1、第九章电化学基础第一节 原电池 化学电源一、原电池1.概念把_转化为_的装置。2.构成条件(1)有两个_的电极(常见为金属或石墨)。(2)将电极插入_中。(3)两电极间构成闭合回路。化学能电能活泼性不同电解质溶液3.工作原理如图是两种Cu-Zn原电池示意图,请填空:(1)电极:负极为_,正极为_。(2)电极反应:负极:_,正极:_。(3)电子移动方向和电流方向:电子从_流出经外电路流入_;电流从_流出经外电路流入_。(4)离子的迁移方向:电解质溶液中,阴离子向_迁移,阳离子向_迁移。(5)两种装置的比较:装置中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,易造成能量损耗;装置能避免能量损耗;装置中盐桥的
2、作用是提供_的通路,导电。ZnCuZn-2e-=Zn2+Cu2+2e-=Cu负极正极负极负极正极离子迁移正极二、化学电源的种类及其工作原理Zn+2OH-2e-=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-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:_;正极反应:_;总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)。(2)充电时的反应:阴极反应:_;阳极反应:_ _;总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq
3、)。Pb(s)+(aq)-2e-=PbSO4(s)PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+(aq)PbO2(s)+4H+(aq)+(aq)+2e-=PbSO4(s)+2H2O(l)PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+(aq)酸 性碱 性负极反应式正极反应式电池总反应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。2H2+4OH-4e-=4H2O2H2-4e-=4H+O2+4H+4e-=2H2OO2+2H2O+4e-=4OH-2H2+O2=2H2O【思考辨析】1.(2012广东高考)碘可用作锂碘电池的材料。该电池反应为2Li(s)+I2(
4、s)=2LiI(s),则碘电极作该电池的负极。()【分析】碘在反应中的化合价降低,发生还原反应,碘作正极。2.原电池的两电极中,较活泼的电极一定为负极。()【分析】不一定,如铝、镁和NaOH溶液构成的原电池,铝作原电池的负极,镁作原电池的正极。3.(2012江苏高考)Zn具有还原性和导电性,可用作锌锰干电池的负极材料。()【分析】电池的电极应能导电,负极上发生氧化反应。4.(2011江苏高考)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应。()【分析】铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。5.(2012海南高考)锌与稀硫酸反应时,要加大反应速率可滴加少量硫酸铜。()【分析】反应混
5、合物中加入硫酸铜之后,锌与硫酸铜反应生成铜单质,生成的铜与锌和稀硫酸形成原电池,从而加快反应速率。6.可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。()【分析】可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的,故不是可逆反应。考点 1原电池正负极的判断和电极反应式的书写1.原电池正、负极判断“四角度”2.电极反应式书写的步骤和规律(1)一般电极反应式书写的“三步骤”:(2)复杂电极反应式的书写:如CH4酸性燃料电池中,电极反应式为CH4+2O2=CO2+2H2O总反应式2O2+8H+8e-=4H2O正极反应式CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+负极反应式【高考警示】(1)负极本身不一定都参加反
6、应,如燃料电池中,作为负极的材料本身并不参加反应。(2)忽视电极材料与电解质溶液的反应关系,容易误写电极反应式,如Al负极,在酸性溶液中生成Al3+,在碱性溶液中生成(3)电子从负极经外电路流向正极,但电子不能通过电解液,是通过阴阳离子的移动形成闭合回路。(4)用总电池反应式减去一极的电极反应式时,须在两式电子转移数相等的前提下进行。【典例1】(2012福建高考)将如图所示实验装置的K闭合,下列判断正确的是()A.Cu电极上发生还原反应B.电子沿ZnabCu路径流动C.片刻后甲池中c(S )增大D.片刻后可观察到滤纸b点变红色【解题指南】解答本题时应明确以下4点:(1)甲和乙装置形成原电池作电
7、源,电解饱和硫酸钠溶液。(2)原电池的负极和电解池的阳极发生氧化反应。(3)阴离子分别移向原电池的负极和电解池的阳极。(4)电子在原电池中由负极移向正极,在电解池中由阳极移向阴极,但是不经过电解质溶液。【解析】选A。K闭合后,甲和乙装置通过盐桥形成原电池,Zn是负极,发生氧化反应,Cu是正极,发生还原反应,A选项正确;电子不经过溶液,B选项错误;在原电池中阴离子由正极移向负极,盐桥中的Cl-向甲池移动,K+向乙池移动,两池中的c(S )均不变,C选项错误;a是电解池的阴极,电极反应式为2H+2e-=H2,由于H+来自于水的电离,所以H+放电的同时溶液中产生了OH-,所以滤纸的a点变红,D选项错
8、误。【变式训练】(双选)(2011海南高考)根据图示,下列判断中正确的是()A.烧杯a中的溶液pH升高B.烧杯b中发生氧化反应C.烧杯a中发生的反应为2H+2e-=H2D.烧杯b中发生的反应为2Cl-2e-=Cl2【解析】选A、B。Zn比Fe活泼,所以Zn作负极,发生氧化反应,电极反应式为:Zn-2e-=Zn2+;Fe作正极,氧气在该电极上发生还原反应,电极反应式为:2H2O+O2+4e-=4OH-,反应后溶液pH升高。考点 2原电池工作原理的“四大应用”应用一: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
9、,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以断定金属活动性AB。应用二:加快化学反应速率由于形成了原电池,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Cu-Zn原电池,加快反应进行。应用三: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。应用四:设计制作化学电源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(负极就是失电子的物质,正
10、极用比负极活泼性差的金属即可,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)。但如果两个半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选择与电极材料相同的阳离子。如在Cu-Zn-硫酸构成的原电池中,负极Zn浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极Cu浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。(3)按要求画出原电池装置示意图:
11、如根据2Fe3+Cu=2Fe2+Cu2+设计原电池:负极:Cu-2e-=Cu2+,正极:2Fe3+2e-=2Fe2+。【高考警示】(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率,但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。(3)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以。【典例2】(2013芜湖模拟)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应:2Fe3+2I-2Fe2+I2,设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液,KI溶液;其他用品任选。请回
12、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。【解题指南】解答本题需要掌握以下2个关键点:(1)盐桥原电池的构成条件。(2)原电池原理。【解析】(1)先分析氧化还原反应,找出正负极反应,即可确定正负极区的电解质溶液。(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F
13、eCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。答案:(1)如下图(2)2I-2e-=I2(3)无(4)负【互动探究】(1)外电路电流为零时反应是否停止,速率为零?(2)该盐桥原电池反应达到平衡时,若向两个半电池中加入淀粉溶液,溶液变蓝的是正极区,还是负极区?提示:(1)反应达到平衡时,电流为零,该平衡是动态平衡,反应仍在进行。(2)2I-2e-=I2,碘在负极区生成,负极区溶液变蓝。1.各式各样电池的迅速发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是()A.手机上用的锂离子电池属于一次电池B.锌锰干电池中,锌电极是负极C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被还原D.太阳能
14、电池的主要材料为二氧化硅【解析】选B。手机上的电池可以充电,属于二次电池;锌锰干电池中锌失去电子生成Zn2+,故作为负极;氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化;太阳能电池的主要材料为硅。故A、C、D项错误,B项正确。2.一种充电电池放电时的电极反应为H2+2OH-2e-=2H2ONiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-当为电池充电时,与外电源正极连接的电极上发生的反应是()A.H2O的还原B.NiO(OH)的还原C.H2的氧化D.Ni(OH)2的氧化【解析】选D。由题意知,电池总反应为H2+2NiO(OH)2Ni(OH)2。可充电电池在充电时,实际上起一个电解池的作用,与外电源正极连
15、接的电极是阳极,发生氧化反应,与放电时的正极反应相反,可知Ni(OH)2在反应中失电子被氧化,发生氧化反应。放电充电3.(2013津南区模拟)锌汞电池又称罗宾电池。电解质溶液为KOH，放电时的总反应式可表示为：Zn+HgO=ZnO+Hg，下列有关该电池的说法正确的是()A.电池放电时，负极反应为Zn2+2e-=ZnB.电池充电时，阴极反应为HgO+H2O+2e-=Hg+2OH-C.电池放电时，电池正极附近区域K+浓度逐渐增大D.充电时电池上标有“+”的电极应与外接电源的负极相连【解析】选C。根据电池放电时的总反应可知：放电时电池的负极反应为Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O，A错误；充电是放
16、电的逆反应，阴极反应式为ZnO+H2O+2e-=Zn+2OH-，B错误；电池放电时，阳离子移向正极，C正确；充电时电池上标注有“+”的电极应与外接电源的正极相连，D错误。4.(2013东丽区模拟)美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁-过氧化氢燃料电池系统。电池总反应是Mg+H2O2+2H+=Mg2+2H2O,其工作原理如图所示。以下说法中错误的是()A.电池的负极反应为Mg-2e-=Mg2+B.电池工作时,H+向负极移动C.电池工作一段时间后,溶液的pH增大D.H2O2的还原产物为H2O【解析】选B。由电池总反应:Mg+H2O2+2H+=Mg2+2H2O可知:该电池的
17、负极反应为Mg-2e-=Mg2+,正极反应为H2O2+2H+2e-=2H2O,故A、D正确;电池工作时,H+应向正极移动,H+被消耗,pH变大,故B错误,C正确。5.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pH=1,则溶解铜的质量是g,溶液中的c(S )=molL-1。(3)若欲在如图所示的装置中发生(1)中的反应,请判断图中的正、负极,并选
18、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【解析】(1)Cu与Fe2(SO4)3反应生成CuSO4和FeSO4,可知离子方程式为Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+。(2)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pH=1,故c(H+)=c(Cu2+)=0.1 molL-1,故n(Cu2+)=0.1 molL-10.1 L=0.01 mol,溶解铜的质量为0.01 mol64 gmol-1=0.64 g;反应后溶液中的阳离子为Fe3+、Fe2+、Cu2+、H+,而Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+,可见Fe2+的
19、物质的量浓度为Cu2+的两倍,依据溶液中的电荷守恒规律,故0.1 molL-13+0.2 molL-12+0.1 molL-12+0.1 molL-11=c(S )2,解得c(S )=0.5 molL-1。答案:(1)Cu+2Fe3+=Cu2+2Fe2+(2)0.640.5(3)正、负极判断电极材料电极反应式X极负极铜Cu-2e-=Cu2+Y极正极碳2Fe3+2e-=2Fe2+1.(2012北京高考)人工光合作用能够借助太阳能,用CO2和H2O制备化学原料。下图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图,下列说法中不正确的是()A.该过程是将太阳能转化为化学能的过程B.催化剂a表面发生氧化反
20、应,有O2产生C.催化剂a附近酸性减弱,催化剂b附近酸性增强D.催化剂b表面的反应是CO2+2H+2e-=HCOOH【解析】选C。题中没有外加电源,应是原电池装置,由给出的反应物和生成物得出电池反应为2CO2+2H2O=2HCOOH+O2,再根据电子从a流向b,a为负极,电极反应式是2H2O-4e-=O2+4H+,由于产生H+,其附近酸性增强;b是正极,电极反应式是CO2+2H+2e-=HCOOH,由于消耗H+,其附近酸性减弱。2.(2012上海高考)右图装置中发生反应的离子方程式为Zn+2H+Zn2+H2,下列说法错误的是()A.a、b不可能是同种材料的电极B.该装置可能是电解池,电解质溶液
21、为稀盐酸C.该装置可能是原电池,电解质溶液为稀盐酸D.该装置可看作是铜-锌原电池,电解质溶液是稀硫酸【解析】选A。在反应方程式中金属锌发生氧化反应,它可能是原电池的负极,也可能是电解池的阳极,电解质溶液为酸溶液。3.(2012四川高考)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:CH3CH2OH-4e-+H2O=CH3COOH+4H+。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CH3CH2OH+O2=CH3COOH+H2OD.正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O=4
22、OH-【解析】选C。正极反应为O2+4H+4e-=2H2O,负极反应生成氢离子,正极上消耗氢离子,因此氢离子应该向正极移动;由正极反应式中的比例关系可知,每转移0.4 mol电子,反应掉氧气0.1 mol即2.24 L;将电池的正负极反应方程式相加即可得C项;在酸性条件下,OH-不共存,D错。4.(2011福建高考)研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法中不正确的是()A.水既是氧化剂又是溶剂B.放电时正极上有氢气生成C.放电时OH-向正极移动D.总反应为:2Li+2H2O=2LiO
23、H+H2【解析】选C。金属锂比铁活泼,作原电池的负极,电极反应式为:Li-e-=Li+,LiOH溶液中的阳离子有Li+和H+,由于氧化性H+Li+,所以正极反应是:2H+2e-=H2,由于H+来自于水的电离,所以H+放电的同时溶液中产生了OH-,即该反应的总反应为2Li+2H2O=2LiOH+H2,水既是氧化剂又是溶剂。在原电池的放电过程中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以OH-向负极移动,C选项错误。5.(2010广东高考)铜锌原电池工作时,下列叙述正确的是()A.正极反应为:Zn-2e-=Zn2+B.电池反应为:Zn+Cu2+=Zn2+CuC.在外电路中,电子从正极流向负极D.盐桥
24、中的K+移向ZnSO4溶液【解析】选B。Zn是原电池的负极,故A错;原电池总反应与没有形成原电池时的氧化还原反应相同,故B正确;根据闭合回路的电流方向,在外电路中,电流由正极流向负极,因电子流向与电流的方向相反,即电子由负极流向正极,故C错;在溶液中,阳离子向正极移动,故D错。6.(1)(2012海南高考节选)肼(N2H4)-空气燃料电池是一种碱性电池,该电池放电时,负极的反应式为。(2)(2012江苏高考节选)铝电池性能优越,Al-AgO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。【解析】(1)N2H4和O2反应生成N2和H2O,N2H4在负极上失电子结合OH-生成N2
25、和H2O。(2)原电池负极发生氧化反应(铝被氧化),正极发生还原反应(AgO被还原),结合电解质溶液可知,铝转化为偏铝酸钠。答案:(1)N2H4+4OH-4e-=4H2O+N2(2)2Al+3AgO+2NaOH=2NaAlO2+3Ag+H2O【反思提升】1.理解原电池工作原理要抓住闭合回路的形成正负极的电子得失;电子、电流的方向;电解质溶液或盐桥中离子的移动方向。2.判断原电池正负极准确把握四角度电极材料的活动性;电极反应的类型;电子、电流和离子的移动方向;电极反应所表现的现象。3.掌握电极反应书写式书写的方法思路(1)根据氧化还原方程式分析化合价变化,确定正负极。(2)根据化合价变化确定反应中得失的电子数。(3)分析电解质溶液的环境,分析有关物质是否参加电极反应。(4)利用电荷守恒最后进行配平。4.理解原电池应用的关键是深刻理解原电池的工作原理以及氧化还原反应的本质。
