第18讲　原电池及其应用

大单元五化学反应与能量变化第18讲原电池及其应用复习目标1.

知道原电池工作原理，能写出常见电池的总反应式和电极反应式。2.

了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的实际意义及应用。3.

认识金属腐蚀的危害，了解电化学腐蚀的原因，能利用原电池知识防止金属腐蚀。熟记网络课前自测1.

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)原电池是化学能转化为电能的装置，其反应是自发的(

)(2)Cu-硫酸-Zn原电池中，电子由Zn出发经溶液移动到Cu(

)(3)右图是锌铜原电池，盐桥中的K＋向Zn电极移动(

)(4)(2019·江苏卷)常温常压下，氢氧燃料电池放电过程中消耗11.2LH2，转移电子的数目约为6.02×1023(

)(5)钢铁水闸可用牺牲阳极法防止其腐蚀(

)√×××√课前自测2.

完成下列填空。(6)(2019·江苏卷)碱性氢氧燃料电池的负极反应式：________________________。(7)碱性电解质中，苯-氧气燃料电池的负极反应式：____________________________________________。(8)(2022·江苏卷)铅酸蓄电池放电时的负极反应式：_______________________。H2－2e－＋2OH－===2H2O壹考点研析考点1原电池工作原理1原电池定义和反应实质原电池是将_________转变为________的装置，其反应实质是自发进行的氧化还原反应。化学能电能2原电池工作原理(以锌铜原电池为例)装置图构成条件①两种不同活性的电极(燃料电池两极都为石墨电极)；②电解质溶液或熔融电解质；③形成闭合回路工作原理1.

电极反应式(图2装置)负极(氧化反应)：________________________；正极(还原反应)：________________________。总反应：___________________________。2.

盐桥(装有琼脂凝胶，内含KCl)作用及离子移向(1)连接内电路形成闭合回路。(2)平衡电荷，盐桥中K＋向___极移动，Cl－向___极移动。(3)减少能量损耗。Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===CuZn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋正负工作原理3.三个流向(1)外电路电子的流向：电子由负极出发经导线流向正极(电子不入水)。(2)溶液中离子的流向(正正负负)：阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移。(3)电流流向：电流由正极出发经导线流向负极，再由负极出发经溶液流向正极，形成闭合回路[及时巩固](1)下列装置能将化学能转化为电能的是___(填序号)。⑤(2)写出装置⑤对应的电极反应式和三个流向。负极：_____________________，正极：_________________________，总反应：Fe＋2H＋===H2↑＋Fe2＋。电子流向：________________________________。电流流向：___________________________________________________________________________________。H＋迁移方向：_________________________。Fe－2e－===Fe2＋2H＋＋2e－===H2↑由Fe电极经外电路流向C电极由C电极出发经导线流向Fe电极，再由Fe电极出发经溶液流向正极，形成闭合回路H＋向C电极(正极)迁移(3)(2024·江苏卷)在AgCl沉淀中埋入铁圈并压实，加入足量0.5mol/L盐酸后静置，充分反应得到Ag。不与铁圈直接接触的AgCl也能转化为Ag的原因是___________________________________________________________________________________________________________________________。形成了以Fe为负极，AgCl为正极，盐酸为电解质溶液的原电池，正极AgCl得到电子，电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，生成Ag25原电池正、负极的判断1.

依据电子流向：电子由负极出发经导线流向正极(溶液中无电子流动)。2.

依据电流流向：电流由正极出发经导线流向负极，正极的电势高，负极的电势低。3.

依据离子迁移方向(正正负负)：阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移。4.

依据两极材料：一般活泼金属作负极，活动性较弱的金属或惰性电极作正极。特例：Al-NaOH溶液-Mg原电池中，虽然Mg比Al活泼，但是Mg不与NaOH溶液反应，故Al作负极，Mg作正极。Fe(Al)-浓硝酸-Cu原电池中，虽然Fe、Al比Cu活泼，但是Fe、Al会在浓硝酸中钝化，故钝化后，Cu作负极，Fe或Al作正极。5.

依据电极现象：一般，电极逐渐溶解的为负极，电极增重或有气体放出的为正极。6.

依据电极反应：失去电子发生氧化反应的一极是负极，得到电子发生还原反应的一极是正极。7.

依据电解质溶液：能与电解质溶液反应的一极作负极，不能与电解质溶液反应的一极作正极。11原电池工作原理A2原电池原理的应用

有a、b、c、d四种金属，当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b；当a、d组成原电池时，a为正极；b与c构成原电池时，电极反应式为c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，则a、b、c、d的金属性由强到弱的顺序为(

)A.a＞b＞c＞d B.a＞b＞d＞cC.d＞c＞a＞b D.d＞a＞b＞cD2【解析】

当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b，则金属性：a>b；当a、d组成原电池时，a为正极，则金属性：d>a；b与c构成原电池时，电极反应式：c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，b失去电子，则金属性：b>c；综上所述，金属性：d＞a＞b＞c，D正确。

(2024·南京二模)为探究铜离子浓度对Cr(Ⅵ)去除率的影响，向1000mL某浓度酸性废水中加入2.0g铁粉，随着Cu2＋浓度由0升高至15mg/L，测得废水中Cr(Ⅵ)的去除率增大，其可能原因为____________________________________________________________。3铁粉置换出铜形成Fe-Cu原电池，增加了c(Fe2＋)，Cr(Ⅵ)去除率增大原电池的应用与设计1.

原电池原理的应用(1)比较金属活动性强弱原电池的两极为两种金属时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼(注意电解质溶液的种类)。(2)加快化学反应速率有原电池的反应比没有原电池的反应速率快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加几滴____________溶液，形成_______________，产生氢气的速率______(填“加快”或“减慢”)。CuSO4铜锌原电池加快(3)用于金属的防护将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。如在轮船船体四周镶嵌锌块，保护船体不受腐蚀。2.

设计化学电源(1)首先将氧化还原反应分成两个半反应。(2)根据原电池反应的特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。(3)如氧化还原反应：2FeCl3＋Fe===3FeCl2可以设计成原电池。1氢氧燃料电池考点2燃料电池H2－2e－===2H＋H2＋2OH－－2e－===2H2OO2＋4e－＋4H＋===2H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－酸性电池中，用H＋平衡电荷，不允许出现OH－。碱性电池中，用OH－平衡电荷，不允许出现H＋。2常见燃料电池电极反应式的书写1.

几种燃料电池分别在酸性、碱性溶液中电极反应式的比较。2.

电解质为熔融碳酸盐或熔融氧化物的电极反应式的书写。(1)CH4熔融碳酸盐燃料电池负极反应式：___________________________________。(2)CH4熔融氧化物燃料电池负极反应式：_________________________________。CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O

一种肼燃料电池的工作原理如图所示，电池工作过程中会有少量N2H4在电极表面发生自分解反应生成NH3、N2、H2逸出。下列说法正确的是(

)A.电池工作时，化学能完全转化为电能B.放电过程中，负极区溶液pH增大C.负极的电极反应式为N2H4－4e－===N2＋4H＋D.电池工作时，负极区消耗的NaOH与正极区生成的NaOH物质的量相等1电解质溶液燃料电池D4【解析】

任何实用电池都不可能将化学能完全转化为电能，A错误；通入N2H4的一极是负极，由图可知，放电时负极反应消耗OH－，pH减小，B错误；负极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O，C错误；总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，反应前后NaOH的物质的量不变，即负极消耗的NaOH与正极生成的NaOH的物质的量相等，D正确。52熔融碳酸盐燃料电池B(2024·海安中学)微生物电池具有高效、清洁、环保等优点。某微生物电池工作原理如图所示。下列说法正确的是(

)A.电极a为该电池的正极B.放电过程中电极a附近溶液pH增大C.电极b的电极反应式为[Fe(CN)6]4－－e－===[Fe(CN)6]3－D.每消耗23gCH3CH2OH，理论上会有6molH＋通过质子交换膜移向电极b2微生物燃料电池D6【解析】

该微生物电池中乙醇转化为CO2，电极a为该电池的负极，A错误；电极a的电极反应式为CH3CH2OH－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋，其附近pH降低，B错误；电极b的电极反应式为[Fe(CN)6]3－＋e－===[Fe(CN)6]4－，C错误；每消耗23gCH3CH2OH(即0.5mol)，根据电极a的电极反应式，产生6molH＋，6molH＋通过质子交换膜移向b极即移向正极，D正确。考点3常见的化学电源常见的化学电源名称装置图电极材料及电极反应式(1)普通锌锰干电池负极材料：Zn；正极材料：MnO2负极反应式：___________________________________正极反应式：____________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)Zn－2e－＋2NH3===[Zn(NH3)2]2＋名称装置图电极材料及电极反应式(2)碱性锌锰干电池负极材料：Zn；正极材料：MnO2负极反应式：____________________________________正极反应式：______________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－名称装置图电极材料及电极反应式(3)纽扣式锌银电池负极材料：______；正极材料：______________负极反应式：______________________________________正极反应式：_____________________________________总反应：Zn＋Ag2O===ZnO＋2AgZnAg2OZn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2OAg2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－PbPbO2

下列装置不属于原电池装置的是(

)71如何判断装置是原电池【解析】D项装置中含有外接电源，属于电解池，D符合题意。D

(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===2MnOOH＋ZnO，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(

)A.电池工作时，MnO2发生氧化反应B.电池工作时，OH－通过隔膜向正极移动C.环境温度过低，不利于电池放电D.反应中每生成1molMnOOH，转移电子数约为2×6.02×1023821常见的化学电池C【解析】

碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)，负极为锌，正极为MnO2。电池工作时，正极MnO2发生还原反应，A错误；原电池工作时，阴离子向负极移动，则OH－通过隔膜向负极移动，B错误；环境温度过低，化学反应速率较慢，不利于电池放电，C正确；反应中锰元素的化合价由＋4降低到＋3，则每生成1molMnO(OH)，转移电子数约为6.02×1023，D错误。9D

(2023·淮安期末)我国成功研制出新型“海水电池”。电池反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3。下列关于该电池的说法正确的是(

)A.铝片作正极B.海水作为电解质溶液C.电池工作时O2失去电子D.电池工作时实现了电能向化学能的转化1031新型海水电池【解析】

由电池反应知，Al元素的化合价升高，发生氧化反应，铝片作负极，A错误；海水作为电解质溶液，B正确；电池工作时，O2得到电子，C错误；电池工作时实现了化学能向电能的转化，D错误。B海水淡化装置分析微生物脱盐池是在微生物燃料电池的基础上发展而来的新兴生物电化学系统，示意图如下，判断隔膜1、2分别是什么类型的离子交换膜。考点4金属的腐蚀金属腐蚀钢铁的腐蚀主要是吸氧腐蚀。1.

析氢腐蚀图1钢铁的析氢腐蚀示意图条件：溶液呈酸性负极反应式：_________________________________正极反应式：________________________________________Fe－2e－===Fe2＋2H＋＋2e－===H2↑2.

吸氧腐蚀

图2钢铁的吸氧腐蚀示意图条件：中性或弱酸性负极反应式：______________________________正极反应式：____________________________电池反应：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2Fe(OH)2进一步被O2氧化：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)32Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2OFe－2e－===Fe2＋O2＋4e－＋2H2O===4OH－11C【解析】

中性环境中，Fe发生吸氧腐蚀，A错误；钢铁制品在潮湿空气中发生电化学腐蚀，负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，B错误；该原电池装置中，Fe作正极被保护，从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6]溶液，没有特征蓝色沉淀生成，该方案能用于探究金属的电化学保护法，C正确；Zn比Fe活泼，Zn作负极，铁钉被保护，未发生吸氧腐蚀，该方案不能用于探究铁钉的吸氧腐蚀，D错误。贰质量评价1.

一种锌-空气电池工作原理如图所示，放电时Zn转化为ZnO。下列说法正确的是(

)A.空气中的氧气在石墨电极上发生氧化反应B.该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2OC.该电池放电时，溶液中的OH－向石墨电极移动D.该电池工作一段时间后，溶液pH明显增大B【解析】

空气中的O2在石墨电极上发生还原反应，A错误；石墨电极是正极，移向正极的离子是阳离子，故该电池放电时溶液中的OH－向Zn电极移动，C错误；电池总反应式为2Zn＋O2===2ZnO，故该电池工作一段时间后，溶液pH变化不大，D错误。2.(2023·连云港)下列有关金属的保护方法的说法正确的是(

)A.常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用B.白铁(镀锌铁)镀层破损后，铁皮的腐蚀仍很慢C.轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阴极法D.钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，利用的是钢铁的电化学保护法【解析】

搪瓷层破损后，Fe直接暴露在空气中，容易发生电化学腐蚀，搪瓷层破损后不能再起到防止生锈的作用，A错误；镀锌层破坏后，Zn作原电池的负极，失电子，Fe作正极，Zn继续保护Fe，B正确；轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阳极法，C错误；钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，在金属表面覆盖保护层，不属于电化学保护法，D错误。B3.(1)(2024·无锡锡东高级中学)如右图所示装置___(填“能”或“不能”)用于验证铁钉的吸氧腐蚀。(2)(2024·苏锡常镇5月)用氨气研发燃料电池反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O，使用1mol/LKOH溶液作电解质溶液，请写出通入NH3气体一极的电极反应式：_______________________________________________________。【解析】(1)铁钉在食盐水中发生吸氧腐蚀时会消耗氧气，会使试管内的气体压强减小，则通过压强传感器测定试管内的压强可以验证铁钉的吸氧腐蚀。能2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O叁练习1原电池原理化学电源1.(2024·江苏各地模拟)下列说法错误的是(

)A.甲醇和氧气在酸性条件下可构成燃料电池，该电池工作时甲醇在负极被氧化B.“天目一号”气象星座卫星的光伏发电系统工作时可将化学能转化为电能C.“AG60E”电动飞机使用的动力型锂电池具有质量轻、比能量高的特点D.碱性氢氧燃料电池正极反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－【解析】

光伏发电系统工作时可将光能转化为电能，B错误。B【解析】

锂-空气电池充电时阳极发生氧化反应，电极反应式为Li2O2－2e－===2Li＋＋O2↑，A错误；由化合价变化可知，该原电池中N2H4·H2O在负极失去电子发生氧化反应生成氮气，故N2是负极产物B错误；铅锑合金具有导电性，且能参与电极反应从而用作电极材料，与其导热性好无关，C错误；O2具有氧化性，可作为燃料电池的氧化剂，D正确。DD4.(2023·扬州广陵红桥中学)锌-空气电池可用作电动车的动力电源，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(

)A.该装置将电能转变为化学能B.石墨为负极C.电子经外电路由Zn流向石墨D.氧气在石墨电极上发生氧化反应【解析】

该装置是原电池装置，可将化学能转化为电能，A错误；空气中的O2在石墨电极上得电子发生还原反应，故石墨为正极，B、D错误；电子经过导线由负极(Zn)流向正极(石墨)，C正确。C5.(2023·南通联考)微生物电池的总反应：C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(

)A.放电时正极产生CO2B.微生物所在电极区放电时发生氧化反应C.电池工作时，质子移向O2所在电极D.O2所在电极区发生的反应：O2＋4H＋＋4e-===2H2O【解析】

通入O2的一极是正极，放电时，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，正极产生H2O，A错误，D正确；微生物所在电极区为负极，发生氧化反应，B正确；质子通过质子交换膜从负极区移向正极(O2所在电极)区，C正确。A6.(2023·南通阶段考试)为了便于酒驾测试，生产了一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，电池总反应为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O。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0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C.负极上发生的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋D.正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

C【解析】

检测时，电解质溶液中的H＋(阳离子)向正极移动，A错误；由关系式：O2～4e－知，若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗2.24L(即0.1mol)O2，B错误；CH3CH2OH在负极失电子转化为CH3COOH，C正确；电解质溶液显酸性，产物中不能出现OH－，D错误。7.(2023·连云港期中)下列有关金属的保护方法的说法正确的是(

)A.常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用B.白铁(镀锌铁)镀层破损后，铁皮的腐蚀仍很慢C.轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阴极法D.钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，利用的是钢铁的电化学保护法【解析】

搪瓷层破损后，Fe直接暴露在空气中，容易发生电化学腐蚀，搪瓷层破损后不能再起到防止生锈的作用，A错误；镀锌层破坏后，Zn作原电池的负极，失电子，Fe作正极，Zn继续保护Fe，B正确；轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阳极法，C错误；钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，在金属表面覆盖保护层，不属于电化学保护法，D错误。B8.

物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池称为浓差电池。如图是由Ag电极和硝酸银溶液组成的电池(c1<c2)，工作时，A极的质量不断减轻。下列说法正确的是(N—14，O—16，Ag—108)(

)A.Ag＋由交换膜右侧向左侧迁移B.B极为正极，发生氧化反应C.若外电路通过0.1mol电子，则右侧溶液减轻6.2gD.原电池的总反应不一定是氧化还原反应D【解析】A极的质量不断减轻，则A极为负极，B极为正极，由于装置中所用的隔膜为阴离子交换膜，则只允许阴离子通过，故NO由交换膜右侧向左侧迁移，A错误；A极为负极，发生氧化反应，B极为正极，发生还原反应，B错误；若外电路通过0.1mol电子，则右侧溶液中有0.1molNO向左侧迁移，0.1molAg＋得到电子生成Ag，故右侧溶液减少0.1molAgNO3，即减轻17.0g，C错误。D10.(2020·江苏卷)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是(

)A.阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋B.金属M的活动性比Fe的活动性弱C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快C【解析】

阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护，不失电子，A错误；阳极金属M实际为原电池装置的负极，一般，原电池中负极金属比正极活泼，故金属M的活动性比Fe的活动性强，B错误；金属M失电子，电子经导线流入钢铁设施，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子，从而被保护，C正确；海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，故钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，D错误。B12.(2023·淮安马坝中学)(1)有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图所示，电池正极的电极反应式是___________________________，A是_________(填名称)。氯化铵(2)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如图所示。该电池中O2－可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动，工作时O2－的移动方向_______(填“从a到b”或“从b到a”)，负极发生的电极反应为________________________。从b到aCO＋O2－－2e－===CO213.(2023·扬州中学)(1)普通锌锰干电池放电时的主要反应为Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，其结构如图所示。NH4ClMnO2正极(2)表面积相同的废锌皮(杂质不与硫酸反应)和纯锌片分别与同浓度的稀硫酸反应，产生氢气速率较快的是_________，原因是_________________________________________________。若用过量的纯锌片与一定量的稀硫酸反应，为了加快反应速率又不影响产生氢气的量，下列措施可行的是______(填字母)。A.微热B.加入适量氧化铜C.加入少量硫酸铜溶液废锌皮废锌皮在稀硫酸中可构成原电池，

产生H2速率较快AC肆练习2原电池综合1.(2023·常州一中)纳米零价铁除去酸性废水中的三氯乙烯、五价砷的原理如图所示。下列说法正确的是(

)A.该处理过程中将电能转化为化学能B.该处理过程中纳米零价铁中的Fe为正极C.每生成11.2L乙烷，转移0.4mol电子D.酸性废水中的五价砷除去过程中，As和S都被Fe2＋还原了D2.(2023·镇江期中)国内某高校化学研究团队利用微生物电池除去废水中的CH3COO－，该电池装置如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(

)A.该电池能在高温下工作B.不锈钢是电池的负极C.石墨电极发生的电极反应：CH3COO－＋8e－＋7OH－===2CO2↑＋5H2OD.电池工作时，H＋透过质子交换膜向不锈钢电极迁移D【解析】

高温下，微生物容易失去活性，该电池不能在高温下工作，A错误；由[Fe(CN)6]3－―→[Fe(CN)6]4－知，不锈钢电极上得电子发生还原反应，故不锈钢是电