第11讲 原电池 -【暑假弯道超车】2023年新高二化学暑假讲义、习题（原卷版）

学而优教有方第11讲原电池1.宏观辨识与微观探析：以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式。2.变化观念与平衡思想：进一步理解化学能与电能的相互转化，认识从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性。3.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。4.科学态度与社会责任：增强科技意识，染。一、原电池的工作原理1.概念和反应本质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。2.构成条件(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。3.铜锌原电池工作原理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↑。4.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。5.一般电极反应式的书写方法(1)判断原电池的正、负极，即找出氧化剂和还原剂。(2)结合介质的酸碱性确定还原产物和氧化产物。(3)写出电极反应式，将两式相加得总反应式。二、原电池的应用1．加快氧化还原反应的速率构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。2．比较金属活动性强弱例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：a>b。3．设计原电池理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。(1)电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则左右两个烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。(2)电池的电极材料必须能导电。①活动性不同的两种金属。如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极。②金属和非金属。如锌作负极，石墨棒作正极。③金属和化合物。如铅蓄电池，铅块作负极，PbO2作正极。④惰性电极。如氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。三、化学电源一次电池1．化学电源(1)化学电源的分类原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：①一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电。②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。③燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。(2)判断电池优劣的主要标准①比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。②比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。③电池可储存时间的长短。(3)化学电池的回收利用使用后的废弃电池中含有大量的重金属、酸和碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。(4)化学电源的发展方向小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐。如镍氢电池、锂离子电池等。一次电池：（1）锌锰干电池普通锌锰干电池碱性锌锰干电池示意图构造负极：锌正极：石墨棒电解质溶液：氯化铵和氯化锌负极反应物：锌粉正极反应物：二氧化锰电解质溶液：氢氧化钾工作原理负极：Zn－2e－＋2NHeq\o\al(＋,4)Zn(NH3)eq\o\al(2＋,2)＋2H＋正极：2MnO2＋2H＋＋2e－2MnO(OH)总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)负极：Zn＋2OH－－2e－Zn(OH)2正极：2MnO2＋2H2O＋2e－2MnO(OH)＋2OH－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋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－。四、二次电池1．铅蓄电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。(2)放电反应原理①负极反应式是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－PbSO4；②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－PbSO4＋2H2O；③放电过程中，负极质量的变化是增大，H2SO4溶液的浓度减小。(3)充电反应原理①阴极(还原反应)反应式是PbSO4＋2e－Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。即“负极接负极，正极接正极”。2．锂离子电池电极电极反应负极嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－xLi＋＋Cy正极钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－LiCoO2总反应LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。【方法技巧】化学电源电极反应式的书写(1)由装置图或电池总反应式确定电池的正极、负极及各极反应物。(2)电解质溶液中的其他离子的影响，若阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。(3)原电池的正极材料多数只起导电作用，而化学电源的正极材料大多数参与电极反应。五、燃料电池1．燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。2．氢氧燃料电池是一种清洁高效的燃料电池(1)基本构造(2)工作原理酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应2H2－4e－4H＋2H2－4e－＋4OH－4H2O正极反应O2＋4e－＋4H＋2H2OO2＋4e－＋2H2O4OH－总反应2H2＋O22H2O3.能量转换所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，只不过条件不同而已。理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。4．燃料电池电极的书写方法电极的负极反应物一定是燃料，正极反应物为O2或空气。据氧化还原反应规律，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应。特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。【方法技巧】燃料电池电极反应式书写的注意事项(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O2＋4e－2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。考点一原电池的构成及工作原理例1．铜锌原电池装置如图所示，下列分析不正确的是

A．使用盐桥可以清楚地揭示出电池中的化学反应B．原电池工作时，Cu电极流出电子，发生氧化反应C．原电池工作时，总反应为Zn＋Cu2+=Zn2+＋CuD．原电池工作一段时间，右侧容器中的溶液增重考点二原电池工作原理的应用例2．依据氧化还原反应设计的原电池如图所示。下列说法正确的是

A．X电极上发生的电极反应为：B．电极X的材料是Cu，电解质溶液Y是CuSO4溶液C．银电极为电池的负极，被氧化D．盐桥中K+移向CuSO4溶液考点三一次电池例3．常见锌锰干电池的构造如下图所示，下列说法不正确的是A．该电池属于一次电池B．电池工作时，电能转化为化学能C．电池工作时，电子由锌筒流出经过外电路流向石墨棒D．电池工作时，锌筒作负极，电极反应式为考点四二次电池例4．下列有关如图所示铅蓄电池的说法正确的是A．放电时，铅被还原B．放电时，电解质溶液增大C．充电时，原极接电源的负极即可复原D．放电时总反应：考点五燃料电池例5．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列说法正确的是

A．电子从电极A经熔融碳酸盐转移到电极BB．熔融碳酸盐中CO向电极B移动C．CH4在电极A放电生成CO2D．反应过程熔融盐中CO的物质的量不变考点六新型电池例6．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A．b极为负极，放电时发生氧化反应B．电路中每转移4mol电子，消耗22.4L氧气C．放电时OH-往b极迁移D．该电池负极电极反应为：Al+4OH--3e-=AlO+2H2O1．以下装置工作时，可实现化学能转变为电能的是ABCD太阳能电池风力发电氢氧燃料电池电动汽车充电2．下图是以Cu和Zn为电极的两种原电池，设为阿伏加德罗常数的值，下列相关叙述错误的是A．(a)和(b)相比，(a)的能量利用率更高，电流更稳定B．(a)和(b)均为Zn作负极，Cu作正极C．(a)中移向Cu电极，移向Zn电极D．(b)中Zn片质量减少6.5g时，理论上电路中转移个电子3．某同学根据化学反应Fe+Cu2+=Fe2++Cu，并利用实验室材料制作原电池。下列关于该原电池组成的说法正确的是选项ABCD正极石墨棒石墨棒铁棒铜棒负极铁棒铜棒铜棒铁棒电解质溶液CuCl2溶液CuCl2溶液FeSO4溶液FeSO4溶液4．某铜锌原电池的结构如图所示，下列说法正确的是A．Cu电极为该原电池的负极B．Zn电极发生还原反应C．若盐桥中电解质为KCl，则电池工作时移向溶液D．Zn电极上的电极反应式为5．碱性锌锰电池总反应Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列说法正确的是A．该电池为二次电池B．Zn为正极，MnO2为负极C．工作时电子由MnO2经外电路流向ZnD．负极电极反应Zn+2OH－−2e－=Zn(OH)26．银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理为：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag，其工作示意图如图。下列说法正确的是A．Zn电极是正极B．Ag2O电极上发生氧化反应C．Zn电极的电极反应式为：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2D．放电一段时间后，溶液的pH变小7．仅用提供的下列各组物质能组成原电池的选项ABCD电极材料Al、AgC、CCu、CuCu、Fe电解质溶液稀稀稀酒精8．微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是A．正极反应中有H2O生成B．微生物参与的反应中无电子的转移C．质子通过交换膜从负极区移向正极区D．电池总反应为9．氢是燃料电池的理想燃料。氢燃料电池的使用推动了氢气制取、储存和利用技术的不断创新。氨在燃料电池中与O2反应生成N2和H2O，氨易于储存，且泄漏时易被察觉，也是燃料电池的理想燃料。一种氢氧燃料电池的反应装置如图所示。下列说法正确的是A．电极a是正极B．电子经导线由电极b流入电极aC．该电池的总反应为2H2+O2=2H2OD．该装置可将电能转化为化学能10．用如图装置进行实验，产生电流。下列说法不正确的是A．b为电池的负极B．工作一段时间后，a极附近溶液pH减小C．K+从a极经阳离子交换膜移动到b极D．该装置的总反应为：H2+Cl2+2OH-=2Cl-+2H2O11．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，其工作原理如下图所示(双极膜可将水解离成H+和OH-，并实现其定向通过)。下列说法正确的是使用MoS2电极能加快合成氨的速率 B．外电路中电子从MoS2电极流向Zn/ZnO电极C．双极膜左侧为阳离子交换膜 D．当电路中转移0.2mol电子时负极质量减小6.5g12．某原电池装置如图所示，电池总反应为。下列说法不正确的是A．充分放电后左侧溶液中的盐酸浓度基本不变B．正极反应为C．放电时，交换膜右侧溶液不会有大量白色沉淀生成D．当电路中转移时，经过交换膜的离子是13．微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示，质子交换膜只允许质子和水通过。下列有关微生物电池的说法不正确的是A．微生物促进了反应中电子的转移B．正极反应中有生成C．质子通过交换膜从负极区移向正极区D．正极的电极反应式为14．我国科学家最近发明了一种电池，电解质为、和KOH，通过a和b两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域，结构示意图如下。下列说法不正确的是A．a为阳离子交换膜、b为阴离子交换膜B．电子由Zn电极经过外电路流向电极C．放电时，Zn电极反应为D．消耗6.5gZn的同时，电极理论上应增重3.2g15．Cu-Zn(假设起始时两电极质量完全相同)原电池的装置示意图如图，下列说法正确的是(不考虑水解反应)A．M为Zn电极，发生还原反应，失去电子B．电池工作一段时间后，溶液的pH保持不变C．电池工作一段时间后，M和N两电极质量仍相同D．每转移0.2mol电子，同时生成2.24L16．高铁电池是一种新型高能高容量电池，某高铁电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是A．M电极为阴极B．电池工作时，电流方向为：C．极的电极反应式为D．电池工作一段时间后，正极区中的浓度增大17．甲烷是重要的能源物质，下列关于甲烷的叙述不正确的是已知：

kJ⋅molA．甲烷的燃烧热是890.3kJ⋅molB．上述反应每消耗1mol转移8molC．甲烷燃料电池中，通入甲烷的电极上发生还原反应D．1mol完全燃烧生成时，放出的热量少于890.3kJ18．已知熔融碳酸盐燃料电池的工作原理示意图如下，下列说法中正确的是A．放电时，正极的电极反应为B．放电时，负极的电极反应为C．放电时，移向负极D．充电时，A电极与外接电源的正极相连19．钠离子电池被认为是极具潜力的下一代电化学储能技术，与锂离子电池有类似的工作原理，其