高三化学原电池原理及其运用人教实验版知识精讲

高三化学原电池原理及其运用人教实验版【本讲教育信息】一. 教学内容：原电池原理及其运用1. 原电池2. 新型电源3. 金属的腐蚀与保护二. 复习重点：1. 理解原电池的原理和构成条件。2. 掌握原电池的电极反应式和总反应式的书写方法。3. 了解化学电源新型电池及其工作原理。4. 了解金属电化学腐蚀与保护。三. 复习过程：原电池是一种由化学能转变成电能的装置。其本质是通过自发进行的氧化还原反应，使反应中电子转移而产生电流。反应中的氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生。这便形成了带电粒子按一定方向流动的闭合回路。（一）原电池1、原电池的定义：原电池是把化学能转化为电能的装置。2、构成原电池的条件：一般情况下，原电池的氧化还原反应具有一定的自发性。（1）有两个活泼性不同的金属（或金属与非金属）做电极；（2）两电极必须插入电解质溶液；（3）两电极必须在电解质溶液中相互接触形成闭合回路。3、微粒（电子、离子）的移动方向（1）电子流向：负极正极；电流方向：正极负极。 （2）阳离子移向正极，并在正极放电，导致电解质溶液中或电极附近离子浓度减小，阴离子移向负极移动，一般不放电，结果电解质溶液中或电极附近离子浓度基本不变。4、原电池正负极的判断（1）由组成原电池两极的电极材料判断：如果两极是由活泼性不同的金属作电极时，一般情况下相对活泼的金属做负极，活泼性较弱的金属做正极（注意氧化还原反应的自发性，如：MgAlNaOH，Al是负极；AlCu浓硝酸，Cu是负极）；如果是由金属和非金属导体（或金属氧化物导体）作电极，金属是负极，非金属导体（或金属氧化物导体）是正极。（2）根据氧化反应、还原反应发生的位置判定：发生氧化反应的一极为负极，即（负失氧）；发生还原反应的一极为正极，即（正得还）。（3）根据电子（或电流）流向判断：电子流出（电流流入）的一极为负极，相反为正极。（4）根据原电池里电解质溶液内离子流动方向判断：阳离子移向的极为正极，阴离子移向的极为负极。（5）根据原电池的两极发生的现象判断：溶解或质量减轻的电极为负极，有气体或金属析出的电极为正极。5、原电池的电极反应式的书写：（1）书写原则：书写电极反应式时先写明电极名称（正极或负极），得失电子数均写在“”左侧。总反应式为氧化还原反应的方程式。（2）书写方法：如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极，再根据正、负极反应规律去写电极反应式；如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况），再选择一个简单变化情况去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。对于可逆电池的反应，需要看清楚“充电、放电”的方向，放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。（3）书写步骤：以铅蓄电池放电时的反应为例，总反应为PbPbO22H2SO42PbSO42H2O，电极反应式的书写步骤如下：先写负极反应式：（还原剂与氧化产物对应，反应式两边遵循原子个数守恒）Pb2ePbSO4PbSO422ePbSO4再写正极反应式：（用总反应式减去负极反应式得到正极反应式） PbO24HSO422ePbSO42H2O（二）新型电源有关新型电源的试题在高考试题中的出现，常以判定电极反应是否正确、电子转移是否正确以及溶液的酸碱性的变化的形式出现。1、一次电池（1）碱性锌锰电池：负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH。电极反应：负极：Zn2OH2eZn（OH）2 正极：2MnO22H2O2e2MnOOH2OH 总反应式：2MnO2Zn2H2O2MnOOHZn（OH）2（2）银锌电池：负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。电极反应：负极：Zn2OH2eZnOH2O 正极：Ag2OH2O2e2Ag2OH总反应式：ZnAg2OZnO2Ag2、二次电池：铅蓄电池是最常见的二次电池，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是稀H2SO4（aq）（1）电极反应：放电：负极：Pb（s）2eSO42（aq）PbSO4（s） 正极：PbO2（s）2e4H（aq）SO42（aq）PbSO4（s）2H2O（l） 充电：阴极：PbSO4（s）2ePb（s）SO42（aq） 阳极：PbSO4（s）2e2H2OPbO2（s）4H（aq）SO42（aq）（2）总反应式：Pb（s）PbO2（s）2H2SO4（aq）2PbSO4（s）2H2O（l）3、燃料电池：燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。燃料电池与普通电池的区别：不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是工作时不断从外界输入，同时电极反应产物不断排出电池。燃料电池以还原剂（甲醇、氢气、一氧化碳、甲烷等作燃料）为负极反应物，以氧化剂（氧气、空气等） 为正极反应物。电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质。（1）氢氧燃料电池酸性环境中电极反应：负极：2H24e4H 正极：O24H4e2H2O碱性环境中电极反应：负极：2H24e4OH4H2O 正极：O22H2O4e4OH总反应式：2H2O22H2O（2）甲醇燃料电池电极反应：负极：CH3OH8OH6eCO326H2O正极：O22H2O4e4OH总反应式：2CH3OH3O24OH2CO326H2O（三）金属的腐蚀与保护1、金属的腐蚀的定义：金属的腐蚀指金属或合金周围接触到气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。2、金属的腐蚀的实质：金属原子失去电子被氧化而消耗的过程。3、金属的腐蚀的分类：金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀和电化腐蚀的区别：化学腐蚀电化腐蚀一般条件金属直接和强氧化剂接触不纯金属，表面潮湿反应过程氧化还原反应，不形成原电池。因原电池反应而腐蚀有无电流无电流产生有电流产生反应速率电化腐蚀化学腐蚀结果使金属腐蚀使较活泼的金属腐蚀相互关系化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，危害更严重4、电化学腐蚀的常见类型：电化学腐蚀是指不纯金属或合金在电解质溶液中发生原电池反应。腐蚀过程有微电流产生。电化学腐蚀常分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀，吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别：电化腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强正极反应O24e2H2O4OH2H2eH2负极反应Fe2eFe2Fe2eFe2腐蚀作用是主要的腐蚀类型，具有广泛性发生在某些局部区域内5、金属的防护：根据金属腐蚀的类型及其原理，可从以下几方面采取防护措施：（1）阻断形成原电池的条件，避免电化腐蚀。如保持铁件表面干燥或表面涂一层油漆等，都可阻止表面电解质溶液的形成，使之无条件发生电化腐蚀。（2）形成原电池，但把被保护的金属作正极，避免腐蚀。如在钢铁船体埋锌块，在海水中可形成ZnFe原电池，因钢铁船体为正极得以保护。（3）外接直流电源，将被保护金属接到电源的负极，并形成闭合回路。由于外电源负极提供大量的电子，有效地压制了被保护金属失电子的氧化，达到防腐的作用。6、金属腐蚀快慢的规律：（1）电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀有防护腐蚀措施的腐蚀。（2）同种金属的腐蚀在强电解质中弱电解质中非电解质中。（3）活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。（4）对同一电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。【典型例题】例1. （2020上海）将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）A. 两烧杯中铜片表面均无气泡产生B. 甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C. 两烧杯中溶液的pH均增大 D. 产生气泡的速度甲比乙慢分析：本题考查了原电池原理和原电池的形成条件，侧重考查对所学知识的理解和应用能力。根据原电池的形成条件，甲是原电池，乙没用导线将两金属片相连，不能形成原电池。B错；分析可知，甲中铜片上有气泡产生，乙中锌片上有气泡产生，A错；因甲中发生原电池反应，反应速率快，D错。答案C例2. （2020天津）我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为：4Al3O26H2O4Al（OH）3，下列说法不正确的是（ ）A. 正极反应式为：O24e2H2O4OHB. 电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极C. 以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积D. 该电池通常只需更换铝板就可继续使用分析：本题以我国首创的海洋电池为背景材料，综合考查了原电池的电极反应、电流（或电子）流动方向等问题的掌握情况，侧重考查分析问题、解决问题的能力。从电池的总反应可以看出，铝为原电池的负极，被空气中的氧氧化。所以电池工作时，电子由铝电极经导线流向铂电极，B错。其它选项都正确。答案B例3. （2020江苏）锂离子电池已经成为新一代实用化的蓄电池，该电池具有能量密度大、电压高的特性。锂离子电池放电时的电极反应式为（ ）负极反应：C6LixeC6Li1xxLi（C6Li表示锂原子嵌入石墨形成复合材料）正极反应：Li1xMO2xLix eLiMO2（LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物）下列有关说法正确的是A. 锂离子电池充电时电池反应为C6LiLi1xMO2LiMO2C6Li1xB. 电池反应中，锂、锌、银、铅各失去1mol电子，金属锂所消耗的质量最小C. 锂离子电池放电时电池内部Li向负极移动D. 锂离子电池充电时阴极反应为C6Li1xxLix eC6Li分析：本题以锂离子电池为背景考查了蓄电池的充放电原理。侧重考查了知识迁移能力、由所学知识解决实际问题的能力、分析问题的能力。锂离子电池充电时应看作电解池，Li（或C6Lix1）应得电子，A错；同样转移mol电子消耗锂g，消耗锌32.5g，消耗银108g，消耗铅103.5g，比较可知B正确；放电时电池内部锂离子向正极移动，C错；再根据充电时的电解原理可判断D正确。答案BD例4. （2020广东）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：LiLiMn2O4Li2Mn2O4。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：LiLiMn2O4eLi2Mn2O4C. 充电时，LiMn2O4发生氧化反应D. 充电时，阳极反应为：LieLi分析：本题考查了原电池电解池原理的理解与掌握，属知识迁移题，侧重考查知识的应用能力。放电时因锂失电子发生氧化反应，则LiMn2O4应发生还原反应，A错；充电时Li2Mn2O4失电子发生氧化反应生成LiMn2O4，C错；充电时阴极反应为LieLi，故D错。答案B例5. （2020江苏高考）高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn2K2FeO48H2O3Zn（OH）22Fe（OH）34KOH下列叙述不正确的是（ ）A. 放电时负极反应为：Zn2e2OHZn（OH）2B. 充电时阳极反应为：Fe（OH）23e6OH4H2OC. 放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化D. 放电时正极附近溶液的碱性增强分析：解析实用原电池，其主要思路是一般先分析电池中有关元素化合价的变化确定电池的正、负极，然后根据原电池或电解池的原理判断题目所提供的有关问题。原电池的规律是：负极发生氧化反应，正极发生还原反应，活泼的金属作负极，电解池的规律是：阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，因而选项A、B是正确的；C中放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被还原，Fe由6价降到3价，因而选项C错误；D中放电时正极附近有Fe（OH）3，溶液的碱性增强。答案C例6. （2020年天津理综）下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（ ）A. a电极是负极B. b电极的电极反应为：4OH4e2H2OO2C. 氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源D. 氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置分析：依据原电池原理分析判断：a电极上发生反应：H22e2H，是负极；b电极上发生反应：O22H2O4e4OH，是正极。氢氧燃料电池的能量效率较高，而且产物H2O是一种无污染物质，是一种具有应用前景的绿色电源。氢氧燃料电池通入H2、O2就能工作，无需将H2、O2储藏在电池内部。答案B例7. （2020年江苏）碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn（s）2MnO2（s）H2O（l）Zn（OH）2（s）Mn2O3（s）下列说法错误的是（ ）A. 电池工作时，锌失去电子B. 电池正极的电极反应式为2MnO2（s）H2O（l）2eMn2O3（s）2OH（aq）C. 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D. 外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g分析：由所给电池的总反应式可知，电池工作时，每有1molZn参加反应，失去2 mol电子，则会有2mol电子从负极Zn开始，流经外电路而流向正极，并在正极发生反应，2MnO2（s）H2O2eMn2O3（s）2OH（aq），故外电路每通过0. 2 mol电子，Zn的质量就减轻6. 5g。答案C例8. （2020重庆）铅蓄电池是典型的可充型电池，它的正负极板是惰性材料，电池总反应式为PbPbO24H2SO242PbSO42H2O请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：（1）放电时：正极的电极反应式是_;电解液中H2SO4的浓度将变_;当外电路通过1 mol电子时，理论上负极板的质量增加_g。（2）在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按题图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成_、B电极上生成_，此时铅蓄电池的正负极的极性将_。分析：本题通过常用的铅蓄电池的充放电原理考查了原电池和电解池原理，侧重考查知识的运用和迁移能力。（1）蓄电池放电时起原电池的作用，其正极反应是二氧化铅得电子被还原生成Pb2，在硫酸存在时生成难溶的硫酸铅：PbO22e4HSO42PbSO42H2O由电极反应方程式可知，随电解进行硫酸不断消耗，浓度将不断降低。转移mol电子时生成0.5mol硫酸铅，其增重为：（303g/mol207g/mol）0.5mol48g。（2）按上图连接时变成电解池，A极上发生的反应是PbSO42ePb2SO42，而B极上发生的反应为：PbSO42H2O2ePbO24HSO42，故A、B两极上分别生成铅和二氧化铅，且工作时蓄电池正负极的极性已对换。答案：（1）PbO22e4HSO42PbSO42H2O；小；48（2）Pb；PbO2；对换【模拟试题】1. （07年广东理基）钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：2Fe2H2OO22Fe24OH。以下说法正确的是（ ）A. 负极发生的反应为：Fe2eFe2 B. 正极发生的反应为：2H2OO22e4OHC. 原电池是将电能转变为化学能的装置 D. 钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀2. （07年广东）科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为（ ）A. H22OH2H2O2e B. O24H4e2H2OC. H22H2e D. O22H2O4e4OH3. （07年广东）为了避免青铜器生成铜绿，以下方法正确的是（ ）A. 将青铜器放在银质托盘上 B. 将青铜器保存在干燥的环境中C. 将青铜器保存在潮湿的空气中 D. 在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜4. （07年广东）三氧化二镍（Ni2O3）可用于制造高能电池，其电解法制备过程如下：用NaOH调NiCl2溶液pH至7. 5，加放适量硫酸钠后进行电解。电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成ClO，把二价镍氧化为三价镍。以下说法正确的是（ ）A. 可用铁作阳极材料B. 电解过程中阳极附近溶液的pH升高C. 阳极反应方程式为：2Cl2eCl2D. 1 mol二价镍全部转化为三价镍时，外电路中通过了1 mol电子5. （07年全国理综）在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（ ）A. 正极附近的SO42 离子浓度逐渐增大 B. 电子通过导线由铜片流向锌片C. 正极有O2逸出 D. 铜片上有H2逸出6. （07年天津理综）天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴（LiCoO2），充电时LiCoO2中Li被氧化，Li迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳（C6）中，以LiC6表示。电池反应为LiCoO2C6CoO2LiC6，下列说法正确的是（ ）A. 充电时，电池的负极反应为LiC6eLiC6B. 放电时，电池的正极反应为CoO2LieLiCoO2C. 羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质D. 锂离子电池的比能量（单位质量释放的能量）低7. （05广东）下列对于化学有关的叙述正确的是（ ）A. 铜锌原电池中，铜为负极B. 0.1molN2与0.3molH2在一定条件下反应达到平衡时，生成0.2molNH3C. 1mol/LAlCl3溶液中，铝离子物质的量浓度为1mol/L。D. 18gH2O中含1mol氧原子8. 关于如图所示装置的叙述，正确的是（ ）A. 铜是阳极，铜片上有气泡产生 B. 铜片质量逐渐减少C. 电流从锌片经导线流向铜片 D. 氢离子在铜片表面被还原9. （05广东）一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导O2。下列对该燃料说法正确的是A. 在熔融电解质中，O2由负极移向正极B. 电池的总反应是：2C4H1013O28CO210H2OC. 通入空气的一极是正极，电极反应为：O24e2O2D. 通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H1026e13O24CO25H2O10. 镍镉（NiCd）可充电电池在现代生活中有广泛应用，它的充放电反应按下式进行：Cd（OH）22Ni（OH）2Cd2NiO（OH）2H2O由此可知，该电池放电时的负极材料是（）A. Cd（OH）2 B. Ni（OH）2 C. Cd D. NiO（OH）11. 下列关于实验现象的描述不正确的是（ ）A. 把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡B. 用锌片做阳极，铁片做阴极，电解氯化锌溶液，铁片表面出现一层锌C. 把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁D. 把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快12. 有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（ ）每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole负极上CH4失去电子，电极反应式CH410OH8eCO327H2O负极上是O2获得电子，电极反应式为 O22H2O4e4OH电池放电后，溶液PH不断升高A. B. C. D. 13. 下列叙述正确的是（ ）锌跟稀硫酸反应制取氢气，加入少量硫酸铜溶液能加快反应速率镀层破损后，白铁（镀锌的铁）比马口铁（镀锡的铁）更易腐蚀电镀时应把镀件置于电解槽的阴极冶炼铝时，把氧化铝加入液态冰晶石中成为熔融体后电解钢铁表面常易腐蚀生成Fe2O3nH2OA. B. C. D. 14. 阿波罗号宇宙飞船上使用的氢氧燃料电池，其电池反应为：2H2O22H2O，电解质溶液为KOH溶液，反应保持在较高温度，使H2O蒸发，则下列叙述中正确的是（ ） A. 此电池能发生蓝色火焰 B. H2为正极，O2为负极C. 工作时，电解质溶液的pH不断减小D. 电极反应为负极：2H24 OH4e4 H2O 正极：O22 H2O4e4 OH15. 下列事实能说明Al的金属活动性比Cu强的是（ ） A. 常温下将铝和铜用导线连接组成原电池放入到氢氧化钠溶液中B. 常温下将铝和铜用导线连接组成原电池放入到稀盐酸溶液中C. 与氯气反应时，铝失去3个电子，而铜失去2个电子D. 常温下，铝在浓硝酸中钝化而铜不发生钝化16. （07年海南）依据氧化还原反应：2Ag（aq）Cu（s）Cu2（aq）2Ag（s）设计的原电池如图所示：请回答下列问题：（1）电极X的材料是_；电解质溶液Y是_；（2）银电极为电池的_极，发生的电极反应式为_；X电极上发生的电极反应式为_；（3）外电路中的电子是从_电极流向_电极。17. （07年宁夏理综卷）（1）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流计。锌片上发生