第六章化学反应与能量第二节原电池化学电源讲述

第六章化学反应与能量

第二节原电池化学电源

考点一| 原电池原理

[教材知识层面]

1．概念

把化学能转化为电能的装置。

2．构成条件

(1)有两个活泼性不同的电极(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Cu-Zn原电池，请填空：

(1)反应原理：

(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：

装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，易造成能量损耗；装置Ⅱ能避免能量损耗；装置Ⅱ中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。

[高考考查层面]

命题点1 与原电池原理有关的辨析

理解原电池的工作原理要注意的四点

(1)只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。

(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同形成了一个完整的闭合回路。

(3)不论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。

(4)原电池负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。

[典题示例]

1．在如图所示的8个装置中，属于原电池的是( )

A．①④B．③④⑤

C．④⑧ D．②④⑥⑦

解析：选D 根据原电池的构成条件可知：①中只有一个电极，③中两电极材料相同，

⑤中酒精不是电解质，⑧中两电极材料相同且无闭合回路，故①③⑤⑧不能构成原电池。

2.如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中

电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是( )

A．外电路的电流方向为：X→外电路→Y

B．若两电极分别为铁和碳棒，则X为碳棒，Y为铁

C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

D．若两电极都是金属，则它们的活动性强弱为X＞Y

解析：选D 外电路电子流向为X→外电路→Y，电流方向与其相反，X极失电子，作负极，Y极发生的是还原反应，X极发生的是氧化反应。若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。

命题点2 原电池正、负极的判断及电极反应式的书写

1．原电池正、负极的判断方法

2. “三”步完胜电极反应式的书写

[典题示例]

1．(2015·泗洪模拟)如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是( )

A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极

B．电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu

C．该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋

D．盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子

解析：选C 该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋。电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的正极，反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，电极Ⅱ为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递离子。

2．(2012·四川高考)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是( )

A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动

B．若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气

C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O

D．正极上发生的反应是O2＋4e－＋2H2O===4OH－

解析：选C 电解质溶液中阳离子应向正极移动，A项错误；酸性溶液中，正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，D项错误；结合正极反应式，转移0.4 mol电子时，消耗O20.1 mol，其在标准状况下的体积为2.24 L，B项错误；C项符合题目要求，正确。

[考点达标层面]

1．有关电化学知识的描述正确的是( )

A．CaO＋H2O===Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能

B．某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液

C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成

D．一般地说，能自发进行的氧化还原反应可设计成原电池

解析：选D CaO＋H2O===Ca(OH)2不是氧化还原反应；KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。

2．铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是( )

A．正极反应为：Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从Cu极流向Zn极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

解析：选B 该电池中Zn为负极，电极反应：Zn－2e－===Zn2＋，Cu为正极，电极反应为：Cu2＋＋2e－===Cu，A项错误；电池总反应为：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，B项正确；原电池工作时，外电路中电子由负极流出经导线流向正极，C项错误；负极上由于Zn放电，ZnSO4溶液中Zn2＋的浓度增大，故盐桥中的Cl－移向ZnSO4溶液，D项错误。

考点二| 化学电源

[教材知识层面] 1．一次电池(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

2．二次电池(以铅蓄电池为例)

(1)放电时的反应：

①负极反应：Pb(s) －2e－＋SO2－4(aq)===PbSO4(s)。

②正极反应：PbO2(s)＋2e－＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)===PbSO4(s)＋

2H2O(l)。

③总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。

(2)充电时的反应：

①阴极反应： PbSO4(s)＋2e－=== Pb(s) ＋SO2－4(aq)。

②阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－ 2e－=== PbO2(s)＋ 4H＋＋SO2－4(aq)。

③总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。

3．燃料电池

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。

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

[高考考查层面]

命题点1 新型电源中电极反应式的书写

首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解

质溶液中的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。

[典题示例]

按要求写出电极反应式或总反应方程式。

(1) 肼(N2H4)_空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的电极反应式为____________________。

(2)K2FeO4_Zn可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应为________________________________________________________________________，该电池总反应的离子方程式为_______________________。

(3)铝电池性能优越，Al_AgO电池可用作水下动力电源，其原理如下图所示。该电池反应的化学方程式为_______________________________________________________。

解析：(1)肼_空气燃料电池是一种碱性电池，O2在正极反应，故负极是肼发生反应：N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O。

(2) K2FeO4_Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeO2－4中＋6价铁元素被还原为Fe(OH)3中＋3价铁元素，其电极反应式为FeO2－4＋ 3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－；总反应的离子方程式也可写出，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。

(3)Al作负极，AgO/Ag作正极，NaOH和NaAlO2溶液是电解质溶液，所以生成物是NaAlO2、Ag、H2O。

答案：(1)N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O

(2) FeO2－4＋ 3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－

2FeO2－4＋8H2O＋3Zn===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－

(3)2Al＋3AgO＋2NaOH===2NaAlO2＋3Ag＋H2O

命题点2 不同环境对燃料电池电极反应式的影响

[典题示例]

甲烷燃料电池在不同环境下电极反应式的书写：

(1)酸性条件

电池总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)碱性条件

电池总反应式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O①

正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：_______________________________________

________________________________________________________________________。

(3)固体电解质(高温下能传导O2－)

电池总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

正极反应式：O2＋4e－===2O2－②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：______________________________________

________________________________________________________________________。

(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下

电池总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

正极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO2－3②

①－②×2，得燃料电池负极反应式：_______________________________________

________________________________________________________________________。

答案：(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

(2)CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O

(3)CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

(4)CH4＋4CO2－3－8e－===5CO2＋2H2O

[方法技巧]

三步突破燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出电池总反应式

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。

如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②

①式＋②式得燃料电池总反应式为：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。

第二步：写出电池的正极反应式

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：

(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－===2CO2－3。

第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式

电池反应的总反应式－电池正极反应式===电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。

[考点达标层面]

1．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )

A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe

B．电池放电时，负极反应为 Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2

C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低

D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋H2O

解析：选C 在铁镍蓄电池中，Fe是负极，Ni2O3是正极，由于生成Fe(OH)2，则电解液为碱性溶液，A正确；电池放电时，负极反应为：Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，B正确；电池充电时，阴极反应式为：Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，阴极附近溶液pH升高，C错误；由充电时的总反应式减去阴极反应式，可得到阳极反应式，D正确。

2．(1)直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极反应式为________________________________________________________________________、正极反应式为______________________________________________________。

(2) 熔融盐电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关电池反应式。阳极反应式：2CO＋2CO2－3－4e－===4CO2，阴极反应式：__________________，电池总反应式：_________________________________________。

解析：(1)负极上甲醇失电子，在酸性条件下与水反应生成氢离子：CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋。正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

(2)本题中电池中的电解质是熔融物，而不是电解质溶液，但有自由移动的离子CO2－3存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电子转移，燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极CO失去电子，而阴极应为O2得到电子，再与阴极助燃气CO2反应生成电解质阴离子CO2－3。

答案：(1)CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋

3

O2＋6e－＋6H＋===3H2O

2

(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO2－32CO＋O2===2CO2

考点三| 原电池原理的四大应用

[高考考查层面]

命题点1 比较金属的活动性强弱

原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。

如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以判断金属活动性A＞B。

[典题示例]

有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D→导线→C；③A、C 相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D 极发生氧化反应；⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。据此，判断五种金属的活动性顺序是( )

A．A＞B＞C＞D＞E B．A＞C＞D＞B＞E

C．C＞A＞B＞D＞E D．B＞D＞C＞A＞E

解析：选B 金属与稀H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H＋在正极电极表面得到电子生成H2，电子流动方向由负极→正极，电流方向则由正极→负极。在题述原电池中，A—B原电池，A为负极；C—D原电池，C为负极；A—C原电池，A为负极；B—D原电池，D为负极；E先析出，E不活泼。综上可知，金属活动性：A＞C＞D＞B＞E。

命题点2 加快化学反应速率

由于形成了原电池，导致反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴

加少量CuSO4溶液，形成Cu－Zn原电池，加快反应进行。

[典题示例]

将两份过量的锌粉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)的关系正确的是( )

解析：选B 加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，由于H2SO4定量，产生H2的体积一样多。

命题点3 用于金属的防护

使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。

[典题示例]

利用如图装置，可以模拟铁的电化学防护。若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于________处。若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为________。

解析：铁被保护，可以是做原电池的正极，或者电解池的阴极。故若X为碳棒，开关K 应置于N处，Fe做阴极受到保护；若X为锌，开关K置于M处，铁作正极，锌作负极，称为牺牲阳极的阴极保护法。

答案：N 牺牲阳极的阴极保护法

命题点4 设计原电池

设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件

(1)必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。

(2)根据氧化还原关系找出正负极材料(负极是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属，也可以用石墨)及电解质溶液。

①电极材料的选择：

在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。

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应含有与电极材料相同的阳离子。如在Cu－Zn构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2＋的电解质溶液中。

(3)按要求画出原电池装置示意图：

请根据Cu＋2Ag＋===Cu2＋＋2Ag设计电池：

[典题示例]

1．某原电池总反应为：Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，下列能实现该反应的原电池是( )

A B C D

电极材料Cu、Zn Cu、C Fe、Zn Cu、Ag

电解液FeCl3Fe(NO3)2CuSO4Fe2(SO4)3

解析：选D 由题意知，Cu为负极材料，正极材料的金属活动性必须弱于Cu，其中B、D项符合该条件；由Fe3＋得电子生成Fe2＋知，电解质溶液中必须含有Fe3＋，同时符合上述两条件的只有D项。

2．某校化学兴趣小组进行探究性活动，将氧化还原反应：2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2，设计成盐桥原电池。提供的试剂：FeCl3溶液，KI溶液；其他用品任选。请回答下列问题：

(1)请画出设计的原电池装置图，并标出电极材料，电极名称及电解质溶液。

(2)发生氧化反应的电极极反应式为______________________________________。

(3)反应达到平衡时，外电路导线中________(填“有”或“无”)电流通过。

(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，当固体全部溶解后，则此时该溶液中电极变为________(填“正”或“负”)极。

解析：(1)先分析氧化还原反应，找出正负极反应，即可确定正负极区电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极，I－失电子。(3)反应达到平衡时，无电子流动，故无电流产生。

(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，平衡逆向移动，此时FeCl2溶液失电子，变成负极。

答案：(1)如图：

(2)2I－－2e－===I2

(3)无(4)负

[考点达标层面]

1．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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

解析：选A 由①知，金属活动性：M＞N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，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。综合可知，A正确。

2．称取三份锌粉，分别盛于甲、乙、丙三支试管中，按下列要求另加物质后，塞上带导管的塞子，定时间测定生成H2的体积。甲：加入50 mL、pH＝3的盐酸；乙：加入50 mL、pH＝3的醋酸；丙：加入50 mL、pH＝3的醋酸及少量胆矾粉末。若反应终止时，生成的H2一样多，且无剩余的锌。回答下列问题：

(1)开始时反应速率的大小关系为________(用“＞”、“＝”或“＜”表示，下同)。

(2)三支试管中参加反应的锌的质量为________________。

(3)反应终止，所需的时间为________。

(4)在反应过程中，乙、丙速率不同的原因是________________________________。

解析：(1)开始时，溶液中的c(H＋)相同，因此反应速率相同。(2)由于生成的H2一样多，且无剩余的锌，因此与酸反应的Zn的量相同，考虑到丙中少量的锌与CuSO4发生了反应，因此有甲＝乙＜丙。(3)由于丙中形成原电池能加快反应速率，且醋酸在反应过程中不断电离出H＋，因此反应所需的时间为甲＞乙＞丙。

答案：(1)甲＝乙＝丙(2)甲＝乙＜丙(3)甲＞乙＞丙

(4)在丙中Cu2＋被Zn置换出来后，Zn_醋酸_Cu形成了原电池，使反应速率加快，反应时间缩短

3．利用反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2，设计一个原电池装置。

(1)画出简易装置图，标明电极材料和电解质溶液。

(2)简易装置的效率不高，电流在短时间内就会衰减。为解决以上问题，常将原电池设

计成带盐桥的装置，画出该原电池装置，标明电极材料和电解质溶液。

(3)写出两个电极上的电极反应。

负极：_____________________________________________________________，

正极：_____________________________________________________________。

解析：首先将已知的反应拆成两个半反应：Cu－2e－===Cu2＋、2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，然后结合原电池的电极反应特点分析可知，该原电池的负极材料为Cu，正极材料选用比铜活动性差的能导电的材料即可。

答案：12

(3)Cu－2e－===Cu2＋2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

以“两个甲烷燃料电池串联”为载体串联原电池的相关知识

高考载体(2012·海南高考T16改编)

新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质溶液为KOH 溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。

[知识串联设计]

(1)通入甲烷的一极作原电池的________极(填“正”或“负”下同)，通入O2的一极作原电池的________极。〖考查原电池正、负极的判断〗

(2)该甲烷燃料电池中，负极反应式为____________________，正极反应式为____________________。〖考查原电池电极反应式的书写〗

(3)电池工作时，燃料电池中OH－向哪一极移动？K＋向哪一极移动？________________________。〖考查原电池中离子的移动方向〗