第32讲 原电池 化学电源(基础课)（共68张PPT）-2024届高考化学一轮复习
文档属性
| 名称 | 第32讲 原电池 化学电源(基础课)（共68张PPT）-2024届高考化学一轮复习 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 3.5MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 通用版 | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-11-02 20:04:38 | ||
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文档简介
(共68张PPT)
第32讲 原电池 化学电源(基础课)
第四部分 化学反应原理
第六章 化学反应与能量
1.了解原电池的构成和能量转化形式。 2.理解原电池的工作原理(电极反应与电池反应)及应用。 3.了解常见化学电源的工作原理及电极反应。
知识点一 原电池的工作原理及应用
必备知识梳理
关键能力训练
01
1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
原电池是把______能转化为____能的装置，其反应本质是______________。
化学
电
氧化还原反应
(2)一般构成条件
反应 能发生__________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)
电极 一般是活泼性______的两电极(金属或石墨)
闭合 回路 ①电解质溶液；
②两电极直接或间接______；
③两电极插入____________中
自发进行
不同
接触
电解质溶液
2.原电池的工作原理
如图是Cu Zn原电池，请填空：
(1)两装置的反应原理
电极名称 负极 正极
电极材料 _____ _____
电极反应 _______________________ _______________________
反应类型 ______反应 ______反应
盐桥中 离子移向 盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，工作时K＋移向____极，Cl－移向____极 Zn
Cu
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
氧化
还原
正
负
(2)原电池中的三个方向
①电子方向：从____极流出沿导线流入____极。
②电流方向：从____极沿导线流向____极。
③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向____极迁移，阳离子向____极迁移。盐桥溶液中阴离子向____极迁移，阳离子向____极迁移。
(3)盐桥的作用
①连接内电路，形成闭合回路。
②平衡电荷，使原电池不断产生电流。
负
正
正
负
负
正
负
正
3．原电池原理的应用
(1)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时，一般作______的金属比作______的金属活泼。
(2)加快氧化还原反应的速率
一个______进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率_______。例如，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。
负极
正极
自发
加快
(3)设计制作化学电源
负极
正极
电极材料
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)任何放热反应均可设计成原电池。( )
(2)原电池中电子移动方向：负极→导线→正极→电解质→负极。( )
(3)任何原电池的两极材料是不同的。( )
(4)原电池工作时电解质溶液中阳离子向正极迁移。( )
(5)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)×
2．对于Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋反应，设计为原电池，负极反应式为____________________，正极反应式为_____________________。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
原电池的工作原理及其电极判断
1．某兴趣小组设计的简易原电池装置如图所示。该电池工作时，下列说法正确的是( )
A．锌片为负极，发生还原反应
B．电子流向：碳棒→ →锌片
C．溶液中的SO 向锌片迁移
D．正极反应为2H＋－2e－===H2↑
[答案] C
2．(2022·广州模拟)某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2O >Fe3＋，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是( )
3．(2022·大连月考)控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。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
D [依反应方程式知，甲池发生还原反应(Fe3＋→Fe2＋)，乙池则发生氧化反应，A项正确；甲中石墨电极上Fe3＋＋e－===Fe2＋，B项正确；电流表读数为零，则电路中无电流通过，可逆反应达到平衡状态，C项正确；电流表读数为零，反应达到平衡状态，加入FeCl2固体，平衡左移，乙中石墨电极为正极，D项错误。]
原电池的工作原理简图
注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过阳离子交换膜移向正极。
原电池原理的应用
4．M、N、P、E四种金属，已知：①M、N用导线连接插入稀H2SO4中，N为正极；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )
A．P>M>N>E B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
A [由①可知还原性：M>N，由②可知还原性：P>M，由③可知还原性：N>E，故可推知还原性：P>M>N>E，A正确。]
5．(2022·长沙模拟)向两份过量的锌粉a、b中分别加入一定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是( )
B [加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，由于锌粉过量、H2SO4定量，则产生H2的体积一样多，故选B。]
6．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Ag＋氧化性的强弱。请写出电极反应式，负极__________________，正极_________________，并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Ag＋＋2e－===2Ag
知识点二 常见化学电源
02
必备知识梳理
关键能力训练
1．化学电源优劣判断标准
电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率)，以及电池可储存时间的长短。
2．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：____________________________________；
正极：__________________________________________________；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
(2)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：________________________；
正极：________________________________________；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
8Li－8e－===8Li＋
3．二次电池
(1)铅酸蓄电池
总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
(2)锂离子电池
一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为LixCy＋Li1－xCoO2 LiCoO2＋Cy。
放电时电极反应式为
负极：________________________________；
正极：____________________________________________。
LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
充电时电极反应式为
阴极：________________________________；
阳极：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋。
Cy＋xLi＋＋xe－===LixCy
二次电池充放电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ ________________________
正极反应式 ______________________ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O O2＋4H＋＋4e－===2H2O
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质的参与。
常见化学电源中电极反应式的书写
化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋生成H2O，在中性或碱性环境中结合H2O生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在得失电子守恒的基础上，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。
1．已知银锌电池的总反应为(电解质为KOH)：
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，则负极反应式为________________________________________，
正极反应式为_______________________________。
[答案] Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
2．已知镍镉二次电池(电解质溶液为KOH溶液)的总反应为Cd＋2NiOOH＋2H2O Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。则放电时负极反应为__________________________________________________________，正极反应为____________________________；
充电时阳极反应为__________________________。
[答案] Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2 2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－ 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
3．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式
化学电源的工作原理
4．(2022·宿迁模拟)某二次锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．放电时电子由Li经导线、用电器、导线到正极
B．放电时正极反应可能为Li2S8＋14Li＋＋14e－===8Li2S
C．充电时，该电池的总反应为8Li2S===16Li＋S8
D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗1.4 g锂时，铅酸蓄电池消耗1.8 g水
D [根据图中信息可知放电时负极锂失电子发生氧化反应，电极反应为Li－e－===Li＋，Li＋移向正极，正极发生还原反应：S8＋2e－===S ，S ＋2Li＋===Li2S8，3Li2S8＋2Li＋＋2e－===4Li2S6，2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4，Li2S4＋2Li＋＋2e－===2Li2S2，Li2S2＋2Li＋＋2e－===2Li2S，根据电极反应式结合电子转移进行计算。负极反应为Li－e－===Li＋，用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗1.4 g锂时，消耗的锂为0.2 mol，外电路流过0.2 mol电子时，铅酸蓄电池充电反应2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4，消耗水0.2 mol×18 g/mol＝3.6 g，D错误。]
5．(2022·济南模拟)NiOOH Zn电池(KOH为电解液)的工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．工作时，OH－向负极移动
B．工作一段时间后，电解液pH减小
C．负极电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===ZnO ＋2H2O
D．当电路中转移0.2 mol电子时，电解液质量增加6.4 g
D [由题干图示信息可知，Zn转化为ZnO ，失去电子，发生氧化反应，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===ZnO ＋2H2O，则Zn作负极，NiOOH转化为Ni(OH)2得到电子，发生还原反应，电极反应为NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，NiOOH作正极。当电路中转移0.2 mol电子时，由负极反应可知，Zn溶解了0.1 mol，由正极反应可知，电解质溶液减少了0.2 g，电解液质量增加65 g/mol×0.1 mol－0.2 g＝6.3 g，D错误。]
6．研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，其工作原理如图所示。
下列说法错误的是( )
A．加入HNO3降低了正极反应的活化能
B．电池工作时正极区溶液的pH降低
C．1 mol CH3CH2OH被完全氧化时有3 mol O2被还原
D．负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
B [乙醇燃料电池中，通入乙醇的一极为负极，电极反应式为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋，通入氧气的一极为正极，由工作原理图可知，正极发生反应HNO3＋3e－＋3H＋===NO↑＋2H2O，4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，二者加合可得O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则HNO3在正极起催化作用，据此分析解答。HNO3在正极起催化作用，作催化剂，则加入HNO3降低了正极反应的活化能，故A正确；电池工作时正极区的总反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则溶液中氢离子浓度减小，pH增大，故B错误；根据得失电子守恒可知，1 mol CH3CH2OH被完全氧化时，转移12 mol电子，则有3 mol O2被还原，故C正确；由分析知，负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋，故D正确。]
原电池原理在科研、生产中的应用
7. (2022·镇江模拟)Ag催化刻蚀Si晶片的反应原理如图所示。刻蚀液由一定浓度的HF和H2O2混合而成，刻蚀时间为2～16 min，由Ag薄膜覆盖的部分硅晶片被刻蚀掉，剩余部分就形成了硅纳米线。下列说法错误的是( )
A．该刻蚀过程利用了原电池原理，Si作负极
B．Ag极发生的反应为H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O
C．Si极附近溶液pH增大
D．每刻蚀14 g Si，有2.0 mol电子迁移到Ag电极
C [Si晶片上Si转化为H2SiF6，Si元素化合价升高，Si作负极，Ag作正极，结合分析可知，A、B正确；在Si电极上发生反应Si＋6HF－4e－===SiF ＋6H＋，故Si极附近溶液pH减小，C错误；根据两电极反应式，每刻蚀14 g(即0.5 mol)Si，有2.0 mol电子迁移到Ag电极，D正确。]
8．(2022·唐山模拟)某课题研究小组设计如图所示装置(电极材料均为铂)，该装置可将工业废水中的乙胺(CH3CH2NH2)转化成无毒无害物质。下列分析错误的是( )
A．电极M为电池的正极
B．电池工作时，左侧溶液pH保持不变
C．电极N的电极反应式为2CH3CH2NH2＋8H2O－30e－===4CO2↑＋N2↑＋30H＋
D．为了保证电池效率，该电池工作时温度不易过高
B [由题图可知，电极M为原电池的正极，酸性条件下空气中的氧气在正极得到电子结合H＋生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，电极N为负极，在微生物的作用下，乙胺在水分子作用下失去电子发生氧化反应生成二氧化碳、氮气和氢离子，电极反应式为2CH3CH2NH2＋8H2O－30e－===4CO2↑＋N2↑＋30H＋。由正、负极电极反应可知，左侧溶液pH变大，B错误。]
真题感悟·明确考向
03
1．(2022·湖南选择性考试，T8)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂 海水电池构造示意图如下，下列说法错误的是( )
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂 海水电池属于一次电池
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B [锂海水电池的总反应为4Li＋2H2O＋O2===4LiOH, M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。]
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2．(2022·全国乙卷，T12)Li O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )
A．充电时，电池的总反应Li2O2===2Li＋O2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
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C [放电时，金属锂电极为负极，光催化电极为正极，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误。]
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3．(2022·浙江1月选考，T21)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag AgCl电极)和另一Ag AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH＝ 。下列说法正确的是( )
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A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－(0.1 mol·L－1)
B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D．pH计工作时，电能转化为化学能
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C [A项，玻璃薄膜球内电极电势低，则该极为负极，发生失电子的氧化反应，错误；B项，pH计是测量溶液pH的仪器，玻璃膜内外氢离子浓度差异会引起电动势的变化，错误；D项，pH计采用原电池原理，工作时化学能转化为电能，错误。]
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4．(2021·山东等级考，T10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH
－O2、N2H4－O2、(CH3)2NNH2－O2清洁燃料电池，下列说法正确的
是( )
A．放电过程中，K＋均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2－O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 mol O2时，理论上N2H4－O2燃料电池气体产物的体积在标
准状况下为11.2 L
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C [碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O；N2H4－O2清洁燃料电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为－2价，H元素化合价为＋1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2＋4O2＋4KOH===2K2CO3＋N2＋6H2O。放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；根据分析可知，N2H4－O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未
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5．(2021·辽宁选择性考试，T10)如图，某液态金属储能电池放电时产生金属间化合物Li3Bi。下列说法正确的是( )
A．放电时，M电极反应为Ni－2e－===Ni2＋
B．放电时，Li＋由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为Li3Bi＋3e－===3Li＋＋Bi
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B [由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为3Li＋＋3e－＋Bi===Li3Bi，据此分析解题。由分析可知，放电时，M电极反应为Li－e－===Li＋，A错误；放电时，M极为负极，N极为正极，故Li＋由M电极向N电极移动，B正确；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，M电极的电极反应为Li＋＋e－===Li，故电极质量增大，充电时，N电极反应为Li3Bi－3e－===3Li＋＋Bi，C、D错误。]
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第32讲 原电池 化学电源(基础课)
第四部分 化学反应原理
第六章 化学反应与能量
1.了解原电池的构成和能量转化形式。 2.理解原电池的工作原理(电极反应与电池反应)及应用。 3.了解常见化学电源的工作原理及电极反应。
知识点一 原电池的工作原理及应用
必备知识梳理
关键能力训练
01
1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
原电池是把______能转化为____能的装置，其反应本质是______________。
化学
电
氧化还原反应
(2)一般构成条件
反应 能发生__________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)
电极 一般是活泼性______的两电极(金属或石墨)
闭合 回路 ①电解质溶液；
②两电极直接或间接______；
③两电极插入____________中
自发进行
不同
接触
电解质溶液
2.原电池的工作原理
如图是Cu Zn原电池，请填空：
(1)两装置的反应原理
电极名称 负极 正极
电极材料 _____ _____
电极反应 _______________________ _______________________
反应类型 ______反应 ______反应
盐桥中 离子移向 盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂，工作时K＋移向____极，Cl－移向____极 Zn
Cu
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
氧化
还原
正
负
(2)原电池中的三个方向
①电子方向：从____极流出沿导线流入____极。
②电流方向：从____极沿导线流向____极。
③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向____极迁移，阳离子向____极迁移。盐桥溶液中阴离子向____极迁移，阳离子向____极迁移。
(3)盐桥的作用
①连接内电路，形成闭合回路。
②平衡电荷，使原电池不断产生电流。
负
正
正
负
负
正
负
正
3．原电池原理的应用
(1)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时，一般作______的金属比作______的金属活泼。
(2)加快氧化还原反应的速率
一个______进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率_______。例如，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。
负极
正极
自发
加快
(3)设计制作化学电源
负极
正极
电极材料
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)任何放热反应均可设计成原电池。( )
(2)原电池中电子移动方向：负极→导线→正极→电解质→负极。( )
(3)任何原电池的两极材料是不同的。( )
(4)原电池工作时电解质溶液中阳离子向正极迁移。( )
(5)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)×
2．对于Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋反应，设计为原电池，负极反应式为____________________，正极反应式为_____________________。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
原电池的工作原理及其电极判断
1．某兴趣小组设计的简易原电池装置如图所示。该电池工作时，下列说法正确的是( )
A．锌片为负极，发生还原反应
B．电子流向：碳棒→ →锌片
C．溶液中的SO 向锌片迁移
D．正极反应为2H＋－2e－===H2↑
[答案] C
2．(2022·广州模拟)某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2O >Fe3＋，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是( )
3．(2022·大连月考)控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。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
D [依反应方程式知，甲池发生还原反应(Fe3＋→Fe2＋)，乙池则发生氧化反应，A项正确；甲中石墨电极上Fe3＋＋e－===Fe2＋，B项正确；电流表读数为零，则电路中无电流通过，可逆反应达到平衡状态，C项正确；电流表读数为零，反应达到平衡状态，加入FeCl2固体，平衡左移，乙中石墨电极为正极，D项错误。]
原电池的工作原理简图
注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过阳离子交换膜移向正极。
原电池原理的应用
4．M、N、P、E四种金属，已知：①M、N用导线连接插入稀H2SO4中，N为正极；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )
A．P>M>N>E B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
A [由①可知还原性：M>N，由②可知还原性：P>M，由③可知还原性：N>E，故可推知还原性：P>M>N>E，A正确。]
5．(2022·长沙模拟)向两份过量的锌粉a、b中分别加入一定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是( )
B [加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，由于锌粉过量、H2SO4定量，则产生H2的体积一样多，故选B。]
6．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Ag＋氧化性的强弱。请写出电极反应式，负极__________________，正极_________________，并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Ag＋＋2e－===2Ag
知识点二 常见化学电源
02
必备知识梳理
关键能力训练
1．化学电源优劣判断标准
电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率)，以及电池可储存时间的长短。
2．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：____________________________________；
正极：__________________________________________________；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
(2)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：________________________；
正极：________________________________________；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
8Li－8e－===8Li＋
3．二次电池
(1)铅酸蓄电池
总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
(2)锂离子电池
一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为LixCy＋Li1－xCoO2 LiCoO2＋Cy。
放电时电极反应式为
负极：________________________________；
正极：____________________________________________。
LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
充电时电极反应式为
阴极：________________________________；
阳极：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋。
Cy＋xLi＋＋xe－===LixCy
二次电池充放电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ ________________________
正极反应式 ______________________ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O O2＋4H＋＋4e－===2H2O
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质的参与。
常见化学电源中电极反应式的书写
化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋生成H2O，在中性或碱性环境中结合H2O生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在得失电子守恒的基础上，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。
1．已知银锌电池的总反应为(电解质为KOH)：
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，则负极反应式为________________________________________，
正极反应式为_______________________________。
[答案] Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
2．已知镍镉二次电池(电解质溶液为KOH溶液)的总反应为Cd＋2NiOOH＋2H2O Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。则放电时负极反应为__________________________________________________________，正极反应为____________________________；
充电时阳极反应为__________________________。
[答案] Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2 2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－ 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
3．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式
化学电源的工作原理
4．(2022·宿迁模拟)某二次锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．放电时电子由Li经导线、用电器、导线到正极
B．放电时正极反应可能为Li2S8＋14Li＋＋14e－===8Li2S
C．充电时，该电池的总反应为8Li2S===16Li＋S8
D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗1.4 g锂时，铅酸蓄电池消耗1.8 g水
D [根据图中信息可知放电时负极锂失电子发生氧化反应，电极反应为Li－e－===Li＋，Li＋移向正极，正极发生还原反应：S8＋2e－===S ，S ＋2Li＋===Li2S8，3Li2S8＋2Li＋＋2e－===4Li2S6，2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4，Li2S4＋2Li＋＋2e－===2Li2S2，Li2S2＋2Li＋＋2e－===2Li2S，根据电极反应式结合电子转移进行计算。负极反应为Li－e－===Li＋，用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗1.4 g锂时，消耗的锂为0.2 mol，外电路流过0.2 mol电子时，铅酸蓄电池充电反应2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4，消耗水0.2 mol×18 g/mol＝3.6 g，D错误。]
5．(2022·济南模拟)NiOOH Zn电池(KOH为电解液)的工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．工作时，OH－向负极移动
B．工作一段时间后，电解液pH减小
C．负极电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===ZnO ＋2H2O
D．当电路中转移0.2 mol电子时，电解液质量增加6.4 g
D [由题干图示信息可知，Zn转化为ZnO ，失去电子，发生氧化反应，电极反应为Zn－2e－＋4OH－===ZnO ＋2H2O，则Zn作负极，NiOOH转化为Ni(OH)2得到电子，发生还原反应，电极反应为NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，NiOOH作正极。当电路中转移0.2 mol电子时，由负极反应可知，Zn溶解了0.1 mol，由正极反应可知，电解质溶液减少了0.2 g，电解液质量增加65 g/mol×0.1 mol－0.2 g＝6.3 g，D错误。]
6．研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，其工作原理如图所示。
下列说法错误的是( )
A．加入HNO3降低了正极反应的活化能
B．电池工作时正极区溶液的pH降低
C．1 mol CH3CH2OH被完全氧化时有3 mol O2被还原
D．负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
B [乙醇燃料电池中，通入乙醇的一极为负极，电极反应式为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋，通入氧气的一极为正极，由工作原理图可知，正极发生反应HNO3＋3e－＋3H＋===NO↑＋2H2O，4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，二者加合可得O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则HNO3在正极起催化作用，据此分析解答。HNO3在正极起催化作用，作催化剂，则加入HNO3降低了正极反应的活化能，故A正确；电池工作时正极区的总反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则溶液中氢离子浓度减小，pH增大，故B错误；根据得失电子守恒可知，1 mol CH3CH2OH被完全氧化时，转移12 mol电子，则有3 mol O2被还原，故C正确；由分析知，负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋，故D正确。]
原电池原理在科研、生产中的应用
7. (2022·镇江模拟)Ag催化刻蚀Si晶片的反应原理如图所示。刻蚀液由一定浓度的HF和H2O2混合而成，刻蚀时间为2～16 min，由Ag薄膜覆盖的部分硅晶片被刻蚀掉，剩余部分就形成了硅纳米线。下列说法错误的是( )
A．该刻蚀过程利用了原电池原理，Si作负极
B．Ag极发生的反应为H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O
C．Si极附近溶液pH增大
D．每刻蚀14 g Si，有2.0 mol电子迁移到Ag电极
C [Si晶片上Si转化为H2SiF6，Si元素化合价升高，Si作负极，Ag作正极，结合分析可知，A、B正确；在Si电极上发生反应Si＋6HF－4e－===SiF ＋6H＋，故Si极附近溶液pH减小，C错误；根据两电极反应式，每刻蚀14 g(即0.5 mol)Si，有2.0 mol电子迁移到Ag电极，D正确。]
8．(2022·唐山模拟)某课题研究小组设计如图所示装置(电极材料均为铂)，该装置可将工业废水中的乙胺(CH3CH2NH2)转化成无毒无害物质。下列分析错误的是( )
A．电极M为电池的正极
B．电池工作时，左侧溶液pH保持不变
C．电极N的电极反应式为2CH3CH2NH2＋8H2O－30e－===4CO2↑＋N2↑＋30H＋
D．为了保证电池效率，该电池工作时温度不易过高
B [由题图可知，电极M为原电池的正极，酸性条件下空气中的氧气在正极得到电子结合H＋生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，电极N为负极，在微生物的作用下，乙胺在水分子作用下失去电子发生氧化反应生成二氧化碳、氮气和氢离子，电极反应式为2CH3CH2NH2＋8H2O－30e－===4CO2↑＋N2↑＋30H＋。由正、负极电极反应可知，左侧溶液pH变大，B错误。]
真题感悟·明确考向
03
1．(2022·湖南选择性考试，T8)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂 海水电池构造示意图如下，下列说法错误的是( )
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂 海水电池属于一次电池
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B [锂海水电池的总反应为4Li＋2H2O＋O2===4LiOH, M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。]
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2．(2022·全国乙卷，T12)Li O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )
A．充电时，电池的总反应Li2O2===2Li＋O2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
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C [放电时，金属锂电极为负极，光催化电极为正极，Li＋从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误。]
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3．(2022·浙江1月选考，T21)pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag AgCl电极)和另一Ag AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH＝ 。下列说法正确的是( )
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A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为AgCl(s)＋e－===Ag(s)＋Cl－(0.1 mol·L－1)
B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D．pH计工作时，电能转化为化学能
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C [A项，玻璃薄膜球内电极电势低，则该极为负极，发生失电子的氧化反应，错误；B项，pH计是测量溶液pH的仪器，玻璃膜内外氢离子浓度差异会引起电动势的变化，错误；D项，pH计采用原电池原理，工作时化学能转化为电能，错误。]
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4．(2021·山东等级考，T10)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH
－O2、N2H4－O2、(CH3)2NNH2－O2清洁燃料电池，下列说法正确的
是( )
A．放电过程中，K＋均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2－O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 mol O2时，理论上N2H4－O2燃料电池气体产物的体积在标
准状况下为11.2 L
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C [碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O；N2H4－O2清洁燃料电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为－2价，H元素化合价为＋1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2＋4O2＋4KOH===2K2CO3＋N2＋6H2O。放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A错误；根据分析可知，N2H4－O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未
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5．(2021·辽宁选择性考试，T10)如图，某液态金属储能电池放电时产生金属间化合物Li3Bi。下列说法正确的是( )
A．放电时，M电极反应为Ni－2e－===Ni2＋
B．放电时，Li＋由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为Li3Bi＋3e－===3Li＋＋Bi
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B [由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为3Li＋＋3e－＋Bi===Li3Bi，据此分析解题。由分析可知，放电时，M电极反应为Li－e－===Li＋，A错误；放电时，M极为负极，N极为正极，故Li＋由M电极向N电极移动，B正确；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，M电极的电极反应为Li＋＋e－===Li，故电极质量增大，充电时，N电极反应为Li3Bi－3e－===3Li＋＋Bi，C、D错误。]
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