2020版高考化学一轮复习第六章第二节原电池化学电源课件新人教版.pptx

第二节 原电池 化学电源,考向一 原电池的工作原理 【通考点融会贯通】 1.原电池原理示意图,2.原电池的判断方法 (1)有无外接电源。 有外接电源为电解池,无外接电源的可能为原电池,再依据原电池的形成条件分析判断,主要是“四看”:,看电极两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池的电极一般为惰性电极); 看溶液两极插入溶液中; 看回路形成闭合回路或两极直接接触; 看本质有无氧化还原反应发生。,(2)多池相连。 无外接电源时,两极活泼性差异最大的一池为原电池,其他各池可看作电解池。,【通考题触类旁通】 1.(2019武汉模拟)某原电池结构如图所示,下列有关该原电池的说法正确的是 ( ),A.碳棒是负极,铁片是正极 B.放电时,铁片上有铜析出,碳棒逐渐溶解 C.正极反应式为:Cu2+2e-=Cu D.放电时,电子流向:C电流表Fe,【解析】选C。Fe易失电子作负极、C作正极,故A错误;放电时,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,则铁逐渐溶解,正极反应式为:Cu2+2e-=Cu,则碳棒上有铜析出,故B错误;放电时,正极反应式为:Cu2+2e-=Cu,故C正确;放电时,电子从负极沿导线流向正极,则电子流向为:Fe电流表C,故D错误。,2.(2019长沙模拟)分析如图所示的四个原电池装置,下列结论正确的是 ( ),A.中Mg作负极,中Fe作负极 B.中Mg作正极,电极反应式为:6H2O+6e-=6OH-+ 3H2 C.中Fe作负极 D.中Cu作正极,电极反应式为:2H+2e-=H2,【解析】选B。电解质溶液不同会导致两极反应发生改变。当稀硫酸作电解质溶液时,Mg作负极(活动性MgAl);当NaOH溶液作电解质溶液时,Al作负极(Mg不与NaOH溶液反应);中Cu作负极,反应式为:Cu-2e- =Cu2+,Fe作正极,因为常温下,Fe遇浓硝酸发生钝化;中Cu作正极,电极反应式为:2H2O+O2+4e-=4OH-。,3.在如图所示的装置中,a的金属活动性比氢要强,b为碳棒,下列关于此装置的叙述不正确的是 ( ),A.碳棒上有气体放出,溶液pH变大 B.a是正极,b是负极 C.导线中有电子流动,电子从a极经导线流向b极 D.a极上发生了氧化反应,【解析】选B。电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原 电池。因活动性ab(碳棒)且aH,所以a为电池的负 极,b为正极。电极反应式: a(负)极:a-ne-=an+(氧化反应) b(正)极:nH+ne-= H2(还原反应),由于正极消耗H+,溶液中c(H+)减小,pH增大。在外电路中,电子由a极流出经电流表流向b极。,4.如图所示,烧杯内盛有浓HNO3,在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极,已知原电池停止工作时,Fe、Pb都有剩余。下列有关说法正确的是 ( ),A.Fe比Pb活泼,始终作负极 B.Fe在浓HNO3中钝化,始终不会溶解 C.电池停止工作时,烧杯中生成了Fe(NO3)3 D.利用浓HNO3作电解质溶液不符合“绿色化学”思想,【解析】选D。开始时,电解质溶液是浓HNO3,Fe在浓 HNO3中钝化,所以开始时Pb是负极:Pb-2e-=Pb2+;随 着反应的进行,浓HNO3变成稀HNO3,Fe变为原电池的负 极:Fe-2e-=Fe2+。由于最终Fe有剩余,所以不会生 成Fe(NO3)3。根据Pb与浓HNO3反应:Pb+4HNO3(浓)= Pb(NO3)2+2NO2+2H2O,过量的Fe与稀HNO3发生反应:,3Fe+8HNO3(稀)=3Fe(NO3)2+2NO+4H2O,可知反应产生了有害气体NO2、NO,会污染环境,不符合“绿色化学”思想。故选D。,【加固训练】 水泥在固化过程中自由水分子减少并形成碱性溶液。根据这一物理化学特点,科学家发明了电动势法测水泥的初凝时间。此法的原理如图所示,反应的总方程式为2Cu+Ag2O=Cu2O+2Ag。下列有关说法正确的是 ( ),A.负极材料是银 B.负极的电极反应式为:2Cu+2OH-2e-=Cu2O+H2O C.测量原理示意图中,电流方向从Cu经过导线流向Ag2O D.电池工作时,溶液中OH-向正极移动,【解析】选B。在氧化还原反应中还原剂是铜,故铜作负极,A错误;由反应的总方程式可判断Cu为负极、Ag2O为正极,负极的电极反应式为:2Cu+2OH-2e-= Cu2O+H2O,电流方向从Ag2O经过导线流向Cu,B正确、C错误;电池工作时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,D错误。,考向二 原电池原理的应用 【通考点融会贯通】 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。如要防止一个铁质的输水管道不被腐蚀,可用导线将其与一块锌块相连,锌块作原电池的负极。,4.设计原电池的原则 (1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应。 (2)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,一般选用不活泼金属Pt或石墨。,【通考题触类旁通】 1.某原电池的总反应的离子方程式是:Zn+ = +Cu,则该反应的原电池组成正确的是 ( ),【解析】选B。根据原电池中发生的化学反应,负极反应为:Zn-2e-=Zn2+,正极反应为:Cu2+2e-=Cu。故选项B符合题意。,2.把a、b、c、d四块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连可以组成几个原电池。若a、b 相连时a负极;c、d相连时电流由d到c;a、c相连时c极上产生大量气泡;b、d相连时b上有大量气泡产生,则四种金属的活动性顺序由强到弱为 ( ),A.abcd B.acdb C.cabd D.bdca,【解析】选B。本题考查原电池。原电池中,活泼金属作负极,失去电子,溶解。a、b相连时a为负极,ab; c、d相连时电流由d到c,c为负极,cd;a、c相连时,c极上产生大量气泡,c作正极,ac;b、d相连时,b上有大量气泡产生,b为正极,db,综上:acdb,故选B。,【加固训练】 某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池:2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4=2MnSO4+5Fe2(SO4)3 +K2SO4+8H2O。盐桥中装有饱和K2SO4溶液,下列叙述中正确的是 ( ),A.乙烧杯中发生还原反应 B.甲烧杯中溶液的pH逐渐减小 C.电池工作时,盐桥中的 移向甲烧杯 D.外电路的电流方向是从a到b,【解析】选D。本题考查原电池的工作原理,意在考查 学生对原电池工作原理的理解能力。乙烧杯中发生氧 化反应:Fe2+-e-=Fe3+,A项错误;甲烧杯中发生还原 反应: +8H+5e-=Mn2+4H2O,c(H+)减小,pH增 大,B项错误;电池工作时,乙烧杯中正电荷增多, 移向乙烧杯,C项错误;外电路的电流方向是从正极(a) 到负极(b),D项正确。,考向三 化学电源 【通考点融会贯通】 1.二次电池,(1)放电时为原电池,充电时为电解池。 (2)充电时电极的连接: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。 (3)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。,2.燃料电池,(1)要注意介质的类别:电解质溶液或熔融盐或氧化物。 (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。,【通考法一通百通】 巧用氧化还原反应电子得失书写电极反应式 1.根据题给电池书写反应方程式 (1)给出总方程式,要求写电极反应式,先分析所给总反应方程式中反应物得失电子的数目,有时还要考虑电极反应生成的物质是否与电解质溶液中的离子发生反应。对于较为复杂的电极反应,可以利用“总反应离子方程式减去较简单一极电极反应式既得另一电极反应式”。,对于充电电池的电极反应式的书写,先判断电池放电时的正、负极,根据电池充电时阳极接正极,阴极接负极的原理,将电池放电时负极反应反着写,则为充电时阴极的反应式,而正极反应式反着写为充电时的阳极反应式。,电极反应式在书写时,结合介质环境和电荷守恒,补充适当的微粒,如酸性为H+和H2O、碱性为OH-和H2O(注意各种介质中可以出现的微粒形式)。,(2)题目中有明确两个半电池的电极反应式书写 分析半电池中元素化合价的变化,找出升高和降低的元素,标出电子转移的数目 根据电子得失和守恒的原则,书写配平电极反应式,2.根据题意文字叙述书写 (1)首先根据题干信息,分析所规定的产物形式 (2)然后找出所规定的产物是在阳极、阴极中的哪一极生成 (3)根据氧化还原反应中电子得失写出电极反应式,【通考题触类旁通】 角度1 一次电池 1.(2019银川模拟)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Zn+2 +2MnO2 =Zn(NH3)22+Mn2O3+H2O。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2MnO2+2 +2e-=Mn2O3+2NH3 +H2O C.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,【解析】选C。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,电 极反应式为Zn-2e-=Zn2+,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 gmol-1 =3.25 g,D项错误。,2.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,Li+ 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_(填字母,下同)极流向_极。 (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_ _。,【解析】(1)结合所给装置图以及原电池反应原理,可知Li作负极材料,MnO2作正极材料,所以电子流向是从ab,那么电流方向则是ba。 (2)根据题目中的信息“电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中,Li+ 通过电解质迁移入MnO2晶格中,生成LiMnO2”,所以正极的电极反应式为MnO2+e-+Li+= LiMnO2。,(3)因为负极的电极材料Li是活泼的金属,能够与水发生反应,故不能用水代替电池中的混合有机溶剂。,答案:(1)b a (2)MnO2+e-+Li+=LiMnO2 (3)否 电极Li是活泼金属,能与水反应,角度2 燃料电池 3.(2019莆田模拟)一种以引火性高的联氨(N2H4)为燃料的环保电池,工作时产生稳定无污染的物质,原理如图所示。下列说法正确的是 ( ),A.N极为电源负极,联氨从c口通入 B.负极上每消耗1 mol N2H4,转移6 mol电子 C.正极的电极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH- D.可将联氨改进为引火性低、稳定性好的N2H4H2O,【解析】选D。A.H+移向N极,则N极为电源正极,联氨应从b口通入,故A错误;B.原电池中负极发生氧化反应,正极发生还原反应,负极反应为:N2H4-4e-=4H+N2,负极上每消耗1 mol N2H4,转移4 mol电子,故B错误;C.电解质溶液呈酸性,正极反应有氢离子参加,正确的电极反应式为:O2+4H+4e-=2H2O,故C错误;D.可将联氨改进为引火性低、稳定性好的N2H4H2O,故D正确。,4.锌-空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电 解质溶液为KOH溶液,反应为:2Zn+O2+4OH-+2H2O= 2 。下列说法正确的是 ( ) A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动 B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小 C.放电时,负极反应为:Zn+4OH-2e-=,D.放电时,电路中通过2 mol电子,消耗氧气22.4 L(标准状况),【解析】选C。A项,充电时装置为电解池,溶液中的阳 离子向阴极移动。B项,充电时的总反应为放电时的逆 反应:2 =2Zn+O2+4OH-+2H2O,c(OH-)逐渐 增大。C项,放电时负极失电子发生氧化反应,由放电 时的总反应可知,负极反应式为:Zn+4OH-2e-= 。D项,由放电时的总反应可知,电路中通过,2 mol电子时,消耗0.5 mol O2,其体积为11.2 L(标准状况)。,角度3 可充电电池 5.(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 (x=0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: =2Li+(1- )O2,【解析】选D。结合题中所给信息及装置图,可知放电 时Li作负极,负极反应为:2Li-2e- =2Li+,多孔碳材 料作正极,正极反应为:(1- )O2+2Li+2e-=Li2O2-x, 故A错误;B项放电时外电路电子从Li电极流向多孔碳 材料,故B错误;C项充电时多孔碳材料作阳极,Li+应移 向锂电极,故C错误;D项结合放电时的正负极反应式可 知正确。,6.(2019济南模拟)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载电池,对该电池充电时,阳极的电极反应式为:Li2S+Fe-2e-=2Li+FeS。下列有关该电池的说法中,正确的是 ( ) A.化合物LiAl具有强还原性,作负极材料,B.为了延长电池的使用寿命,可以隔一段时间添加含电解质的水溶液 C.放电时,该电池的总反应式为:2Li+FeS=Li2S+Fe D.放电时,当电路中通过0.1 mol电子时,有0.1 mol Li+向LiAl移动,【解析】选C。Li和Al都属于金属,所以LiAl应该属于合金而不是化合物,故A错误;Li是第A族活泼金属,与水剧烈反应,不能加水溶液,故B错误;根据电解时阳极反应得正极反应2Li+FeS+2e-=Li2S+Fe与负极反应2Li-2e-=2Li+相加可得电池反应式为:2Li+FeS =Li2S+Fe,故C正确;根据C中分析的电极反应,Li+在正极消耗,故Li+移向正极,LiAl为负极,故D错误。,角度4 新型化学电源 7.(新题预测)镍钴锰三元材料是近年来开发的一类新 型锂离子电池正极材料,具有容量高、循环稳定性 好、成本适中等重要优点。镍钴锰三元材料中Ni为主 要活泼元素,通常可以表示为:LiNiaCobMncO2,其中 a+b+c=1,可简写为LiAO2。放电时总反应为LiAO2+,nC=Li1-xAO2 + LixCn(0x1),工作原理如图所示,则以下说法错误的是 ( ),A.放电时Ni最先失去电子 B.放电时电子从a电极由导线移向b电极 C.充电时的阳极反应式为LiAO2 - xe-=Li1-xAO2 + xLi+ D.充电时转移1mol电子,理论上阴极材料质量增加7 g,【解析】选C。根据Li+的移动方向可知,a为负极,b为 正极。A.镍钴锰三元材料中Ni为主要活泼元素,放电 时镍元素最先失去电子,故A正确;B.放电时电子从负 极,即a电极由导线移向正极,即b电极,故B正确;C.充 电时的阳极反应式是放电时的正极反应式的逆反应, LixCn -xe-=nC+xLi+,故C错误;D.充电时,阴极反应,式为Li1-xAO2 + xLi+xe-=LiAO2,转移1 mol电子,理论上阴极材料质量增加1 mol锂离子,质量为7 g,故D正确。,8.Li-Cu-空气燃料电池的原理示意如图,电池通入空气腐蚀铜电极而产生正极反应物Cu2O。下列有关说法正确的是 ( ),A.电池工作时,正极上有金属锂析出 B.电池工作时,负极区溶液中c(OH-)增大 C.电池放电过程中的总反应为:2Cu+2Li+2OH-=2Li +Cu2O+H2O D.停止通入空气一段时间,电池将停止放电,【解析】选D。A.电池工作时,正极发生反应为Cu2O+ H2O+2e-=2OH-+2Cu,没有金属锂析出,选项A错误;B.负极为锂失电子生成Li+,负极区无水溶液,选项B错误;C.电池放电过程中的总反应为:2Li+Cu2O+H2O= 2Cu+2Li+2OH-,选项C错误;D.停止通入空气一段时间,铜电极不能再氧化生成Cu2O,当正极的Cu2O全部转化为Cu后,电池将停止放电,选项D正确。,【加固训练】 1.某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度,其装置如图所示,该电池中电解质为氧化钇-氧化钠,其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动。下列说法不正确的是 ( ),A.工作时电极b作正极,O2-由电极b流向电极a B.负极的电极反应式为:CO-2e-+O2-=CO2 C.传感器中测得有210-3 mol电子通过时,说明通过的尾气中含有2.24 mL CO D.传感器中通过的电流越大,尾气中CO的含量越高,【解析】选C。该电池为燃料电池,燃料为负极,空气为正极。A.b为正极,阴离子向负极移动,正确;B.负极发生氧化反应,正确;C.通过210-3 mol电子时,CO反应0.001 mol,在标准状况下,体积为22.4 mL,错误; D.CO含量高,转移电子多,电流大,正确。,2.某学生利用如图实验装置探究盐桥式原电池的工作原理(铜元素的相对原子质量为64)。按照实验步骤依次回答下列问题:,(1)导线中电子流向为_(用a、b表示)。 (2)若装置中铜电极的质量增加0.64 g,则导线中转移的电子数目为_(用“NA”表示)。,(3)装置中盐桥中除添加琼脂外,还要添加KCl的饱和溶液,电池工作时,对盐桥中的K+、Cl-的移动方向的表述正确的是_(填字母)。 A.盐桥中的K+向左侧烧杯移动、Cl-向右侧烧杯移动 B.盐桥中的K+向右侧烧杯移动、Cl-向左侧烧杯移动 C.盐桥中的K+、Cl-几乎都不移动,(4)若将反应2Fe3+Cu=Cu2+2Fe2+设计成原电池,其正极反应为_。,【解析】(1)锌铜原电池中,锌比铜活泼,故锌为负极, 铜为正极。原电池中,电子由负极流向正极,故电子的 流向为ab。(2)0.64 g铜的物质的量为0.01 mol,由 电极反应式Cu2+2e-=Cu可知,生成1 mol铜,转移 2 mol电子,故生成0.01 mol铜,导线中转移0.02 mol 电子,电子数目为0.02NA。(3)左侧烧杯中锌失电子变,成锌离子,使得锌电极附近带正电荷,吸引阴离子向左侧烧杯移动,右侧烧杯中铜离子得到电子变成铜,使得铜电极附近带负电荷,吸引阳离子向右侧烧杯移动,故盐桥中的K+向右侧烧杯移动、Cl-向左侧烧杯移动。 (4)由方程式2Fe3+Cu=Cu2+2Fe2+可知,Cu被氧化,为原电池的负极,负极反应为Cu-2e-=Cu2+,正极Fe3+被还原,电极反应式为2Fe3+2e-=2Fe2+。,答案:(1)ab (2)0.02NA (3)B (4)Fe3+e-=Fe2+,设计原电池 【通教材固本通源】 科学探究:,目标:根据已具备的氧化还原反应知识和电化学知识,利用提供的实验用品,设计一套电池装置。 用品:镁条、铜片、铁片、导线、金属夹、手电筒用小灯泡(或发光二极管)、果汁(橙汁、苹果汁、柠檬汁等)、500 mL烧杯。,方式:最好先独立设计,并动手试验,边做边改进;也可以与邻座同学相互讨论和观摩,或请教师指导。,科学探究: 用不同的金属片设计、制作原电池并进行实验。 提示:可以使用的器材包括两片不同的金属片、砂纸、滤纸、食盐水、导线、灵敏电流计。,【通探究融会贯通】 设计原电池的思路 构成原电池的基本条件,也是进行原电池设计的基本依据。,【通好题触类旁通】 1.原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中不正确的是 ( ) A.由Al、Cu、稀硫酸组成原电池,其负极反应式为 Al-3e-=Al3+,B.由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池,其负极反应式为 Al-3e-+4OH-= +2H2O C.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池,其负极反应式为 Cu-2e-=Cu2+ D.由Al、Cu、浓硝酸组成原电池,其负极反应式为 Cu-2e-=Cu2+,【解析】选C。原电池正、负极的判断不能完全依赖金属的活动性,因为可能会出现特殊情况:浓硝酸使铁、铝钝化;铝与NaOH溶液反应,而镁不能与NaOH溶液反应等。,2.实验发现,298 K时,在FeCl3酸性溶液中加少量锌粒后,Fe3+立即被还原成Fe2+。某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示原电池装置。下列有关说法正确的是 ( ),A.该原电池的正极反应是Zn-2e-=Zn2+ B.该电池总反应为3Zn+2Fe3+=2Fe+3Zn2+ C.该电池铂电极上有气泡出现 D.左烧杯中溶液的血红色逐渐褪去,【解析】选D。A.该原电池的负极反应是Zn-2e-= Zn2+,正极反应是Fe3+e-=Fe2+,选项A错误;B.该电池总反应为Zn+2Fe3+=2Fe2+Zn2+,选项B错误;C.铂电极上的反应为Fe3+e-=Fe2+,电极上没有气泡出现,选项C错误;D.左烧杯中反应为Fe3+e-=Fe2+,溶液的血红色逐渐褪去,选项D正确。故选D。,3.依据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s)=Cu2+(aq) +2Ag(s)设计