1、第2讲 原电池 化学电源【最新考纲】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 原电池的工作原理及应用2.工作原理以铜锌原电池为例。(1)反应原理。电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由 Zn 沿导线流向 Cu盐桥中离子移向盐桥中含饱和 KCl 溶液，K移向正极，Cl移向负极原电池反应方程式ZnCu2=Zn2Cu(2)两个装置的比较。装置中还原剂Zn与氧化剂Cu2直接接触，易造成能量损耗；装置盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区，能避免能量损耗。3原电池原
2、理的三大应用(1)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H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。(2)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。(3)设计制作化学电源。首先将氧化还原反应分成两个半反应。根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。如：根据反应2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2设计的原电池为：【典例1】(2015新课标卷)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的
3、是()A正极反应中有CO2生成B微生物促进了反应中电子的转移C质子通过交换膜从负极区移向正极区D电池总反应为C6H12O66O2=6CO26H2O解析：A选项根据C元素的化合价的变化二氧化碳中C元素的化合价为最高价4价，所以生成二氧化碳的反应为氧化反应，CO2在负极生成，错误；B选项在微生物的作用下，该装置为原电池装置，反应速率比化学反应速率加快，所以微生物促进了反应的发生，正确；C选项原电池中阳离子向正极移动，所以质子通过交换膜从负极区移向正极区，正确；D选项电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应，正确，答案选A。答案：A注意：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成
4、活泼电极一定作负极的思维定势。题组一 原电池的构成及工作原理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从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池解析：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。答案：D2控制适合的条件，将反应2Fe32
5、I2Fe2I2设计成如下图所示的原电池。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解析：由图示结合原电池原理分析可知，Fe3得电子变成Fe2被还原，I失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率，反应达到平衡状态；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe32I2Fe2I2向左移动，I2被还原为I，乙中石墨为正极，D不正确。答案：D【归纳提升】规避原电池工作原理的4个易失分点(1)原电
6、池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。(2)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。(3)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组成了一个完整的闭合回路。(4)无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。题组二 原电池原理的应用3银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故，根据电化学原理可进行如下处理，在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去，下列说法正确的是()A处理过程中银器一直保持恒重B银器为正极，Ag2S被还原生成单质银C该过程中总反应为2Al3Ag
7、2S=6AgAl2S3D黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl解析：铝质容器、变黑的银器及食盐溶液构成原电池装置，铝作负极，变质的银器作正极。负极反应式为Al3e=Al3，正极反应式为Ag2S2e=2AgS2。Al3与S2在溶液中不能大量共存，能发生水解相互促进反应2Al33S26H2O=2Al(OH)33H2S，故原电池总反应为 2Al 3Ag2S 6H2O=6Ag 2Al(OH)3 3H2S，故B项正确，C项错误；A项，原电池反应是自发进行的氧化还原反应，银器中Ag2S被还原成Ag，质量减轻，A项错误；D项，黑色褪去的原因是黑色的Ag2S转化为Ag，D项错误。答案：B4有A、B、C
8、、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溶液中，A极为负极；C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D导线C；A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，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()AABCDEBACDBECCABDEDBDCAE解析：金属与稀H2SO4溶液组成原电池，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，电子运动方向由负极正极，电流方向则由正极负极。在题述原电
9、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，金属活动性顺序：ACDBE。答案：B【归纳提升】比较金属活泼性的“三种方法”(1)根据原电池：一般情况下，负极大于正极。(2)根据电解池：易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。(3)根据金属活动性顺序表。考点二 化学电源1一次电池(碱性锌锰干电池)碱性锌锰干电池的工作原理如图：2二次电池(以铅蓄电池为例)(1)放电时的反应。负极反应：PbSO24 2e=PbSO4；正极反应：PbO24HSO24 2e=PbSO42H2O；总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO
10、42H2O。(2)充电时的反应。阴极反应：PbSO42e=PbSO24；阳极反应：PbSO42H2O2e=PbO24HSO24；总反应：2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4。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。酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24H4e=2H2OO22H2O4e=4OH 电池总反应式2H2O2=2H2O原电池中电极反应式的书写(1)如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极，再根据正、负极反应规律写电极反应式。(2)如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素化合价的
11、变化情况)，再选择一个简单变化情况写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式即得结果。(3)需要特别指出，对于可逆电池的反应，需要看清楚“充电”“放电”的方向，放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解原理。(4)原电池电极反应式的书写一定要考虑介质的影响。可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？思考提示：【典例2】(2014新课标卷)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是()Aa为电池的正极B电池充电反应为LiMn2O4=Li1xMn2O4xLiC放电时，a极锂的化合价发生变化D
12、放电时，溶液中Li从b向a迁移解析：图示所给出的是原电池装置。A项，由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知，含有锂的一端为原电池的负极，即b为负极，a为正极，故正确；B项，电池充电时为电解池，反应式为原电池反应的逆反应，故正确；C项，放电时，a极为原电池的正极，发生还原反应的是Mn元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确；D项，放电时为原电池，锂离子应向正极(a极)迁移，故正确。答案：C题组一 化学电源电极反应式的书写1 (1)利 用 反 应 2Cu O2 2H2SO4=2CuSO4 2H2O可制备CuSO4，若将该反应设计为原电池，其正极的电极反应式为_。(2)以Al和NiO(OH)为电
13、极，NaOH溶液为电解液组成一种新型电池，放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2该电池反应的化学方程式是_。(3)铝电池性能优越，AlAgO电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。该电池反应的化学方程式为_。(4)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，其电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池反应方程式：_。解析：(2)由于NaOH溶液的存在，Al被氧化生成NaAlO2而不是生成Al(OH)3，故电池反应的化学方程式为：Al3NiO(OH)NaOHH2O=NaAlO23Ni(OH)2。(3)AlAgO电池中铝作负极，失去电
14、子被氧化，在NaOH溶液中生成NaAlO2，AgO在正极得到电子被还原为Ag，所以发生的电池反应是2Al3AgO2NaOH=2NaAlO23AgH2O。(4)放电时正极发生还原反应，负极发生氧化反应，反 应 的 化 学 方 程 式 为 Ag2O2 2Zn 4KOH 2H2O=2K2Zn(OH)42Ag。答案：(1)4HO24e=2H2O(2)Al 3NiO(OH)NaOH H2O=NaAlO2 3Ni(OH)2(3)2Al3AgO2NaOH=2NaAlO23AgH2O(4)Ag2O22Zn 4KOH 2H2O=2K2Zn(OH)42Ag2以甲烷燃料电池为例来分析不同的环境下电极反应式的书写。(
15、1)酸性介质(如H2SO4)。负极：_；正极：_；总反应式：_。答案：CH48e2H2O=CO28H2O28e8H=4H2OCH42O2=CO22H2O(2)碱性介质(如 KOH)。负极：_；正极：_；总反应式：_。答案：CH48e10OH=CO23 7H2O2O28e4H2O=8OHCH42O22OH=CO23 3H2O(3)固体电解质(高温下能传导O2)。负极：_；正极：_；总反应式：_。答案：CH48e4O2=CO22H2O2O28e=4O2CH42O2=CO22H2O(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下。负极：_；正极：_；总反应式：_。答案：CH48e4CO23=5CO22H
16、2O2O28e4CO2=4CO23CH42O2=CO22H2O【归纳提升】熟练书写燃料电池电极反应式的方法(1)熟记“离子趋向”：阳离子趋向正极，在正极上参与反应，在负极上生成(如 H)；阴离子趋向负极，在负极上参与反应，在正极上生成(如 OH、O2、CO23)。(2)抓住“电荷守恒”：“ne”是正电荷，“ne”是负电荷，依据电荷守恒配平其他物质的系数。(3)电池总反应式正极反应式负极反应式。题组二 新型化学电源3(2014北京卷)下列电池工作时，O2在正极放电的是()A.锌锰电池B.氢燃料电池C.铅蓄电池D.镍镉电池 解析：氢燃料电池中，负极上H2放电，正极上O2放电，A、C、D中均不存在O
17、2放电，故选B。答案：B4“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是()A电池反应中有NaCl生成B电池的总反应是金属钠还原三价铝离子C正极反应为NiCl22e=Ni2ClD钠离子通过钠离子导体在两电极间移动解析：结合蓄电池装置图，利用原电池原理分析相关问题。A项，负极反应为Nae=Na，正极反应为：NiCl22e=Ni2Cl，故电池反应中有NaCl生成；B项，电池的总反应是金属钠还原二价镍离子；C项，正极上NiCl2发生还原反应，电极反应为NiCl22e=Ni2Cl；D项，钠在负极失电子，被氧化生成N
18、a，Na通过钠离子导体在两电极间移动。答案：B【归纳提升】新型电池的有关判断(1)新型电池“放电”时正、负极的判断。新型电池负极材料元素化合价升高的物质发生氧化反应的物质正极材料元素化合价降低的物质发生还原反应的物质(2)新型电池“放电”时正极、负极上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，可以利用总反应较简单一极电极反应式较复杂一极电极反应式的方法解决。(3)新型电池“充电”时阴、阳极的判断。首先明确原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时，阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。(4)新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。