2020年高考化学复习：原电池+化学电源学案

第2讲原电池化学电源

见《自学听讲》P110

一、原电池

1.概念:①把转化为②的装置。

2.构成条件

(1)有两个③的电极(常为金属或石墨)。

(2)将电极插入④中。

(3)两电极间构成闭合回路。

3.工作原理

(续表)

电子流向由片沿导线流向

片

离子迁移阴离子向迁移

阳离子向迁移电池总反

Zn+Cu2+Cu+Zn2+

二、化学电源的种类及其工作原理

1.一次电池(碱性锌锰电池)

碱性锌锰电池的工作原理如图所示:

负极(Zn),电极反应式为。

正极(MnO 2),电极反应式为2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-。总反应式:Zn+2MnO 2+2H2O Zn(OH)2+2MnOOH。

2.二次电池(以铅蓄电池为例)

(1)放电时的反应

a.负极反应:。

b.正极反应:PbO 2+4H++S-+2e-PbSO4+2H2O。

c.总反应:Pb+PbO 2+2H2SO42PbSO4+2H2O。

(2)充电时的反应

a.阴极反应:。

b.阳极反应:。

c.总反应:2PbSO 4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4。

3.燃料电池(以氢氧燃料电池为例)

负极反应

正极反应

电池总反

2H2+O22H2O

⑤锌⑥铜⑦Zn-2e -Zn2+⑧Cu2++2e-Cu ⑨氧化⑩还原锌铜

负极正极Zn+2OH --2e-Zn(OH)2Pb+S--2e-PbSO4PbSO4+2e-Pb+S -PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S-2H2-4e-4H+

2H 2+4OH--4e-4H2O O2+4H++4e-2H2O O2+2H2O+4e-4OH-

1.原电池实质的2个方面

(1)能量转化:化学能转化为电能。

(2)反应本质:自发进行的氧化还原反应。

2.原电池中的4个“方向”

(1)外电路中电子移动方向:负极→正极。

(2)外电路中电流方向:正极→负极。

(3)电池内部离子移动方向:阴离子→负极,阳离子→正极。

(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:

K+→正极,Cl一→负极。3.判断原电池正负极的6种方法

电极材料、电极现象、电子移向、离子移向、得失电子、电解质溶液。

4.原电池电极反应式的书写方法

(1)列物质,标得失。判断电极产物,标出电子得失数量。

(2)看环境,配守恒。依据电解质环境和电荷守恒,添加合理的离子。在水溶液中,若前面添加H+或OH-,则后面生成H2O,若在后面添加H+或OH-,则前面必添加H2O;在非水环境中则应依据实际环境添加合理的离子或分子。

(3)两式相加,验总式。

见《自学听讲》P111

原电池的工作原理

1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。

(1)原电池工作时,正极表面一定有气泡产生。( )

(2)Mg-Al形成的原电池,Mg一定作负极。( )

(3)在原电池中,正极材料本身一定不参与电极反应,负极材料本身一定要发生氧化反应。( )

(4)实验室制备H2时,用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。( )

(5)铁铜原电池中,负极反应式为Fe-3e-Fe3+。( )

(6)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。( )

(7)锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液,形成闭合回路,所以有电流产生。( )

(1)×(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×

2.下列有关电化学知识的描述正确的是( )。

A.反应CaO+H 2O 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+2AgNO 3Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是含琼胶的饱和KCl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的

D.从理论上讲,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池

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

D

3.有关如图所示原电池的叙述不正确

的是( )。

．．．

A.电子沿导线由Cu片流向Ag片

B.正极的电极反应式是Ag ++e-Ag

C.Cu片上发生氧化反应,Ag片上发生还原反应

D.反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液

该装置是原电池装置,实质上发生的是Cu与硝酸银的反应,所以Cu失去电子,发生氧化反应,则Cu是负极,Ag是正极,电子从负极流向正极,A项正确;正极是Ag+发生还原反应,得到电子生成Ag,B项正确;根据以上分析,Cu片上发生氧化反应,Ag片上发生还原反应,C 项正确;原电池中,阳离子向正极移动,所以盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液,D项错误。

D

4.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )。

A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极

B.②中Mg作正极,电极反应式为6H 2O+6e-6OH-+3H2↑

C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e -Fe2+

D.④中Cu作正极,电极反应式为2H ++2e-H2↑

解析②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al作负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子作负极,A、C两项均错误;②中电池的总反应为2Al+2NaOH+2H 2O2NaAlO2+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-

2Al -+4H2O,二者相减得到正极反应式为6H2O+6e-6OH-+3H2↑,B项正确;④中Cu是正极,电极反应式为O 2+2H2O+4e-4OH-,D项错误。

B

一、规避原电池工作原理的3个失分点

1.原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。

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组成了一个完整的闭合回路。

3.无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。

二、判断原电池正、负极的5种方法

三、“3步”完胜电极反应式的书写

的

1.某课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置如图所示。下列说法错误

．．是( )。

A.铜片表面有气泡生成

B.装置中存在“化学能→电能→光能”的转换

C.如果将硫酸换成柠檬汁,导线中不会有电子流动

D.如果将锌片换成铁片,电路中的电流方向不变

铜锌原电池中,Cu作正极,溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气,所以Cu上有气泡生成,故A项正确;原电池中化学能转化为电能,LED灯发光时,电能转化为光能,故B项正确;柠檬汁显酸性,也能作电解质溶液,所以将硫酸换成柠檬汁,仍然构成原电池,导线中有电子流动,故C项错误;Cu的金属活动性比Zn、Fe都弱,Cu作正极,所以电路中的电流方向不变,仍然由Cu流向负极,故D项正确。

C

2.(2018年湖南衡东一中月考)原电池(如图)工作时,下列叙述正确的是( )。

A.正极反应式为Zn-2e -Zn2+

B.电流从Zn电极流向铁电极

C.盐桥中的Cl-移向FeSO4溶液

D.电池总反应为Zn+Fe 2+Zn2++Fe

活泼电极锌作负极;电流和电子的流动方向相反;原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极;A、B、C三项错误。

D

3.(1)Fe-Cu-稀H2SO4组成的原电池中,负极反应式为,正极反应式为,电池总反应为。

(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,其正极反应式为,负极反应式为。

(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,其负极反应式为。

(4)与MnO2—Zn电池类似,K2FeO4—Zn也可以组成碱性电池,K2FeO4在电池中作为正极材料,其电极反应式为,该电池总反应的离子方程式

为。

解析(1)Fe作负极,电极反应式为Fe-2e -Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-

H 2↑。

(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,正极为Cu,电极反应式为Fe 3++e-Fe2+;负极为Pb,电极反应式为Pb-2e -Pb2+。

(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,Al遇浓硝酸钝化,Cu作负极,电极反应式为Cu-2e-

Cu2+。

(4)K2FeO4-Zn组成碱性电池,K2FeO4在电池中作正极,Fe-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Fe-+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-;书写总反应的离子方程式时,关键是抓住生成物中Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。

答案(1)Fe-2e -Fe2+;2H++2e-H2↑;

Fe+2H +Fe2++H2↑

(2)Fe 3++e-Fe2+;Pb-2e-Pb2+

(3)Cu-2e -Cu2+

(4)Fe -+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-;

2Fe -+8H2O+3Zn2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-

原电池原理的应用

1.为保护地下钢管不受腐蚀,可采取的措施有( )。

A.与石墨棒相连

B.与铜板相连

C.埋在潮湿、疏松的土壤中

D.与锌板相连

A 项,石墨棒与铁构成原电池,铁更活泼,失电子,作负极,被腐蚀;

B 项,铜板与铁构成原电池,铁比铜活泼,失电子,作负极,被腐蚀;

C 项,在潮湿、疏松的土壤中,钢管中的碳、铁与水、空气构成原电池,铁失电子,作负极,被腐蚀

;D 项,锌板与铁构成原电池,锌比铁活泼,锌失电子,作负极,锌被腐蚀,铁被保护。

D

2.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: 实验 装置

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

把四个实验从左到右分别编号为①②③④,则由实验①可知,a作原电池负极,b作原电池正极,金属活动性a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则金属活动性b>c;由实验③可知,d极溶解,则d作原电池负极,c作正极,金属活动性d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,金属活动性d>a。综上所述,金属活动性d>a>b>c。

C

3.某原电池的电池反应为Fe+2Fe 3+3Fe2+,与此电池反应不符

的原电池是( )。

．．

A.铜片、铁片、FeCl3溶液组成的原电池

B.石墨、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池

C.铁片、锌片、Fe2(SO4)3溶液组成的原电池

D.铜片、铁片、Fe(NO3)3溶液组成的原电池

由电池反应可知,铁作负极,失去电子,发生氧化反应。C项中,由于锌的金属活动性大于铁,故锌作负极,发生氧化反应,与该电池反应不符。

C

原电池原理的应用

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,活动性弱的金属(或非金属)作正极。例如,有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入稀硫酸中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以判断金属活动性:A>B。

2.加快化学反应速率

由于形成了原电池,因此反应速率加快。例如,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。

3.用于金属的防护

使需要保护的金属制品作原电池的正极。例如,要保护铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一锌块相连,使锌作原电池的负极。

4.设计制作化学电源

设计原电池时要紧扣构成原电池的条件:

(1)首先要将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应。

(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料(负极为失电子物质,正极用比负极活泼性差的金属或导电的非金属,如石墨)及电解质溶液。

1.M、N、P、E为四种金属,已知:①M+N 2+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

由①知,金属还原性M>N;②M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属的还原性P>M;③N、E构成的原电池中,N作负极,故金属的还原性N>E。

A

2.某校化学兴趣小组进行探究性活动,将氧化还原反应2Fe 3++2I-2Fe2++I2设计成盐桥原电池。提供的试剂有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反应式为。

(3)反应达到平衡时,外电路的导线中(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,该溶液中的电极为(填“正”或“负”)极。

(1)先分析氧化还原反应,找出正负极反应,即可确定正负极区和电解质溶液。(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Fe2+失电子,碳电极为负极。

(1)如图:

(2)2I --2e-I2

(3)无

(4)负

化学电源

1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。

(1)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增大。( )

(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( )

(3)燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用。( )

(4)化学电源工作时,内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。( )

(5)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中,负极反应式为2H2-4e-4H+。( )

(6)二次电池充电时,二次电池的负极连接电源的负极,发生还原反应。( )

(1)√(2)×(3)√(4)√(5)×(6)√

2.以甲烷燃料电池为例,分析不同的环境下电极反应式的书写。

(1)酸性介质(如H2SO4)

负极反应式: 。

正极反应式: 。

总反应式: 。

(2)碱性介质(如KOH)

负极反应式: 。

正极反应式: 。

总反应式: 。

(3)固体电解质(高温下能传导O2-)

负极反应式: 。

正极反应式: 。

总反应式: 。

(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下

负极反应式: 。

正极反应式: 。

总反应式: 。

答案(1)CH 4-8e-+2H2O CO2+8H+;2O2+8e-+8H+4H2O;CH4+2O2

CO2+2H2O

(2)CH 4-8e-+10OH-C-+7H2O;2O2+8e-+4H2O8OH-;CH4+2O2+2OH-

C-+3H2O

(3)CH 4-8e-+4O2-CO2+2H2O;2O2+8e-4O2-;CH4+2O2CO2+2H2O

(4)CH 4-8e-+4C-5CO2+2H2O;2O2+8e-+4CO24C-;CH4+2O2

CO2+2H2O

书写原电池电极反应式的基本思路

1.一般电极反应式的书写

(1)列物质,标得失。先确定原电池的正、负极,列出参加反应的微粒,并标出得失电子数。

(2)看环境,配守恒。在电解质溶液的环境中要生成稳定的电极产物,即H+、OH-、H2O 等是否参加反应,遵守电荷守恒、质量守恒、电子守恒。

(3)两式加,验总式。正、负极反应式相加得到电池反应的总反应式。若已知电池反应的总反应式,可先写出较简单一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,用总反应式减去较简单一极的电极反应式,即得到较难一极的电极反应式。

2.燃料电池电极反应式的书写

电极:惰性电极。

燃料:H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如C2H5OH)等。

电解质:①酸性电解质溶液,如H2SO4溶液;②碱性电解质溶液,如NaOH溶液;③熔融氧化物,如Al2O3;④熔融碳酸盐,如K2CO3等。

方法一:

第一步,写出电池总反应式。

燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致,若产物能和电解质反应,则总反应为加合后的反应。

如氢氧燃料电池的总反应式为2H 2+O22H2O。

甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应如下:

CH 4+2O2CO2+2H2O ①

CO 2+2NaOH Na2CO3+H2O ②

①+②可得甲烷燃料电池的总反应式:CH 4+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都是O2,因电解质溶液不同,故其电极反应也会有所不同:

(1)酸性电解质:O 2+4H++4e-2H2O。

(2)碱性电解质:O 2+2H2O+4e-4OH-。

(3)固体电解质(高温下能传导O 2-):O2+4e-2O2-。

(4)熔融碳酸盐(如熔融K 2CO3):O2+2CO2+4e-2C-。

第三步,电池的总反应式-电池的正极反应式=电池的负极反应式。

方法二:以CH4燃料电池为例

分析反应中的氧化剂、还原剂、还原产物、氧化产物(对含碳燃料而言,若是碱性介质,则氧化产物为C -,若是酸性介质,则氧化产物为CO2),写出还原剂-ne-氧化产物、氧化剂+ne -还原产物;根据化合价变化,计算出得失电子的数目,如CH4-8e-C-。

1.(2018年河南郑州一中模拟)石墨烯锂硫电池是一种高效、低污染的新型二次电源,其

装置如图所示。电池反应为2Li+nS Li 2S n。Li+可在固体电解质中迁移。下列说法不正确

．．．的是( )。

A.放电时,锂在负极上发生氧化反应

B.放电时,正极的电极反应式为nS+2e -+2Li+Li2S n

C.充电时,锂电极为阴极,与电源负极相连

D.充电时,理论上阳极失去2 mol电子生成32 g硫

解析放电时,锂在负极上失电子,发生氧化反应,A项正确;放电时,S在正极得电子,正极的电极反应式为nS+2e-+2Li+Li 2S n,B项正确;充电时,电池负极作阴极,锂电极与电源负极相连,C项正确;充电时,理论上阳极失去2 mol电子生成32n g硫,D项错误。

D

2.(2018年广西桂林崇左联考)如图所示装置是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量监测与控制的功能。

下列有关说法正确的是( )。

A.电流由呼气所在的铂电极流出

B.H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极

C.电路中流过2 mol电子时,消耗11.2 L O2

D.该电池的负极反应式为CH 3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+

解析根据图示,通入氧气的铂电极为正极,呼气所在的铂电极为负极。电流由氧气所在的铂电极流出,A项错误;阳离子移向正极,H+透过质子交换膜移向氧气所在的铂电极,B项正确;电路中流过2 mol电子时,消耗标准状况下11.2 L O2,C项错误;根据图示,该电池的负极生成乙酸,电极反应式为CH 3CH2OH+H2O-4e-CH3COOH+4H+,D项错误。

B

3.一种微生物燃料电池的结构示意图如图所示,关于该电池的叙述正确的是( )。

A.电池工作时,电子由a流向b

B.微生物所在电极区放电时发生还原反应

C.放电过程中,H+从正极区移向负极区

D.正极反应式为MnO 2+4H++2e-Mn2++2H2O

因为右侧产生CO2,说明微生物所在的电极区C m(H2O)n失电子生成CO2,所以电池工作时电子由b极经外电路流向a极,A项错误;微生物所在电极区放电时发生氧化反应,B 项错误;放电时阳离子向正极移动,C项错误;放电时正极发生还原反应,D项正确。

D

4.液流电池是一种新的蓄电池,是正负极电解液分开,各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。一种锌溴液流电池如图所示,电解液为溴化锌的水溶液。下列说法正确的是( )。