第16講  原電池 【學科核心素養(yǎng)】變化觀念與平衡思想：認識原電池反應的本質是自發(fā)的氧化還原反應；能多角度、動態(tài)地分析原電池中物質的變化及能量的轉換。證據(jù)推理與模型認知：能利用典型的原電池裝置，分析原電池原理，建立解答原電池問題的思維模型，并利用模型揭示其本質及規(guī)律。科學態(tài)度與社會責任：具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學觀念，能對與原電池有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷與分析。【核心素養(yǎng)發(fā)展目標】1.理解原電池的構成、工作原理及應用，能書寫電極反應和總反應方程式。2.了解常見化學電源的種類及其工作原理。【知識點解讀】知識點一  原電池的工作原理及應用1.概念和反應本質原電池是把化學能轉化為電能的裝置，其反應本質是氧化還原反應。2.構成條件(1)一看反應：看是否有能自發(fā)進行的氧化還原反應發(fā)生(一般是活潑性強的金屬與電解質溶液反應)。(2)二看兩電極：一般是活潑性不同的兩電極。(3)三看是否形成閉合回路，形成閉合回路需三個條件：①電解質溶液；②兩電極直接或間接接觸；③兩電極插入電解質溶液中。3.工作原理以鋅銅原電池為例(1)反應原理電極名稱負極正極電極材料鋅片銅片電極反應Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu反應類型氧化反應還原反應電子流向由Zn片沿導線流向Cu片鹽橋中離子移向鹽橋含飽和KCl溶液，K＋移向正極，Cl－移向負極 (2)鹽橋的組成和作用①鹽橋中裝有飽和的KCl、KNO3等溶液和瓊膠制成的膠凍。②鹽橋的作用：a.連接內(nèi)電路，形成閉合回路；b.平衡電荷，使原電池不斷產(chǎn)生電流。（3）單液原電池(無鹽橋)和雙液原電池(有鹽橋)對比名稱單液原電池雙液原電池裝置相同點正、負極電極反應，總反應式，電極現(xiàn)象不同點還原劑Zn與氧化劑Cu2＋直接接觸，既有化學能轉化為電能，又有化學能轉化為熱能，造成能量損耗Zn與氧化劑Cu2＋不直接接觸，僅有化學能轉化為電能，避免了能量損耗，故電流穩(wěn)定，持續(xù)時間長4.原電池原理的應用(1)比較金屬的活動性強弱：原電池中，負極一般是活動性較強的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或非金屬)。(2)加快化學反應速率：氧化還原反應形成原電池時，反應速率加快。(3)用于金屬的防護：將需要保護的金屬制品作原電池的正極而受到保護。(4)設計制作化學電源①首先將氧化還原反應分成兩個半反應。②根據(jù)原電池的工作原理，結合兩個半反應，選擇正、負電極材料以及電解質溶液。知識點二   常見化學電源及工作原理一、一次電池：只能使用一次，不能充電復原繼續(xù)使用1.堿性鋅錳干電池總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。負極材料：Zn。電極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。正極材料：碳棒。電極反應：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。2.紐扣式鋅銀電池總反應：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。電解質是KOH。負極材料：Zn。電極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。正極材料：Ag2O。電極反應：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。3.鋰電池Li－SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4－SOCl2。電池的總反應可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。(1)負極材料為鋰，電極反應為8Li－8e－===8Li＋。(2)正極的電極反應為3SOCl2＋8e－===2S＋SO＋6Cl－。二、二次電池：放電后能充電復原繼續(xù)使用1.鉛酸蓄電池總反應：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)(1)放電時——原電池負極反應：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；正極反應：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。(2)充電時——電解池陰極反應：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；陽極反應：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。2.圖解二次電池的充放電3.二次電池的充放電規(guī)律(1)充電時電極的連接：充電的目的是使電池恢復其供電能力，因此負極應與電源的負極相連以獲得電子，可簡記為負接負后作陰極，正接正后作陽極。(2)工作時的電極反應式：同一電極上的電極反應式，在充電與放電時，形式上恰好是相反的；同一電極周圍的溶液，充電與放電時pH的變化趨勢也恰好相反。三、燃料電池1.氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分為酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負極反應式2H2－4e－===4H＋2H2＋4OH－－4e－===4H2O正極反應式O2＋4e－＋4H＋===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－電池總反應式2H2＋O2===2H2O備注燃料電池的電極不參與反應，有很強的催化活性，起導電作用2.解答燃料電池題目的思維模型3.解答燃料電池題目的幾個關鍵點(1)要注意介質是什么？是電解質溶液還是熔融鹽或氧化物。(2)通入負極的物質為燃料，通入正極的物質為氧氣。(3)通過介質中離子的移動方向，可判斷電池的正負極，同時考慮該離子參與靠近一極的電極反應。【典例剖析】高頻考點一   原電池原理及其應用【例1】(2019·海南高考)微型銀—鋅電池可用作電子儀器的電源，其電極分別是Ag/Ag2O和Zn，電解質為KOH溶液，電池總反應為Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。下列說法正確的是(　　)A．電池工作過程中，KOH溶液濃度降低B．電池工作過程中，電解液中OH－向正極遷移C．負極發(fā)生反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2D．正極發(fā)生反應：Ag2O＋2H＋＋2e－===Ag＋H2O【舉一反三】下圖中四種電池裝置是依據(jù)原電池原理設計的，下列有關敘述錯誤的是(　　)A．①中鋅電極發(fā)生氧化反應B．②中電子由a電極經(jīng)導線流向b電極C．③中外電路中電流由A電極流向B電極D．④中LixC6做負極【變式探究】(雙選)分析下圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是(　　)A．①②中Mg做負極，③④中Fe做負極B．②中Mg做正極，電極反應式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑C．③中Cu做負極，電極反應式為Cu－2e－===Cu2＋D．④中Cu做正極，電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑高頻考點二   鹽橋原電池的考查【例2】(2020·全國卷Ⅰ節(jié)選)為驗證不同化合價鐵的氧化還原能力，利用下列電池裝置進行實驗。回答下列問題：(1)電池裝置中，鹽橋連接兩電極電解質溶液。鹽橋中陰、陽離子不與溶液中的物質發(fā)生化學反應，并且電遷移率(u∞)應盡可能地相近。根據(jù)下表數(shù)據(jù)，鹽橋中應選擇________作為電解質。陽離子u∞×108/(m2·s－1·V－1)陰離子u∞×108/(m2·s－1·V－1)Li＋4.07HCO4.61Na＋5.19NO7.40Ca2＋6.59Cl－7.91K＋7.62SO8.27(2)電流表顯示電子由鐵電極流向石墨電極?？芍}橋中的陽離子進入________電極溶液中。(3)電池反應一段時間后，測得鐵電極溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨電極上未見Fe析出。可知，石墨電極溶液中c(Fe2＋)＝________。(4)根據(jù)(2)、(3)實驗結果，可知石墨電極的電極反應式為____________________，鐵電極的電極反應式為________________________________。因此，驗證了Fe2＋氧化性小于________、還原性小于________。(5)實驗前需要對鐵電極表面活化。在FeSO4溶液中加入幾滴Fe2(SO4)3溶液，將鐵電極浸泡一段時間，鐵電極表面被刻蝕活化。檢驗活化反應完成的方法是____________________?！咀兪教骄俊靠刂七m合的條件，將反應2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2設計成如下圖所示的原電池。下列判斷不正確的是(　　)A.反應開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應B.反應開始時，甲中石墨電極上Fe3＋被還原C.電流表讀數(shù)為零時，反應達到化學平衡狀態(tài)D.電流表讀數(shù)為零后，在甲中加入FeCl2固體，乙中的石墨電極為負極高頻考點三  燃料電池【例3】(2019·高考全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應生成NH3D．電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動【方法技巧】燃料電池電極反應式的書寫第一步：寫出燃料電池反應的總反應式燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致，若產(chǎn)物能和電解質反應則總反應為加和后的反應。如甲烷燃料電池(電解質為NaOH溶液)的反應式為CH4＋2O2===CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②①式＋②式得燃料電池總反應式為CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。第二步：寫出電池的正極反應式根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應的物質是O2，隨著電解質溶液的不同，其電極反應式有所不同，大致有以下四種情況：(1)酸性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；(2)堿性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；(3)固體電解質(高溫下能傳導O2－)環(huán)境下電極反應式：O2＋4e－===2O2－；(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。第三步：根據(jù)電池總反應式和正極反應式，寫出負極反應式電池反應的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式。因為O2不是負極反應物，因此兩個反應式相減時要徹底消除O2。【變式探究】(雙選)金屬鋰燃料電池是一種新型電池，比鋰離子電池具有更高的能量密度。它無電時也無需充電，只需更換其中的某些材料即可，其工作示意圖如下，下列說法正確的是(　　)A．放電時，通入空氣的一極為負極B．放電時，電池反應為4Li＋O2＋2H2O===4LiOHC．有機電解液可以是乙醇等無水有機物D．在更換鋰電極的同時，要更換水性電解液高頻考點四  可充電電池（二次電池）【例4】（2021·河北高考）K—O2電池結構如圖，a和b為兩個電極，其中之一為單質鉀片。關于該電池，下列說法錯誤的是A．隔膜允許K+通過，不允許O2通過B．放電時，電流由b電極沿導線流向a電極；充電時，b電極為陽極C．產(chǎn)生1Ah電量時，生成KO2的質量與消耗O2的質量比值約為2.22D．用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時，鉛酸蓄電池消耗0.9g水【舉一反三】（2021·浙江高考）鎳鎘電池是二次電池，其工作原理示意圖如下(L 為小燈泡，K1、K2為開關，a、b為直流電源的兩極)。下列說法不正確的是A．斷開K2、合上K1，鎳鎘電池能量轉化形式：化學能→電能B．斷開K1、合上K2，電極A為陰極，發(fā)生還原反應C．電極B發(fā)生氧化反應過程中，溶液中KOH濃度不變D．鎳鎘二次電池的總反應式：Cd+ 2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2【方法技巧】1．可充電電池的思維模型因此，充電時電極的連接可簡記為“負接負后作陰極，正接正后作陽極”。2．可充電電池的分析流程(1)可充電電池有充電和放電兩個過程，放電時是原電池反應，充電時是電解池反應。(2)放電時的負極反應和充電時的陰極反應互為逆反應，放電時的正極反應和充電時的陽極反應互為逆反應。將負(正)極反應式變換方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應式。(3)充、放電時電解質溶液中離子移動方向的判斷分析電池工作過程中電解質溶液的變化時，要結合電池總反應進行分析。①首先應分清電池是放電還是充電。②再判斷出正、負極或陰、陽極。(4)“加減法”書寫新型二次電池放電的電極反應式若已知電池放電時的總反應式，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎上，由總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得到較難寫出的另一極的電極反應式。【變式探究】（2020·新課標Ⅰ）科學家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是A. 放電時，負極反應為B. 放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數(shù)為2 molC. 充電時，電池總反應為D. 充電時，正極溶液中OH?濃度升高【變式探究】(2020·天津等級考)熔融鈉—硫電池性能優(yōu)良，是具有應用前景的儲能電池。下圖中的電池反應為2Na＋xSNa2Sx(x＝5～3，難溶于熔融硫)。下列說法錯誤的是(　　)A．Na2S4的電子式為B．放電時正極反應為xS＋2Na＋＋2e－===Na2SxC．Na和Na2Sx分別為電池的負極和正極D．該電池是以Na-β-Al2O3為隔膜的二次電池  高頻考點五  新型電源【例5】（2021·廣東高考）火星大氣中含有大量CO2，一種有CO2參加反應的新型全固態(tài)電池有望為火星探測器供電。該電池以金屬鈉為負極，碳納米管為正極，放電時A．負極上發(fā)生還原反應 B．CO2在正極上得電子C．陽離子由正極移向負極 D．將電能轉化為化學能【變式探究】（2020·新課標Ⅲ）一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如下圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應：該電池工作時，下列說法錯誤的是A. 負載通過0.04 mol電子時，有0.224 L(標準狀況)O2參與反應B. 正極區(qū)溶液的pH降低、負極區(qū)溶液的pH升高C. 電池總反應為D. 電流由復合碳電極經(jīng)負載、VB2電極、KOH溶液回到復合碳電極【變式探究】 (2018·海南卷)一種鎂氧電池如圖所示，電極材料為金屬鎂和吸附氧氣的活性炭，電解液為KOH濃溶液。下列說法正確的是(　　)A．電池總反應式為2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2B．正極反應式為Mg－2e－===Mg2＋C．活性炭可以加快O2在負極上的反應速率D．電子的移動方向由b經(jīng)外電路到a【變式探究】(2017·全國卷Ⅲ)全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是(　　)A.電池工作時，正極可發(fā)生反應：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4B.電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 gC.石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性D.電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多 

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