2018届高考一轮复习人教版第2节原电池化学电源含解析学案

2018届高考一轮复习人教版第2节原电池化学电源含解析学案

一、原电池的工作原理 ‎【知识梳理】‎ ‎1．原电池工作原理示意图：将化学能转化为电能的装置称为原电池。‎ ‎（1）铜一锌原电池原理：在ZnSO4溶液中，锌片失去电子而逐渐溶解，形成Zn2＋进入溶液，电子经导线流向铜片，溶液中的Cu2＋得电子被还原成Cu。这一变化可以表示如下：锌片：Zn －2e - = Zn2+ (氧化反应)，铜片：2H++2e - = H2↑(还原反应)。‎ ‎（2）盐桥构成电池通路的原理：Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，带正电荷；Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，SO42-过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在，其中Cl-向ZnSO4 溶液 迁移，K+向CuSO4 溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既构成了闭合回路，又能阻止反应物的直接接触。‎ ‎2．原电池电极的确定：原电池电极材料的几种情况：活性不同的两种金属材料电极，如铜锌原电池中的铜—锌；金属与非金属材料电极，如锌锰干电池中的锌—炭⑶金属与化合物材料电极，如铅蓄电池中的铅—氧化铅；惰性电极材料电极，如氢氧燃料电池中的石墨或金属铂。‎ ‎（1）根据电极材料确定：对于金属、金属电极，通常较活泼的金属是负极，较不活泼的金属是正极，如原电池：Zn—Cu—CuSO4中，Zn作负极，Cu作正极，Al—Mg——KOH中，Al作负极，Mg作正极；对于金属、非金属电极，金属作负极，非金属作正极；对于金属、化合物电极，金属作负极，化合物作正极。‎ ‎（2）根据电极反应确定：原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。‎ ‎（3）根据电极现象确定：若不电极断溶解或质量不断减少，该电极发生氧化反应，通常为原电池的负极，若原电池电极上有气体生成、电极质量不断增加或电极质量不变，该电极发生还原反应，通常为原电池的正极。‎ ‎（4）根据移动方向判断：‎ 电子流动方向是由负极流向正极,电子流出的一极为负极，流入的一极为正极；电流是由正极流向负极，电流流出的一极为正极，流入的一极为负极；在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向是负极。‎ ‎3. 、电极反应式的书写步骤 ‎（1）书写步骤：‎ ‎（2）实例分析：‎ 酸性CH3OH燃料电池 化学反应 CH3OH＋2O2―→CO2＋2H2O 步骤1确定得失电子数目 负极为CH3OH－6e－―→‎ 正极为O2＋4e－―→‎ 步骤2确定对应产物 负极为CH3OH－6e－―→CO2‎ 正极为O2＋4e－―→4H2O 步骤3配平电极反应式 负极为CH3OH－6e－+H2O===CO2↑＋6H+‎ 正极为O2＋4e－＋4H+===2H2O 步骤4验证 负极×2＋正极×3即得电池总反应式 温馨提示：‎ ‎①在原电池装置中，电子由负极经导线流向正极，阳离子在正极上获得电子，通过电路中的电子和溶液中的离子的移动而形成回路，传导电流，电子并不进入溶液也不能在溶液中迁移。‎ ‎②原电池将一个完整的氧化还原反应分为两个半反应，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，一般将两个电极反应中得失电子的数目写为相同，相加便得到总反应方程式。‎ ‎③阴离子要移向负极，阳离子要移向正极。这是因为负极失电子，生成大量阳离子积聚在负极附近，致使该极附近有大量正电荷，所以溶液中的阴离子要移向负极；正极得电子，该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷，所以溶液中的阳离子要移向正极。‎ ‎④不参与电极反应的离子从微观上讲发生移动，但从宏观上讲其在溶液中各区域的浓度基本不变。‎ ‎【典例分析】下列说法正确的是 。‎ ‎①电池工作时，负极失去的电子均通过溶液转移到正极上 ‎②在原电池中失去电子的一极是阴极，发生的是还原反应 ‎③原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 ‎④铝比铁活泼，但铝制品比铁制品在空气中耐腐蚀 ‎⑤将铝片和镁片用导线连接后，插入盛有NaOH溶液，铝作负极 ‎⑥电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极 ‎⑦铅蓄电池在放电过程中，负极质量减小，正极质量增加 ‎⑧锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细 ‎⑨氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能 答案 解析 ‎④⑤‎ ‎①解析：电子是通过导线转移到正极的，①错误；失去电子的一极是负极，发生氧化反应，②错误；原电池的两极可以是两种不同的金属，也可以是金属和非金属、非金属和非金属，还可以都是金属铂但必须导电，③错误；铝制品表面易形成致密的氧化膜，隔绝了铝与空气的接触，故铝制品比铁制品在空气中耐腐蚀，④正确；由于镁与NaOH溶液不反应而铝能，铝片作负极，⑤正确；电池工作时，电子通过外电路从负极流向正极，⑥错误；铅蓄电池在放电过程中，负极反应为Pb+SO42-－2e-=PbSO4，其质量在增加，⑦错误；Zn－Mn干电池作负极的是Zn，石墨作电池的正极，只起导电的作用，被腐蚀的是Zn，⑧错误；氢氧燃料电池是把化学能直接转化为电能，而不是把热能直接转化为电能，⑨错误 ‎【指点迷津】原电池基础知识的易错点：‎ ‎(1)负极本身不一定都参加反应，如燃料电池中，作为负极的材料本身并不参加反应。‎ ‎(2)忽视电极材料与电解质溶液的反应关系，容易误写电极反应式，如Al负极，在酸性溶液中生成Al3＋，在碱性溶液中生成AlO。‎ ‎(3)电子从负极经外电路流向正极，但电子不能通过电解液，是通过阴阳离子的移动形成闭合回路。‎ ‎(4)用总电池反应式减去一极的电极反应式时，须在两式电子转移数相等的前提下进行。‎ ‎【达标练习】‎ ‎1. Mg—AgCl电池是一种用海水激活的一次电池，在军事上用作电动鱼雷的电源．电池的总反应可表示为：Mg+2AgCl═MgCl2+2Ag下列关于该电池的说法错误的是（ 　）‎ A．该电池工作时，正极反应为：2AgCl+2e-═‎2C1-+2Ag ‎ B．该电池的负极材料可以用金属铝代替 ‎ C．有‎24g　Mg被氧化时，可还原得到108gAg ‎ D．装备该电池的鱼雷在水中行进时，海水作为电解质溶液 ‎2. 有关下左图所示原电池的叙述不正确的是（ ）‎ A．电子沿导线由Cu片流向Ag片 ‎ B．正极的电极反应是Ag＋＋e－＝Ag [学 C．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应 D．反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液 ‎3. 某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2O72->Fe3+，设计了盐桥式的原电池，见下图。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是( )‎ A．甲烧杯的溶液中发生还原反应 B．乙烧杯中发生的电极反应为：2Cr3++7H2O - 6e- = Cr2O72-+14H+‎ C．外电路的电流方向是从b到a D．电池工作时，盐桥中的SO42- 移向乙烧杯 题号 答案 解析 ‎1‎ C A、电池的正极发生还原反应，根据所给的方程式，可知AgCl在正极发生还原反应，生成Ag和氯离子，正确；B、该反应的实质是金属的置换反应，Al比Ag活泼，也能置换出Ag，所以可用Al代替Mg，正确；C、24gMg的物质的量是1mol，失去2mol电子，则还原Ag的物质的量是2mol，质量是‎216g，错误；D、因为该电池能被海水激活，所以可用海水作电解质溶液，正确 ‎2‎ D A、该装置是原电池装置，发生的反应实质是Cu与硝酸银的反应，所以Cu失去电子，发生氧化反应，则Cu是负极，Ag是正极，电子从负极流向正极，正确；B、正极是银离子发生还原反应，得到电子生成Ag，正确；C、根据以上分析，Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应，正确；D、原电池中，阳离子向正极移动，所以盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液，错误 ‎3‎ C A、因为氧化性：Cr2O72->Fe3+，所以该原电池反应是Cr2O72-氧化亚铁离子为铁离子，所以甲烧杯发生氧化反应，错误；B、乙烧杯发生还原反应，电极反应为： Cr2O72-+6e-+14H+= 2Cr3++7H2O，错误；C、根据以上分析，a是负极，b是正极，则电流方向是从正极向负极流动，正确；D、原电池中的阴离子向负极移动，所以硫酸根离子向甲烧杯移动，错误 二、原电池原理的应用 ‎【知识梳理】‎ ‎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与稀硫酸反应时加入少量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，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。‎ ‎3.用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。‎ ‎4.设计制作化学电源：‎ ‎（1）首先将已知的氧化还原反应拆分成为两个半反应；‎ ‎（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液；‎ ‎（3）电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应；‎ ‎（4）电解质溶液一般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(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜－锌构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的电解质溶液中。‎ ‎（5）按要求画出原电池装置图。‎ 反应原理 实验装置 化学反应 ‎2FeCl3＋Fe=3FeCl2‎ 电极反应 负极（Fe）：Fe－2e－=Fe2＋‎ 正极（C或Cu）：Fe－2e－=Fe2＋‎ ‎【典例分析】某科研单位利用电化学原理用SO2来制备硫酸，装置如下图（含有某种催化剂），电极为多孔的材料，能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触。‎ ‎(1)通入SO2的电极为_____极，其电极反应式为______________________，此电极区pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。‎ ‎(2)电解质溶液中的H＋通过质子膜________(填“向左”“向右”或“不”)移动，通入氧气的电极反应式为________________________________。‎ ‎(3)电池总反应式为____________________。‎ 答案 解析 ‎(1)负　SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋，减小 ‎(2)向右，O2＋4e－＋4H＋‎ ‎===2H2O ‎(3)2SO2＋2H2O＋O2===2H2SO4‎ ‎(1)SO2制备硫酸，SO2被氧化，为负极反应物，S的化合价升高2，即SO2－2e－―→SO，溶液显酸性，用H2O、H＋配平得SO2－2e－＋H2O===SO＋4H＋，依据电极反应式可知负极区酸性增强；(2)阳离子向正极区移动，O2得4个电子，溶液显酸性，用H2O、H＋配平得O2＋4e－＋4H＋===2H2O；(3)电池总反应式为2SO2＋2H2O＋O2===2H2SO4‎ ‎【指点迷津】设计原电池装置的易错点:‎ ‎(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。‎ ‎【达标练习】‎ ‎4. 将反应 设计成如下图所示的原电池。开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸，电流计指针发生偏转，一段时间后，电流计指针回到零，再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液，电流计指针再次发生偏转。下列判断不正确的是 ‎ A．开始加入少量浓硫酸时，乙中石墨电极上发生氧化反应 ‎ B．开始加入少量浓硫酸时，同时在甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液，只有乙烧杯中溶液变蓝 ‎ C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 ‎ D．两次电流计指针偏转方向相反 ‎5. 右下图所示原电池的总反应为Cu(s)+2Ag+(aq) Cu2+(aq)+2Ag(s)，(盐桥中含有饱和KNO3溶液)下列叙述正确的是( ) ‎ A．电子从银电极经导线流向铜电极 B．工作一段时间后，右烧杯中溶液的pH变小 C．电池工作时，K+向铜电极移动 D．将AgNO3溶液更换为Fe(NO3)3溶液，电流计指针反向偏转 ‎6. 利用如图所示原电池可测量空气中Cl2含量，其中电解质是Ag+可以自由移动的固体物质。下列分析不正确的是（ ）‎ A．电子经外电路流向Pt电极B． 电池工作时，电解质中Ag+数目减少 C．正极反应：Cl2+2e—+2Ag+ = 2AgCl D．空气中c(Cl2)越大，Ag极消耗速率越快 题号 答案 解析 ‎4‎ B ‎ A、开始向甲中加入少量浓硫酸，反应正向进行，则IO3-会得到电子生成碘单质，所以乙中的石墨电极发生失去电子的氧化反应，正确；B、该反应中的IO3-和I-都转化为碘单质，所以甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液后溶液都变蓝色，错误；C、因为该反应为可逆反应，当电流计指针为0时，说明无电流通过，不再发生电子的转移，反应达到平衡状态，正确；D、向甲烧杯中加入NaOH溶液时，则反应逆向进行，碘单质分别生成IO3-和I-，则两极上发生反应的类型不同，电流计的指针的偏转方向相反，正确 ‎5‎ B 根据图示可知：该装置是原电池，由于金属活动性：Cu>Ag。所以Cu是负极，Ag是正极。A．电子从负极铜电极经导线流向正极银电极，错误；B．工作一段时间后，由于在右边的烧杯中Cu不断溶解变为Cu2+进入溶液，Cu2+水解使溶液显酸性，Cu2+浓度越大，溶液的酸性就越强，所以右烧杯中溶液的pH变小，正确；C．电池工作时，根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引，K+向银电极移动，错误；D．将AgNO3溶液更换为Fe(NO3)3溶液，仍然是Cu为负极，Ag是正极，所以电流计指针偏转方向不变，错误 ‎6‎ B A．银的金属性强于铂，则银电极是负极，银失去电子，则电子经外电路流向Pt电极，A正确；B．正极是氯气得到电子，与银离子结合生成氯化银，即电极反应式为Cl2+2e—+2Ag+＝2AgCl。当由于负极银失去电子转化为银离子，所以电池工作时，电解质中Ag+数目不变，B错误；C．根据B中分析可知正极反应：Cl2+2e—+2Ag+＝2AgCl，C正确；D．空气中c(Cl2)越大，则得到的电子数越多，因此消耗的银越多，则Ag极消耗速率越快，D正确 三、化学电源 ‎【知识梳理】‎ ‎1.一次电池：不能充电，不能反复使用。‎ 化学电源 碱性锌锰电池 锌银电池 正极反应式 ‎2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH +2OH－‎ Ag2O + H2O+ 2e－ = 2Ag + 2OH－‎ 负极反应式 Zn+2OH－—2e—= Zn(OH)2‎ Zn+2OH－—2e—= Zn(OH)2‎ 总反应方程式 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2‎ Zn＋Ag2O＋H2O = Zn(OH)2＋2Ag ‎2.二次（可充）电池：可充电，可多次重复使用。如铅蓄电池：‎ 放电 正极反应式 PbO2＋4H+＋SO42－＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O 负极反应式 Pb＋SO42－－2e- ＝PbSO4↓‎ 充电 阳极反应式 PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋SO42－‎ 阴极反应式 PbSO4＋2e- ＝Pb＋SO42－‎ 总反应方程式 PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O ‎3.燃料电池：燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换电能的化学电池，工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给。燃料电池的燃料可以是氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等多种液体或气体。如氢氧燃料电池：‎ 化学电源 酸性环境 碱性环境 正极反应式 O2+4H++4e-=2H2O O2+2H2O+4e-=4OH-‎ 负极反应式 ‎2H2-4e-=4H+‎ ‎2H2-4e-+4OH-=4H2O 总反应方程式 ‎2H2+O2=2H2O 温馨提示：根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：‎ ‎（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－=2CO ‎【典例分析】表面介导电池(SMCS)是一种新型充电电池，可使电动汽车的充电时间仅需几分钟，该电池的电极材料为金属锂和氧化石墨烯。下列有关说法中不正确的是（ ） ‎ A．放电时，氧化石墨烯作正极 ‎ B．放电时，负极电极反应式为Li－e－=Li＋‎ C．充电时，该电池是将电能转化为化学能 ‎ D．充电时，电解质溶液中的Li＋从阴极迁移到阳极 答案 解析 D A、放电相当于是原电池，锂是活泼的金属，因此放电时锂是金属，‎ 氧化石墨烯作正极，A正确；B、放电时，Li是负极，负极电极反应式为Li－e－＝Li＋，B正确；C、充电相当于是电解池，因此充电时，该电池是将电能转化为化学能，C正确；D、电解池中阳离子向阴极移动，所以充电时，电解质溶液中的Li＋从阳极迁移到阴极，D错误 ‎【达标练习】‎ ‎7. 载人空间站的生态系统中，要求分离人呼出的二氧化碳，同时需要提供氧气。某电化学装置利用太阳能转化的电能可以实现上述要求，同时还有燃料一氧化碳生成，该电化学装置中得电子的电极发生的反应是2CO2＋4e－＋2H2O=2CO＋4OH－。下列判断错误的是 A．上述电化学装置相当于电解池 B．上述装置进行的总反应为2CO2=2CO＋O2‎ C．反应结束后该电化学装置中的电解质溶液pH增大 D．失电子的电极发生的反应是4OH－－4e－=2H2O＋O2↑‎ ‎8. 如图是笔记本电脑所用甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为：2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O。下列说法正确的是（　　）‎ A．右电极为电池的正极，b处通入的物质是空气 B．左电极为电池的负极，a处通入的物质是空气 C．正极反应式为：CH3OH＋H2O－6e－＝CO2＋6H＋‎ D．负极反应式为：O2＋4e－＝2O2－‎ ‎9. 用氟硼酸(HBF4，属于强酸)代替硫酸作铅蓄电池的电解质溶液，可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良，反应方程式为： Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O，Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质，下列说法正确的是( )‎ A．放电时的负极反应为：PbO2+4H++2e-===Pb2++2H2O B．充电时，当阳极质量增加‎23.9g时，溶液中有0.2mol电子通过 C．放电时，正极区pH增大 ‎ D．充电时，Pb电极与电源的正极相连 题号 答案 解析 ‎7‎ C ‎ A.根据题意可知该装置是电能转化为化学能，因此相当于电解池，正确；B.在该空间站分离出CO2，同时产生CO，必同时还产生O2，则根据元素守恒可知上述装置进行的总反应为2CO2==2CO＋O2，正确；C．总方程式是2CO2==2CO＋O2。可见反应结束后该电化学装置中的电解质的浓度不变，因此溶液pH也不变，错误；D．失电子的电极即负极发生的反应是4OH－－4e－==2H2O＋O2↑，正确 ‎8‎ A 根据题中图示，释放电子的一极（左电极）为原电池的负极，电子流入的一极（右电极）为原电池的正极，以此a处通入的物质应为还原剂甲醇，b处通入的物质应为氧化剂氧气。负极反应式为：CH3OH＋H2O－6e－＝CO2＋6H＋；正极反应式为：O2＋4e－＝2O2－‎ ‎9‎ C 分析题给信息和电池反应知，该电池放电时负极发生氧化反应，电极反应式为Pb—2e－Pb2＋，正极发生还原反应，电极反应式为PbO2+4H++2e-===Pb2++2H2O。A、放电时的负极反应为：Pb—2e－Pb2＋，错误；B、充电时，阳极反应为Pb2++2H2O—2e- PbO2+4H+，电子只能在导线中移动，不能进入溶液，错误；C、放电时，正极反应式为PbO2+4H++2e-===Pb2++2H2O，正极区pH增大，正确；D、充电时，Pb电极发生还原反应，作阴极，与电源的负极相连，错误