2023年高考化学总复习第一部分考点指导第三章化学反应中的能量变化 第2讲化学能与电能的相互转化

第2讲化学能与电能的相互转化

【课标要求】

1.能分析、解释原电池和电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池。

2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。

【学科素养】

1.变化观念与平衡思想：能多角度、动态地分析电池中发生的反应，并运用原理解决实际问

题。

2.证据推理与模型认知：能分析电池中发生的反应，运用原理从定性和定量角度推出合理结

论。

教师独具。、知一据弊•2枸体系,---------。瑟：鲁学鬻

两极分别发生氧化、还原反应，

工作原理产生电流

，电解质溶液_________________

电能转化为化学能的装置定义

K，田"“两个活泼性不同的电极

(形成条件--------------------------

使电流通过电解质溶液或熔融电原

电形成闭合回路

解质，在阴阳两极发生氧化还原池

反应的过程原理一、自发进行氧化还原反应

汨负极判惭

阴极：电解质溶液中的阳离子-(电解池］-

氧化还原反电极反应

得电子发生还原反应应一能量变化

电极反应式及电池反反应方程式

反应

阳极：还原性微粒或活性阳极_____

(一次电池普通锌镜电池等

本身失电子发生锐化反应，化

学二次电池铅蓄电池等

电

源燃料电池氢氧燃料电池等

〕

考情播报

考占

\J/Vvv考题

2021全国甲卷第9题

2021全国乙卷第11题

2020山东等级考第12题

考点一：原电池2020全国I卷第11题

2018全国I卷第13题

2018全国I卷第27题(3)

2017全国甲卷第11题

2021湖南选择考第12题

考点二：化学电源2020山东等级考第13题

2019全国I卷第12题

2021全国乙卷第12题

2020全国H卷第11题

2020山东等级考第14题

考点三：电解池2020全国I卷第11题

2019全国III卷第13题

2018全国H卷第12题

2018全国III卷第11题

命题分析

分析近五年高考试题，高考命题在本讲有以下规律：

1.从考查题型和内容上看，高考命题以选择题和非选择题呈现，考查内容主要有以下两个方

面：

⑴以新型化学电源为背景，考查原电池和电解池的工作原理以及电极反应方程式的书写、离

子移动方向等。

(2)与工农业生产相结合，考查电极产物的分析及检验等。

2.从命题思路上看，侧重以新型电源为载体考查原电池和电解池的工作原理。

(1)选择题

常以新型电源和生产生活、科学实验、物质制备等为背景，考查电极的判断、离子或电子的

移动方向、电子转移数目的判断和电极反应式的书写等。

(2)非选择题

与化学实验、化学平衡、离子平衡、元素及其化合物等知识相结合来综合考查，常考查电极

反应式的书写、探究电解原理的应用。

3.从考查学科素养的角度看，注重考查变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学态

度与社会责任的学科素养。

备考策略

根据高考命题的特点和规律，复习时要注意以下几个方面：

(1)构成各个池的基本元件有哪些；

(2)该电池有哪些特点；

(3)电极选择与电解液选择有何要求。

考点一：原电池(基础性考点)

必备知识•夯实

(一)微观层面认识原电池

1.原电池的概念和反应本质

(1)概念：是把化学能转化为电能的装置。

(2)本质：能自发进行的氧化还原反应。

2.构成原电池的三个条件

一看反应看能发生自发进行的氧化还原反应

二看电极一般是活泼性—丕回—的两电极(金属或石墨)

形成闭合回路需三个条件：①电解质溶液；②两电

三看是否形成闭合回路极与电解质溶液相接触；③两电极之间直接或间接

接触。

辨易错

(1)中和反应放热，可以设计成原电池。(X)

提示：中和反应中没有电子的转移。

(2)原电池装置中，溶液中的阴离子移向正极，阳离子移向负极。(X)

提示：原电池阴离子移向负极，阳离子移向正极。

(3)原电池中的两电极一定是活泼性不同的金属材料。(X)

提示：氢氧燃料电池的正负极都是碳电极。

3.原电池的工作原理

(1)图解原电池工作原理

Zn-----•Zn~++2e~Cu:++2e__-Cu

⑵以锌铜原电池为例，分析原电池工作原理

n

电极名称负极正极

电极材料ZnCu

电极反应Zn-2e-=Zn2+Cu2++2e-=Cu

反应类型氧化反应还原反应

电子流向负极到正极

盐桥中

阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移

离子移向

深思考

（i）n中盐桥的作用是什么？

提示：①形成闭合回路；②平衡电荷。

（2）II装置比I装置有哪些优点？

提示：防止氧化剂和还原剂直接反应，提高能量转化率。

（3）原电池中的三个方向

①电子方向：鱼极一导线一正极。

②电流方向：正极f导线一负极。

③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。

助理解以铜锌原电池为例构建原电池的认知模型

原

观

宏

象

现鬟'电流表指针偏转有红色

观

微溶解电子移动方向物质生成

稽

过

阴离子移向

极

电

枷

产

氧化产物还原产物

HXI失电子I得电子

反还原剂氧化剂.

失e-场所电子离子得K场所

（负极材料）导体导体（正极材料）

（二）宏观层面应用原电池

1.比较金属的活动性强弱

负极：活动性较强的金属:正极：活动性较弱的金属。（一般规律）

2.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Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSOi溶液构成原电池，反应速率加快。

3.四步法设计制作化学电源

（拆分反应H将氧化还原反应分成两个半反应

:,___________________

'选择电极U将还原剂（一般为比较活泼金属）作」^

材料活泼性比负极弱的金属或非金属导体作

正极

如果两个半反应分别在两个容器中进行（中

构成闭合

-间连接盐桥）,则两个容器中的电解质溶液

回路

应含•布与电极材料相同的金瓜的阳离子

画出装L结合要求及反应特点，画出原电池装置图，

置图标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等

4.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。

补短板原电池加快反应速率的理解

在理解形成原电池可加快反应速率时，要注意对产物量的理解，Zn与稀硫酸反应时加入少量

CuSOi溶液，锌足量时，不影响产生H?的物质的量，但稀硫酸足量时，产生H?的物质的量要减

少。

关键靠力•进阶

7能力点：原电池正、负极的判断及电极反应式的书写

1.原电池电极反应式的书写

（1）书写步骤

列物质_f负极发生氧化反应,—参加反应的微粒

一【正极发生还原反应1一和得失电子数

标得失

:在电解质溶液的环境中要生成稳定的电极

看环境

一产物，即H+、OH、匕。等是否参加反应

配守恒'遵守电荷守恒、质量守恒、电子守恒

X

两式加

一两电极反应式相加，与总反应式对照验证

验总式

(2)书写方法

①方法一：拆分法

3+2+2+

a.第一步：写出原电池的总反应，如:2Fe+Cu=2Fe+Cuo

b.第二步：把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，如：

正极：2Fe"+2e-=2Fe?+

负极：Cu-2e-=Cu2+

②方法二：加减法

a.第一步：写出总反应，如：Li+LiMn2Ol==Li2MnAo

b.第二步：写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)，如：Li—e、=Li+(负极)。

c.第三步：利用总反应式与上述的一极反应式相减，即得另一个电极的反应式，即LiMnA

+

+Li4-e-==Li2Mn20.!(iE®)o

2.原电池原理与正、负极判断的“五维角度”

典例精研

【典例】（2020•全国HI卷）一种高性能的碱性’硼化帆（VB2）-空气②电池如图所示，其中

在VB?电极发生反应：VB+160H--lle-=V0+2B（0H）+4H0®该电池工作时，下列说

2442o

法错误的是（）

A.负载通过0.04mol电子时，有0.224L（标准状况）0?参与反应

B.正极区溶液的pH降低，负极区溶液的pH升高

C.电池总反应为4VB,+1102+200H-+6HQ=8B（0H）+4V0

44

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

教师专用（［解题思维］解答本题的思维流程如下:

提取①碱性；②硼化钢（VB2）-空气；

信息③VB,电极反应式

①碱性电池溶液中不可能生成小；②硼化钢（VBJ-空气电池，空气

信息

中有氧气，则空气一极通常作正极，则硼化机一极作正极；③根据

转化

电极反应式可判断出电子转移情况及硼化电凡电极的生成物。

联想反应一段时间后，电池中左池溶液的pH是升高还是降低？为什么？

质疑提示：降低，因为消耗了0H,

【解析】选B。该电池中在正极发生的反应为02+2乂0+4葭=40M，所以负载通过0.04

mol电子时，有0.224L（标准状况参与反应，A正确；根据正负极电极反应式可知使用过

程中负极区溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高，B错误；根据两极电极反应式可知电池

总反应为4VB2+1102+200H-+6H20=8B（OH）4+4V04,C正确；VB2电极和复合碳电极分别

为电池的负极、正极，根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB?电极、KOH溶液回

到复合碳电极，D正确。

原因分析•理论解释

(1)分析判断装置中的离子交换膜是阳离子交换膜还是阴离子交换膜?

是-阴---离---子----交---换---膜---,--原----因----：---V--B-?-在----负----极----失----电----子----结----合----生----成----B---(-O1-H)。

(2)有同学认为：本电池工作时电子从VB2电极出发沿导线到达复合碳电极，再经KOH溶液回

到VB,电极，从而构成闭合回路的。此同学的认识是否正确？不正确,原因是电子不能通过溶

液，电解质溶液中转移的是离子。

迁移应用

•命题角度一：原电池装置及电极的判断

1.分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()

罢

MghhAlMgiJiAlFej|||CuFe|ftu

稀H2so4NaOH溶液浓HNO：NaCl溶液

①②③④

A.①②中Mg作负极，③④中Fe作负极

B.②中Mg作正极，电极反应式为6H20+6e-=60H-+3H"

C.③中Fe作负极，电极反应式为Fe—2e-=Fe"

D.④中Cu作正极，电极反应式为2H++2e.=H2f

【解析】选B。②中Mg不与NaOH溶液反应，而A1能和NaOH溶液反应失去电子，故A1是负

极；②中电池总反应为2Al+2NaOH+6H20=2Na[Al(0H)/+3H2T,负极反应式为2八1+80匹

-6e-=2[Al(0H)J-,二者相减得到正极反应式为6H2。+6屋=60『+3H2t,B项正确；③

中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNOs反应失去电子作负极，A、C两项错误；④中Cu是正极，

电极反应式为02+2丛0+4屋=40k，D项错误。

2.(2022•汕头模拟)一种电池装置如图所示，它能溶解辉铜矿石(主要成分是C&S)制得硫酸

铜。下列说法正确的是()

M1!-----6

细菌

碳棒

辉铜矿石―

------7T(SOJ溶液

CuSO」溶液

X交换膜

A.M极为正极

B.X交换膜为阳离子交换膜

2-

-U2++

C.M极上的电极反应式为Cu2S-10e+4H20=2C+8H+S04

D.外电路上每通过2mol电子，左室溶液增重32g

【解析】选C。电池工作时，M极：Cu2s转化为CuSO”失电子为负极，则N极为正极，A项

错误；M极上的电极反应式为加5—10b+4Hq=2Cu2++8H'+S0,因为M极产生的Ci?+

4

与SO的物质的量比为2：1,故右室中SO需通过X交换膜进入左室，则X交换膜是阴离

44

子交换膜，B项错误，C项正确；因为外电路上每通过2moi电子，左室溶液中除了有0.2mol

Cu2s溶解，还有右室中的SO通过X交换膜进入左室，故增重超过32g,D项错误。

4

•命题角度二：原电池的工作原理

3.（2022•深圳模拟）锌空气电池（原理如图）适宜用作城市电动车的动力电源，该电池放电

时Zn转化为ZnO。该电池工作时下列说法不正确的是（）

A.多孔板的目的是增大与空气的接触面积

B.该电池的正极反应为0?+4e-+2H20=40K

C.该电池放电时K+向石墨电极移动

D.外电路电子由Zn电极流向石墨电极再通过电解质溶液流回Zn电极

【解析】选D。石墨电极作为正极，多孔板可以增大与空气的接触面积，A正确；正极上氧气

被还原，电解质显碱性，所以正极电极反应式为0?+4e-+2H2。=401，B正确；石墨电极为

正极，原电池中阳离子移向正极，即K+向石墨电极移动，C正确；电子不能在电解质溶液中

流动，D错误。

4.（2022•青岛模拟）利用人工模拟光合作用合成甲烷的原理为C02+2H20=CH,+2（）2,装置如

图所示，下列说法错误的是（）

T负载hco,

oCH1

-f2-n~H4—|h

太阳光

水7碗

A.该装置将太阳能转化为电能和化学能

B.电子从氮化线电极经负载流向铜电极

C.铜电极上电极反应式：CO2+8H'-8e-=CH,+2H2O

D.向装置中加入少量稀硫酸可提高合成工作效率

【解析】选C。由图可知，碳元素价态降低得电子，Cu电极为正极，电极反应式为CO2+8H+

-+

+8e=CH,+2H20,GaN为负极，电极反应式为2H4广=。21+4H,据此作答。A.由图

可知，该装置工作时，有电流产生，同时合成甲烷，故太阳能转化为电能和化学能，故A正

确；B.原电池工作时，电子由负极(GaN)经外电路流向正极(Cu),故B正确；C.Cu电极为正

极，电极反应式为C02+8H++8e-=CH1+2H2。，故C错误；D.向装置中加入少量稀硫酸，可

提高溶液中离子浓度，增强导电性，提高合成工作效率，故D正确。

教师

专用

1.根据下图，下列判断中正确的是()

'NaQ溶液

A.烧杯a中的溶液pH降低

B.烧杯b中发生氧化反应

C.烧杯a中发生的反应为2H++2院==41

D.烧杯b中发生的反应为2Cr-2e-=Cl2t

【解析】选B。由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则0?在Fe

电极发生还原反应：0/+2也0+41=40H，烧杯a中c(0『)增大，溶液的pH升高；烧杯b

中，Zn发生氧化反应：Zn—2e-=Zn"。

2+

2.将镉(Cd)浸在氯化钻(CoCl?)溶液中，发生反应的离子方程式为Co(aq)+Cd(S)==Co(s)

+Cd2+(aq)，如将该反应设计为如图的原电池，则下列说法一定错误的是()

A.Cd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CdCb溶液，乙池中盛放的是CoCk溶液

【解析】选C。将该反应设计为原电池时，Cd作负极，电极反应为Cd—2e-=C（C；Co作正

极，电极反应为C02++2e-=Co,盐桥中的阳离子向正极（乙池）移动。

•命题角度三：原电池原理的应用

5.一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的总量，可采取的

措施是（）

A.加入少量稀NaOH溶液

B.加入少量NaN（）3固体

C.加入少量NaHSO,固体

D.加入少量CuSO,溶液

【解析】选D。A.加入少量稀NaOH溶液，NaOH和稀盐酸反应生成氯化钠和水，稀盐酸浓度降

低，所以反应速率降低且生成氢气的总量减少，故A错误；B.加入硝酸钠，硝酸根离子具有

强氧化性，生成NO,不生成氢气，故B错误；C.加入少量NaHSO,,NaHSO1完全电离生成氢离

子，相当于增大氢离子浓度，反应速率加快，但增大生成氢气总量，故C错误；D.加入少量

硫酸铜溶液，锌和铜离子反应生成Cu,Zn、Cu和稀盐酸构成原电池加快反应速率，且生成氢

气总量不变，故D正确。

6.有A、B、C、D四种金属，做如下实验：①将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，

B不易腐蚀；②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；③将铜浸入B

的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活

动性由强到弱的顺序是（）

A.A>B>ODB.OD>A>B

C.D>A>B>CD.A>B>D>C

【解析】选Co两种活动性不同的金属和电解质溶液构成原电池，较活泼的金属作负极，负

极上金属失电子发生氧化反应被腐蚀，较不活泼的金属作正极。①将A与B用导线连接起来

浸入电解质溶液中，B不易腐蚀，所以A的活动性大于B。②金属和相同的酸反应时，活动性

强的金属反应剧烈，将A、D分别投入等浓度盐酸溶液中，D比A反应剧烈，所以D的活动性

大于A；③金属的置换反应中，较活泼金属能置换出较不活泼的金属，将铜浸入B的盐溶液

中，无明显变化，说明B的活动性大于铜。如果把铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出，说

明铜的活动性大于Co所以金属的活动性顺序为D>A>B>C。

7.设计原电池装置证明Fe'+的氧化性比O/+强。

⑴负极反应式：

(2)正极反应式:

(3)电池总反应方程式:

(4)从不含盐桥、含盐桥两个角度画出装置图，指出电极材料和电解质溶液:

答案：(l)Cu-2e-==Cu2+

(2)2Fe3++2e-=2Fe2+

(3)2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+

(4)

①不含盐桥②含盐桥

„r@-ir

CuC蓑唱

FeCh溶液Cu4溶液Fe&溶液

点睛笔

原电池工作原理示意图

氧化还

原反应还原剂+氧化剂一氧化产物

（失电子）（得电子）+还原产物

氧化反应、形龙I________

闭

还原反应、合

回离子导体

分开进行路

负极（电解质正极

一§

负反应物溶液）反应物

极

洞

原如负极正极1

材料材料

电子导体

考点二：化学电源（应用性考点）

必备知识•夯实

1.一次电池

放电后不可再充电的电池。

（1）普通锌镒干电池

总反应：Zn+2MnO2+2NH,Cl=ZnCl2+Mn。+2NH:i+H20

负极：Zn—2e-=Zn'。

正极：2MnO+2NH+2e~=2NH+Mn04-H0

24:t232

（2）碱性锌铳电池

总反应：Zn+2MnO2+H2O=2MnOOH+ZnO

负极：Zn—2e-+2OH-=ZnO+HQ；

正极：2卜1施+2也0+2€=2MnOOH+2OH。

2.二次电池

又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。例如铅蓄电池总反

放电

应：Pb+PbO?+2H2sol羌电2PbS04+2上0

⑴放电时——原电池

2—

①负极反应：Pb+SO—2e-=PbS0，

4l；

2-

-

②正极反应：-P4b-0-2+-4--H-^-+--S-0----+-2-e--=PbS0,1+2H20o

（2）充电时---电解池

2-

①阴极反应：PbS0.,+2e-=Pb+S0；

+

②阳极反应：-P-b-S-0-„-+-2-H-,-0---2-e---=-=-P4b0-2+4H+S0。

3.燃料电池

将燃料燃烧的化学能直接转化为电能的装置。

（1）氢氧燃料电池

总反应：2H2+O2=2H2O；

①酸性介质

负极：艮一2屋=2田；

正极：0?+4e—+4H+=2眠。

②碱性介质

负极：4一2屋+201=2比0；

正极：0?+4e-+2H2。=40『

③熔融的金属氧化物作介质

负极：H2—2e-+02-=H2。；

J

正极：02+4e-==200

④碳酸盐作介质

-

负极：-H-2--2e3-+-C--0---=--H-2O+CO2；

2—

正极：-02-+-4-e--+--2-C-023—-2C0（正极要通入CO?）。

（2）甲烷-氧气燃料电池（正极反应式与氢氧燃料电池正极反应式相同，下面只需写出负极反应

式即可）

2-

①田一8广+100犷=。,+7比0（碱性介质）

②田一8院+2H2OKO2+8H+（酸性介质）

2—

③州一8葭+40）。=50）2+2丛0（碳酸盐作介质）

④CH,-8e-+4（T==C02+2H20（熔融的金属氧化物作介质,高温下能传导0好）

辨易错

⑴二次电池充电时，充电器的正极接二次电池的正极。（J）

提示：充电时的连接方法是“正正负负”。

(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。(J)

提示：原电池中负极发生氧化反应，电解池中阳极发生氧化反应。

(3)Zn具有还原性和导电性，可用作锌锦干电池的负极材料。(J)

提示：易失去电子的还原剂可以作原电池的负极。

⑷碘可用作锂碘电池的材料，该电池反应为2Li(s)+I2(s)=2LiI(s),则碘电极作该电池

的负极。(X)

提示：锂是该电池的负极。

关键能力•进阶

*能力点一：一次电池

1.Li—FeS?电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时

的反应为4Li+FeS2=Fe+2LizS。下列说法正确的是()

LiFeS2

建熔融LiCF3so基

A.Li为电池的正极

B.电池工作时，Li+向负极移动

C.正极的电极反应式为FeS?+4e-=Fe+2s”

D.将熔融的LiCF3sO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好

【解析】选C。根据电池反应式知，放电时Li失电子发生氧化反应，则Li是负极，电极反

应式为Li—=Li，FeS?为正极，正极反应式为FeS2+4e-=Fe+2s2一。通过以上分析知，

Li为电池负极，发生氧化反应，故A错误、C正确；放电时，阳离子Li+向正极移动，故B

错误；将熔融的LiCF3s0,改为LiCl的水溶液，Li和水发生氧化还原反应生成氢气，所以不能

将熔融的LiCF3s改为LiCl的水溶液，故D错误。

+

2.普通锌镒干电池的简图如图所示，该电池工作时的总反应为Zn+2NH+

4

2+

2MnO2=[Zn(NH:i)2]+Mn203+H20o下列关于锌铳干电池的说法中正确的是()

干电池示意图

A.当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原

+

B.电池负极反应式为2MnO2+2NH+2e-=Mn0+2NH3+H0

4232

C.原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极

D.外电路中每通过0.1mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

【解析】选C。普通锌锦干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理,

负极失电子，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1mol电子，消耗锌的质量是

65g,mo]-1X0.I'""=3.25g,D项错误。

教师专用，【技法积累】请总结一下解答一次电池的一般思维过程。

提示：解答一次电池的一般思维过程为:

/能力点二：二次电池

1.二次电池电极反应式的书写方法

(1)标：先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，找出参与负极和正极反应的物质。

(2)写：写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液

共存)

(3)减：在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。

注意：充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，即：

充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反；充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。

2.二次电池充电时的电极连接

—

(-电)

源

(+」

如图,

示意图

。电池

电池

介质

Oz水

Zn—C

新型

一种

明了

年发

家近

)科学

国I卷

20•全

】(20

【典例

决环

，为解