1、专题十一 原电池装置、原理及其应用【高频考点解读】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。【热点题型】题型一 原电池原理 例1、分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是 ()A中Mg作负极，中Fe作负极B中Mg作正极，电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2【提分秘籍】 (1)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。(2)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。(3)原电池的负极失去电子的
2、总数等于正极得到电子的总数。(4)原电池电极的“正”极与“负”极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。【举一反三】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CH3CH2OH4eH2O=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正极上发生的反应为O24e2H2O=4OH 【热点题型】题型二 化学电源例2、铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正负极极板是惰性材料，请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：(1)电解
3、液中H2SO4的浓度将变_；当外电路通过1 mol电子时，理论上负极板的质量增加_g。(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按上图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成_，B电极上生成_，此时铅蓄电池的正负极的极性将_。 【提分秘籍】 1 碱性锌锰干电池一次电池总反应式：Zn2MnO22H2O=2MnO(OH)Zn(OH)2。正极反应：2MnO22H2O2e=2MnO(OH)2OH；负极反应：Zn2e2OH=Zn(OH)2。2 锌银电池一次电池负极反应：Zn2OH2e=ZnOH2O；正极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应式：ZnAg2O=ZnO2Ag。3 二次电池(可充电电池)铅
4、蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。(1)放电时的反应负极反应：Pb2eSO=PbSO4正极反应：PbO22e4HSO=PbSO42H2O总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O(2)充电时的反应阴极反应：PbSO42e=PbSO阳极反应：PbSO42H2O2e=PbO24HSO总反应：2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO44 燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24e4H=2H2OO22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O【举一反三
5、】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：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式：O24H4e=2H2O2，得燃料电池负极反应式：_。(2)碱性条件燃料电池总反应式：CH42O22NaOH=Na2CO33H2O燃料电池正极反应式：O22H2O4e=4OH2，得燃料电池负极反应式：_。(3)固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应式：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式：O24e=2O22，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。正极电极反应式：O2
6、2CO24e=2CO。电池总反应式正极电极反应式得负极电极反应式：_。【热点题型】题型三 电极反应式的书写 例3、有人设计以Pt和Zn为电极材料，埋入人体内作为某种心脏病人的心脏起搏器的能源。它依靠跟人体内体液中含有的一定浓度的溶解氧、H和Zn2进行工作，试写出该电池的两极反应式。 【提分秘籍】原电池电极反应式的书写程序1“加减法”书写电极反应式(1)先确定原电池的正负极，列出正负极上的反应物质，并标出相同数目电子的得失。(2)注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式；若正极上的反应物质是O2，且电解质溶液为中性或碱性，则水必须
7、写入正极反应式中，且O2生成OH，若电解质溶液为酸性，则H必须写入正极反应式中，O2生成水。(3)正负极反应式相加得到电池反应的总反应式。若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。2燃料电池电极反应式的书写电极：惰性电极。燃料包含：H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如C2H5OH)等。电解质包含：酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；碱性电解质溶液，如NaOH溶液；熔融氧化物，如Y2O3；熔融碳酸盐，如K2CO3等。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
8、一致，若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。如氢氧燃料电池的总反应式为2H2O2=2H2O；甲烷燃料电池(电解质溶液为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都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H4e=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O2)
9、环境下电极反应式：O24e=2O2(4)熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO。第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式故根据第一、二步写出的反应，有：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。【举一反三】LiSOCl2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LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为_，发生
10、的电极反应为_。(2)电池正极发生的电极反应为_。【热点题型】题型四 原电池原理的应用例4、燃料在电池中直接被氧化而产生电能的装置叫燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池。燃料电池所用燃料可以是氢气，也可以是其他燃料，如甲醇、肼等。肼分子(H2NNH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水，利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池，请写出该电池反应的电极反应式和总反应式：_；并指出电解质溶液中OH向哪极移动：_。总反应式：N2H4O2=N22H2OOH向负极移动【提分秘籍】 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CuSO
11、4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。例如，有两种金属a、b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则金属a作负极，比金属b活泼。3用于金属的防护使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。4设计电池，制造化学电源理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。(1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极。(2)确定电极材料如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该
12、金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。发生还原反应的电极材料必须不如负极材料活泼。(3)确定电解质溶液一般选用反应物中的电解质溶液即可。(4)构成闭合回路。如根据以下两个反应设计的原电池如下表所示：原理负极正极电解质溶液电极反应2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2CuC(Fe3)FeCl3负极：Cu2e=Cu2正极：2Fe32e=2Fe22H2O22H2OPt(H2)Pt(O2)KOH负极：2H24OH4e=4H2O正极：O22H2O4e=4OH5.探究金属腐蚀的快慢规律(1)不同类型的腐蚀规律电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学
13、腐蚀有防护措施的腐蚀(2)电化学腐蚀规律对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。活动性不同的两金属：活动性差别越大，活动金属腐蚀越快。对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快，且氧化剂的浓度越高，腐蚀越快。对于不同氧化剂来说，氧化性越强，金属腐蚀越快。【举一反三】四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。相连时，外电路电流从流向；相连时，为正极；相连时，上有气泡逸出；相连时,的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是()A BC D【高考风向标】 1（2014浙江卷）镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型，NiMH中
14、的M表示储氢金属或合金，该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2M=NiOOHMH。已知：6NiOOHNH3H2OOH=6Ni(OH)2NO下列说法正确的是()ANiMH电池放电过程中，正极的电极反应式为NiOOHH2Oe=Ni(OH)2OHB充电过程中OH从阳极向阴极迁移C充电过程中阴极的电极反应式：H2OMe=MHOH，H2O中的H被M还原DNiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液2（2014天津卷）已知：锂离子电池的总反应为LixCLi1xCoO2CLiCoO2锂硫电池的总反应2LiSLi2S有关上述两种电池说法正确的是()A锂离子电池放电时， Li向负极迁移B锂硫电
15、池充电时，锂电极发生还原反应C理论上两种电池的比能量相同D下图表示用锂离子电池给锂硫电池充电3（2014新课标全国卷）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放电时，溶液中Li从b向a迁移4（2014江苏卷）下列有关说法正确的是()A若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀B2NO(g)2CO(g)=N2(g)2CO2(g)在常温下能自发进行，则该反应的H0C加热0.1 molL1Na2CO3溶液，CO的水解程度和溶液的pH均增大D
16、对于乙酸与乙醇的酯化反应(H0)，加入少量浓硫酸并加热，该反应的反应速率和平衡常数均增大5（2013海南卷）MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为2AgCl Mg = Mg2 2Ag 2Cl。有关该电池的说法正确的是()AMg为电池的正极B负极反应为AgCle=AgClC不能被KCl 溶液激活D可用于海上应急照明供电6（2014全国卷）如图所示是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MHNi电池)。下列有关说法不正确的是()A放电时正极反应为NiOOHH2OeNi(OH)2OHB电池的电解液可为KOH溶液C充电时负极反应为MHOHH2OMeDM
17、H是一类储氢材料，其氢密度越大，电池的能量密度越高7（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8（2014福建卷）某原电池装置如下图所示，电池总反应为2AgCl2=2AgCl。下列说法正确的是()A正极反应为AgCle=AgClB放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成C若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变D当电路中转移0.01 mol e时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子9（2014海南卷）锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4，溶于混合有机溶剂中，L
18、i通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。 回答下列问题：(1)外电路的电流方向是由_极流向_极。(填字母)(2)电池正极反应式为_。(3)是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？_(填“是”或“否”)，原因是_。(4)MnO2可与KOH和KClO3在高温下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为_。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO2和MnO2的物质的量之比为_。【答案】(1)ba(2)MnO2eLi=LiMnO2(3)否电极Li是活泼金属，能与水反应（2013海南卷）12下图所示的电解池I和II中，a、b、c和d均为Pt电极。电解过程中，电极b和d上没有气体逸出，但质量均增
19、大，且增重bd。符合上述实验结果的盐溶液是选项XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)2CFeSO4Al2 (SO4)3DCuSO4AgNO3（2013海南卷）4Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式为：2AgCl+ Mg = Mg2+ 2Ag +2Cl-。有关该电池的说法正确的是AMg为电池的正极B负极反应为AgCl+e-=Ag+Cl-C不能被KCl 溶液激活D可用于海上应急照明供电（2013上海卷）8.糕点包装中常见的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等，其脱氧原理与钢铁的吸氧腐蚀相同。下列分析正确的是A.脱氧过程是吸热反应，可降低温度，延长糕点
20、保质期B.脱氧过程中铁作原电池正极，电极反应为： Fe-3eFe3+C.脱氧过程中碳做原电池负极，电极反应为：2H2O+O2+4e4OH-D.含有1.12g铁粉的脱氧剂，理论上最多能吸收氧气336mL（标准状况）（2013新课标I卷）10银制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2Al + 3Ag2S = 6Ag + Al2S3 D黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化
21、为白色AgCl（2013新课标II卷）11.“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：NiCl2+2e-=Ni+2Cl-D.钠离子通过钠离子导体在两电极间移动【随堂巩固】 1为探究原电池的形成条件和反应原理，某同学设计了如下实验，并记录了实验现象：向一定浓度的稀硫酸中插入锌片，看到有气泡生成；向上述浓度的稀硫酸中插入铜片，没有气泡生成；将锌片与铜片上端接触并捏住，一起插入上述浓度的稀硫酸中，看到铜片上有气泡生成，且生
22、成气泡的速率比实验中快；在锌片和铜片中间接上电流计，再将锌片和铜片插入上述浓度的稀硫酸中，发现电流计指针偏转。下列关于以上实验设计及现象的分析，不正确的是 ()。A实验、说明锌能与稀硫酸反应而铜不能B实验说明发生原电池反应时会加快化学反应速率C实验说明在该条件下铜可以与稀硫酸反应生成氢气D实验、说明该原电池中铜为正极、锌为负极2下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是 ()。A上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池B干电池在长时间使用后，锌筒被破坏C铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 gD氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源3如图，在盛有稀H2SO
23、4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，则它们的活动性顺序为XY4右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是 ()。A该电池的负极反应式为：CH3CH2OH3H2O12e=2CO212HB该电池的正极反应式为：O24e4H=2H2OC电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极D微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精
24、的含量5镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁空气燃料电池，镁海水燃料电池，镁过氧化氢燃料电池，镁次氯酸盐燃料电池。如图为镁次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是()。A放电过程中OH移向正极B电池的总反应式为MgClOH2O= Mg(OH)2ClC镁电池中镁均为负极，发生氧化反应D镁过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：H2O22H2e=2H2O6如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆
25、的偏向判断正确的是()。A杠杆为导体或绝缘体时，均为A端高B端低B杠杆为导体或绝缘体时，均为A端低B端高C当杠杆为导体时，A端低B端高；杠杆为绝缘体时，A端高B端低D当杠杆为导体时，A端高B端低；杠杆为绝缘体时，A端低B端高7据报道，以硼氢化合物NaBH4(B元素的化合价为3价)和H2O2作原料的燃料电池，负极材料采用Pt/C，正极材料采用MnO2，可用作空军通信卫星电源，其工作原理如图所示。下列说法错误的是()。A电池放电时Na从b极区移向a极区B电极b采用MnO2，MnO2既作电极材料又有催化作用C该电池的负极反应为：BH48OH8e=BO26H2OD每消耗3 mol H2O2，转移的电子
26、为3 mol8 (1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。请回答下列问题：高铁电池的负极材料是_。放电时，正极发生_(填“氧化”或“还原”)反应：已知负极反应为Zn2e2OH=Zn(OH)2，则正极反应为_。放电时，_(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。(2)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b均为惰性电极。使用时，空气从_口通入(填“A”或“B”)；假设使用的“燃料”是甲醇，a极的电极反应式为_；假设使用的“燃料”是水煤气(成分为CO、H2)，如
27、用这种电池电镀铜，待镀金属的质量增加6.4 g，则至少消耗标准状况下水煤气的体积为_。9 (1)分析如图所示的四个装置，回答下列问题：装置a和b中铝电极上的电极反应式分别为_、_。装置c中产生气泡的电极为_电极(填“铁”或“铜”)，装置d中铜电极上的电极反应式为_。(2)观察如图所示的两个装置，图1装置中铜电极上产生大量的无色气泡，图2装置中铜电极上无气体产生，而铬电极上产生大量的有色气体。根据上述现象试推测金属铬具有的两种重要化学性质为_、_。(3)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：电池的负极是_(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为：_。电池工作一段时间后电解质溶液的pH_
28、(填“增大”“减小”或“不变”)。 10金属铜不溶于稀硫酸，可溶于铁盐溶液生成铜盐与亚铁盐。现将一定量的铜片加入到100 mL稀硫酸和硫酸铁的混合液中，铜片完全溶解(不考虑盐的水解及溶液体积的变化)(1)写出铜溶解于上述混合液的离子方程式_。(2)若铜完全溶解时，溶液中的Fe3、Cu2、H三种离子的物质的量浓度相等，且测得溶液的pH1，则溶解铜的质量是_g，溶液中的c(SO42)_molL1。(3)若欲在如图所示的装置中发生反应，请判断图中的正、负极，并选出适当的物质作电极，写出电极反应式，填在相应的表格中。正、负极判断电极材料电极反应式X极Y极 11.化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛
29、的应用。(1)下列相关说法正确的是_(填序号)。A通过某种电池单位质量或单位体积所能输出能量的多少，可以判断该电池 的优劣B二次电池又称充电电池或蓄电池，这类电池可无限次重复使用C除氢气外，甲醇、汽油、氧气等都可用作燃料电池的燃料D近年来，废电池必须进行集中处理的问题被提上日程，其首要原因是电池外壳的金属材料需要回收(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应式可表示为2Ni(OH)2Cd(OH)2Cd2NiO(OH)2H2O已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法正确的是_(填序号)。A以上反应是可逆反应B反应环境为碱性C电池放电时Cd作负极D该电池是一种二次电池(3)在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示：a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。a电极是电源的_极；若该电池为飞行员提供了360 kg的水，则电路中通过了_mol电子。(4)请运用原电池原理设计实验，验证Cu2、Fe3氧化性的强弱，请画出实验装置图并写出电极反应式。