原电池高二化学讲义课时作业（人教版2019选择性必修1）

第四章化学能与电能第1节原电池1.以铜锌原电池为例，了解原电池的工作原理。2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理，会熟练书写电极反应式。知识点一原电池工作原理。知识点二化学电源。知识点一原电池工作原理1．概念：利用氧化还原反应原理将化学能转化为电能的装置。2．构成条件：(1)具有两个电极。(2)合适的离子导体(如电解质溶液)。(3)形成闭合回路。(4)能自发地发生氧化还原反应。3．工作原理(以铜锌原电池为例)：(1)实验现象。①电流表指针发生偏转。②锌片逐渐溶解。③铜片上有红色物质析出。④将盐桥取出，电流表指针回到0点。(2)工作原理。电极名称负极正极电极材料ZnCu电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由负极沿导线流向正极电流方向由正极沿导线流向负极离子移向(内电路)阴离子向_负极移动，阳离子向_正极移动；盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向_正极，Cl－移向_负极盐桥的作用①连接内电路形成闭合回路。②平衡电荷，使电池能持续提供电流。知识点二化学电源一、一次电池1．基本构造2．组成：正极：碳棒；负极：Zn；电解质：KOH。3．工作原理负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极反应：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)24．特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的比能量和可储存时间均有提高，适用于大电流和连续放电。二、二次电池1．铅蓄电池(1)基本构造(2)组成负极：Pb；正极：PbO2；电解质溶液：H2SO4。(3)工作原理①放电过程：负极：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－===PbSO4正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O；总反应：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O。②充电过程：铅蓄电池的充电过程与其放电过程相反。③铅蓄电池的充、放电过程：(4)优缺点①优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。②缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。2．锂离子电池(1)组成负极：嵌锂石墨；正极：LiCoO2(钴酸锂)；电解质溶液：LiPF6(六氟磷酸锂)(2)工作原理①放电过程：负极：LixCy－xe－=xLi＋＋Cy；正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2；总反应：LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋C。放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中。②充电过程：充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极极，嵌入石墨中。③锂离子电池的充、放电过程：(3)优点:质量小、体积小、储存和输出能量大等。3.燃料电池(以酸性氢氧燃料电池为例)1．基本构造2．工作原理负极反应：H2－2e－===2H＋；正极反应：eq\f(1,2)O2＋2H＋＋2e－===H2O；总反应：H2＋eq\f(1,2)O2===H2O。【归纳总结】1.电池正负极判断方法：(1)根据电子流向：电子由负极流出，流入正极。(2)根据离子流向：阳离子流向正极，阴离子流向负极。(3)根据两极反应的物质判断：发生氧化反应的物质所在电极是负极，发生还原反应的物质所在电极是正极，如氢氧燃料电池，由于氢气发生氧化反应，则所在电极是负极。2.电极反应方程式的书写技巧(1)明确两极的反应物。(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物，然后根据化合价变化值求转移电子数、再根据介质环境和共存原则，找出参与反应的介质粒子，利用电荷守恒、原子守恒配平电极反应式（注意电解质有没有参加反应）。3.二次电池充电时电极的连接：原电池的正极接外电源的正极，原电池的负极接外电源的正极。4.pH变化规律的判断：若电极反应消耗OH－(H＋)，则电极周围溶液的pH减小(增大)；若电极反应生成H＋(OH－)，则电极周围溶液的pH减小(增大)。若总反应的结果是消耗OH－(H＋)，则溶液的pH减小(增大)；若总反应的结果是生成H＋(OH－)，则溶液的pH减小(增大)。若两极消耗或生成的OH－(H＋)的物质的量相等，则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定，应具体问题具体分析（如酸性燃料电池，由于生成水，pH增大）。5.以甲烷燃料电池为例书写四种电解质环境下的电极反应方程式。(1)酸性条件总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8H＋＋8e－=4H2O。负极反应式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋（根据C的化合价由4到+4知转移电子数为8，根据电荷守恒及电解质环境知方程式右边补8个H＋）(2)碱性条件总反应：CH4＋2O2＋2OH－===COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。正极反应式：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－。负极反应式：CH4＋10OH－－8e－===COeq\o\al(2－,3)＋7H2O（注意电解质有没有参加反应）。(3)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋4CO2＋8e－===4COeq\o\al(2－,3)。负极反应式：CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O(4)熔融氧化物环境下总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8e－===4O2。负极反应式：CH4＋4O2－8e－===CO2＋2H2O【例1】微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用如图装置处理有机废水以含CH3COO的溶液为例。下列说法错误的是(

)A.负极反应为B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐D.电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1【答案】B

【解析】A、该原电池中a极为负极，b极为正极，有机废水中的CH3COO在负极失电子生成CO2，电极反应式为，故A正确；B、原电池工作时，阴离子移向负极、阳离子移向正极，即NaCl溶液中的Na+通过阳离子交换膜移向b极、Cl通过阴离子交换膜移向a极，达到海水淡化目的，所以隔膜1阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，故B错误；C、由于电子与Na+、Cl所带电荷数相等，所以电路中转移1mol电子时，通过离子交换膜的Na+、Cl物质的量均为1mol，质量为，即模拟海水理论上除盐58.5g，故C正确；D、负极反应式为，正极反应式为，转移8mole电子时正极得到4molH2、负极得到2molCO2，即正、负极产生气体的物质的量之比为2:1，故D正确；故选：B。【例2】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H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋C．正极区，固氮酶为催化剂，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】A对：该方法可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件。B错：该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。C对：右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应。D对：原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。【例3】一种高性能的碱性硼化钒(VB2)­空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq\o\al(3－,4)＋2B(OH)eq\o\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是()A．负载通过0.04mol电子时，有0.224L(标准状况)O2参与反应B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)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】由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04mole－时，正极有0.01molO2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq\o\al(－,4)＋4VOeq\o\al(3－,4)，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。【变式1】氨可用于燃料电池，易液化，运输储存方便，安全性能更高。新型NH2O2燃料电池的装置如图示，电池工作时总反应为4NH3+3O2=2N2+6H2O，下列说法正确的是：A．电极a作负极B．NH3发生还原反应C．OH⁻向电极b方向迁移2【答案】C【解析】由电池总反应可知，氧气得到电子发生还原反应，a为正极，氨气失去电子生成氮气发生氧化反应，b为负极。A．电极a为正极，A错误；B．N化合价升高，氨发生氧化反应，B错误；C．a电极作正极，b电极作负极，原电池中OH向负极电极b方向迁移，C正确；D．气体不一定在标况下，无法计算转移电子数，D错误。【变式2】镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面的应用前景广阔。如图为“镁­次氯酸盐”燃料电池原理示意图，电极为镁合金和铂合金。下列说法不正确的是A．F电极的电势比E电极高B．电子从E电极经导线流向F电极C．E电极可能存在自腐蚀反应Mg＋2H2O=Mg(OH)2↓＋H2↑D．F电极反应式为ClO＋2e＋2H+=Cl＋H2O【答案】D【解析】该装置为燃料电池，由图可知，E极镁合金失电子生成Mg(OH)2，E极作负极，F极为正极，电极反应式为ClO＋2e＋H2O=Cl＋2OH。A．正极的电势比负极的高，E为负极，E极的电势比F极的低，A正确；B．电子从E负极经导线流向F正极，B正确；C．Mg很活波能与水发生反应，因此E电极可能存在自腐蚀反应Mg＋2H2O=Mg(OH)2↓＋H2↑，C正确；D．F极为正极，电极反应式为ClO＋2e＋H2O=Cl＋2OH，D错误。【变式3】燃料电池近几年发展迅速，如图是科学家利用页岩气设计的一种固态(熔盐)燃料电池工作示意图。下列说法错误的是A．电极材料采用石墨烯，吸附甲烷的电极为负极，发生氧化反应B．通入氧气的电极上电极反应式为C．电池工作时，CO32向通甲烷的电极一侧移动D．该电池的优点是二氧化碳可循环利用，不会释放温室气体【答案】D【解析】A．依题意，甲烷发生氧化反应生成二氧化碳，吸附甲烷的电极为负极，A项正确；B．O2、CO2共同参与反应，电极反应式为，B项正确；C．根据原电池工作原理，阴离子向负极移动，C项正确；D．电池总反应为，会释放出二氧化碳，D项错误。1.氨热再生电池工作原理如图所示，下列说法正确的是

A．b为负极B．SO42从左室向右室迁移C．电池工作时，右池中的CuSO4溶液的浓度增大D．a电极上的反应为Cu2e−+4NH3=[Cu(NH3)4]2+【答案】D【解析】该电池连有负载，为原电池装置，电极a上Cu失去电子结合NH3生成[Cu(NH3)4]2+，则电极a为负极，电极b为正极。A．由上述分析可知，该装置为原电池装置，电极b为正极，故A错误；B．原电池中阴离子向负极移动，则SO42从右室向左室迁移，故B错误；C．原电池中阴离子向负极移动，则SO42从右室向左室迁移，右池中的CuSO4溶液的浓度减小，故C错误；D．电极a上Cu失去电子结合NH3生成[Cu(NH3)4]2+，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为：Cu2e−+4NH3=[Cu(NH3)4]2+，故D正确。2.科学家利用废气资源回收能量并得到单质硫，设计出质子膜燃料电池。质子膜燃料电池的结构示意图如图所示，下列说法正确的是

A．电极a发生还原反应B．电极b上发生的电极反应：C．每参与反应，有经质子膜进入正极区D．电路中每通过电子，同时消耗(标准状况)【答案】D【解析】由图可知，电极a为燃料电池的负极，硫化氢在负极失去电子发生氧化反应生成S2和氢离子，电极反应式为2H2S—4e—=S2+4H+，电极b为正极，氢离子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水电极反应式为O2+4H++4e—=2H2O。A．由分析可知，电极a为燃料电池的负极，硫化氢在负极失去电子发生氧化反应生成S2和氢离子，故A错误；B．由分析可知，电极b为正极，氢离子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水电极反应式为O2+4H++4e—=2H2O，故B错误；C．由分析可知，电极a为燃料电池的负极，硫化氢在负极失去电子发生氧化反应生成S2和氢离子，电极反应式为2H2S—4e—=S2+4H+，则17g硫化氢参与反应时，经质子膜进入正极区的氢离子的物质的量为×2=1mol，故C错误；D．由分析可知，电极a为燃料电池的负极，硫化氢在负极失去电子发生氧化反应生成S2和氢离子，电极反应式为2H2S—4e—=S2+4H+，则电路中每通过2mol电子时，消耗标准状况下硫化氢的体积为2mol×mol，故D正确。3．据报道，科学家已经研制出固体氧化物燃料电池，该电池以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子在其间通过，其工作原理如图所示多孔电极、均不参加电极反应下列说法正确的是

A．有放出的a极为电池的正极B．b极对应的电极反应式为：C．正极对应的电极反应式为：D．该电池的总反应式为：【答案】D【解析】根据电子移动方向可知，氧气通入的一极为正极，氢气通入的一极为负极，以此分析；A．在燃料电池中，氧气通入的为原电池的正极，生成O2，通入氢气为原电池的负极，生成H2O，故A错误；B．电极上氧气得电子发生还原反应，则b为正极，正极对应的电极反应为：O2+4e=2O2，故B错误；C．氧气得电子在正极反应，故C错误；D．在燃料电池中，总反应方程式即为燃料燃烧的化学方程式，即2H2+O2=2H2O，故D正确。4．某污水处理厂利用微生物燃料电池处理含铬废水的工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．电池工作时b极发生氧化反应B．a极的电极反应式为CH3OH+6e+H2O=CO2↑+6H+C．电池工作中，当电路中转移6mol电子时右侧溶液氢离子减少2molD．每处理1molCr2O，a电极上会生成2【答案】C【解析】根据图示可知，a电极发生反应，a为负极，b极发生反应为，后发生反应，以此分析；A．b极是正极，发生还原反应，A错误；B．a极为负极，电极反应式为，B错误；C．Ca极为负极，电极反应式为，b极为正极，电极反应式为，后发生反应，当电路中转移6mol电子时，由电荷守恒可知，左侧有6mol氢离子进入右侧，b极反应消耗14mol氢离子，同时生成，反应生成6mol氢离子，故最终右侧氢离子减少，C正确；D．每处理，转移6mol电子，a电极上会生成，没说明是标准状况，则不一定是，D错误。5．新一代电池体系是化学、物理等学科的基础理论研究与应用技术的前沿。锂硒电池具有优异的循环稳定性，其工作原理如图所示。下列有关说法正确的是

A．电极I为该电池的负极，放电时被还原B．电极材料Se可由通入亚硒酸()溶液中反应制得，则该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1C．锂硒电池放电时正极的电极反应式为D．该电池放电时，电子由电极I经电解质溶液通过LAGP隔膜流向电极II【答案】C【解析】A．电极I上Li失电子，为该电池的负极，被氧化，故A错误；B．电极材料Se可由SO2通入亚硒酸(H2SeO3)溶液中反应制得，H2SeO3中Se得电子，作氧化剂，二氧化硫作还原剂，H2SeO3中Se为+4价，反应为：H2SeO3+2SO2+H2O=Se+2H2SO4，则该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1：2，故B错误；C．锂硒电池放电时Se失电子，正极的电极反应式为：2Li++xSe+2e=Li2Sex，故C正确；D．该电池放电时，电子不能进入溶液，故D错误。6．双阴极微生物燃料电池处理一N废水的工作原理下图(a)所示，双阴极通过的电流相等，废水在电池中的运行模式如下图(b)所示。下列说法正确的是A．I室为负极区B．Y离子交换膜为阴离子交换膜C．Ⅲ室中除了O2→H2O，主要发生的反应为+2O2=+2H++H2OD．生成2，理论上需要消耗10gO2【答案】C【解析】A．I室发生反应，反应类型为还原反应，I室为正极区，故A错误；B．Ⅱ室为负极区、Ⅲ室为正极区，Ⅱ室消耗阴离子，所以Y离子交换膜为阳离子交换膜，故B错误；C．根据图示，Ⅲ室中液体运动到I室，I室硝酸根离子发生还原反应，可知Ⅲ室中生成硝酸根离子，所以除了O2→H2O，主要发生的反应为+2O2=+2H++H2O，故C正确；D．I室发生反应，生成2，左侧阴极转移电子，消耗硝酸根离子；双阴极通过的电流相等，所以右侧阴极同样转移电子，右侧阴极反应消耗氧气的物质的量为，Ⅲ室发生+2O2=+2H++H2O反应生成硝酸根离子消耗氧气，理论上需要消耗26gO2，故D错误。7.一种水系Li－I2太阳能液流电池，通过I/I正极电解液的连接，将Li－I2液流电池和太阳能电池集成为一个可充放电电池。充电时，光敏化剂Dye在光电极吸收光能发生反应：Dye=e+Dye+从而驱动电极反应。下列说法正确的是A．图中显示为电池充电的过程，充电效率与光照产生的e和Dye+有关B．放电时，左侧将含有I的电解液贮存起来C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极移动D．充电时锂金属电极质量理论上增加14g，阳极区增加2molDye+【答案】A【解析】金属Li作负极（阴极），发生反应，以此分析；A．根据总反应Dye=e+Dye+可知，充电效率与光照产生的e和Dye+有关，A正确；B．放电时候，阴离子移动到负极（右侧），B错误；C．放电时候，阳离子移动到正极，C错误；D．，阳极区反应消耗Dye+，D错误。8.为了消除氢氧化物污染，可以设计出一种装置处理硝酸厂尾气的同时获得电能，工作原理如图所示。装置中电极均为涂装催化剂的网状电极，两侧电解质为同浓度的盐酸。下列说法错误的是A．在电池正极生成，由发生还原反应所得B．通入的电极反应为C．若有通过质子交换膜，则有1.12L(标准状况)甲烷被氧化D．装置工作一段时间后，两侧电极室中溶液的pH不变【答案】D【解析】A．通入NO2的电极上氮元素价态降低得电子，通入NO2的电极为正极，发生还原反应生成N2，选项A正确；B．甲烷通入极为为负极，电极反应式为，选项B正确；C．当+通过质子交换膜由右侧向左侧迁移时，由电荷守恒可知，装置中转移电子，根据电极反应，有1.12L(标准状况)甲烷被氧化，选项C正确；D．由两极反应可知，两极消耗生成的氢离子相等，但是左侧生成了水，氢离子浓度变小，pH增大，右侧消耗了水，氢离子浓度增大，pH减小，选项D错误。9.一种新型NaZn双离子二次电池放电时的工作原理如图所示。该二次电池放电时，下列有关说法正确的是A．M极发生还原反应B．电子由M极通过NaOH溶液移向N极C．通过阳离子交换膜向M极移动D．N极电极反应式为NaMnO2+xNa++xe=NaMnO2【答案】D【解析】由图可知，原电池中M为负极，电极反应为Zn2e+4OH=[Zn(OH)4]2，N为正极，电极反应为NaMnO2+xNa++xe=NaMnO2。A．根据分析，M为原电池的负极，发生氧化反应，A错误；B．电子不能在电解质溶液中移动，B错误；C．原电池中，阳离子向正极移动，因此Na+向N电极移动，C错误；D．根据分析，N为正极，电极反应为NaMnO2+xNa++xe=NaMnO2，D正确。10．2021年我国科研人员以二硫化钼(MoS2)作为电极催化剂，研发出一种Zn－NO电池系统，该电池同时具备合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示。已知双极膜可将水解离为H+和OH，并实现其定向通过，则下列说法错误的是A．Zn/ZnO电极电势要比MoS2电极电势高B．电池工作时NaOH溶液和Na2SO4浓度均变小C．Zn/ZnO电极表面发生的反应为Zn2e+2OH=ZnO+H2OD．当电路通过1mole时，整个电池系统质量会增大【答案】A【解析】一氧化氮得到电子发生还原反应，则MoS2电极为正极，电极为负极；A．电极为负极，电极为正极，正极电势高于负极电势，故A错误；B．负极锌失去电子生成氧化锌，反应式为；正极一氧化氮得到生成氨气，反应式为；双极膜中OH和H+分别向负极、正极移动，补充消耗的阴、阳离子，两电极均有水生成，溶液体积变大，则NaOH溶液和Na2SO4浓度均变小，故B正确；C．电极为负极，失电子发生氧化反应，电极反应式为，故C正确；D．正极的反应式为，由反应式可知，转化为1mol，转移电子，整个电池系统质量会增大30g17g=13g，故当电路通过时，理论上可以转化的物质的量为，整个电池系统质量会增大13，故D正确。11.燃料电池是利用燃料与氧气反应从而将化学能转化为电能的装置。(1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。

①A为生物燃料电池的(填“正”或“负”)极。②正极反应式为。③放电过程中，H+由极区向极区迁移(填“正”或“负”)。④在电池反应中，每消耗氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是。(2)一氧化碳无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因一氧化碳中毒而失去生命。一种一氧化碳分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化忆一氧化钠，其中O2可以在固体介质NASICON中自由移动，传感器中通过的电流越大，尾气中一氧化碳的含量越高。

①电子由电板通过传感器流向电极(填“a”或“b”)；②负极反应式为。【答案】(1)正O2+4H++4e—=2H2O负正2.24L(2)abCO—2e—+O2—=CO2【解析】（1）由图可知，A电极为生物燃料电池的正极，氢离子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，B电极为负极，水分子作用下葡萄糖在负极失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和水；①由分析可知，A电极为生物燃料电池的正极。②由分析可知，A电极为生物燃料电池的正极，氢离子作用下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，电极反应式为O2+4