（通用版）高考化学微一轮复习 第21讲 原电池 化学电源学案.doc

第21讲原电池化学电源考纲要求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.了解常见化学电源的种类及其工作原理。考点一原电池及其工作原理1概念原电池是把化学能转化为电能的装置。2工作原理以铜锌原电池为例(1)原理分析电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应zn2e=zn2cu22e=cu 反应类型氧化反应还原反应电子流向由zn沿导线流向cu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)两种装置比较盐桥作用：a.连接内电路形成闭合回路。b.维持两电极电势差(中和电荷)，使电池能持续提供电流。装置中有部分zn与cu2直接反应，使电池效率降低；装置中使zn与cu2隔离，电池效率提高，电流稳定。3原电池的构成条件(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。负极：活泼性较强的金属。正极：活泼性较弱的金属或能导电的非金属。(2)电极均插入电解质溶液中。(3)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。(4)能自发地发生氧化还原反应。【感悟测评】1下列示意图中能构成原电池的是()答案：b2判断正误(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)在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强。()(3)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。()(4)相同情况下，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。()(5)原电池电解质溶液中，阴离子一定移向负极。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)1原电池正、负极的判断2原电池电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写(2)复杂电极反应式的书写如ch4酸性燃料电池中ch42o2=co22h2o总反应式2o28h8e=4h2o正极反应式ch42h2o8e=co28h负极反应式考向一原电池的工作原理1如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，m棒变粗，n棒变细，由此判断表中所列m、n、p物质，其中可以成立的是()mnpazncu稀h2so4bcufe稀hclcagznagno3溶液dznfefe(no3)3溶液解析：在装置中电流计指针发生偏转，说明该装置构成了原电池，根据正负极的判断方法，溶解的一极为负极，增重的一极为正极，所以m棒为正极，n棒为负极，且电解质溶液能析出固体，则只有c项正确。答案：c2分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是 ()a中mg作负极，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答案：b【速记卡片】原电池正、负极判断方法说明：原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势。考向二盐桥原电池3如图所示，杠杆ab两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓cuso4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮力变化)()a杠杆为导体或绝缘体时，均为a端高b端低b杠杆为导体或绝缘体时，均为a端低b端高c当杠杆为导体时，a端低b端高d当杠杆为导体时，a端高b端低解析：当杠杆为导体时，构成原电池，fe作负极，cu作正极，电极反应式分别为负极fe2e=fe2，正极cu22e=cu，铜球增重，铁球质量减轻，杠杆a低b高。答案：c4控制适合的条件，将反应2fe3i2fe2i2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电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态d电流表读数为零后，在甲中溶入fecl2固体，乙中的石墨电极为负极 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；电流表读数为零时，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；d项在甲中溶入fecl2固体，平衡2fe32i2fe2i2向左移动，i2被还原为i，乙中石墨为正极，d不正确。答案：d【速记卡片】当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流表指针示数为零；当电流表指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。考点二原电池原理的应用1比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。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，则可以推出金属活动性ab。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增大。例如，在zn与稀h2so4反应时加入少量cuso4溶液能使产生h2的反应速率加快。3用于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。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。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2fecl3cu=2fecl2cucl2设计的原电池为：【多维思考】1a、b两种金属用导线连接后，插入烧碱溶液中，若观察到a极溶解，而b极上有气体放出，该现象能否说明活动性ab？请举例说明。提示：不能。如mg、al、naoh溶液组成原电池时，al极溶解、mg极上有h2生成，但活动性：mgal。2镀锌铁桶破损后，铁桶仍能长时间使用，但镀锡铁桶破损后，破损处很快会出现小孔，其原因是什么呢？提示：镀锌铁桶破损后，形成原电池锌作负极，fe得到保护；镀锡铁桶破损后，形成原电池，铁作负极，加速了铁的腐蚀。(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。考向一判断金属的活泼性及反应速率1有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连接起来，浸入稀硫酸中，电极反应式之一为a2e=a2；将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应激烈；又知一定条件下能发生如下离子反应：c2b=b2c，则四种金属的活动性由强到弱的顺序是()adcab b.dabccdbac d.badc解析：a、b两金属连接后在稀h2so4溶液中，a失电子，活泼性：ab；与酸反应d反应剧烈，活泼性：da；根据离子反应，还原性：还原剂大于还原产物，则活泼性：bc，综合以上有金属活泼性由强到弱顺序：dabc。答案：b2(2018揭阳二模)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀h2so4中，同时向a中放入少量的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()解析：等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀h2so4中，同时向a中放入少量的cuso4溶液，发生：zncu2=zn2cu，形成原电池，反应速率增大，反应用时少于b，但生成的氢气也少于b，图象应为d。答案：d【题后悟道】改变zn与h反应速率的方法(1)加入cu或cuso4，形成原电池，加快反应速率，加入cu不影响zn的量，但加入cuso4，zn的量减少，是否影响产生h2的量，应根据zn、h的相对量多少判断。(2)加入ch3coona，由于ch3coo与h反应，使c(h)减小，反应速率减小，但不影响生成h2的量。考向二设计原电池3将镉(cd)浸在氯化钴(cocl2)溶液中，发生反应的离子方程式为：co2(aq)cd(s)=co(s)cd2(aq)(aq表示溶液)，若将该反应设计为如图的原电池，则下列说法一定错误的是()acd作负极，co作正极b原电池工作时，电子从负极沿导线流向正极c根据阴阳相吸原理，盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动d甲池中盛放的是cdcl2溶液，乙池中盛放的是cocl2溶液解析：在电池反应中，co2得电子发生还原反应，则co作正极、cd作负极；放电时，电子从负极cd沿导线流向正极co；盐桥中阳离子向正极区域乙移动、阴离子向负极区域甲移动；甲中失电子发生氧化反应，电解质溶液为cdcl2溶液，乙池中盛放的是cocl2溶液。答案：c4电子工业常用30%的fecl3溶液腐蚀绝缘板上的铜箔，制造印刷电路板。某工程师为了从废液中回收铜，重新获得fecl3溶液，设计了下列实验步骤：写出一个能证明还原性fe比cu强的离子方程式：_。该反应在上图步骤_中发生。请根据上述反应设计一个原电池，在方框中画出简易装置图(标出电极名称、电极材料、电解质溶液)。解析：a是fe，发生的反应有fecu2=fe2cu和fe2fe3=3fe2，试剂b是盐酸。将fecu2=fe2cu设计成原电池，fe作负极，比fe不活泼的cu作正极，电解质溶液是含cu2的溶液。答案：fecu2=fe2cu【题后悟道】“装置图”常见失分点提示(1)未用虚线画出烧杯中所盛放的电解质溶液。(2)未用导线将两电极连接起来。(3)未指明：正、负极及其材料；电解质溶液。 考点三化学电源1一次电池(以碱性锌锰干电池为例)负极(zn)，电极反应式：zn2e2oh=zn(oh)2正极(mno2)，电极反应式：2mno22h2o2e=2mnooh2oh总反应：zn2mno22h2o=zn(oh)22mnooh2二次电池(以铅蓄电池为例)(1)负极反应：pb2eso=pbso4(逆向为充电时阴极反应)。(2)正极反应：pbo22e4hso=pbso42h2o；(逆向为充电时阳极反应)。(3)总反应：pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)=2pbso4(s)2h2o(l)(逆向为充电时总反应)。3燃料电池(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。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2h2o2=2h2o(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。 【多维思考】可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？提示：【感悟测评】判断正误(正确的打“”，错误的打“”)(1)太阳能电池不属于原电池。()(2)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。()(3)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2 mol电子时，消耗的h2so4为0.1 mol。()(4)铅蓄电池工作时，当电路中转换0.1 mol电子时，负极增加48 g。()答案：(1)(2)(3)(4)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都是o2，电解质溶液不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：a酸性电解质溶液环境下电极反应式：o24h4e=2h2o。b碱性电解质溶液环境下电极反应式：o22h2o4e=4oh。c固体电解质(高温下能传导o2)环境下电极反应式：o24e=2o2。d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电池的负极反应式：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物o2。考向一电极、电池反应式的书写1(2018潍坊模拟)镁过氧化氢燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，其总反应为mgh2o2h2so4=mgso42h2o，结构示意图如图所示。下列关于该电池的叙述正确的是()a电池内部可以使用mno2作填料b电池工作时，h向mg电极移动c电池工作时，正极的电极反应式为mg2e=mg2d电池工作时，电解质溶液的ph将不断变大解析：mno2可催化h2o2分解；电解质溶液中的阳离子向正极(石墨)移动；mg2e=mg2为负极反应；硫酸参与正极反应，则电解质溶液的酸性减弱，ph增大。答案：d2lisocl2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lialcl4socl2。电池的总反应可表示为4li2socl2=4liclsso2。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：分析反应的化合价变化，可知li失电子，被氧化，为负极，电极反应为：4li4e=4li；正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到。答案：(1)li4li4e=4li(2)2socl24e=4clsso2【技法归纳】电极反应式的书写方法(1)拆分法：写出原电池的总反应，如2fe3cu=2fe2cu2。把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，并注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应，正极：2fe32e=2fe2负极：cu2e=cu2。(2)加减法：写出总反应，如lilimn2o4=li2mn2o4。写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)。如lie=li(负极)。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limn2o4lie=li2mn2o4(正极)。考向二燃料电池3(2018河南二模)甲醇燃料电池体积小巧、洁净环保、比能量高，已在便携式通讯设备、汽车等领域应用。某型甲醇燃料电池的总反应式为2ch4o3o2=2co24h2o，如图是该燃料电池的示意图。下列说法错误的是()aa是甲醇，b是氧气b燃料电池将化学能转化为电能c质子从m电极区穿过交换膜移向n电极区d负极反应：ch4o6eh2o=co26h解析：由质子交换膜知，电解质溶液呈酸性，n极上生成水，则a为氧气，n为正极，m为负极，负极反应式为ch4o6eh2o=co26h，正极反应式为o24h4e=h2o，b是甲醇、c是二氧化碳，质子从m电极区通过质子交换膜到n电极区，通过以上分析知，b、c、d正确。答案：a【技法归纳】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)在熔盐电池，能传导o2的固体电解质电池，生成h2o或co2的是负极，其另一极为正极。4某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定co的浓度，其装置如图所示，该电池中电解质为氧化钇氧化钠，其中o2可以在固体介质nasicon中自由移动。(1)其反应式为负极_；正极：_。电池反应为：_。(2)如果将上述电池中电解质“氧化钇氧化钠，其中o2可以在固体介质nasicon中自由移动”改为熔融的k2co3，b极通入的气体为氧气和co2，负极_；正极：_。电池反应为_。解析：(1)该装置是原电池，通入一氧化碳的电极a是负极，负极上一氧化碳失电子发生氧化反应，电极反应式为：coo22e=co2，b为正极，o24e=2o2，总方程式为2coo2=2co2。(2)该电池的总反应为2coo2=2co2。正极反应式为o24e2co2=2co。负极反应式总反应正极反应式：2co4e2co=4co2。答案：(1)coo22e=co2o24e=2o22coo2=2co2(2)2co4e2co=4co2o24e2co2=2co2coo2=2co2考向三新型电池5(2018大庆二模)光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图，当光照在表面涂有氯化银的银片上时agcl(s)ag(s)cl(agcl)，cl(agcl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面，接着cl(agcl)e=cl(aq)，若将光源移除，电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是()a光照时，电流由x流向yb光照时，pt电极发生的反应为：2cl2e=cl2c光照时，cl向pt电极移动d光照时，电池总反应为：agcl(s)cu(aq)ag(s)cu2(aq)cl(aq)解析：该装置中氯原子在银电极上得电子发生还原反应，所以银作正极、铂作负极，光照时，电流从正极银x流向负极铂y；光照时，pt电极作负极，负极上亚铜离子失电子发生氧化反应，电极反应式为cu(aq)e=cu2(aq)；光照时，该装置是原电池，银作正极，铂作负极，电解质中氯离子向负极铂移动；光照时，正极上氯原子得电子发生还原反应，负极上亚铜离子失电子，所以电池反应式为agcl(s)cu(aq)ag(s)cu2(aq)cl(aq)。答案：b6(2018甘肃一诊)电动汽车具有绿色、环保等优点，镍氢电池(nimh)是电动汽车的一种主要电池类型。nimh中的m表示储氢金属或合金，电池中主要以koh溶液作电解液，该电池在充电过程中的总反应方程式是：ni(oh)2m=nioohmh。下列有关镍氢电池的说法中正确的是()a充电过程中oh离子从阳极向阴极迁移b充电过程中阴极的电极反应式：h2ome=mhoh，h2o中的h被m还原c电池放电过程中，正极的电极反应式为：nioohh2oe=ni(oh)2ohd电池放电过程中，负极附近的溶液ph增大解析：充电过程中oh离子从阴极向阳极迁移，a项错误；阴极上h2o得电子生成mh，则充电过程中阴极的电极反应式：h2ome=mhoh，h2o中的h被还原，m的化合价不变，b错误；电池放电过程中，正极上niooh得电子生成ni(oh)2，则正极的电极方程式为：nioohh2oe=ni(oh)2oh，c项正确；电池放电过程中，负极的电极方程式为：mhohe=h2om，则负极上消耗氢氧根离子，所以负极附近的溶液ph减小，d项错误。答案：c 1(2017高考全国卷)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：16lixs8=8li2sx(2x8)。下列说法错误的是()a电池工作时，正极可发生反应：2li2s62li2e=3li2s4b电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重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的量越多解析：a.原电池工作时，li向正极移动，则a为正极，正极上发生还原反应，随放电的多少可能发生多种反应，其中可能为2li2s62li2e=3li2s4，故a正确；b.原电池工作时，转移0.02 mol电子时，金属锂的物质的量减少为0.02 mol，质量为0.14 g，故b正确；c.石墨能导电，利用石墨烯作电极，可提高电极a的导电性，故c正确；d.电池充电时间越长，转移电子数越多，生成的li和s8越多，即电池中li2s2的量越少，故d错误。答案：d2(2016高考全国卷)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：根据题意，电池总反应式为：mg2agcl=mgcl22ag，正极反应为：2agcl2e= 2cl 2ag，负极反应为：mg2e=mg2，a项正确，b项错误；对原电池来说，阴离子由正极移向负极，c项正确；由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应mg2h2o=mg(oh)2h2，d项正确；答案选b。答案：b3(2016高考全国卷)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为koh溶液，反应为2zno24oh2h2o=2zn(oh)。下列说法正确的是()a充电时，电解质溶液中k向阳极移动b