第28讲 原电池 化学电源
[目标速览] 1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。2.能分析、理解原电池的工作原理,能设计简单的原电池。3.能列举常见的化学电源,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
微考点 核心突破
考点1 原电池
知|识|梳|理
1.概念
把________转化为______的装置。
2.构成条件
(1)有两个________的电极(常见为金属或石墨)。
(2)将电极插入____________中。
(3)两电极间构成闭合回路。
3.工作原理(可用简图表示如下)
总反应离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑
(1)电极。
①负极:________电子,发生________反应。
②正极:________电子,发生________反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向。
①电子从________流出经外电路流入________。
②电流从________流出经外电路流入________。
故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
(3)离子移动方向。
阴离子向________移动(如S),阳离子向________移动(如Zn2+和H+,溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
思维辨析
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
1.NaOH溶液与稀硫酸的反应是自发进行的放热反应,此反应可以设计成原电池。( )
2.在Cu/CuSO4/Zn原电池中,正电荷定向移动的方向就是电流的方向,所以Cu2+向负极移动。( )
3.在Cu/CuSO4/Zn原电池中,电子由负极(Zn)→外电路→正极(Cu)→溶液→负极(Zn)。( )
4.在Mg/NaOH/Al原电池中,Mg作负极、Al作正极。( )
5.原电池工作时,正极表面一定有气泡产生。( )
实|验|回|放
实验一:简易电池的设计与制作——水果电池
1.制作方法。
(1)取1个新鲜的柠檬,揉捏变软备用。
(2)将大小、形状均相同的锌片和铜片竖直插在水果上,两电极间的距离及插入深度均要相同。
(3)按如图所示连接好电路,观察电压表示数的变化,记录数据。
2.水果电池的探究。
探究角度 对电池电压的影响
改变电极插入的深度,比较电压表示数的变化 深度越深,接触面积越大,电压越大
改变两电极间的距离,比较电压表示数的变化 电极间的距离越大,电极对带电粒子的吸引力越小,电压越小
将电极材料换成铁片和铜片,比较电压表示数的变化 电极的种类:两电极的金属活动性相差越大,电压越大
将1个柠檬换成2个柠檬,比较电压表示数的变化 多个同种水果串联形成的电压大于单个水果的
将柠檬换成番茄或苹果,比较电压表示数的变化 不同水果产生的电压大小不同
实验二:含盐桥的原电池
1.实验操作。
如图所示,用一个装有含琼胶的KCl饱和溶液的盐桥,将置有锌片的1 mol·L-1 ZnSO4溶液和置有铜片的1 mol· CuSO溶液连接起来,然后将锌片和铜片用导线连接,并在中间串联一个电流计。
2.实验现象。
(1)电流计指针发生偏转。
(2)左边烧杯中的锌片逐渐溶解,右边烧杯中的铜片上有红色固体析出。
(3)取出盐桥,电流计的指针回到零点,铜片上不再有固体析出,锌片也不再溶解。
知|识|拓|展
1.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
2.盐桥及其作用
(1)盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液,能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。离子在盐桥中能定向移动,通过盐桥将两种隔离的电解质溶液连接起来,可使电流持续传导。
(2)使用盐桥的目的是将两个半电池完全隔开,使副反应减至最低程度,可以获得单纯的电极反应,便于分析放电过程,有利于最大限度地将化学能转化为电能。
3.原电池正、负极的判断
4.一般原电池电极反应式的书写
书写原电池的电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有:
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应,并注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应:
正极:2Fe3++2e-===2Fe2+
负极:Cu-2e-===Cu2+。
(2)加减法。
①写出总反应,如Li+LiMn2O4===Li2Mn2O4。
②写出其中容易写的一个半反应(正极或负极)。如Li-e-===Li+(负极)。
③利用总反应与上述的一极反应相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-===Li2Mn2O4(正极)。
5.原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用
(1)比较不同金属的活动性强弱。
根据原电池原理可知,在原电池反应过程中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或碳棒)作正极。
若有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入稀硫酸中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明在原电池工作过程中,A被氧化成阳离子而失去电子作负极,B作正极,则可以断定金属A的活动性比B的强。
(2)加快化学反应速率。
由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生,因而反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成Cu-Zn原电池,加快反应速率。
(3)用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
(4)设计制作化学电源。
设计原电池时要紧扣原电池的三个条件。具体方法:
①首先将已知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(负极就是失电子的物质,正极用比负极活动性差的金属即可,也可以用石墨)及电解质溶液。
知|识|对|练
角度一 原电池的工作原理
1.学过原电池后,某同学设计了如图所示的原电池。闭合电键K,下列有关说法正确的是( )
A.铜丝为原电池的负极
B.铁钉处的电极反应为Fe-3e-===Fe3+
C.玻璃杯中CH3COO-由正极区域移向负极区域
D.正极收集0.01 mol气体时,转移0.04 mol电子
2.某双液原电池装置如图所示,盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液。下列有关叙述不正确的是( )
A.Fe作负极,发生氧化反应
B.电子流动方向:铁→石墨→稀硫酸→盐桥→氯化钠溶液
C.工作一段时间后,左侧烧杯中c(Cl-)增大
D.正极反应式:2H++2e-===H2↑
3.(2025·惠州期末)我国科学家设计的“海泥电池”工作原理如图所示,其中微生物代谢产物显酸性。下列说法不正确的是( )
A.A电极上的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
B.工作时,B电极附近pH变小
C.H+从海水层通过交接面向海底沉积层移动
D.微生物代谢反应中,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
角度二 原电池正、负极的判断
4.分析如图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
角度三 原电池正、负极反应式的书写
5.(1)Fe-Cu-稀硫酸组成的原电池中,负极反应式为__________________,正极反应式为________________,电池总反应式为___________________________________________________________
___________________________________________________________。
(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,其正极反应式为__________________,负极反应式为____________________。
(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,其负极反应式为___________________________________________________________。
(4)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___________________________________________________________
___________________________________________________________。
角度四 原电池原理的应用
6.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 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
7.选择合适的图像填空。
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,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)的关系是________(填字母,下同)。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入等量的稀硫酸中,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)的关系是________。
(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图像是________。
角度五 设计原电池,画出装置图
8.某校化学兴趣小组进行探究性活动,将氧化还原反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成盐桥原电池。提供的试剂有FeCl3溶液、KI溶液,其他用品任选。回答下列问题:
(1)在下面虚框中画出设计的原电池装置图,并标出电极材料、电极名称及电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为___________________________________________________________
____________________。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中________(填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为________(填“正”或“负”)极。
考点2 常见化学电源的种类及其工作原理
知|识|梳|理
一、一次电池(碱性锌锰电池)
碱性锌锰电池的工作原理如图:
二、二次电池(以铅酸蓄电池为例)
1.放电时的反应
(1)负极反应:___________________________________________________________。
(2)正极反应:___________________________________________________________。
(3)总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)。
2.充电时的反应
(1)阴极反应:___________________________________________________________。
(2)阳极反应:___________________________________________________________。
(3)总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。
微提醒 书写电极反应式的三个原则:
(1)共存原则。
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应;当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应或生成OH-。
(2)得氧失氧原则。
得氧时,在反应物中加H2O(电解质溶液为酸性时)或OH-(电解质溶液为碱性或中性时);失氧时,在反应物中加H2O(电解质溶液为碱性或中性时)或H+(电解质溶液为酸性时)。
(3)中性吸氧反应生成碱原则。
在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的最后产物是碱。
三、燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,分为酸性和碱性两种
种类 酸性 碱性
负极 反应式 ________________ __________________
正极 反应式 ________________ __________________
电池总 反应式 2H2+O2===2H2O
2.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
CH4+2O2===CO2+2H2O ①
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O ②
①式+②式得燃料电池总反应式为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
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:
O2+4H++4e-===2H2O。
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:O2+4e-===2O2-。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:O2+2CO2+4e-===2C。
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。
微提醒 原电池学习的关键是理解原电池的原理,大家可以画一画原电池的原理图,弄清离子的移向、电子的流向、两极的反应(负氧化正还原)。对于燃料电池要注意燃料在负极反应,O2在正极反应,要注意电解质溶液或传导介质的影响,如碱性条件下,CO2以C形式存在。
思维辨析
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
1.可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。( )
2.铅酸蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应。( )
3.Zn具有还原性和导电性,可用作锌锰电池的负极材料。( )
4.原电池的两电极中,较活泼的电极一定为负极。( )
5.碘可用作锂碘电池的材料,该电池反应为2Li(s)+I2(s)===2LiI(s),则碘电极作该电池的负极。( )
知|识|对|练
角度六 一般电池电极反应式的书写
9.根据电池的原理图和有关信息,回答问题:
(1)镁空气电池 (2)可充放电式锌-空气电池
该电池的核心组分是驱动氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂,KOH溶液为电解质溶液。放电时总反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2[Zn(OH)4]2-
负极反应式为________________________,电池总反应式为____________________,电子由______(填“a”或“b”,下同)极经外电路移动到______极 充电时,锌电极上的反应式为____________________,析氧反应(OER)为____________________________,充电后c(KOH)______(填“增大”“不变”或“减小”)
10.Li-SOCl2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LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。
(1)电池的负极材料为________,发生的电极反应为____________________________。
(2)电池正极发生的电极反应为___________________________________________________________
____________________。
角度七 “常考常新”的可逆电池
11.锌碘双离子二次电池的示意图如图所示,下列说法不正确的是( )
A.增加电解液的浓度可提升该电池存储的能量
B.充电时,I2可与I-进一步反应生成多碘化物,不利于I2的沉积
C.放电时,溶液中离子的数目增大
D.防止多碘化物与Zn接触反应,应采用阴离子交换膜
12.一种碳纳米管新型二次电池的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.离子交换膜选用阳离子交换膜(只允许阳离子通过)
B.正极的电极反应为NiO(OH)+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
C.导线中通过1 mol电子时,理论上负极区溶液质量增加1 g
D.充电时,碳电极与电源的正极相连
角度八 不同介质对燃料电池电极反应式书写的影响
13.以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法:
(1)酸性条件
燃料电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O ①
燃料电池正极反应式:O2+4H++4e-===2H2O ②
①-②×2,得燃料电池负极反应式为___________________________________________________________
____________________。
(2)碱性条件
燃料电池总反应式:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O ①
燃料电池正极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH- ②
①-②×2,得燃料电池负极反应式为___________________________________________________________
____________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
燃料电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O ①
燃料电池正极反应式:O2+4e-===2O2- ②
①-②×2,得燃料电池负极反应式为___________________________________________________________
____________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O ①
正极电极反应式:O2+2CO2+4e-===2C ②
①-②×2,得燃料电池负极反应式为___________________________________________________________
__________________________。
微充电 素养提升
三步模型——突破新型化学电源
【方法归纳】
【母题】 科学家们发明了一种新型高能量密度铝-石墨双离子电池技术,可制造全新的高效、低成本储能电池,电解液由六氟磷酸锂(LiPF6)和碳酸酯类有机溶剂组成,充电过程中,石墨电极(Cx)发生阴离子插层反应,而铝电极发生铝-锂合金化反应,放电过程则相反,工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.LiPF6属于离子化合物
B.放电时,负极的电极反应式为AlLi-e-===Li++Al
C.充电时,P移向石墨电极,b连接电源负极
D.放电时,负极每释放1 mol Li+,正极释放1 mol P
类型一 锂电池与锂离子电源
1.锂电池。
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时金属锂失去电子被氧化为Li+,负极反应均为Li-e-===Li+,负极生成的Li+经过电解质定向移动到正极。
2.锂离子二次电池。
(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理,替代了传统的“氧化—还原”理念;在两极形成的电压降的驱动下,Li+可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。
(2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-===LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe-===6C+xLi+。
(3)锂离子电池的正极材料一般为含Li+的化合物,目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。
【衍生1】 锂离子电池充、放电电池总反应为LixC6+Li1-xCoO2LiCoO2+C6,该电池充、放电的工作示意图如图。下列有关说法不正确的是( )
A.该电池具有很高的比能量
B.负极的反应式:LixC6-xe-===xLi++C6
C.放电时,Li+从石墨晶体中脱出回到正极氧化物晶格中
D.充电时,若转移1 mol e-,石墨电极将增重7x g
类型二 微生物电源
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是:在负极室厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递,并通过外电路传递到正极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到正极,氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。
【衍生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图所示,下列说法正确的是( )
A.a电极为正极,b电极为负极
B.电子从b电极流出,经外电路流向a电极
C.HS-转化为S的反应为HS-+4H2O-8e-===S+9H+
D.若该电池中有0.2 mol O2参加反应,则有0.2 mol H+通过质子交换膜
类型三 浓差电池
“浓差电池”的分析方法。浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差,离子均是由“高浓度”移向“低浓度”,阴离子移向负极区域,阳离子移向正极区域,判断电池的正、负极是解题的关键。
【衍生3】 某化学小组将两个完全相同的铜片分别放入体积相同、浓度不同的CuSO4溶液中形成浓差电池,并以该电池为电源,以石墨为电极,将NH3转化为高纯H2,装置如图所示。下列说法错误的是( )
A.Cu(1)极的电势高于Cu(2)极的
B.S、OH-分别通过阴离子交换膜Ⅰ、Ⅱ向左移动
C.当电解停止时,理论上Cu(2)极与Cu(1)极质量相差64 g
D.该装置理论上可制得1 mol H2
类型四 物质循环转化型电池
根据物质转化中,元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域,阴离子移向负极区域),判断电池的正、负极是分析该电池的关键。
【衍生4】 我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展,利用如图装置可发生反应H2S+O2===H2O2+S↓,已知甲池中发生的反应为
下列说法不正确的是( )
A.甲池中碳棒上发生的电极反应式为AQ+2H++2e-===H2AQ
B.乙池溶液中发生的反应为H2S+===3I-+S↓+2H+
C.该装置将光能转化为电能
D.H+从甲池移向乙池
微真题 把握方向
考向一 原电池工作原理
1.(2024·湖南卷)近年来,我国新能源产业得到了蓬勃发展,下列说法错误的是( )
A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌,充电时锂离子从正极脱嵌
D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
2.(2024·浙江卷1月)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理,下列说法正确的是( )
A.石墨作电池的负极材料
B.电池工作时,N向负极方向移动
C.MnO2发生氧化反应
D.锌筒发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+
3.(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
4.(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为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-
考向二 原电池工作原理的应用
5.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是( )
A.电池总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
6.(2022·全国甲卷)一种水性电解液Zn MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以Zn(OH存在]。电池放电时,下列叙述错误的是( )
A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B.Ⅰ区的S通过隔膜向Ⅱ区迁移
C.MnO2电极反应:MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O
D.电池总反应:Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH+Mn2++2H2O
考向三 燃料电池工作原理
7.(2021·山东卷)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的物质的量均减小
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
考向四 可逆电池
8.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是( )
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
第28讲 原电池 化学电源
微考点·核心突破
考点1
知识梳理
1.化学能 电能 2.(1)活动性不同 (2)电解质溶液
3.氧化 还原 (1)①失去 氧化 ②得到 还原
(2)①负极 正极 ②正极 负极 (3)负极 正极
思维辨析
1.× 提示:只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。
2.× 提示:原电池闭合回路的意义,在外电路(导线)中电流由正极流向负极,而在(内电路)电解质溶液中,阳离子却由负极移向正极,这样才能形成闭合回路,所以Cu2+向正极移动。
3.× 提示:电解质溶液导电的原因是自由离子的定向移动,电子不能通过溶液。
4.× 提示:Mg不与氢氧化钠溶液反应,Al与氢氧化钠溶液反应,所以Mg作正极、Al作负极。
5.× 提示:若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池,则正极表面析出铜,没有气泡产生。
知识对练
1.C 解析 铁的活动性比铜强,铁与醋酸反应,铜与醋酸不反应,则铜丝为原电池的正极,A项错误;铁钉处的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,B项错误;根据原电池“同性相吸”,则玻璃杯中CH3COO-由正极区域移向负极区域,C项正确;根据2CH3COOH+2e-===H2↑+2CH3COO-,正极收集0.01 mol气体时转移0.02 mol电子,D项错误。
2.B 解析 铁为负极,发生氧化反应,A项正确;电子由负极经导线流入正极,不经过稀硫酸溶液,B项错误;铁为负极,氯离子向负极移动,则左侧烧杯中c(Cl-)浓度增大,C项正确;石墨为正极,发生反应2H++2e-===H2↑,D项正确。
3.C 解析 由图可知,A电极上氧气得电子生成水,则A电极为正极,电极反应为O2+4H++4e-===2H2O,B电极上HS-失电子生成S,则B电极为负极,负极反应式为HS--2e-===S↓+H+,微生物作用下发生的反应为2CH2O+S+H+===2CO2+HS-+2H2O 。由分析可知,A、B两项正确;原电池工作时,阳离子向正极移动,则H+向海水层移动,C项错误;微生物代谢反应为2CH2O+S+H+===2CO2+HS-+2H2O,S是氧化剂,CH2O是还原剂,氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2,D项正确。
4.B 解析 ②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓硝酸反应失去电子作负极,A、C两项错误;②中电池总反应为2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-===2[Al(OH)4]-,二者相减得到正极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B项正确;④中Cu是正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D项错误。
5.答案 (1)Fe-2e-===Fe2+ 2H++2e-===H2↑
Fe+2H+===Fe2++H2↑
(2)Fe3++e-===Fe2+ Pb-2e-===Pb2+
(3)Cu-2e-===Cu2+
(4)Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-
2Fe+8H2O+3Zn===2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-
解析 (1)Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,正极为Cu,电极反应式为Fe3++e-===Fe2+;负极为Pb,电极反应式为Pb-2e-===Pb2+。(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,Al遇浓硝酸钝化,Cu作负极,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。(4)K2FeO4-Zn组成碱性电池,K2FeO4在电池中作为正极材料,Fe中+6价铁元素被还原为Fe(OH)3中+3价铁元素,其电极反应式为Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-;书写总反应的离子方程式时,关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。
6.C 解析 第一个装置是原电池,a极质量减小,b极质量增加,说明a极为负极,b极为正极,金属活动性a>b;第二个装置,b极有气体产生,c极无变化,说明金属活动性b>c;第三个装置是原电池,d极溶解,c极有气体产生,说明d极为负极,c极为正极,金属活动性d>c;第四个装置是原电池,电流从a极流向d极,说明d极为负极,a极为正极,金属活动性d>a;综上,这四种金属的活动性顺序是d>a>b>c,故选C。
7.答案 (1)A (2)B (3)C
解析 (1)因H2SO4过量,产生H2的量由Zn决定,a中加入CuSO4溶液,消耗一部分Zn,Cu、Zn与H2SO4形成原电池,反应速率加快,所以a放出H2的量减少,但反应速率加快。(2)a中Zn过量,H2SO4完全反应,加入CuSO4虽然消耗Zn,但不影响产生H2的量,形成原电池反应速率加快。(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH,c(H+)减小,从而减慢反应速率,因酸过量,产生H2的量由Zn决定,所以产生H2的量没发生变化。
8.答案 (1)
(2)2I--2e-===I2 (3)无 (4)负
解析 (1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定正、负极区电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。(3)反应达到平衡时,无电子流动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,正极变成负极。
考点2
知识梳理
一、Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
二、1.(1)Pb(s)+S(aq)-2e-===PbSO4(s)
(2)PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)
2.(1)PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+S(aq)
(2)PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)
三、1.2H2-4e-===4H+ 2H2+4OH--4e-===4H2O
O2+4H++4e-===2H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
思维辨析
1.× 提示:可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的,故不是可逆反应。
2.× 提示:铅酸蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。
3.√ 提示:电池的电极应能导电,负极上发生氧化反应。
4.× 提示:不一定,如铝、镁和NaOH溶液构成的原电池,铝作原电池的负极,镁作原电池的正极。
5.× 提示:碘在反应中的化合价降低,发生还原反应,碘作正极。
知识对练
9.答案 (1)Mg+2OH--2e-===Mg(OH)2
2Mg+O2+2H2O===2Mg(OH)2 a b
(2)[Zn(OH)4]2-+2e-===Zn+4OH- 4OH--4e-===O2↑+2H2O
增大
10.答案 (1)锂 Li-e-===Li+
(2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S↓+SO2↑
解析 分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。(1)负极材料为Li(还原剂),发生的电极反应为Li-e-===Li+。(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:2SOCl2+4e-===4Cl-+S↓+SO2↑。
11.D 解析 由题图可知,该原电池中Zn失去电子生成Zn2+作负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,I2得到电子生成I-作正极,电极反应式为I2+2e-===2I-,以此解答。增加电解液的浓度,可以使该二次电池在充电时得到更多的Zn和I2,可提升该电池存储的能量,A项正确;充电时,I2可与I-进一步反应生成多碘化物,不利于I2的沉积,B项正确;由分析可知,放电时正极的电极反应式为I2+2e-===2I-,负极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,放电时,溶液中离子的数目增大,C项正确;多碘化物带负电荷,防止多碘化物与Zn接触反应,应采用阳离子交换膜,D项错误。
12.B 解析 根据题中装置图,碳电极通入氢气,发生氧化反应,电极反应为H2-2e-+2OH-===2H2O,Ni电极上NiO(OH)→Ni(OH)2,发生还原反应,电极反应为NiO(OH)+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,碳电极是负极,Ni电极是正极。离子交换膜选用阴离子交换膜(只允许阴离子通过),A项错误,B项正确;导线中通过1 mol电子时,负极生成1 mol水,理论上负极区溶液质量增加18 g,C项错误;充电时,负极与电源负极相连,所以碳电极与电源的负极相连,D项错误。
13.答案 (1)CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
(2)CH4+10OH--8e-===C+7H2O
(3)CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
(4)CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O
微充电·素养提升
母题 C 解析 LiPF6是由Li+与P通过离子键结合而形成的离子化合物,A项正确。
衍生1 D 解析 锂是摩尔质量最小的金属元素,因此制成的电池具有很高的比能量,A项正确;从题中图示可知,放电时锂离子从石墨晶格中脱出,通过电解质迁移到层状正极表面后嵌入正极氧化物晶格中,C项正确;充电时,石墨(C6)电极嵌入Li+变成LixC6,电极反应式为xLi++C6+xe-===LixC6,则石墨电极增重的质量就是Li+的质量,若转移1 mol e-,石墨电极将增多1 mol Li+,即增重7 g,D项错误。
衍生2 C 解析 根据装置图,通氧气一极为正极,或者根据氢离子移动的方向进行判断,氢离子移向正极,即b电极为正极,a电极为负极,A项错误;根据原电池工作原理,电子从负极经外电路流向正极,即从a电极流出经外电路流向b电极,B项错误;根据装置图可知,HS-在硫氧化菌的作用下转化成S,其反应为HS--8e-+4H2O===S+9H+,C项正确;0.2 mol氧气参与反应,电路中转移电子的物质的量为0.2 mol×4=0.8 mol,即有0.8 mol H+通过质子交换膜,D项错误。
衍生3 C 解析 由题意知,右池为电解NH3生成H2的装置,左池为浓差电池,即原电池,右池电极M区NH3失电子被氧化为N2,故电极M为阳极,则N为阴极,左侧Cu(1)为正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,Cu(2)为负极,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+,原电池中,正极电势高于负极电势,则Cu(1)极的电势高于Cu(2)极的,A项正确;左池中S由乙室移向甲室,右池中阴离子移向阳极,则OH-由丁室移向丙室,即S、OH-分别通过阴离子交换膜Ⅰ、Ⅱ向左移动,B项正确;当甲室和乙室浓度相等时停止放电,设阴离子交换膜Ⅰ两侧铜离子浓度变化量为x mol·L-1,则0.5+x=2.5-x,解得x=1,即当电解停止时,理论上Cu(1)极上析出1 mol Cu,Cu(2)极上溶解1 mol Cu,Cu(2)极与Cu(1)极质量相差2 mol×64 g·mol-1=128 g,C项错误。由上述分析可知,当电解停止时,电路中转移2 mol电子,由N极的电极反应式2H2O+2e-===H2↑+2OH-可知,该装置理论上可制得1 mol H2,D项正确。
衍生4 D 解析 根据题图中的电子流向可判断出甲池中碳棒是正极,该电极上发生得电子的还原反应,即AQ+2H++2e-===H2AQ,A项正确;在乙池中,硫化氢失电子生成硫单质,得电子生成I-,发生的反应为H2S+===3I-+S↓+2H+,B项正确;根据题图中信息可知该装置将光能转化为电能,C项正确;该装置是原电池装置,阳离子移向正极,甲池中碳棒是正极,所以H+从乙池移向甲池,D项错误。
微真题·把握方向
1.D 解析 理想的新能源应具有可再生、无污染等特点,A项正确;氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能,对氢气与氧气反应的能量进行利用,减小了直接燃烧的热量散失,产物无污染,故具有能量转化率高、清洁等优点,B项正确;脱嵌是锂从电极材料中出来的过程,放电时,负极材料产生锂离子,则锂离子在负极脱嵌,则充电时,锂离子在阳极脱嵌,C项正确;太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置,D项错误。
2.D 解析 酸性锌锰干电池,锌筒为负极,石墨电极为正极,A项错误;原电池工作时,阳离子向正极(石墨电极)方向移动,B项错误;MnO2发生得电子的还原反应,C项错误;锌筒为负极,负极发生失电子的氧化反应Zn-2e-===Zn2+,D项正确。
3.C 解析 电池工作时,MnO2为正极,得到电子,发生还原反应,A项错误;电池工作时,OH-通过隔膜向负极移动,B项错误;环境温度过低,化学反应速率下降,不利于电池放电,C项正确;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,D项错误。
4.B 解析 O2在Pt极得电子发生还原反应,Pt为正极,Ag极本身失去电子发生氧化反应,电极反应式为Ag+Cl--e-===AgCl,Ag为负极,A项错误;电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt,B项正确;溶液为酸性,故Pt极表面发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O,C项错误;每消耗标准状况下11.2 L的O2,转移电子2 mol,结合电极反应式Ag+Cl--e-===AgCl可知,最多去除2 mol Cl-,D项错误。
5.C 解析 由题中信息可知,当电池开始工作时,a电极为电池正极,血液中的O2在a电极上得电子生成OH-,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-;b电极为电池负极,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,电极反应式为Cu2O-2e-+2OH-===2CuO+H2O,然后葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸,CuO被还原为Cu2O,则电池总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7,A项正确;b电极上CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,在这个过程中CuO的质量和化学性质保持不变,因此,CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用,B项正确;根据反应2C6H12O6+O2===2C6H12O7可知,1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子,18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol,则消耗18 mg葡萄糖时,理论上a电极有0.2 mmol电子流入,C项错误;原电池中阳离子从负极移向正极迁移,故Na+迁移方向为b→a,D项正确。
6.A 解析 根据题中图示的电池结构和题目所给信息可知,Ⅲ区Zn电极为电池的负极,电极反应为Zn-2e-+4OH-===Zn(OH,Ⅰ区MnO2电极为电池的正极,电极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O。电池放电时,Ⅲ区的K+通过隔膜向Ⅱ区迁移,A项错误;Ⅰ区中的S通过隔膜向Ⅱ区迁移,B项正确;MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,C项正确;电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH+Mn2++2H2O,D项正确。
7.C 解析 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元素和N元素的化合价均为-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。A项,放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A项错误;根据上述分析可知,N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B项错误;理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是×6、×4、×16,通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C项正确;根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为1 mol,在标准状况下为22.4 L,D项错误。
8.C 解析 Zn具有比较强的还原性,MnO2具有比较强的氧化性,自发的氧化还原反应发生在Zn与MnO2之间,所以MnO2电极为正极,Zn电极为负极,则充电时MnO2电极为阳极、Zn电极为阴极。充电时该装置为电解池,电解池中阳离子向阴极迁移,即Zn2+向阴极方向迁移,A项不正确;放电时,负极的电极反应为Zn-2e-===Zn2+,则充电时阴极反应为Zn2++2e-===Zn,即充电时Zn元素化合价应降低,而选项中Zn元素化合价升高,B项不正确;放电时MnO2电极为正极,正极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4,则正极上主要发生的电极反应是MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C项正确;放电时,Zn电极质量减少0.65 g(物质的量为0.010 mol),电路中转移0.020 mol电子,由正极的主要反应MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-可知,若正极上只有MnOOH生成,则生成MnOOH的物质的量为0.020 mol,但是正极上还有ZnMn2O4生成,因此,MnOOH的物质的量小于0.020 mol,D项不正确。(共114张PPT)
第28讲
大单元五 化学反应与能量
原电池 化学电源
目
标
速
览
1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。 2.能分析、理解原电池的工作原理，能设计简单的原电 池。3.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
考点1 原电池
微考点/核心突破
第一部分
1.概念
把__________转化为__________的装置。
2.构成条件
(1)有两个_____________的电极(常见为金属或石墨)。
(2)将电极插入______________中。
(3)两电极间构成闭合回路。
化学能
电能
活动性不同
电解质溶液
3.工作原理(可用简图表示如下)
氧化
还原
总反应离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑
(1)电极。
①负极：________电子，发生________反应。
②正极： ________电子，发生________反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向。
①电子从________流出经外电路流入________。
②电流从________流出经外电路流入________。
故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
失去
氧化
得到
还原
负极
正极
正极
负极
(3)离子移动方向。
阴离子向________移动(如S)，阳离子向________移动(如Zn2+和H+，溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
负极
正极
思维辨析
判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
1.NaOH溶液与稀硫酸的反应是自发进行的放热反应，此反应可以设计成原电池。( )
提示：只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。
2.在Cu/CuSO4/Zn原电池中，正电荷定向移动的方向就是电流的方 向，所以Cu2+向负极移动。( )
3.在Cu/CuSO4/Zn原电池中，电子由负极(Zn)→外电路→正极(Cu)→溶液→负极(Zn)。( )
提示：原电池闭合回路的意义，在外电路(导线)中电流由正极流向负极，而在(内电路)电解质溶液中，阳离子却由负极移向正极，这样才能形成闭合回路，所以Cu2+向正极移动。
提示：电解质溶液导电的原因是自由离子的定向移动，电子不能通过溶液。
4.在Mg/NaOH/Al原电池中，Mg作负极、Al作正极。( )
5.原电池工作时，正极表面一定有气泡产生。( )
提示：Mg不与氢氧化钠溶液反应，Al与氢氧化钠溶液反应，所以Mg作正极、Al作负极。
提示：若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池，则正极表面析出铜，没有气泡产生。
实验一：简易电池的设计与制作——水果电池
1.制作方法。
(1)取1个新鲜的柠檬，揉捏变软备用。
(2)将大小、形状均相同的锌片和铜片竖直插在水果上，两电极间的距离及插入深度均要相同。
(3)按如图所示连接好电路，观察电压表示数的变化，记录数据。
2.水果电池的探究。
探究角度 对电池电压的影响
改变电极插入的深度，比较电压表示数的变化 深度越深，接触面积越大，电压越大
改变两电极间的距离，比较电压表示数的变化 电极间的距离越大，电极对带电粒子的吸引力越小，电压越小
将电极材料换成铁片和铜片，比较电压表示数的变化 电极的种类：两电极的金属活动性相差越大，电压越大
将1个柠檬换成2个柠檬，比较电压表示数的变化 多个同种水果串联形成的电压大于单个水果的
将柠檬换成番茄或苹果，比较电压表示数的变化 不同水果产生的电压大小不同
实验二：含盐桥的原电池
1.实验操作。
如图所示，用一个装有含琼胶的KCl饱和溶液的盐桥，将置有锌片的1 mol·L-1 ZnSO4溶液和置有铜片的1 mol· CuSO4溶液连接起 来，然后将锌片和铜片用导线连 接，并在中间串联一个电流计。
2.实验现象。
(1)电流计指针发生偏转。
(2)左边烧杯中的锌片逐渐溶解，右边烧杯中的铜片上有红色固体析出。
(3)取出盐桥，电流计的指针回到零点，铜片上不再有固体析出，锌片也不再溶解。
1.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
2.盐桥及其作用
(1)盐桥中通常装有含琼胶的KCl饱和溶液，能使两个烧杯中的溶液连成一个通路。离子在盐桥中能定向移动，通过盐桥将两种隔离的电解质溶液连接起来，可使电流持续传导。
(2)使用盐桥的目的是将两个半电池完全隔开，使副反应减至最低程度，可以获得单纯的电极反应，便于分析放电过程，有利于最大限度地将化学能转化为电能。
3.原电池正、负极的判断
4.一般原电池电极反应式的书写
书写原电池的电极反应式时，首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极，然后结合电解质溶液的环境确定电极产物，最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法 有：
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应，如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，并注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应：
正极：2Fe3++2e-===2Fe2+
负极：Cu-2e-===Cu2+。
(2)加减法。
①写出总反应，如Li+LiMn2O4===Li2Mn2O4。
②写出其中容易写的一个半反应(正极或负极)。如Li-e-===Li+(负极)。
③利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4+Li++e-===Li2Mn2O4(正极)。
5.原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用
(1)比较不同金属的活动性强弱。
根据原电池原理可知，在原电池反应过程中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或碳棒)作正极。
若有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明在原电池工作过程中，A被氧化成阳离子而失去电子作负极，B作正极，则可以断定金属A的活动性比B的强。
(2)加快化学反应速率。
由于原电池将氧化还原反应拆成两个半反应且有电流产生，因而反应速率加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加少量CuSO4溶液，形成Cu-Zn原电池，加快反应速率。
(3)用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。
(4)设计制作化学电源。
设计原电池时要紧扣原电池的三个条件。具体方法：
①首先将已知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 (负极就是失电子的物质，正极用比负极活动性差的金属即可，也可以用石墨)及电解质溶液。
角度一 原电池的工作原理
1.学过原电池后，某同学设计了如图所示的原电池。闭合电键K，下列有关说法正确的是( )
A.铜丝为原电池的负极
B.铁钉处的电极反应为Fe-3e-===Fe3+
C.玻璃杯中CH3COO-由正极区域移向负极区域
D.正极收集0.01 mol气体时，转移0.04 mol电子
铁的活动性比铜强，铁与醋酸反应，铜与醋酸不反应，则铜丝为原电池的正极，A项错误；铁钉处的电极反应为Fe-2e-===Fe2+，B项错误；根据原电池“同性相吸”，则玻璃杯中CH3COO-由正极区域移向负极区域，C项正确；根据2CH3COOH+2e-===H2↑+
2CH3COO-，正极收集0.01 mol气体时转移0.02 mol电子，D项错 误。
解析
2.某双液原电池装置如图所示，盐桥中装有含琼胶的KCl饱和溶液。下列有关叙述不正确的是( )
A.Fe作负极，发生氧化反应
B.电子流动方向：铁→石墨→稀硫酸→盐桥→氯化钠溶液
C.工作一段时间后，左侧烧杯中c(Cl-)增大
D.正极反应式：2H++2e-===H2↑
铁为负极，发生氧化反应，A项正确；电子由负极经导线流入正极，不经过稀硫酸溶液，B项错误；铁为负极，氯离子向负极移动，则左侧烧杯中c(Cl-)浓度增大，C项正确；石墨为正极，发生反应2H++2e-===H2↑，D项正确。
解析
3.(2025·惠州期末)我国科学家设计的“海泥电池”工作原理如图所 示，其中微生物代谢产物显酸性。下列说法不正确的是( )
A.A电极上的电极反应式为O2+4H++4e-===
2H2O
B.工作时，B电极附近pH变小
C.H+从海水层通过交接面向海底沉积层移动
D.微生物代谢反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
由图可知，A电极上氧气得电子生成水，则A电极为正极，电极反应为O2+4H++4e-===2H2O，B电极上HS-失电子生成S，则B电极为负极，负极反应式为HS--2e-===S↓+H+，微生物作用下发生的反应为2CH2O+S+H+===2CO2+HS-+2H2O 。由分析可知，A、B两项正确；原电池工作时，阳离子向正极移动，则H+向海水层移 动，C项错误；微生物代谢反应为2CH2O+S+H+===2CO2+HS-+2H2O，S是氧化剂，CH2O是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2，D项正确。
解析
角度二 原电池正、负极的判断
4.分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
A.①②中Mg作负极，③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极，电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极，电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极，电极反应式为2H++2e-===H2↑
②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓硝酸反应失去电子作负极，A、C两项错误；②中电池总反应为2Al+2NaOH+6H2O
===2Na[Al(OH)4]+3H2↑，负极反应式为2Al+8OH--6e-===
2[Al(OH)4]-，二者相减得到正极反应式为6H2O+6e-===6OH-+
3H2↑，B项正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-
===4OH-，D项错误。
解析
角度三 原电池正、负极反应式的书写
5.(1)Fe-Cu-稀硫酸组成的原电池中，负极反应式为______________，正极反应式为___________________，电池总反应式为____________
__________。
(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池，其正极反应式为_________
_________，负极反应式为______________ 。
Fe-2e-===Fe2+
2H++2e-===H2↑
Fe+2H+===
Fe2++H2↑
Fe3++e-
===Fe2+
Pb-2e-===Pb2+
(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池，其负极反应式为__________
_________。
(4)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
______________________________________________。
Cu-2e-===
Cu2+
Fe+3e-+
4H2O===Fe(OH)3+5OH-
2Fe+8H2O+3Zn===2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-
(1)Fe作负极，电极反应式为Fe-2e-===Fe2+；Cu作正极，电极反应式为2H++2e-===H2↑。(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池，正极为Cu，电极反应式为Fe3++e-===Fe2+；负极为Pb，电极反应式为Pb-2e-===Pb2+。(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池，Al遇浓硝酸钝化，Cu作负极，电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。(4)K2FeO4-Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，Fe中+6价铁元素被还原为Fe(OH)3中+3价铁元素，其电极反应式为Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。
解析
角度四 原电池原理的应用
6.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 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动顺序是( )
A.a>b>c>d
B.b>c>d>a
C.d>a>b>c
D.a>b>d>c
第一个装置是原电池，a极质量减小，b极质量增加，说明a极为负极，b极为正极，金属活动性a>b；第二个装置，b极有气体产生，c极无变化，说明金属活动性b>c；第三个装置是原电池，d极溶 解，c极有气体产生，说明d极为负极，c极为正极，金属活动性d>c；第四个装置是原电池，电流从a极流向d极，说明d极为负 极，a极为正极，金属活动性d>a；综上，这四种金属的活动性顺序是d>a>b>c，故选C。
解析
7.选择合适的图像填空。
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，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)的关系是_____ (填字母，下同)。
A
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入等量的稀硫酸中，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)的关系是
_____。
(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是_____。
B
C
(1)因H2SO4过量，产生H2的量由Zn决定，a中加入CuSO4溶液，消耗一部分Zn，Cu、Zn与H2SO4形成原电池，反应速率加快，所以a放出H2的量减少，但反应速率加快。(2)a中Zn过量，H2SO4完全反应，加入CuSO4虽然消耗Zn，但不影响产生H2的量，形成原电池反应速率加快。(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，c(H+)减小，从而减慢反应速率，因酸过量，产生H2的量由Zn决 定，所以产生H2的量没发生变化。
解析
角度五 设计原电池，画出装置图
8.某校化学兴趣小组进行探究性活动，将氧化还原反应2Fe3++2I-
2Fe2++I2设计成盐桥原电池。提供的试剂有FeCl3溶液、KI溶液，其他用品任选。回答下列问题：
(1)在下面虚框中画出设计的原电池装置图，并标出电极材料、电极名称及电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为_______________。
(3)反应达到平衡时，外电路导线中_____(填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，当固体全部溶解后，则此时该溶液中电极变为_____(填“正”或“负”)极。
2I--2e-===I2
无
负
(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定正、负极区电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。(3)反应达到平衡时,无电子流动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,正极变成负极。
解析
考点2 常见化学电源的种类
及其工作原理
微考点/核心突破
第一部分
一、一次电池(碱性锌锰电池)
碱性锌锰电池的工作原理如图：
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
二、二次电池(以铅酸蓄电池为例)
1.放电时的反应
(1)负极反应：_____________________________。
(2)正极反应： _____________________________________________。
(3)总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)。
Pb(s)+S(aq)-2e-===PbSO4(s)
PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)
2.充电时的反应
(1)阴极反应： _____________________________。
(2)阳极反应： ______________________________________________。
(3)总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。
PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+S(aq)
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)
微提醒 书写电极反应式的三个原则：
(1)共存原则。
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同，所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在，也不可能有H+参加反应；当电解质溶液呈酸性时，不可能有OH-参加反应或生成OH-。
(2)得氧失氧原则。
得氧时，在反应物中加H2O(电解质溶液为酸性时)或OH-(电解质溶液为碱性或中性时)；失氧时，在反应物中加H2O(电解质溶液为碱性或中性时)或H+(电解质溶液为酸性时)。
(3)中性吸氧反应生成碱原则。
在中性电解质溶液中，通过金属吸氧所建立起来的原电池反应，其反应的最后产物是碱。
三、燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，分为酸性和碱性两种
种类 酸性 碱性
负极 反应式 _____________________ ________________________
正极 反应式 _________________________ ________________________
电池总 反应式 2H2+O2===2H2O
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-===4H2O
O2+4H++4e-===2H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
2.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
CH4+2O2===CO2+2H2O ①
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O ②
①式+②式得燃料电池总反应式为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+ 3H2O。
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：
O2+4H++4e-===2H2O。
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：
O2+2H2O+4e-===4OH-。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式：O2+4e-=== 2O2-。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2+2CO2+4e-===2C。
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。
微提醒 原电池学习的关键是理解原电池的原理，大家可以画一画原电池的原理图，弄清离子的移向、电子的流向、两极的反应(负氧化正还原)。对于燃料电池要注意燃料在负极反应，O2在正极反应，要注意电解质溶液或传导介质的影响，如碱性条件下，CO2以C形式存在。
思维辨析
判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。
1.可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。( )
2.铅酸蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应。( )
提示：可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的，故不是可逆反应。
提示：铅酸蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。
3.Zn具有还原性和导电性，可用作锌锰电池的负极材料。( )
4.原电池的两电极中，较活泼的电极一定为负极。( )
5.碘可用作锂碘电池的材料，该电池反应为2Li(s)+I2(s)===2LiI(s)，则碘电极作该电池的负极。( )
提示：电池的电极应能导电，负极上发生氧化反应。
提示：不一定，如铝、镁和NaOH溶液构成的原电池，铝作原电池的负极，镁作原电池的正极。
提示：碘在反应中的化合价降低，发生还原反应，碘作正极。
角度六 一般电池电极反应式的书写
9.根据电池的原理图和有关信息，回答问题：
(1)镁空气电池 (2)可充放电式锌-空气电池
该电池的核心组分是驱动氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂，KOH溶液为电解质溶液。放电时总反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2[Zn(OH)4]2-
负极反应式为________________ ____________，电池总反应式为___________________________，电子由______(填“a”或“b”，下同)极经外电路移动到______极 充电时，锌电极上的反应式为___________________________，析氧反应(OER)为_____________
________________，充电后c(KOH)_______(填“增大”“不变”或“减小”)
Mg+2OH--2e-
===Mg(OH)2
2Mg+O2+2H2O===2Mg(OH)
a
b
[Zn(OH)4]2-+2e-===Zn+4OH-
4OH--4e-===
O2↑+2H2O
增大
10.Li-SOCl2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LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===
4LiCl+S+SO2↑。
(1)电池的负极材料为______，发生的电极反应为______________。
(2)电池正极发生的电极反应为__________________________。
锂
Li-e-===Li+
2SOCl2+4e-===4Cl-+S↓+SO2↑
分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。(1)负极材料为Li(还原剂),发生的电极反应为Li-e-===Li+。(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:
2SOCl2+4e-===4Cl-+S↓+SO2↑。
解析
角度七 “常考常新”的可逆电池
11.锌碘双离子二次电池的示意图如图所示，下列说法不正确的是( )
A.增加电解液的浓度可提升该电池存储的能量
B.充电时，I2可与I-进一步反应生成多碘化物，不利于I2的沉积
C.放电时，溶液中离子的数目增大
D.防止多碘化物与Zn接触反应，应采用阴离子交换膜
由题图可知，该原电池中Zn失去电子生成Zn2+作负极，电极反应式为Zn-2e-===Zn2+，I2得到电子生成I-作正极，电极反应式为I2+2e-===2I-，以此解答。增加电解液的浓度，可以使该二次电池在充电时得到更多的Zn和I2，可提升该电池存储的能量，A项正 确；充电时，I2可与I-进一步反应生成多碘化物，不利于I2的沉 积，B项正确；由分析可知，放电时正极的电极反应式为I2+2e-===2I-，负极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+，放电时，溶液中离子的数目增大，C项正确；多碘化物带负电荷，防止多碘化物与Zn接触反应，应采用阳离子交换膜，D项错误。
解析
12.一种碳纳米管新型二次电池的装置如图所示。下列说法正确的是
( )
A.离子交换膜选用阳离子交换膜(只允许阳离子通过)
B.正极的电极反应为NiO(OH)+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
C.导线中通过1 mol电子时，理论上负极区溶液质量增加1 g
D.充电时，碳电极与电源的正极相连
根据题中装置图，碳电极通入氢气，发生氧化反应，电极反应为H2-2e-+2OH-===2H2O，Ni电极上NiO(OH)→Ni(OH)2，发生还原反应，电极反应为NiO(OH)+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-，碳电极是负极，Ni电极是正极。离子交换膜选用阴离子交换膜(只允许阴离子通过)，A项错误，B项正确；导线中通过1 mol电子时，负极生成1 mol水，理论上负极区溶液质量增加18 g，C项错误；充电时，负极与电源负极相连，所以碳电极与电源的负极相连，D项错误。
解析
角度八 不同介质对燃料电池电极反应式书写的影响
13.以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法：
(1)酸性条件
燃料电池总反应式：CH4+2O2===CO2+2H2O ①
燃料电池正极反应式：O2+4H++4e-===2H2O ②
①-②×2，得燃料电池负极反应式为_________________________。
CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
(2)碱性条件
燃料电池总反应式：CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O ①
燃料电池正极反应式：O2+2H2O+4e-===4OH- ②
①-②×2，得燃料电池负极反应式为___________________________
________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
燃料电池总反应式：CH4+2O2===CO2+2H2O ①
燃料电池正极反应式：O2+4e-===2O2- ②
①-②×2，得燃料电池负极反应式为_________________________。
CH4+10OH--8e-===C+
7H2O
CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
电池总反应式：CH4+2O2===CO2+2H2O ①
正极电极反应式：O2+2CO2+4e-===2C ②
①-②×2，得燃料电池负极反应式为___________________________
_______________。
CH4+4C-8e-===5CO2
+2H2O
三步模型——突破新型化学电源
微充电/素养提升
第二部分
【方法归纳】
【母题】 科学家们发明了一种新型高能量密度铝-石墨双离子电池技术，可制造全新的高效、低成本储能电池，电解液由六氟磷酸锂(LiPF6)和碳酸酯类有机溶剂组成，充电过程中，石墨电极(Cx)发生阴离子插层反应，而铝电极发生铝-锂合金化反应，放电过程则相反，工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.LiPF6属于离子化合物
B.放电时，负极的电极反应式为AlLi-e-===Li++Al
C.充电时，P移向石墨电极，b连接电源负极
D.放电时，负极每释放1 mol Li+，正极释放1 mol P
LiPF6是由Li+与P通过离子键结合而形成的离子化合物，A项正确。
解析
解析
解析
类型一 锂电池与锂离子电源
1.锂电池。
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。工作时金属锂失去电子被氧化为Li+，负极反应均为Li-e-===Li+，负极生成的Li+经过电解质定向移动到正极。
2.锂离子二次电池。
(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”理念；在两极形成的电压降的驱动下，Li+可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。
(2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-===LixC6；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：LixC6-xe-===6C+xLi+。
(3)锂离子电池的正极材料一般为含Li+的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。
【衍生1】 锂离子电池充、放电电池总反应为LixC6+Li1-xCoO2
LiCoO2+C6，该电池充、放电的工作示意图如图。下列有关说法不正确的是( )
A.该电池具有很高的比能量
B.负极的反应式：LixC6-xe-===xLi++C6
C.放电时，Li+从石墨晶体中脱出回到正极氧化物晶格中
D.充电时，若转移1 mol e-，石墨电极将增重7x g
锂是摩尔质量最小的金属元素，因此制成的电池具有很高的比能量，A项正确；从题中图示可知，放电时锂离子从石墨晶格中脱出，通过电解质迁移到层状正极表面后嵌入正极氧化物晶格中，C项正确；充电时，石墨(C6)电极嵌入Li+变成LixC6，电极反应式为xLi++C6+xe-===LixC6，则石墨电极增重的质量就是Li+的质量，若转移1 mol e-，石墨电极将增多1 mol Li+，即增重7 g，D项错 误。
解析
类型二 微生物电源
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在负极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。
【衍生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图所示，下列说法正确的是( )
A.a电极为正极，b电极为负极
B.电子从b电极流出，经外电路流向a电极
C.HS-转化为S的反应为HS-+4H2O-8e-===S+9H+
D.若该电池中有0.2 mol O2参加反应，则有0.2 mol H+通过质子交换膜
根据装置图，通氧气一极为正极，或者根据氢离子移动的方向进行判断，氢离子移向正极，即b电极为正极，a电极为负极，A项错误；根据原电池工作原理，电子从负极经外电路流向正极，即从a电极流出经外电路流向b电极，B项错误；根据装置图可知，HS-在硫氧化菌的作用下转化成S，其反应为HS--8e-+4H2O
===S+9H+，C项正确；0.2 mol氧气参与反应，电路中转移电子的物质的量为0.2 mol×4=0.8 mol，即有0.8 mol H+通过质子交换膜，D项错误。
解析
类型三 浓差电池
“浓差电池”的分析方法。浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”，阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域，判断电池的正、负极是解题的关键。
【衍生3】 某化学小组将两个完全相同的铜片分别放入体积相同、浓度不同的CuSO4溶液中形成浓差电池，并以该电池为电源，以石墨为电极，将NH3转化为高纯H2，装置如图所示。下列说法错误的是
( )
A.Cu(1)极的电势高于Cu(2)极的
B.S、OH-分别通过阴离子交换膜Ⅰ、Ⅱ向左移动
C.当电解停止时，理论上Cu(2)极与Cu(1)极质量相差64 g
D.该装置理论上可制得1 mol H2
由题意知，右池为电解NH3生成H2的装置，左池为浓差电池，即原电池，右池电极M区NH3失电子被氧化为N2，故电极M为阳极，则N为阴极，左侧Cu(1)为正极，电极反应式为Cu2+ +2e-===Cu，Cu(2)为负极，电极反应式为Cu-2e-===Cu2+，原电池中，正极电势高于负极电势，则Cu(1)极的电势高于Cu(2)极的，A项正确；左池中S由乙室移向甲室，右池中阴离子移向阳极，则OH-由丁室移向丙室，即S、OH-分别通过阴离子交换膜Ⅰ、Ⅱ向左移动，B项正确；当甲
室和乙室浓度相等时停止放电，设阴离子交换膜Ⅰ两侧铜离子浓度
解析
变化量为x mol·L-1，则0.5+x=2.5-x，解得x=1，即当电解停止时，理论上Cu(1)极上析出1 mol Cu，Cu(2)极上溶解1 mol Cu，Cu(2)极与Cu(1)极质量相差2 mol×64 g·mol-1=128 g，C项错误。由上述分析可知，当电解停止时，电路中转移2 mol电子，由N极的电极反应式2H2O+2e-===H2↑+2OH-可知，该装置理论上可制得1 mol H2，D项正确。
解析
类型四 物质循环转化型电池
根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域，阴离子移向负极区域)，判断电池的正、负极是分析该电池的关键。
【衍生4】 我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展，利用如图装置可发生反应H2S+O2===H2O2+S↓，已知甲池中发生的反应为
下列说法不正确的是( )
A.甲池中碳棒上发生的电极反应式为AQ+2H++2e-===H2AQ
B.乙池溶液中发生的反应为H2S+===3I-+S↓+2H+
C.该装置将光能转化为电能
D.H+从甲池移向乙池
根据题图中的电子流向可判断出甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应，即AQ+2H++2e-===H2AQ，A项正确；在乙池中，硫化氢失电子生成硫单质，得电子生成I-，发生的反应为H2S+===3I-+S↓+2H+，B项正确；根据题图中信息可知该装置将光能转化为电能，C项正确；该装置是原电池装置，阳离子移向正极，甲池中碳棒是正极，所以H+从乙池移向甲池，D项错误。
解析
微真题/把握方向
第三部分
考向一 原电池工作原理
1.(2024·湖南卷)近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是( )
A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，A项正确；氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B项正确；脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，锂离子在阳极脱嵌，C项正确；太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，D项错误。
解析
2.(2024·浙江卷1月)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是( )
A.石墨作电池的负极材料
B.电池工作时，N向负极方向移动
C.MnO2发生氧化反应
D.锌筒发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+
酸性锌锰干电池，锌筒为负极，石墨电极为正极，A项错误；原电池工作时，阳离子向正极(石墨电极)方向移动，B项错误；MnO2发生得电子的还原反应，C项错误；锌筒为负极，负极发生失电子的氧化反应Zn-2e-===Zn2+，D项正确。
解析
3.(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
电池工作时，MnO2为正极，得到电子，发生还原反应，A项错 误；电池工作时，OH-通过隔膜向负极移动，B项错误；环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，C项正确；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，D项错误。
解析
4.(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为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-
O2在Pt极得电子发生还原反应，Pt为正极，Ag极本身失去电子发生氧化反应，电极反应式为Ag+Cl--e-===AgCl，Ag为负极，A项错误；电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt，B项正确；溶液为酸性，故Pt极表面发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O，C项错 误；每消耗标准状况下11.2 L的O2，转移电子2 mol，结合电极反应式Ag+Cl--e-===AgCl可知，最多去除2 mol Cl-，D项错误。
解析
5.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示，通过CuO催化消耗血糖发电，从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准，电池启动。血糖浓度下降至标准，电池停止工作。 (血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时，下列叙述错误的是( )
A.电池总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖，理论上a电极有0.4 mmol电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
由题中信息可知，当电池开始工作时，a电极为电池正极，血液中的O2在a电极上得电子生成OH-，电极反应式为O2+4e-+2H2O===
4OH-；b电极为电池负极，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，电极反应式为Cu2O-2e-+2OH-===2CuO+H2O，然后葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸，CuO被还原为Cu2O，则电池总反应为2C6H12O6+
O2===2C6H12O7，A项正确；b电极上CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸后被还原为Cu2O，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，在这个过程中CuO的质量和化学性质保持不变，因此，CuO通过Cu(Ⅱ)和
解析
Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用，B项正确；根据反应2C6H12O6+
O2===2C6H12O7可知，1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子，18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol，则消耗18 mg葡萄糖时，理论上a电极有0.2 mmol电子流入，C项错误；原电池中阳离子从负极移向正极迁移，故Na+迁移方向为b→a，D项正确。
解析
6.(2022·全国甲卷)一种水性电解液Zn MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH存在]。电池放电时，下列叙述错误的是( )
A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B.Ⅰ区的S通过隔膜向Ⅱ区迁移
C.MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+===Mn2+
+2H2O
D.电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+===
Zn(OH+Mn2++2H2O
根据题中图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn电极为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH-===Zn(OH，Ⅰ区MnO2电极为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O。电池放电时，Ⅲ区的K+通过隔膜向Ⅱ区迁移，A项错误；Ⅰ区中的S通过隔膜向Ⅱ区迁移，B项正确；MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O，C项正确；电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH+Mn2++2H2O，D项正确。
解析
考向三 燃料电池工作原理
7.(2021·山东卷)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的物质的量均减小
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
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元素和N元素的化合价均为-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。A项，放电过程为原电池工作原理，所以钾离子均向正极移动，A项错误；根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不
解析
变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B项错误；理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为m g，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是×6、×4、×16，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C项正确；根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为1 mol，在标准状况下为22.4 L，D项错误。
解析
考向四 可逆电池
8.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后，MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是( )
A.充电时，Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时，会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时，正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时，Zn电极质量减少0.65 g，MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
Zn具有比较强的还原性，MnO2具有比较强的氧化性，自发的氧化还原反应发生在Zn与MnO2之间，所以MnO2电极为正极，Zn电极为负极，则充电时MnO2电极为阳极、Zn电极为阴极。充电时该装置为电解池，电解池中阳离子向阴极迁移，即Zn2+向阴极方向迁移，A项不正确；放电时，负极的电极反应为Zn-2e-===Zn2+，则充电时阴极反应为Zn2++2e-===Zn，即充电时Zn元素化合价应降 低，而选项中Zn元素化合价升高，B项不正确；放电时MnO2电极为正极，正极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4，则正极上主要发
解析
生的电极反应是MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-，C项正确；放电时，Zn电极质量减少0.65 g(物质的量为0.010 mol)，电路中转移0.020 mol电子，由正极的主要反应MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-可知，若正极上只有MnOOH生成，则生成MnOOH的物质的量为0.020 mol，但是正极上还有ZnMn2O4生成，因此，MnOOH的物质的量小于0.020 mol，D项不正确。
解析课时微练(二十八) 原电池 化学电源
基础训练
1.凭借清洁、储量大、能量转换率高等优势,氢能被现代工业视为最理想、潜力最大的新能源。氢氧燃料电池是氢能源汽车的“心脏”,某种氢氧燃料电池的结构如图所示,下列说法正确的是( )
A.通入的a是氧气
B.右侧电极上的电极反应为O2+4e-+4H+2H2O
C.每消耗11.2 L氢气,理论上电路中通过的电子数目为6.02×1023
D.燃料电池的能量转化率可达到100%
2.某公司推出一款铁—空气燃料电池,成本仅为锂电池的,其装置放电时的工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.放电时,M为正极,电势高
B.放电一段时间,KOH溶液的浓度不变
C.充电时,N极的电极反应式包括Fe2O3+H2O+2e-2FeO+2OH-
D.放电时,M极每消耗11.2 L O2,理论上N极质量增加16 g
3.某兴趣小组设计如图所示的实验装置,电流表指针发生偏转。下列说法不正确的是( )
A.该装置中铝箔为负极
B.电子从铝箔流出,经电流表、活性炭、滤纸后回到铝箔
C.活性炭上的电极反应式为2H++2e-H2↑
D.该装置的总反应是2Al+6H+2Al3++3H2↑
4.(2025·T8联考)清华大学尹斓副教授、熊巍博士提出了一种可完全生物降解的锌-钼(Zn-Mo)原电池,是实现生物可吸收电子药物的重要电源,结构如图所示。已知电池使用过程中在Zn表面形成一层ZnO薄膜,下列说法正确的是( )
Zn Mo
水凝胶掺杂NaCl
A.Zn作原电池负极,其质量逐渐减小
B.该电池在放电过程中,水凝胶的pH不变
C.Zn表面发生的电极反应:Zn-2e-Zn2+
D.电路中转移0.02 mol电子时,理论上消耗0.02 mol O2
5.世界某著名学术刊物介绍了一种新型中温全瓷铁—空气电池,其结构如图所示。
下列有关该电池放电时的说法正确的是( )
A.a极发生氧化反应
B.正极的电极反应式为FeOx+2xe-Fe+xO2-
C.若有22.4 L(标准状况下)空气参与反应,则电路中有4 mol电子转移
D.铁表面发生的反应为xH2O(g)+FeFeOx+xH2
6.(2025·安徽模拟)某沉积物-微生物燃料电池可以把含硫废渣(硫元素的主要存在形式为FeS2)回收处理并利用,工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.电子的移动方向:碳棒b→用电器→碳棒a
B.碳棒b上S生成S的电极反应式:S-6e-+4H2OS+8H+
C.每生成1 mol S,理论上消耗33.6 L O2(标准状况下)
D.工作一段时间后溶液酸性增强,硫氧化菌失去活性,电池效率降低
能力训练
7.人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要。以下每小题中的电池广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面,根据题中提供的信息,回答下列问题:
(1)铅酸蓄电池在放电时发生的总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。负极的电极反应式为____________________________________。
(2)FeCl3溶液常用于腐蚀印刷电路铜板,发生反应2FeCl3+Cu2FeCl2+CuCl2,若将此反应设计成原电池,则负极所用电极材料为________,当线路中转移0.2 mol电子时,则被腐蚀的铜的质量为________g。
(3)燃料电池是一种高效、安全环保的供电装置,以甲醇作燃料的电池,如图所示:
①负极反应物是________,H+从________(填“a”或“b”,下同)极移动到________极。
②正极反应式为____________________________________。
8.(1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用,可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用,以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作______极,发生的电极反应式为____________________________________。
(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示,该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
①X为________极,Y电极反应式为________________________________。
②Y极生成1 mol Cl2时,________mol Li+移向______(填“X”或“Y”)极。
(3)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂,KOH溶液作电解质溶液。
负极反应式为____________________________________,
正极反应式为____________________________________。
(4)一种熔融碳酸盐燃料电池的原理示意图如下。
①反应CH4+H2O3H2+CO,每消耗1 mol CH4理论上转移的电子数目为________________。
②电池工作时,C向电极________(填“A”或“B”)移动。
③电极B上发生的电极反应为________________________________________________________________________。
课时微练(二十八) 原电池 化学电源
1.B 解析 氢氧燃料电池中,O2在正极上被还原,H2在负极上被氧化,由H+的移动方向可知,该氢氧燃料电池左侧电极为负极,右侧电极为正极,则通入的a是氢气,通入的b是氧气,A项错误;右侧电极为正极,正极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O,B项正确;负极反应式为H2-2e-===2H+,每消耗0.5 mol H2,理论上电路中通过1 mol电子,但题中没有指明11.2 L氢气所处的状况,不能用“22.4 L·mol-1”计算11.2 L氢气的物质的量,C项错误;燃料电池工作时,只有一部分化学能转化为电能,所以能量转化率不可能达到100%,D项错误。
2.D 解析 Fe为活泼金属,放电时被氧化,所以N极为负极,O2被还原,所以M极为正极,正极电势高于负极,A项正确;放电过程中的总反应为Fe与O2反应得到铁的氧化物,所以KOH溶液的浓度不变,B项正确;充电时,N极为阴极,铁的氧化物被还原,包括Fe2O3+H2O+2e-===2FeO+2OH-,C项正确;未注明是否为标准状况,无法确定11.2 L氧气的物质的量,则无法计算N极增加的质量,D项错误。
易错警示 (1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。
(2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。
3.B 解析 该装置为原电池,铝箔作负极,活性炭作正极,A项正确;电子从负极(铝箔)流出,经外电路流向正极(活性炭),电子不能在电解质溶液中移动,B项错误;该装置的总反应为2Al+6H+===2Al3++3H2↑,正极(活性炭)上的电极反应式为2H++2e-===H2↑,C、D两项正确。
4.B 解析 Zn是负极,失去电子发生氧化反应,表面生成一层ZnO薄膜,质量增加,A项错误;该电池的总反应为2Zn+O2===2ZnO,故在放电过程中,水凝胶的pH不变,B项正确;Zn是负极,电极反应式为Zn-2e-+H2O===ZnO+2H+,C项错误;电路中每消耗1 mol O2,转移4 mol电子,故转移0.02 mol电子时,理论上消耗0.005 mol O2,D项错误。
5.D 解析 a极通入空气,O2在该电极发生得电子的还原反应,A项错误;O2在正极发生反应,电极反应式为O2+4e-===2O2-,B项错误;由B项分析可知,电路中有4 mol电子转移时正极上消耗1 mol O2,在标准状况下的体积为22.4 L,则通入空气的体积约为22.4 L×5=112 L,C项错误;由题图可知,铁表面H2O(g)参与反应生成H2,则发生的反应为xH2O(g)+Fe===FeOx+xH2,D项正确。
6.C 解析 燃料电极为原电池,根据图中反应可知二硫化亚铁在碳棒b的表面反应生成硫单质,而后生成硫酸根离子,因此碳棒b为负极,生成水的碳棒a是正极,据此作答。碳棒b上发生氧化反应,碳棒b为原电池的负极,碳棒a为原电池的正极,在外电路,电子从负极移动到正极,A项正确;碳棒b上(负极)S生成S的电极反应式为S-6e-+4H2O===S+8H+,B项正确;负极上每生成1 mol S,电路中转移7 mol电子,理论上消耗39.2 L O2(标准状况下),C项错误;根据负极的电极反应可以判断,工作一段时间后生成了H2SO4,酸性增强,硫氧化菌失去活性,电池效率降低,D项正确。
7.答案 (1)Pb-2e-+S===PbSO4 (2)Cu 6.4
(3)①CH3OH b a ②O2+4e-+4H+===2H2O
解析 (1)铅酸蓄电池的电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,依据电池总反应,反应中Pb元素化合价升高,在负极失电子发生氧化反应,其电极反应为Pb-2e-+S===PbSO4。(2)将反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2设计成原电池时,Cu作负极,石墨(或Ag或Pt)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液,正极上Fe3+发生得电子的还原反应,负极反应式为Cu-2e-===Cu2+,则转移0.2 mol电子时,参与反应的铜的物质的量为0.1 mol,质量为0.1 mol×64 g·mol-1=6.4 g。(3)燃料电池中,通入燃料的电极是负极,溶液阳离子从负极流向正极,在正极上发生氧气得电子的还原反应。①燃料电池中,通入燃料的b极是负极,溶液中阳离子从负极流向正极,负极反应物是CH3OH,H+从b极移动到a极。②在正极上发生氧气得电子的还原反应,酸性环境下,电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O。
8.答案 (1)正 CO2+2e-+2H+===HCOOH
(2)①正 2Cl--2e-===Cl2↑ ②2 X
(3)N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
(4)①6NA ②A ③O2+4e-+2CO2===2C
解析 (1)从题图所示可以看出,左侧H2O转变成O2,氧元素被氧化,电极a为负极,反应原理为2H2O-4e-===4H++O2↑,H+通过质子交换膜进入右侧发生反应,右侧通入的CO2转变成HCOOH,碳元素被还原,电极b为正极,反应原理为CO2+2e-+2H+===HCOOH。(2)根据装置可知生成H2的电极为正极,生成Cl2的电极为负极。(3)根据装置可知N2H4—→N2为氧化反应,在负极上反应。先写总反应N2H4+O2===N2+2H2O,再写正极反应,总反应-正极反应=负极反应。(4)①反应CH4+H2O3H2+CO,根据方程式分析,每消耗1 mol CH4(碳元素由-4价变为+2价)理论上转移6 mol电子,其电子数目为6NA。②电池工作时,电极A的化合价升高,失去电子,是原电池的负极,根据“同性相吸”,则C向负极即电极A移动。③电极B是氧气得到电子和二氧化碳反应生成碳酸根离子,其电极B上发生的电极反应为O2+4e-+2CO2===2C。(共26张PPT)
课时微练(二十八)
原电池 化学电源
1.凭借清洁、储量大、能量转换率高等优势，氢能被现代工业视为最理想、潜力最大的新能源。氢氧燃料电池是氢能源汽车的“心脏”，某种氢氧燃料电池的结构如图所示，下列说法正确的是( )
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A.通入的a是氧气
B.右侧电极上的电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O
C.每消耗11.2 L氢气，理论上电路中通过的电子数目为6.02×1023
D.燃料电池的能量转化率可达到100%
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氢氧燃料电池中，O2在正极上被还原，H2在负极上被氧化，由H+的移动方向可知，该氢氧燃料电池左侧电极为负极，右侧电极为正极，则通入的a是氢气，通入的b是氧气，A项错误；右侧电极为
解析
正极，正极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O，B项正确；负极反应式为H2-2e-===2H+，每消耗0.5 mol H2, 理论上电路中通过1 mol电子,但题中没有指明11.2 L氢气所处的状况，不能用“22.4 L·mol-1”计算11.2 L氢气的物质的量，C项错误；燃料电池工作时，只有一部分化学能转化为电能，所以能量转化率不可能达到100%，D项错误。
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2.某公司推出一款铁—空气燃料电池，成本
仅为锂电池的，其装置放电时的工作原理
如图所示。下列说法错误的是( )
A.放电时，M为正极，电势高
B.放电一段时间，KOH溶液的浓度不变
C.充电时，N极的电极反应式包括Fe2O3+H2O+2e-===2FeO+2OH-
D.放电时，M极每消耗11.2 L O2，理论上N极质量增加16 g
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Fe为活泼金属，放电时被氧化，所以N极为负极，O2被还原，所以M极为正极，正极电势高于负极，A项正确；放电过程中的总反应为Fe与O2反应得到铁的氧化物，所以KOH溶液的浓度不变，B项正确；充电时，N极为阴极，铁的氧化物被还原，包括Fe2O3+H2O+2e-===2FeO+2OH-，C项正确；未注明是否为标准状况，无法确定11.2 L氧气的物质的量，则无法计算N极增加的质 量，D项错误。
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(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。
(2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。
易错警示
3.某兴趣小组设计如图所示的实验装
置，电流表指针发生偏转。下列说法
不正确的是( )
A.该装置中铝箔为负极
B.电子从铝箔流出，经电流表、活性炭、滤纸后回到铝箔
C.活性炭上的电极反应式为2H++2e-===H2↑
D.该装置的总反应是2Al+6H+===2Al3++3H2↑
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该装置为原电池，铝箔作负极，活性炭作正极，A项正确；电子从负极(铝箔)流出，经外电路流向正极(活性炭)，电子不能在电解质溶液中移动，B项错误；该装置的总反应为2Al+6H+===2Al3++ 3H2↑，正极(活性炭)上的电极反应式为2H++2e-===H2↑，C、D两项正确。
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4.(2025·T8联考)清华大学尹斓副教授、熊巍博士提出了一种可完全生物降解的锌-钼(Zn-Mo)原电池，是实现生物可吸收电子药物的重要电源，结构如图所示。已知电池使用过程中在Zn表面形成一层ZnO薄膜，下列说法正确的是( )
A.Zn作原电池负极，其质量逐渐减小
B.该电池在放电过程中，水凝胶的pH不变
C.Zn表面发生的电极反应：Zn-2e-===Zn2+
D.电路中转移0.02 mol电子时，理论上消耗0.02 mol O2
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Zn是负极，失去电子发生氧化反应，表面生成一层ZnO薄膜，质量增加，A项错误；该电池的总反应为2Zn+O2===2ZnO，故在放电过程中，水凝胶的pH不变，B项正确；Zn是负极，电极反应式为Zn-2e-+H2O===ZnO+2H+，C项错误；电路中每消耗1 mol O2，转移4 mol电子, 故转移0.02 mol电子时，理论上消耗0.005 mol O2, D项错误。
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5.世界某著名学术刊物介绍了一种新型中温
全瓷铁—空气电池，其结构如图所示。
下列有关该电池放电时的说法正确的是( )
A.a极发生氧化反应
B.正极的电极反应式为FeOx+2xe-===Fe+xO2-
C.若有22.4 L(标准状况下)空气参与反应，则电路中有4 mol电子转移
D.铁表面发生的反应为xH2O(g)+Fe===FeOx+xH2
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a极通入空气，O2在该电极发生得电子的还原反应，A项错误；O2在正极发生反应，电极反应式为O2+4e-===2O2-，B项错误；由B项分析可知，电路中有4 mol电子转移时正极上消耗1 mol O2，在 标准状况下的体积为22.4 L，则通入空气的体积约为22.4 L×5= 112 L，C项错误；由题图可知，铁表面H2O(g)参与反应生成H2，则发生的反应为xH2O(g)+Fe===FeOx+xH2，D项正确。
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6.(2025·安徽模拟)某沉积物-微生物燃料电池可以把含硫废渣(硫元素的主要存在形式为FeS2)回收处理并利用，工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
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A.电子的移动方向：碳棒b→用电器→碳棒a
B.碳棒b上S生成S的电极反应式：S-6e-+4H2O===S+8H+
C.每生成1 mol S，理论上消耗33.6 L O2(标准状况下)
D.工作一段时间后溶液酸性增强，硫氧化菌失去活性, 电池效率降低
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燃料电极为原电池，根据图中反应可知二硫化亚铁在碳棒b的表面反应生成硫单质，而后生成硫酸根离子，因此碳棒b为负极，生成水的碳棒a是正极，据此作答。碳棒b上发生氧化反应，碳棒b为原
解析
电池的负极，碳棒a为原电池的正极，在外电路，电子从负极移动到正极，A项正确；碳棒b上(负极)S生成S的电极反应式为S-6e-+4H2O===S+8H+，B项正确；负极上每生成1 mol S，电路中转移7 mol电子，理论上消耗39.2 L O2(标准状况下)，C项错 误；根据负极的电极反应可以判断，工作一段时间后生成了H2SO4，酸性增强，硫氧化菌失去活性，电池效率降低，D项正 确。
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7.人们应用原电池原理制作了多种电池，以满足不同的需要。以下每小题中的电池广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面，根据题中提供的信息，回答下列问题：
(1)铅酸蓄电池在放电时发生的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4=== 2PbSO4+2H2O。负极的电极反应式为 。
(2)FeCl3溶液常用于腐蚀印刷电路铜板，发生反应2FeCl3+Cu=== 2FeCl2+CuCl2，若将此反应设计成原电池，则负极所用电极材料为 ____，当线路中转移0.2 mol电子时，则被腐蚀的铜的质量为 g。
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能力训练
Pb-2e-+S===PbSO4
Cu
6.4
(3)燃料电池是一种高效、安全环保的供电装置，以甲醇作燃料的电池，如图所示：
①负极反应物是 ，H+从 (填“a”或“b”，下同)极移动到 极。
②正极反应式为 。
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CH3OH
b
a
O2+4e-+4H+===2H2O
(1)铅酸蓄电池的电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,依据电池总反应，反应中Pb元素化合价升高，在负极失电子发生氧化反应，其电极反应为Pb-2e-+S===PbSO4。(2)将反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2设计成原电池时,Cu作负极,石墨(或Ag或Pt)作正极, FeCl3溶液作电解质溶液,正极上Fe3+发生得电子的还原反应,负极反应式为Cu-2e-===Cu2+,则转移0.2 mol电子时,参与反应的铜的物质的量为0.1 mol, 质量为0.1 mol×64 g·mol-1=6.4 g。
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(3)燃料电池中，通入燃料的电极是负极，溶液阳离子从负极流向正极，在正极上发生氧气得电子的还原反应。①燃料电池中，通入燃料的b极是负极，溶液中阳离子从负极流向正极，负极反应物是CH3OH，H+从b极移动到a极。②在正极上发生氧气得电子的还原反应，酸性环境下，电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O。
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8.(1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用，可达到低碳排放的目的。如图是通过人工光合作用，以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作 极，发生的电极反应式为
。
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正
CO2+2e-+2H+===HCOOH
(2)浓差电池中的电动势是由于电池
中存在浓度差而产生的。某浓差电
池的原理如图所示，该电池从浓缩
海水中提取LiCl的同时又获得了电
能。
①X为 极，Y电极反应式为 。
②Y极生成1 mol Cl2时， mol Li+移向 (填“X”或“Y”)极。
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正
2Cl--2e-===Cl2↑
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X
(3)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂，KOH溶液作电解质溶液。
负极反应式为 ，正极反应式为
。
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N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
(4)一种熔融碳酸盐燃料电池的原理示意
图如下。
①反应CH4+H2O 3H2+CO，每消
耗1 mol CH4理论上转移的电子数目为
。
②电池工作时，C向电极 (填“A”或“B”)移动。
③电极B上发生的电极反应为 。
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6NA
A
O2+4e-+2CO2===2C
(1)从题图所示可以看出，左侧H2O转变成O2，氧元素被氧化，电极a为负极，反应原理为2H2O-4e-===4H++O2↑，H+通过质子交换膜进入右侧发生反应，右侧通入的CO2转变成HCOOH，碳元素被还原,电极b为正极,反应原理为CO2+2e-+2H+===HCOOH。(2)根据装置可知生成H2的电极为正极,生成Cl2的电极为负极。(3)根据装置可知N2H4—→N2为氧化反应,在负极上反应。先写总反应N2H4+ O2===N2+2H2O，再写正极反应，总反应-正极反应=负极反应。
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