2019届一轮复习全国通用版6-2原电池化学电源学案

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第二节　原电池　化学电源 考纲定位 全国卷 5 年考情 1.理解原电池的构成、工作原理 及应用，能写出电极反应和总 反应方程式。 2．了解常见化学电源的种类及 其工作原理。 2017 年：Ⅲ卷 T11 2016 年：Ⅱ卷 T11；Ⅲ卷 T11 2015 年：Ⅰ卷 T11；Ⅱ卷 T26(1、2) 2014 年：Ⅱ卷 T12 2013 年：Ⅰ卷 T10、T27(5)、T28(5)；Ⅱ卷 T11 考点 1| 原电池及其工作原理 (对应学生用书第 115 页) [考纲知识整合] 1．原电池的概念 把化学能转化为电能的装置，其本质是发生了氧化还原反应。 2．原电池的构成 (1)有两个活动性不同的电极(常见为金属或石墨)。 (2)将电极插入电解质溶液中。 (3)两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。 (4)能自发发生氧化还原反应。 3．工作原理 如图是 Cu­Zn 原电池，请填空： (1)反应原理 电极名称 负极 正极 电极材料 Zn Cu 电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 (2)原电池中的三个方向 ①电子方向：从负极流出沿导线流入正极； ②电流方向：从正极沿导线流向负极； 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。 (3)两种装置的比较 图Ⅰ中 Zn 在 CuSO4 溶液中直接接触 Cu2＋，会有一部分 Zn 与 Cu2＋直接反应， 该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置 的温度会升高。图Ⅱ中 Zn 和 CuSO4 溶液分别在两个池中，Zn 与 Cu2＋不直接 接触，不存在 Zn 与 Cu2＋直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能， 电流稳定，且持续时间长。 (4)盐桥作用 ①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。 4．原电池原理的三个应用 (1)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。 (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)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加快。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。 [应用体验] 　正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)。 (1)在化学反应中，所有自发的放热反应均可以设计成原电池。(　　) (2)原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(　　) (3)Mg­Al 形成的原电池，Mg 一定作负极。(　　) (4)Cu、Al、浓 HNO3 构成的原电池的负极反应为 Al－3e－===Al3＋。(　　) (5)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。(　　) (6)相同情况下，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时 间长。 (　　) (7)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动。 (　　) (8)化学电源工作时，内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。(　　) (9)实验室制备 H2 时，用粗锌(含 Cu、Fe 等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。 (　　) (10)原电池反应时，电子从负极流出经导线流入正极，然后通过溶液流回负极。 (　　) 【答案】　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)√　(9)√　 (10)× [高考命题点突破] 命题点 1　原电池的构成和设计 1．在如图所示的 8 个装置中，不能形成原电池的是____________(填序号)，并 指出原因________________________________________________________ _______________________________________________________________。 【答案】　①③⑤⑧　①中不存在两极；③两极金属相同；⑤中酒精不是电 解质溶液，不导电；⑧中没有构成闭合回路 2．设计原电池装置证明 Fe3＋的氧化性比 Cu2＋强。 (1)负极反应式：_________________________________________________。 (2)正极反应式：_________________________________________________。 (3)电池总反应方程式：___________________________________________。 (4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液： ①不含盐桥 ②含盐桥 【答案】　(1)Cu－2e－===Cu2＋ (2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ (3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ (4)① ② [思维建模]　原电池设计的思维模板 (1)正、负极材料的选择：根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼 性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正 极。 (2)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。 (3)画装置图：注明电极材料与电解质溶液。但应注意盐桥不能画成导线，要形 成闭合回路。 命题点 2　原电池原理 3．(2015·天津高考)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(SO2－4 )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 C　[A．Cu 作正极，电极上发生还原反应，错误；B．电池工作过程中，SO 2－4 不参加电极反应，故甲池的 c(SO2－4 )基本不变；C．电池工作时，甲池反应 为 Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为 Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中 Zn2＋会通过阳 离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中 每有 64 g Cu 析出，则进入乙池的 Zn2＋为 65 g，溶液总质量略有增加，正确； D．由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。] 4．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　) 【导学号：97500107】 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 6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中 Fe 作负极，电极反应式为 Fe－2e－===Fe2＋ D．④中 Cu 作正极，电极反应式为 2H＋＋2e－===H2↑ B　[②中 Mg 不与 NaOH 溶液反应，而 Al 能和 NaOH 溶液反应，失去电子 作负极；③中 Fe 在浓 HNO3 中钝化，Cu 和浓 HNO3 反应，失去电子作负极， 则 Fe 作 正 极 ， A 、 C 错 误 ； ② 中 电 池 总 反 应 式 为 2Al ＋ 2NaOH ＋ 2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为 2Al＋8OH －－6e －===2AlO－2 ＋ 4H2O，二者相减得到正极反应式为 6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B 正确；④ 中 Cu 作正极，电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D 错误。] 5．(2018·厦门模拟)将反应 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 设计成如图所示的原电池。 下列说法不正确的是 (　　) A．盐桥中的 K＋移向 FeCl3 溶液 B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D．电流计读数为零后，在甲中溶入 FeCl2 固体，乙中石墨电极为负极 D　[A 项，甲池中石墨电极为正极，乙池中石墨电极为负极，盐桥中阳离子 向正极移动，所以向 FeCl3 溶液迁移，正确；B 项，反应开始时，乙中 I－失 去电子，发生氧化反应，正确；C 项，当电流计读数为零时，说明没有电子 发生转移，反应达到平衡，正确；D 项，当加入 Fe2＋，导致平衡逆向移动， 则 Fe2＋失去电子生成 Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，错误。] [题后归纳]　原电池的工作原理简图 注：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。 ②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换 膜移向正极。 ③若反应为可逆反应，改变条件，平衡移动方向改变时电流方向也改变，正、负 极颠倒。 命题点 3　原电池原理的应用 6．M、N、P、E 四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P 用导线连接 放入 NaHSO4 溶液中，M 表面有大量气泡逸出；③N、E 用导线连接放入 E 的硫酸盐溶液中，电极反应为 E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则这四种金 属的还原性由强到弱的顺序是 (　　) A．P>M>N>E　　　　　 B．E>N>M>P C．P>N>M>E D．E>P>M>N A　[由①知，金属活动性：M>N；M、P 用导线连接放入 NaHSO4 溶液中，M 表面有大量气泡逸出，说明 M 作原电池的正极，故金属活动性：P>M；N、 E 构成的原电池中，N 作负极，故金属活动性：N>E。] 7．把符合题意的图像填在横线上(用 A、B、C、D 表示) (1)将等质量的两份锌粉 a、b 分别加入过量的稀硫酸，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________。 (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 CuSO 4 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 CH3COOH，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)C 考点 2| 常见化学电源及其工作原理 (对应学生用书第 117 页) [方法思路突破] 1．化学电源中电极反应书写的一般方法思路 (1)明确两极的反应物； (2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物； (3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最 终产物； (4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中 结合 H＋，生成 H2O，在中性或碱性环境结合 H2O，生成 OH－；③若已知总 反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础 上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极 的电极反应式。 2．示例 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 FeO2－4 ＋3e－＋4H2O=== Fe(OH)3＋5OH－，Zn 作负极材料的电极反应式为 Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，该电池总反应的 离子方程式为 2FeO2－4 ＋8H2O＋3Zn===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－。 [电源分类突破] 一次电池 碱性 锌锰 干电 池 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 锌银 电池 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 [对点训练] 1．(2018·兰州模拟)被称为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片(在其一边 镀锌，在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。在纸内的离子“流过”水和氧化 锌组成的电解液。电池总反应为 Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。下列 说法正确的是(　　) A．该电池的正极为锌 B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用 C．当 0.1 mol Zn 完全溶解时，流经电解液的电子个数约为 1.204×1023 D．电池正极反应式为 MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－ D　[A 项，由电池反应知，Zn 元素化合价由 0 变为＋2，Zn 失电子作负极， 错误；B 项，该电池中二氧化锰参加反应且作氧化剂，错误；C 项，电子不 进入电解质溶液，电解质溶液导电是通过离子定向移动形成电流，错误；D 项，正极上二氧化锰得电子发生还原反应，电极反应式为 MnO2＋e －＋ H2O===MnOOH＋OH－，正确。] 二次电池——充电电池 1．铅蓄电池是最常见的二次电池 总反应式为 2．二次电池充电时的电极连接 [典例导航] 　(2016·全国Ⅲ卷)锌­空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液 为 KOH 溶液，反应为 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)2－4 。下列说法正确 的是(　　) A．充电时，电解质溶液中 K＋向阳极移动 B．充电时，电解质溶液中 c(OH－)逐渐减小 C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)2－4 D．放电时，电路中通过 2 mol 电子，消耗氧气 22.4 L(标准状况) [审题指导]　 ①2Zn　＋　O2＋4OH－＋2H2O 放电 充电 2Zn(OH)2－4 　 　　　　　　 负极：2Zn－4e－＋8OH－===2Zn(OH)2－4 　阴极：2Zn(OH)2－4 ＋4e－===2Zn＋ 8OH－ 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－　　　　阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O ②放电时阳离子向正极迁移，阴离子向负极迁移 充电时阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移 ③消耗 1 mol O2 转移 4 mol e－ 【答案】　C (1)充电时，OH－向________极移动。 (2)放电时，负极附近的溶液的 pH 变________(填“大”或“小”)。 (3)充电时，阳极反应式为__________________。 【答案】　(1)阳　(2)小　(3)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O [对点训练] 2．(2018·信阳市一模)某充电宝锂离子电池的总反应为 xLi＋Li 1－xMn2O4 放电 充电 LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为 NiOOH＋MH 放电 充电 M＋Ni(OH)2(M 为 储氢金属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是(　　) A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移 B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋ OH－ C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电 D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4 ＋xLi＋ D　[A 项，锂离子电池放电时阳离子移向正极，所以 Li＋向正极迁移，故 A 正 确 ； B 项 ， 放 电 时 ， 正 极 发 生 还 原 反 应 ， 方 程 式 为 NiOOH ＋ e － ＋ H2O===Ni(OH)2＋OH－，故 B 正确；C 项，题图表示用锂离子电池为放电过 程，而镍氢电池为充电过程，故负极 Li 接 M 极发生 M＋H＋＋e－===MH， 故 C 正确；D 项，锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：Li＋＋e－===Li， 故 D 错误。] 3．已知某镍镉电池的电解质溶液为 KOH 溶液，其充、放电按下式进行： 请回答下列问题： (1)放电时，负极反应式为________________________________________， 正极反应式为__________________________________________________。 (2)充电时，阴极反应式为________________________________________， 阳极反应式为__________________________________________________。 (3)放电时，K＋向________极迁移，负极的溶液 pH 的变化为________。 (4)充电时，镍镉电池的阴极应与外接电源的________极相连。 【答案】　(1)Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2 2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－ (2)Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－ 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O (3)正　减小　(4)负 [题后归纳]　可充电电池的分析方法 (1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充 电 )的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。 (2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应恰与放 电时的正极反应相反，充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。 燃料电池 1．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。 介质 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－ 电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 注：①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2 发生 正极反应。 ②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。 2．燃料电池中的常见燃料有烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金 属(Al、Li 等)，燃料在电池中的负极反应。 3．以 CO 为燃料气，请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式 和总反应式(填入表格中)。 电解质 电极反应式或总反应式 正极 负极①酸性介质 总反应 正极 负极②碱性介质 总反应 正极 负极 ③固体氧化物(其中 O2－ 可以在固体介质中自由移 动) 总反应 正极 负极 ④熔融碳酸盐(CO2－3 ) 总反应 【答案】　①O2＋4e－＋4H＋===2H2O 2CO－4e－＋2H2O===2CO2＋4H＋ 2CO＋O2===2CO2 ②O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 2CO－4e－＋8OH－===2CO2－3 ＋4H2O 2CO＋O2＋4OH－===2CO2－3 ＋2H2O ③O2＋4e－===2O2－ 2CO－4e－＋2O2－===2CO2 2CO＋O2===2CO2 ④O2＋4e－＋2CO2===2CO2－3 2CO－4e－＋2CO2－3 ===4CO2 2CO＋O2===2CO2 [对点训练] 4．如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的 功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是 (　　) 【导学号：97500108】 A．电流由 O2 所在的铂电极流出 B．O2 所在的铂电极处发生还原反应 C．该电池的负极反应式为 CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量 C　[燃料电池，燃料在负极反应，氧气在正极反应。氧气在正极发生还原反 应，电流由正极流向负极，A、B 正确；由图可知负极反应物为 CH3CH2OH(碳 元素的化合价平均显－2)，生成物为 CH3COOH(碳元素的化合价平均显 0)， 由质子交换膜可知溶液呈酸性，负极的电极反应式为 CH3CH2OH－4e －＋ H2O===CH3COOH＋4H＋，C 项错误。] 5．(1)燃料电池是一种高效低污染的新型电池。燃料电池所用燃料可以是氢气， 也可以是其他燃料，如甲烷、肼等。如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答 下列问题： ① 电 池 的 负 极 是 ________( 填 “a” 或 “b”) 电 极 ， 该 极 的 电 极 反 应 式 为 __________________________________。 ②电池工作一段时间后电解质溶液的 pH________(填“增大”“减小”或“不 变”)。 (2)肼分子(H2N—NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水，利用肼、氧气与 KOH 溶液组成碱性燃料电池，请写出该电池的负极反应式：_________， 正极反应式：_________________________________________________， 总反应式：____________________________________________________。 (3)以甲醇(CH3OH)为燃料，空气为氧化剂，以熔融 K2CO3 为电解质环境的燃 料电池，负极反应式为__________________________________________ ______________________________________________________________， 正极反应式为__________________________________________________ _______________________________________________________________。 【解析】　(1)①甲烷失去电子，甲烷在负极通入，因此电池的负极是 a 电极， 该极的电极反应式为 CH4＋10OH－－8e－===CO2－3 ＋7H2O。 ②由于反应后产生 Na2CO3，即电池工作过程中消耗 OH－，因此电池工作一 段时间后电解质溶液的 pH 减小。 (2)肼在负极发生失去电子的氧化反应，该电池负极反应式为 N2H4－4e－＋ 4OH－===4H2O＋N2↑。 (3)甲醇为燃料在负极发生氧化反应，空气中的 O2 在正极上发生还原反应， 但注意电解质中 CO 2－3 的参与。 【答案】　(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO2－3 ＋7H2O　②减小 (2)N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2↑ O2＋4e－＋2H2O===4OH－ N2H4＋O2===N2＋2H2O (3)CH3OH－6e－＋3CO2－3 ===4CO2↑＋2H2O 3 2O2＋6e－＋3CO2===3CO2－3 [方法技巧]　燃料电池电极反应书写技巧 (1)首先写出正极反应式 ①酸性电解质溶液环境下电极反应式： O2＋4H＋＋4e－===2H2O； ②碱性电解质溶液环境下电极反应式： O2＋2H2O＋4e－===4OH－； ③固体氧化物电解质(高温下能传导 O2－)环境下电极反应式： O2＋4e－===2O2－； ④熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电极反应式： O2＋2CO2＋4e－===2CO2－3 。 (2)根据总反应式减去正极反应式确定负极反应式。