第31讲 原电池 化学电源(基础课)
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。
4．了解常用的新型化学电源。
原电池的工作原理及应用
1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
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。
(2)一般构成条件
反应 能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极 一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合 回路 ①电解质溶液； ②两电极直接或间接接触； ③两电极插入电解质溶液中
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 Zn Cu
电极反应 Zn－2e－===Zn2+ Cu2+＋2e－===Cu
反应类型 氧化反应 还原反应
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＋移向正极，Cl－移向负极
(2)原电池中的三个方向
①电子方向：从负极流出沿导线流入正极。
②电流方向：从正极沿导线流向负极。
③离子的迁移方向：电解质溶液(或盐桥)中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
(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。
装置Ⅱ与装置Ⅰ相比较，装置Ⅱ的优点为①防止负极Zn直接与CuSO4反应，产生电流效率高；②保持电流稳定产生。
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，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
(2)加快氧化还原反应的速率
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。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率增大。
(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
[示例] 设计Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2+的原电池装置图，并注明电极材料和电解质溶液。
单液装置图：
____________________________________________________________________；
双液装置图：
____________________________________________________________________。
[答案]
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)任何放热反应如中和反应均可以发生原电池反应。 ( )
(2)H2＋CuOCu＋H2O的反应可以设计成原电池。 ( )
(3)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生。 ( )
(4)Cu-HNO3(浓)-Fe与Mg-NaOH(aq)-Al组成的原电池中活泼金属Fe、Mg作负极。 ( )
(5)实验室制H2时用纯Zn比用粗Zn与酸反应快。 ( )
(6)为了防止钢铁闸门被腐蚀，可以连接一锌块。 ( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√
原电池原理分析
1．下列与甲、乙两套装置有关的说法正确的是( )
A．甲、乙装置中，锌棒均作负极，发生氧化反应
B．甲中锌棒直接与稀硫酸接触，故甲生成气泡的速率更大
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
D [A项，甲装置没有形成闭合电路，甲不是原电池，错误；B项，甲中锌棒直接与稀硫酸接触，发生化学腐蚀，乙中构成了原电池，负极失去电子的速率增大，因此乙中生成气泡的速率更大，错误；C项，甲不是原电池，乙中构成了原电池，二者中只有乙装置的电解质溶液中的阳离子向碳棒移动，错误；D项，盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既起连接作用，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，正确。]
2．控制合适的条件，可使反应2Fe3+＋2I－ 2Fe2+＋I2向不同的方向进行，改变电极反应。
(1)反应开始时，乙中石墨作________(填“正”或“负”)极，反应类型为________；甲中发生__________(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)一段时间后，电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，则乙中的石墨作________(填“正”或“负”)极，该电极的电极反应为____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[答案] (1)负 氧化反应 还原 Fe3+＋e－===Fe2+ (2)正 I2＋2e－===2I－
3．分析如图所示的两个装置：
请回答下列问题：
(1)①中的负极是________，电极反应为_________________________________
____________________________________________________________________。
(2)②中的正极是________，电极反应为_________________________________
____________________________________________________________________。
(3)①、②中电池反应的离子方程式分别为_______________________________
____________________________________________________________________，
____________________________________________________________________。
[答案] (1)Al Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－
(2)Fe ＋2H＋＋e－===NO2↑＋H2O
(3)2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑ Cu＋4H＋＋===Cu2+＋2NO2↑＋2H2O
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用导线连接插入稀硫酸中，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．根据化学反应设计原电池(选用相同的盐桥)时，下列各项中合理的是( )
选项 正极(金属/电解质溶液) 负极(金属/电解质溶液)
A Zn/ZnSO4溶液 Fe/H2SO4溶液
B Fe/FeCl2溶液 Zn/ZnSO4溶液
C Zn/H2SO4溶液 Fe/FeCl2溶液
D Fe/ZnSO4溶液 Zn/FeCl2溶液
[答案] B
常见化学电源
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：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
(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：Li－e－===Li＋；
正极：；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
3．二次电池
(1)铅酸蓄电池
总反应为＋2H2SO42PbSO4＋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－xCoO2LiCoO2＋Cy。
放电时电极反应为
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy；
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。
充电时电极反应为
阴极：Cy＋xLi＋＋xe－===LixCy；
阳极：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋。
二次电池充电、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。
(1)以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应 2H2－4e－===4H＋ H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极反应 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应 2H2＋O2===2H2O
(2)以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。
①酸性溶液(或含质子交换膜)
②碱性溶液
③
④熔融碳酸盐
电极反应书写方法
(1)电极反应书写的一般方法
(2)已知总反应的复杂电极反应的书写方法
①首先写出较简单的电极反应。
②复杂电极反应＝总反应－简单电极反应。
③注意电荷守恒。
1．(人教版选择性必修1内容改编)酸性水系锌锰电池放电时，电极上的MnO2易剥落，会降低电池效率。向体系中加入KI可提高电池的工作效率，原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．放电时，电池的总反应为Zn＋MnO2＋4H＋===Zn2+＋Mn2+＋2H2O
B．加入KI降低了正极反应的活化能
C．由右向左通过质子交换膜的H＋与消耗的Zn的物质的量之比为2∶1
D．I－与剥落的MnO2反应生成，能恢复“损失的能量”
C [放电时，每消耗1 mol Zn，转移2 mol电子，则会有2 mol H＋由左向右通过质子交换膜，故由左向右通过质子交换膜的H＋与消耗的Zn的物质的量之比为2∶1，C错误。]
2．(人教版选择性必修1内容改编)某公司生产的某种聚合物锂离子电池反应原理为Li1－xCoO2＋LixC6LiCoO2＋6C，装置示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．该锂离子电池放电时，化学能转化为电能
B．充电时，阴极质量增加，发生还原反应
C．充电时，电路中每有1 mol电子通过，有1 mol Li＋通过聚合物电解质膜
D．放电时，正极的电极反应为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
D [锂离子电池工作时，为放电过程，化学能转化为电能，A正确；充电时，阴极得电子发生还原反应，电极反应为C6＋xLi＋＋xe－===LixC6，阴极质量增加，B正确；充电时，阳极失电子发生氧化反应，电极反应为＋xLi＋，电路中每有1 mol电子通过，则有1 mol Li＋由左侧通过聚合物电解质膜移向右侧，C正确；放电时，正极得电子发生还原反应，电极反应为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，D错误。]
3．(人教版选择性必修1内容改编)沉积物微生物燃料电池(SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为电能，同时加速沉积物中污染物的去除，用SMFC处理含硫废水的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．外电路的电流方向是从碳棒b到碳棒a
B．碳棒a附近溶液的酸性增强
C．碳棒b发生电极反应：S＋4H2O－＋8H＋
D．升高温度可提高电池的能量转化效率
C [根据电极物质转化可知，碳棒a为正极，碳棒b为负极，电流方向为从碳棒a到碳棒b，A错误；碳棒a发生电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，酸性减弱，B错误；升高温度可使硫氧化菌、光合菌失活，电池的能量转化效率降低，D错误。]
4．(2025年1月·河南高考适应性考试)我国科学家设计了一种水系S-MnO2可充电电池，其工作原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A．充电时，电极b为阳极
B．充电时，阳极附近溶液的pH增大
C．放电时，负极的电极反应：Cu2S－4e－===S＋2Cu2+
D．放电时，溶液中Cu2+向电极b方向迁移
C [由题图可知，放电时，电极a上MnO2转化为Mn2+，发生还原反应，电极b上Cu2S转化为S和Cu2+，发生氧化反应，则电极a为正极，电极b为负极；充电时，电极a上Mn2+转化为MnO2，发生氧化反应，电极b上S和Cu2+转化为Cu2S，发生还原反应，此时电极a为阳极，电极b为阴极。充电时，电极b上S和Cu2+转化为Cu2S，发生还原反应，则电极b为阴极，A错误；根据分析可知，充电时，电极b为阴极，则电极a为阳极，电极a的电极反应为Mn2+＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋，阳极附近溶液的pH减小，B错误；放电时，电极b为负极，负极的电极反应为Cu2S－4e－===S＋2Cu2+，C正确；放电时，溶液中Cu2+向正极移动，即向电极a方向迁移，D错误。]
1．(2024·安徽卷，T11)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是( )
A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B．电池总反应为：＋Zn Zn2+＋3I－
C．充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D．放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol 电子
C [由图中信息可知，该新型水系锌电池的负极是锌，负极的电极反应为Zn－2e－===Zn2+，则充电时，该电极为阴极，电极反应为Zn2+＋2e－===Zn；正极的电极反应为＋2e－===3I－，则充电时，该电极为阳极，电极反应为3I－－。标注框内所示结构属于配合物，配体中存在碳碳单键、碳碳双键、碳氮单键、碳氮双键和碳氢键等多种共价键，还有由N提供孤电子对、Zn2+提供空轨道形成的配位键，A正确；由以上分析可知，该电池总反应为＋Zn Zn2+＋3I－，B正确；充电时，阴极的电极反应为Zn2+＋2e－===Zn，被还原的Zn2+主要来自电解质溶液，C错误；放电时，负极的电极反应为Zn－2e－===Zn2+，因此消耗0.65 g Zn(物质的量为0.01 mol)，理论上转移0.02 mol电子，D正确。]
放电时，Zn2+向________移动(填“左”或“右”，下同)，电子通过外电路向________移动，正极反应为_______________________________________。
[答案] 右 右 ＋2e－===3I－
2．(2024·新课标全国卷，T6)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
C [由题图知，O2在a电极上得电子生成OH－，a电极为电池正极，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，b电极为电池负极，在负极区，葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸，CuO被还原为Cu2O，则电池总反应为葡萄糖被O2氧化为葡萄糖酸，A正确；Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，CuO氧化葡萄糖时被还原生成Cu2O，它们的相互转变起催化作用，B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错误；原电池中阳离子从负极移向正极，故Na＋迁移方向为b→a，D正确。]
电极a为________极，电极反应为_____________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________；
电极b为________极，电极反应为______________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[答案] 正 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负 Cu2O＋2OH－－2e－===2CuO＋H2O
3．(2024·河北卷，T13)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是( )
A．放电时，电池总反应为2CO2＋Mg===MgC2O4
B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D．放电时，每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2
C [根据信息梳理，将放电时两个电极反应相加，可得放电时的电池总反应：Mg＋2CO2===MgC2O4，A正确；充电时，多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应，则多孔碳纳米管在充电时是阳极，与电源正极连接，B正确；充电时，Mg电极为阴极，电子从电源负极经外电路流向Mg电极，同时Mg2+向阴极迁移，C错误；根据放电时的电极反应可知，每转移2 mol电子，有2 mol CO2参与反应，因此每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2，D正确。]
放电时，Mg电极为______极，电极反应为_____________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________；
多孔碳纳米管电极为____________________________________极，电极反应为
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
[答案] 负 Mg－2e－===Mg2+ 正 2CO2＋Mg2+＋2e－===MgC2O4
4．(2023·山东卷，T11改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是( )
A．甲室Cu电极为正极
B．隔膜为阳离子膜
C．电池总反应：Cu2+＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D．NH3扩散到乙室不会对电池电动势产生影响
C [Cu2+易与NH3结合生成经低温热解生成Cu2+，则甲室电极反应为Cu－2e－＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+，甲室Cu电极为负极，乙室Cu电极为正极，A错误；乙室中通过隔膜迁移到甲室，隔膜为阴离子膜，B错误；负极电极反应为，正极电极反应为Cu2+＋2e－===Cu，总反应为Cu2+＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+，C正确；NH3扩散到乙室会与Cu2+结合，使甲、乙两室中电解液的浓度差减小，电池的电动势降低，D错误。]
5．(2022·广东卷，T16)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为。下列说法正确的是( )
A．充电时电极b是阴极
B．放电时NaCl溶液的pH减小
C．放电时NaCl溶液的浓度增大
D．每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加 23 g
C [由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；放电时电极反应和充电时相反，则放电时电极a的反应为＋2Na＋，NaCl溶液的浓度增大但pH不变，故B错误，C正确；充电时阳极反应为2Cl－－2e－===，由得失电子守恒可知，每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加23 g·mol-1×2 mol＝46 g，故D错误。]
课时数智作业(三十一) 原电池 化学电源
(建议用时：40分钟 总分：40分)
(每小题只有一个选项正确，每小题3分，共18分)
1．(人教版选择性必修1内容改编)如图所示为双液锌铜原电池。下列有关叙述正确的是( )
A．盐桥的作用是传导电子
B．在该电池的外电路中，电流由铜片流向锌片
C．锌片上发生还原反应：Zn－2e－===Zn2+
D．盐桥中的K＋移向Zn电极
B [盐桥的作用是传导离子，形成闭合电路，A错误；Zn片上发生氧化反应，C错误；K＋移向正极(Cu电极)，D错误。]
2．(2023·辽宁卷，T11)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．放电时负极质量减小
B．储能过程中电能转变为化学能
C．放电时右侧H＋通过质子交换膜移向左侧
D．充电总反应：Pb＋＋2Fe3+===PbSO4＋2Fe2+
B [放电时，负极发生反应：Pb＋－2e－===PbSO4，正极发生反应：Fe3+＋e－===Fe2+；充电时，阴极反应为PbSO4＋2e－===Pb＋，阳极反应为Fe2+－e－===Fe3+。由上述分析可知，放电时，负极由Pb变为PbSO4，电极质量增加，A错误；储能过程为充电过程，充电过程中电能转化为化学能，B正确；放电时，阳离子向电池正极移动，故放电时左侧H＋通过质子交换膜移向右侧，C错误；充电过程的总反应为PbSO4＋2Fe2+===Pb＋＋2Fe3+，D错误。]
3．(2025·河南名校联考)某实验室开发了一种由MPT溶解的DMSO基电极液和TOOS基电极液组成的新型Li-O2电池双相电解液，使高性能Li-O2电池日用化成为可能，该电池放电时的工作原理如图所示：
放电时，下列说法错误的是( )
A．电子流向：N电极→灯泡→M电极
B．TOOS基电极液可用Li2SO4溶液代替
C．M电极电势高于N电极电势
D．M电极的电极反应式为O2＋2e－＋2Li＋===Li2O2
B [根据题干描述以及电池工作原理示意图，可知该电池N为负极，电极反应式为Li－e－===Li＋，M为正极，电极反应式为O2＋2e－＋2Li＋===Li2O2。由分析可知，N为负极，M为正极，电子流向为N电极→灯泡→M电极，故A正确；TOOS基电极液不能用Li2SO4溶液代替，因为Li是活泼金属，与水发生反应，故B错误；M为正极，N为负极，正极的电势要高于负极，故C正确；由分析可知，M为正极，电极反应式为O2＋2e－＋2Li＋===Li2O2，故D正确。]
4．(2024·九江二模)科学家研制出了一种薄如纸片，可剪裁、能折叠的轻型“纸电池”。将特殊工艺加工后的电极材料涂在纸上，形成效率比普通锂电池效率高10倍的“纸电池”。其电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)。下列有关说法正确的是( )
A．电池的正极反应式为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)
B．涂在纸上的电极材料是Zn和MnO2
C．每生成1 mol MnO(OH)，电池中转移2NA(NA为阿伏加德罗常数的值)个电子
D．电池中MnO(OH)既是氧化产物又是还原产物
B [根据电池总反应Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)可知，反应中Zn被氧化，应为原电池的负极，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋ H2O，MnO2被还原，应为原电池的正极，电极反应式为MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－，A错误，B正确；每生成1 mol MnO(OH)转移1 mol电子，电池中转移NA个电子，C错误；锌元素化合价升高，ZnO是氧化产物，MnO2被还原，MnO(OH)是还原产物，D错误。]
5．(2025·西安模拟)我国科学家在可充、放电式锌-空气电池研究方面取得重大进展。电池原理如图所示，该电池的核心组分是驱动氧化还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的双功能催化剂，KOH溶液为电解质溶液，放电的总反应式为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2[Zn(OH)4]2-。下列有关说法不正确的是( )
A．放电时电解质溶液中K＋向正极移动
B．放电时电池负极反应为Zn－2e－＋4OH－===[Zn(OH)4]2-
C．充电时催化剂降低析氧反应(OER)的活化能
D．充电时阴极生成6.5 g Zn的同时阳极产生2.24 L O2(标准状况下)
D [根据可知，O元素的化合价降低，被还原，O2所在电极应为原电池正极，Zn元素的化合价升高，被氧化，锌应为原电池负极，负极反应式为Zn－2e－＋4OH－===[Zn(OH)4]2-，放电时阳离子向正极移动。放电时电解质溶液中带正电荷的K＋向正极移动，故A正确；由总反应式知，放电时负极是活泼金属锌失去电子被氧化为Zn2+，Zn2+与OH－反应结合为：，故B正确；由总反应式和原理图知，放电时发生“氧化还原反应(ORR)”，充电时发生“析氧反应(OER)”，“双功能催化剂”意味着无论放电还是充电均能降低反应活化能，起到催化作用，故C正确；充电时阴极生成6.5 g Zn转移 0.2 mol e－，而阳极产生2.24 L O2(标准状况下)，转移0.4 mol e－，故D错误。]
6．(2024·葫芦岛二模)如图是“海水—河水”浓差电池装置示意图(不考虑溶解氧的影响)，其中a、b均为Ag/AgCl复合电极，下列说法不正确的是( )
A．b极的电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－
B．内电路中， Na＋由a极区向b极区迁移
C．工作一段时间后，两极NaCl溶液的浓度差减小
D．电路中转移1 mol e－时，理论上a极区模拟海水的质量减少23 g
D [由电子移动方向可知，a极为原电池的负极，海水中的氯离子在负极失去电子发生氧化反应生成氯气，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，b极为正极，氯化银在正极得到电子发生还原反应生成银和氯离子，电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，钠离子通过阳离子交换膜进入河水中。电路中转移1 mol 电子时，理论上a极区模拟海水的质量减少58.5 g，故D错误。]
7．(7分)CO与H2反应可制备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图所示。
电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，则电极c是________(填“正极”或“负极”)，电极c的电极反应式为__________________________________
____________________________________________________________________。
若线路中转移2 mol电子，则上述CH3OH燃料电池，消耗的O2在标准状况下的体积为________L。
[解析] 根据图中的电子流向知电极c是负极，甲醇发生氧化反应：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，线路中转移2 mol电子时消耗0.5 mol氧气，标准状况下体积为11.2 L。
[答案] 负极 CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋ 11.2
8．(8分)研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示，两电极区间用允许K＋、H＋通过的半透膜隔开。
(1)电池负极的电极反应式为__________________________________________
____________________________________________________________________；放电过程中
需补充的物质A为________(填化学式)。(5分)
(2)图中所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为_____________________________
____________________________________________________________________。(3分)
[答案] (1)HCOO－＋2OH－－＋H2O H2SO4
(2)2HCOOH＋2OH－＋＋2H2O(或2HCOO－＋)
9．(7分)科学家研发出一种新系统，通过“溶解”水中的二氧化碳，以触发电化学反应，有效减少碳的排放，其工作原理如图所示。
(1)系统工作时，a极为________极，b极区的电极反应式为_________________
____________________________________________________________________。(4分)
(2)系统工作时，b极区有少量固体析出，可能的原因是___________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。(3分)
[解析] 系统工作时，a极为Na，失电子，作负极，b极为正极，电极反应式为2CO2＋2H2O＋＋H2。
[答案] (1)负 2CO2＋2H2O＋＋H2 (2)Na＋移向正极，遇到有可能形成NaHCO3的过饱和溶液，有NaHCO3固体析出
21/21第31讲 原电池 化学电源(基础课)
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。 4．了解常用的新型化学电源。
原电池的工作原理及应用
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____________________。
(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
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
(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(或盐桥)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。
装置Ⅱ与装置Ⅰ相比较，装置Ⅱ的优点为①防止负极Zn直接与CuSO4反应，产生电流效率高；②保持电流稳定产生。
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的反应速率增大。
(3)用于金属的防护
使需要保护的金属制品作原电池________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________。
(4)设计制作化学电源
[示例] 设计Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2+的原电池装置图，并注明电极材料和电解质溶液。
单液装置图：
___________________________________________________________________；
双液装置图：
___________________________________________________________________。
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)任何放热反应如中和反应均可以发生原电池反应。 ( )
(2)H2＋CuOCu＋H2O的反应可以设计成原电池。 ( )
(3)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生。 ( )
(4)Cu-HNO3(浓)-Fe与Mg-NaOH(aq)-Al组成的原电池中活泼金属Fe、Mg作负极。 ( )
(5)实验室制H2时用纯Zn比用粗Zn与酸反应快。 ( )
(6)为了防止钢铁闸门被腐蚀，可以连接一锌块。 ( )
原电池原理分析
1．下列与甲、乙两套装置有关的说法正确的是( )
A．甲、乙装置中，锌棒均作负极，发生氧化反应
B．甲中锌棒直接与稀硫酸接触，故甲生成气泡的速率更大
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．控制合适的条件，可使反应2Fe3+＋2I－ 2Fe2+＋I2向不同的方向进行，改变电极反应。
(1)反应开始时，乙中石墨作________(填“正”或“负”)极，反应类型为________；甲中发生__________(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应___________________________________________________________________。
(2)一段时间后，电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，则乙中的石墨作________(填“正”或“负”)极，该电极的电极反应为___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
3．分析如图所示的两个装置：
请回答下列问题：
(1)①中的负极是________，电极反应为__________________________________
___________________________________________________________________。
(2)②中的正极是________，电极反应为__________________________________
___________________________________________________________________。
(3)①、②中电池反应的离子方程式分别为________________________________
___________________________________________________________________，
___________________________________________________________________。
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用导线连接插入稀硫酸中，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
5．根据化学反应设计原电池(选用相同的盐桥)时，下列各项中合理的是( )
选项 正极(金属/电解质溶液) 负极(金属/电解质溶液)
A Zn/ZnSO4溶液 Fe/H2SO4溶液
B Fe/FeCl2溶液 Zn/ZnSO4溶液
C Zn/H2SO4溶液 Fe/FeCl2溶液
D Fe/ZnSO4溶液 Zn/FeCl2溶液
常见化学电源
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：。
(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。
3．二次电池
(1)铅酸蓄电池
总反应为＋2H2SO42PbSO4＋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－xCoO2LiCoO2＋Cy。
放电时电极反应为
负极：___________________________________________________________；
正极：___________________________________________________________。
充电时电极反应为
阴极：___________________________________________________________；
阳极：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋。
二次电池充电、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。
(1)以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应 2H2－4e－===4H＋ _________________________________________________________
正极反应 _________________________________________________________ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应 2H2＋O2===2H2O
(2)以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。
①酸性溶液(或含质子交换膜)
②碱性溶液
③固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
④熔融碳酸盐(C
电极反应书写方法
(1)电极反应书写的一般方法
(2)已知总反应的复杂电极反应的书写方法
①首先写出较简单的电极反应。
②复杂电极反应＝总反应－简单电极反应。
③注意电荷守恒。
1．(人教版选择性必修1内容改编)酸性水系锌锰电池放电时，电极上的MnO2易剥落，会降低电池效率。向体系中加入KI可提高电池的工作效率，原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．放电时，电池的总反应为Zn＋MnO2＋4H＋===Zn2+＋Mn2+＋2H2O
B．加入KI降低了正极反应的活化能
C．由右向左通过质子交换膜的H＋与消耗的Zn的物质的量之比为2∶1
D．I－与剥落的MnO2反应生成，能恢复“损失的能量”
2．(人教版选择性必修1内容改编)某公司生产的某种聚合物锂离子电池反应原理为Li1-xCoO2＋LixC6LiCoO2＋6C，装置示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．该锂离子电池放电时，化学能转化为电能
B．充电时，阴极质量增加，发生还原反应
C．充电时，电路中每有1 mol电子通过，有1 mol Li＋通过聚合物电解质膜
D．放电时，正极的电极反应为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
3．(人教版选择性必修1内容改编)沉积物微生物燃料电池(SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为电能，同时加速沉积物中污染物的去除，用SMFC处理含硫废水的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．外电路的电流方向是从碳棒b到碳棒a
B．碳棒a附近溶液的酸性增强
C．碳棒b发生电极反应：＋8H＋
D．升高温度可提高电池的能量转化效率
4．(2025年1月·河南高考适应性考试)我国科学家设计了一种水系S-MnO2可充电电池，其工作原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A．充电时，电极b为阳极
B．充电时，阳极附近溶液的pH增大
C．放电时，负极的电极反应：Cu2S－4e－===S＋2Cu2+
D．放电时，溶液中Cu2+向电极b方向迁移
1．(2024·安徽卷，T11)我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是( )
A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B．电池总反应为：＋ZnZn2+＋3I-
C．充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D．放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol 电子
放电时，Zn2+向________移动(填“左”或“右”，下同)，电子通过外电路向________移动，正极反应为________________________________。
2．(2024·新课标全国卷，T6)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
电极a为________极，电极反应为_____________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________；
电极b为________极，电极反应为_____________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
3．(2024·河北卷，T13)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1，3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是( )
A．放电时，电池总反应为2CO2＋Mg===MgC2O4
B．充电时，多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C．充电时，电子由Mg电极流向阳极，Mg2+向阴极迁移
D．放电时，每转移1 mol电子，理论上可转化1 mol CO2
放电时，Mg电极为______极，电极反应为______________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________；
多孔碳纳米管电极为____________________________________极，电极反应为
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
4．(2023·山东卷，T11改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是( )
A．甲室Cu电极为正极
B．隔膜为阳离子膜
C．电池总反应：Cu2+＋4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D．NH3扩散到乙室不会对电池电动势产生影响
5．(2022·广东卷，T16)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为。下列说法正确的是( )
A．充电时电极b是阴极
B．放电时NaCl溶液的pH减小
C．放电时NaCl溶液的浓度增大
D．每生成1 mol Cl2，电极a质量理论上增加 23 g
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