2019-2020年高考化学一轮复习 专题7.2 原电池 化学电源讲案（含解析）.doc

2019-2020年高考化学一轮复习 专题7.2 原电池 化学电源讲案（含解析）复习目标：1、 了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。2、 了解常见化学电源的种类及其工作原理。基础知识回顾：一、原电池概念及原理1、原电池把化学能转化为电能的装置。2、构成条件及判断（1）具有两个活性不同的电极(金属和金属或金属和非金属)。（2）具有电解质溶液。（3）形成闭合电路 (或在溶液中相互接触)。判断3原电池工作原理示意图原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示：【说明】在原电池装置中，电子由负极经导线流向正极，阳离子在正极上获得电子，通过电路中的电子和溶液中的离子的移动而形成回路，传导电流，电子并不进入溶液也不能在溶液中迁移。原电池将一个完整的氧化还原反应分为两个半反应，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，一般将两个电极反应中得失电子的数目写为相同，相加便得到总反应方程式。阴离子要移向负极，阳离子要移向正极。这是因为：负极失电子，生成大量阳离子积聚在负极附近，致使该极附近有大量正电荷，所以溶液中的阴离子要移向负极；正极得电子，该极附近的阳离子因得电子生成电中性的物质而使该极附近带负电荷，所以溶液中的阳离子要移向正极。不参与电极反应的离子从微观上讲发生移动，但从宏观上讲其在溶液中各区域的浓度基本不变。【典型例题1】用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂KNO3的U型管)构成一个原电池。以下有关该原电池的叙述正确的是( )在外电路中，电流由铜电极流向银电极正极反应为：Age=Ag实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片侵入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同AB C D【迁移训练1】【广东省百所高中xx届高三联合考试】我国科学家发明的一种可控锂水电池的工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是A电池工作时，锂离子向正极移动B有机电解质可用水溶液代替C电池总反应为2Li + 2H2O=2LiOH + H2D该装置不仅可提供电能，还可得到清洁的氢气【答案】B二、原电池的应用1、加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。2、比较金属活动性强弱两种金属分别做原电池的两极时，一般做负极的金属比做正极的金属活泼。3、用于金属的防护使被保护的金属制品做原电池正极而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌做原电池的负极。化学腐蚀电化学腐蚀定义金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应引起的腐蚀不纯金属(或合金)接触到电解质溶液所发生的原电池反应，较活泼金属失去电子被氧化而引起的腐蚀吸氧腐蚀(主要)析氢腐蚀条件金属与物质直接接触水膜中溶有O2，显弱酸性或中性水膜酸性较强本质金属被氧化而腐蚀较活泼金属被氧化而腐蚀现象无电流产生有微弱电流产生反应式2Fe3Cl2=2FeCl3负极：Fe2e=Fe2正极：2H2OO24e=4OH正极：2H2e=H2联系两种腐蚀往往同时发生，只是电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍、危害更大【特别提示】判断金属腐蚀的快慢，首先要确定金属腐蚀的类型及该金属在“两池”中所作的电极种类，并按下列规律进行判断。（1）金属腐蚀由快到慢的规律为：电解池阳极原电池负极化学腐蚀原电池正极电解池阴极（2）同一种金属在相同浓度的不同电解质溶液中的腐蚀快慢规律为： 强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液；对于同一种电解质来说，电解质溶液浓度越大腐蚀越快；构成原电池时，活泼性不同的两种金属，活泼性差别越大，作负极的金属腐蚀越快。3、设计制作化学电源设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是：（1）首先将已知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及电解质溶液。电极材料的选择在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反应。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(如空气中的氧气)。但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。如在铜锌硫酸构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2的电解质溶液中，而正极铜浸泡在（3）按要求画出原电池装置图。【特别提醒】应用原电池原理可以设计任一自发的氧化还原反应的电池，但有的电流相当微弱。同时要注意电解质溶液不一定参与反应，如燃料电池，水中一般要加入NaOH、H2SO4或Na2SO4等。【典型例题2】有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验：A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D导线C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应；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 ()AABCDE BACDBECCABDE DBDCAE【迁移训练2】根据下列氧化还原反应设计一个原电池：2FeCl3Fe=3FeCl2要求：（1）画出此原电池的装置图，装置可采用烧杯和盐桥。（2）注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。（3）写出两个电极上发生的电极反应。三、化学电源化学电源是能够实际应用的原电池。作为化学电源的电池有一次电池、二次电池和燃料电池等。1、碱性锌锰干电池一次电池总反应式：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。正极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH；负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2。2、锌银电池一次电池负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应式：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。3、二次电池(可充电电池)铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。（1）放电时的反应负极反应：PbSO2e=PbSO4；正极反应：PbO24HSO2e=PbSO42H2O；总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。（2）充电时的反应阴极反应：PbSO42e=PbSO；阳极反应：PbSO42H2O2e=PbO24HSO；总反应：2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4。4、燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。种类酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24e4H=2H2OO22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O【典型例题3】【陕西省xx届高三下学期第一次联考理综试题】镁一过氧化氢燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，其总反应为Mg+H2O2+H2SO4 MgSO4+2H2O，结构示意图如图所示。下列关于该电池的叙述正确的是A电池内部可以使用MnO2作填料B电池工作时，H+向Mg电极移动C电池工作时，正极的电板反应式为Mg2e Mg2+D电池工作时，电解质溶液的pH将不断变大【迁移训练3】LiSOCl2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LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：（1）电池的负极材料为_，发生的电极反应为_。（2）电池正极发生的电极反应为_。考点详析：考点一：原电池的两极判断及电极方程式的书写1、思维导图【说明】原电池的正极与负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。原电池正负极判断（1）根据电极材料判断负极活泼性较强的金属正极活泼性较弱的金属或能导电的非金属注：活泼金属不一定做负极，如Mg、Al在NaOH溶液中，Al做负极。（2）根据电子流动方向或电流方向或电解质溶液内离子的定向移动方向判断负极电子流出极，电流流入极或阴离子定向移向极正极电子流入极，电流流出极或阳离子定向移向极（3）根据两极发生的变化判断负极失去电子，化合价升高，发生氧化反应正极得到电子，化合价降低，发生还原反应（4）根据反应现象判断负极会逐渐溶解，质量减小正极有气泡逸出或质量增加【特别提示】原电池正负极判断的基础是氧化还原反应。如果给出一个方程式让判断正、负极，可以直接根据化合价的升降变化来判断，发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。2、电极反应式书写原电池反应的基础是氧化还原反应，正极发生还原反应，负极发生氧化反应，据此书写电极反应式的步骤如下：（1）确定原电池的正、负极，以及两电极上发生反应的物质。在原电池中，负极是还原性材料失去电子被氧化，发生氧化反应。正极反应要分析电极材料的性质：若电极材料是强氧化性材料，则是电极材料得电子被还原，发生还原反应；若电极材料是惰性的，再考虑电解质溶液中的阳离子是否能与负极材料反应。能发生反应则是溶液中的阳离子得电子，发生还原反应；若不能与负极材料反应，则考虑空气中的氧气，氧气得电子，发生还原反应。（2）弱电解质、气体或难溶解物均以化学式表示，其余以离子符号表示，保证电荷守恒，质量守恒及正、负极得失电子数相等的规律，一般用“=”而不用“”。（3）正负极反应式相加得到原电池总反应式，通常将总反应式减去较易写出的电极反应式，从而得到较难写出的电极反应式。【典型例题4】分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A中Mg作负极，中Fe作负极B中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2【迁移训练4】【山东省济南一中xx届高三12月月考】糕点包装中常见的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等，其脱氧原理与钢铁的吸氧腐蚀相同。下列分析正确的是A脱氧过程是吸热反应，脱氧的同时可降低温度，延长糕点保质期B脱氧过程中铁做原电池正极，电极反应为：Fe2e = Fe2+C脱氧过程中碳做原电池负极，电极反应为：2H2O + O2 + 4e = 4OHD含有112g铁粉的脱氧剂，理论上最多能吸收氧气336mL（标准状况） 考点二：燃料电池1、化学电源中电极反应式书写的一般程序“加减法”书写电极反应式（1）先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。（2）注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，且O2生成OH，若电解质溶液为酸性，则H必须写入正极反应式中，O2生成水。（3）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，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，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。2、燃料电池电极反应式的书写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，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：（1）酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H4e=2H2O（2）碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H2O4e=4OH（3）固体电解质(高温下能传导O2)环境下电极反应式：O24e=2O2（4）熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO。根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。【典型例题5】以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：（1）酸性条件燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式：O24H4e=2H2O2，得燃料电池负极反应式：_。（2）碱性条件燃料电池总反应式：CH42O22NaOH=Na2CO33H2O燃料电池正极反应式：O22H2O4e=4OH2，得燃料电池负极反应式：_。（3）固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式：O24e=2O22，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：CH42O2=CO22H2O正极电极反应式：O22CO24e=2CO2，得燃料电池负极反应式：_。【迁移训练5】【广东省广州市番禺区xx年高考统考试题（一）】查处酒后驾驶采用的“便携式乙醇测量仪”以燃料电池为工作原理，在酸性环境中，理论上乙醇可以被完全氧化为CO2，但实际乙醇被氧化为X，其中一个电极的反应式为：CH3CH2OH2eX+2H+下列说法中正确的是（）A电池内部H+由正极向负极移动 B另一极的电极反应式为：O2+4e+2H2O=4OH C乙醇在正极发生反应，电子经过外电路流向负极 D电池总反应为：2CH3CH2OH + O22CH3CHO + 2H2O考点三：可充电电池1、对可充电电池充电和放电两过程认识：放电是原电池反应，充电是电解池反应2、对可充电电池电极极性和材料的判断： 判断电池放电时电极极性和材料，可先标出放电（原电池）总反应式电子转移的方向和数目，失去电子的一极为负极，该物质即为负极材料；得到电子的一极为正极，该物质即为正极材料。若判断电池充电时电极极性和材料，方法同前，失去电子的一极为阳极，该物质即为阳极材料；得到电子的一极为阴极，该物质即为阴极材料。3、对溶液中离子的移动方向判断： 放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。 4、可充电电池充电时与电源的连接： 可充电电池用完后充电时，原电池的负极与外电源的负极相连，原电池的正极与外电源的正极相连。 5、对可充电电池某电极是发生氧化还是还原反应及某元素被氧化还是被还原的判断： 可根据电极反应式进行分析，放电（原电池）的负极及充电（电解池）的阳极均失去电子，发生了氧化反应，其变价元素被氧化；放电（原电池）的正极及充电（电解池）的阴极均得到电子，发生了还原反应，其变价元素被还原。 6、可充电电池电极反应式的书写方法：书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。书写放电的电极反应式时，一般要遵守三步：第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应式（书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存）；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。【典型例题6】【xx年高考天津卷第6题】已知：锂离子电池的总反应为：LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2 锂硫电池的总反应为：2Li+SLi2S 有关上述两种电池说法正确的是A锂离子电池放电时，Li+向负极迁移B锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应C理论上两种电池的比能量相同D右图表示用锂离子电池给锂硫电池充电【迁移训练6】【广东省肇庆中学xx届高三11月考】市场上经常见到的标记为Li-ion的电池。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为： Li+2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2，下列说法不正确的是（）A放电时，负极的电极反应式：Li-e-=Li+B充电时，Li085NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C该电池既能用酸溶液又能用碱溶液作电解质溶液。D放电过程中Li+向正极移动【答案】C