高考化学一轮复习 6.2 原电池 化学电源教案-人教版高三全册化学教案.pdf

第第 2 2 讲讲原电池原电池 化学电源化学电源考纲要求：1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。考点一考点一原电池原理原电池原理教材知识层面1概念把化学能转化为电能的装置。2构成条件(1)有两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)。(2)将电极插入电解质溶液中。(3)两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。(4)能自发发生氧化还原反应。3工作原理如图是 CuZn 原电池，请填空：(1)反应原理：电极名称电极材料电极反应反应类型负极锌片Zn2e=Zn氧化反应22正极铜片Cu 2e=Cu还原反应(2)原电池中的三个方向：电子方向：从负极流出沿导线流入正极；电流方向：从正极沿导线流向负极；离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。(3)两种装置的比较：装置中还原剂 Zn 与氧化剂 Cu 直接接触，易造成能量损耗；装置能避免能量损耗；装置中盐桥的作用是提供离子迁移通路，导电。高考考查层面命题点 1与原电池原理有关的辨析理解原电池的工作原理要注意的四点2(1)只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同形成了一个完整的闭合回路。(3)不论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。(4)原电池负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。典题示例1在如图所示的 8 个装置中，属于原电池的是()AC【答案】D【解析】根据原电池的构成条件可知：中只有一个电极，中两电极材料相同，中酒精不是电解质，中两电极材料相同且无闭合回路，故不能构成原电池。2.如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是()A外电路的电流方向为：X外电路YB若两电极分别为铁和碳棒，则X 为碳棒，Y 为铁CX 极上发生的是还原反应，Y 极上发生的是氧化反应D若两电极都是金属，则它们的活动性强弱为XY【答案】D【解析】外电路电子流向为 X外电路Y，电流方向与其相反，X 极失电子，作负极，Y极发生的是还原反应，X极发生的是氧化反应。若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。命题点 2原电池正、负极的判断及电极反应式的书写1原电池正、负极的判断方法2.“三”步完胜电极反应式的书写典题示例1如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A电极上发生还原反应，作原电池的负极B电极的电极反应式为Cu 2e=CuC该原电池的总反应为2Fe Cu=Cu 2FeD盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子3222B D【答案】C【解析】该原电池的总反应为2Fe Cu=Cu 2Fe。电极上发生还原反应，作原电池的正极，反应式为2Fe 2e=2Fe，电极为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为 Cu2e=Cu。盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递离子。2一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH4e H2O=CH3COOH4H。下列有关说法正确的是()A检测时，电解质溶液中的H 向负极移动B若有 0.4 mol 电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L 氧气C电池反应的化学方程式为CH3CH2OHO2=CH3COOHH2OD正极上发生的反应是O24e 2H2O=4OH【答案】C【解析】电解质溶液中阳离子应向正极移动，A 项错误；酸性溶液中，正极电极反应式为 O24e 4H=2H2O，D 项错误；结合正极反应式，转移 0.4 mol 电子时，消耗 O2 0.1mol，其在标准状况下的体积为2.24 L，B 项错误；C 项符合题目要求，正确。考点达标层面1有关电化学知识的描述正确的是()ACaOH2O=Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能B某原电池反应为 Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的 KCl 饱和溶液C原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成D一般地说，能自发进行的氧化还原反应可设计成原电池【答案】D【解析】CaOH2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应；KCl 和 AgNO3反应生成 AgCl 沉淀易阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。2铜锌原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是()A正极反应为：Zn2e=ZnB电池反应为：ZnCu=Zn CuC在外电路中，电子从Cu 极流向 Zn 极D盐桥中的 K 移向 ZnSO4溶液【答案】B222232322【解析】该电池中 Zn 为负极，电极反应：Zn2e=Zn，Cu 为正极，电极反应为：Cu 2e=Cu，A 项错误；电池总反应为：ZnCu=Zn Cu，B 项正确；原电池工作时，外电路中电子由负极流出经导线流向正极，C 项错误；负极上由于Zn 放电，ZnSO4溶液中 Zn 的浓度增大，故盐桥中的Cl 移向 ZnSO4溶液，D 项错误。考点二考点二化学电源化学电源教材知识层面1一次电池(碱性锌锰干电池)负极材料：Zn电极反应：Zn2OH 2e=Zn(OH)2正极材料：碳棒电极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)22二次电池(以铅蓄电池为例)(1)放电时的反应：负极反应：Pb(s)2e SO4(aq)=PbSO4(s)。正极反应：PbO2(s)2e 4H(aq)SO4(aq)=PbSO4(s)2H2O(l)。总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时的反应：阴极反应：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO4(aq)。阳极反应：PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H SO4(aq)。总反应：2PbSO4(s)2H2O(l)=Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)。3燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。负极反应式正极反应式电池总反应式酸性2H24e=4HO24H 4e=2H2O222222222碱性2H24OH 4e=4H2OO22H2O4e=4OH2H2O2=2H2O高考考查层面命题点 1新型电源中电极反应式的书写首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。典题示例按要求写出电极反应式或总反应方程式。(1)肼(N2H4)_空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的电极反应式为_。(2)K2FeO4_Zn 可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应为_，该电池总反应的离子方程式为_。(3)铝电池性能优越，Al_AgO 电池可用作水下动力电源，其原理如下图所示。该电池反应的化学方程式为_。【答案】(1)N2H44e 4OH=N24H2O(2)FeO4 3e 4H2O=Fe(OH)35OH2FeO48H2O3Zn=2Fe(OH)33Zn(OH)24OH(3)2Al3AgO2NaOH=2NaAlO23AgH2O【解析】(1)肼_空气燃料电池是一种碱性电池，O2在正极反应，故负极是肼发生反应：N2H44e 4OH=N24H2O。(2)K2FeO4_Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeO4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FeO4 3e 4H2O=Fe(OH)35OH；总反应的离子方程式也可写出，关键是抓住Fe 和 Zn 的存在形式分别是 Fe(OH)3和 Zn(OH)2。(3)Al 作负极，AgO/Ag 作正极，NaOH 和 NaAlO2溶液是电解质溶液，所以生成物是NaAlO2、Ag、H2O。命题点 2不同环境对燃料电池电极反应式的影响典题示例甲烷燃料电池在不同环境下电极反应式的书写：(1)酸性条件电池总反应式：CH42O2=CO22H2O正极反应式：O24H 4e=2H2O2，得燃料电池负极反应式：_。2222(2)碱性条件电池总反应式：CH42O22NaOH=Na2CO33H2O正极反应式：O22H2O4e=4OH 2，得燃料电池负极反应式：_。(3)固体电解质(高温下能传导 O)电池总反应式：CH42O2=CO22H2O正极反应式：O24e=2O 2，得燃料电池负极反应式：_。(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电池总反应式：CH42O2=CO22H2O正极反应式：O22CO24e=2CO32，得燃料电池负极反应式：_。【答案】(1)CH48e 2H2O=CO28H(2)CH410OH 8e=CO37H2O(3)CH44O 8e=CO22H2O(4)CH44CO38e=5CO22H2O方法技巧三步突破燃料电池电极反应式的书写第一步：写出电池总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为 NaOH 溶液)的反应式为：CH42O2=CO22H2OCO22NaOH=Na2CO3H2O式式得燃料电池总反应式为：CH42O22NaOH=Na2CO33H2O。第二步：写出电池的正极反应式根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是 O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：222222(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H 4e=2H2O(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H2O4e=4OH(3)固体电解质(高温下能传导 O)环境下电极反应式：O24e=2O(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO3。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。考点达标层面1铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：FeNi2O33H2O=Fe(OH)22Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是()A电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为 FeB电池放电时，负极反应为 Fe2OH 2e=Fe(OH)2C电池充电过程中，阴极附近溶液的pH 降低D电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)22OH 2e=Ni2O3H2O【答案】C【解析】在铁镍蓄电池中，Fe 是负极，Ni2O3是正极，由于生成 Fe(OH)2，则电解液为碱性溶液，A 正确；电池放电时，负极反应为：Fe2OH 2e=Fe(OH)2，B 正确；电池充电时，阴极反应式为：Fe(OH)22e=Fe2OH，阴极附近溶液 pH 升高，C 错误；由充电时的总反应式减去阴极反应式，可得到阳极反应式，D 正确。2(1)直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极反应式为_、正极反应式为_。(2)熔融盐电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用 Li2CO3和 Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO 为阳极燃气，空气与 CO2的混合气为阴极助燃气，制得在 650 下工作的燃料电池，完成有关电池反应式。阳极反应式：2CO2CO34e=4CO2，阴极反应式：_，电池总反应式：2222_。【答案】(1)CH3OHH2O6e=CO26H3O26e 6H=3H2O2(2)O22CO24e=2CO32COO2=2CO2【解析】(1)负极上甲醇失电子，在酸性条件下与水反应生成氢离子：CH3OHH2O6e=CO26H。正极电极反应式为O24e 4H=2H2O。(2)本题中电池中的电解质是熔融物，而不是电解质溶液，但有自由移动的离子CO3存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电子转移，燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极 CO 失去电子，而阴极应为 O2得到电子，再与阴极助燃气 CO2反应生成电解质阴离子 CO3。考点三考点三原电池原理的四大应用原电池原理的四大应用高考考查层面命题点 1比较金属的活动性强弱原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或非金属)作正极。如有两种金属A 和 B，用导线将A 和 B 连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以判断金属活动性AB。典题示例有 A、B、C、D、E 五块金属片，进行如下实验：A、B 用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4中，电流由D导线C；A、C 相连后，同时浸入稀 H2SO4中，C 极产生大量气泡；B、D 相连后，同时浸入稀 H2SO4中，D 极发生氧化反应；用惰性电极电解含B 离子和 E 离子的溶液，E 先析出。据此，判断五种金属的活动性顺序是()AABCDECCABDE【答案】B【解析】金属与稀 H2SO4组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极，H 在正极电极表面得到电子生成 H2，电子流动方向由负极正极，电流方向则由正极负极。在题述原电池中，AB 原电池，A 为负极；CD 原电池，C 为负极；AC 原电池，A 为负极；BD 原电池，D 为负极；E 先析出，E 不活泼。综上可知，金属活动性：ACDBE。命题点 2加快化学反应速率222BACDBE DBDCAE由于形成了原电池，导致反应速率加快。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 CuZn 原电池，加快反应进行。典题示例将两份过量的锌粉 a、b 分别加入定量的稀硫酸，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()【答案】B【解析】加入 CuSO4溶液，Zn 置换出 Cu，形成原电池，加快反应速率，由于H2SO4定量，产生 H2的体积一样多。命题点 3 设计原电池设计原电池要紧扣构成原电池的三个条件(1)必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。(2)根据氧化还原关系找出正负极材料(负极是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属，也可以用石墨)及电解质溶液。电极材料的选择：在原电池中，选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或非金属作为正极，并且原电池的电极必须导电。一般来说，负极应该跟电解质溶液发生反应。电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的阳离子。如在 CuZn构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn 的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu 的电解质溶液中。(3)按要求画出原电池装置示意图：请根据 Cu2Ag=Cu 2Ag 设计电池：典题示例1某原电池总反应为：Cu2Fe=Cu 2Fe，下列能实现该反应的原电池是()电极材料电解液【答案】DACu、ZnFeCl3BCu、CFe(NO3)2CFe、ZnCuSO4DCu、AgFe2(SO4)3322222【解析】由题意知，Cu 为负极材料，正极材料的金属活动性必须弱于 Cu，其中 B、D项符合该条件；由 Fe 得电子生成 Fe 知，电解质溶液中必须含有 Fe，同时符合上述两条件的只有 D 项。2某校化学兴趣小组进行探究性活动，将氧化还原反应：2Fe2I3323 2Fe2I2，设计成盐桥原电池。提供的试剂：FeCl3溶液，KI 溶液；其他用品任【答案】。请回答下列问题：(1)请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。【答案】(1)如图：(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 FeCl2溶液失电子，变成负极。考点达标层面1M、N、P、E 四种金属，已知：MN=NM；M、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；N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E 2e=E，N2e=N。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是()APMNECPNME【答案】A【解析】由知，金属活动性：MN；M、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，说明 M 作原电池的正极，故金属活动性：PM；N、E 构成的原电池中，NBENMP DEPMN2222作负极，故金属活动性：NE。综合可知，A 正确。2称取三份锌粉，分别盛于甲、乙、丙三支试管中，按下列要求另加物质后，塞上带导管的塞子，定时间测定生成H2的体积。甲：加入50 mL、pH3的盐酸；乙：加入50 mL、pH3 的醋酸；丙：加入 50 mL、pH3 的醋酸及少量胆矾粉末。若反应终止时，生成的 H2一样多，且无剩余的锌。回答下列问题：(1)开始时反应速率的大小关系为_(用“”、“”或“”表示，下同)。(2)三支试管中参加反应的锌的质量为_。(3)反应终止，所需的时间为_。(4)在反应过程中，乙、丙速率不同的原因是_。【答案】(1)甲乙丙(2)甲乙丙(3)甲乙丙(4)在丙中 Cu 被 Zn 置换出来后，Zn_醋酸_Cu 形成了原电池，使反应速率加快，反应时间缩短【解析】(1)开始时，溶液中的c(H)相同，因此反应速率相同。(2)由于生成的 H2一样多，且无剩余的锌，因此与酸反应的 Zn 的量相同，考虑到丙中少量的锌与 CuSO4发生了反应，因此有甲乙丙。(3)由于丙中形成原电池能加快反应速率，且醋酸在反应过程中不断电离出 H，因此反应所需的时间为甲乙丙。3利用反应 2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2，设计一个原电池装置。(1)画出简易装置图，标明电极材料和电解质溶液。(2)简易装置的效率不高，电流在短时间内就会衰减。为解决以上问题，常将原电池设计成带盐桥的装置，画出该原电池装置，标明电极材料和电解质溶液。(3)写出两个电极上的电极反应。负极：_，正极：_。2答案：12322(3)Cu2e=Cu2Fe 2e=2Fe【解析】首先将已知的反应拆成两个半反应：Cu2e=Cu、2Fe2e=2Fe，232然后结合原电池的电极反应特点分析可知，该原电池的负极材料为 Cu，正极材料【答案】用比铜活动性差的能导电的材料即可。以“两个甲烷燃料电池串联”为载体串联原电池的相关知识高考载体新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和 O2，电解质溶液为 KOH 溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。知识串联设计(1)通入甲烷的一极作原电池的_极(填“正”或“负”下同)，通入O2的一极作原电池的_极。考查原电池正、负极的判断(2)该甲烷燃料电池中，负极反应式为_，正极反应式为_。考查原电池电极反应式的书写(3)电 池 工 作 时，燃 料 电 池 中 OH_。考查原电池中离子的移动方向(4)甲烷燃料电池工作时，若某一电极上消耗 11.2 L(标准状况下)的 CH4气体，线路中转移电子的个数是多少？_。考查原电池的计算(5)若将甲烷燃料电池的电解质溶液由 KOH 溶液改为稀硫酸，试分别写出其正、负极的电极反应式。_。考查电极反应式的书写(6)闭合 K 开关后，a、b 电极上均有气体产生，其中b 极得到的气体是什么？_。考查电解原理【答案】(1)负正(2)CH410OH 8e=CO37H2O2O24H2O8e=8OH2向 哪 一 极 移 动？K向 哪 一 极 移 动？(3)OH 向负极移动K 向正极移动(4)4NA(5)负极：CH42H2O8e=CO28H正极：2O28H 8e=4H2O(6)H2