高考化学考点33 原电池的工作原理及应用

一、原电池1原电池的基本概念（1）原电池：把化学能转化为电能的装置。（2）原电池的电极负极：电子流出活动性较强发生氧化反应；正极：电子流入活动性较弱发生还原反应。（3）原电池的构成条件能自发发生氧化还原反应。具有活动性不同的两个电极(金属和金属或金属和非金属)。形成闭合回路或在溶液中相互接触。2原电池的工作原理 (以ZnCu原电池为例单液原电池双液原电池装置图电极与电极反应负极(锌片) Zn2eZn2+ (氧化反应)正极(铜片) Cu2+2eCu (还原反应)电子流向由锌片沿导线流向铜片离子迁移方向阴离子向负极迁移；阳离子向正极迁移电池反应方程式Zn+Cu2+Cu+Zn2+两类装置的不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2+不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长（1）一般条件下，较活泼的金属材料作负极，失去电子，电子经外电路流向正极，再通过溶液中的离子形成的内电路构成环路。在原电池中，电极可能与电解质反应，也可能与电解质不反应；不发生反应的可看作金属发生吸氧腐蚀，如图所示。闭合回路的形成也有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触，如图所示。（2）在原电池中，电流流动方向与电子流动方向相反。（3）原电池的判定：一看有无外接电源，若有外接电源则为电解池，若无外接电源则可能为原电池；二看电极是否用导线相连并与电解质溶液形成闭合电路；三看电极与电解质溶液是否能发生自发的氧化还原反应。来源:ZXXK3原电池电极反应式的书写（1）准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键。如果原电池的正负极判断失误，电极反应式的书写一定错误。判断正负极的方法不是绝对的，例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中，由于铝片表明的钝化，这时铜失去电子，是负极，其电极反应为：负极：Cu2eCu2+正极：2+ 4H+ + 2e2H2O + 2NO2再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中，虽然镁比铝活泼，但由于镁不与氢氧化钠反应，而铝却反应，失去电子，是负极，其电极反应为：负极：2Al + 8OH6e2+ 2H2O正极：6H2O+6e6OH+3H2（2）要注意电解质溶液的酸碱性。在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系，如氢氧燃料电池有酸式和碱式，在酸溶液中，电极反应式中不能出现OH，在碱溶液中，电极反应式中不能出现H+，像CH4、CH3OH等燃料电池，在碱溶液中碳（C）元素以离子形式存在，而不是放出CO2气体。（3）要考虑电子的转移数目。在同一个原电池中，负极失去电子数必然等于正极得到的电子数，所以在书写电极反应时，一定要考虑电荷守恒。防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误，同时也可避免在有关计算中产生误差。（4）要利用总的反应方程式。从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池，而两个电极反应相加即得总反应方程式。所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应，便可以写出另一个电极反应方程式。注意：介质对电极反应式书写的影响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+。水溶液中不能出现O2。二、原电池原理的应用原电池原理在工农业生产、日常生活、科学研究中具有广泛的应用。化学电源：人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电池、充电电池以及高能燃料电池，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等，都离不开各种的电池。加快反应速率：如实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气，用纯锌生成氢气的速率较慢，而用粗锌可大大加快化学反应速率，这是因为在粗锌中含有杂质，杂质和锌形成了无数个微小的原电池，加快了反应速率。比较金属的活动性强弱：一般来说，负极比正极活泼。防止金属的腐蚀：金属的腐蚀指的是金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金属失去电子变为阳离子而消耗的过程。在金属腐蚀中，我们把不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的腐蚀称为电化学腐蚀，电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了少量的氧气、二氧化碳，含有少量的H+和OH形成电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳形成了无数个微小的原电池，铁作负极，碳作正极，发生吸氧腐蚀：负极：2Fe4e2Fe2+ 正极：O2+4e+2H2O4OH电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。因此可以用更活泼的金属与被保护的金属相连接，或者让金属与电源的负极相连接均可防止金属的腐蚀。考向一 原电池工作原理典例1 某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是Aa和b不连接时，铁片上会有金属铜析出Ba和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2+2e=CuC无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色Da和b用导线连接时，向铜电极移动【答案】D1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6H2O+6e6OH+3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe3eFe3+D中Cu作正极，电极反应式为2H+2eH2判断原电池正、负极的五种方法注意：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式。考向二 盐桥原电池来源:+网典例1 一定条件下，实验室利用如图所示装置，通过测电压求算Ksp(AgCl)。工作一段时间后，两电极质量均增大。下列说法正确的是A右池中的银电极作负极B正极反应为Age=AgC总反应为AgCl=AgClD盐桥中的向右池方向移动【答案】C2控制适合的条件，将反应Fe3+AgFe2+Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂硝酸钾溶液；灵敏电流计的0刻度居中，左右均有刻度)。已知接通后观察到电流计指针向右偏转。下列判断正确的是A盐桥中的K+移向乙烧杯B一段时间后，电流计指针反向偏转，越过0刻度，向左边偏转C在外电路中，电子从石墨电极流向银电极D电流计指针居中后，往甲烧杯中加入一定量的铁粉，电流计指针将向左偏转氧化还原反应(可逆)设计成原电池的规律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。考向三 判断金属的活泼性及反应速率典例1 M、N、P、E四种金属，已知：M+N2+N+M2+；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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 E2+2eE，N2eN2+。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是APMNEBENMPCPNMEDEPMN【答案】A3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，其中正确的是考向四 设计原电池典例1 事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是_(填序号，下同)。aC(s)H2O(g)=CO(g)H2(g)H0b2H2(g)O2(g)=2H2O(l)H0cNaOH(aq)HCl(aq)=NaCl(aq)H2O(l)HBCDE B ACDBE C CABDE D BDCAE4如图所示，杠杆AB两端分别挂有大小相同、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分别滴入CuSO4浓溶液和FeSO4浓溶液。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)来源: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5根据下图判断，下列说法正确的是A装置和装置中负极反应均是Fe2e=Fe2B装置和装置中正极反应均是O22H2O4e=4OHC装置和装置中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动D放电过程中，装置左侧烧杯和装置右侧烧杯中溶液的pH均增大6Al-H2O2电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。已知H2O2可以看做弱酸，则电池工作时，下列说法错误的是A电流方向:由MnO2电极流向Al电极来源:网ZXXKB负极附近溶液pH上升C正极的电极反应式为+H2O+2e-3OH-D正极发生的副反应为O2+2H2O+4e-4OH-7利用人工光合作用合成甲酸的原理为2CO22H2O2HCOOHO2，装置如下图所示。下列说法不正确的是A该装置将太阳能转化为化学能和电能B电极1周围pH增大C电极2上发生的反应为CO22H2e=HCOOHDH由电极1室经过质子膜流向电极2室8某同学利用氧化还原反应：2KMnO4+10FeSO4+8H2SO42MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O设计如图所示原电池，盐桥中装有饱和溶液。下列说法正确的是Ab电极上发生还原反应B外电路电子的流向是从a到bC电池工作时，盐桥中的移向甲烧杯Da电极上发生的反应为+8H+5eMn2+4H2O9根据下列原电池的装置图，回答问题：（1）若C为稀H2SO4溶液，电流表指针发生偏转，B电极材料为Fe且做负极，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”)。（2）若需将反应：Cu2Fe3=Cu22Fe2设计成如上图所示的原电池装置，则负极A极材料为_，正极B极材料为_，溶液C为_。（3）用CH4和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下：则d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，则上述燃料电池，消耗的O2在标准状况下的体积为_L。12016新课标IIMgAgCl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Mg2eMg2+B正极反应式为Ag+eAgC电池放电时Cl由正极向负极迁移D负极会发生副反应Mg+2H2OMg(OH)2+H222016海南某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解溶质溶液。下列说法正确的是AZn为电池的负极B正极反应式为2FeO42+ 10H+6eFe2O3+5H2OC该电池放电过程中电解质溶液浓度不变D电池工作时向负极迁移32016上海图1是铜锌原电池示意图。图2中，x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y轴表示A铜棒的质量 Bc(Zn2+)Cc(H+) Dc(SO42)42015天津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1【答案】B 2【答案】D【解析】该原电池中，Ag失电子作负极，石墨作正极，盐桥中K+移向正极(甲烧杯)；一段时间后，原电池反应结束，电流计指针指向0；原电池外电路电子由负极流向正极，所以电子从银电极流向石墨电极；电流计指针居中后，往甲烧杯中加入一定量的铁粉，形成新的原电池，铁做负极，银做正极，故电流计指针向左偏转。*网3【答案】D【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：Zn+Cu2+Zn2+Cu，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，图像应为D。4【答案】（1）如图（2）2I2eI2（3）无（4）负【解析】（1）依据原电池原理分析，氧化还原反应中Fe3+在正极得电子发生还原反应，I在负极失电子发生氧化反应，负极所在的电解质溶液为KI溶液，正极所在的电解质溶液为FeCl3溶液。电极材料可选取惰性电极，如石墨(碳棒)或其他不活泼性金属。*网（2）发生氧化反应的电极是负极，I失电子。（3）反应达到平衡时，从左到右和从右到左移动的电子数目相同，故无电流产生。（4）平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，平衡逆向移动，此时Fe2+失电子，电极变成负极。1【答案】D 2【答案】D【解析】外电路电子流向为X外电路Y，电流方向与其相反；X极失电子，作负极，Y极发生的是还原反应，X极发生的是氧化反应；若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。3【答案】B【解析】金属与稀硫酸组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H+在正极表面得到电子生成H2，电子运动方向：负极正极，电流方向：正极负极。在题述原电池中，金属活动性：AB，CD，AC，DB，BE。综上可知，金属活动性：ACDBE。4【答案】C【解析】当杠杆为导体时，构成原电池，Fe球作负极，Cu球作正极，电极反应式分别为负极：Fe2e=Fe2，正极：Cu22e=Cu，铜球质量增加，铁球质量减少，杠杆A端低B端高。5【答案】D【解析】装置中，由于Zn比Fe活泼，所以Zn作原电池的负极，电极反应式为Zn2e=Zn2；Fe作正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH，由于正极有OH生成，因此溶液的pH增大。装置中，Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2；Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2，正极由于不断消耗H，所以溶液的pH逐渐增大，据此可知A、B错误，D正确；在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，所以C错误。*网6【答案】B【解析】本题考查新型电池的工作原理，意在考查考生对原电池知识的应用能力。由题图知，该电池工作时，Al作负极，MnO2作正极，电子由Al电极通过外电路流向MnO2电极，电流方向和电子移动方向相反，故A正确。负极的电极反应式为Al+4OH-3e-+2H2O，故负极附近溶液pH下降，B错。由于H2O2可以看做弱酸，则在碱性溶液中需写成，C正确。由于MnO2可以催化H2O2分解生成H2O和O2，生成的O2会在正极参与放电，故正极发生的副反应为O2+2H2O+4e-4OH-，D正确。7【答案】B 8【答案】D【解析】根据氧化还原反应方程式可知，氧化剂是KMnO4，故a为正极，发生还原反应，A错误；a为正极，b为负极，电子沿外电路从负极流向正极，即电子从b流向a，B错误；原电池工作时，阴离子流向负极，即乙烧杯，C错误；a电极为正极，得电子生成Mn2+，D正确。9【答案】（1） 2H2e=H2 升高（2）Cu石墨(或比铜活泼性弱的金属)含Fe3的溶液（3）正极CH48e2H2O=CO28H11.2【解析】（1）若C为稀H2SO4溶液，电流表指针发生偏转，B电极材料为Fe且做负极，电极反应为Fe2e=Fe2，A为正极，溶液中氢离子得到电子生成氢气，电极反应为2H2e=H2；氢离子浓度减小，氢氧根离子浓度增大，溶液pH升高；（2）将反应Cu2Fe3=Cu22Fe2设计成上图所示的原电池装置，Cu元素的化合价由0价升高到2价，失电子作原电池的负极，则负极A极材料为Cu，正极B极材料为石墨，Fe3在正极得电子发生还原反应，溶液C用可溶性铁盐，即含Fe3的溶液。（3）根据甲烷燃料电池的结构示意图可知，电子流出的电极为负极，c为负极，d为正极，在燃料电池中，氧气在正极得电子发生还原反应，甲烷在负极失电子发生氧化反应，所以c电极的反应方程式为CH48e2H2O=CO28H。*网根据正极电极反应式：O24e4H=2H2O，则线路中转移2 mol电子时，消耗的O2为0.5 mol，在标准状况下的体积为0.5 mol