第六章化學反應與能量第18講原電池化學電源（精講）【考情分析】原電池的內容是高考的常考知識點之一，常以選擇題的形式考查原電池的工作原理，如判斷電極反應式和電池反應方程式的正誤，電子或陰陽離子的移向，及依據電極反應式判斷電極及電解質溶液中的現象；以填空題的形式考查新型原電池電極反應式和電池反應式的書寫。【核心素養分析】1.變化觀念與平衡思想：認識原電池反應的本質是自發的氧化還原反應；能多角度、動態地分析原電池中物質的變化及能量的轉換。2.證據推理與模型認知：能利用典型的原電池裝置，分析原電池原理，建立解答原電池問題的思維模型，并利用模型揭示其本質及規律。3.科學態度與社會責任：具有可持續發展意識和綠色化學觀念，能對與原電池有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷與分析。【網絡構建】【知識梳理】智能點一原電池的工作原理及應用1.概念和反應本質原電池是把化學能轉化為電能的裝置，其反應本質是自發進行的氧化還原反應。2.構成條件(1)一看反應：看是否有能自發進行的氧化還原反應發生(一般是活潑性強的金屬與電解質溶液反應)。(2)二看兩電極：一般是活潑性不同的兩電極。(3)三看是否形成閉合回路，形成閉合回路需三個條件：①電解質溶液；②兩電極直接或間接接觸；③兩電極插入電解質溶液中。3.工作原理以鋅銅原電池為例(1)反應原理①電子移動方向：鋅失電子逐漸溶解變成Zn2＋進入溶液，電子從負極經導線流入正極。②離子移動方向：陰離子向負極移動(如SOeq\o\al(2－,4))，陽離子向正極移動(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正極上得電子形成氫氣在銅片上冒出)。③兩極電極反應式負極(鋅極)：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反應)。正極(銅極)：2H＋＋2e－=H2(還原反應)。總反應：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。(2)單液原電池和雙液原電池對比比較項目單液原電池雙液原電池相同點正負極，電極反應，總反應式，電極現象不同點能量變化化學能轉化為電能和熱能化學能只轉化為電能反應區域兩極反應在相同區域兩極反應在不同區域(3)雙液原電池中鹽橋的組成和作用①鹽橋中裝有飽和的KCl、KNO3等溶液和瓊膠制成的膠凍。②鹽橋中離子移向：鹽橋含飽和KCl（KNO3）溶液，K＋移向正極，Cl－（NO3－）移向負極③鹽橋的作用：a.連接內電路，形成閉合回路；b.平衡電荷，使原電池不斷產生電流。4.原電池原理的應用(1)比較金屬的活動性強弱：原電池中，負極一般是活動性較強的金屬，正極一般是活動性較弱的金屬(或非金屬)。(2)加快化學反應速率：一個自發進行的氧化還原反應，形成原電池時會使反應速率增大。如在Zn與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液構成原電池，反應速率增大。(3)用于金屬的防護：使被保護的金屬制品作原電池正極而得到保護。如要保護一個鐵質的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負極。(4)設計制作化學電源①拆分反應：將氧化還原反應分成兩個半反應。②選擇電極材料：將還原劑（一般為比較活潑的金屬）作負極，活潑性比負極弱的金屬或非金屬導體作正極。如果還原劑不是金屬而是其它還原性物質，可選擇惰性電極——石墨棒、鉑片作負極。③構成閉合回路：電解質溶液一般要能夠與負極發生反應，或者電解質溶液中溶解的其他物質能與負極發生反應(如溶解于溶液中的空氣)。如果兩個半反應分別在兩個容器進行（中間連接鹽橋），則兩個容器中的電解質溶液應含有與電極材料相同的金屬的陽離子。④畫裝置圖：結合要求及反應特點，畫出原電池裝置圖，標出電極材料名稱、正負極、電解質溶液等。智能點二常見化學電源及工作原理1．化學電源的優點和優劣判斷標準(1)相對其他能源，電池的優點是能量轉換效率較高，供能穩定可靠，形狀、大小可根據需要設計，使用方便等。(2)判斷電池優劣的標準是電池單位質量或單位體積所能輸出的比能量或比功率及可儲存時間的長短。2．日常生活中的幾種電池(1)堿性鋅錳干電池——一次電池正極反應：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；負極反應：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)銀鋅電池——一次電池負極反應：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正極反應：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；總反應：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。(3)鋰電池——一次電池Li－SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4－SOCl2。電池的總反應可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①負極材料為鋰，電極反應為8Li－8e－===8Li＋。②正極的電極反應為3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－。(4)二次電池(可充電電池)：放電后能充電復原繼續使用鉛蓄電池是最常見的二次電池，負極材料是Pb，正極材料是PbO2。①放電時的反應a．負極反應：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4；b．正極反應：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O；c．總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。②充電時的反應a．陰極反應：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；b．陽極反應：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；c．總反應：2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋2H2SO4。注：可逆電池的充、放電不能理解為可逆反應。3.圖解二次電池的充放電4.二次電池的充放電規律(1)充電時電極的連接：充電的目的是使電池恢復其供電能力，因此負極應與電源的負極相連以獲得電子，可簡記為負接負后作陰極，正接正后作陽極。(2)工作時的電極反應式：同一電極上的電極反應式，在充電與放電時，形式上恰好是相反的；同一電極周圍的溶液，充電與放電時pH的變化趨勢也恰好相反。5.“高效、環境友好”的燃料電池（1）氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分為酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負極反應式2H2－4e－=4H＋2H2＋4OH－－4e－=4H2O正極反應式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－電池總反應式2H2＋O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應，有很強的催化活性，起導電作用（2）甲烷燃料電池①酸性介質(如H2SO4)或傳導質子（H＋）固體介質總反應式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負極反應式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋。正極反應式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O。②堿性介質(如KOH)總反應式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。負極反應式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正極反應式：2O2＋8e－＋4H2O=8OH－。③熔融鹽介質(如K2CO3)總反應式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負極反應式：CH4－8e－＋4CO32-=5CO2＋2H2O。正極反應式：2O2＋8e－＋4CO2=4CO32-。④用能傳導氧離子(O2-)的固體作介質總反應式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負極反應式：CH4－8e－＋4O2-=CO2＋2H2O。正極反應式：2O2＋8e－=4O2-。（3）解答燃料電池題目的思維模型（4）解答燃料電池題目的幾個關鍵點①要注意介質是什么？是電解質溶液還是熔融鹽或氧化物。②通入負極的物質為燃料，通入正極的物質為氧氣。③通過介質中離子的移動方向，可判斷電池的正負極，同時考慮該離子參與靠近一極的電極反應。6.化學電源中電極反應式書寫的一般方法(1)明確兩極的反應物；(2)明確直接產物：根據負極氧化、正極還原，明確兩極的直接產物；(3)確定最終產物：根據介質環境和共存原則，找出參與的介質粒子，確定最終產物；(4)配平：根據電荷守恒、原子守恒配平電極反應式。注意：①H＋在堿性環境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性環境中結合H＋，生成H2O，在中性或堿性環境結合H2O，生成OH－；③若已知總反應式時，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎上，總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得到較難寫出的另一極的電極反應式。【典例剖析】高頻考點1考查原電池原理例1.(2020·陜西榆林一模)電化學氣敏傳感器可用于監測環境中NH3的含量，其工作原理示意圖如圖所示。下列說法正確的是()A．b電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．溶液中OH－向電極b移動C．NH3的還原產物為N2D．電流方向：由a經外電路到b【解析】由圖中信息可知，a電極上NH3失去電子生成N2，為負極，電極反應式為2NH3－6e－＋6OH－=N2＋6H2O；b電極作正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－；N2為氧化產物；OH－由b極移向a極；電流由b經外電路到a。故選A。【答案】A【名師歸納】原電池的工作原理簡圖注意：①若有鹽橋，鹽橋中的陰離子移向負極區，陽離子移向正極區。②若有交換膜，離子可選擇性通過交換膜，如陽離子交換膜，陽離子可通過交換膜移向正極。【變式訓練】（2020·河北唐山模擬）根據下圖，下列判斷中正確的是()A.燒杯a中的溶液pH降低B.燒杯b中發生氧化反應C.燒杯a中發生的反應為2H＋＋2e－===H2↑D.燒杯b中發生的反應為2Cl－－2e－===Cl2↑【解析】由題給原電池裝置可知，電子經過導線，由Zn電極流向Fe電極，則O2在Fe電極發生還原反應：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，燒杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高；燒杯b中，Zn發生氧化反應：Zn－2e－===Zn2＋。【答案】B高頻考點2考查原電池正、負極的判斷例2.分析下圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是()A．①②中Mg作負極，③④中Fe作負極B．②中Mg作正極，電極反應式為6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．③中Fe作負極，電極反應式為Fe－2e－=Fe2＋D．④中Cu作正極，電極反應式為2H＋＋2e－=H2↑【解析】②中Mg不與NaOH溶液反應，而Al能和NaOH溶液反應失去電子，故Al是負極；③中Fe在濃硝酸中鈍化，Cu和濃HNO3反應失去電子作負極，A、C錯誤；②中電池總反應為2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑，負極反應式為2Al＋8OH－－6e－=2AlOeq\o\al(－,2)＋4H2O，二者相減得到正極反應式為6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑，B正確；④中Cu是正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－，D錯誤。【答案】B【題后歸納】判斷原電池正、負極的5種方法說明：原電池的正極和負極與電極材料的性質有關，也與電解質溶液有關，不要形成活潑電極一定作負極的思維定勢。【變式訓練】觀察如圖所示裝置，可發現電流計指針偏轉，M棒變粗，N棒變細。表中所列的M、N、P對應物質可構成該裝置的是選項MNPA鋅銅稀硫酸B銅鐵稀鹽酸C銀鋅硝酸銀溶液D鋅鐵硝酸鐵溶液A．A B．B C．C D．D【解析】該裝置沒有外接電源，是原電池裝置。原電池中，負極材料比正極材料活潑，且負極材料是隨著反應的進行質量逐漸減少，正極質量增加或放出氣泡。根據題意知，N極是負極，M是正極，且N極材料比M極活潑。A．鋅比銅活潑，即M極材料比N極活潑，不符合題意，故A不選；B．M極上放出氫氣，M棒不會變粗，故B不選；C．鋅比銀活潑，即N極材料比M極活潑，且M極上有銀析出，M棒變粗，鋅逐漸溶解，N棒變細，符合題意，故C選；D．鋅比鐵活潑，即M極材料比N極活潑，不符合題意，故D不選；故選C。【答案】C高頻考點3考查原電池原理的應用例3．A、B、C、D都是金屬，把C浸入A的硫酸鹽溶液中，C的表面有A析出；A與D組成原電池時，A質量減少；B與D構成原電池時，電子是從D經導線流向B。A、B、C、D四種金屬的活動性順序為A．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>D>B D．C>D>B>A【解析】C能置換出A，故活潑性C>A；A質量減少，A為負極，活潑性A>D；電子D經導線流向B，電子是從負極流向正極，活潑性D>B，金屬活潑型綜合為C>A>D>B。故選C。【答案】C【題后歸納】利用原電池原理比較A、B兩種金屬活潑性的方法：將A、B兩種金屬用導線連接后，插入到稀硫酸中，一段時間后，若觀察到A溶解，而B上有氣體放出，則說明A作負極，B作正極，即可以斷定金屬活潑性A>B。【變式訓練1】現有A、B、C、D四種金屬片：①把A、B用導線連接后同時浸入稀硫酸中，B表面逐漸溶解；②把C、D用導線連接后同時浸入稀硫酸中，C發生氧化反應；③把A、C用導線連接后同時浸入稀硫酸中，電子流動方向為A→導線→C根據上述情況，下列說法中正確的是A．在①中，金屬片B發生還原反應B．在②中，金屬片C作正極C．上述四種金屬的活動性由強到弱的順序是：A>B>C>DD．如果把B、D用導線連接后同時漫入稀硫酸中，則金屬片D上有氣泡產生【解析】在①中，B表面逐漸溶解，則B作負極，A作正極；在②中，C發生氧化反應，則C作負極，D作正極；在③中，電子流動方向為A→導線→C，則A作負極，C作正極。A．①把A、B用導線連接后同時浸入稀硫酸中，B表面變黑并逐漸溶解；則活動性B>A，B發生氧化反應，A錯誤；B．在②中，由于金屬片C發生氧化反應，所以C作負極，B錯誤；C．②把C、D用導線連接后同時浸入稀硫酸中，C發生氧化反應；則活動性C>D；③把A、C用導線連接后同時浸入稀硫酸中，電子流動方向為A→導線→C，則活動性A>C，所以四種金屬活動性由強到弱的順序是：B>A>C>D，C錯誤；D．如果把B、D用導線連接后同時浸入稀硫酸中，由于活動性B>D，則金屬片D作正極，在D上氫離子得到電子產生氫氣，所以有氣泡產生，D正確；答案選D。【答案】D【變式訓練2】（加快氧化還原反應速率）把適合題意的圖像填在橫線上(用A、B、C、D表示)(1)將等質量的兩份鋅粉a、b分別加入過量的稀硫酸，同時向a中加入少量的CuSO4溶液，產生H2的體積V(L)與時間t(min)的關系是________。(2)將過量的兩份鋅粉a、b分別加入定量的稀硫酸，同時向a中加入少量的CuSO4溶液，產生H2的體積V(L)與時間t(min)的關系是________。(3)將(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他條件不變，則圖像是________。【解析】(1)a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原電池，反應速率加快，所以a放出H2的量減少，但速率加快。(2)a中加入CuSO4消耗Zn，但不影響產生H2的量，速率也加快。(3)CH3COONa與H2SO4反應后生成弱酸CH3COOH，從而減慢反應速率，但產生H2的量沒發生變化。【答案】(1)A(2)B(3)C高頻考點4考查可充電電池（二次電池）例4.（2020·新課標Ⅰ）科學家近年發明了一種新型Zn?CO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是A.放電時，負極反應為B.放電時，1molCO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2molC.充電時，電池總反應為D.充電時，正極溶液中OH?濃度升高【解析】由題可知，放電時，CO2轉化為HCOOH，即CO2發生還原反應，故放電時右側電極為正極，左側電極為負極，Zn發生氧化反應生成；充電時，右側為陽極，H2O發生氧化反應生成O2，左側為陰極，發生還原反應生成Zn，以此分析解答。放電時，負極上Zn發生氧化反應，電極反應式為：，故A正確；放電時，CO2轉化為HCOOH，C元素化合價降低2，則1molCO2轉化為HCOOH時，轉移電子數為2mol，故B正確；充電時，陽極上H2O轉化為O2，負極上轉化為Zn，電池總反應為：，故C正確；充電時，正極即為陽極，電極反應式為：，溶液中H+濃度增大，溶液中c(H+)?c(OH-)=KW，溫度不變時，KW不變，因此溶液中OH-濃度降低，故D錯誤。【答案】D【題后歸納】可充電電池的思維模型因此，充電時電極的連接可簡記為“負接負后作陰極，正接正后作陽極”。【變式訓練】“天宮一號”飛行器在太空工作期間必須有源源不斷的電源供應。其供電原理是：白天太陽能帆板發電，將一部分電量直接供給天宮一號，另一部分電量儲存在鎳氫電池里，供黑夜時使用。如圖為鎳氫電池構造示意圖(氫化物電極為儲氫金屬，可看做H2直接參加反應)。下列說法正確的是A．充電時陰極區電解質溶液pH降低B．充電時陽極反應為Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2OC．放電時NiOOH在電極上發生氧化反應D．在使用過程中此電池要不斷補充水【解析】A．充電時陰極是水得到電子，生成OH-和氫氣，所以溶液的pH增大，故A錯誤；B．陽極是得到電子的，所以充電時陽極反應為Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2O，故B正確；C．放電氫氣在負極失去電子，發生氧化反應，NiOOH在正極得到電子，發生還原反應，故C錯誤；D．在反應中水是循環利用的，所以不需要補充水，故D錯誤；故選B。【答案】B高頻考點5考查新型電源（新型燃料電池）例5.（2021·內蒙古高三一模）一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池，其工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是

A．電池工作時，將太陽能轉化為電能B．X電極為電池的負極C．Y電極發生的電極反應為+2e-=3I-D．當電池工作從開始到結束時，電解質溶液中I-和的濃度分別會發生很大變化【解析】A．電池工作時，太陽光使Ru(II)失電子轉化為Ru(III)，發