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2019-2020年高考化学一轮复习 课时22 原电池及其应用考点过关原电池的工作原理【基础梳理】原电池原理电极反应负极(锌片):Zn-2e-Zn2+正极(铜片):2H+2e-H2总反应式:Zn+2H+Zn2+H2离子迁移方向阳离子向极移动，阴离子向极移动 电子流向与电流流向电子由极流出经导线流向极 电流由极流出经导线流向极 导线中是电子导电，溶液中是离子导电微课1盐桥的作用1. 盐桥及其作用(1)盐桥: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:连接内电路，形成闭合回路;平衡电荷，使原电池不断产生电流;使能量利用转化更高效。2. 单池原电池和盐桥原电池的对比比较图1和图2两装置:电极、电极反应、总反应、反应现象都相同。不同点:图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2+，会有一部分Zn与Cu2+直接反应，该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高。图2中Zn和CuSO4溶液在两个池子中，Zn与Cu2+不直接接触，不存在Zn与Cu2+直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长。【典型例题】一、 原电池的工作原理 某小组为研究电化学原理，设计如右图装置。下列叙述不正确的是 ()A. a、b不连接时，只有锌片上有气泡逸出B. a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为2H+2e-H2C. a和b是否用导线连接，装置中所涉及的化学反应都相同D. a和b用导线连接或接直流电源，锌片都能溶解答案D解析a、b不连接时，锌置换出氢气，所以锌片上有气泡逸出;a和b用导线连接时，构成原电池，负极锌失去电子溶解，正极铜片上发生还原反应:2H+2eH2;a和b是否用导线连接，装置中所涉及的化学反应都是锌置换出H2;若a直接与外电源的负极相连时，锌片被保护。 某小组为研究原电池原理，设计如下图装置，下列叙述正确的是 ()A. 装置，铜片上有O2逸出B. 装置，锌片溶解，发生还原反应C. 装置，电池反应为Zn+Cu2+Zn2+CuD. 装置，外电路中，电子从铜电极流向锌电极答案C解析装置是原电池，Zn为负极，发生氧化反应，铜为正极，铜片上有氢气逸出，无氧气逸出，所以A、B项错误;装置也是原电池，Zn为负极，锌片溶解，生成锌离子发生氧化反应，铜为正极，Cu2+2e-Cu，装置外电路中，电子从锌电极流向铜电极。二、 原电池的设计 化学实验有助于理解化学知识，形成化学观念，提高探究与创新能力，提升科学素养。(1)能量之间可以相互转化:电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料:ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq);铜片，铁片，锌片和导线。完成原电池的甲装置示意图(见右图)，并作相应标注。要求:在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。以铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极 。甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是，其原因是 。(2)根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在(1)的材料中应选作阳极。答案(1) 电极逐渐溶解甲甲可以避免Zn与Cu2+的接触，提高电池效率，提供稳定电流。而乙中的活泼金属还可以与CuSO4溶液发生置换反应，部分能量转化为热能(2)Zn解析带盐桥的原电池甲可以设计锌铜原电池(或铁铜原电池、锌铁原电池)，由于外电路中电子从左移向右，说明左边烧杯中电极的金属性较强，则左、右两边烧杯中电极材料及电解质溶液可以为锌片和硫酸锌溶液、铜片和硫酸铜溶液(或者铁片和硫酸亚铁溶液、铜片和硫酸铜溶液，锌片和硫酸锌溶液、铁片和硫酸亚铁溶液);金属活动性:ZnFeCu，则原电池乙中铜片作正极，锌片或铁片作负极，工作一段时间后，负极金属逐渐溶解;甲、乙两种原电池都能将化学能转化为电能，其中带有盐桥的原电池甲中的负极金属锌(或铁)和硫酸铜没有直接接触，二者不会直接发生置换反应，化学能不会转化为热能，几乎全部转化为电能;而原电池乙中的负极金属锌(或铁)和硫酸铜直接接触发生置换反应，部分化学能会转化为热能，化学能不能全部转化为电能。 控制适合的条件，将反应2Fe3+2I-2Fe2+I2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，在甲中溶入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;D项在甲中溶入FeCl2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。三、 比较金属的活泼性大小 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，同时浸入稀硫酸溶液中，A极为负极;C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，电流由D导线C;A、C相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，C极产生大量气泡;B、D相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，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 ()A. ABCDEB. ACDBEC. CABDED. BDCAE答案B解析金属与稀硫酸溶液组成原电池，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+在正极表面得到电子生成H2，电子运动方向由负极正极，电流方向则由正极负极。在题述原电池中，AB，CD，AC，DB，BE。综上可知，金属活动性:ACDBE。 有A、B、C、D四种金属，做如下实验:将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀;将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中，D比A反应剧烈;将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化，如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是 ()A. ABCDB. CDABC. DABC D. ABDC答案C解析A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池，B不易腐蚀，说明B为原电池的正极，金属活动性:AB;A、D与等物质的量浓度的盐酸反应，D比A反应剧烈，金属活动性:DA;根据置换反应规律，Cu不能置换出B，说明金属活动性:BCu;Cu能置换出C，说明金属活动性:CuC。则四种金属活动性的排列顺序是DABC。 原电池正、负极的判断方法(1)由组成原电池两极的电极材料判断:如果两极是由活泼性不同的金属作电极时，一般情况下相对活泼的金属是负极，活泼性较弱的金属是正极(要注意特殊条件，如Mg-Al-NaOH，Al才是负极;Al-Cu-浓硝酸，Cu才是负极);如果是由金属和非金属导体(或金属氧化物导体)作电极，金属是负极，非金属导体(或金属氧化物导体)是正极。(2)根据氧化还原反应判定:发生氧化反应(或在该电极处失电子)的电极为负极;发生还原反应(或在该电极处得电子)的电极为正极。(3)根据电子或电流的流向判定:电子流出或电流流入的电极为负极，反之为正极。(4)根据原电池里电解质溶液中离子的流动方向判断:阳离子移向的电极为正极，阴离子移向的电极为负极。(5)根据原电池的两极发生的现象判断:溶解或质量减轻的电极为负极，有气体或金属析出的电极为正极(此规则具有相当的局限性，它只适用于一些非常常规的原电池的电极判定，如Al-Cu-稀硫酸)。【小结】常见的化学电源【基础梳理】1. 一次电池干电池(1)NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液负极:Zn-2e-Zn2+正极:2N+2e-2NH3+H2，2MnO2+H2Mn2O3+H2O电池总反应:Zn+2MnO2+2NH4ClZnCl2+Mn2O3+2NH3+H2O(2)碱性锌锰干电池(电解质:KOH)负极(Zn):Zn+2OH-2e-Zn(OH)2正极(MnO2):2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-电池总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)22. 常见的燃料电池(1)燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类。(2)一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧气及电解质溶液共同组成的原电池，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应式应该是可燃物在氧气中燃烧。以氢氧燃料电池为例:氢氧燃料电池电池总反应式:2H2+O22H2O酸性负极反应式 正极反应式 碱性负极反应式 正极反应式 乙醇-氧气燃料电池(正极反应式与氢氧燃料电池正极反应式相同，下面只需写出负极反应式即可) (碱性介质) (酸性介质)3. 二次电池(可充电电池)铅蓄电池(负极:;正极:;电解质:H2SO4溶液)的充放电过程: Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l)放电过程负极: (反应)正极: (反应)总反应: 充电过程(是放电反应的逆过程)阴极:(接电源的极，反应)阳极:(接电源的极，反应)电池总反应: 微课2有机物燃料电池的电极反应式的书写方法以乙醇(碱性)燃料电池为例:(1)首先写出C2H5OH的燃烧化学方程式，以确定转移的电子数。C2H5OH+3O2 2CO2+3H2O由O2可推出转移的电子数为12e-(2)在负极C2H5OH为失电子的还原性物质，故负极电极反应书写的步骤如下:(3)正极反应:在碱性条件下，O2为正极反应的得电子物质，故正极电极反应书写的步骤如下:【巩固训练】1. 甲烷燃料电池(铂为两极，正极通入O2和CO2，负极通入甲烷)(1)酸性电解质(电解液为H2SO4溶液)正极:;负极:; 总反应方程式:。(2)碱性电解质(电解液为KOH溶液)正极:;负极:; 总反应方程式:。2. 甲醇燃料电池(1)酸性电解质(电解液为H2SO4溶液)正极:;负极:; 总反应方程式:。(2)碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液)正极:;负极:; 总反应方程式:。答案1. (1)2O2+8e-+8H+4H2OCH4-8e-+2H2OCO2+8H+CH4+2O2CO2+2H2O(2)2O2+8e-+4H2O8OH-CH4-8e-+10OH-C+7H2OCH4+2O2+2OH-C+3H2O2. (1)3O2+12e-+12H+6H2O2CH3OH-12e-+2H2O12H+2CO22CH3OH+3O22CO2+4H2O(2)3O2+12e-+6H2O12OH-2CH3OH-12e-+16OH-2C+12H2O2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O【典型例题】一、 常见的化学电源(xx北京卷)下列电池工作时，O2在正极放电的是 ()A. 锌锰电池B. 氢燃料电池C. 铅蓄电池D. 镍镉电池答案B解析锌锰干电池的正极为二氧化锰得电子，A错误;燃料电池正极为氧气得电子，B正确;铅蓄电池正极为二氧化铅得电子，C错误;镍镉电池的正极为氢氧化镍得电子，D错误。 某简易电池如右下图所示，离子可在琼脂中移动。放电时，下列说法错误的是 ()A. 锌极上电极反应式为 Zn-2e-Zn2+B. MnO2得电子被还原C. N通过琼脂向锌极移动D. 外电路中电流的方向从碳棒到锌片答案C解析锌为负极，石墨碳为正极。所以阳离子N向正极移动。二、 燃料电池近几年开发的甲醇燃料电池是采用铂作电极，电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过。其工作原理的示意图如下:请回答下列问题:(1)Pt(a)电极是电池的极，电极反应为;Pt(b)电极发生(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应为。(2)电池的总反应方程式为 。(3)如果该电池工作时电路中通过2 mol电子，则消耗的CH3OH有mol。答案(1)负CH3OH+H2O-6e-CO2+6H+还原O2+4H+4e-2H2O(2)2CH3OH+3O22CO2+4H2O(3)解析从示意图中可以看出电极Pt(a)原料是CH3OH和水，反应后产物为CO2和H+，CH3OH中碳元素化合价为-2价，升高到CO2中+4价，说明Pt(a)电极上CH3OH失去电子，电极Pt(a)是负极，则电极Pt(b)是正极，Pt(b)电极原料是O2和H+，反应后的产物为H2O，氧元素化合价由0-2价，发生还原反应，因为电解质溶液是稀硫酸，可以写出电池总反应式为2CH3OH+3O22CO2+4H2O，再写出较为简单的正极反应:3O2+12e-+12H+6H2O，用总反应式减去正极反应即可得到负极电极反应为2CH3OH+2H2O-12e-2CO2+12H+。题组训练：1. (xx韶关翁源中学)以甲醇、空气、氢氧化钾溶液为原料、石墨为电极可构成燃料电池。已知该燃料电池的总反应式为2CH3OH+3O2+4OH-2C+6H2O，该电池中负极上的电极反应式是2CH3OH-12e-+16OH-2C+12H2O，则正极上发生的电极反应为。答案3O2+6H2O+12e-12OH-(或O2+2H2O+4e-4OH-)2. 下图为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图。(a、b均为多孔性Pt电极)请填空:(1)b电极是(填“正”或“负”)极。(2)a电极上的电极反应式为 。答案(1)正(2)CH3OCH3-12e-+3H2O2CO2+12H+解析二甲醚是燃料，所以a极是负极，b极是正极。a电极上发生氧化反应，由图可知是酸性电池。由二甲醚的燃烧方程式可知反应转移12个电子，产物为二氧化碳。由电荷守恒得出电极反应式。3. (xx盐城三模)利用人工光合作用合成甲酸的原理为2CO2+2H2O2HCOOH+O2，装置如右图所示，下列说法不正确的是 ()A. 该装置将太阳能转化为化学能和电能B. 电极1周围pH增大C. 电极2上发生的反应为CO2+2H+2e-HCOOHD. H+由电极1室经过质子膜流向电极2室答案B解析该过程将太阳能转变为化学能储存在HCOOH和O2中，同时提供了电能，A正确;电极1为电子流出的一极，作负极，电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+，故该电极周围溶液的pH减小，B错;电极2上CO2得电子生成HCOOH，电极反应式为CO2+2H+2e-HCOOH，C正确;原电池在工作时，阳离子从负极区移向正极区，D正确。4. 科学家制造出一种使用固体电解质的高效燃料电池。一个电极通入空气，另一个电极通入燃料蒸气。其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2-(其中氧化反应发生完全)。以丙烷(C3H8)代表燃料。(1)电池的负极反应式为 。(2)放电时固体电解质里的O2-向(填“正”或“负”)极移动。答案(1)C3H8+10O2-20e-3CO2+4H2O(2)负解析首先确定1个C3H8燃烧变为CO2共失去20个电子，由题意固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2-(其中氧化反应发生完全)。电池的负极反应式为C3H8+10O2-20e-3CO2+4H2O。原电池中，电解质溶液中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。三、 其他新型电源 (xx全国卷)如图所示是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH-Ni电池)。下列有关说法不正确的是 ()A. 放电时正极反应为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-B. 电池的电解液可为KOH溶液C. 充电时负极反应为 MH+OH-H2O+M+e-D. MH是一类储氢材料，其氢密度越大，电池的能量密度越高答案C解析电池放电时正极发生还原反应，A项正确;电池正极反应物为NiOOH，所以电解质溶液须为碱性电解质溶液，可为KOH溶液，B项正确;充电时，该电池负极作阴极，发生得电子的还原反应，C项错误;MH中氢密度越大，其化学能密度越高，电池的能量密度越高，D项正确。题组训练：5. (xx福建卷)某原电池装置如下图所示，电池总反应为2Ag+Cl22AgCl。下列说法正确的是 ()A. 正极反应为AgCl+e-Ag+Cl-B. 放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成C. 若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变D. 当电路中转移0.01 mol e-时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子答案D解析正极反应为Cl2+2e-2Cl-，A项错误;放电时，交换膜右侧的电极为正极，交换膜左侧的电极为负极，负极放电产生的Ag+与电解质HCl中的Cl-结合生成AgCl白色沉淀，则负极电极反应式:2Ag-2e-+2Cl-2AgCl，B项错误;负极放电产生的Ag+与电解质中的Cl-结合，若用NaCl代替盐酸不会改变电池总反应，C项错误;当电路中转移0.01 mol e-时，交换膜左侧的电极放电产生0.01 mol Ag+，与电解质中的0.01 mol Cl-结合生成AgCl沉淀，同时约有0.01 mol H+通过阳离子交换膜转移到右侧溶液中，则交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子，D项正确。6. (xx安徽卷)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如下图所示，其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是 ()A. 正极反应式: Ca+2Cl-2e-CaCl2B. 放电过程中，Li+向负极移动C. 每转移0.1 mol电子，理论上生成20.7 g PbD. 常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转答案D解析正极上应是得电子发生还原反应，A项错误;电池工作时，电解质中的阳离子移向电池正极，B项错误;利用总反应方程式知每转移2 mol电子生成1 mol Pb，故转移0.1 mol电子时，生成m(Pb)=0.05 mol207 gmol-1=10.35 g，C项错误;常温下，电解质LiCl-KCl为固态，该电池不能形成闭合回路，因此常温下该电池不能工作，D项正确。7. (xx浙江卷)镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型，NiMH中的M表示储氢金属或合金，该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH。已知:6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+N下列说法正确的是 ()A. NiMH电池放电过程中，正极的电极反应式为 NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-B. 充电过程中OH-从阳极向阴极迁移C. 充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-MH+OH-，H2O中的H被M还原D. NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液答案A解析放电时正极发生的是得电子的还原反应，A项正确;充电时阴离子移向阳极，B错项误;充电时，被还原的是氢元素，生成的H2被储氢合金M吸收起来，M不参与反应，C项错误;因为6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+N，故NiMH电池中不可以同时使用KOH溶液、氨水，D项错误。8. 镁-次氯酸盐燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，该电池主要工作原理如右图所示，其正极反应为ClO-+H2O+2e-Cl-+2OH-，关于该电池的叙述正确的是 ()A. 该电池中镁为负极，发生还原反应B. 电池工作时，OH-向正极移动C. 电池工作时，正极周围溶液的pH将不断变小D. 该电池的总反应式为 Mg+ClO-+H2OMg(OH)2+Cl-答案D解析该电池中镁为负极，发生氧化反应;电池工作时，OH-向负极移动;电池工作时，正极周围溶液生成了OH-，pH将不断变大。四、 金属的腐蚀 下列叙述不正确的是 ()A. 金属的电化学腐蚀比化学腐蚀普遍B. 钢铁在干燥空气里不易腐蚀C. 用铝质铆钉来接铁板，铁板易被腐蚀D. 金属腐蚀的本质是M-ne-Mn+而被损耗答案C解析铝比铁活泼，用铝质铆钉来接铁板，构成了原电池，铝作负极，易被腐蚀，铁板作正极，被保护。 (xx福建卷)铁及其化合物与生产、生活关系密切。(1) 右图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。该电化学腐蚀称为。图中A、B、C、D四个区域，生成铁锈最多的是(填字母)。(2)用废铁皮制取铁红(Fe2O3)的部分流程示意图如下:步骤若温度过高，将导致硝酸分解。硝酸分解的化学方程式为 。步骤中发生反应:4Fe(NO3)2+O2+(2n+4)H2O2(Fe2O3nH2O)+8HNO3，反应产生的HNO3又将废铁皮中的铁转化为Fe(NO3)2，该反应的化学方程式为 。上述生产流程中，能体现“绿色化学”思想的是(任写一项)。答案(1)吸氧腐蚀B(2)4HNO34NO2+O2+2H2O4Fe+10HNO34Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O氮氧化物排放少(或其他合理答案)解析(1)若为析氢腐蚀则B、C、D的腐蚀程度相同，则该电化学腐蚀为吸氧腐蚀。氧气的浓度越大，吸氧腐蚀越严重，则B区域产生铁锈最多。(2)硝酸的受热分解产生NO2、O2、H2O，则根据氧化还原的化合价升降法配平其化学方程式为4HNO34NO2+O2+2H2O。根据图示和信息可知:该生产流程中生成了NH4NO3，则硝酸与废铁皮反应的化学方程式为4Fe+10HNO34Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O。 金属的腐蚀1. 化学腐蚀与电化学腐蚀的比较类型化学腐蚀电化学腐蚀发生条件金属与反应物直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触现象无电流产生有电流产生本质金属被氧化的过程较活泼的金属被氧化的过程相互关系两种腐蚀往往同时发生，但以电化学腐蚀更普遍2. 析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以Fe为例)析氢腐蚀吸氧腐蚀条件:溶液成酸性负极:Fe-2e-Fe2+正极:2H+2e-H2条件:中性或弱酸性负极:2Fe-4e-+4OH-2Fe(OH)2正极:O2+4e-+2H2O4OH-4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3注意:a. 钢铁的腐蚀主要是吸氧腐蚀;b. 吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别在于正极反应;c. 吸氧腐蚀发生的条件是中性或弱酸性水膜;析氢腐蚀的条件是酸性较强的水膜