第7章 第2节 原电池__化学电源

1、第二节原电池_化学电源明考纲要求理主干脉络1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解常见的化学电源的种类及其工作原理。一、原电池1概念把化学能转化为电能的装置。2构成条件(1)有两上活动性不同的电极(常见为金属或石墨)。(2)具有电解质溶液。(3)两电极间形成闭合回路。3工作原理如图是两种CuZn原电池示意图，请填空：(1)电极：负极为Zn，正极为Cu。(2)电极反应；负极：Zn2e=Zn2，正极：Cu22e=Cu。(3)电子移动方向和电流方向：电子从负极流出经外电路流入正极；电流从正极流出经外电路流入负极。(4)离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子

2、向正极迁移。(5)两种装置的比较：装置中还原剂Zn与氧化剂Cu2直接接触，易造成能量损耗；装置能避免能量损耗；装置中盐桥的作用是提供阴阳离子定向移动的通路，导电。二、化学电源1一次电池碱性锌锰干电池负极材料：Zn电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2正极材料：碳棒电极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)22二次电池(以铅蓄电池为例)(1)放电时的反应：负极：Pb(s)SO(aq)2e=PbSO4(s)正极：PbO2(s)4H(aq)SO(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(

3、aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时的反应：阴极：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq)阳极：PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq)。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，可分为酸性和碱性两种。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,1.如何判断一个装置是原电池？提示：(1)先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能

4、为原电池；然后依据原电池的形成条件分析判断。主要是“四看”：看电极两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极)；看溶液是否是电解质溶液；看回路两极插入溶液中，形成闭合回路或两极直接接触；看本质有无氧化还原反应发生，原电池反应是总反应能够自发进行的氧化还原反应。(2)多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。2实验室常用锌和稀H2SO4反应制备H2，试讨论纯锌和粗锌哪个反应快，为什么？提示：粗锌快，因为粗锌中含有杂质金属，可以和锌形成原电池，反应速率较快。3依据氧化还原反应：2Ag(aq)Cu(s)=Cu2(aq)2Ag(s)设计的原电池如图

5、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，发生的电极反应为_；X电极上发生的电极反应为_；(3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。答案：(1)CuAgNO3(2)正Age=AgCu2e=Cu2(3)CuAg4铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式_。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应：_；负极反应：_。解析：(1)Fe3具有强氧化性，可以把一些金属单质如铁、铜等氧化成相应的离子，离子

6、方程式是：2Fe3Cu=2Fe2Cu2。(2)由反应2Fe3Cu=2Fe2Cu2可以判断出铜发生氧化反应，铜作负极，Fe3发生还原反应，正极可以选用石墨棒，电解质溶液可以选用氯化铁溶液，仿照教材上的铜锌原电池装置，可以画出此原电池的装置图。答案：(1)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)正极反应：2Fe32e=2Fe2负极反应：Cu2e=Cu2原电池正负极的判断和电极反应式的书写1(2013课标全国卷)银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理：在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去。下列说法正确的是()A处理过程中

7、银器一直保持恒重B银器为正极，Ag2S被还原生成单质银C该过程中总反应为2Al3Ag2S=6AgAl2S3D黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl解析：选B根据信息可知在银器处理过程中运用了原电池原理，铝质容器作负极，电极反应为2Al6e=2Al3；银器作正极，电极反应为3Ag2S6e=6Ag3S2；继而Al3和S2发生互相促进的水解反应：2Al33S26H2O=2Al(OH)33H2S，故原电池的总反应为：3Ag2S2Al6H2O=6Ag2Al(OH)33H2S，故C错误。黑色褪去的原因是Ag2S被还原为Ag，此过程中银器质量逐渐减小，故A、D错误，B正确。2(2013江苏高考)Mg

8、H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下。该电池工作时，下列说法正确的是()AMg电极是该电池的正极BH2O2在石墨电极上发生氧化反应C石墨电极附近溶液的pH增大D溶液中Cl向正极移动解析：选C根据题意可知电池的总反应为：MgH2O22H=Mg22H2O。Mg电极是该电池的负极，A错误。H2O2在正极发生还原反应，B错误。石墨电极的电极反应式为：H2O22H2e=2H2O，由于水电离出的H不断被消耗，所以该电极附近溶液的pH增大，C正确。在原电池中，阴离子向负极移动，D错误。3高考组合题书写以下电极反应式或电池反应方程式。(1)(2013新课标全国卷节选)二

9、甲醚(CH3OCH3)直接燃料电池具有启动快、效率高的特点，若电解质为酸性，其负极反应式为_。(2)(2012新课标全国高考节选)高铁酸钾(K2FeO4)是一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料。FeCl3和KClO在强碱性条件下反应可制取K2FeO4，其反应的离子方程式为_；与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为_，该电池总反应的离子方程式为_。(3)(2013新课标全国卷节选)普通锌锰电池放电时发生的主要反应为：Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnOOH该电池中，负极材料主要是_，电解质的主要成

10、分是_，正极发生的主要反应是_。(4)(2011四川高考节选)用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料(用MH表示)，NiO(OH)作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。电池充放电时的总反应为：NiO(OH)MHNi(OH)2M电池放电时，负极的电极反应式为_。解析：(1)首先判断酸性条件下的反应产物。电池正极O2为反应物，正极反应为O24e4H=2H2O，则负极二甲醚被氧化为CO2。负极发生氧化反应，由反应物、生成物，结合得失电子守恒、原子守恒及溶液呈酸性，可写出负极反应式为CH3OCH33H2O12e=2CO212H。(2)FeCl3和KClO在强碱

11、性条件下反应，实质是KClO氧化Fe(OH)3，ClO的还原产物应该是Cl；K2FeO4Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeO中6价铁元素被还原为Fe(OH)3中3价铁元素，其电极反应式为FeO3e4H2O=Fe(OH)35OH；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。(3)由普通锌锰电池放电时的总反应可知，Zn作负极，NH4Cl为电解质，正极上发生还原反应：MnO2NHe=MnOOHNH3。(4)负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H，H再与OH结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MHeOH=MH2O答案：

12、(1)CH3OCH33H2O12e=2CO212H(2)2Fe(OH)33ClO4OH=2FeO5H2O3ClFeO3e4H2O=Fe(OH)35OH2FeO8H2O3Zn=2Fe(OH)33Zn(OH)24OH(3)ZnNH4ClMnO2NHe=MnOOHNH3(4)MHeOH=MH2O1原电池正、负极判断的七种方法(1)由组成原电池的两极材料判断。一般相对较活泼的金属为负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属为正极。(2)根据电流方向或电子流动方向判断。在外电路，电流由正极流向负极；电子由负极流向正极。(3)根据原电池里电解质溶液中离子的定向移动方向判断。在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正

13、极，阴离子移向负极。(4)根据原电池两极发生的变化来判断。原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(5)X极增重或减轻。工作后，X极质量增加，说明X极有物质析出，X极为正极；反之，X极质量减少，说明X极金属溶解，X极为负极。(6)X极有气体产生。工作后，X极上有气体产生，一般是发生了析出H2的电极反应，说明X极为正极。(7)根据X极附近pH的变化来判断。析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而工作后，X极附近pH增大了，说明X极为正极。特别提醒在判断金属活泼性的规律中，有一条为“当两种金属构成原电池时，活泼金属作负极，不活泼金属作正极”，但这条规律也有例外情况

14、，如Mg和Al为原电池的两极，KOH溶液为电解质溶液时，虽然Mg比Al活泼，但因Mg不和KOH溶液反应，所以Mg作原电池的正极等。2电极反应式的书写方法(1)电极反应的书写步骤：列物质标得失 看环境配守恒 两式加验总式 (2)燃料电池电极反应式的书写：燃料电池的总反应相当于燃料燃烧的反应，然后再看燃烧产物与电解质溶液是否发生反应，从而得总反应。燃料电池中都是燃料在负极失电子，O2(或其他氧化剂)在正极得电子。书写此类反应，应先写正极反应式，然后利用总式正极反应式负极反应式写出负极反应式。需要注意的是，由于电解质的不同，正极反应一般分为以下几类：若电解质溶液是酸性的，在电极反应式中不能出现OH。

15、如氢氧燃料电池，当电解质溶液呈酸性时，正极反应式为O22e2H=H2O；若电解质溶液是碱性的，在电极反应式中不能出现H。如氢氧燃料电池，当电解质溶液呈碱性时，正极反应式为O22H2O4e=4OH。原电池原理的应用4有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D导线C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应；用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。据此，判断五种金属的活动性顺序是()AABCDE

16、BACDBECCABDE DBDCAE解析：选B说明A比B活泼，说明C比D活泼，说明C极H被还原，C极为正极，则A比C活泼；D为负极，D比B活泼；说明B比E活泼。综上所述，五块金属活动顺序为ACDBE。5某原电池总反应为：Cu2Fe3=Cu22Fe2，下列能实现该反应的原电池是()ABCD电极材料Cu、ZnCu、CFe、ZnCu、Ag电解液FeCl3Fe(NO3)2CuSO4Fe2(SO4)3解析：选D由题意知，Cu为负极材料，由正极材料的金属活性必须小于Cu，其中B、D项符合该条件；由Fe3得电子生成Fe2知，电解质溶液中必须含有Fe3，同时符合上述两条件的只有D项。6选择合适的图像：(1)

17、将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_。(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_。(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是_。解析：(1)a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原电池，反应速率加快，所以a放出H2的量减少，但速率加快。(2)a中加入CuSO4消耗Zn，但不影响产生H2的量，速率也加快。(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3

18、COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。答案：(1)A(2)B(3)C7(2013长沙一中模拟)原电池原理广泛应用于科技、生产和生活中，请回答以下问题：(1)肼(N2H4)又称联氨，是一种可燃性的液体，可用作火箭燃料。肼空气燃料电池是一种碱性燃料电池，产物无污染，电解质溶液是20%30%的KOH溶液。肼空气燃料电池放电时：正极的电极反应式是_；负极的电极反应式是_。(2)有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N2、H2为电极反应物，以HClNH4Cl为电解质溶液制造新型燃料电池。试写出该电池的正极反应式：_。(3)请运用原电池原理设计实验，验证I2、Fe3氧化性的强弱，请画出实验

19、装置图并写出电极反应式。解析：(1)肼燃烧的化学方程式为N2H4O2=N22H2O，由此可知电极反应式分别为：正极：O24e2H2O=4OH；负极：N2H44e4OH=N24H2O。(2)写此电极反应式时要注意电解质溶液显酸性，与电极产物NH3反应，即N28H6e=2NH。(3)验证I2和Fe3的氧化性强弱可根据反应2I2Fe3=2Fe2I2来进行判断，溶液中可加入少量淀粉溶液，若淀粉溶液变蓝证明生成了I2。答案：(1)O22H2O4e=4OHN2H44OH4e=N24H2O(2)N28H6e=2NH(3)原电池原理的四大应用应用一：比较金属的活动性强弱原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活

20、动性弱的金属(或非金属)作正极。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溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以断定金属活动性AB。应用二：加快化学反应速率由于形成了原电池，导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成CuZn原电池，加快反应进行。应用三：用于金属的防护使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。应用四：设计原电池设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件。(1)必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。(

21、2)根据氧化还原关系找出正负极材料(负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨)及电解质溶液。电极材料的选择：在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。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)。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在CuZn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浸泡在

22、含有Cu2的电解质溶液中。(3)按要求画出原电池装置示意图：如根据Cu2Ag=Cu22Ag设计电池：或特别提醒(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。 新型化学电源问题新型化学电源是高考中每年必考的知识点，随着全球能源逐渐枯竭，研发、推广新型能源迫在眉睫，因此，化学中的新型电源，成为科学家研究的重点方向之一，也成了高考的高频考点。高考中的新型化学电源，有“

23、氢镍电池”、“高铁电池”、“锌锰碱性电池”、“海洋电池”“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池)“锂离子电池”“银锌电池”、“钮扣电池”等，一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。由于该类试题题材广、信息新、陌生度大，因此许多考生感觉难度大。虽然该类试题貌似新颖、但应用的解题原理还是原电池的知识。试题的考查形式主要有以下几种角度。1新型电池“放电”时正、负极的判断新型电池2新型电池“放电”时，电极反应式的书写首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发

24、生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。3新型电池“充电”时阴、阳极的判断首先明确原电池放电时的正、负极，再根据充电时，电源正极接正极、电源负极接负极的原理进行分析。4新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。1(2013安徽高考)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiClKCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为：PbSO42LiClCa=CaCl2Li2SO4

25、Pb。下列有关说法正确的是()A正极反应式：Ca2Cl2e=CaCl2B放电过程中，Li向负极移动C每转移0.1 mol电子，理论上生成20.7 g PbD常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转解析：选D正极上发生还原反应，A项错误；放电过程中Li向正极移动，B项错误；由电池总反应式可知，每转移0.1 mol电子，理论上生成0.05 mol Pb，质量为10.35 g，C项错误；常温下，电解质不是熔融态，离子不能移动，不能产生电流，因此连接电流表或检流计，指针不偏转。2(2011福建高考)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiO

26、H为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是()A水既是氧化剂又是溶剂B放电时正极上有氢气生成C放电时OH向正极移动D总反应为：2Li2H2O=2LiOHH2解析：选C该电池的负极是锂，氧化剂水在正极上得到电子生成氢气，又电解质是LiOH，故A、B、D项正确；原电池中OH向负极移动，C项错误。3(2013新课标全国卷)“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是()A电池反应中有NaCl生成B电池的总反应是金属钠还原三价铝离子C正极反应为：NiCl22e=Ni2ClD钠离子通过钠离子导

27、体在两电极间移动解析：选B 该电池总反应为：2NaNiCl2=2NaClNi，因此有NaCl生成，A项正确；电池总反应为Na还原Ni2，B项错误；正极为NiCl2发生还原反应：NiCl22e=Ni2Cl，C项正确；钠离子通过钠离子导体由负极移向正极，D项正确。4(2010浙江高考)LiAl/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为：2LiFeS2e=Li2SFe，有关该电池的下列说法中，正确的是()ALiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为1价B该电池的电池反应式为：2LiFeS=Li2SFeC负极的电极反应式为Al3e=Al3D充电时，阴极发生的电极反应式为

28、：Li2SFe2e=2LiFeS解析：选B在该电池中LiAl是负极材料，该材料中Li的化合价为0，负极电极反应式为：Lie=Li，结合题给的正极的反应式可推出总反应式为：2LiFeS=Li2SFe，故B正确，A、C错误。D项，充电时，阴极上得电子发生还原反应，故D项错误。5(2012四川高考)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH4eH2O=CH3COOH4H。下列有关说法正确的是()A检测时，电解质溶液中的H向负极移动B若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气C电池反应的化学方程式为：CH3CH2OHO2=CH3COOHH2OD正极上

29、发生的反应是：O24e2H2O=4OH解析：选C电解质溶液中阳离子应向正极移动，A项错误；酸性溶液中，正极电极反应式为O24e4H=2H2O，D项错误；结合正极反应式，转移0.4 mol电子时，消耗O2 0.1 mol，其在标准状况下的体积为2.24 L，B项错误；C项符合题目要求，正确。原电池工作原理的探究锌铜原电池装置(2012福建高考)将右图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是()ACu电极上发生还原反应B电子沿ZnabCu路径流动C片刻后甲池中c(SO)增大D片刻后可观察到滤纸b点变红色答案：A高考题以装置考原理，通过变换装置的结构，重在考查学生的理解能力和设计素质。以装置为载体，考查原电池的工作原理和反应变化，旨在考查分析能力和观察能力。(2013广东高考节选)设计两种类型的原电池，探究其能量转化率。限选材料：ZnSO4(aq)、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)；铜片、铁片、锌片和导线。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