2020届高考化学一轮复习原电池　化学电源学案(1)

2020届高考化学一轮复习原电池　化学电源学案(1)

第2讲　原电池　化学电源 ‎【2020·备考】‎ 最新考纲：1.理解原电池的构成、工作原理及应用。2.能书写电极反应和总反应方程式。3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。‎ 核心素养：1.变化观念与平衡思想：认识原电池的本质是氧化还原反应，能从多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转化。2.科学精神与社会责任：通过原电池装置的应用，能对与化学有关的热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践。 ‎ 考点一　原电池的工作原理及其应用 ‎（频数：★★☆　难度：★☆☆）‎ 名师课堂导语 电化学是化学能与热能知识的延伸，是氧化还原反应知识的应用，是高考热点，对于本考点的主要考查知识点有：（1）电池的正负极的判断；（2）原电池的原理应用；（3）电极方程式的书写，特别是电极方程式的书写是高考重点，应给予关注。‎ ‎1.原电池的工作原理 ‎（1）概念和反应本质 原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。‎ ‎（2）原电池的构成条件 一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生（一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应）。‎ 二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。‎ 三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液中。‎ ‎（3）工作原理 装置图 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 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 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 方程式 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu ‎（4）原电池中移动方向及闭合回路形成原理图示 ‎1.原电池仍然体现的是反应过程中的能量守恒，是化学能与热能的知识延伸，是化学能与电能的转化。‎ ‎2.原电池反应必须是氧化还原反应，但自行发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与溶解的氧气等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。‎ ‎2.原电池原理的应用 ‎（1）加快氧化还原反应的速率 一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大 ‎。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。‎ ‎（2）比较金属活动性强弱 两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。‎ ‎（3）设计制作化学电源 ‎①首先将氧化还原反应分成两个半反应。‎ ‎②根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。‎ ‎1.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H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，锌足量时，不影响产生H2的物质的量，但稀H2SO4足量时，产生H2的物质的量要减少。‎ ‎2.把一个氧化还原反应拆写成两个电极反应时，首先要写成离子反应，要注意通过电荷守恒与原子守恒把H＋、OH－、H2O分解到两个电极反应中。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.（易混点排查）正确的打“√”，错误的打“×”‎ ‎（1）在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极（√）‎ ‎（2）在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强（×）‎ ‎（3）在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应（×）‎ ‎（4）在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生（×）‎ ‎ （5）两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定作负极（×）‎ ‎2.（教材改编题）下列装置不能形成原电池的是（　　）‎ 解析　A、B、D项都具有①活泼性不同的电极；②电解质溶液；③闭合回路；④自发进行的氧化还原反应，均能构成原电池；C项中酒精为非电解质，不能构成原电池。‎ 答案　C ‎3.（动手能力培养）某学校研究性学习小组欲以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。给你一只电流表，请你画出该原电池的示意图，并标出正负极，写出电极反应式。‎ 答案　如图所示 负极　Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O 正极　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.（2019·聊城三中月考）课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是（　　）‎ A.原电池是将化学能转化成电能的装置 B.原电池由电极、电解质溶液和导线等组成 C.图中电极a为铝条、电极b为锌片时，导线中会通过电流 D.图中电极a为锌片、电极b为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片 解析　D项，电极a为负极，电子由负极（锌片）流出。‎ 答案　D ‎2.（2018·合肥质检）用a、b、c、d四种金属按表中所示的装置进行实验，下列叙述中正确的是（　　）‎ 甲 乙 丙 实验 装置 现象 a不断溶解 c的质量增加 a上有气泡产生 A.装置甲中的b金属是原电池的负极 B.装置乙中的c金属是原电池的阳极 C.装置丙中的d金属是原电池的正极 D.四种金属的活泼性顺序：d>a>b>c 解析　甲中a溶解说明a是负极，活泼性a>b，A错误；原电池一般用正极或负极命名电极，B错误，由乙中现象知活泼性b>c；丙中d是负极，活泼性d>a，C错误；综上可知D正确。‎ 答案　D ‎3.（2019·潍坊上学期统考，12）根据光合作用原理，设计如图原电池装置。下列说法正确的是（　　）‎ A.a电极为原电池的正极 B.外电路电流方向是a→b C.b电极的电极反应式为：O2＋2e－＋2H＋===H2O2‎ D.a电极上每生成1 mol O2，通过质子交换膜的H＋为2 mol 解析　根据图示可知，a电极上H2O转化为H＋和O2，发生氧化反应，则a电极为原电池的负极，A项错误；a电极为负极，b电极为正极，外电路电流方向应从正极到负极，即b→a，B项错误；根据图示可知，b电极上O2得电子转化为H2O2，电极反应式为：O2＋2e－＋2H＋===H2O2，C项正确；a电极上每生成1 mol O2，转移4 mol电子，则通过质子交换膜的H＋为4 mol，D项错误。‎ 答案　C ‎【方法技巧】‎ 判断原电池正、负极的5种方法 ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.（2017·上海化学）对原电池的电极名称，下列叙述中错误的是（　　）‎ A.电子流入的一极为正极　‎ B.比较不活泼的一极为正极 C.电子流出的一极为负极 D.发生氧化反应的一极为正极 解析　在原电池中正极为电子流入、性质不活泼、发生还原反应的一极，负极为电子流出、性质较活泼、发生氧化反应的一极，故D错误。‎ 答案　D ‎5.（天津理综）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（SO）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 解析　A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c（SO）不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋＋2e－===Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M（Zn2＋）>M（Cu2＋），故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电池工作过程中Zn2＋通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。‎ 答案　C ‎6.（新课标全国Ⅰ）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2Al＋3Ag2S===6Ag＋Al2S3‎ D.黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl 解析　本题要注意运用“电化学原理”这个关键词，由题干信息中Ag、Al、食盐溶液构成原电池的条件，Ag2S 是氧化剂，作正极，发生还原反应，B项正确。C项忽视了Al2S3在水溶液中发生完全的双水解反应，正确的方程式应为2Al＋3Ag2S＋6H2O===6Ag＋2Al（OH）3↓＋3H2S↑。D项中黑色褪去的原因是Ag2S被还原成了Ag。‎ 答案　B 考点二　化学电源 ‎（频数：★★★　难度：★★★）‎ 名师课堂导语 化学电源知识是电化学中的难点，是我们高考热点题型新型化学电源的知识源头，特别是燃料电池与充电电池更是重中之重，要熟练掌握介质对半反应的影响及充电电池四个电极的关系。‎ ‎1.一次电池 ‎（1）碱性锌锰干电池（图一）‎ 负极材料：Zn 电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2‎ 正极材料：碳棒 电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－‎ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2‎ ‎（2）锌银电池（图二）‎ 负极材料：Zn 电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2‎ 正极材料：Ag2O 电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－‎ 总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag ‎2.二次电池 铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为 Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）2PbSO4（s）＋2H2O（l）‎ 可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极的连接应符合：‎ 电池的负极与外加电源的负极相连作电解池的阴极；电池的正极与外加电源的正极相连作电解池的阳极。如下图（板书）‎ ‎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：‎ 种类 酸性 碱性 负极反应式 ‎2H2－4e－===4H＋‎ ‎2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极反应式 O2＋4H＋＋4e－==2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ 电池反应式 ‎2H2＋O2===2H2O ‎1.在书写燃料电池的电极反应时，要注意溶液的酸碱性，介质的酸碱性对半反应及总反应书写的影响。‎ ‎2.书写电极反应时应注意：“－ne－”相当正电荷，“＋ne－”相当负电荷，依据电荷守恒配平其他物质的系数。‎ ‎3.根据移动方向， 阳离子趋向正极，在正极上参与反应，在负极上生成（如H ‎＋）；阴离子趋向负极，在负极上参与反应，在正极上生成（如OH－、O2－、CO）。‎ ‎[速查速测]‎ ‎1.（教材基础知识填空）（1）氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将　　　　（填“减小”、“增大”或“不变”，下同），溶液的pH　　　　。‎ ‎（2）氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将　　　　（填“减小”、“增大”或“不变”，下同），溶液的pH　　　　。‎ 答案　（1）减小　减小　（2）减小　增大 ‎2.（课后习题改编）某蓄电池反应式为Fe＋Ni2O3＋3H2OFe（OH）2＋2Ni（OH）2。下列推断中正确的是（　　）‎ ‎①放电时，Fe为正极，Ni2O3为负极 ‎②充电时，阴极上的电极反应式是Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－‎ ‎③充电时，Ni（OH）2为阳极 ‎④蓄电池的电极必须是浸在某碱性溶液中 ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A.①②③ B.①②④‎ C.①③④ D.②③④‎ 答案　D ‎3.（思维探究题）微型燃料电池是采用甲醇（质子交换膜）取代氢作燃料设计而成的，性能良好，有望取代传统电池，说出此微型燃料电池的优点，并写出电池的负极反应。__________________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________________________‎ 答案　优点：①电池设计简单；‎ ‎②和传统充电电池比电池的能量密度高。‎ 负极反应：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋‎ ‎[A组　基础知识巩固]‎ ‎1.下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是（　　）‎ 干电池示意图　　　铅蓄电池示意图　氢氧燃料电池示意图 A.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池 B.干电池在长时间使用后，锌筒被破坏 C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D.铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 g 解析　干电池是一次电池，铅蓄电池是可充电电池，属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，故A正确；在干电池中，Zn作负极，被氧化，故B正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，故C正确；铅蓄电池工作过程中，硫酸铅是在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，故D错误。‎ 答案　D ‎2.（2019·烟台模拟）铅蓄电池的工作原理为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，研读下图，下列判断正确的是（　　）‎ A.K闭合时，d电极的电极反应式：PbSO4＋2e－===Pb＋SO B.当电路中通过0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2 mol C.K闭合时，Ⅱ中SO向c电极迁移 D.K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为负极 解析　根据图示，K闭合时，Ⅰ为原电池，a为正极，b为负极，Ⅱ为电解池，c为阴极，d为阳极。d为阳极，发生氧化反应：PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO，A项错误；根据铅蓄电池的总反应知，电路中转移0.2 mol电子时，Ⅰ中消耗0.2 mol H2SO4，B项正确；K闭合时，Ⅱ中SO向阳极（d极）迁移，C项错误；K闭合一段时间后，c电极析出Pb，d电极析出PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，此时可以形成铅蓄电池，d电极作正极，D项错误。‎ 答案　B ‎3.（传统锌锰干电池的改进）（2018·北京大联盟联考）由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池，以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质，铝和二氧化锰—石墨为两极，其电池反应为Al＋3MnO2＋3H2O===3MnO（OH）＋Al（OH）3。下列有关该电池放电时的说法不正确的是（　　）‎ A.二氧化锰—石墨为电池正极 B.负极反应式为Al－3e－＋3NH3·H2O===Al（OH）3＋3NH C.OH－不断由负极向正极移动 D.每生成1 mol MnO（OH）转移1 mol电子 解析　由电池反应方程式知，铝为电池负极，铝失去电子转化为Al（OH）3，A、B正确；阴离子移向负极，C错误；由反应中锰元素价态变化知D正确。‎ 答案　C ‎【归纳反思】‎ 书写电极反应式时的三个原则 ‎1.共存原则：因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H＋参加反应；当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH－参加反应。‎ ‎2.得氧失氧原则：得氧时，在反应物中加H2O（电解质为酸性时）或OH－（电解质为碱性或中性时）；失氧时，在反应物中加H2O（电解质为碱性或中性时）或H＋（电解质为酸性时）。‎ ‎3.中性吸氧反应成碱原则：在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。‎ ‎[B组　考试能力过关]‎ ‎4.（2015·课标全国Ⅰ，11）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，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.正极反应中有CO2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O 解析　由题意可知，微生物电池的原理是在微生物的作用下，O2与C6H12O6发生氧化还原反应，将化学能转化为电能，B项正确；氧气在正极反应，由于质子交换膜只允许H＋通过，则正极反应为：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，没有CO2生成，A项错误；负极发生反应：C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，H＋在负极区生成，移向正极区，在正极被消耗，C项正确；总反应为：C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，D项正确。‎ 答案　A ‎5.（2018·课标全国Ⅱ，12）我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳钠米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是（　　）‎ A.放电时，ClO向负极移动 B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2‎ C.放电时，正极反应为：3CO2＋4e－===2CO＋C D.充电时，正极反应为：Na＋＋e－===Na 解析　电池放电时，ClO向负极移动，A项正确；结合总反应可知放电时需吸收CO2，而充电时释放出CO2，B项正确；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应式为3CO2＋4e－===2CO＋C，C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。‎ 答案　D ‎6.（2015·全国卷Ⅱ，26节选）酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。‎ 该电池的正极反应式为______________________________________________，‎ 电池反应的离子方程式为______________________________________________。‎ 维持电流强度为0.5 A，电池工作5分钟，理论上消耗锌　　　　g。（已知F＝‎ ‎96 500 C·mol－1）‎ 解析　酸性锌锰干电池中正极上发生还原反应，该电池放电过程中产生MnOOH，则正极反应式为MnO2＋H＋＋e－===MnOOH。金属锌作负极，发生氧化反应生成Zn2＋，则负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，结合得失电子守恒可得电池反应式为2MnO2＋2H＋＋Zn===2MnOOH＋Zn2＋。电流强度为I＝0.5 A，时间为t＝5 min＝300 s，则通过电极的电量为Q＝It＝0.5 A×300 s＝150 C，又知F＝96 500 C·mol－1，故通过电子的物质的量为≈0.001 6 mol，则理论上消耗Zn的质量为65 g·mol－1×0.001 6 mol×1/2≈0.05 g。‎ 答案　MnO2＋H＋＋e－===MnOOH　2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋　0.05‎