2019-2020年高考化学总复习 原电池和化学电源知识讲解.doc

2019-2020年高考化学总复习 原电池和化学电源知识讲解【考纲要求】 1了解原电池的工作原理。2能写出原电池的电极反应式和反应的总方程式。3能根据氧化还原反应方程式设计简单的原电池。4能根据原电池原理进行简单计算。5熟悉常见的化学电源（一次电池、二次电池和燃料电池），能分析常见化学电池工作原理，了解废旧电池回收的意义。【考点梳理】考点一、原电池的概念1能量的转化原电池：将化学能转变为电能的装置。电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。2工作原理设计一种装置，使氧化还原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。电子从负极（较活泼金属）流向正极（较不活泼金属或碳棒），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。电极电极材料反应类型电子流动方向负极还原性较强的金属氧化反应负极向外电路提供电子正极还原性较弱的金属还原反应正极从外电路得到电子以下是锌铜原电池装置示意图：3原电池的组成条件 (1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。(2)电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。(3)导线将两电极连接，形成闭合回路。（4）有能自发进行的氧化还原反应。4原电池的判断方法（1）先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。（2）多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。5原电池的正负极的判断方法判断依据负极正极电极材料活泼性较强的金属活泼性较弱的金属或能导电的非金属电子流动方向电子流出极电子流入极电解质溶液中离子定向移动方向阴离子移向的负极阳离子移向的正极发生的反应氧化反应还原反应反应现象溶解的极增重或有气泡放出的极6原电池中带电粒子的移动方向在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。具体情况见图： 考点二、原电池原理的应用1加快氧化还原反应的速率例如：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。2比较金属活动性强弱例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性ab。3用于金属的防护 将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。例如：在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。4原电池的设计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或其中溶解的物质反应。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。如在铜锌硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。（3）按要求画出原电池装置图。考点三、几种常见的电池（一）电池的评价比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。（二）实用电池的特点(1)能产生比较稳定而且较高电压的电流；(2)安全、耐用且便于携带，易于维护；(3)能够适用于各种环境；(4)便于回收处理，不污染环境或对环境的污染影响较小；(5)能量转换率高。（三）几种常见的电池1、一次电池：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。干电池：一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。碱性锌锰电池 构成：负极是锌，正极是MnO2，电解质是KOH负极：Zn+2OH2e=Zn(OH)2；正极：2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH总反应式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点：比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电。2、二次电池铅蓄电池放电电极反应：负极：Pb(s)+SO42(aq)2ePbSO4(s)； 正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2ePbSO4(s)+2H2O(l)总反应式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)充电电极反应：阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；阴极：PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq)总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)总反应方程式：Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l)说明：a负极阴极 正极阳极b电池的正负极分别和电源的正负极相连c各极的pH变化看各电极反应，电池的pH变化看电池总反应镍一镉碱性蓄电池负极：Cd+2OH2e=Cd(OH)2；正极：2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH总反应式：Cd +2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 3、燃料电池电池电极反应酸性电解质碱性电解质氢氧燃料电池负极2H24e4H+2H2+4OH4e4H2O正极O2+4H+4e2H2OO2+2H2O+4e4OH总反应2H2+O22H2O2H2+O22H2O甲烷燃料电池负极CH4 + 2H2O8e=CO2 + 8H+CH4+10OH8e=CO32+7H2O正极2O2 + 8H+ + 8e4H2O2O2+4H2O+8e=8OH总反应CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O甲醇燃料电池负极2CH3OH + 2H2O12e= 2CO2 + 12H+2CH3OH +16OH12e=2CO32+12H2O正极3O2 +12H+ +12e6H2O3O2+6H2O+12e=12OH总反应2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料；除纯氧气外，空气中的氧气也可作氧化剂。燃料电池的能量转化率高于80，远高于燃烧过程（仅30左右），有利于节约能源。燃料电池有广阔的发展前途。（四）正确书写电极反应式(1)列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。(2)标明电子的得失。(3)使质量守恒。电极反应式书写时注意：负极反应生成物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该写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则H2O必须写入正极反应式，且生成物为OH；若电解液为酸性，则H+必须写入反应式中，生成物为H2O。电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。(4)正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。注意相加减时电子得失数目要相等。【典型例题】类型一：原电池原理例1铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是 A正极反应为：Zn2e-=Zn2+ B电池反应为：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu C在外电路中，电子从负极流向正极 D盐桥中的K+移向ZnSO4溶液 【答案】BC【解析】Zn是负极，故A错；电池总反应和没有形成 原电池的氧化还原反应相同，故B正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。【总结升华】一定要记住：原电池工作时，电子沿导线从负极流向正极， 在溶液中阴离子向负极移动。举一反三：【变式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：Ag+e-=Ag实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A. B.C.D.【答案】C【变式2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是( ) A两烧杯中铜片表面均无气泡产生B甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C两烧杯中溶液的pH均增大D产生气泡的速率甲比乙慢 【答案】C【解析】图甲是一个原电池装置，负极：Zn2e=Zn2+，正极(Cu)：2H+2e=H2，形成的原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，Zn直接与稀硫酸反应生成H2：Zn+2H+=Zn2+H2，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。【高清课堂：399158 例2】【变式3】右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是A该系统中只存在3种形式的能量转化B装置Y中负极的电极反应式为： O2+2H2O+4e4OHC装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生D装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化【答案】C【解析】本题主要考查的是电化学知识。A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2 -2e- + 2OH- = 2H2O；C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；D项，在反应过程中，有能量的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。综上分析可知，本题选C项。例2某同学根据离子反应方程式2Fe3+Fe=3Fe2+来设计原电池。下列设计方案中可行的是（ ） A电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液 B电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液 C电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液 D电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液【答案】B【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。举一反三：【变式1】依据氧化还原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)设计的原电池如图所示。 请回答下列问题： (1)电极X的材料是_；电解质溶液Y是_； (2)银电极为电池的_极，发生的电极反应为_；X电极上发生的电极反应为_； (3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。 【答案】(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 Ag+e=Ag Cu2e=Cu2+ (3)X Ag 【解析】由氧化还原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)可知，可以选用Cu (s)Ag (s)AgNO3 (aq)构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag+e=Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu2e=Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。类型二：金属活动性强弱比较例3X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。X、Y相连时，X为负极；Z、W相连时，电流方向是WZ；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡；W、Y相连时，W极发生氧化反应。据此判断四种金属的活泼性顺序是( ) AXZWY BZXYW CWXYZ DYWZX 【答案】A【解析】在原电池中，活泼金属作为电池的负极，失去电子，发生氧化反应；不活泼的金属作为电池的正极，得到电子，发生还原反应。电子由负极经导线流向正极，与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。因此，X、Y相连时，X为负极，则活泼性XY；Z、W相连时，电流方向是WZ，则活泼性ZW；X、Z相连时，Z极上产生大量气泡，则活泼性XZ；W、Y相连时，W极发生氧化反应，则活泼性WY。综上所述，可以得出金属的活泼性顺序是XZWY。举一反三：【变式1】根据下列实验事实：(1) X+Y2+ = X2+ + Y(2) Z + 2H2O（冷水）=Z(OH)2 + H2(3)Z2+离子的氧化性比X2+弱(4)由Y、W作电极组成的原电池负极反应为：Y2e=Y2+，由此可知，X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是AX Y Z W BY X W ZCZ X Y W DZ Y X W【答案】C【解析】(1)X能将Y2+还原说明X的还原性强于Y。(2)Z能与冷水作用，说明Z一定为活泼性很强的金属。(3)Z2+氧化性比X2+弱说明Z的金属性强于X。(4)在原电池中Y做负极，故Y的活泼性强于W。类型三：干电池例4Zn-MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。（1）该电池的负极材料是。电池工作时，电子流向（填“正极”或“负极”）。（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是。欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的（填代号）。a.NaOH b.Znc.Fe d.NH3H2O(3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是。若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为。【答案】（1）Zn 正极 （2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 b （3）2H+2e-=H2，87g【解析】（1）负极发生氧化反应，Zn失电子，做负极。电子由负极经外电路流向正极。（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2+ 置换为单质而除去。（3）阴极上得电子，发生还原反应，H+得电子生成氢气。因为MnSO4MnO22 e-，通过2mol电子产生1mol MnO2，质量为87g。举一反三：【高清课堂：399158例5】【变式1】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn (s)+2MnO2 (s)+2H2O (1)=Zn(OH)2 (s)+2MnOOH (s)下列说法错误的是（ ） A电池工作时，锌失去电子B电池正极的电极反应式为：2MnO2 (s)+2H2O (1)+2e=2MnOOH (s)+2OH (aq) C电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g【答案】C【解析】该电池工作时，Zn应为负极，失去电子，故A正确。原电池正极发生得电子反应，即还原反应，故B正确。电子应由原电池的负极流出，通过外电路流向正极，故C错误。由于Zn失去2 mol电子时，自身消耗的质量为65 g，则失去0.2 mol电子，理论上消耗6.5 g，故D正确。类型四：蓄电池例5一种充电电池放电时的电极反应为：H2+2OH-2e-=2H2O； NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是A. H2O的还原 B. NiO(OH)的还原C. H2的氧化 D. NiO(OH) 2的氧化 【答案】D【解析】由题中给出的电极反应可判断出做原电池时，H2是还原剂被氧化、NiO(OH)是氧化剂被还原，则充电时H2是还原产物、NiO(OH)是氧化产物，与正极相连的是阳极发生氧化反应，所以D选项正确。【总结升华】本题考查二次电池中的氧化还原问题。原电池放电时，先要分析氧化剂与还原剂，氧化剂被还原、还原剂被氧化；充电时（电解池），将原电池负极反应式反着写为还原过程，发生在阴极，原电池中的正极反应反着写为氧化过程，发生在阳极。举一反三：【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4下列对铅蓄电池的说法中错误的是( ) A需要定期补充硫酸 B工作时Pb是负极，PbO2是正极 c工作时负极上发生的反应是Pb2e+SO42=PbSO4 D工作时电解质溶液的密度减小 【答案】A 【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；工作时（即放电时），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的越浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。【变式2】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为 ：3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH，下列叙述不正确的是 A放电时每转移3 mol电子，正极有1mol K2FeO4被氧化B充电时阳极反应为：2Fe(OH)36e+ 10 OH= 2FeO42+ 8H2OC放电时负极反应为：3Zn6e +6OH= 3Zn(OH)2D放电时正极附近溶液的碱性增强 【答案】A 【解析】A项中放电时正极应被还原，D项中放电时正极：2FeO42+6e+ 8H2O=2Fe(OH)3+ 10 OH，故溶液的碱性增强。启示：分析问题要先定性后定量，注意关键字词。【变式3】镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd + 2NiOOH + 2H2OCd(OH)2 + 2Ni(OH)2 有关该电池的说法正确的是A充电时阳极反应：Ni(OH)2 e + OH- = NiOOH + H2OB充电过程是化学能转化为电能的过程C放电时负极附近溶液的碱性不变D放电时电解质溶液中的OH-向正极移动 【答案】A【解析】由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知，Ni(OH)2作阳极，电解质溶液为KOH溶液，所以阳极电极反应式为：Ni(OH)2e OH-=NiOOHH2O；Cd(OH)2作阴极，Cd(OH)22e=Cd2OH；充电的过程是将电能转化为化学能，放电时，Cd作负极，Cd2e2OH=Cd(OH)2，Cd周围的c(OH)下降，OH向负极移动。类型五：燃料电池【高清课堂：399158 例1】例6某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H2O22H2O，下列有关说法正确的是A电子通过外电路从b极流向a极Bb极上的电极反应式为：O22H2O4e4OHC每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2DH由a极通过固体酸电解质传递到b极【答案】D【解析】该氢氧燃料电池的a极通入H2，故为负极，b极通入O2，为正极。这样电子通过外电路应由a极流向b极，故A选项错误；酸性电解质存在下，B选项中b极上的电极反应为O2+4e-+4H+=2H2O ；C选项没有说明是标准状况下；D选项是正确的，H2在a极失电子变成H+，由固体酸电解质传递至b极。举一反三：【变式1】用二根铂丝作电极插入KOH溶液中，分别向两极通入甲烷和氧气，可作为一种燃料电池的模拟装置。试判断下列说法正确的是 ( )A通氧气的铂极为负极 B此电池反应为CH4+2O2 = CO2+2H2OC此电池放电时，KOH浓度减小 D此电池放电时，KOH浓度不变【答案】C【变式2】有人设计出利用CH4和O2反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应，则下列说法中正确的是( ) 每消耗l mol CH4可以向外电路提供8 mol e 负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4+10OH8e=CO32+7H2O 负极上O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e=4OH 电池放电时，溶液pH不断升高 A B C D 【答案】A 【解析】CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应，即CH4CO2，严格地讲生成的CO2还与KOH溶液反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，作电池的负极，电极反应式为CH4+10OH8e=CO32+7H2O，1 mol CH4参加反应有8 mol e发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e=4OH。虽然正极产生OH，负极消耗OH，但从总反应CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出反应消耗了KOH，所以电池放电时溶液的pH不断下降，故正确，错误。【变式3】一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是（ ）ACH3OH (g) 2e+O2 (g)=H2O (l)+CO2 (g)+2H+(aq) BO2 (g)+4H+(aq)+4e=2H2O (l)CCH3OH (g)+H2O (l) 6e=CO2 (g)+6H+(aq) DO2 (g)+2H2O (l)+4e=4OH【答案】C 【解析】甲醇燃料电池是甲醇在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应，故B、D错误；A项不是电极反应式。类型六：其它电池【高清课堂：399158 例3】例7某燃料电池所用的原料为H2和空气(含一定量的CO2)，电解质为熔融的K2CO3。电池的总反应为：2H2+O2=2H2O，负极反应为：H2+CO32-2e= H2O+CO2。下列说法中正确的是A正极反应为：4OH4e=2H2O+O2 B电池放电时，电解质中CO32-的物质的量将减小C放电时，电解质中CO32向负极移动D电池工作时，电子从正极经外电路流向负极【答案】C【解析】A项中正极反应应为：O2+4e+2 CO22CO32，B项中CO32-的物质的量应不变，D项中电池工作时，电子应从负极经外电路流向正极。【总结升华】要注意电解质为熔融的K2CO3而不是水溶液。举一反三：【变式1】熔融碳酸盐燃料电池是以熔融的碳酸盐为电解质的燃料电池，其工作原理如下图所示：负载电极a电极b A BXYYY熔融盐Zee（1）电极b是该燃料电池的（填“正”或“负”）_极。（2）若以氢气为燃料，则A是（填化学式） ，Y是（填化学式） ；CO32的移动方向是移向（填“电极a”或“电极b”） ；电极b的电极反应是 。【答案】（1）正 （2）H2 CO2 电极a O2 +4e+2CO22CO32