
?第20講 原電池 化學電源
考綱要求 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。
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。
理解應用
在如圖所示的4個裝置中,不能形成原電池的是 (填序號),并指出原因 。
答案?、佗堋、僦芯凭欠请娊赓|;④中未形成閉合回路
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.連接內電路,形成閉合回路;b.平衡電荷,使原電池不斷產生電流。
理解應用
“異常”原電池原理的深度分析
(1)鋁銅濃硝酸電池
初期,活潑金屬鋁作負極被氧化,由于鋁表面很快形成致密氧化物薄膜阻止反應繼續(xù)進行,使鋁鈍化,鈍化鋁作正極,銅被濃硝酸氧化,作負極,電極反應:
銅:Cu-2e-===Cu2+;
鈍化鋁:2NO+2e-+4H+===2NO2↑+2H2O。
(2)鎂鋁燒堿溶液電池
鎂不溶于燒堿,鋁單質可溶于燒堿,鋁作負極,鎂作正極,電極反應,鋁:2Al-6e-+8OH-===2AlO+4H2O;
鎂:6H2O+6e-===3H2↑+6OH-。
原電池的正極和負極與電極材料的性質有關,也與電解質溶液有關,不要形成活潑電極一定作負極的思維定勢。
(1)原電池工作時,正極表面一定有氣泡產生(×)
(2)Mg—Al形成的原電池,Mg一定作負極(×)
(3)在原電池中,正極材料本身一定不參與電極反應,負極材料本身一定要發(fā)生氧化反應(×)
(4)實驗室制備H2時,用粗鋅(含Cu、Fe等)代替純鋅與鹽酸反應效果更佳(√)
(5)鐵銅原電池中,負極反應式為Fe—3e-===Fe3+(×)
(6)原電池工作時,溶液中的陽離子向負極移動,鹽橋中的陽離子向正極移動(×)
(7)鋅銅原電池中,因為有電子通過電解質溶液,形成閉合回路,所以有電流產生(×)
判斷原電池正、負極的5種方法
題組一 原電池工作原理
1.(2015·天津理綜,4)鋅銅原電池裝置如圖所示,其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,下列有關敘述正確的是( )
A.銅電極上發(fā)生氧化反應
B.電池工作一段時間后,甲池的c(SO)減小
C.電池工作一段時間后,乙池溶液的總質量增加
D.陰、陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動,保持溶液中電荷平衡
答案 C
解析 A項,由鋅的活潑性大于銅,可知銅電極為正極,在正極上Cu2+得電子發(fā)生還原反應生成Cu,錯誤;B項,由于陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,故甲池的c(SO)不變,錯誤;C項,在乙池中Cu2++2e-===Cu,同時甲池中的Zn2+通過陽離子交換膜進入乙池中,由于M(Zn2+)>M(Cu2+),故乙池溶液的總質量增加,正確;D項,陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,電解過程中Zn2+通過陽離子交換膜移向正極保持溶液中電荷平衡,陰離子是不能通過交換膜的,錯誤。
2.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作負極,③④中Fe作負極
B.②中Mg作正極,電極反應式為6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作負極,電極反應式為Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正極,電極反應式為2H++2e-===H2↑
答案 B
解析 ②中Mg不與NaOH溶液反應,而Al能和NaOH溶液反應失去電子,故Al是負極;③中Fe在濃硝酸中鈍化,Cu和濃HNO3反應失去電子作負極,A、C錯;②中電池總反應為2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,負極反應式為2Al+8OH--6e-===2AlO+4H2O,二者相減得到正極反應式為6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B正確;④中Cu是正極,電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,D錯。
3.我國科學家在太陽能光電催化—化學耦合分解硫化氫研究中獲得新進展,相關裝置如圖所示。下列說法不正確的是( )
A.該裝置的總反應為H2SH2+S
B.能量轉化方式主要為“光能→電能→化學能”
C.a極上發(fā)生的電極反應為Fe2+-e-===Fe3+
D.a極區(qū)需不斷補充含F(xiàn)e3+和Fe2+的溶液
答案 D
解析 該裝置發(fā)生的有關反應為H2S+2Fe3+===2H++S+2Fe2+(a極區(qū))、2Fe2+-2e-===2Fe3+(a極)、2H++2e-===H2(b極),這三個反應相加,結合反應條件得到總反應H2SH2+S,故A、C正確;該制氫工藝中光能轉化為電能,最終轉化為化學能,故B正確;a極區(qū)涉及兩步反應,第一步利用氧化態(tài)Fe3+高效捕獲H2S得到硫和還原態(tài)Fe2+,第二步是還原態(tài)Fe2+在a極表面失去電子生成氧化態(tài)Fe3+,這兩步反應反復循環(huán)進行,所以a極區(qū)無需補充含F(xiàn)e3+和Fe2+的溶液,故D錯誤。
題組二 聚焦“鹽橋”原電池
4.(2019·河北高三模擬)根據下圖,下列判斷中正確的是( )
A.燒杯a中的溶液pH降低
B.燒杯b中發(fā)生氧化反應
C.燒杯a中發(fā)生的反應為2H++2e-===H2↑
D.燒杯b中發(fā)生的反應為2Cl--2e-===Cl2↑
答案 B
解析 由題給原電池裝置可知,電子經過導線,由Zn電極流向Fe電極,則O2在Fe電極發(fā)生還原反應:O2+2H2O+4e-===4OH-,燒杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;燒杯b中,Zn發(fā)生氧化反應:Zn-2e-===Zn2+。
5.控制合適的條件,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
答案 D
解析 由圖示結合原電池原理分析可知,F(xiàn)e3+得電子變成Fe2+被還原,I-失去電子變成I2被氧化,所以A、B正確;電流表讀數(shù)為零時,F(xiàn)e3+得電子速率等于Fe2+失電子速率,反應達到平衡狀態(tài),C正確;在甲中加入FeCl2固體,平衡2Fe3++2I-2Fe2++I2向左移動,I2被還原為I-,乙中石墨為正極,D不正確。
原電池的工作原理簡圖
注意?、匐娮右苿臃较颍簭呢摌O流出沿導線流入正極,電子不能通過電解質溶液。
②若有鹽橋,鹽橋中的陰離子移向負極區(qū),陽離子移向正極區(qū)。
③若有交換膜,離子可選擇性通過交換膜,如陽離子交換膜,陽離子可通過交換膜移向正極。
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。
應用體驗
設計原電池裝置證明Fe3+的氧化性比Cu2+強。
(1)寫出能說明氧化性Fe3+大于Cu2+的離子方程式:
。
(2)若要將上述反應設計成原電池,電極反應式分別是:
①負極: 。
②正極: 。
(3)在框中畫出裝置圖,指出電極材料和電解質溶液:
①不含鹽橋
②含鹽橋
答案 (1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)①Cu-2e-===Cu2+
②2Fe3++2e-===2Fe2+
(3)
①不含鹽橋
②含鹽橋
(1)某原電池反應為Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,裝置中的鹽橋中可以是裝有含瓊脂的KCl飽和溶液(×)
(2)10 mL濃度為1 mol·L-1的鹽酸與過量的鋅粉反應,若加入適量的CuSO4溶液能加快反應速率但又不影響氫氣生成量(√)
(3)若在海輪外殼上附著一些銅塊,則可以減緩海輪外殼的腐蝕(×)
(4)由于CaO+H2O===Ca(OH)2可以自發(fā)進行,且放大量熱,故可以設計成原電池(×)
1.(金屬的防護)為保護地下鋼管不受腐蝕,可采取的措施有( )
A.與石墨棒相連 B.與銅板相連
C.埋在潮濕、疏松的土壤中 D.與鋅板相連
答案 D
2.(加快化學反應速率)等質量的兩份鋅粉a、b,分別加入過量的稀H2SO4中,同時向a中滴入少量的CuSO4溶液,如圖表示產生H2的體積(V)與時間(t)的關系,其中正確的是( )
答案 D
解析 a中Zn與CuSO4溶液反應置換出Cu,Zn的量減少,產生H2的量減少,但Zn、Cu和稀H2SO4形成原電池,加快反應速率,D項圖示符合要求。
3.(比較金屬活動性)有a、b、c、d四個金屬電極,有關的實驗裝置及部分實驗現(xiàn)象如下:
實驗裝置
部分實驗現(xiàn)象
a極質量減少;b極質量增加
b極有氣體產生;c極無變化
d極溶解;c極有氣體產生
電流從a極流向d極
由此可判斷這四種金屬的活動性順序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 C
解析 把四個實驗從左到右分別編號為①、②、③、④,則由實驗①可知,a作原電池負極,b作原電池正極,金屬活動性:a>b;由實驗②可知,b極有氣體產生,c極無變化,則活動性:b>c;由實驗③可知,d極溶解,則d作原電池負極,c作正極,活動性:d>c;由實驗④可知,電流從a極流向d極,則d極為原電池負極,a極為原電池正極,活動性:d>a。綜上所述可知活動性:d>a>b>c。
4.依據氧化還原反應:2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)設計的原電池如圖所示(鹽橋為盛有KNO3瓊脂的U形管)。
請回答下列問題:
(1)電極X的材料是 ;電解質溶液Y是 (填化學式)。
(2)銀電極為電池的 極,其電極反應式為
。
(3)鹽橋中的NO移向 溶液。
答案 (1)Cu AgNO3 (2)正 Ag++e-===Ag
(3)Cu(NO3)2
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 ,電極反應為 。
(2)正極的電極反應為 。
答案 (1)鋰 8Li-8e-===8Li+
(2)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、“高效、環(huán)境友好”的燃料電池
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+===2H2O
O2+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.燃料電池常用的燃料
H2、CO、烴(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。
3.燃料電池常用的電解質
①酸性電解質溶液,如H2SO4溶液;②堿性電解質溶液,如NaOH溶液;③熔融氧化物;④熔融碳酸鹽,如K2CO3;⑤質子交換膜等。
4.燃料電池電極反應式書寫的常用方法
第一步,寫出電池總反應式。
燃料電池的總反應與燃料燃燒的反應一致,若產物能和電解質反應,則總反應為加合后的反應。
如甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的反應如下:
CH4+2O2===CO2+2H2O ①
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O?、?br />
①+②可得甲烷燃料電池的總反應式:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
第二步,寫出電池的正極反應式。
根據燃料電池的特點,一般在正極上發(fā)生還原反應的物質都是O2,因電解質溶液不同,故其電極反應也會有所不同:
(1)酸性電解質:O2+4H++4e-===2H2O。
(2)堿性電解質:O2+2H2O+4e-===4OH-。
(3)固體電解質(高溫下能傳導O2-):O2+4e-===2O2-。
(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3):O2+2CO2+4e-===2CO。
第三步,電池的總反應式-電池的正極反應式=電池的負極反應式。
應用體驗
以甲烷燃料電池為例,分析不同的環(huán)境下電極反應式的書寫。
(1)酸性介質(如H2SO4)
總反應式: 。
負極: 。
正極: 。
答案 CH4+2O2===CO2+2H2O
CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
2O2+8e-+8H+===4H2O
(2)堿性介質(如KOH)
總反應式: 。
負極: 。
正極: 。
答案 CH4+2O2+2OH-===CO+3H2O
CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O
2O2+8e-+4H2O===8OH-
(3)固體電解質(高溫下能傳導O2-)
總反應式: 。
負極: 。
正極: 。
答案 CH4+2O2===CO2+2H2O
CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O
2O2+8e-===4O2-
(1)太陽能電池不屬于原電池(√)
(2)手機、電腦中使用的鋰電池屬于一次電池(×)
(3)鉛蓄電池放電時,正極與負極質量均增加(√)
(4)堿性鋅錳干電池是一次電池,其中MnO2是催化劑,可使鋅錳干電池的比能量高、可儲存時間長(×)
(5)燃料電池工作時燃料在電池中燃燒,然后熱能轉化為電能(×)
(6)以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池,放電過程中,H+從正極區(qū)向負極區(qū)遷移(×)
(7)鉛蓄電池工作時,當電路中轉移0.1 mol電子時,負極增重4.8 g(√)
題組一 根據圖示理解化學電源的工作原理
1.Li-FeS2電池是目前電池中綜合性能最好的一種電池,其結構如圖所示。已知電池放電時的反應為4Li+FeS2===Fe+2Li2S。下列說法正確的是( )
A.Li為電池的正極
B.電池工作時,Li+向負極移動
C.正極的電極反應式為FeS2+4e-===Fe+2S2-
D.將熔融的LiCF3SO3改為LiCl的水溶液,電池性能更好
答案 C
解析 A項,由→發(fā)生氧化反應,可知Li為電池負極;B項,電池工作時,陽離子(Li+)移向正極;D項,由于2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,故不能用LiCl的水溶液作為電解質溶液。
2.(2019·濟南一模)如圖為利用電化學方法處理有機廢水的原理示意圖。下列說法正確的是( )
A.a、b極不能使用同種電極材料
B.工作時,a極的電勢低于b極的電勢
C.工作一段時間之后,a極區(qū)溶液的pH增大
D.b極的電極反應式為:CH3COO-+4H2O-8e-===2HCO+9H+
答案 D
解析 根據圖示:工作時,b極上CH3COO-→HCO,碳原子從0價升至+4價,b極是原電池的負極,則a極是電池的正極。a、b極上發(fā)生的反應為電解質溶液的變化,電極材料可同可異,A項錯誤;a極(正極)的電勢高于b極(負極)的電勢,B項錯誤;a極(正極)電極反應式為+H++2e-―→+Cl-,正極每得到2 mol電子時,為使溶液保持電中性,必有2 mol H+通過質子交換膜進入a極溶液,同時電極反應消耗1 mol H+,故工作一段時間之后,a極區(qū)溶液中H+濃度增大,pH減小,C項錯誤;據圖中物質轉化,考慮到質量守恒和電荷守恒關系,b極(負極)反應為CH3COO-+4H2O-8e-===2HCO+9H+,D項正確。
3.如圖為鈉高能電池的結構示意圖,該電池的工作溫度為320 ℃左右,電池的反應式為2Na+xS===Na2Sx,正極的電極反應式為 。
M(由Na2O和Al2O3制得)的兩個作用是 。
答案 xS+2e-===S(或2Na++xS+2e-===Na2Sx) 導電和隔離鈉與硫
題組二 二次電池的充放電
4.鎳鎘(Ni-Cd)可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。已知某鎳鎘電池的電解質溶液為KOH溶液,其充、放電按下式進行:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2,有關該電池的說法正確的是( )
A.充電時陽極反應:Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
B.充電過程是化學能轉化為電能的過程
C.放電時負極附近溶液的堿性不變
D.放電時電解質溶液中的OH-向正極移動
答案 A
解析 放電時Cd的化合價升高,Cd作負極,Ni的化合價降低,NiOOH作正極,則充電時Cd(OH)2作陰極,Ni(OH)2作陽極,電極反應式為Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,A項正確;充電過程是電能轉化為化學能的過程,B項錯誤;放電時負極電極反應式為Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2,Cd電極周圍OH-的濃度減小,C項錯誤;放電時OH-向負極移動,D項錯誤。
5.某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池,放電時電池總反應為Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+C6(x
這是一份2024屆人教版高考化學一輪復習第20講原電池與化學電源作業(yè)含答案,共11頁。試卷主要包含了選擇題,非選擇題等內容,歡迎下載使用。
這是一份2022年高考化學一輪復習講義第6章第30講 原電池 化學電源 (含解析),共19頁。試卷主要包含了電極的判斷,04 ml電子時,有0等內容,歡迎下載使用。
這是一份(新高考)高考化學一輪復習課時練習第6章第2講原電池化學電源(含解析),共33頁。試卷主要包含了原電池的工作原理及應用,化學電源等內容,歡迎下載使用。
注冊成功