专题17原电池（教材深度精讲）高二化学知识整合讲练（人教版2019选择性必修1）

专题17原电池（教材深度精讲）【核心素养分析】1.变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。2.证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。3.科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。【知识导图】【目标导航】1．能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。2．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。【重难点精讲】一、原电池的工作原理【实验41】p96实验装置实验原理锌片（负极）：Zn－2e=Zn2+（氧化反应）；铜片（正极）：Cu2++2e=Cu（还原反应）；总反应：Cu2++Zn=Cu+Zn2+实验用品ZnSO4溶液、CuSO4溶液；锌片、铜片、大烧杯、导线、电流表、盐桥。实验步骤如图41所示，将置有锌片的ZnSO4溶液和置有铜片的CuSO4溶液用一个盐桥连接起来，然后将锌片和铜片用导线接起来，并在中间串联一个电流表，观察现象。取出盐桥，观察电流表的指针有何变化。实验现象有盐桥存在时，锌片表面逐渐失去光泽，铜片上逐渐覆盖一层光泽的亮红色物质，电流计指针偏转。没有盐桥时，电流计指针回零，锌片和铜片上均无变化。实验结论盐桥中的电解质将两个烧杯中的溶液连成一个通路，并使氧化反应和还原反应完全分开在两个不同的区域进行，避免了电流损耗。实验说明①盐桥通常是装有饱和KCl琼脂溶胶的U②单液锌铜原电池实验，除了上述现象外，溶液的温度会略微升高，化学能转化为电能和热能。【思考与讨论】p96参考答案：图41所示的锌铜原电池工作时，电子由锌片（负极）沿导线移向铜片（正极），阴离子在电解质溶液中移向锌片（负极），阳离子移向铜片（正极）。原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是自发进行的氧化还原反应。(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：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液中。以锌铜原电池为例(1)反应原理①电子移动方向：锌失电子逐渐溶解变成Zn2＋进入溶液，电子从负极经导线流入正极。②离子移动方向：阴离子向负极移动(如SOeq\o\al(2－,4))，阳离子向正极移动(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。③电流方向：正极→导线→负极→电解质溶液→正极。④两极电极反应式负极(锌极)：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反应)。正极(铜极)：2H＋＋2e－=H2(还原反应)。总反应：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。(2)单液原电池和双液原电池对比比较项目单液原电池双液原电池相同点正负极，电极反应，总反应式，电极现象不同点能量变化化学能转化为电能和热能化学能只转化为电能反应区域两极反应在相同区域两极反应在不同区域(3)双液原电池中盐桥的组成和作用①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。②盐桥中离子移向：盐桥含饱和KCl（KNO3）溶液，K＋移向正极，Cl－（NO3－）移向负极③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。(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：一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率增大。【特别提醒】在理解形成原电池可加快反应速率时，要注意对产物量的理解，Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，锌足量时，不影响产生H2的物质的量，但稀硫酸足量时，产生H2的物质的量要减少。(3)用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。(4)设计制作化学电源①拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应。②选择电极材料：将还原剂（一般为比较活泼的金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极——石墨棒、铂片作负极。③构成闭合回路：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)。如果两个半反应分别在两个容器进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。④画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。【思考与讨论】p97参考答案：。二、化学电源1．化学电源的优点和优劣判断标准(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。2．日常生活中的几种电池(1)碱性锌锰干电池——一次电池正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；负极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)银锌电池——一次电池负极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；总反应：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。(3)锂电池——一次电池Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。②正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－。(4)二次电池(可充电电池)：放电后能充电复原继续使用铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。①放电时的反应a．负极反应：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4；b．正极反应：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O；c．总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。②充电时的反应a．阴极反应：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；b．阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；c．总反应：2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋2H2SO4。注：可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。③图解二次电池的充放电④二次电池的充放电规律a.充电时电极的连接：充电的目的是使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。b.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。⑤二次电池电极反应式的书写方法a.标：先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，找出参与负极和正极反应的物质。b.写：写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)c.减：在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。eq\a\vs4\al(注意：)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，即：充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反；充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。(5)“高效、环境友好”的燃料电池【思考与讨论】p100参考答案：氢气与氧气反应由化学能转化为电能的过程可以实现。一般用酸溶液或碱溶液作电解质溶液，以Pt作电极，负极室通入氢气，正极室通入氧气，用导线外接用电器形成闭合回路，即可实现化学能转化为电能。以碱溶液为例，负H22e+2OH=2H2O,正极发生的电极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－,总反应为2H2+O2=2H2O。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2H2－4e－=4H＋2H2＋4OH－－4e－=4H2O正极反应式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－电池总反应式2H2＋O2=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甲烷燃料电池a.酸性介质(如H2SO4)或传导质子（H＋）固体介质总反应式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋。正极反应式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O。b.碱性介质(如KOH)总反应式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。负极反应式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正极反应式：2O2＋8e－＋4H2O=8OH－。c.熔融盐介质(如K2CO3)总反应式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋4CO32=5CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8e－＋4CO2=4CO32。d.用能传导氧离子(O2)的固体作介质总反应式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋4O2=CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8e－=4O2。③解答燃料电池题目的思维模型④解答燃料电池题目的几个关键点a.要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。b.通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。c.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。3.化学电源中电极反应式书写的一般方法(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；(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。【典题精练】考点1、考查原电池的工作原理例1.（23·24高二上·河北邢台·期中）某锌铜原电池装置如图，下列说法正确的是A．电极发生还原反应B．电池工作时，盐桥中的会持续往右池移动C．取出盐桥，电流计的指针能继续发生偏转D．电池总反应为【分析】在原电池中，较活泼的金属锌作负极，失去电子，发生氧化反应，在外电路中，电子由负极移向正极，在电解质溶液中，阴离子向负极移动，反应的总反应方程式为。【解析】A．由分析知，锌作为负极，发生氧化反应，A错误；B．由分析知，盐桥中的会持续往左池移动，B错误；C．取出盐桥，不能形成闭合回路，无法形成原电池，电流计指针不能继续发生偏转，C错误；D．由分析知，电池总反应为，D正确；故选D。【答案】D【名师归纳】原电池的工作原理简图注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。考点2、考查原电池正、负极的判断例2.（22·23高一下·山东聊城·期中）性能各异的电池满足了不同的用电需求。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiClKCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为：。下列说法正确的是A．硫酸铅电极是电池的负极B．放电过程中，向负极移动C．正极反应式为：D．常温时，在正负极间接上检流计，指针不偏转【分析】根据电池总反应可知Ca作负极发生氧化反应，电极反应式：，PbSO4作正极，发生还原反应，电极反应式：；【解析】A．根据电池总反应分析，硫酸铅电极是电池的正极，故A错误；B．放电过程中，阳离子向正极移动，故B错误；C．PbSO4作正极，发生还原反应，电极反应式：，故C错误；D．常温时，电解质不是熔融状态，离子不能自由移动，不能产生电流，所以在正负极间接上检流计，指针不偏转，故D正确；答案选D。【答案】D【名师归纳】判断原电池正、负极的5种方法说明：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。考点3、考查原电池原理的应用例3.（22·23下·绵阳·期中）下列变化中与原电池原理无关的是A．生铁在潮湿的环境中易生锈 B．镀锌铁表面有划损时，仍能阻止铁被氧化C．铝在空气中表面形成氧化膜 D．锌与稀硫酸反应制H2时，加入几滴CuSO4溶液【解析】A．生铁在潮湿的环境中易生锈，是因为生铁中碳等杂质与铁、覆盖生铁表面的电解质薄膜形成原电池，A不符合；B．镀锌铁表面有划损时，镀锌铁构成原电池，铁作正极被保护，故仍能阻止铁被氧化，B不符合；C．铝在空气中表面被氧化，是铝与氧气直接反应生成氧化铝，与原电池无关，C符合；D．铁与CuSO4反应生成的铜附着在铁的表面，与稀硫酸共同构成原电池，能加快铁与酸的反应，D不符合；答案选C。【答案】C【名师归纳】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：一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率增大。(3)用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。(4)设计制作化学电源考点4、考查可充电电池（二次电池）例4.（22·23高二下·浙江杭州·期中）我国科学家成功研制出二次电池，在潮湿条件下的放电反应：，模拟装置如图所示(已知放电时，由负极向正极迁移)。下列说法正确的是A．放电时，电子由镁电极经电解质溶液流向石墨电极B．放电时，正极的电极反应式为：C．充电时，Mg电极接外电源的正极D．充电时，每生成【分析】放电时，Mg做负极，石墨做正极，充电时，Mg连接外加电源负极，石墨连接外加电源的正