2020-2021学年高三化学一轮复习知识点第20讲 原电池 化学电源

第20讲原电池化学电源

【考情分析】

1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。

2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

【核心素养分析】

变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。

证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。

科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。

【重点知识梳理】

知识点一原电池的工作原理及应用

1.概念和反应本质

原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。

2.构成条件

(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。

(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。

(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：

①电解质溶液；

②两电极直接或间接接触；

③两电极插入电解质溶液中。

3.工作原理

以锌铜原电池为例

(1)反应原理

(2)盐桥的组成和作用

①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。

②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。

（3）单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比

4.原电池原理的应用

(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。

(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。

(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。

(4)设计制作化学电源

①首先将氧化还原反应分成两个半反应。

②根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。

知识点二常见化学电源及工作原理

一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用

1.碱性锌锰干电池

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

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－。

2.纽扣式锌银电池

总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

电解质是KOH。

负极材料：Zn。

电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。

正极材料：Ag2O。

电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

3.锂电池

Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。

(1)负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。

(2)正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SO2－3＋6Cl－。

二、二次电池：放电后能充电复原继续使用

1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

(1)放电时——原电池

负极反应：Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)；

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

(2)充电时——电解池

阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq)；

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

2.图解二次电池的充放电

3.二次电池的充放电规律

(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。

(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。

三、燃料电池

1.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。

2.解答燃料电池题目的思维模型

3.解答燃料电池题目的几个关键点

(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。

(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。

(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

【典型题分析】

高频考点一原电池原理及其应用

【例1】（2020·湖南湘潭一中模拟）下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是()

A．①中锌电极发生氧化反应

B．②中电子由a电极经导线流向b电极

C．③中外电路中电流由A电极流向B电极

D．④中Li x C6做负极

【答案】C

【解析】在原电池中阴离子移向负极，所以③中A电极为负极，则外电路中电流应由B电极流向A电极。

【变式探究】（2020·山西太原模拟）等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a 中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()

【答案】D

【解析】a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀

H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。

【变式探究】（2020·河南许昌一中模拟）有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：

由此可判断这四种金属的活动性顺序是()

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】把四个实验从左到右分别编号为①②③④，则由实验①可知，a极质量减少，b极质量增加，则a做原电池负极，b做原电池正极，金属的活动性：a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，金属的活动性：b>c；由实验③可知，d极溶解，c极有气体产生，则d做原电池负极，c做原电池正极，金属的活动性：d>c；由实验④可知，外电路中电流从a极流向d极，则d做原电池负极，a做原电池正极，金属的活动性：d>a。综上所述，四种金属的活动性：d>a>b>c。

高频考点二盐桥原电池的考查

【例2】（2020·河北唐山模拟）根据下图，下列判断中正确的是()

A.烧杯a中的溶液pH降低

B.烧杯b中发生氧化反应

C.烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑

D.烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

【答案】B

【解析】由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋。

【变式探究】（2020·山东日照模拟）控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I 2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是()

A.反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B.反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原

C.电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D.电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

【答案】D

【解析】由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；在甲中加入FeCl 2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

高频考点三燃料电池

【例3】(2019·高考全国卷Ⅰ，12，6分)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是()

A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋

C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【答案】B

【解析】由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MV＋－e－===MV2＋，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H＋通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。

【方法技巧】燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出燃料电池反应的总反应式

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。

【变式探究】（2020·长春实验中学模拟）十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是()

A．该电池放电时质子从电极b移向电极a

B．电极a附近发生的电极反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋

C．电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1

【答案】D

【解析】A项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极a为负极，则该电池放电时质子从电极a移向电极b，错误；B项，电极a为负极，发生氧化反应，电极反应为SO2＋2H2O－2e－===SO2－4＋4H＋，硫酸应当拆为离子形式，错误；C项，酸性条件下，氧气得电子与氢离子反应生成水，电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，错误；D项，由总反应式2SO2＋O2＋2H2O===2SO2－4＋4H＋可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，正确。

高频考点四可充电电池（二次电池）

【例4】（2020·新课标Ⅰ）科学家近年发明了一种新型Zn?CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是

A. 放电时，负极反应为24Zn 2e 4OH Zn(OH)---

-+= B. 放电时，1 mol CO 2转化为HCOOH ，转移的电子数为2 mol

C. 充电时，电池总反应为24222Zn OH) 2Zn O 4OH O (2H --

=+↑++

D. 充电时，正极溶液中OH ?浓度升高 【答案】D

【解析】由题可知，放电时，CO 2转化为HCOOH ，即CO 2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn 发生氧化反应生成2-

4Zn(OH)；充电时，右侧为阳极，H 2O 发生氧化反应生成O 2，左侧为阴极，2-4Zn(OH)发生还原反应生成Zn ，以此分析解答。放电时，负极上Zn 发生氧化反应，电极反应式为：--2-

4Zn-2e +4OH =Zn(OH)，故A 正确；放电时，CO 2转化为HCOOH ，C 元素化合价降低2，则1molCO 2转化为HCOOH 时，转移电子数为2mol ，故B 正确；充电时，阳极上H 2O

转化为O 2，负极上2-4Zn(OH)转化为Zn ，电池总反应为：2--

4222Zn(OH)=2Zn+O +4OH +2H O ↑，故

C 正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为：-+

222H O-4e =4H +O ↑，溶液中H +浓度增大，溶液中c (H +)?c (OH -)=K W ，温度不变时，K W 不变，因此溶液中OH -浓度降低，故D 错误。

【举一反三】[2019新课标Ⅲ]为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn （3D ?Zn ）可以高效沉积ZnO 的特点，设计了采用强碱性电解质的3D ?Zn —NiOOH 二次电池，结构如下

图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H 2O(l)???→←???

放电

充电

ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是（ ）

A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高

B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH?(aq)?e?===NiOOH(s)+H2O(l)

C．放电时负极反应为Zn(s)+2OH?(aq)?2e?===ZnO(s)+H2O(l)

D．放电过程中OH?通过隔膜从负极区移向正极区

【答案】D

【解析】三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，吸附能力强，所沉积的ZnO分散度高，A正确；充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是Ni(OH)2失去电子转化为NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH? (aq)? e? ＝NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确；放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)＋2OH? (aq)? 2e? ＝ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中OH? 通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。

【举一反三】[2019天津]我国科学家研制了一种新型的高比能量锌?碘溴液流电池，其工作原理示意图

如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确

．．．的是

A. 放电时，a电极反应为I2Br－＋2e－===2I－＋Br－

B．放电时，溶液中离子的数目增大

C．充电时，b电极每增重0.65 g，溶液中有0.02 mol I－被氧化

D．充电时，a电极接外电源负极

【答案】D

【解析】放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br? +2e? =2I? +Br? ，故A正确；放电时，正极反应式为I2Br? +2e? =2I? +Br? ，溶液中离子数目增大，故B正确；充电时，b电极反应式为

Zn2＋+2e? =Zn，每增加0.65g，转移0.02mol电子，阳极反应式为Br? +2I? ?2e? =I2Br? ，有0.02molI? 失电子被氧化，故C正确；充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误。

【方法技巧】

1．可充电电池的思维模型

因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。

2．可充电电池的分析流程

(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。

(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。

(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断

分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。

①首先应分清电池是放电还是充电。

②再判断出正、负极或阴、阳极。

(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式

若已知电池放电时的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，由总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

【变式探究】(2018·全国卷Ⅱ，12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为

3CO 2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是()

A.放电时，ClO－4向负极移动

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

C.放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO2－3＋C

D.充电时，正极反应为Na ＋＋e －

===Na 【答案】D

【解析】根据电池的总反应知，放电时负极反应：4Na －4e －

===4Na ＋

正极反应：3CO 2＋4e －

===2CO 2－

3＋C 充电时，阴(负)极：4Na ＋

＋4e －

===4Na 阳(正)极：2CO 2－

3＋C －4e －===3CO 2↑

放电时，ClO －

4向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO 2，放电时吸收CO 2。 【举一反三】(2018·全国卷Ⅲ)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O 2与Li ＋

在多孔碳材料电极处生成Li 2O 2－x (x ＝0或1)。下列说法正确的是( )

A ．放电时，多孔碳材料电极为负极

B ．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C ．充电时，电解质溶液中Li ＋

向多孔碳材料区迁移 D ．充电时，电池总反应为Li 2O 2－x ===2Li ＋????1－x

2O 2 【答案】D

【解析】由题意知，放电时负极反应为Li －e －

===Li ＋

，正极反应为(2－x )O 2＋4Li ＋

＋4e －

===2Li 2O 2－x (x ＝0或1)，电池总反应为????1－x

2O 2＋2Li===Li 2O 2－x 。该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A 项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B 项错误；该电池放电时，电解质溶液中的Li ＋

向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li ＋

向锂材料区迁移，C 项错误；充电时电池总反应为Li 2O 2－x ===2Li ＋(1－x

2

)O 2，D 项正确。

高频考点五 新型电源

【例5】（2020·新课标Ⅲ）一种高性能的碱性硼化钒(VB 2)—空气电池如下图所示，其中在VB 2电极发生反应：--3--2442VB +16OH -11e =VO +2B(OH)+4H O 该电池工作时，下列说法错误的是

A. 负载通过0.04 mol 电子时，有0.224 L(标准状况)O 2参与反应

B. 正极区溶液的pH 降低、负极区溶液的pH 升高

C. 电池总反应为3222444VB 11O 20OH 6H O 8B(OH)4VO -

-

-

+++=+ D. 电流由复合碳电极经负载、VB 2电极、KOH 溶液回到复合碳电极 【答案】B

【解析】根据图示的电池结构，左侧VB 2发生失电子的反应生成3-4VO 和-4B(OH)，反应的电极方程式如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成OH -，反应的电极方程式为

O 2+4e -+2H 2O=4OH -，电池的总反应方程式为4VB 2+11O 2+20OH -+6H 2O=8-4B(OH)+43-4VO ，据此分析。当负极通过0.04mol 电子时，正极也通过0.04mol 电子，根据正极的电极方程式，通过0.04mol 电子消耗0.01mol 氧气，在标况下为0.224L ，A 正确；反应过程中正极生成大量的OH -使正极区pH 升高，负极消耗OH -使负极区OH -浓度减小pH 降低，B 错误；根据分析，电池的总反应为

4VB 2+11O 2+20OH -+6H 2O=8-4B(OH)+43-4VO ，C 正确；电池中，电子由VB 2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极→负载→VB 2电极→KOH 溶液→复合碳电极，D 正确。

【变式探究】 (2018·海南卷)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH 浓溶液。下列说法正确的是( )

A ．电池总反应式为2Mg ＋O 2＋2H 2O===2Mg(OH)2

B ．正极反应式为Mg －2e －

===Mg 2＋

C ．活性炭可以加快O 2在负极上的反应速率

D ．电子的移动方向由b 经外电路到a 【答案】A

【解析】负极电极反应式为Mg －2e －

＋2OH －

===Mg(OH)2↓、正极电极反应式为O 2＋4e －

＋2H 2O===4OH

－

，得失电子相同的条件下，将正负极电极反应式相加得电池总反应式为2Mg ＋O 2＋2H 2O===2Mg(OH)2，

故A 正确，B 错误；通入O 2的电极是正极，活性炭可以加快O 2在正极上的反应速率，故C 错误；Mg 作负极、活性炭作正极，电子从负极a 经外电路到正极b ，故D 错误。

【变式探究】(2017·全国卷Ⅲ，11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a 常用掺有石墨烯的S 8材料，电池反应为16Li ＋x S 8===8Li 2S x (2≤x ≤8)。下列说法错误的是( )

A.电池工作时，正极可发生反应：2Li 2S 6＋2Li ＋

＋2e －

===3Li 2S 4 B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol 电子，负极材料减重0.14 g C.石墨烯的作用主要是提高电极a 的导电性 D.电池充电时间越长，电池中Li 2S 2的量越多 【答案】D

【解析】A 项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中Li ＋

移动方向可知，电极a 为正极，正极发生还原反应，由总反应可知正极依次发生S 8→Li 2S 8→ Li 2S 6→Li 2S 4→Li 2S 2的还原反应，正确；B 项，电池工作时负极电极反应式为Li －e －

===Li ＋

，当外电路中流过0.02 mol 电子时，负极消耗的Li 的物质的量为0.02 mol ，其质量为0.14 g ，正确；C 项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极a 的导电能力，正确；D 项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为8Li 2S x =====电解

16Li ＋x S 8(2≤x ≤8)，故Li 2S 2的量会越来越少直至充满电，错误。