第19讲　原电池及其应用-2025年高考化学全国一轮

第19讲原电池及其应用备考导航复习目标1．能辨识简单原电池的构成要素，从氧化还原反应的角度认识原电池的工作原理，能举出化学能转化为电能的实例。2．了解常见化学电源的工作原理，能写出电极反应式和总反应式。3．了解燃料电池的应用。体会研制新型电池的重要性。4．掌握离子交换膜的三个作用：平衡电荷、避免两极产物反应、形成浓差电池。5．了解金属发生电化学腐蚀的本质、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。复习策略从近几年高考来看，电化学知识属于高考必考内容。1．由于能源问题是社会热点，要关注新型电池。2．着重原电池电极的判断及电极反应方程式的书写(要注意溶液的酸、碱性关系)；掌握电子、电流的和离子流动方向，以及电极反应对电解质溶液浓度的影响。3．要关注各种新型燃料电池的电极反应。4．注意离子交换膜的作用及应用。尤其要注意浓差电池的原理。熟记网络课前思考问题1原电池正、负极判断方法有哪些？【答案】(1)由原电池的电极材料判断：如果两极是由活动性不同的金属作电极，一般情况下相对活泼的金属是负极，活动性较弱的金属是正极(要注意特殊条件，如Mgeq\a\vs4\al(－)Aleq\a\vs4\al(－)NaOH电池，Al是负极；Aleq\a\vs4\al(－)Cueq\a\vs4\al(－)浓硝酸电池，Cu是负极)；如果两个电极是由金属和非金属导体(或金属氧化物导体)作电极，金属是负极，非金属导体(或金属氧化物导体)是正极。(2)根据氧化还原反应判断：发生氧化反应的电极为负极；发生还原反应的电极为正极。(3)根据电子或电流的流向判断：电子流出或电流流入的电极为负极，反之为正极。(4)根据原电池里电解质溶液中离子的流动方向判断：阳离子移向的电极为正极，阴离子移向的电极为负极。(5)根据原电池的两极发生的现象判断：一般溶解或质量减轻的电极为负极，有气体生成或金属析出的电极为正极。问题2分别写出酸性和碱性氢氧燃料电池的电极反应式：氢氧燃料电池电池总反应：2H2＋O2=2H2O电极负极反应式正极反应式酸性电池H2－2e－=2H＋O2＋4H＋＋4e－=2H2O碱性电池H2＋2OH－－2e－=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－1.判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。(1)(2018·江苏卷)氢氧燃料电池放电时化学能全部转化为电能(×)(2)图1所示装置中石墨电极反应：O2＋4H＋＋4e－=2H2O(×)图1图2(3)(2019·江苏卷)氢氧燃料电池的负极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－(×)(4)(2019·江苏卷)常温常压下，氢氧燃料电池放电过程中消耗11.2LH2，转移电子的数目为6.02×1023(×)(5)(2020·海南卷)图2中a电极的反应式为O2＋4e－－4H＋=2H2O(×)(6)(2021·浙江卷6月)将生铁进一步炼制，减少含碳量，能得到耐腐蚀的钢(√)(7)(2023·武汉武昌5月)铅酸蓄电池的正极质量增加3.2g时，电路中通过的电子数目为0.1NA(√)(8)(2023·湛江二模)铜和银在任何条件下都不能形成原电池(×)(9)(2023·深圳二调)将铁钉浸没在NaCl溶液中可验证铁的析氢腐蚀(×)(10)(2023·武汉4月模拟)青铜中的锡会加快铜腐蚀(×)(11)(2022·江苏卷)铅蓄电池放电时的正极反应：Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4(×)(12)(2023·安徽师大附中)电热水器用镁棒防止内胆腐蚀是牺牲阳极法(√)(13)铅蓄电池放电时Pb是负极，PbO2是正极；充电时外电源的正极与PbO2相连接(√)2.(2023·福建漳州一模)甲烷燃料电池以熔融碳酸盐为电解质，该电池工作原理如图所示。下列说法错误的是(B)A.电池工作时，COeq\o\al(2－,3)向通入a的一极迁移B.通入a的一极为原电池的负极，发生还原反应C.正极上的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)D.标准状况下，消耗22.4LCH4转移的电子数目为8NA【解析】该电池为原电池，甲烷为燃料，通入a的一极为原电池的负极，负极发生氧化反应，B错误。3．(2023·安徽合肥一模)某科研机构研发的NO－空气燃料电池的工作原理如图所示。下列叙述正确的是(C)A.a电极为电池负极B.电池工作时H＋透过质子交换膜从右向左移动C.b电极的电极反应式：NO－3e－＋2H2O=4H＋＋NOeq\o\al(－,3)D.当外电路中通过0.2mol电子时，a电极处消耗O2【解析】燃料电池燃料作负极，则b极为负极，a极为正极，A错误；阳离子移向正极，因此电池工作时H＋透过质子交换膜从左向右移动，B错误；a电极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O，当外电路中通过0.2mol电子时，a电极处消耗O20.05mol，未说明标准状况，无法计算消耗氧气的体积，D错误。4.(2023·广东卷)负载有Pt和Ag的活性炭，可选择性去除Cl－实现废酸的纯化，其工作原理如图。下列说法正确的是(B)A.Ag作原电池正极B.电子由Ag经活性炭流向PtC.Pt表面发生的电极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－D.每消耗标准状况下11.2L的O2，最多去除1molCl－【解析】由图可知这是原电池原理，Ag极失去电子发生氧化反应，Ag为负极，O2在Pt得电子发生还原反应，Pt为正极，A错误；溶液为酸性，故Pt表面发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－=2H2O，C错误；每消耗标准状况下11.2L(0.5mol)的O2，转移2mol电子，根据Ag－e－＋Cl－=AgCl↓，故最多去除2molCl－，D错误。考点1原电池的工作原理知识梳理原电池(以锌铜原电池为例)原电池是将化学能转化为电能的装置。装置图反应原理负极：(氧化反应)Zn－2e－=Zn2＋正极：(还原反应)2H＋＋2e－=H2↑负极：(氧化反应)Zn－2e－=Zn2＋正极：(还原反应)Cu2＋＋2e－=Cu电池总反应：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑电池总反应：Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋三个流向①电子流向：电子从负极经导线流向正极(电势高低：正极高于负极)②电流流向：电流从正极经导线流向负极③离子流向：在电解质溶液中，阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移盐桥的作用①连接内电路形成闭合回路②维持两电极电势差(平衡电荷)，在盐桥中K＋向正极移动③能减少能量转化的损耗原电池形成的条件1.两个活动性不同的电极(一般为活动性不同的两种金属或一种金属和一种非金属导体，浓差电池两极材料相同)。2.电极材料插在电解质溶液中。3.两极相连，形成闭合回路。4.能发生自发的氧化还原反应。[注意]铜、银在稀硫酸中不能形成原电池，但是铜、银在硝酸银溶液可以形成原电池。离子交换膜的类型与作用1.离子交换膜的类型：阳离子交换膜(含质子交换膜)、阴离子交换膜。(1)阳离子能穿过阳离子交换膜，阴离子能穿过阴离子交换膜。(2)离子穿过离子交换膜的方向是从浓溶液向稀溶液。2.离子交换膜的作用(1)平衡两边电极区的电荷。(2)避免交换膜两边的电极或电极区产物之间发生反应。(3)形成浓差电池：电极材料相同，离子交换膜两边电解质溶液的浓度不同而形成的原电池。解疑释惑33原电池正、负极的判断1.根据电极材料判定：一般情况下相对活泼的金属是负极，活动性较弱的金属电极或石墨电极是正极(此规则对一些非常规电池不适用，如Al-Cu-浓硝酸电池与Mg-Al-NaOH电池)；如果是由金属和金属氧化物导体作电极，金属是负极，金属氧化物导体是正极。考场经验：负极的电势低，正极的电势高。2.根据电极反应物质及氧化还原反应判定：发生氧化反应的极(或在该极处失电子)为负极；发生还原反应的极(或在该极处得电子)为正极。考场经验：(1)发生氧化反应的电极也是阳极，发生还原反应的电极也是阴极。所以原电池的负极也是阳极，正极也是阴极，只是一般原电池我们常说负极和正极。(2)在燃料电池中，燃料(还原性物质)发生反应的电极为负极；O2(氧化性物质)发生反应的电极为正极。3.根据原电池电子或电流的流向判定：电子流出或电流流入的电极为负极，电子流入或电流流出的电极为正极。4.根据原电池中电解质溶液离子的移动方向判断：阳离子移向正极，阴离子移向负极。考场经验：盐桥中的阳离子向正极方向移动；H＋穿过质子交换膜向正极移动。5.根据原电池的两极发生的现象判断：一般情况下，质量减轻(电极消耗)的电极为负极，有金属析出或气体产生的电极为正极(此规则具有相当的局限性，它对于一些常规的原电池的电极判定较为准确，如Al-Cu-稀硫酸)。[小结][及时巩固](2021·广东卷)火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时(D)A.负极上发生还原反应B.将电能转化为化学能C.阳离子由正极移向负极D.CO2在正极上得电子【解析】放电时为原电池，负极失去电子发生氧化反应，A错误；放电时将化学能转化为电能，B错误；阳离子由负极向正极迁移，C错误；CO2在正极上得电子，D正确。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(C)A.电流从锌极经过导线移向铜极B.铜电极上发生反应Cu－2e－=Cu2＋C.电池工作一段时间后，乙池的c(Cu2＋)减小D.电池工作一段时间后，甲池的c(Zn2＋)增加【解析】锌电极为负极，失去电子发生氧化反应，电子从锌极经过导线移向铜极，电流从铜极经过导线移向锌极，A错误；铜电极为正极，发生还原反应，电极反应式：Cu2＋＋2e－=Cu，B错误；乙池的c(Cu2＋)减小，C正确；阳离子交换膜只允许阳离子通过，甲池电极反应为Zn－2e－=Zn2＋，产生的锌离子通过阳离子交换膜移向乙池，根据电荷守恒，c(Zn2＋)不变，D错误。镁海水溶解氧电池具有能量密度高、安全性好、贮备时间长、价格低和环保等优势，其结构如图所示。下列说法正确的是(D)A.a电极为电池正极B.电池工作时，海水中的Cl－向b电极移动C.每消耗24gMg的同时消耗11.2LO2D.电池工作时，b电极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－【解析】根据原电池装置可判断，活泼金属Mg作负极，发生失电子氧化反应，石墨作正极，发生得电子还原反应，A错误；阴离子向负极移动，即海水中的Cl－向a电极移动，B错误；未指明是否处于标准状况，不能用标准状况下的气体摩尔体积计算，C错误。(2023·安徽淮北一模)一种新型电池装置如图所示。下列叙述错误的是(C)A.镍钴电极反应式：N2H4＋4OH－－4e－=N2↑＋4H2OB.Ⅱ区的Na＋通过a交换膜向Ⅰ区迁移，Cl－通过b交换膜向Ⅲ区迁移C.该装置工作时总反应：N2H4＋4OH－＋4H＋=N2↑＋4H2OD.该装置工作时还利用了中和能【解析】该装置为原电池，镍钴电极应为原电池的负极，发生的电极反应为N2H4＋4OH－－4e－=N2↑＋4H2O；铂电极不活泼应为正极，发生的电极反应为4H＋＋4e－=2H2↑，A正确；原电池中阳离子向正极迁移，阴离子向负极迁移，B正确；正、负极反应式相加得总反应：N2H4=N2↑＋2H2↑，C错误；根据正、负极反应式可知，该装置工作时还利用了中和能，D正确。(2023·广东六校第三次联考)下图装置工作时，电流计指针偏转一段时间后，两极区Cu(NO3)2溶液的浓度趋于一致。下列说法正确的是(D)A.放电时Cu(1)电极质量增大，发生电极反应：Cu2＋＋2e－=CuB.电流表两端电势：a>bC.当电路中通过2mol电子时，阴极区溶液质量减少64gD.随c(Cu2＋)增大，Cu2＋的氧化性增强，Cu的还原性减弱【解析】该装置为浓差电池，Cu(1)为负极，Cu(2)为正极，浓硝酸铜溶液中NOeq\o\al(－,3)通过阴离子交换膜向稀溶液(负极)移动，最终两极区Cu(NO3)2溶液的浓度趋于一致。放电时铜离子得电子生成铜，电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，则Cu(2)电极质量增大，A错误；正极的电势大于负极，则电势：b>a，B错误；阴极区即负极区，铜失电子生成铜离子，电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，当电路中通过2mol电子时，生成1mol铜离子，同时有2mol硝酸根离子进入，溶液质量增加(64＋144)g，C错误；铜离子浓度大的一极作正极，Cu2＋表现氧化性，铜离子浓度小的一极做负极，Cu表现还原性，因此c(Cu2＋)增大而Cu2＋的氧化性随之增强，Cu的还原性减弱，D正确。深度指津浓差电池1.如图正负电极均为Ag单质，左右两池AgNO3溶液的浓度不同。只有两边AgNO3溶液浓度不同，才能形成浓差电池。离子交换膜的作用是平衡电荷，形成浓差电池。2.根据电流表指针偏转的方向，可推出左侧为负极，右侧为正极。负极反应式：Ag－e－=Ag＋；正极反应式：Ag＋＋e－=Ag。负极Ag失电子变成Ag＋，为了平衡电荷，离子是从(原溶液)浓度高的一方迁移到浓度低的一方。由此判断是NOeq\o\al(－,3)穿过离子交换膜，离子交换膜必然是阴离子交换膜。3.随着反应进行，左右两池浓度的差值逐渐减小，外电路中电流将减小，电流计指针偏转幅度逐步变小。当左右两侧离子浓度相等时，电池将停止工作、不再有电流产生，此时溶液中左、右边硝酸银溶液的物质的量浓度相等。考点2燃料电池知识梳理燃料电池燃料电池是一种持续地将燃料和氧化剂的化学能转化成电能的一类化学电源。电池的负极一般是氢气、天然气、甲醇、乙醇等燃料，正极一般是氧气或空气。燃料电池总反应和该燃料在氧气中燃烧的化学方程式相同。氢氧燃料电池根据电解质溶液的酸碱性不同分为酸性电池和碱性电池。工作原理如图所示：1.酸性氢氧燃料电池，电极反应式由H＋平衡电荷：负极反应式：H2－2e－=2H＋正极反应式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O总反应：2H2＋O2=2H2O2.碱性氢氧燃料电池，电极反应式由OH－平衡电荷：负极反应式：H2＋2OH－－2e－=2H2O正极反应式：O2＋2H2O＋4e－=4OH－总反应：2H2＋O2=2H2O有机物燃料电池(以碱性乙醇燃料电池为例)1.首先写出C2H5OH的燃烧化学方程式，确定反应转移的电子数(也可直接由C2H5OH→CO2中碳元素的化合价变化，确定反应转移的电子数目)。C2H5OH＋3O2eq\o(→,\s\up7(点燃))2CO2＋3H2O(由O2可推出转移的电子数为12e－)2.在书写电极反应式之前，要明确电解质溶液是酸性还是碱性。若是酸性电池，氧化产物为CO2；若是碱性电池，氧化产物则为COeq\o\al(2－,3)。以碱性乙醇电池为例说明电极反应式的书写步骤：Ⅰ.在负极，C2H5OH失电子：Ⅱ.在正极，O2得电子：负极反应式：C2H5OH－12e－＋16OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O正极反应式：O2＋4e－＋2H2O=4OH－总反应：C2H5OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋5H2O[及时训练]1．甲烷－O2燃料电池(1)电解质为硫酸溶液负极反应式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋正极反应式：O2＋4e－＋4H＋=2H2O总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O(2)电解质为KOH溶液负极反应式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O正极反应式：O2＋4e－＋2H2O=4OH－总反应：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O2.苯－O2燃料电池(1)电解质为硫酸溶液负极反应式：C6H6－30e－＋12H2O=6CO2↑＋30H＋正极反应式：O2＋4e－＋4H＋=2H2O总反应：C6H6＋42OH－－30e－=6COeq\o\al(2－,3)＋24H2O(2)电解质为KOH溶液负极反应式：O2＋4e－＋2H2O=4OH－正极反应式：2C6H6＋15O2=12CO2＋6H2O总反应：2C6H6＋15O2＋24KOH=12K2CO3＋18H2O熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池的电极反应用COeq\o\al(2－,3)平衡电荷。以甲烷为例，写出电极反应式：负极：CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－=5CO2＋2H2O正极：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池的电板反应用O2－平衡电荷。以甲烷为例，写出电极反应式：负极：CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O正极：O2＋4e－=2O2－解疑释惑34微生物燃料电池微生物(或酶)电池是指在微生物的作用下(类似催化作用)，将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示：1.微生物(或酶)有利于有机物的氧化反应，促进了反应中电子的转移。2.有机物在负极失去电子，负极反应中有CO2生成，同时产生了H＋(如葡萄糖在负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－=6CO2↑＋24H＋)，H＋通过质子交换膜从负极区移向正极区。[及时巩固]氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理如图所示。下列说法正确的是(D)A.电池工作时，电能转化为化学能B.负极的电极反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－C.电子由电极b通过导线流向电极aD.2mol氢气和1mol氧气的总能量高于2mol水的总能量【解析】氢氧燃料电池为原电池，工作时，是将化学能转化为电能，A错误；氢气失去电子，作负极，电极反应为H2＋2OH－－2e－=2H2O，B错误；电极a为负极，b为正极，电子由电极a通过导线流向电极b，C错误；氢气、氧气燃烧生成水的反应为放热反应，即2mol氢气和1mol氧气的总能量高于2mol水的总能量，D正确。(1)图1为“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图。a、b均为多孔性Pt电极。图1①b电极是________(填“正”或“负”)极。②a电极上的电极反应式为____________________________________________________________________________________________。(2)环氧乙烷经水解可得到乙二醇。写出乙二醇－氧气碱性燃料电池的负极电极反应式：_______________________________________________________。(3)(2020·江苏卷)研究HCOOH燃料电池性能的装置如图2所示，两电极区之间用允许K＋、H＋通过的半透膜隔开。图2①电池负极反应式为______________________________；放电过程中需补充的物质A为________(填化学式)。②图2所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为____________________________。【答案】(1)①正②CH3OCH3—12e－＋3H2O=2CO2↑＋12H＋(2)HOCH2CH2OH－10e－＋14OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋10H2O(3)①HCOO－＋2OH－－2e－=HCOeq\o\al(－,3)＋H2OH2SO4②2HCOOH＋2OH－＋O2=2HCOeq\o\al(－,3)＋2H2O或2HCOO－＋O2=2HCOeq\o\al(－,3)(2023·韶关一模)用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如图所示。下列说法错误的是(C)A.电极1发生氧化反应B.电池工作时，Na＋向电极2移动C.电池工作时，电极1附近溶液的pH增大D.电极2的电极反应式为O2＋H2O＋4e－=4OH－【解析】液氧是氧化剂，电极2为正极，液氨是还原剂，在负极上失去电子被氧化为氮气，电极1是负极。电极1的反应式为2NH3－6e－＋6OH－=N2＋6H2O，反应消耗氢氧根离子，pH减小，C错误。(2022·扬州二模)一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(B)A.电极B是该电池的负极B.电池工作时，COeq\o\al(2－,3)向电极A移动C.电极B上发生的电极反应为O2－4e－=O2－D.H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－=2H2O【解析】电极B上氧气得电子，作正极，A错误；电极A上，CO和H2失电子，作负极，原电池工作时，阴离子向电极A移动，B正确；电极B的电极反应式为O2＋4e－＋2CO2=2COeq\o\al(2－,3)，C错误；电极A的电极反应式为H2＋COeq\o\al(2－,3)－2e－=H2O＋CO2，D错误。(2023·苏锡常镇一模)如图为某微生物燃料电池净化水的原理。下列说法正确的是(C)A.N极为负极，发生氧化反应B.电池工作时，N极附近溶液pH减小C.M极发生的电极反应为(C6H10O5)n－24ne－＋7nH2O=6nCO2↑＋24nH＋D.处理0.1molCr2Oeq\o\al(2－,7)时，有1.4molH＋从交换膜左侧向右侧迁移【解析】由图可知，有机物失去电子发生氧化反应生成二氧化碳，则M为负极；重铬酸根离子得到电子发生还原反应，则N为正极，A错误；电池工作时，重铬酸根离子得到电子，发生还原反应生成Cr3＋：Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2O，M极发生反应：(C6H10O5)n－24ne－＋7nH2O=6nCO2↑＋24nH＋，当电路中转移6mole－时，M极产生6molH＋，n极消耗14H＋，则N极附近溶液pH变大，B错误；根据得失电子守恒可知，4nCr2Oeq\o\al(2－,7)～24ne－～(C6H10O5)n～24nH＋，则处理0.1molCr2Oeq\o\al(2－,7)时，有0.6molH＋从交换膜左侧向右侧迁移，D错误。考点3常见的化学电源知识梳理常见的化学电源1.一次电池——干电池(1)普通锌锰干电池(图1)负极(Zn)：Zn－2e－＋2NH3=[Zn(NH3)2]2＋正极(MnO2、NH4Cl)：MnO2＋NHeq\o\al(＋,4)＋e－=MnO(OH)＋NH3电池总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)图1图2(2)碱性锌锰干电池(图2)负极(Zn)：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正极(MnO2)：MnO2＋H2O＋e－=MnO(OH)＋OH－电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2(3)锌银电池(图3)负极(Zn)：Zn＋2OH－－2e－=ZnO＋H2O正极(Ag2O)：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－电池总反应：Zn＋Ag2O=ZnO＋2Ag图32.二次电池(可充电电池)负极材料：Pb；正极材料：PbO2；电解质：H2SO4溶液。(1)放电过程负极：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4(氧化反应)；正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O(还原反应)；总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4eq\o(=,\s\up7(放电))2PbSO4＋2H2O。(2)充电过程(是放电反应的逆过程)阴极：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)，(接电源的负极，发生还原反应)；阳极：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)，(接电源的正极，发生氧化反应)；总反应：2PbSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(充电))Pb＋PbO2＋2H2SO4。[及时巩固]如图为铅蓄电池示意图，铅蓄电池工作时的反应式为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SOeq\o\al(2－,4)eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))2PbSO4＋2H2O。某状态下测得两电极的质量都增加。在该状态下，下列说法正确的是(D)A.a极为铅蓄电池的正极B.铅蓄电池正在充电C.一段时间后，溶液的pH减小D.b极的电极反应式为PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O【解析】铅蓄电池的电极材料分别为Pb和PbO2，放电时，负极反应式为Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4，正极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4＋2H2O，由题给信息知，两电极质量都增加，故该状态下铅蓄电池正在放电，A、B错误，D正确；放电时，由电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O可知，氢离子浓度减小，pH增大，C错误。(2023·武汉4月模拟)我国某科研团队借助氧化还原介质RM，将Li－CO2电池的放电电压提高至3V以上，该电池的工作原理如图。下列说法正确的是(B)A.LiFePO4电极的电势比多孔碳电极的高B.负极反应式：LiFePO4－xe－=xLi＋＋Li1－xFePO4C.RM和RM′－COeq\o\al(－,2)均为该电池反应的催化剂D.LiFePO4电极每减重7g，就有22gCO2被固定【解析】该电池为原电池，由Li＋向正极移动可推出左侧电极为负极、右侧电极为正极，故LiFePO4电极的电势比多孔碳电极的低，A错误；左侧电极为负极，LiFePO4失去电子发生氧化反应：LiFePO4－xe－=Li1－xFePO4＋xLi＋，B正确；RM为该电池反应的催化剂，而RM′－COeq\o\al(－,2)为该电池反应的中间产物，C错误；由负极电极反应可知，LiFePO4电极每减重7g则转移1mol电子，反应中碳元素化合价由＋4变为＋3，则根据电子守恒可知，有1mol即44gCO2被固定，D错误。深度指津新型锂电池类型锂电池装置图说明Li－CO2电池电池反应：4Li＋3CO2eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))2Li2CO3＋C(隔膜只允许锂离子通过，向正极移动)放电时：锂为负极，负极反应式：Li－e－=Li＋铱基电极为正极，正极反应式：3CO2＋4Li＋＋4e－=2Li2CO3＋CLiFePO4－C电池电池反应：Li1－xFePO4＋LixC6eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))LiFePO4＋6C(隔膜只允许锂离子通过，向正极移动)放电时：M为负极，负极反应式：LixC6－xe－=6C＋xLi＋N为正极，正极反应式：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－=LiFePO4全固态锂－硫电池电池反应：16Li＋xS8eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))8Li2Sx(2≤x≤8)(Li＋移向电极a)电极a掺有石墨烯是为了增强电极导电性放电时：电极b为负极，负极反应式：Li－e－=Li＋电极a为正极，正极反应式：S8＋2e－＋2Li＋=Li2S82Li＋＋3Li2S8＋2e－=4Li2S62Li＋＋2Li2S6＋2e－=3Li2S42Li＋＋Li2S4＋2e－=2Li2S2锂－空气电池电池反应：4Li＋O2＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))4LiOH(Li＋由负极A向正极B移动)放电时：A为负极，负极反应式：Li－e－=Li＋B为正极，正极反应式：O2＋4e－＋2H2O=4OH－(电解液不能是水溶液，因为金属锂可与水反应)考点4金属的腐蚀知识梳理金属的腐蚀1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较类型化学腐蚀电化学腐蚀发生条件金属与反应物直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触现象无电流产生有电流产生本质金属被氧化的过程较活泼的金属被氧化的过程相互关系两种腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍2.析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以Fe为例)类型条件及电极反应式示意图析氢腐蚀条件：电解质溶液呈酸性负极：Fe－2e－=Fe2＋正极：2H＋＋2e－=H2↑总反应：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑吸氧腐蚀条件：电解质溶液呈中性或弱酸性负极：Fe－2e－=Fe2＋正极：O2＋4e－＋2H2O=4OH－总反应：2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)24Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)32Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O注意：①钢铁的腐蚀主要是吸氧腐蚀②吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别在于正极反应③吸氧腐蚀发生的条件是中性或弱酸性水膜；析氢腐蚀发生的条件是酸性较强的水膜金属的保护方法1.内因：改变金属内部组成和结构。如铁与铬、镍形成不锈钢。2.外因：防止形成原电池。(1)在金属表层涂上油漆、矿物性油脂等。(2)在金属表层镀上一层纯金属。如表层镀锌的镀锌铁破损后，铁为正极，不腐蚀，锌为负极，被腐蚀，可继续起到保护铁制品的作用。而表层镀锡的镀锡铁，价格虽比镀锌铁低，但表层磨损后，锡为正极，铁为负极，加快了钢铁的腐蚀。(3)此外，还可将铁钝化，使其表面形成一层致密的氧化物膜。3.牺牲阳极法利用原电池的原理保护金属的一种方法，如海轮可以用锌块与船体(铁)相连接，形成原电池保护船体。牺牲锌(负极)保护铁(正极)，叫作牺牲阳极保护法。4.外加电流法(详见第20讲电解池及其应用)[及时巩固]判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。(1)粗锌与稀硫酸反应制氢气比纯锌快，是因为粗锌形成微小原电池(√)(2)镀层受损的白铁皮(镀锌板)比马口铁(镀锡)腐蚀的慢(√)(3)钢铁吸氧腐蚀的正极反应：4OH－－4e－=2H2O＋O2(×)(4)纯银器表面在空气中因电化学腐蚀渐渐变暗(×)(5)铜板上的铁钉在潮湿空气中容易生锈(√)(2023·茂名二模)将裹有锌片的铁钉放入含有酚酞－饱和NaCl琼脂溶液中，滴加少量酚酞溶液。下列说法不正确的是(C)A.a处溶液会变红B.b处c(Zn2＋)增大C.c处产生较多无色气泡D.该实验说明Fe受到保护【解析】裹有锌片的铁钉放入含有酚酞－饱和NaCl琼脂溶液中，发生原电池腐蚀，a为铁钉，为原电池正极，发生反应O2＋4e－＋2H2O=4OH－，产生OH－，酚酞溶液变红，A正确；b处为锌片，锌片为负极，发生反应：Zn－2e－=Zn2＋，c(Zn2＋)增大，B正确；c处为铁钉，发生反应O2＋4e－＋2H2O=4OH－，不会产生气泡，C错误；铁为正极，不发生反应，被保护，D正确。1．一种锌－空气电池工作原理如图所示，放电时Zn转化为ZnO。下列说法正确的是(B)A.空气中的氧气在石墨电极上发生氧化反应B.该电池的负极反应式为Zn－2e－＋2OH－=ZnO＋H2OC.该电池放电时溶液中的OH－向石墨电极移动D.该电池工作一段时间后，溶液pH明显增大【解析】锌失电子发生氧化反应，作负极，氧气得电子发生还原反应，石墨电极为正极，A错误；该电池放电时溶液中的OH－向负极Zn电极移动，C错误；电池总反应为2Zn＋O2=2ZnO，该电池工作一段时间后，溶液的c(OH－)变化不大，D错误。2.(2023·湖北联考)某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2=2AgCl。下列说法错误的是(D)A.负极的电极反应式为Ag－e－＋Cl－=AgClB.放电时，H＋从左向右通过阳离子交换膜C.若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应不会改变D.当电路中转移0.01mole－时，阳离子交换膜左侧溶液中约减少0.01mol离子【解析】负极是Ag，失去电子，化合价升高，电极反应式为Ag－e－＋Cl－=AgCl，A正确；放电时，溶液中的阳极子流向正极，所以溶液中的H＋从左向右通过阳离子交换膜，B正确；根据电池总反应可知，溶液中的钠离子和氢离子并未参与电极反应，所以用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应不会改变，C正确；当电路中转移0.01mole－时，根据负极反应式可推知左侧溶液减少0.01molCl－，同时会有0.01molH＋从左向右通过阳离子交换膜，所以阳离子交换膜左侧的溶液共约减少0.02mol离子，D错误。3．(2023·安徽黄山二模)一种水性电解液Zn－MnO2离子选择双隔膜电池如图所示{KOH溶液中，Zn2＋以[Zn(OH)4]2－存在}。电池放电时，下列叙述正确的是(D)A.Ⅱ区的SOeq\o\al(2－,4)通过交换膜向Ⅰ区迁移B.Ⅲ区的K＋通过交换膜最终向Ⅰ区迁移C.Zn电极反应：Zn＋2e－＋4OH－=[Zn(OH)4]2－D.电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋=[Zn(OH)4]2－＋Mn2＋＋2H2O【解析】Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－=[Zn(OH)4]2－，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2＋2e－＋4H＋=Mn2＋＋2H2O，电池在工作过程中，阳离子向正极迁移、阴离子向负极迁移，因此Ⅰ区的SOeq\o\al(2－,4)向Ⅱ区移动，Ⅲ区的K＋向Ⅱ区移动。Ⅱ区的SOeq\o\al(2－,4)向Ⅲ区移动，但是不能通过阳离子交换膜，A错误；Ⅲ区的K＋通过交换膜Ⅱ区移动，不能通过阴离子交换膜向Ⅰ区迁移，B错误；Zn电极反应：Zn－2e－＋4OH－=[Zn(OH)4]2－，C错误。4.(2023·广东六校第三次联考)利用原电池原理可以避免金属腐蚀，某小组同学设计了如图所示的实验方案来探究铁片的腐蚀情况。下列说法正确的是(C)A.甲中的铁片附近会出现蓝色B.甲中形成了原电池，锌片作正极C.乙中铜片附近会出现红色D.乙中的铜片上发生氧化反应【解析】甲中锌为负极，其失去电子变为锌离子，而铁片是正极，其被保护而不会被腐蚀，没有亚铁离子生成，因此铁片附近不会出现蓝色，A、B错误；乙中铁作负极，铜作正极，铜附近氧气得到电子变为OH－而使溶液呈碱性，则酚酞变为红色，故铜片附近出现红色，C正确；乙中铁作为负极，其失去电子变为亚铁离子，发生氧化反应，铜片作为正极，其表面上氧气发生还原反应，D错误。第19讲原电池及其应用1.(2023·广州期初)近年来，我国科学技术迅猛发展。下列设备工作时，将化学能转化为电能的是(D)A.微波炉 B.硅太阳能电池C.电动车电池充电 D.锂离子电池【解析】微波炉工作时，将电能转化为热能，A不选；硅太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能，B不选；电动车电池充电时，将电能转化为化学能，C不选；锂离子电池工作时，将化学能转化为电能，D选。2.电化学原理在日常生活和科技领域中应用广泛。下列说法正确的是(C)A.甲：H＋向Zn电极方向移动，Cu电极附近溶液pH增大B.乙：电池充电时，二氧化铅与电源的负极连接C.丙：被保护的金属铁应该与电源的负极连接D.丁：负极的电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－=COeq\o\al(2－,3)＋6H2O【解析】甲为原电池，Zn失电子作负极，Cu为正极，H＋向Cu电极方向移动，A错误；乙为铅蓄电池，电池充电时，电池的负极和电源的负极相连接，即铅与电源的负极连接，B错误；被保护的金属铁作为阴极与电源负极相连，C正确；燃料电池通燃料的一极为负极，酸性环境下电极反应式为CH3OH＋H2O－6e－=CO2↑＋6H＋，D错误。3.(2023·广州模拟)铝－空气电池因成本低廉、安全性高，有广阔的开发应用前景。一种铝－空气电池放电过程示意如图，下列说法正确的是(D)A.a为正极，放电时发生氧化反应B.放电时OH－向b极迁移C.外电路中，电流从a流向bD.该电池负极电极反应式为Al－3e－＋4OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O【解析】a电极为铝－空气电池的负极，碱性条件下，铝失去电子发生氧化反应，电极反应式为Al－3e－＋4OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，b电极为正极，空气中的氧气在正极得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH—，A错误，D正确；放电时阴离子向负极(a电极)迁移，B错误；放电时，外电路中电流从正极b流向负极a，C错误。4.(2023·广州模拟)利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是(B)A.a电极为电池正极B.电池工作时，海水中的Na＋向b电极移动C.电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性D.每消耗1kgAl，电池最多向外提供37mol电子的电量【解析】活泼金属Al失去电子，则a电极为原电池的负极，A错误；电池工作时，海水中的Na＋向正极b电极方向移动，B正确；电池工作时，a电极上Al失去电子变为Al3＋进入溶液，Al3＋会发生水解，使附近溶液显弱酸性，故紧邻a电极区域的海水呈弱酸性，C错误；1molAl失去3mol电子，1kgAl的物质的量n(Al)＝eq\f(1000g,27g/mol)＝eq\f(1000,27)mol，则该电池工作时不计能量损耗，电池最多向外提供电子的物质的量＝eq\f(1000,27)mol×3≈111mol，故该电池最多向外提供111mol电子的电量，D错误。5.(2023·广州期末)Li－O2电池比能量高，可用于汽车、航天等领域。电池总反应为2Li＋O2eq\o(==,\s\up6(放电),\s\do4(充电))Li2O2。放电时，下列说法错误的是(C)A.Li在负极失去电子B.O2在正极发生还原反应C.阳离子由正极移向负极D.化学能转化成电能【解析】放电时，锂失去电子发生氧化反应，为负极，A正确；O2得到电子，在正极发生还原反应，B正确；原电池中阳离子向正极移动，C错误；原电池是将化学能转化为电能的装置，D正确。6.铅蓄电池是一种典型的可充电电池，其放电时的电池总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。下列说法中错误的是(A)A.电池工作时，负极反应式为Pb－2e－=Pb2＋B.铅蓄电池是二次电池，充电时电能转化为化学能C.电池工作时，电子由Pb板通过导线流向PbO2板D.电池工作时，溶液中H＋移向PbO2板【解析】电池工作时，负极反应式为Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4，A错误。7.(2024·湖北联考)将NH3、NO2设计成熔融固态氧化物燃料电池，总反应为6NO2＋8NH3=7N2＋12H2O，该装置如图所示。下列关于该装置工作时的叙述正确的是(C)A.电极Y为正极，发生还原反应B.电池工作时，氧离子从Y极向X极移动C.X极的电极反应式：2NO2＋8e－=N2＋4O2－D.若22.4LNO2参与反应，则通过外电路电子的物质的量是4mol【解析】由总反应6NO2＋8NH3=7N2＋12H2O可知，电极X上二氧化氮转化为氮气，N元素化合价降低，则X为正极，电极反应式为2NO2＋8e－=N2＋4O2－；电极Y上氨气转化为氮气和水，N元素化合价升高，Y为负极，电极反应式为2NH3＋3O2－－6e－=3H2O＋N2。电极Y为负极，发生氧化反应，A错误；氧离子从X极向Y极移动，B错误；未指明气体所处状态，无法计算气体的物质的量，因而无法计算通过外电路电子的物质的量，D错误。8.(2023·深圳模拟)科学家研发了一种绿色环保“全氧电池”，有望减少废旧电池产生的污染。其工作原理如图所示，下列说法正确的是(D)A.K＋向电极a移动B.电极b的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－C.理论上，当电极a释放出22.4LO2(标准状况下)时，KOH溶液质量减少32gD.“全氧电池”工作时将酸碱反应的中和能转化为电能【解析】由图可知，O2在电极b得电子，发生还原反应，电极b为正极，电极a为负极，阳离子流向正极，K＋向电极b移动，A错误；电极b上O2得电子，溶液是酸性环境，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O，B错误；电极a电极反应式为4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，理论上，当电极a释放出22.4LO2(标准状况下)即1molO2时，同时有4molK＋移向右侧的K2SO4溶液中，所以KOH溶液减少质量为1mol×32g/mol＋4mol×39g/mol＝188g，C错误；“全氧电池”工作时总反应为H＋＋OH－=H2O，即将酸碱反应的中和能转化为电能，D正确。9.(2023·安徽马鞍山三模)某新型电池，可将CO2气体转化为CO和H2，其原理如图所示。下列说法正确的是(C)A.电极A为原电池的正极，发生氧化反应B.放电过程中，H＋由A极区向B极区迁移C.若电路中转移0.6mol电子，生成的CO和H2共0.3molD.B极区液体为纯甘油【解析】A电极中CO2转化为CO，碳元素化合价降低，发生还原反应，为原电池的正极，A错误；在电极A发生的反应为CO2＋4H＋＋4e－=CO＋H2＋H2O，H＋由B区向A区迁移，B错误；根据电极A的反应可知，转移4mole－时生成CO和H2共2mol，则转移0.6mol电子时生成CO和H2共0.3mol，C正确；B极区不仅含有甘油，还有产物，是混合物，D错误。10.(2023·广州统考二模)Zn－CO2电池实现了对CO2的高效利用，其原理如图所示。下列说法错误的是(C)A.多孔Pd纳米片为正极，电极上发生还原反应B.Zn电极反应式为Zn＋4OH－－2e－=[Zn(OH)4]2－C.a为H＋，b为OH－D.当外电路通过1mole－时，双极膜中离解水的物质的量为1mol【解析】该电池为原电池，锌发生氧化反应，为负极，则多孔Pd纳米片为正极，电极上发生还原反应，A正确；锌失去电子生成[Zn(OH)4]2－，电极反应式为Zn＋4OH－－2e－=[Zn(OH)4]2－，B正确；原电池中阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，故b为H＋，a为OH－，C错误；当外电路通过1mole－时，由电荷守恒可知，双极膜中离解水的物质的量为1mol，产生1molH＋、1molOH－，D正确。11.(2023·韶关二模)近日，某科研团队研制设计了一种高性能碱性阴离子交换膜直接氨燃料电池，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(B)A.电极A为负极，发生氧化反应B.若交换膜中通过0.3molOH－，A电极区消耗2.24LNH3C.电极B的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O=4OH－D.电