2020-2021学年高考化学一轮复习 第20讲 原电池 化学电源知识点讲解（含解析）.docx

1、第20讲 原电池 化学电源【考情分析】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。【核心素养分析】变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。【重点知识梳理】知识点一 原电池的工作原理及应用1.概念和反应本质原电池是把化学能转化为电能的装

2、置，其反应本质是氧化还原反应。2.构成条件(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路，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。3.工作原理以锌铜原电池为例(1)反应原理电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn片沿导线流向Cu片盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极 (2)盐桥的组成和作用盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。

3、盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。（3）单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比名称单液原电池双液原电池装置相同点正、负极电极反应，总反应式，电极现象不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长4.原电池原理的应用(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。(3)用于金属的防护：将

4、需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。(4)设计制作化学电源首先将氧化还原反应分成两个半反应。根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。知识点二 常见化学电源及工作原理一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用1.碱性锌锰干电池总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。负极材料：Zn。电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2。正极材料：碳棒。电极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH。2.纽扣式锌银电池总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。电解质是KOH。负极材料：Zn。电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2。

5、正极材料：Ag2O。电极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH。3.锂电池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8Li3SOCl2=6LiClLi2SO32S。(1)负极材料为锂，电极反应为8Li8e=8Li。(2)正极的电极反应为3SOCl28e=2SSO6Cl。二、二次电池：放电后能充电复原继续使用1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)(1)放电时原电池负极反应：Pb(s)SO(aq)2e=PbSO4(s)；正极反应：PbO2(s)4H(aq)SO(

6、aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时电解池阴极反应：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq)；阳极反应：PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq)。2.图解二次电池的充放电3.二次电池的充放电规律(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。三、燃料电池1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性

7、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备注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2.解答燃料电池题目的思维模型3.解答燃料电池题目的几个关键点(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。【典型题分析】高频考点一 原电池原理及其应用【例1】（2020湖南湘潭一中模拟）下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列

8、有关叙述错误的是()A中锌电极发生氧化反应B中电子由a电极经导线流向b电极C中外电路中电流由A电极流向B电极D中LixC6做负极【答案】C【解析】在原电池中阴离子移向负极，所以中A电极为负极，则外电路中电流应由B电极流向A电极。【变式探究】（2020山西太原模拟）等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()【答案】D【解析】a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。【变式探究】（2020

9、河南许昌一中模拟）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：实验装置部分实验现象a极质量减少；b极质量增加b极有气体产生；c极无变化d极溶解；c极有气体产生外电路中电流从a极流向d极由此可判断这四种金属的活动性顺序是()AabcdBbcdaCdabc Dabdc【答案】C【解析】把四个实验从左到右分别编号为，则由实验可知，a极质量减少，b极质量增加，则a做原电池负极，b做原电池正极，金属的活动性：ab；由实验可知，b极有气体产生，c极无变化，金属的活动性：bc；由实验可知，d极溶解，c极有气体产生，则d做原电池负极，c做原电池正极，金属的活动性：dc；由实验可知，外电路中

10、电流从a极流向d极，则d做原电池负极，a做原电池正极，金属的活动性：da。综上所述，四种金属的活动性：dabc。高频考点二 盐桥原电池的考查【例2】（2020河北唐山模拟）根据下图，下列判断中正确的是()A.烧杯a中的溶液pH降低B.烧杯b中发生氧化反应C.烧杯a中发生的反应为2H2e=H2D.烧杯b中发生的反应为2Cl2e=Cl2【答案】B【解析】由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O22H2O4e=4OH，烧杯a中c(OH)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn2e=Zn2。【变式探究】（2020山东日照模拟）控制适合的

11、条件，将反应2Fe32I2Fe2I2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，在甲中加入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，C正确；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe32I2Fe2I2向左移动，I2被还原为I，乙中石墨为正极，D不正确。高频考点三 燃

12、料电池【例3】(2019高考全国卷，12，6分)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是()A相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B阴极区，在氢化酶作用下发生反应H22MV2=2H2MVC正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B【解析】由题图和题意知，电池总反应是3H2N2=2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MVe=MV2，为负极，不是阴极，

13、B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。【方法技巧】燃料电池电极反应式的书写第一步：写出燃料电池反应的总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为CH42O2=CO22H2OCO22NaOH=Na2CO3H2O式式得燃料电池总反应式为CH42O22NaOH=Na2CO33H2O。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是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所

14、不同，大致有以下四种情况：(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。第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式电池正极反应式电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。【变式探究】（2020长春实验中学模拟）十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫空气质子交换膜

15、燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是()A该电池放电时质子从电极b移向电极aB电极a附近发生的电极反应为SO22H2O2e=H2SO42HC电极b附近发生的电极反应为O24e2H2O=4OHD相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为21【答案】D【解析】A项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极a为负极，则该电池放电时质子从电极a移向电极b，错误；B项，电极a为负极，发生氧化反应，电极反应为SO22H2O2e=SO4H，硫酸应当拆为离子形式，错误；C项，酸性条件下，氧气得电子与氢离子反应生成水，电极b附近发生的电极反应为O24e4H=2H2O

16、，错误；D项，由总反应式2SO2O22H2O=2SO4H可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为21，正确。高频考点四 可充电电池（二次电池）【例4】（2020新课标）科学家近年发明了一种新型ZnCO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是A. 放电时，负极反应为B. 放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 molC. 充电时，电池总反应为D. 充电时，正极溶液中OH浓度升高【答案】D【解析】由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原

17、反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，发生还原反应生成Zn，以此分析解答。放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为：，故A正确；放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，故B正确；充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上转化为Zn，电池总反应为：，故C正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为：，溶液中H+浓度增大，溶液中c(H+)c(OH-)=KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH-浓度降低，故D错误。 【举一反三】2019新课标为

18、提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3DZn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZnNiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是（ ）A三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高B充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH(aq)e=NiOOH(s)+H2O(l)C放电时负极反应为Zn(s)+2OH(aq)2e=ZnO(s)+H2O(l)D放电过程中OH通过隔膜从负极区移向正极区【答案】D【解析】三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，吸附

19、能力强，所沉积的ZnO分散度高，A正确；充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是Ni(OH)2失去电子转化为NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2(s)OH (aq) e NiOOH(s)H2O(l)，B正确；放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)2OH (aq) 2e ZnO(s)H2O(l)，C正确；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中OH 通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。【举一反三】2019天津我国科学家研制了一种新型的高比能量锌碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解

20、质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是A. 放电时，a电极反应为I2Br2e=2IBrB放电时，溶液中离子的数目增大C充电时，b电极每增重0.65 g，溶液中有0.02 mol I被氧化D充电时，a电极接外电源负极【答案】D【解析】放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br +2e =2I +Br ，故A正确；放电时，正极反应式为I2Br +2e =2I +Br ，溶液中离子数目增大，故B正确；充电时，b电极反应式为Zn2+2e =Zn，每增加0.65g，转移0.02mol电子，阳极反应式为Br +2I 2e =I2Br ，有0.02molI 失电子被氧化，故C正确；充

21、电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误。【方法技巧】1可充电电池的思维模型因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。2可充电电池的分析流程(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。首先应分清电池是放电还是充电。再判断出正、负极或阴、阳极。(4)“加减法”书写新

22、型二次电池放电的电极反应式若已知电池放电时的总反应式，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，由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。【变式探究】(2018全国卷，12)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3CO24Na2Na2CO3C。下列说法错误的是()A.放电时，ClO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3CO24e=2COCD.充电时，正极反应为Nae=Na【答案】D【解析】根据电池

23、的总反应知，放电时负极反应：4Na4e=4Na正极反应：3CO24e=2COC充电时，阴(负)极：4Na4e=4Na阳(正)极：2COC4e=3CO2放电时，ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。【举一反三】(2018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Li2O2x(x0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Li2O2x=2LiO2【答案】D【解析】由题意知，放电时负极

24、反应为Lie=Li，正极反应为(2x)O24Li4e=2Li2O2x(x0或1)，电池总反应为O22Li=Li2O2x。该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中的Li向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li向锂材料区迁移，C项错误；充电时电池总反应为Li2O2x=2Li(1)O2，D项正确。高频考点五 新型电源【例5】（2020新课标）一种高性能的碱性硼化钒(VB2)空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：该电池工作时，下列说法错误的是A. 负载通过0.04 mol电子时，有0.2

25、24 L(标准状况)O2参与反应B. 正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高C. 电池总反应为D. 电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极【答案】B【解析】根据图示的电池结构，左侧VB2发生失电子的反应生成和，反应的电极方程式如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成OH-，反应的电极方程式为O2+4e-+2H2O=4OH-，电池的总反应方程式为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8+4，据此分析。当负极通过0.04mol电子时，正极也通过0.04mol电子，根据正极的电极方程式，通过0.04mol电子消耗0.01mol氧气，在标况下为0.224L，A正确

26、；反应过程中正极生成大量的OH-使正极区pH升高，负极消耗OH-使负极区OH-浓度减小pH降低，B错误；根据分析，电池的总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8+4，C正确；电池中，电子由VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极负载VB2电极KOH溶液复合碳电极，D正确。【变式探究】 (2018海南卷)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液。下列说法正确的是()A电池总反应式为2MgO22H2O=2Mg(OH)2B正极反应式为Mg2e=Mg2C活性炭可以加快O2在负极上的反应速率D电子的移动方向由b经外电

27、路到a【答案】A【解析】负极电极反应式为Mg2e2OH=Mg(OH)2、正极电极反应式为O24e2H2O=4OH，得失电子相同的条件下，将正负极电极反应式相加得电池总反应式为2MgO22H2O=2Mg(OH)2，故A正确，B错误；通入O2的电极是正极，活性炭可以加快O2在正极上的反应速率，故C错误；Mg作负极、活性炭作正极，电子从负极a经外电路到正极b，故D错误。【变式探究】(2017全国卷，11)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16LixS8=8Li2Sx(2x8)。下列说法错误的是()A.电池工作时，正极可发生反应：2Li

28、2S62Li2e=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【答案】D【解析】A项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中Li移动方向可知，电极a为正极，正极发生还原反应，由总反应可知正极依次发生S8Li2S8 Li2S6Li2S4Li2S2的还原反应，正确；B项，电池工作时负极电极反应式为Lie=Li，当外电路中流过0.02 mol电子时，负极消耗的Li的物质的量为0.02 mol，其质量为0.14 g，正确；C项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极a的导电能力，正确；D项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为8Li2Sx16LixS8(2x8)，故Li2S2的量会越来越少直至充满电，错误。