高考化学总复习第八单元化学反应与电能 第1讲 原电池 化学电源

第八单元化学反应与电能

第1讲原电池化学电源

复习目标

1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能正确判断原电池的两极，能书写

电极反应式和总反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理；了解燃

料电池的应用。3.体会研制新型电池的重要性，能够书写新型化学电源的电极反

应式。

考点一原电池的工作原理及应用

基础

1.原电池的概念及构成条件

⑴概念

原电池是把西化学能转化为国电能的装置。

（2）构成条件

①反应：有能自发进行的画氧化还原反应发生。

②电极：画活泼性不同的两个电极（燃料电池的两个电极可以相同）。

③介质：电解质溶液或熔融电解质或离子导体。

④闭合回路：两电极同直接或间接接触插入介质中。

2.原电池的工作原理（以铜-锌原电池为例）

<1

装置图

ZnSt）尚液CIs6溶液

电液隙电池收液原电池

___________________________________________________________IIl____________________________________________________

电极材料负极：画锌片正极：画狙片

电极反应103∣Zn-2e-≈Z∏2+Π⅞u2++2e-=Cu

反应类型厨氧化反应画还原反应

电子流向由画锌片沿导线流向画铜片

电解质溶液中，阴离子向画

离子移动方盐桥中含有饱和KCl溶液，回Kr移

负极迁移,阳离子向同正极迁

向向正极区，回C匚移向负极区

移

电流方向由回铜片沿导线流向回锌片

电池总反应

Γ⅞n+CP=Z/++CU

式

Zn与Ci?+直接接触，会有部

两类装置的Zn与C/+不直接接触，仅有化学能转

分化学能直接转化为热能，能

不同点化为电能，能量损耗较少

量损耗较多

3.原电池原理的应用

(1)比较金属活泼性强弱

两种金属分别作原电池的两极时，一般作而1负极的金属比作画正极的金属

活泼。

(2)加快氧化还原反应的速率

一个画自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率同加快。例如,

在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率厨加快。

⑶设计化学电源

拆分

一;将氧化还原反应分成两个半反应;

反应

选择将还原剂（一般为比较活泼的金属）

电极-作里极.活泼性比负极弱的金属或

材料非金属导体作画正极

电解质溶液一般要能够与国复极发生

„;反应，或者电解质溶液中溶解的其他

⅞⅛物质能与国奂地发生反应（如溶解于

闭合一彳容液中的空气兀但如果两个半反应分

回路I;别在两个容器中进行（中间连接盐

桥）,则两个容器中的电解质溶液应含

;有与的电极材料相同的金属阳离子

眄而I潴否重录芨反应将衣,而屈原电池聚

装置一置图,标出电极材料名称、正负极、电

I图I;解质溶液等

实例：根据Cu+2Ag+=Cu2++2Ag设计电池:

（4）用于金属的防护（后文细讲）

误点查正请指出下列各说法的错因

（1）原电池工作时，电子从负极流出经导线流入正极，然后通过溶液流回负极。

错因：电子不能通过电解质溶液。

⑵原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动。

错因：原电池中，阳离子移向正极。

（3）两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，较活泼的金属一定作负极。

错因：较活泼的金属不一定作负极，如：Mg-NaOH-AI形成的原电池，铝作

负极。

(4)铁与盐酸反应时加入少量CUSO4溶液，产生H2的速率不变。

错因：加入少量C加04后，Fe与C/+反应生成Cu,可以形成原电池，反应

速率加快。

(5)C+H2O(g)亘遗CO+H2可设计成原电池。

错因：自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。

注意：活泼性强的金属不一定作负极，对于某些原电池，如镁、铝和NaOH

溶液组成的原电池，AI作负极，Mg作正极。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，但负极一定发生氧化反应。

2.盐桥的组成和作用

(1)盐桥中装有饱和的KClsKNo3等溶液和琼脂制成的胶冻。

⑵盐桥的作用：①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断

产生电流；③可以提高能量转化效率。

题组巩固提升

角度一原电池的构成及工作原理

L如图是用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法错误的是()

0LED灯

锌片『M铜片

稀硫酸

A.铜片表面有气泡生成

B.装置中存在“化学能T电能T光能”的转换

C.如果将稀硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动

D.如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变

答案C

2.用铜片、银片、Cu（NO3）2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂一KNO3

的U形管）构成一个原电池（如图）。下列有关该原电池的叙述中正确的是（）

①在外电路中，电子由铜电极流向银电极

②正极反应：Ag++e^=Ag

③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作

④将铜片浸入AgNo3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同

A.①②B.①②④

C.②③D.①③④

答案B

E思维建模原电池工作原理模型图

氧,化反应还原反应

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电子不能通过电解质溶液，溶液中的离子不能通过盐桥和导线(即电子不下

水，离子不上岸)。

③负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数。

角度二原电池的应用

3.有A、B、C、DsE五种金属，进行如下实验：①A、B用导线相连后，

同时浸入稀H2SO4中，A极为负极②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4

中，电流由D-导线一C③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4中，C极产生大量

气泡④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4中，D极发生氧化反应⑤用惰性电极

电解含B离子和E离子的溶液，E先析出。据此，判断五种金属的活动性顺序是

()

A.A>B>C>D>EB.A>C>D>B>E

C.C>A>B>D>ED.B>D>C>A>E

答案B

4.等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入

少量的CUSo4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间⑺的关系，其中正确的是

()

答案D

考点二化学电源

基础自主夯实

1.一次电池

⑴碱性锌镒电池(如图1)

负极材料为画Zn,正极材料为Mno2。

电极反应：负极：［⅞n+20H--2e-=Zn(OH)2：

正极：画2Mnθ2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+20H-;

总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2o

(2)锌银电池(如图2)

负极材料为画Zn,正极材料为画AgzQ,电解质为KoH。

电极反应：负极：R⅞n+20H--2e-=Zn(OH)2：

正极：MAg2θ+H2O+2e-=2Ag+20H-；

，总反应：Zn+AgoO+HiO==Zn(OH)O+2Ago

金属外壳

3二iH⅛HlKOll

的混合物

-MnO,

-金属外壳浸有KOH溶液

的隔板

图1图2

2.二次电池

(1)铅酸蓄电池

正极材料为画皿，负极材料为画EL电解质溶液为稀H2SO4。总反应为

放」

画Pb+Pbo2+2H2Sθ∕^⅛bSO4+2H2O。

［网Pb+S()；-2e-=PbS0j］［研hSO4+2∕=Pb+SO：］

一

I负极反应卜铅

酸

I蓄

放电I电

池

I正极反应卜一

画,M)?+4H'+SO：+2厂烟PbSOgEOH=

=PSOs+2H?O~^

PhOr⅜4FΓ+S0;

(2)锂离子电池

一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(U,G),正极材料为LiCOO2(钻酸

锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为Li,vCy+

LijCOo2监愣LiCoO2+Cy,其放电时电极反应式为

负极：1081Li、Cr-Xe-=XLi++CY;

正极：109∣Lii_Λ∙COC>2+XLi++Xe-=LiCoCh。

3.燃料电池

(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。

电解质溶液酸性碱性

负极反应式［IΓΓ∣2H2-4e-=4H+国2H2-4e-+40H-=4比0

正极反应式画O2+4-+4H+=2H2θ画。2+4e-+2H2O=4OH-

总反应式

2H2+O2=2H2O

⑵燃料电池的电极本身不参与反应，燃料和氧化剂连续地由厨外部供给。

常见燃料有H2、烂、脱、烂的含氧衍生物、NH3、水煤气等。

误点查正请指出下列各说法的错因

(1)碱性锌镒电池是一次电池，其中Mno2是催化剂，可使锌镒电池的比能量

高、可储存时间长。

错因：MnO2是正极反应物。

(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。

错因：手机、电脑中使用的锂电池可以充、放电，属于二次电池。

(3)铅酸蓄电池放电时，正极质量减小，负极的质量增加。

错因：放电时，正、负极的质量均增加。

(4)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H2-4e-=4H+°

错因：碱性介质中，负极反应为H2-2e-+2OFΓ=2H2θ°

(5)熔融碳酸盐甲烷燃料电池正极电极反应式：O2-4e-+2Cθr=2CO2o

错因：正极。2得电子，电极反应式为02+4e-+2CCh=2C02°

(6)二次电池充电时，二次电池的负极连接电源的负极，发生氧化反应。

错因：充电时二次电池的负极连接电源的负极，即作电解池的阴极，得电子,

发生还原反应。

课堂精讲答疑

L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：

⑴拆分法

3+2+2+

①写出原电池的总反应，如2Fe+Cu=2Fe+Cuo

②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、电荷守恒及得失电子守恒配平两个半反应：

正极：2Fe3++2e-=2Fe2+

负极：Cu-2e^^=Cu2+

（2功口减法

①写出总反应，如Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4o

②写出其中容易写出的一个半反应（正极或负极），如Li-e-==Li+（负极）。

③利用总反应式与写出的一极反应式相减，即得另一个电极的反应式，即

LiMn2O4+Li++e-=Li2Mn2O4（正极）。

2.燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出电池总反应式。

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应

为加和后的反应。

如甲烷燃料电池（电解质溶液为NaOH溶液）的反应式为

CH4+202=Co2+2H2O®

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O（S）

①式+②式得燃料电池总反应式为

CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O,其离子方程式为CH4+2O2+2OH^

=CO3^+3H2O0

第二步：写出电池的正极反应式。

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是。2,电解质溶

液不同，其电极反应有所不同，需熟记的四种情况如下：

①酸性电解质溶液环境下电极反应式：θ2+4H++4e=2H2θo

②碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2+2H2O+4e-=40H-o

2

③固体电解质（高温下能传导。2一）环境下电极反应式：O2+4e=2OO

④熔融碳酸盐（如：熔融K2CO3）环境下电极反应式：O2+2CO2+4e-

=2CθΓo

第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。

电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式，注意在将两个反应式

相减时，要约去正极的反应物。2。

题组巩固提升

角度一一次电池

I.纸电池是一种有广泛应用的“软电池”，如图所示碱性纸电池采用薄层纸片

作为载体和传导体，纸的两面分别附着锌和二氧化镒。下列有关该纸电池的说法

不合理的是（）

A.Zn为负极，发生氧化反应

B.电池工作时，电子由Mno2流向Zn

C.正极反应：MnO2+e^+H2O=MnO（OH）+OH^

D.电池总反应：Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnO(OH)

答案B

2.（2022.广东省高考一模）近期，我国报道了一种新型Li-NO2电池，为NCh

的治理和再利用提供了新的研究思路，其工作原理如图所示。电池放电时的总反

应为2Li+N02==Li20+N0°下列有关该电池工作时的说法不正确的是（）

A.外电路电流的方向：b极T电流表Ta极

+

B.b极的电极反应：NO2+2e-+2Li=Li2O+NO

C.电解液中Li+向b极附近迁移

D.当外电路通过ImOIe-时，b极质量增加7g

答案D

角度二二次电池

放.

3.我国研究锂硫电池获得突破，电池的总反应是16Li+S8肃8Li2S,充、

放电曲线如图所示，下列说法不正确的是（）

A.充电时,电能转化为化学能

B.放电时,锂离子向正极移动

C.放电时,1molLi2S6转化为Li2S4得到2mole^

2

D.充电时,阳极总电极反应式是8S--16e-=S8

答案C

解析根据图示，放电时，Li2S6转化为Li2S4的电极反应为2Li2S6+2Li++

2e^=3Li2S4,反应中2molLi2S6得到2mole^,即1molLi2S6得到1mole^,C

错误。

4.银镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某银镉电池的电

解质溶液为KOH溶液，其充、放电反应按下式进行：Cd+2Ni00H+

2H2O寂Cd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是()

A.充电时阳极反应：Ni(OH)2+OH--e^=NiOOH+H2O

B.充电过程是化学能转化为电能的过程

C.放电时负极附近溶液的碱性不变

D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动

答案A

-≡■易错提醒

(1)充电电池需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。

(2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应恰与

放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。

(3)书写化学电源的电极反应式和总反应方程式时，关键是抓住氧化产物和还

原产物的存在形式。

角度三燃料电池

5.直接供氨式固态氧化物燃料电池的结构如图所示。下列有关该电池的说法

正确的是()

/

/艮气

固态铳化物燃料电池

A.通入氧气的电极是正极，氧气发生氧化反应

B.正极的电极反应式为02+4e-+2H20-40H-

C.该燃料电池可直接将化学能全部转化为电能

2

D.负极的电极反应式为2NH3-6e^+3O^=N2+3H2O

答案D

6.(2022.河南三市高三第一次质量检测)一种以某固体氧化物为电解质的新型

燃料电池，工作原理如图所示。在700〜900°C时，。2-可在该固体氧化物电解质

中自由移动，产物对环境无污染(设NA为阿伏加德罗常数的值)。下列说法正确的

是()

.负载

AIp7^θ∏B

----k-电极½甲门极∣乙,,-----

固体氧化

物电解质

A.若A为氢气，则正极反应式为H2-2e-+θ2-=H2θ

B.若B为氧气，则该电极反应式为02+4e-+2H20=40H-

C.若A为甲烷，则消耗32g甲烷时，外电路中流过的电子数目为16NA

D.若A为脱(N2H4),B为氧气，则电池总反应为N2H4+3O2=2NO2+2H2O

答案C

E思维建模

解答燃料电池题目的几个关键点

(1)注意介质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，通入正极的物质一般为氧气。

(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。

高考真题演练

1.(2022.辽宁高考)某储能电池原理如图。下列说法正确的是()

+

A.放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3-2e^=NaTi2(PO4)3+2Na

B.放电时Cl-透过多孔活性炭电极向CCh中迁移

C.放电时每转移1mol电子，理论上CCl4吸收0∙5molCl2

D.充电过程中，NaCI溶液浓度增大

答案A

+

解析放电时负极反应：Na3Ti2(PO4)3-2e^=NaTi2(PO4)3+2Na,正极反

应：Cl2+2e-=2CΓ,消耗氯气，故A正确；放电时，阴离子移向负极，放电

时C「透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移,故B错误；放电时每转移1mol电子,

正极：Cl2+2e-=2Cl-,理论上CCI4释放0∙5molCL,故C错误；充电过程中，

阳极：2CΓ-2e-=Ch,消耗氯离子，NaCI溶液浓度减小，故D错误。

2.(2022.全国乙卷)Li-Ch电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应

用前景。近年来，科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时，光

催化电极产生电子(el和空穴(h+),驱动阴极反应(Li++e-==Li)和阳极反应

++

(Li2O2+2h=2Li+02)对电池进行充电。下列叙述错误的是()

,光

金充充催

属化

电æ

锂电电

质极

电解质

换膜

离子交

i+O2

=2L

i2O2

反应L

的总

电池

时，

充电

A.

量有关

和空穴

的电子

照产生

率与光

充电效

B.

迁移

向负极

交换膜

过离子

正极穿

i+从

时，L

放电

C.

2

Li2θ

2e-=

i++

+2L

应02

生反

极发

时，正

放电

D.

C

答案

+

极，Li

为正

电极

催化

极，光

为负

电极

属Li

，金

电时

知，放

析可

由分

解析

。

错误

移，C

极迁

向正

换膜

子交

过离

极穿

从负

为

电极A

示，

图所

构如

面结

池截

子电

锂离

薄膜

固态