變化觀念與平衡思想：認識原電池反應(yīng)的本質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；能多角度、動態(tài)地分析原電池中物質(zhì)的變化及能量的轉(zhuǎn)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(zhì)及規(guī)律。
科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任：具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念，能對與原電池有關(guān)的社會熱點問題做出正確的價值判斷與分析。
【必備知識解讀】
一、原電池的工作原理及應(yīng)用
1.概念和反應(yīng)本質(zhì)
原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其反應(yīng)本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。
2.構(gòu)成條件
(1)一看反應(yīng)：看是否有能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)發(fā)生(一般是活潑性強的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))。
(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(zhì)溶液；
②兩電極直接或間接接觸；
③兩電極插入電解質(zhì)溶液中。
3.工作原理
以鋅銅原電池為例
(1)反應(yīng)原理
(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
4.原電池原理的應(yīng)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(xué)反應(yīng)速率：氧化還原反應(yīng)形成原電池時，反應(yīng)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(shè)計制作化學(xué)電源
①首先將氧化還原反應(yīng)分成兩個半反應(yīng)。
②根據(jù)原電池的工作原理，結(jié)合兩個半反應(yīng)，選擇正、負電極材料以及電解質(zhì)溶液。
二、常見化學(xué)電源及工作原理
（一）一次電池：只能使用一次，不能充電復(fù)原繼續(xù)使用
1.堿性鋅錳干電池
總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
負極材料：Zn。
電極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正極材料：碳棒。
電極反應(yīng)：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2.紐扣式鋅銀電池
總反應(yīng)：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
電解質(zhì)是KOH。
負極材料：Zn。
電極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正極材料：Ag2O。
電極反應(yīng)：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(yīng)可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)負極材料為鋰，電極反應(yīng)為8Li－8e－===8Li＋。
(2)正極的電極反應(yīng)為3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq \\al(2－,3)＋6Cl－。
（二）二次電池：放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用
1.鉛酸蓄電池總反應(yīng)：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(1)放電時——原電池
負極反應(yīng)：Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正極反應(yīng)：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充電時——電解池
陰極反應(yīng)：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)；
陽極反應(yīng)：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(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(fù)其供電能力，因此負極應(yīng)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(yīng)式：同一電極上的電極反應(yīng)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。
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(guān)鍵點
(1)要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。
(2)通入負極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。
(3)通過介質(zhì)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(yīng)。
【關(guān)鍵能力拓展】
一、濃差電池
1．在濃差電池中，為了限定某些離子的移動，常涉及到“離子交換膜”。
(1)常見的離子交換膜
(2)離子交換膜的作用
①能將兩極區(qū)隔離，阻止兩極物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
②能選擇性地允許離子通過，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。
(3)離子交換膜的選擇依據(jù)
離子的定向移動。
2．“濃差電池”的分析方法
濃差電池是利用物質(zhì)的濃度差產(chǎn)生電勢的一種裝置。兩側(cè)半電池中的特定物質(zhì)有濃度差，離子均是由“高濃度”移向“低濃度”，依據(jù)陰離子移向負極區(qū)域，陽離子移向正極區(qū)域判斷電池的正、負極，這是解題的關(guān)鍵。
二、燃料電池電極反應(yīng)式的書寫
第一步：寫出電池總反應(yīng)式。
燃料電池的總反應(yīng)與燃料燃燒的反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加合后的反應(yīng)。如甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為NaOH溶液)的反應(yīng)如下：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②
①＋②可得甲烷燃料電池的總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。
根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是O2，因電解質(zhì)溶液不同，故其電極反應(yīng)也會有所不同：
第三步：電池的總反應(yīng)式－電池的正極反應(yīng)式＝電池的負極反應(yīng)式。
三、多池串聯(lián)的兩大模型及原理
1．常見多池串聯(lián)裝置圖
（1）外接電源與電解池的串聯(lián)(如圖)
A、B為兩個串聯(lián)電解池，相同時間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。
（2）原電池與電解池的串聯(lián)(如圖)
甲、乙兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。
2．二次電池的充電
(1)可充電電池原理示意圖
充電時，原電池負極與外接電源負極相連，原電池正極與外接電源正極相連，記作“正接正，負接負”。
(2)可充電電池有充電和放電兩個過程，放電時是原電池反應(yīng)，充電時是電解池反應(yīng)。充電、放電不是可逆反應(yīng)。
(3)放電時的負極反應(yīng)和充電時的陰極反應(yīng)相反，放電時的正極反應(yīng)和充電時的陽極反應(yīng)相反。將負(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應(yīng)式。
例：Fe＋Ni2O3＋3H2Oeq \(,\s\up11(放電),\s\d4(充電))Fe(OH)2＋2Ni(OH)2，放電時負極的電極反應(yīng)式為Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，則充電時陰極的電極反應(yīng)式為Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－。
3．電化學(xué)計算的三種方法
如以電路中通過4 ml e－為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：
(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值)
該關(guān)系式具有總覽電化學(xué)計算的作用和價值，熟記電極反應(yīng)式，靈活運用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學(xué)計算問題。
四、多室裝置的分析
1．離子交換膜的分類和應(yīng)用
2．分析某室質(zhì)量變化的關(guān)鍵
分析某室質(zhì)量的變化，既要考慮該區(qū)(或該電極)的化學(xué)反應(yīng)，又要考慮通過“交換膜”的離子帶來的質(zhì)量變化。
五、新型電源及電極反應(yīng)式的書寫
1．電極反應(yīng)式書寫的一般步驟(類似氧化還原反應(yīng)方程式的書寫)
eq \x(\a\al(列物質(zhì),標得失))—eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\c1(負極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng)))—eq \a\vs4\al(參加反應(yīng)的微粒,和得失電子數(shù))
↓
eq \x(\a\al(看環(huán)境,配守恒))—eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(在電解質(zhì)溶液的環(huán)境中要生成穩(wěn)定的電極,產(chǎn)物，即看H＋、OH－、H2O等是否參加反應(yīng),遵守電荷守恒、質(zhì)量守恒、得失電子守恒))
↓
eq \x(\a\al(兩式加,驗總式))—兩電極反應(yīng)式相加，與總反應(yīng)式對照驗證
2．已知總方程式，書寫電極反應(yīng)式
(1)書寫步驟
步驟一：寫出電池總反應(yīng)式，標出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目(ne－)。
步驟二：找出正、負極，失電子的電極為負極，得電子的電極為正極；確定溶液的酸堿性。
步驟三：寫電極反應(yīng)式。
負極反應(yīng)：還原劑－ne－===氧化產(chǎn)物
正極反應(yīng)：氧化劑＋ne－===還原產(chǎn)物
(2)書寫技巧
若某電極反應(yīng)式較難寫時，可先寫出較易寫的電極反應(yīng)式，用總反應(yīng)式減去較易寫的電極反應(yīng)式，即可得出較難寫的電極反應(yīng)式。如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料電池中，
總反應(yīng)式為CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O，
正極反應(yīng)式為3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，
則負極反應(yīng)式為CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋。
【易錯警示】簡單電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)必須與總反應(yīng)方程式中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相同。
3．氫氧燃料電池在四種常見介質(zhì)中的電極反應(yīng)式總結(jié)
負極eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(酸做介質(zhì)：H2－2e－===2H＋,堿做介質(zhì)：H2－2e－＋2OH－===2H2O,熔融金屬氧化物做介質(zhì)：H2－2e－＋O2－===H2O,熔融碳酸鹽做介質(zhì)：H2－2e－＋COeq \\al(2－,3)===H2O＋CO2))
正極eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(酸做介質(zhì)：O2＋4e－＋4H＋===2H2O,堿做介質(zhì)：O2＋4e－＋2H2O===4OH－,熔融金屬氧化物做介質(zhì)：O2＋4e－===2O2－,熔融碳酸鹽做介質(zhì)：O2＋4e－＋2CO2===2COeq \\al(2－,3)))
【核心題型例解】
高頻考點一 原電池原理
例1.（2023·山東卷第11題）利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示，甲、乙兩室均預(yù)加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是
A. 甲室Cu電極為正極
B. 隔膜為陽離子膜
C. 電池總反應(yīng)為：
D. NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
【答案】CD
【解析】向甲室加入足量氨水后電池開始工作，則甲室Cu電極溶解，變?yōu)殂~離子與氨氣形成，因此甲室Cu電極為負極，故A錯誤；再原電池內(nèi)電路中陽離子向正極移動，若隔膜為陽離子膜，電極溶解生成的銅離子要向右側(cè)移動，通入氨氣要消耗銅離子，顯然左側(cè)陽離子不斷減小，明顯不利于電池反應(yīng)正常進行，故B錯誤；左側(cè)負極，正極是，則電池總反應(yīng)為：，故C正確；NH3擴散到乙室會與銅離子反應(yīng)生成，銅離子濃度降低，銅離子得電子能力減弱，因此將對電池電動勢產(chǎn)生影響，故D正確。綜上所述，答案為CD。
【變式探究】（2022·海南卷）一種采用和為原料制備的裝置示意圖如下。
下列有關(guān)說法正確的是
A. 在b電極上，被還原
B. 金屬Ag可作為a電極的材料
C. 改變工作電源電壓，反應(yīng)速率不變
D. 電解過程中，固體氧化物電解質(zhì)中不斷減少
【答案】A
【解析】由裝置可知，b電極的N2轉(zhuǎn)化為NH3，N元素的化合價降低，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，因此b為陰極，電極反應(yīng)式為N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，a為陽極，電極反應(yīng)式為2O2-+4e-=O2，據(jù)此分析解答；由分析可得，b電極上N2轉(zhuǎn)化為NH3，N元素的化合價降低，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，即N2被還原，A正確；a為陽極，若金屬Ag作a的電極材料，則金屬Ag優(yōu)先失去電子，B錯誤；改變工作電源的電壓，反應(yīng)速率會加快，C錯誤；電解過程中，陰極電極反應(yīng)式為N2+3H2O+6e-=2NH3+3O2-，陽極電極反應(yīng)式為2O2-+4e-=O2，因此固體氧化物電解質(zhì)中O2-不會改變，D錯誤；故選A。
【舉一反三】（2022·浙江卷）pH計是一種采用原電池原理測量溶液pH的儀器。如圖所示，以玻璃電極(在特制玻璃薄膜球內(nèi)放置已知濃度的HCl溶液，并插入Ag—AgCl電極)和另一Ag—AgCl電極插入待測溶液中組成電池，pH與電池的電動勢E存在關(guān)系：pH=(E-常數(shù))/0.059。下列說法正確的是（ ）
A.如果玻璃薄膜球內(nèi)電極的電勢低，則該電極反應(yīng)式為：AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl(0.1ml·L-1)
B.玻璃膜內(nèi)外氫離子濃度的差異不會引起電動勢的變化
C.分別測定含已知pH的標準溶液和未知溶液的電池的電動勢，可得出未知溶液的pH
D.pH計工作時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
【答案】C
【解析】如果玻璃薄膜球內(nèi)電極的電勢低，則該電極為負極、負極發(fā)生氧化反應(yīng)而不是還原反應(yīng)，A錯誤；已知：pH與電池的電動勢E存在關(guān)系：pH=(E-常數(shù))/0.059，則玻璃膜內(nèi)外氫離子濃度的差異會引起電動勢的變化，B錯誤；pH與電池的電動勢E存在關(guān)系：pH=(E-常數(shù))/0.059，則分別測定含已知pH的標準溶液和未知溶液的電池的電動勢，可得出未知溶液的pH，C正確；pH計工作時，利用原電池原理，則化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，D錯誤；故選C。
高頻考點二 鹽橋原電池的考查
例2.為探究與溶液的反應(yīng)，進行如下實驗：
實驗1 將濃度均為溶液和溶液混合，有黃色沉淀產(chǎn)生，加入淀粉溶液，溶液不顯藍色。
實驗2 搭建如圖所示裝置，閉合一段時間后，觀察到Y(jié)電極表面有銀白色物質(zhì)析出。
下列說法正確的是

A．實驗1反應(yīng)后的上層清液中
B．實驗2的總反應(yīng)方程式為
C．實驗2反應(yīng)一段時間后，左側(cè)燒杯中增大，右側(cè)燒杯中增大
D．實驗1和實驗2表明，和發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的平衡常數(shù)比氧化還原反應(yīng)的大
【答案】B
【分析】實驗2的裝置是原電池，觀察到Y(jié)電極表面有銀白色物質(zhì)析出，則Y電極為正極，X電極為負極，放電時鹽橋中的陽離子移向正極，陰離子移向負極，以此解題。
【解析】實驗1反應(yīng)后的上層清液為AgI的飽和溶液，存在沉淀溶解平衡，則，故A錯誤；實驗2的裝置是原電池，根據(jù)氧化還原反應(yīng)可知，正極Y電極生成Ag，負極X電極生成I2則總反應(yīng)為，故B正確；實驗2的裝置是原電池，X電極為負極，Y電極為正極，放電時鹽橋中的陽離子移向正極，陰離子移向負極，即K+移向右側(cè)燒杯中，移向左側(cè)燒杯中，所以反應(yīng)一段時間后，左側(cè)燒杯中c( K+)和右側(cè)燒杯中c()均不變，故C錯誤；AgNO3和KI發(fā)生的反應(yīng)存在競爭性，并且發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的程度大于氧化還原反應(yīng)的程度，但反應(yīng)類型不同，不能據(jù)此判斷平衡常數(shù)大小，故D錯誤；故選B。
【變式探究】控制適合的條件，將反應(yīng)2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2設(shè)計成如下圖所示的原電池。下列判斷不正確的是( )
A.反應(yīng)開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)
B.反應(yīng)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(yīng)達到化學(xué)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(jié)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(yīng)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。
【舉一反三】某原電池裝置如圖所示，裝置中鹽橋的作用是使整個裝置形成一個閉合回路，電解質(zhì)溶液足量，閉合開關(guān)，觀察到電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，回答下列問題。
(1)該原電池工作過程中，電池的負極上的電極反應(yīng)式為 ，石墨電極上發(fā)生了 (填“氧化”或“還原”)反應(yīng)。
(2)該原電池工作時，下列說法正確的是_______(填標號)。
A．電子移動的方向：鐵電極石墨溶液
B．鹽橋中的會向右側(cè)燒杯移動
C．溶液的顏色會逐漸變淺
D．將鹽橋換成鹽橋，該裝置不能長時間正常工作
(3)當鐵電極減少時，外電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為 ，右側(cè)燒杯中的物質(zhì)的量改變了 。
(4)原電池工作時能量轉(zhuǎn)化形式為 ，根據(jù)原電池形成條件，下列反應(yīng)理論上可以設(shè)計成原電池的是 (填標號)。
A．與的反應(yīng) B．和的反應(yīng)
C．和的反應(yīng) D．和的反應(yīng)
【答案】(1) 還原 (2)BD (3)1 1
(4)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 CD
【解析】（1）鐵屬于活潑的金屬，該原電池工作過程中，鐵是負極，電池的負極上的電極反應(yīng)式為，石墨電極是正極，正極上發(fā)生了得到電子的還原反應(yīng)。
（2）A. 電子不能進入溶液，外電路的電子移動的方向：鐵電極石墨，A錯誤；
B. 原電池中陽離子移向正極，則鹽橋中的會向右側(cè)燒杯移動，B正確；
C. 鐵失去電子轉(zhuǎn)化為亞鐵離子，所以溶液的顏色會逐漸變深，C錯誤；
D. 將鹽橋換成鹽橋，銀離子進入右側(cè)溶液中，與氯離子結(jié)合生成氯化銀沉淀，因此該裝置不能長時間正常工作，D正確；
答案選BD。
（3）當鐵電極減少時，參加反應(yīng)的鐵的物質(zhì)的量是0.5ml，失去1ml電子，所以外電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為，右側(cè)燒杯中得到電子轉(zhuǎn)化為亞鐵離子，因此鐵離子的物質(zhì)的量改變了1。
（4）原電池工作時能量轉(zhuǎn)化形式為化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；
A. 與的反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，不能設(shè)計成原電池，A不符合；
B. 和的反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，不能設(shè)計成原電池，B不符合；
C. 和的反應(yīng)是自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)，能設(shè)計成原電池，C符合；
D. 和的反應(yīng)是自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)，能設(shè)計成原電池，D符合；
答案選CD。
高頻考點三 燃料電池
例3.燃料電池是利用燃料(如、、等)跟氧氣反應(yīng)從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。下列關(guān)于甲烷燃料電池(溶液作電解質(zhì))的說法中正確的是
A．正極反應(yīng)為：
B．負極反應(yīng)為：
C．放電時負極發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從負極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極
D．隨著放電的進行，溶液的pH保持不變
【答案】B
【解析】因為電解質(zhì)溶液為，所以該電池的正極反應(yīng)為：，A錯誤；燃料電池，燃料為負極，電極反應(yīng)為：，B正確；放電時負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從負極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，C錯誤；總反應(yīng)為：，反應(yīng)消耗，所以隨著放電的進行，溶液的pH保持減小，D錯誤； 故選B。
【方法技巧】燃料電池電極反應(yīng)式的書寫
第一步：寫出燃料電池反應(yīng)的總反應(yīng)式
燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。
如甲烷燃料電池(電解質(zhì)為NaOH溶液)的反應(yīng)式為
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②
①式＋②式得燃料電池總反應(yīng)式為
CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式
根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是O2，隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)式有所不同，大致有以下四種情況：
(1)酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋4e－===2O2－；
(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)。
第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，寫出負極反應(yīng)式
電池反應(yīng)的總反應(yīng)式－電池正極反應(yīng)式＝電池負極反應(yīng)式。因為O2不是負極反應(yīng)物，因此兩個反應(yīng)式相減時要徹底消除O2。
【舉一反三】利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。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．負極區(qū)，電極反應(yīng)式為
C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，發(fā)生還原反應(yīng)生成
D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
【答案】B
【分析】由生物燃料電池的示意圖可知，左室電極為燃料電池的負極，MV+在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成MV2+，電極反應(yīng)式為MV+—e—= MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應(yīng)生成H+和MV+，反應(yīng)的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+；右室電極為燃料電池的正極，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成MV+，電極反應(yīng)式為MV2++e—= MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應(yīng)生成NH3和MV2+，反應(yīng)的方程式為N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，電池工作時，氫離子通過交換膜由負極向正極移動，以此分析；
【解析】該反應(yīng)中存在化合價的變化，能產(chǎn)生電流，工業(yè)上合成氨，需要高溫、高壓，本裝置不需要，題中所給方法比較溫和，故A正確；左邊電極為負極，根據(jù)裝置圖可知，在氫化酶作用下發(fā)生2MV2++H2=2MV++2H+，故B錯誤；根據(jù)上述分析，右邊電極為正極，依據(jù)裝置圖可知，正極區(qū)，固氮酶作催化劑，N2→NH3，N元素化合價降低，被還原，故C正確； 根據(jù)原電池工作原理，內(nèi)電路中H+通過交換膜由負極區(qū)移向正極區(qū)，故D正確；答案為B。
【變式探究】光催化微生物燃料電池的工作原理如圖所示：
已知：電極a在光激發(fā)條件下會產(chǎn)生電子(e-)—空穴(h+)。下列說法錯誤的是
A．電極電勢：電極a＞電極b
B．電極b發(fā)生的電極反應(yīng)式為(C6H10O5)n-24e-+7H2O=6CO2↑+24H+
C．光激發(fā)時，光生電子會與O2結(jié)合，光生空穴會與電極b產(chǎn)生的電子結(jié)合
D．電池工作一段時間后，右側(cè)溶液pH保持不變(不考慮CO2的溶解)
【答案】B
【解析】根據(jù)題圖信息判斷，(C6H10O5)n在電極b上失電子，轉(zhuǎn)化為CO2，則電極b為負極，電極a為正極，原電池中，正極的電極電勢高于負極的電極電勢，則電極電勢：電a>電極b，故A正確；根據(jù)得失電子守恒判斷，電極b發(fā)生的電極反應(yīng)式為(C6H10O5)n-24ne-+7nH2O=6nCO2↑+24nH+，故B錯誤；根據(jù)題圖信息判斷，電極a在光激發(fā)條件下會產(chǎn)生電子(e-)、空穴(h+)，光生電子會與O2結(jié)合，光生空穴會與電極b產(chǎn)生的電子結(jié)合，故C正確；根據(jù)電極反應(yīng)判斷，每轉(zhuǎn)移24nml電子時，右側(cè)溶液中生成24nmlH+，同時會有24n ml H+通過陽離子交換膜移向左側(cè)溶液，則右側(cè)溶液的pH保持不變，故D正確；故選B。
高頻考點四 可充電電池（二次電池）
例4.（2023·新課標卷第10題）一種以V2O5和Zn為電極、水溶液為電解質(zhì)的電池，其示意圖如下所示。放電時，Zn2+可插入V2O5層間形成。下列說法錯誤的是
A. 放電時V2O5為正極
B. 放電時Zn2+由負極向正極遷移
C. 充電總反應(yīng)：
D. 充電陽極反應(yīng)：
【答案】C
【解析】由題中信息可知，該電池中Zn為負極、V2O5為正極，電池的總反應(yīng)為。由題信息可知，放電時，Zn2+可插入V2O5層間形成，V2O5發(fā)生了還原反應(yīng)，則放電時V2O5為正極，A說法正確；Zn為負極，放電時Zn失去電子變?yōu)閆n2+，陽離子向正極遷移，則放電時Zn2+由負極向正極遷移，B說法正確；電池在放電時的總反應(yīng)為，則其在充電時的總反應(yīng)為，C說法不正確；充電陽極上被氧化為V2O5，則陽極的電極反應(yīng)為，D說法正確；故選C。
【變式探究】(2022·全國乙卷，12)Li-O2電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖所示)。光照時，光催化電極產(chǎn)生電子(e－)和空穴(h＋)，驅(qū)動陰極反應(yīng)(Li＋＋e－===Li)和陽極反應(yīng)(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)對電池進行充電。下列敘述錯誤的是( )
A．充電時，電池的總反應(yīng)為Li2O2===2Li＋O2
B．充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)
C．放電時，Li＋從正極穿過離子交換膜向負極遷移
D．放電時，正極發(fā)生反應(yīng)：O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
【答案】C
【解析】充電時，光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動陰極反應(yīng)(Li＋＋e－===Li)和陽極反應(yīng)(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)，則充電時總反應(yīng)為Li2O2===2Li＋O2，充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)，A、B正確；放電時，金屬Li電極為負極，光催化電極為正極，Li＋從負極穿過離子交換膜向正極遷移，C錯誤；放電時總反應(yīng)為2Li＋O2===Li2O2，則正極反應(yīng)為O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2，D正確。
【變式探究】(2022·廣東，16)科學(xué)家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲能設(shè)備(如圖)。充電時電極a的反應(yīng)為NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3。下列說法正確的是( )
A．充電時電極b是陰極
B．放電時NaCl溶液的pH減小
C．放電時NaCl溶液的濃度增大
D．每生成1 ml Cl2，電極a質(zhì)量理論上增加23 g
【答案】C
【解析】由充電時電極a的反應(yīng)可知，充電時電極a發(fā)生還原反應(yīng)，所以電極a是陰極，則電極b是陽極，故A錯誤；放電時負極反應(yīng)為Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，正極反應(yīng)為Cl2＋2e－===2Cl－，反應(yīng)后Na＋和Cl－的濃度都增大，則放電時NaCl溶液的濃度增大，pH不變，故B錯誤、C正確；充電時陽極反應(yīng)為2Cl－－2e－===Cl2↑，陰極反應(yīng)為NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，由得失電子守恒可知，每生成1 ml Cl2，電極a質(zhì)量理論上增加23 g·ml－1×2 ml＝46 g，故D錯誤。
【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(yīng)，充電時是電解池反應(yīng)。
(2)放電時的負極反應(yīng)和充電時的陰極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，放電時的正極反應(yīng)和充電時的陽極反應(yīng)互為逆反應(yīng)。將負(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應(yīng)式。
(3)充、放電時電解質(zhì)溶液中離子移動方向的判斷
分析電池工作過程中電解質(zhì)溶液的變化時，要結(jié)合電池總反應(yīng)進行分析。
①首先應(yīng)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(yīng)式
若已知電池放電時的總反應(yīng)式，可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，由總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式，即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式。
【舉一反三】（2023·全國乙卷第12題）室溫鈉-硫電池被認為是一種成本低、比能量高的能源存儲系統(tǒng)。一種室溫鈉-硫電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。將鈉箔置于聚苯并咪唑膜上作為一個電極，表面噴涂有硫黃粉末的炭化纖維素紙作為另一電極。工作時，在硫電極發(fā)生反應(yīng)：S8+e-→S，S+e-→S，2Na++S+2(1-)e-→Na2Sx
下列敘述錯誤的是
A. 充電時Na+從鈉電極向硫電極遷移
B. 放電時外電路電子流動的方向是a→b
C. 放電時正極反應(yīng)為：2Na++S8+2e-→Na2Sx
D. 炭化纖維素紙的作用是增強硫電極導(dǎo)電性能
【答案】A
【解析】由題意可知放電時硫電極得電子，硫電極為原電池正極，鈉電極為原電池負極。充電時為電解池裝置，陽離子移向陰極，即鈉電極，故充電時，Na+由硫電極遷移至鈉電極，A錯誤；放電時Na在a電極失去電子，失去的電子經(jīng)外電路流向b電極，硫黃粉在b電極上得電子與a電極釋放出的Na+結(jié)合得到Na2Sx，電子在外電路的流向為a→b，B正確；由題給的的一系列方程式相加可以得到放電時正極的反應(yīng)式為2Na++S8+2e-→Na2Sx，C正確；炭化纖維素紙中含有大量的炭，炭具有良好的導(dǎo)電性，可以增強硫電極的導(dǎo)電性能，D正確；故選A。
高頻考點五 新型電源
例5.（2022·廣東卷）科學(xué)家基于易溶于的性質(zhì)，發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲能設(shè)備(如圖)。充電時電極a的反應(yīng)為： 。
下列說法正確的是
A. 充電時電極b是陰極
B. 放電時溶液的減小
C. 放電時溶液的濃度增大
D. 每生成，電極a質(zhì)量理論上增加
【答案】C
【解析】由充電時電極a的反應(yīng)可知，充電時電極a發(fā)生還原反應(yīng)，所以電極a是陰極，則電極b是陽極，故A錯誤；放電時電極反應(yīng)和充電時相反，則由放電時電極a的反應(yīng)為可知，NaCl溶液的pH不變，故B錯誤；放電時負極反應(yīng)為，正極反應(yīng)為，反應(yīng)后Na+和Cl-濃度都增大，則放電時NaCl溶液的濃度增大，故C正確；充電時陽極反應(yīng)為，陰極反應(yīng)為，由得失電子守恒可知，每生成1mlCl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g/ml2ml=46g，故D錯誤；答案選C。
【變式探究】（2022·全國乙卷）電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來科學(xué)家研究了一種光照充電電池(如圖所示)。光照時，光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)(Li2O2+2h+=2Li++O2)對電池進行充電。下列敘述錯誤的是
A. 充電時，電池的總反應(yīng)
B. 充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)
C. 放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移
D. 放電時，正極發(fā)生反應(yīng)
【答案】C
【解析】充電時光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動陰極反應(yīng)（Li++e-=Li+）和陽極反應(yīng)（Li2O2+2h+=2Li++O2），則充電時總反應(yīng)為Li2O2=2Li+O2，結(jié)合圖示，充電時金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽極；則放電時金屬Li電極為負極，光催化電極為正極；據(jù)此作答。光照時，光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)對電池進行充電，結(jié)合陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)，充電時電池的總反應(yīng)為Li2O2=2Li+O2，A正確；充電時，光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，陰極反應(yīng)與電子有關(guān)，陽極反應(yīng)與空穴有關(guān)，故充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)，B正確；放電時，金屬Li電極為負極，光催化電極為正極，Li+從負極穿過離子交換膜向正極遷移，C錯誤；放電時總反應(yīng)為2Li+O2=Li2O2，正極反應(yīng)為O2+2Li++2e-=Li2O2，D正確；答案選C。
【舉一反三】（2022·全國甲卷）一種水性電解液Zn-MnO2離子選澤雙隔膜電池如圖所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)存在)。電池放電時，下列敘述錯誤的是
A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移
B．Ⅰ區(qū)的SO42-通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移
C． MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O
【答案】A
【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)和題目所給信息可知，Ⅲ區(qū)Zn為電池的負極，電極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)42-，Ⅰ區(qū)MnO2為電池的正極，電極反應(yīng)為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；電池在工作過程中，由于兩個離子選擇隔膜沒有指明的陽離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個離子隔膜均可以通過陰、陽離子，因此可以得到Ⅰ區(qū)消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動或Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動，Ⅲ區(qū)消耗OH-，生成Zn(OH)42-，Ⅱ區(qū)的SO42-向Ⅲ區(qū)移動或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動。據(jù)此分析答題。根據(jù)分析，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動，A錯誤；根據(jù)分析，Ⅰ區(qū)的SO42-向Ⅱ區(qū)移動，B正確；MnO2電極的電極反應(yīng)式為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正確；電池的總反應(yīng)為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O，D正確；故答案選A。
【舉一反三】最近科學(xué)家研發(fā)了“全氫電池”，工作原理如圖所示。下列說法正確的是

A．吸附層a發(fā)生的電極反應(yīng)為：
B．NaClO4的作用是傳導(dǎo)離子并參與電極反應(yīng)
C．電解質(zhì)溶液中Na+向左移動，ClO向右移動
D．全氫電池的總反應(yīng)為：2H2+O2=2H2O
【答案】A
【分析】電子由吸附層a流向b以及吸附層a上氫氣失去電子與氫氧根結(jié)合生成水；吸附層b上氫離子得到電子生成氫氣可知，吸附層a為負極，吸附層b為正極。據(jù)此分析可得：
【解析】電子由吸附層a流出且氫氣在吸附層a上與氫氧根結(jié)合生成水，則吸附層a發(fā)生的電極反應(yīng)為：，故A正確；的作用是離子的定向移動而形成電流，，但不參與電極反應(yīng)，故B錯誤；由分析可知，吸附層a為負極、吸附層b為正極；陽離子（）向正極移動（向右移）；陰離子（）移向負極（即向左移動），故C錯誤；吸附層a上氫氣失去電子與氫氧根結(jié)合生成水；吸附層b上氫離子得到電子生成氫氣可知，“全氫電池”工作時，將酸與堿反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，則其總反應(yīng)為：，故D錯誤；故選A。
電極名稱
負極
正極
電極材料
鋅片
銅片
電極反應(yīng)
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反應(yīng)類型
氧化反應(yīng)
還原反應(yīng)
電子流向
由Zn片沿導(dǎo)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
名稱
單液原電池
雙液原電池
裝置
相同點
正、負極電極反應(yīng)，總反應(yīng)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，又有化學(xué)能轉(zhuǎn)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，避免了能量損耗，故電流穩(wěn)定，持續(xù)時間長
種類
酸性
堿性
負極反應(yīng)式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正極反應(yīng)式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
電池總反應(yīng)式
2H2＋O2===2H2O
備注
燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強的催化活性，起導(dǎo)電作用
陽離子交換膜
只允許陽離子(包括H＋)通過
陰離子交換膜
只允許陰離子通過
質(zhì)子交換膜
只允許H＋通過
燃料電池電解質(zhì)
正極反應(yīng)式
酸性電解質(zhì)
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
堿性電解質(zhì)
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固體電解質(zhì)
(高溫下能傳導(dǎo)O2－)
O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)
O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)

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