2020版高考化学一轮复习第六章第二节原电池化学电源学案.docx

第二节原电池化学电源考点(一)原电池的工作原理 【点多面广精细研】1原电池(1)概念：原电池是把化学能转化为能的装置。(2)构成条件能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活动性强的金属与电解质溶液反应)。活动性不同的两电极(金属或石墨)。形成闭合回路。形成闭合回路需三个条件：电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中。2原电池的工作原理(1)两种装置图甲和图乙是铜锌原电池装置示意图。说明图乙盐桥中通常装有含琼脂的KCl饱和溶液。盐桥的作用：使整个装置构成闭合回路，代替两溶液直接接触；平衡电荷；提高电池效率。(2)反应原理电极名称负极正极电极材料Zn片Cu片电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=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3.原电池工作时导电粒子流向电子流向(外电路)：负极导线正极(电流方向与电子流向相反)。离子流向(内电路)：阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。4原电池正、负极的判断小题练微点判断下列说法的正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极()(2)由于CaOH2O=Ca(OH)2可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池()(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()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)学霸微提醒(1)不论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。(2)金属的活动性受所处环境的影响。如Mg、Al的活动性：在中性或酸性溶液中活动性：MgAl；而在碱性溶液中，Al可以与OH反应，而Mg不反应，所以Mg与Al用导线连接后放入NaOH溶液中，Al是负极，Mg是正极。(3)Fe、Cu相连，浸入稀HNO3中，Fe作负极；浸在浓HNO3中，Cu作负极(Fe发生钝化)。1.(2016全国卷)MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是()A负极反应式为Mg2e=Mg2B正极反应式为Age=AgC电池放电时Cl由正极向负极迁移D负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2解析：选BMgAgCl电池的电极反应：负极Mg2e=Mg2，正极2AgCl2e=2Ag2Cl，A项正确，B项错误；在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确；Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2，D项正确。2(2015全国卷)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C6H12O66O26CO26H2O解析：选A图示所给出的是原电池装置。有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O24e4H=2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为 C6H12O624e6H2O=6CO224H，负极上有CO2产生，故A错误；微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确；质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确；正极的电极反应式为6O224e24H12H2O，负极的电极反应式为C6H12O624e6H2O=6CO224H，两式相加得电池总反应为C6H12O66O2=6CO26H2O，故D正确。原电池电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写书写步骤常见介质常见介质注意事项中性溶液反应物若是H得电子或OH失电子，则H或OH均来自于水的电离酸性溶液反应物或生成物中均没有OH碱性溶液反应物或生成物中均没有H水溶液不能出现O2(2)用总反应式书写电极反应式书写三步骤书写技巧若某电极反应式较难写出时，可先写出较易写的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。3.M、N、P、E四种金属，已知：MN2=NM2；M、P 用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出；N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E22e=E，N2e=N2。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是()APMNEBENMPCPNME DEPMN解析：选A由知，金属活动性：MN；M、P用导线连接放入NaHSO4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：PM；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：NE。4(2013广东高考节选)能量之间可相互转化：电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)；铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图(见右图)，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。(2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极_。(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是_，其原因是_。解析：(3)以Zn和Cu作电极为例分析，如果不用盐桥，则除了发生电化学反应外还发生Zn和Cu2的置换反应，反应放热，会使部分化学能以热能形式散失，使其不能完全转化为电能，而盐桥的使用，可以避免Zn和Cu2的直接接触，从而避免能量损失，提供稳定电流。答案：(1)如图所示(2)电极逐渐溶解，表面有红色固体析出(3)甲电池乙的负极可与CuSO4溶液直接发生反应，导致部分化学能转化为热能；电池甲的负极不与所接触的电解质溶液反应，化学能在转化为电能时损耗较小归纳拓展原电池原理的四大应用(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)设计制作化学电源首先将氧化还原反应分成两个半反应。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2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2设计的原电池为1有关如图所示原电池的叙述不正确的是()A电子沿导线由Cu片流向Ag片B正极的电极反应式是Age=AgCCu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应D反应时盐桥中的移向Cu(NO3)2溶液点拨：原电池工作时，电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。解析：选DA项，该装置是原电池，铜作负极，银作正极，电子从铜片沿导线流向银片，正确； B项，正极电极反应式为Age=Ag，正确； C项，铜片上失电子发生氧化反应，银片上得电子发生还原反应，正确； D项，原电池工作时，电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以反应时盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液，错误。2原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是()A.，中Fe作负极B中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2点拨：原电池正、负极的活泼与否是参照电解质溶液确定的。如稀硫酸作电解质溶液，Mg作负极，NaOH溶液作电解质溶液，Al与NaOH反应，而Mg不反应，Al作负极。解析：选B中Mg作负极；中Al作负极；中铜作负极；是铁的吸氧腐蚀，Cu作正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH。3一定量的稀盐酸跟过量锌粉反应时，为了加快反应速率又不影响生成H2的总量，可采取的措施是()A加入少量稀NaOH溶液B加入少量CH3COONa固体C加入少量NH4HSO4固体D加入少量CuSO4溶液解析：选DA中加入NaOH溶液，消耗盐酸，H2的生成量会减少，错误；B中加入CH3COONa固体，在溶液中CH3COO会结合H生成醋酸，减慢反应速率，错误；C中加入NH4HSO4固体，增加了H的量，生成的H2会增多，错误；D中加入少量CuSO4溶液，Zn置换出少量Cu附着在锌表面，形成原电池可以加快反应速率，并且不影响H2的生成量，正确。4(2019海淀区模拟)MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池的总反应如下：2AgClMg=Mg22Ag2Cl，有关该电池的说法正确的是()A该电池可用于海上应急照明供电B.为AgCle=AgClC该电池不能被KCl 溶液激活D电池工作时，每消耗1.2 g Mg，溶液中的Cl增多 0.2 mol点拨：负极上失电子发生氧化反应，电极反应式为Mg2e=Mg2；正极上得电子发生还原反应，电极反应式为AgCle=AgCl。解析：选A电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池工作时将化学能转化为电能，电能的产生可用于海上应急照明供电，故A正确；AgCl是正极，正极上得电子发生还原反应，电极反应式为AgCle=AgCl，故B错误；电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，所以KCl溶液也可以激活电池，故C错误；电池工作时，每消耗1.2 g Mg即0.05 mol，溶液中的Cl增多0.1 mol，故D错误。5(1)用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO)已成为环境修复研究的热点之一。Fe还原水体中的NO的反应原理如图1所示。作负极的物质是_。是_。(2)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图2所示。Pt电极上发生的是_反应(填“氧化”或“还原”)。写出NiO电极的电极反应式：_。点拨：正极发生还原反应，元素化合价降低，根据图示判断在正极上NO转化为NH。答案：(1)铁NO8e10H=NH3H2O(2)还原NOO22e=NO2考点(二)常见的化学电源 【点多面广精细研】1一次电池(1)碱性锌锰干电池正极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH；负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2；总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。(2)锌银电池负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。2二次电池(可充电电池)铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是，正极材料是PbO2。(1)放电时的反应负极：Pb(s)SO(aq)2e=PbSO4(s)(氧化反应)。正极：PbO2(s)4H(aq)SO(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)(还原反应)。总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时的反应阴极：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq)(还原反应)。阳极：PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq)(氧化反应)。总反应：2PbSO4(s)2H2O(l)Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)。3燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性和碱性两种。酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24H4e=2H2OO22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O小题练微点判断下列说法的正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加()(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池()(3)若使反应Fe2Fe3=3Fe2以原电池方式进行，可用锌铁作电极材料()(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)二次电池充电时为原电池，放电时是电解池()(6)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能()(7)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H24e=4H()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)学霸微提醒(1)可充电电池的充、放电不能理解为可逆反应。(2)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。(3)可充电电池在充电时，其负极连接外接电源的负极，正极连接外接电源的正极。1.(2018全国卷)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO24Na2Na2CO3C。下列说法错误的是()A放电时，ClO向负极移动B充电时释放CO2，放电时吸收CO2C放电时，正极反应为3CO24e=2COCD充电时，正极反应为Nae=Na解析：选D根据电池的总反应知，放电时负极反应：4Na4e=4Na；正极反应：3CO24e=2COC。充电时，阴(负)极：4Na4e=4Na；阳(正)极：2COC4e=3CO2。放电时，ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。2. (2018全国卷)一种可充电锂空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li在多孔碳材料电极处生成Li2O2x(x0或1)。下列说法正确的是()A放电时，多孔碳材料电极为负极B放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极C充电时，电解质溶液中Li向多孔碳材料区迁移D充电时，电池总反应为Li2O2x=2LiO2解析：选D由题意知，放电时负极反应为Lie=Li，正极反应为(2x)O24Li4e=2Li2O2x(x0或1)，电池总反应为O22Li=Li2O2x。该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中的Li向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li向锂材料区迁移，C项错误；充电时电池总反应为Li2O2x=2LiO2，D项正确。3全钒液流电池是一种新型的绿色环保储能电池，该电池性能优良，其电池总反应为V3VO2H2OVO2HV2。下列叙述正确的是()A放电过程中电解质溶液中阴离子移向正极 B放电时每转移0.5 mol电子，负极有0.5 mol V2被氧化C充电时阳极附近溶液的酸性减弱D充电时阳极反应式为VO2He=VO2H2O解析：选B放电时发生的反应为VO2HV2=V3VO2H2O，阴离子移向负极，A错误；负极V2被氧化成V3，每转移0.5 mol电子，负极有0.5 mol V2被氧化，B正确；充电时的总反应为V3VO2H2O = VO2HV2，阳极反应为VO2H2Oe = VO2H，阳极附近溶液的酸性增强，C、D错误。4. (2018天津高考节选)O2辅助的AlCO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大，能有效利用CO2，电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。电池的负极反应式：_。电池的正极反应式：6O26e=6O6CO26O=3C2O6O2反应过程中O2的作用是_。该电池的总反应式：_。解析：AlCO2电池，Al为负极，反应式为Al3e=Al3(或2Al6e=2Al3)。根据电池的正极反应式可知O2的作用是作催化剂。将正负极电极反应式相加，可得电池的总反应式为2Al6CO2=Al2(C2O4)3。答案：Al3e=Al3(或2Al6e=2Al3)催化剂2Al6CO2=Al2(C2O4)3可充电电池和离子交换膜电池(1)可充电电池可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。a首先应分清电池是放电还是充电。b再判断出正、负极或阴、阳极。放电：阳离子正极，阴离子负极；充电：阳离子阴极，阴离子阳极；总之：阳离子发生还原反应的电极；阴离子发生氧化反应的电极。(2)离子交换膜电池离子交换膜是一种含离子基团的，对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。功能使阴、阳离子选择性定向移动，使电解质溶液的电荷守恒类型阳离子交换膜：只允许阳离子通过，阻止阴离子和气体通过阴离子交换膜：只允许阴离子通过，阻止阳离子和气体通过质子交换膜：只允许质子(H)通过作用隔离某些物质，防止副反应，常用于物质的制备、分离和提纯 5.(2015江苏高考)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。下列有关该电池的说法正确的是()A反应CH4H2O3H2CO，每消耗 1 mol CH4转移12 mol电子B电极A上H2参与的电极反应为H22OH2e=2H2OC电池工作时，CO向电极B移动D电极B上发生的电极反应为O22CO24e=2CO解析：选DA选项，CH4中的C为4价，CO中的C为2价，每个碳原子失去6个电子，因此每消耗 1 mol CH4失去6 mol电子，错误；B选项，熔融盐中没有OH，因此OH不能参与电极反应，电极反应式应为H2CO2CO4e=3CO2H2O，错误；C选项，CO应向负极移动，即向电极A移动，错误；D选项，电极B上O2得电子和CO2结合生成CO，正确。6.乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200 左右时供电，电池总反应：C2H5OH3O2=2CO23H2O，电池示意图如图所示。下列说法中正确的是()A电池工作时，质子向电池的负极迁移B电池工作时，电子由b极沿导线流向a极Ca极上发生的电极反应：C2H5OH3H2O12e=2CO212HDb极上发生的电极反应：4HO24e=2H2O解析：选D根据图示，a为负极，b为正极，电池工作时，质子向电池的正极迁移，A项错误；电子由负极a极沿导线流向正极b极，B项错误；a极上发生的电极反应为C2H5OH3H2O12e=2CO212H，C项错误；b极上发生的电极反应为4HO24e=2H2O，D项正确。7写出不同环境下的甲烷燃料电池的正负极的电极反应式和总反应式。(1)酸性介质(如H2SO4)负极：_；正极：_；总反应式：_。(2)碱性介质(如KOH)负极：_；正极：_；总反应式：_。(3)固体电解质(高温下能传导O2)负极：_；正极：_；总反应式：_。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下负极：_；正极：_；总反应式：_。答案：(1)负极：CH48e2H2O=CO28H正极：2O28e8H=4H2O总反应式：CH42O2=CO22H2O(2)负极：CH48e10OH=CO7H2O正极：2O28e4H2O=8OH总反应式：CH42O22OH=CO3H2O(3)负极：CH48e4O2=CO22H2O正极：2O28e=4O2总反应式：CH42O2=CO22H2O(4)负极：CH48e4CO=5CO22H2O正极：2O28e4CO2=4CO总反应式：CH42O2=CO22H2O方法规律燃料电池电极反应式的书写第一步：写出电池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CH42O2=CO22H2OCO22NaOH=Na2CO3H2O式式得燃料电池总反应式为CH42O22NaOH=Na2CO33H2O。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：O24H4e=2H2O。(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H2O4e=4OH。(3)固体电解质(高温下能传导O2)环境下电极反应式：O24e=2O2。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO。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。1某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液。下列说法正确的是()AZn为电池的负极B正极反应式为2FeO10H6e=Fe2O35H2OC该电池不变D电池工作时OH向正极迁移点拨：FeO得到电子生成的OH比Zn失去电子消耗的OH多，所以放电过程中电解质溶液浓度变大。解析：选AA项，根据化合价升降判断，Zn化合价只能上升，故为负极材料，K2FeO4为正极材料，正确；B项，KOH溶液为电解质溶液，则正极电极反应式为2FeO6e8H2O =2Fe(OH)310OH，错误；C项，由电池总反应式3Zn2K2FeO48H2O=3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH可得，电解质溶液浓度变大，错误；D项，电池工作时阴离子OH向负极迁移，错误。2微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示，下列说法正确的是()A.，经外电路流向aBHS在硫氧化菌作用下转化为SO的反应是HS4H2O8e=SO9HC如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化D若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移，则有0.5 mol H通过质子交换膜点拨：首先根据题图中H移动方向或O2通入方向判断正、负极，然后根据电子从负极流出判断电子从a流出。解析：选Bb电极通入氧气，是正极，a电极是负极，电子从a流出，经外电路流向b，A错误；a电极是负极，发生失去电子的氧化反应，即HS在硫氧化菌作用下转化为SO，电极反应是HS4H2O8e=SO9H，B正确；如果将反应物直接燃烧，会有部分化学能转化为光能或热能，因此能量的利用率会变化，C错误；若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移，根据电荷守恒可知有0.4 mol H通过质子交换膜与0.1 mol氧气结合转化为水，D错误。3.科学家用氮化镓材料与铜组装成如图所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。下列关于该电池叙述错误的是()A电池工作时，是将太阳能转化为电能B铜电极为正极，电极反应式为CO28e8H=CH42H2OC电