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专题17 原电池和化学电源【复习目标】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。 【考情分析】近几年的高考试题主要围绕着原电池工作原理及应用进行命题，考查原电池工作原理往往以新型能源电池或燃料电池为载体，考查原电池正负极的判断、电极反应的书写、电子或电流的方向及溶液pH的变化等；原电池的应用主要考查原电池的设计、电化学腐蚀及解释某些化学现象等，主要以选择题、填空题形式出现。【考点过关】考点一原电池及工作原理概念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构成条件能自发发生的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)般是活泼性不同的两电极(金属或非金属)形成闭合回路需三个条件：电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中工作原理反应原理负极正极锌片铜片Zn2e=Zn2Cu22e=Cu氧化反应还原反应电子由Zn片沿导线流向Cu片电流由Cu片沿导线流向Zn片盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极盐桥的作用盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既构成了闭合回路，又能阻止反应物的直接接触，使能量利用转化更高效电极的确定对于金属、金属电极，通常较活泼的金属是负极，较不活泼的金属是正极，如原电池：ZnCuCuSO4中，Zn作负极，Cu作正极，AlMgKOH中，Al作负极，Mg作正极；对于金属、非金属电极，金属作负极，非金属作正极；对于金属、化合物电极，金属作负极，化合物作正极原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应若不电极断溶解或质量不断减少，该电极发生氧化反应，通常为原电池的负极，若原电池电极上有气体生成、电极质量不断增加或电极质量不变，该电极发生还原反应，通常为原电池的正极电子流动方向是由负极流向正极,电子流出的一极为负极，流入的一极为正极；电流是由正极流向负极，电流流出的一极为正极，流入的一极为负极；在原电池的电解质溶液内，阳离子移向正极，阴离子移向是负极原理的应用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。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快两种金属分别作原电池的两极，一般作负极的金属比作正极的金属活泼使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁制的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极设计制作化学电源，设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以，电解质溶液一般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)【考点演练】下列说法正确的是 。电池工作时，负极失去的电子均通过溶液转移到正极上在原电池中失去电子的一极是阴极，发生的是还原反应原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成铝比铁活泼，但铝制品比铁制品在空气中耐腐蚀将铝片和镁片用导线连接后，插入盛有NaOH溶液，铝作负极电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极原电池工作时，正极和负极上发生的都是氧化还原反应锌、铜和盐酸构成的原电池工作时，锌片上有6.5 g锌溶解，正极上就有0.1 g氢气生成原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子原电池装置中，电极上发生还原反应作原电池的负极答案：考点二化学电源（1）化学电源的类型一次电池碱性锌锰电池正极反应式：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH +2OH负极反应式：Zn+2OH2e= Zn(OH)2总反应方程式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2锌银电池正极反应式：Ag2O + H2O+ 2e = 2Ag + 2OH负极反应式：Zn+2OH2e= Zn(OH)2总反应方程式：ZnAg2OH2O = Zn(OH)22Ag二次电池放电正极反应式：PbO24H+SO422e-PbSO42H2O负极反应式：PbSO422e-PbSO4充电阳极反应式：PbSO42H2O2e-PbO24H+SO42阴极反应式：PbSO42e-PbSO42总反应方程式PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O燃料电池酸性环境正极反应式：O2+4H+4e-=2H2O负极反应式：2H2-4e-=4H+碱性环境正极反应式：O2+2H2O+4e-=4OH-负极反应式：2H2-4e-+4OH-=4H2O固体电解质（能传导O2）正极反应式：O24e=2O2负极反应式：2H2-4e-+2O2=4H2O熔融碳酸盐(熔融K2CO3)正极反应式：O22CO24e=2CO负极反应式：2H2-4e-+2 CO=4H2O2CO2总反应方程式2H2+O2=2H2O（2）电极反应式书写写总反应式CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中总反应方程式：CH3OCH33O2=2CO23H2O确定正负极在正极上发生还原反应的物质是氧化剂，在负极上发生氧化反应的物质是还原剂写电极反应式负极反应式：CH3OCH33H2O12e=2CO212H正极反应式：3O212H12e=6H2O书写技巧若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式【考点演练】写出下列反应的电极反应式。（1）铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池。将含有Cr2O72的酸性废水通过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2 O72转化为Cr3+，其电极反应式为 。(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)。b电极是 (填“正”或“负”)极, a电极上的电极反应式为 。 (3) 开发新能源是解决大气污染的有效途径之一。直接甲醇燃料电池(简称DMFC)由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染,可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。DMFC工作原理如下图所示,通入a气体的电极是原电池的 极(填“正”或“负”),其电极反应式为 。 (4) 以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,该电池反应的化学方程式是 。 (5) 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 。 (6) Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如下，H2O2在石墨电极上发生的电极反应式为 。 (7) 铝电池性能优越，Al-AgO电池可用作水下动力电源，其原理如下图所示。该电池反应的化学方程式为 。(8)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如下图所示，在使用过程中石墨电极反应生成一种氧化物Y，则该电极的电极反应式为 。 (9)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, Pt(a)电极是电池的 极,电极反应式为 ,Pt(b)电极发生 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为 ,电池的总反应式为 。 (10) 下图是利用微生物燃料电池处理工业含酚废水的原理示意图, 电极a附近发生的反应是 。 2FeO42+3Zn+8H2O=2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-。(6) 石墨电极为正极，H2O2发生还原反应生成OH-，电极反应式为H2O2+2e-=2OH-。(7) 铝作负极，失电子被氧化，在碱性溶液中生成NaAlO2，AgO作正极，得电子被还原为Ag，电解质溶液为NaOH溶液，所以其电池反应式为2Al+3AgO+2NaOH=2NaAlO2+3Ag+H2O。(8) 因为石墨电极上通入的O2得电子，故在石墨电极上NO2失电子，与迁移过来的N结合生成+5价N O32的氧化物N2O5，电极反应式为NO2+ NO32-e-=N2O5。(9) 从示意图中可以看出电极Pt(a)上CH3OH转化为CO2,发生氧化反应,为负极,酸性介质中电极反应式为CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+;Pt(b)电极上O2得电子发生还原反应,为正极,电极反应式为O2+4H+4e-=2H2O。（10）燃料电池是原电池,可将化学能转化为电能,A正确;燃料电池中通入氧气的一极发生还原反应,是正极,加燃料的一极发生氧化反应,是负极,电极b发生的反应为4H+O2+4e-=2H2O,氢离子被消耗,pH增大,C错误;电极a是苯酚被氧化生成CO2和H+,电极反应式为C6H6O-28e-+11H2O6CO2+28H+。答案： (1) Cr2O72+6e-+14H+=2Cr3+7H2O(2) 正 CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+(3) 负CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+(4) Al+3NiO(OH)+NaOH+H2O=NaAlO2+3Ni(OH)2(5) FeO42+3e-+4H2O=Fe(OH)3+5OH- 2FeO42+3Zn+8H2O=2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-(6) H2O2+2e-=2OH-(7) 2Al+3AgO+2NaOH=2NaAlO2+3Ag+H2O(8) NO2+ NO32-e-=N2O5 (9) 负 CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+还原 O2+4H+4e-=2H2O 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（10）C6H6O-28e-+11H2O6CO2+28H+【过关练习】1.（2018年高考全国卷）我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。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：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是 A. 放电时，ClO4向负极移动 B. 充电时释放CO2，放电时吸收CO2C. 放电时，正极反应为：3CO2+4e 2CO32+C D. 充电时，正极反应为：Na+eNa的氧化反应，反应为2CO32+C4e3CO2，D错误。答案：D2.（2018年高考全国卷）一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-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Li2O2-x=2Li+（1-）O2解析：本题考查化学电源。锂空气电池中，锂做负极，多孔碳材料做正极，A错误；放电时，电子由负极流向正极，B错误；充电时，锂离子向阴极移动，C错误；放电时，电池总反应为：2Li+（10.5x）O2=Li2O2x，则充电时总反应为Li2O2x=2Li+（10.5x）O2，D正确。答案：D 3.（2017年高考全国卷）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S8材料，电池反应为：16Li+xS8=8Li2Sx（2x8）。下列说法错误的是 A电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li+2e-=3Li2S4B电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 gC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Li2S2的量越多生氧化反应，电极反应为：Lie=Li+，Li+移向正极，所以a是正极，发生还原反应：S8+2e=S82，S82+2Li+=Li2S8，3Li2S8+2Li+2e=4Li2S6，2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4，Li2S4+2Li+2e=2Li2S2，据分析可知正极可发生反应：2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4，故A正确；B负极反应为：Lie=Li+，当外电路流过0.02mol电子时，消耗的锂为0.02mol，负极减重的质量为0.02mol7g/mol=0.14g，故B正确；C硫作为不导电的物质，导电性非常差，而石墨烯的特性是室温下导电最好的材料，则石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性，故C正确；D充电时a为阳极，与放电时的电极反应相反，则充电时间越长，电池中的Li2S2量就会越少，故D错误。答案：D4.（乌鲁木齐市2018届高三下学期4月第二次诊断性测验）一种碳纳米管能够吸附氢气，可作充电电池( 如图所示)的碳电极，该电池的电解质溶液为6 mol/L KOH溶液，下列说法中正确的是 A放电时镍电极反应为:NiOOH +H2O +e-=Ni(OH)2 +OH-B放电时碳电极反应为:2H+ +2e-= H2 C充电时将碳电极与电源的正极相连D充电时阴极发生氧化反应 5.（江西省九所重点中学2018届高三联合考试）根据反应KMnO4FeSO4H2SO4MnSO4Fe2(SO4)3K2SO4H2O（未配平）设计如下原电池，其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为1 molL1，溶液的体积均为200 mL，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列说法不正确的是( ) A. 石墨b是原电池的负极，发生氧化反应B. 甲烧杯中的电极反应式：MnO4-5e8H=Mn24H2OC. 电池工作时，盐桥中的阴阳离子分别向乙甲烧杯中移动，保持溶液中的电荷平衡D. 忽略溶液体积变化，Fe2(SO4)3浓度变为1.5 mol/L，则反应中转移的电子为0.1 mol 6. （延边州2018届高三质量检测）LiFePO4电池广泛用于电动车。电池反应: FePO4LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列说法正确的是选项放电过程充电过程ALi+向电池的正极迁移 化学能转化成电能B可以加入磷酸以提高电解质的导电率阳极的电极反应式为LiFePO4- e-= FePO4 +Li+C若正极增加7g，则有NA个电子经电解质由负极流向正极 阳极材料的质量不断减少D若有nmol的Li+迁移，则理论上负极失去nmol电子阴极的电极反应式为Li+e-= Li解析：A、充电过程是电能转化成化学能的过程，故A错误；B、Li属于活泼金属，加入磷酸，Li会与磷酸反应，故B错误；C、根据原电池的工作原理，电子从负极经外电路流向正极，电子不通过电解质，故C错误；D、负极反应式为：Lie=Li，转移nmolLi，说明通过电子物质的量为nmol，即Li失去电子nmol，充电时，电池的负极接电源的负极，即阴极反应式为Lie=Li，故D正确。答案：D 7.（河南省八市2018届高三上学期第一次测评）近年来有多个品牌的手机电池曾发生爆炸事故，公众对电池安全性的重视程度越来越高，燃料电池作为安全性能较好的一类化学电源得到了更快的发展。 一种以联氨(N2H4)为燃料的环保电池工作原理如图所示，工作时产生稳定无污染的物质。下列说法不正确的是（ ） A. M极生成氮气且电极附近pH降低B. 负极上每消耗1molN2H4，会有4molH+通过质子交换膜C. 正极的电极反应式为：O2+4H+4e-=2H2OD. d口流出的液体是蒸馏水 8. (1)研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO22Ag2NaCl=Na2Mn5O102AgCl，“水”电池在放电时：该电池的负极的电极反应式为_。Na不断向“水”电池的_极移动。每有 1 mol 电子转移，生成_mol Na2Mn5O10。(2)如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为 320 左右，电池反应为2NaxS=Na2Sx，正极的电极反应式为_。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是_。与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极活性物质时，钠高能电池的理论放电量是铅蓄电池的_倍。 (3)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。则该电池的负极反应为_，正极反应为_。 答案：(1)AgCle=AgCl 正 0.5(2)xS2e=S(或2NaxS2e=Na2Sx) 导电和隔离钠与硫 4.5(3)CH3CH2OHH2O4e=CH3COOH4H O24e4H=2H2O9. 如图是原电池的装置图。请回答：(1)若C为稀H2SO4溶液，电流表指针发生偏转，B电极材料为Fe且作负极，则A电极上发生的电极反应式为_；反应进行一段时间后溶液C的pH将_(填“升高”“降低”或“基本不变”)。 (2)若需将反应：Cu2Fe3=Cu22Fe2 设计成如上图所示的原电池装置，则A(负极)极材料为_，B(正极)极材料为_，溶液C为_。(3)若C为CuCl2溶液，Zn是_极，Cu极发生_反应，电极反应为_。反应一段时间后溶液中c(Cu2)_(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)CO与H2反应还可制备CH3OH，CH3OH可作为燃料使用，用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下： 电池总反应为2CH3OH3O2=2CO24H2O，则c电极是_(填“正极”或“负极”)，c电极的反应方程式为_。若线路中转移 2 mol 电子，则上述CH3OH燃料电池中消耗的O2在标况下的体积为_L。答案：(1)2H2e=H2 升高(2)Cu 石墨 FeCl3溶液(合理即可) (3)负 还原 Cu22e=Cu 变小(4)负极 CH3OH6eH2O=CO26H 11.210. (1)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，而且高铁电池的研制也在进行中。如图1是高铁电池的模拟实验装置： 该电池放电时正极的电极反应式为 ；若维持电流强度为1 A，电池工作十分钟，理论消耗Zn g(已知F96 500 Cmol1)。盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向 (填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向 (填“左”或“右”)移动。图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有 。(2)有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如下图所示，电池正极的电极反应式是 ，A是 。 (3)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如下图所示。该电池中O2可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动，工作时O2的移动方向 (填“从a到b”或“从b到a”)，负极发生的电极反应式为 。 答案：(1)FeO4H2O3e=Fe(OH)35OH 0.2右 左使用时间长、工作电压稳定(2)N28H6e=2NH 氯化铵(3)从b到a COO22e=CO2 11. (1)某研究性学习小组为探究Fe3与Ag反应，进行如下实验：按下图连接装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应)。 K闭合时，指针向左偏转，石墨作 (填“正极”或“负极”)。当指针归零后，向左侧U形管中滴加几滴FeCl2浓溶液，发现指针向右偏转，写出此时银电极的反应式： 。结合上述实验分析，写出Fe3和Ag反应的离子方程式： 。丙同学进一步验证其结论：当指针归零后，向右侧U形管中滴加数滴饱和NaCl溶液，可观察到的现象是 。(2)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如下图所示： HS在硫氧化菌作用下转化为SO的反应式是 。若维持该微生物电池中两种细菌的存在，则电池可以持续供电，原因是 。(3)钴酸锂电池的正极采用钴酸锂(LiCoO2)，负极采用金属锂和碳的复合材料，该电池充放电时的总反应式：LiCoO26CLi1xCoO2LixC6，写出放电时负极的电极反应 。(4)PbSO4热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiClKCl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PbSO42LiClCa=CaCl2Li2SO4Pb。 放电过程中，Li向 (填“负极”或“正极”)移动。负极反应式为 。电路中每转移0.2 mol电子，理论上生成 g Pb。(5)氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。 a电极的电极反应式是 ；一段时间后，需向装置中补充KOH，请依据反应原理解释原因是 。 (4)根据方程式，电路中每转移0.2 mol电子，生成0.1 mol Pb，即20.7 g。(5)a电极是通入NH3的电极，失去电子，发生氧化反应，所以该电极作负极，电极反应式是2NH36e6OH=N26H2O；一段时间后，需向装置中补充KOH，是由于发生4NH33O2=2N26H2O反应，有水生成，使得溶液逐渐变稀，为了维持碱的浓度不变，所以要补充KOH。答案：(1)正极 Age=Ag AgFe3AgFe2 出现白色沉淀，电流表指针向左偏转(2)HS4H2O8e=SO9HHS、SO离子浓度不会发生变化，只要有两种细菌存在，就会循环把有机物氧化成CO2放出电子(3)LixC6xe=C6xLi(4)正极 Ca2Cl2e=CaCl2 20.7(5)2NH36e6OH=N26H2O由于发生4NH33O2=2N26H2O反应，有水生成，使得溶液逐渐变稀，所以要补充KOH
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