极相同,不能构成原电池;D装置中缺少盐桥。,B,4.(2017河北沧州一中模拟)分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( ),B,判断原电池正、负极的五种方法,方法技巧,注意:原
8、电池的正极和负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成活泼电极一定作负极的思维定式。,考向三 原电池原理的应用 5.导学号 96656118 下列事实不能用原电池原理解释的是( ) A.将镁粉、铁粉和食盐一块加到水中迅速反应放热 B.铁被钝化处理后不易被腐蚀 C.纯锌与稀硫酸反应时,滴入少量CuSO4溶液后反应速率加快 D.镀层破损后,镀锌铁比镀锡铁更耐用,解析:将镁粉、铁粉和食盐一块加到水中,构成原电池装置,金属镁是负极,镁和水的反应是放热反应,形成原电池可以加快化学反应速率,能用原电池原理解释,A不符合题意;铁被钝化后,在金属表面会形成一层致密的金属氧化膜,保护内部金属不易被腐
9、蚀,不能用原电池原理解释,B符合题意;纯锌与稀硫酸反应时,滴入少量CuSO4溶液后,金属锌可以和硫酸铜反应置换出铜,Zn、Cu、硫酸会构成原电池装置,Zn为负极,使得Zn和硫酸的反应速率加快,能用原电池原理解释,C不符合题意;镀层破损后,镀锌铁和潮湿空气形成的原电池中,金属Zn为负极,Fe为正极,Fe被保护,镀锡铁和潮湿空气形成的原电池中,金属Fe为负极,Sn为正极,Fe被腐蚀速率加快,镀锌铁比镀锡铁更耐用,能用原电池原理解释,D不符合题意。,B,6.(2017河北衡水模拟)一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+ Zn2+Cu,该原电池的合理组成是( ),解析:原电池中,相对活泼的金属
10、作负极,发生氧化反应;不活泼金属作正极,发生还原反应。所以根据原电池的总反应的离子方程式Zn+Cu2+ Zn2+Cu知,该原电池中,锌为负极,铜为正极,硫酸铜溶液作电解质溶液,即选项C正确。,C,7.有A、B、C、D四种金属,做如下实验:将A与B用导线连接起来,浸入电解质溶液中,B不易被腐蚀;将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中,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.ABCD B.CDAB C.DABC D.ABDC,解析:A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池,B不易被腐蚀,说明B为
11、原电池的正极,说明金属活动性:AB;A、D与等物质的量浓度的盐酸反应,D比A反应剧烈,说明金属活动性:DA;根据置换反应规律,Cu不能置换出B,说明金属活动性:BCu,Cu能置换出C,说明金属活动性:CuC。则四种金属活动性的排列顺序是DABC。,C,考点2 三类常见的化学电源,知识梳理,1.一次电池,2.二次电池 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),3.燃料电池,氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,分为酸性和碱性两种。,【多维思考】,1.判断下列说法是否正确,正确的打“”,错误的打“”。 (1)碱性锌锰干电
12、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。( ) (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。( ),提示:(1) (2) (3) (4) (5),(4)若使反应Fe+2Fe3+ 3Fe2+以原电池方式进行,可用锌、铁作电极材料。( ),(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。( ),提示:(6) (7) (8),提示:,2.可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接?,考点演练,D,考向一 一次电池 1.(2017甘肃兰州模拟)被称为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片(在其一边镀
13、锌,在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。电池总反应为Zn+2MnO2+H2O ZnO+2MnO(OH)。下列说法正确的是( ) A.该电池的正极为锌 B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用 C.当0.1 mol Zn完全溶解时,流经电解液的电子个数约为1.2041023 D.电池正极反应式为MnO2+e-+H2O MnO(OH)+OH-,解析:由电池反应知,Zn元素化合价由0价变为+2价,Zn失电子作负极,A错误;该电池中二氧化锰参加反应且作氧化剂,B错误;电子不进入电解质溶液,电解质溶液导电是通过离子定向移动形成电流,C错误;正极上二氧化锰得电子发生还
14、原反应,电极反应式为MnO2+e-+H2O MnO(OH)+OH-,D正确。,2.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 。,解析:分析元素的化合价变化可知,Li被氧化,为还原剂,SOCl2被还原,为氧化剂。 (1)负极材料为Li(还原剂),4Li-4e- 4Li+。,(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到: 2SOCl2+4e- 4Cl-+S+SO2。,答案
15、:(1)锂 4Li-4e- 4Li+ (2)2SOCl2+4e- 4Cl-+S+SO2,考向二 二次电池 3.(2017山东寿光现代中学月考)蓄电池是一种可反复充电、放电的装置。它放电时起原电池的作用,将化学能转变为电能;而充电时起电解池的作用,将电能转变为化学能贮存起来。某蓄电池充电和放电时发生的反应为Fe+NiO2+ 2H2O Fe(OH)2+Ni(OH)2。关于此蓄电池有下列说法:,放电时,NiO2为正极 充电时,阳极反应式为Fe(OH)2+2e- Fe+2OH- 放电时,电解质溶液中的阳离子向正极方向移动 充电时,Ni(OH)2的反应式为Ni(OH)2-2e- NiO2+2H+,蓄电池
16、的电极必须浸在碱性电解质溶液中 其中正确的组合是( ) A. B. C. D.,D,4.导学号 96656119 某二次电池充、放电的化学方程式为2K2S2+KI3 K2S4+ 3KI。与其他设备连接的电路如图所示。当闭合开关K时,X附近溶液先变红。则下列说法正确的是( ),C,解析:当闭合开关K时,下部就是一个电解池,电解NaCl溶液,X附近溶液先变红,故H+在X放电,则X是阴极,Y就是阳极,由此可知A是负极,B是正极。A为负极,发生氧化反应,元素的化合价升高,由该二次电池充、放电的化学方程式中的元素化合价的改变来看,是K2S2在负极反应,A、B错误;X极发生:2H+2e- H2,有0.1
17、mol K+通过离子交换膜时转移电子为0.1 mol,生成H2为0.05 mol,体积为1.12 L,C正确;电池充电时,B电极要与外电源的正极相连,电极上发生氧化反应,D错误。,易错警示 1.二次电池充电时,电池正极接外接电源正极,负极接外接电源负极。 2.充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。 3.充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。,考向三 燃料电池 5.(2017甘肃兰州模拟)关于如图微生物燃料电池
18、结构示意图的说法:微生物促进了电子的转移 微生物所在电极区放电时发生还原反应 放电过程中,H+从正极区移向负极区 正极反应式为MnO2+4H+2e- Mn2+2H2O,正确的是( ),C,A. B. C. D.,解析:在微生物作用下Cm(H2O)n转化为CO2促进电子的转移,正确;微生物在右侧,右侧电极为电源的负极,所以微生物所在电极区放电时发生氧化反应,错误;根据电流的方向,放电过程中,H+从负极区移向正极区,错误;电池左侧为电池的正极区,MnO2在H+条件下发生得电子反应,所以正极反应式为MnO2+4H+ 2e- Mn2+2H2O,正确。,6.导学号 96656120 NO2、O2和熔融K
19、NO3可制作燃料电池,其原理如图所示,该电池在放电过程中石墨电极上生成氧化物Y,Y可循环使用。下列说法正确的是( ),C,根据电极产物判断燃料电池正、负极的方法 1.在酸性燃料电池中,有H2O生成的是正极,有CO2生成的是负极。 2.在碱性燃料电池中有H2O生成的是负极,其另一极为正极。 3.在熔融盐或熔融氧化物燃料电池中,生成CO2的是负极,其另一极为正极。,方法规律,微点突破17 电极反应式的书写,电化学学习中电极反应式的书写成为学生学习这部分知识的拦路虎,掌握电极反应式的书写规律和技巧是学好电化学的前提。对电极反应式的书写归纳如下。 1.电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的
20、书写),2.已知总方程式,书写电极反应式 (1)书写步骤 步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。 步骤二:找出正、负极,失电子的电极(物质)为负极;确定溶液的酸碱性。,(2)书写技巧 若某电极反应式较难写时,可先写出较易的电极反应式,用总反应式减去较易的电极反应式,即可得出较难写的电极反应式。如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中:,特别提示:简单电极反应中转移的电子数,必须与总方程式中转移的电子数相同。,3.燃料电池电极反应式的书写 第一步: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合后的反应。 如甲烷燃料电池
21、(电解质溶液为NaOH溶液)的反应式为,第二步: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:,第三步: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。,【题组巩固】 1.导学号 96656121 (1)分析如图所示的三个装置,回答下列问题:,装置a中铝电极上的电极反应式为 。 装置b中产生气泡的电极为 (填“铁”或“铜”)电极,装置c中铜电极上的电
22、极反应式为 。,(2)燃料电池是一种高效低污染的新型电池。燃料电池所用燃料可以是氢气,也可以是其他燃料,如甲烷、肼等。如图是甲烷燃料电池原理示意图,回答下列问题:,电池的负极是 (填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为。 电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。,由于反应后产生Na2CO3,即电池工作过程中消耗OH-,因此电池工作一段时间后电解质溶液的pH减小。,(3)肼分子(H2NNH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水,利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池,请写出该电池的负极反应式: 。,2.如图所示,是原电池的装置图。请回答:,(1)若C为稀H2SO4溶
23、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”),解析:(1)铁作负极,则该原电池反应是铁与稀硫酸置换氢气的反应,所以正极反应是氢离子得电子生成氢气,电极反应式为2H+2e- H2;溶液中氢离子放电,导致溶液中氢离子浓度减小,pH升高。,答案:(1)2H+2e- H2 升高,(2)若需将反应:Cu+2Fe3+ Cu2+2Fe2+设计成如上图所示的原电池装置,则A(负极)极材料为 ,B(正极)极材料为 ,溶液C为 。 (3)若C为CuCl2溶液,Zn是 极,Cu极发生 反应,电极反应为 。反应
24、过程溶液中c(Cu2+) (填“变大”“变小”或“不变”)。,解析:(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。,答案:(2)Cu 石墨 FeCl3溶液 (3)负 还原 Cu2+2e- Cu 变小,(4)CO与H2
25、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:,解析:(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。,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:(4)负极 CH3OH-6e-+H2O CO2+6H+ 11.2,氢氧燃料电池在
26、四种常见介质中的电极反应总结,方法技巧,微点突破18 新型电源装置图的分析方法,高考中的新型电池,有二次电池,如“氢镍电池”“高铁电池”“锂离子电池”“全固态锂硫电池”等;燃料电池,如“新型细菌燃料电池”“锌空气燃料电池”等。能源危机是整个世界都在关注的热点问题,而化学电源能实现化学能与电能间的互变,因此,特别是带新型电源装置图的有关问题,成了全国各地高考的“宠儿”。解答本类题目的关键是,正确地理解所给装置图信息。 有的装置图给出了两极材料,可以根据两极材料的活泼性或者性质,结合所给总反应或者某一极电极反应判断出两极。 正确理解箭头,用箭头指向电极的为反应物,远离电极的为生成物。,有的直接标出
27、了电子的流向或者原电池的正负极,可根据原电池原理写出电极反应。 有的给出了离子交换膜,明确原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。一般传导的这种离子,要在一个电极产生,在另一电极消耗,可有助于正确地书写电极反应。,【题组巩固】 1.(2017福建厦门一中月考)交通运输部在南海华阳礁举行华阳灯塔和赤瓜灯塔竣工发光仪式,宣布两座大型多功能灯塔正式发光并投入使用。灯塔可用镁海水电池提供能源,其装置如图所示。下列有关海水电池的说法正确的是( ) A.X可为铁、铜、石墨等电极 B.每转移2 mol电子,2 mol H+由交换膜左侧向右侧迁移 C.正极的电极反应式为H2O2+2e-+2H+ 2H2O
28、D.该电池能将化学能全部转化成电能,C,解析:该海水电池的负极材料是金属镁,正极X的材料的金属活泼性比金属镁的差,但不能是可以和双氧水反应的金属铁等物质,故A错误;阳离子会移向正极,即每转移2 mol电子,有2 mol H+由交换膜右侧向左侧迁移,故B错误;原电池的正极上发生得电子的还原反应:H2O2+2e-+2H+ 2H2O,故C正确;该电池能将化学能部分转化成电能,部分转化为热能,故D错误。,2.(2018湖北恩施月考)据报道,以硼氢化合物NaBH4(B元素的化合价为+3价)和H2O2作原料的燃料电池,其负极材料采用Pt/C,正极材料采用MnO2,可用作空军通信卫星电源,其工作原理如图所示
29、。下列说法正确的是( ) A.该电池的负极反应为 +8OH-8e- +6H2O B.电池放电时Na+从b极区移向a极区 C.每消耗3 mol H2O2,转移的电子为3 mol D.电极a采用MnO2作电极材料,A,B,真题体验 感悟考法明确考向,考向一 新型化学电源 1.(2017全国卷,11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图 所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:16Li+xS8 8Li2Sx (2x8)。下列说法错误的是( ) A.电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li+2e- 3Li2S4 B.电池工作时,外电路中流过0.02 mol电子,负极材
30、料减重0.14 g C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性 D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多,D,B,3.(2014全国卷,12)2013年3月我国科学家报道了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LiMn2O4 Li1-xMn2O4+xLi C.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,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项正确;电池的充电反应为电解池原理,B项正确;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项错误;
31、放电时,阳离子移向电池的正极,D项正确。,考向二 二次电池,C,考向三 燃料电池 5.(2015全国卷,11)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( ),A,A.正极反应中有CO2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O,解析:负极发生氧化反应,生成CO2气体,A项错误;微生物电池中的化学反应速率较快,即微生物促进了反应中电子的转移,B项正确;原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C项正确;电池总反应是C6H12O6与O2反应生成CO2和H2O,D项正确。,6.(2015江苏卷,10)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( ),D,
