第18讲　原电池及其应用 学案（含答案）2026届高三化学一轮总复习

第18讲　原电池及其应用
复习要求 1. 理解原电池的构成、工作原理及应用。2. 能书写电极反应和总反应方程式。3. 了解常见化学电源的种类及其工作原理。4. 认识金属腐蚀的危害，了解电化学腐蚀的原因，能利用原电池知识防止金属腐蚀。
知识体系
考点一　原电池工作原理
一、 概念
原电池是将________能转变为________能的装置，其反应实质是自发进行的氧化还原反应。
二、 原电池工作原理
1. 构成条件
2. 构建原电池模型(以锌铜原电池为例)
电极名称 负极 正极
电极材料 锌片 铜片
电极反应 ________________ ________________
续表
反应类型 __________ __________
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________极，Cl－移向________极
盐桥作用 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
【思维拓展】
原电池正、负极的判断依据
a. 依据电子流向：电子由负极出发经导线流向正极(溶液中无电子流动)。
b. 依据电流流向：电流由正极出发经导线流向负极，正极的电势高，负极的电势低。
c. 依据离子迁移方向(正正负负)：阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移。
d. 依据两极材料：一般活泼金属作负极，活泼性较弱的金属或惰性电极作正极。
特例：Al—NaOH溶液—Mg原电池中，虽然Mg比Al活泼，但是Mg不与NaOH溶液反应，故Al作负极，Mg作正极。Fe(Al)—浓硝酸—Cu原电池中，虽然Fe、Al比Cu活泼，但是Fe、Al会在浓硝酸中钝化，故钝化后，Cu作负极，Fe或Al作正极。
e. 依据电极现象：一般，电极逐渐溶解的为负极，电极增重或有气体放出的为正极。
f. 依据电极反应：失去电子发生氧化反应的一极是负极，得到电子发生还原反应的一极是正极。
g. 依据电解质溶液：能与电解质溶液反应的一极作负极，不能与电解质溶液反应的一极作正极。
【易错辨析】
1. 原电池内部电解质中的阴离子一定移向负极，阳离子一定移向正极。(　　)
2. 构成原电池两极的电极材料一定是活泼性不同的金属。(　　)
3. 原电池是化学能转化为电能的装置，其反应是自发的。(　　)
4. 使用盐桥可以提高电池的效率。(　　)
5. 下图能验证锌与硫酸铜反应过程中有电子转移。(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
类型1　原电池工作原理
1. (2023·广东卷)负载有Pt和Ag的活性炭，可选择性去除Cl－实现废酸的纯化，其工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A. Ag作原电池正极
B. 电子由Ag经活性炭流向Pt
C. Pt表面发生的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D. 每消耗标准状况下11.2 L的O2，最多去除1 mol Cl－
类型2　原电池原理的应用
2. 有a、b、c、d四种金属，当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b；当a、d组成原电池时，a为正极；b与c构成原电池时，电极反应式为c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，则a、b、c、d的金属性由强到弱的顺序为(　　)
A. a＞b＞c＞d B. a＞b＞d＞c
C. d＞c＞a＞b D. d＞a＞b＞c
考点二　常见的化学电源
常见的化学电源
1. 一次电池和二次电池
类型 名称 装置图 电极材料及电极反应式
一次电池 普通锌锰干电池 负极材料：Zn负极反应：________________________________________正极材料：MnO2正极反应：________________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===Zn(NH3)2Cl2＋2MnOOH
碱性锌锰干电池 负极材料：Zn负极反应：________________________________________正极材料：MnO2正极反应：________________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
纽扣式锌银电池 负极材料：Zn负极反应：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O正极材料：Ag2O正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－总反应：Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
二次电池 铅酸蓄电池 ,(1)放电(如图1)是原电池原理负极材料：Pb负极反应：Pb－2e－＋SO===PbSO4正极材料：PbO2正极反应：PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O(2)充电(如图2)是电解池原理，是原电池的逆反应阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SO阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SO＋4H＋总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
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2. 燃料电池
(1)氢氧燃料电池
物质 介质 电极反应式 工作原理示意图
H2 酸性介质 ____________________________
碱性介质 ____________________________
O2 酸性介质 ____________________________
碱性介质 ___________________________
总反应 H2＋O2===H2O(或2H2＋O2===2H2O)
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【注意】　酸性电池中，用H＋平衡电荷，不允许出现OH－。碱性电池中，用OH－平衡电荷，不允许出现H＋。
(2)常见燃料电池电极反应式的书写
所有的燃料电池，都是通燃料的一极作负极，失去电子，元素的化合价升高；通O2的一极作正极，得到电子，元素的化合价降低。
【思维拓展】
①如何判断有机物中C元素化合价：有机物中H元素一般定义为＋1价，O元素一般定义为－2价，C元素算平均价态。如：CH3OH、CH3CH2OH中的C元素一般认定为－2价，C6H6中的C元素一般认定为－1价，HCOOH中的C元素一般认定为＋2价。
②有机物在酸性电池中的含碳产物为CO2，一个电极消耗H＋，另一个电极产生H＋；在碱性电池中的含碳产物为CO，一个电极消耗OH－，另一个电极产生OH－。
(3)电解质为熔融碳酸盐或熔融氧化物的电极反应式的书写
①CH4熔融碳酸盐燃料电池
负极反应式：CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
②CH4熔融氧化物燃料电池
负极反应式：CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
【思维拓展】
离子交换膜类型和作用
(1)常见的离子交换膜
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过功能的膜，通常由特殊高分子材料制成。
离子交换膜分类如下：
(2)离子交换膜的作用
①平衡两边电极区的电荷。
②避免交换膜两边物质发生反应(反应物发生反应或产物发生反应)。
③形成交换膜两边电解质溶液浓度不同的浓差电池。
(3)分析方法
①根据膜的性质和离子在溶液中的迁移方向，画出离子透过膜的方向；②寻找迁出室溶液中浓度较大的迁移离子；③分析离子在迁入室的浓度增大和在迁出室的浓度减小，以及带来的实质变化。
(4)离子交换膜的应用——浓差电池
装置图及装置特点 用如图所示装置进行实验，观察到灵敏电流计的指针发生偏转。①a、b电极均为Ag单质。②左池为AgNO3稀溶液，右池为AgNO3浓溶液。两池AgNO3溶液的浓度不同，可以形成浓差电池。③离子交换膜作用：使两池Ag＋浓度不同；平衡两池的电荷。④随着反应进行，左右两池浓度的差值逐渐减小，外电路中电流逐渐减小，电流计指针偏转幅度逐渐变小。当左右两池离子浓度相等时，电池将停止工作，不再有电流产生，此时左右两池硝酸银溶液的物质的量浓度相等
原理分析 ①Ag＋浓度越大，氧化性越强，故b电极为正极，发生还原反应，b电极反应式为Ag＋＋e－===Ag；a电极为负极，发生氧化反应，a电极反应式为Ag－e－===Ag＋。②离子交换膜的类型和作用：不允许Ag＋通过，只允许NO通过，是阴离子交换膜。随着反应进行，NO穿过离子交换膜的速率将减小
【易错辨析】
1. 氢氧燃料电池放电时，化学能全部转化为电能。(　　)
2. (2022·江苏卷)铅酸蓄电池放电时的正极反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4。(　　)
3. 二次电池充电时，阴极连接电源的负极，发生还原反应。(　　)
4. 镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉的资源有限，价格昂贵。(　　)
5. 手机、电脑中使用的锂离子电池属于一次电池。(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
类型1　电解质溶液燃料电池
1. 燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4、C2H6等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于乙烷(C2H6)燃料电池的说法正确的是(　　)
A. 通入5.6 L O2完全反应后，有1 mol电子发生转移
B. 负极反应式：C2H6＋18OH－＋14e－===2CO＋12H2O
C. 该电池工作时，正极附近溶液的碱性增强
D. 燃料电池的优点之一是燃料反应时化学能全部转化为电能
类型2　熔融碳酸盐燃料电池
2. 一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　)
A. 电极B是该电池的负极
B. 电池工作时，CO向电极A移动
C. 电极B上发生的电极反应为O2－4e－===2O2－
D. H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
类型3　微生物燃料电池、离子交换膜的判断
3. 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图所示。下列说法正确的是(　　)
A. 该微生物燃料电池，负极为b
B. 为保证该电池的供电速度，应在较高温度下工作
C. 当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有1 mol的H＋通过质子交换膜
D. 该电池正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O
类型4　如何判断装置是原电池
4. 下列装置中，不属于原电池的是(　　)
A. B.
C. D.
类型5　常见的化学电池
5. (2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A. 电池工作时，MnO2发生氧化反应
B. 电池工作时，OH－通过隔膜向正极移动
C. 环境温度过低，不利于电池放电
D. 反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×1023
类型6　陌生原电池装置
6. (2024·南通如皋三模)一种可用于吸收CO2的电池，其工作时的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. 电极a上发生的电极反应为H2－2e－===2H＋
B. Ⅰ室出口处溶液的pH大于入口处
C. 如果将Ⅰ室、Ⅱ室间改为阳离子交换膜，则电池工作时Ⅰ室可能有CaCO3沉淀生成
D. 该装置可以制取CaCl2和NaHCO3
　 素 养 评 估 　
　　　　　　　　　　　　　　　　
1. 与甲、乙两套装置有关的下列说法正确的是(　　)
　
A. 甲、乙装置中，锌棒均作负极，发生氧化反应
B. 甲中锌棒直接与稀H2SO4接触，故甲生成气泡的速率更快
C. 甲、乙装置的电解质溶液中，阳离子均向碳棒定向迁移
D. 乙中盐桥设计的优点是迅速平衡电荷，提高电池效率
2. 气体的自动化检测中常常应用原电池原理的传感器。下图为电池的工作示意图：气体扩散进入传感器，在敏感电极上发生反应，传感器就会接收到电信号。下表列出了待测气体及敏感电极上部分反应产物。则下列说法中正确的是(　　)
待测气体 部分电极反应产物
NO2 NO
Cl2 HCl
CO CO2
H2S H2SO4
A. 上述气体检测时，敏感电极均作电池正极
B. 检测分别含H2S和CO体积分数相同的两份空气样本时，传感器上产生的电流大小相同
C. 检测H2S时，对电极充入空气，对电极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D. 检测Cl2时，敏感电极的电极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－
3. 2023杭州亚运会赛区内使用氢燃料清洁能源车辆，这种车辆利用原电池原理提供清洁电能，某氢氧燃料电池工作原理如图所示。下列说法正确的是　(　　)
A. 电极a为电池的正极
B. 电池工作过程中，K＋向负极迁移
C. 电极b表面反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
D. 氢氧燃料电池中正极消耗22.4 L(标准状况)气体时，电路中通过的电子数目为2NA
4. 利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放，又能提供电能，装置如图所示。
(1)A电极的电极反应式为__________________________________。
(2)下列关于该电池的说法正确的是________。
A. 电子从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B. 为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜
C. 电池工作一段时间，溶液的pH不变
D. 当有4.48 L NO2被处理时，转移电子物质的量为0.8 mol
第18讲　原电池及其应用
考点一　原电池工作原理
知识归纳
一、 化学　电
二、 1. 自发进行
2. Zn－2e－===Zn2＋　Cu2＋＋2e－===Cu　氧化反应　还原反应　正　负
【易错辨析】
1. √　2. ×　3. √　4. √　5. √
命题突破
1. B　解析：O2在Pt得电子发生还原反应，Pt为正极，Ag失去电子与溶液中的Cl－反应，Ag为负极。由分析可知，Ag失去电子与溶液中的Cl－反应生成AgCl，Ag为负极，A错误；电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt，B正确；溶液为酸性，故Pt表面发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，C错误；每消耗标准状况下11.2 L的O2，转移电子2 mol，而2 mol Ag失去2 mol电子，故最多去除2 mol Cl－，D错误。故选B。
2. D　解析：当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b，则金属性：a>b；当a、d组成原电池时，a为正极，则金属性：d>a；b与c构成原电池时，电极反应式：c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，b失去电子，则金属性：b>c；综上所述，金属性：d＞a＞b＞c，D正确。
考点二　常见的化学电源
知识归纳
1. Zn－2e－＋2NH3===[Zn(NH3)2]2＋　MnO2＋e－＋NH===MnO(OH)＋NH3
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2　MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－
2. (1)H2－2e－===2H＋　H2＋2OH－－2e－===2H2O　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　(2)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　CH4＋2O2===CO2＋2H2O　CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O　C2H5OH－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋ 　C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO＋11H2O　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O　C2H5OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋5H2O　C6H6－30e－＋12H2O===6CO2↑＋30H＋　C6H6－30e－＋42OH－===6CO＋24H2O　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　2C6H6＋15O2===12CO2＋6H2O　2C6H6＋15O2＋24KOH===12K2CO3＋18H2O
【易错辨析】
1. ×　2. ×　3. √　4. ×　5. ×
命题突破
1. C　解析：燃料电池中，通入燃料的一极为负极，负极发生氧化反应，通入氧气的一极为正极，正极发生还原反应。气体所处的状态未知，不能计算5.6 L O2的物质的量，故A错误；乙烷燃料电池中，负极上乙烷失去电子发生氧化反应，电解质溶液为碱性，则其电极反应式为C2H6＋18OH－－14e－===2CO＋12H2O，故B错误；该电池工作时，正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，生成OH－，正极附近溶液的碱性增强，故C正确；燃料电池燃料的化学能不能全部转化为电能，还转化为热能等其他形式的能量，故D错误。故选C。
2. B　解析：电极B通入的是O2、CO2，则电极B为正极，电极A为负极，负极反应式为H2＋CO－2e－===H2O＋CO2、CO＋CO－2e－===2CO2，正极反应式为O2＋4e－＋2CO2===2CO，A、C、D错误；原电池工作时，阴离子(CO)向负极(电极A)移动，B正确。
3. D　解析：该微生物燃料电池，b极通入氧气，氧气发生还原反应，则b为正极，故A错误；为保证微生物的活性，该电池不能在较高温度下工作，故B错误；根据电荷守恒，当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有0.5 mol的H＋通过质子交换膜，故C错误；b极通入氧气，氧气发生还原反应，则b为正极，正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故D正确。故选D。
4. D　解析：两电极材料不同，形成闭合回路，Cu能与氯化铁发生自发的氧化还原反应，故A正确；两电极材料不同，铁较活泼，海水是电解质，能发生自发的氧化还原反应，形成闭合回路，所以能形成原电池，故B正确；Zn与Cu活泼性不同，有盐桥形成闭合回路，Zn能与CuSO4溶液发生自发的氧化还原反应，故C正确；电解质应含有铜离子，而不是锌离子，否则不能发生自发的氧化还原反应，故D错误；故答案为：D。
5. C　解析：电池工作时，MnO2为正极，得到电子，发生还原反应，故A错误；电池工作时，OH－通过隔膜向负极移动，故B错误；环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，故C正确；由电极反应式MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－可知，反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为6.02×1023，故D错误。
6. D　解析：由图可知氢气在电极a上失电子，结合Ⅰ室中的氢氧根离子生成水，电极反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O。a极为负极，b极为正极，b电极上氢离子得电子生成氢气。由以上分析可知电极a上反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O，故A错误；Ⅰ室中氢氧根离子逐渐被消耗，溶液pH值逐渐减小，则出口处pH小于入口处，故B错误；如果将Ⅰ室、Ⅱ室间改为阳离子交换膜，则Ⅰ室中的钙离子通过交换膜向Ⅱ室移动，在Ⅱ室中结合碳酸根可能生成CaCO3沉淀，故C错误；该装置Ⅰ室中有钙离子，从Ⅱ室迁移来的氯离子，故Ⅰ室可以制取氯化钙；Ⅱ室中含钠离子和反应生成的碳酸氢根离子，可得到碳酸氢钠，故D正确。
素养评估
1. D　解析：甲不是原电池，A错误；甲中锌棒直接与稀H2SO4接触，发生化学腐蚀，乙中构成了原电池，负极失去电子的速率加快，因此正极放出氢气的速率增大，B错误；甲不是原电池，电解质溶液中的阳离子向锌移动，C错误；盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既可沟通两方溶液，又能阻止反应物的直接接触，迅速平衡电荷，使由它连接的两溶液保持电中性，提高电池效率，D正确。故选D。
2. D　解析：原电池中的正极发生还原反应，得到电子，元素的化合价降低，而待测气体为CO时，反应产物为二氧化碳，C元素的化合价升高，发生氧化反应，所以此时敏感电极作电池负极，同理，待测气体为H2S时，S元素的化合价也升高，敏感电极作电池负极，A错误；H2S和CO体积分数相同，则二者物质的量相同，二者失去的电子的物质的量不同，CO失去2个电子，而H2S中S失去8个电子，所以在气体的扩散速度相同的前提下，传感器上产生的电流大小不同，B错误；检测H2S时，因为电极产物为H2SO4，所以电解质溶液为硫酸，对电极为正极，发生还原反应，充入空气，则正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，C错误；检测Cl2时，Cl元素的化合价降低，所以敏感电极作正极，则敏感电极的电极反应式是Cl2＋2e－===2Cl－，D正确。故选D。
3. C　解析：由图可知，电极a为负极，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，电极b为正极，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，据此作答。电极a上氢元素失电子价态升高，故电极a为负极，A错误；原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，K＋移向正极，故B错误；由分析可知，电极b为正极，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C正确；标准状况下22.4 L气体的物质的量为1 mol，结合选项C分析可知，正极消耗1 mol氧气，电路中通过的电子数目为4NA，D错误。故选C。
4. (1)2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O　(2)B　解析：(1)根据总反应知NH3中N元素从－3价升高到0价，失去电子，因此A电极为负极，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O；
(2)电极A为负极，电子从左侧电极经负载流向右侧电极，A错误；B极为正极，电极反应式为2NO2＋8e－＋4H2O===N2＋8OH－，而负极则消耗OH－，为使电池持续供电，正极生成的OH－必须通过离子交换膜转移到负极区，故选用阴离子交换膜，B正确；根据总反应知，反应生成水，会稀释电解质溶液，因此溶液pH会改变，C错误；利用摩尔体积计算时，必须指明温度与压强，D错误。故选B。