1、第二讲 原电池 化学电源【真题速递】1.（2019.全国卷）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)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。A. 三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高B. 充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH(aq)eNiOOH(s)+H2O(l)C. 放电时负极反应为Zn(s)+2OH(aq)2eZnO(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
2、】D【解析】A、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；B、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)eNiOOH(s)H2O(l)，B正确；C、放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)2OH(aq)2eZnO(s)H2O(l)，C正确；D、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2.（2019.全国1卷）利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成
3、，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是A. 相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B. 阴极区，氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H+2MV+C. 正极区，固氮酶催化剂，N2发生还原反应生成NH3D. 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】由生物燃料电池的示意图可知，左室电极为燃料电池的负极，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+e= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H+2MV+；右室电极为燃料电池的正极，MV
4、2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2+e= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，反应的方程式为N2+6H+6MV+=6MV2+NH3，电池工作时，氢离子通过交换膜由负极向正极移动。A项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用MV+和MV2+的相互转化，化学能转化为电能，故可提供电能，故A正确；B项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+e= MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H+2MV+，故B错误；C项、右
5、室为正极区，MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+，电极反应式为MV2+e= MV+，放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+，故C正确；D项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故D正确。3.（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。A. 放电时，a电极反应为B. 放电时，溶液中离子的数目增大C. 充电时，b电极每增重，溶液中有被氧化D. 充电时，a电极接外电源负极【答案】D【解析】放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn-2eZn2，正极反应式为I2Br+
6、2e=2I+Br，充电时，阳极反应式为Br+2I-2e=I2Br、阴极反应式为Zn2+2e=Zn，放电时，只有阳离子能穿过交换膜，阴离子不能穿过交换膜，据此分析解答。A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为I2Br+2e=2I+Br，故A正确；B、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；C、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；D、充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误。4.(2018全国卷，11)一种
7、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=2Li(1)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(1)O22Li=Li2O2x。充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应，故充电时电池总反应为Li2O2x=2Li(1)O2，D项正确；该电池放电时，金属锂为负极
8、，多孔碳材料为正极，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。5.(2018全国卷，12)我国科学家研发了一种室温下“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，ClO向负极移动B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2C.放电时，正极反应为3CO24e=2COCD.充电时，正极反应为Nae=Na【答案】D【解析】根据电池的总反应
9、知，放电时负极反应：4Na4e=4Na正极反应：3CO24e=2COC充电时，阴(负)极：4Na4e=4Na阳(正)极：2COC4e=3CO2放电时，ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。【考纲解读】考点内容说明原电池 化学电源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。高考必考点之一，常以选择题的形式出现【知识梳理】一、原电池原理1概念和反应本质原电池是把 转化为 的装置，其反应本质是 。2构成条件(1)有能自发进行的 反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2) 不同
10、的两电极。(3)形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件： 溶液；两电极直接或间接接触；两电极插入 溶液中。3工作原理(以铜锌原电池为例)(1)反应原理(2)盐桥的组成和作用盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。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。二、化学电源1一次电池2二次电池铅蓄电池(电解质溶液为30%H2SO4溶液)(1)放电时的反应负极反应：Pb2eSO=PbSO4，正极反应：PbO22eSO4H=PbSO42H2O，总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。电解质溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。(2)
11、充电时的反应阴极反应：PbSO42e=PbSO，阳极反应：PbSO42H2O2e=PbO24HSO，总反应：2PbSO42H2OPbPbO22H2SO4。3燃料电池(1)氢氧燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。燃料电池的电极本身不参与反应，燃料和氧化剂连续地由 供给。(2)甲烷燃料电池碱性介质中：负极：CH48e10OH=CO7H2O，正极：2O28e4H2O=8OH，总反应：CH42O22KOH=K2CO33H2O。酸性介质中：负极：CH48e2H2O=CO28H，正极：2O28e8H=4H2O，总反应：CH42O2=CO22H2O。【答案】一、1化学能 电能 氧化还原反应 2(1)
12、氧化还原 (2)活泼性 (3)电解质电解质3(1)锌 铜 Zn2e-= Zn2+ Cu2+2e-= Cu 氧化 还原 锌 铜 铜 锌 负极 正极 K+ Cl Zn+ Cu2+ = Zn2+ + Cu 二、12(1)增大 3(1)外部【考点精讲】考点一、 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
13、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=Zn2Cu22e=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。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)。(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
14、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。【典例1】1.锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是()A.铜电极上发生氧化反应B.电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小C.电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加D.阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡【答案】C【解析】A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只
15、允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO)不变，错误；C项，在乙池中Cu22e=Cu，同时甲池中的Zn2通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2)M(Cu2)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。【知识建构】原电池的工作原理简图【典例2】2.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
16、【答案】B【解析】中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错；中电池总反应为2Al2NaOH2H2O=2NaAlO23H2，负极反应式为2Al8OH6e=2AlO4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O6e=6OH3H2，B正确；中Cu是正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH，D错。【归纳总结】1原电池的判断方法(1)先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。(2)然后依据原电池的形成条件分析判断，主要是“四看”：(3)多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最
17、大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。2判断原电池正、负极的五种方法【考点一精练】1下列示意图中能构成原电池的是()【答案】B【解析】Cu、C与稀硫酸不反应，A装置不能构成原电池；Al与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应，B装置能构成原电池；C装置中的“导线”不是盐桥，不能构成原电池；D装置中缺少盐桥。2某小组进行电化学研究，甲同学设计如图的原电池装置，乙同学利用甲设计的装置及提供的药品与材料，不能完成的实验是()A使甲同学的正极变为负极B设计一个新的原电池C在石墨电极上镀锌D使锌电极受到保护【答案】C【解析】A项，将铜与石墨相连，以AgNO3溶液作电解质，铜为负极，正确；B项，铝铜AgNO3溶液
18、、铝铜CuSO4溶液等均可以组成新的原电池，正确；C项，镀锌是电解池，错误；D项，锌、铝作电极，锌作正极，受到保护，正确。3按如图所示装置进行实验，下列说法不正确的是()A装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生B甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能C装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转D装置乙中负极的电极反应式：Zn2e=Zn2【答案】B【解析】装置甲中锌与稀硫酸发生氧化还原反应，生成氢气，产生气泡，装置乙中形成铜锌原电池，且锌作负极，铜作正极，正极上H得电子生成氢气，A项正确；装置甲中没有形成原电池，不存在化学能与电能的转化，B项错误；装置乙形成
19、了原电池，锌、铜之间用导线连接电流计，可观察到电流计指针发生偏转，C项正确；装置乙中负极的电极反应式为Zn2e=Zn2，D项正确。4如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A氧化剂和还原剂必须直接接触才能发生反应B电极上发生还原反应，作原电池的正极C该原电池的总反应式为：2Fe3Cu=Cu22Fe2D盐桥中装有含氯化钾的琼脂，K移向负极区【答案】C【解析】该原电池反应中氧化反应和还原反应在两个不同的烧杯中进行，因此氧化剂和还原剂没有直接接触，A项错误；B项，Cu电极为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为：Cu2e=Cu2，错误；D项，正极发生反应：2Fe32e=2Fe2，正电荷
20、数减小，K移向正极补充正电荷，错误。5(2016大连检测)电化学在日常生活中用途广泛，下图是镁次氯酸钠燃料电池，电池总反应为：MgClOH2O=ClMg(OH)2，下列说法不正确的是()A惰性电极上发生氧化反应B镁电极是该电池的负极C正极反应式为ClOH2O2e=Cl2OHD进料口加入NaClO溶液，出口流出的为NaCl溶液【答案】A【解析】由总反应可知镁发生氧化反应，“负氧正还原”，镁为负极，惰性电极上发生还原反应，A项错误，B项正确；负极反应为：Mg2e2OH=Mg(OH)2，正极反应为：ClO2eH2O=Cl2OH，C、D项正确。考点二、常见化学电源及工作原理1一次电池(1)碱性锌锰干电
21、池(图一)图一负极材料：Zn电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2正极材料：碳棒电极反应：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2(2)锌银电池(图二)图二负极材料：Zn电极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2正极材料：Ag2O电极反应：Ag2OH2O2e=2Ag2OH总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag2二次电池(1)铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)2H2O(l) (2).图解二次电池的充放电(3).二次电池的充放电规律充电时电极的连接：充电的目的是使
22、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。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、“高效、环境友好”的燃料电池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=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24e4H=2H2OO22H2O4e=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
23、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，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应【典例1】1铅蓄电池的工作原理为：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O，研读下图，下列判断正确的是()AK闭合时，d电极的电极反应式：PbSO42e=PbSOB当电路中通过0.2 mol电子时，中消耗的H2SO4为0.2 molCK闭合时，中SO向c电极迁移DK闭合一段时间后，可单独作为原电池，d电极为负极【答案】B【解析】根据图示，K闭合时，为原电池，a为正极，b为负极，为电解池，c为阴极
24、，d为阳极。d为阳极，发生氧化反应：PbSO42e2H2O=PbO24HSO，A项错误；根据铅蓄电池的总反应知，电路中转移0.2 mol电子时，中消耗0.2 mol H2SO4，B项正确；K闭合时，中SO向阳极(d极)迁移，C项错误；K闭合一段时间后，c电极析出Pb，d电极析出PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，此时可以形成铅蓄电池，d电极作正极，D项错误。【典例2】 2.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)酸性条件总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。(2)碱性条件总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式： 。(3)固体电解质(高温下能传导O2)总反应
25、式： ；正极反应式：_；负极反应式：_。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。【答案】【规律总结】化学电源电极反应式的书写书写电极反应式时，首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极，然后结合电解质溶液的环境确定电极产物，最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有：(1)拆分法写出原电池的总反应，如2Fe3Cu=2Fe2Cu2。把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应：正极：2Fe32e=2Fe2负极：Cu2e=Cu2(2)加减法写出总反应，如LiL
26、iMn2O4=Li2Mn2O4。写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)，如Lie=Li(负极)。利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4Lie=Li2Mn2O4(正极)。【考点二精练】1由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池，以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质，铝和二氧化锰石墨为两极，其电池反应为Al3MnO23H2O=3MnO(OH)Al(OH)3。下列有关该电池放电时的说法不正确的是()A二氧化锰石墨为电池正极B负极反应式为Al3e3NH3H2O=Al(OH)33NHCOH不断由负极向正极移动D每生成1 mol MnO(OH)转移1 m
27、ol电子【答案】C【解析】由电池反应方程式知，铝为电池负极，铝失去电子转化为Al(OH)3，A、B正确；阴离子移向负极，C错误；由反应中锰元素价态变化知D正确。2.普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn2NH2MnO2=Zn(NH3)22Mn2O3H2O。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是()A.当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原B.电池负极反应式为2MnO22NH2
28、e=Mn2O32NH3H2OC.原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极D.外电路中每通过0.1 mol电子，锌的质量理论上减小6.5 g【答案】C【解析】普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1 mol电子，消耗锌的质量是65 gmol1 3.25 g，D项错误。3.LiFeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4LiFeS2=Fe2Li2S。下列说法正确的是()A.Li为电池的正极B.电池工作时，Li向负极移动C.正极的电极反应式为FeS24e=Fe2S2D
29、.将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好【答案】C【解析】A项，由发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li)移向正极；D项，由于2Li2H2O=2LiOHH2，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。4电池在现代社会中具有极其广泛的应用。(1)银锌蓄电池是人造卫星所使用的高能电池之一，其放电时的反应是ZnAg2O=ZnO2Ag。则该电池的负极材料是_，放电时正极的电极反应式为_，放电时负极区的pH_(填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)某氢氧燃料电池用固体金属化合物陶瓷作电解质(可电离出金属离子和O2)，两极上发生的反应为A极：2H22O24e=
30、2H2O；B极：_。电子流动的方向是_；假设该燃料电池工作时，每生成1 mol H2O(l)时产生的最大电能为240 kJ，则该电池的能量转化效率为_(H2的燃烧热为285 kJmol1，最大电能与所能释放出的全部热量之比)。【答案】(1)锌Ag2OH2O2e=2Ag2OH减小(2)O24e=2O2由A极流向B极84.2%【解析】 (1)由总反应式知锌是负极，电极反应为Zn2e2OH=ZnOH2O，故负极区的pH减小。(2)该燃料电池中，因A极上发生的是失去电子的反应，故B极上是氧气得到电子变成O2的反应，工作过程中A极失去电子而B极得到电子。能量转化效率为100%84.2 %。5科学家设计出
31、质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法不正确的是()A电极a为电池的负极B电极b上发生的电极反应为O24H4e=2H2OC电路中每流过4 mol电子，在正极消耗44.8 L H2SD每17 g H2S参与反应，有1 mol H经质子膜进入正极区【答案】C【解析】电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，则电极a为电池的负极，A项正确；电极b上O2转化为H2O，电极反应式为O24H4e=2H2O，B项正确；负极反应式为2H2S4e=S24H，电路中每流过4 mol电子，在负极消耗2 mol H2S，而不是正极，且题中未指明H2S所处的状态，C项错误；根据2H2S4e=S24H知，17 g(0.5 mol)H2S参与反应，生成1 mol H经质子膜进入正极区，D项正确。19
