1、第 20 讲 原电池 化学电源【考情分析】1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。【核心素养分析】变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。【重点知识梳理】知识点一 原电池的工作原理及应用 1.概念和反应本质 原电池是把化学能转化为
2、电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。2.构成条件(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：电解质溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入电解质溶液中。3.工作原理 以锌铜原电池为例 (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=Zn2 Cu22e=Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 电子流向 由 Zn 片沿导线流向 Cu 片 盐桥中离子移向 盐桥含饱和 KCl 溶液，K移向正极，Cl移向负极 (2)盐桥的组成和作用
3、 盐桥中装有饱和的 KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。（3）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 4.原电池原理的应用(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)
4、。(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。(4)设计制作化学电源 首先将氧化还原反应分成两个半反应。根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。知识点二 常见化学电源及工作原理 一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用 1.碱性锌锰干电池 总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。负极材料：Zn。电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2。正极材料：碳棒。电极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH。2.纽扣式锌银电池 总反应：ZnAg2OH2
5、O=Zn(OH)22Ag。电解质是 KOH。负极材料：Zn。电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2。正极材料：Ag2O。电极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH。3.锂电池 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 8Li3SOCl2=6LiClLi2SO32S。(1)负极材料为锂，电极反应为 8Li8e=8Li。(2)正极的电极反应为 3SOCl28e=2SSO23 6Cl。二、二次电池：放电后能充电复原继续使用 1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(
6、l)(1)放电时原电池 负极反应：Pb(s)SO24(aq)2e=PbSO4(s)；正极反应：PbO2(s)4H(aq)SO24(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时电解池 阴极反应：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO24(aq)；阳极反应：PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO24(aq)。2.图解二次电池的充放电 3.二次电池的充放电规律(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式
7、上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时 pH 的变化趋势也恰好相反。三、燃料电池 1.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。种类 酸性 碱性 负极反应式 2H24e=4H 2H24OH4e=4H2O 正极反应式 O24e4H=2H2O O22H2O4e=4OH 电池总反应式 2H2O2=2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 2.解答燃料电池题目的思维模型 3.解答燃料电池题目的几个关键点(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电
8、池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。【典型题分析】高频考点一 原电池原理及其应用【例 1】（2020湖南湘潭一中模拟）下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是()A中锌电极发生氧化反应 B中电子由 a 电极经导线流向 b 电极 C中外电路中电流由 A 电极流向 B 电极 D中 LixC6做负极【答案】C【解析】在原电池中阴离子移向负极，所以中 A 电极为负极，则外电路中电流应由 B 电极流向 A 电极。【变式探究】（2020山西太原模拟）等质量的两份锌粉 a、b，分别加入过量的稀 H2SO4中，同时向 a 中滴入少量的 CuSO4溶液，如图表示产生 H2的体
9、积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()【答案】D【解析】a 中 Zn 与 CuSO4溶液反应置换出 Cu，Zn 的量减少，产生 H2的量减少，但 Zn、Cu 和稀 H2SO4形成原电池，加快反应速率，D 项图示符合要求。【变式探究】（2020河南许昌一中模拟）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 外电路中电流从 a极流向 d 极 由此可判断这四种金属的活动性顺序是()Aabcd Bbcda Cdabc Dabdc【答案】C【解析】把四个实验从
10、左到右分别编号为，则由实验可知，a 极质量减少，b 极质量增加，则 a 做原电池负极，b 做原电池正极，金属的活动性：ab；由实验可知，b 极有气体产生，c 极无变化，金属的活动性：bc；由实验可知，d 极溶解，c 极有气体产生，则 d 做原电池负极，c 做原电池正极，金属的活动性：dc；由实验可知，外电路中电流从 a 极流向 d 极，则 d 做原电池负极，a 做原电池正极，金属的活动性：da。综上所述，四种金属的活动性：dabc。高频考点二 盐桥原电池的考查【例 2】（2020河北唐山模拟）根据下图，下列判断中正确的是()A.烧杯 a 中的溶液 pH 降低 B.烧杯 b 中发生氧化反应 C.
11、烧杯 a 中发生的反应为 2H2e=H2 D.烧杯 b 中发生的反应为 2Cl2e=Cl2【答案】B【解析】由题给原电池装置可知，电子经过导线，由 Zn 电极流向 Fe 电极，则 O2在 Fe 电极发生还原反应：O22H2O4e=4OH，烧杯 a 中 c(OH)增大，溶液的 pH 升高；烧杯 b 中，Zn 发生氧化反应：Zn2e=Zn2。【变式探究】（2020山东日照模拟）控制适合的条件，将反应 2Fe32I2Fe2I2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
12、状态 D.电流表读数为零后，在甲中加入 FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极【答案】D【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，C正确；在甲中加入 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。高频考点三 燃料电池【例 3】(2019高考全国卷，12，6 分)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时 MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是()A相比现
13、有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能 B阴极区，在氢化酶作用下发生反应 H22MV2=2H2MV C正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成 NH3 D电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动【答案】B【解析】由题图和题意知，电池总反应是 3H2N2=2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A 项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应 MVe=MV2，为负极，不是阴极，B 项错误；正极区 N2在固氮酶作用下发生还原反应生成 NH3，C 项正确；电池工作时，H通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D 项正确。【方法技巧
14、】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 CH42O2=CO22H2O CO22NaOH=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：(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：O22
15、H2O4e=4OH；(3)固体电解质(高温下能传导 O2)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=2CO23。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。【变式探究】（2020长春实验中学模拟）十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是()A该电池放电时质子从电极 b 移向电
16、极 a B电极 a 附近发生的电极反应为 SO22H2O2e=H2SO42H C电极 b 附近发生的电极反应为 O24e2H2O=4OH D相同条件下，放电过程中消耗的 SO2和 O2的体积比为 21【答案】D【解析】A 项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极 a 为负极，则该电池放电时质子从电极 a移向电极 b，错误；B 项，电极 a 为负极，发生氧化反应，电极反应为 SO22H2O2e=SO24 4H，硫酸应当拆为离子形式，错误；C 项，酸性条件下，氧气得电子与氢离子反应生成水，电极 b 附近发生的电极反应为 O24e4H=2H2O，错误；D 项，由总反应式 2SO2O22H2O=2SO
17、24 4H可知，放电过程中消耗的 SO2和 O2的体积比为 21，正确。高频考点四 可充电电池（二次电池）【例 4】（2020新课标）科学家近年发明了一种新型 ZnCO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体 CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是 A.放电时，负极反应为24Zn2e4OH Zn(OH)B.放电时，1 mol CO2转化为 HCOOH，转移的电子数为 2 mol C.充电时，电池总反应为24222Zn OH)2ZnO4OHO(2H D.充电时，正极溶液中 OH浓度升高【答案】D【解析】由题可知，放
18、电时，CO2转化为 HCOOH，即 CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn 发生氧化反应生成2-4Zn(OH)；充电时，右侧为阳极，H2O 发生氧化反应生成 O2，左侧为阴极，2-4Zn(OH)发生还原反应生成 Zn，以此分析解答。放电时，负极上 Zn 发生氧化反应，电极反应式为：-2-4Zn-2e+4OH=Zn(OH)，故 A 正确；放电时，CO2转化为 HCOOH，C 元素化合价降低 2，则 1molCO2转化为HCOOH 时，转移电子数为 2mol，故 B 正确；充电时，阳极上 H2O 转化为 O2，负极上2-4Zn(OH)转化为 Zn，电池总反应为：2-422
19、2Zn(OH)=2Zn+O+4OH+2H O，故 C 正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为：-+222H O-4e=4H+O ，溶液中 H+浓度增大，溶液中 c(H+)c(OH-)=KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH-浓度降低，故 D 错误。【举一反三】2019新课标为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3DZn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZnNiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)放电充电ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是（）A三维多孔海绵状Zn具有较高的表面
20、积，所沉积的ZnO分散度高 B充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH(aq)e=NiOOH(s)+H2O(l)C放电时负极反应为Zn(s)+2OH(aq)2e=ZnO(s)+H2O(l)D放电过程中OH通过隔膜从负极区移向正极区【答案】D【解析】三维多孔海绵状 Zn 具有较高的表面积，吸附能力强，所沉积的 ZnO 分散度高，A 正确；充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是 Ni(OH)2失去电子转化为 NiOOH，电极反应式为 Ni(OH)2(s)OH(aq)e NiOOH(s)H2O(l)，B 正确；放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总
21、反应式可知负极反应式为 Zn(s)2OH(aq)2e ZnO(s)H2O(l)，C 正确；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中 OH 通过隔膜从正极区移向负极区，D 错误。【举一反三】2019 天津我国科学家研制了一种新型的高比能量锌碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是 A.放电时，a 电极反应为 I2Br2e=2IBr B放电时，溶液中离子的数目增大 C充电时，b 电极每增重 0.65 g，溶液中有 0.02 mol I被氧化 D充电时，a 电极接外电源负极【答案】D【解析】放电时，a 电极为正极，碘得电子变成
22、碘离子，正极反应式为 I2Br+2e=2I+Br，故 A正确；放电时，正极反应式为 I2Br+2e=2I+Br，溶液中离子数目增大，故 B 正确；充电时，b 电极反应式为 Zn2+2e=Zn，每增加 0.65g，转移 0.02mol 电子，阳极反应式为 Br+2I 2e=I2Br，有 0.02molI 失电子被氧化，故 C 正确；充电时，a 是阳极，应与外电源的正极相连，故 D 错误。【方法技巧】1可充电电池的思维模型 因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。2可充电电池的分析流程(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。(2)放电
23、时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断 分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。首先应分清电池是放电还是充电。再判断出正、负极或阴、阳极。(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式 若已知电池放电时的总反应式，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，由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。【变式探究】(2018全国卷，12)我国科学家研发了一种室温下
24、“可呼吸”的 NaCO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为 3CO24Na2Na2CO3C。下列说法错误的是()A.放电时，ClO4 向负极移动 B.充电时释放 CO2，放电时吸收 CO2 C.放电时，正极反应为 3CO24e=2CO23 C D.充电时，正极反应为 Nae=Na【答案】D【解析】根据电池的总反应知，放电时负极反应：4Na4e=4Na 正极反应：3CO24e=2CO23 C 充电时，阴(负)极：4Na4e=4Na 阳(正)极：2CO23 C4e=3CO2 放电时，ClO4 向负极移动。根据充电和放电时的电极反应
25、式知，充电时释放 CO2，放电时吸收 CO2。【举一反三】(2018全国卷)一种可充电锂空气电池如图所示。当电池放电时，O2与 Li在多孔碳材料电极处生成 Li2O2x(x0 或 1)。下列说法正确的是()A放电时，多孔碳材料电极为负极 B放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C充电时，电解质溶液中 Li向多孔碳材料区迁移 D充电时，电池总反应为 Li2O2x=2Li1x2 O2【答案】D【解析】由题意知，放电时负极反应为 Lie=Li，正极反应为(2x)O24Li4e=2Li2O2x(x0 或 1)，电池总反应为1x2 O22Li=Li2O2x。该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料
26、为正极，A 项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B 项错误；该电池放电时，电解质溶液中的 Li向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的 Li向锂材料区迁移，C 项错误；充电时电池总反应为 Li2O2x=2Li(1x2)O2，D 项正确。高频考点五 新型电源【例 5】（2020新课标）一种高性能的碱性硼化钒(VB2)空气电池如下图所示，其中在 VB2电极发生反应：-3-2442VB+16OH-11e=VO+2B(OH)+4H O该电池工作时，下列说法错误的是 A.负载通过 0.04 mol 电子时，有 0.224 L(标准状况)O2参与反应 B.正极区溶液的 pH 降低、
27、负极区溶液的 pH 升高 C.电池总反应为3222444VB11O20OH6H O8B(OH)4VO D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH 溶液回到复合碳电极【答案】B【解析】根据图示的电池结构，左侧 VB2发生失电子的反应生成3-4VO 和-4B(OH)，反应的电极方程式如题干所示，右侧空气中的氧气发生得电子的反应生成 OH-，反应的电极方程式为 O2+4e-+2H2O=4OH-，电池的总反应方程式为 4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8-4B(OH)+43-4VO，据此分析。当负极通过 0.04mol 电子时，正极也通过 0.04mol 电子，根据正极的电极方程式，通过
28、0.04mol 电子消耗 0.01mol 氧气，在标况下为 0.224L，A正确；反应过程中正极生成大量的 OH-使正极区 pH 升高，负极消耗 OH-使负极区 OH-浓度减小 pH 降低，B 错误；根据分析，电池的总反应为 4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8-4B(OH)+43-4VO，C 正确；电池中，电子由 VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极负载VB2电极KOH 溶液复合碳电极，D 正确。【变式探究】(2018海南卷)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为 KOH 浓溶液。下列说法正确的是()A电池总反应式
29、为 2MgO22H2O=2Mg(OH)2 B正极反应式为 Mg2e=Mg2 C活性炭可以加快 O2在负极上的反应速率 D电子的移动方向由 b 经外电路到 a【答案】A 【解析】负极电极反应式为 Mg2e2OH=Mg(OH)2、正极电极反应式为 O24e2H2O=4OH，得失电子相同的条件下，将正负极电极反应式相加得电池总反应式为 2MgO22H2O=2Mg(OH)2，故 A 正确，B 错误；通入 O2的电极是正极，活性炭可以加快 O2在正极上的反应速率，故 C 错误；Mg 作负极、活性炭作正极，电子从负极 a 经外电路到正极 b，故 D 错误。【变式探究】(2017全国卷，11)全固态锂硫电池
30、能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极 a 常用掺有石墨烯的 S8材料，电池反应为 16LixS8=8Li2Sx(2x8)。下列说法错误的是()A.电池工作时，正极可发生反应：2Li2S62Li2e=3Li2S4 B.电池工作时，外电路中流过 0.02 mol 电子，负极材料减重 0.14 g C.石墨烯的作用主要是提高电极 a 的导电性 D.电池充电时间越长，电池中 Li2S2的量越多【答案】D【解析】A 项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中 Li移动方向可知，电极 a 为正极，正极发生还原反应，由总反应可知正极依次发生 S8Li2S8 Li2S6Li2S4Li2S2的还原反应，正确；B 项，电池工作时负极电极反应式为 Lie=Li，当外电路中流过 0.02 mol 电子时，负极消耗的 Li 的物质的量为 0.02 mol，其质量为 0.14 g，正确；C 项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极 a 的导电能力，正确；D 项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为 8Li2Sx=电解16LixS8(2x8)，故 Li2S2的量会越来越少直至充满电，错误。