2022高考化学一轮复习讲义-第6章第21讲化学能转化为电能

第21讲化学能转化为电能——原电池考点一原电池的工作原理及应用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．工作原理以锌铜原电池为例(1)反应原理电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn片沿导线流向Cu片盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极(2)盐桥的组成和作用①盐桥中装有饱和的KCl、NH4NO3等溶液和琼胶制成的胶冻。②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。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：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。(4)设计制作化学电源①首先将氧化还原反应分成两个半反应。②根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√)(2)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极(√)(3)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生(×)(4)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。(√)(5)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极，活泼金属一定做负极(×)(6)一般来说，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(√)1．在如图所示的4个装置中，不能形成原电池的是______(填序号)，并指出原因________________________________________________________________________。答案①④①中酒精是非电解质；④中未形成闭合回路。2．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：___________________________________。(2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：①负极：__________________________。②正极：______________________________。(3)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：①不含盐桥②含盐桥答案(1)2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋(2)①Cu－2e－=Cu2＋②2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋(3)①不含盐桥②含盐桥题组一原电池的工作原理1．(2018·成都模拟)课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、检流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是()A．原电池是将化学能转化成电能的装置B．原电池由电极、电解质溶液和导线等组成C．图中a极为铝条、b极为锌片时，导线中会产生电流D．图中a极为锌片、b极为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片答案D解析D项，a极为负极，电子由负极(锌片)流出。2．下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是()A．①中锌电极发生氧化反应B．②中电子由a电极经导线流向b电极C．③中外电路中电流由A电极流向B电极D．④中LixC6做负极解析：选C。在原电池中阴离子移向负极，所以③中A电极为负极，则外电路中电流应由B电极流向A电极。3．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A．①②中Mg做负极，③④中Fe做负极B．②中Mg做正极，电极反应式为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．③中Fe做负极，电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋D．④中Cu做正极，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑答案B解析②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子做负极，A、C错；②中电池总反应为－，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－，D错。原电池的工作原理简图注意①电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。②若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。③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。题组二原电池原理的应用4．(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()答案D解析a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。5．(比较金属活动性)有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：实验装置

部分实验现象a极质量减少；b极质量增加b极有气体产生；c极无变化d极溶解；c极有气体产生电流从a极流向d极由此可判断这四种金属的活动顺序是()A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c答案C解析把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a做原电池负极，b做原电池正极，金属活动性：a＞b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由实验③可知，d极溶解，则d做原电池负极，c做正极，活动性：d＞c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。综上所述可知活动性：d＞a＞b＞c。6．某校化学兴趣小组进行探究性活动：将氧化还原反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成带盐桥的原电池。提供的试剂：FeCl3溶液、KI溶液；其他用品任选。回答下列问题：(1)画出设计的原电池装置图，并标出电极材料、电极名称及电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极反应式为____________________________________________。(3)反应达到平衡时，外电路导线中________(填“有”或“无”)电流通过。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，当固体全部溶解后，则此时该溶液中的电极变为________(填“正”或“负”)极。解析：(1)先分析氧化还原反应，找出正、负极反应，即可确定电极材料和正、负极区的电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极，负极上I－失电子变成I2。(3)反应达到平衡时，无电子移动，故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体，平衡逆向移动，此时Fe2＋失电子，该溶液中的电极变成负极。答案：(1)如下图(答案合理即可)(2)2I－－2e－=I2(3)无(4)负题组三聚焦“盐桥”原电池7．某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2Oeq\o\al(2－,7)＞Fe3＋，设计了盐桥式的原电池，如图所示。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是()A．甲烧杯的溶液中发生还原反应B．乙烧杯中发生的电极反应为2Cr3＋＋7H2O－6e－=Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋14H＋C．外电路的电流方向为从b到aD．电池工作时，盐桥中的SOeq\o\al(2－,4)移向乙烧杯答案C解析A项，甲烧杯中发生的反应为Fe2＋－e－=Fe3＋，为氧化反应，错误；B项，乙烧杯中发生还原反应，得到电子，错误；C项，a极为负极，b极为正极，外电路的电流由b→a，正确；D项，SOeq\o\al(2－,4)向负极移动，即移向甲烧杯，错误。8．*控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是()A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原C．检流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．检流计读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极答案D解析由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－⇌2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。9．依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)=Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。请回答下列问题：(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是________(填化学式)。(2)银电极为电池的________极，其电极反应为__________________________________。(3)盐桥中的NOeq\o\al(－,3)移向________溶液。答案(1)CuAgNO3(2)正Ag＋＋e－=Ag(3)Cu(NO3)2考点二化学电源一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用1．碱性锌锰干电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。负极材料：Zn。电极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2。正极材料：碳棒。电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－。2．纽扣式锌银电池总反应：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。电解质是KOH。负极材料：Zn。电极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2。正极材料：Ag2O。电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－。3．锂电池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________，电极反应为___________。(2)正极的电极反应为_____________________。答案(1)锂8Li－8e－=8Li＋(2)3SOCl2＋8e－=2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－二、二次电池：放电后能充电复原继续使用1．铅蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)eq\o(,\s\up9(放电),\s\do3(充电))2PbSO4(s)＋2H2O(l)(1)放电时——原电池负极反应：Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)；正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)。(2)充电时——电解池阴极反应：PbSO4(s)＋2e－=Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)；阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－=PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)。2．图解二次电池的充放电3．二次电池的充放电规律(1)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，可简记为负接负后做阴极，正接正后做阳极。(2)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。三、“高效、环境友好”的燃料电池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.解答燃料电池题目的思维模型3．解答燃料电池题目的几个关键点(1)要注意介质是什么？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。(1)太阳能电池不属于原电池(√)(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)(3)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加(√)(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长(×)(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能(×)(6)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移(×)(7)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1mol电子时，负极增重4.8g(√)题组一根据图示理解化学电源1．普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒做电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2MnO2=[Zn(NH3)2]2＋＋Mn2O3＋H2O。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是()A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原B．电池负极反应式为2MnO2＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2e－=Mn2O3＋2NH3＋H2OC．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极D．外电路中每通过0.1mol电子，锌的质量理论上减小6.5g答案C解析普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应式可知，每通过0.1mol电子，消耗锌的质量是65g·mol－1×eq\f(0.1mol,2)＝3.25g，D项错误。2．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2=Fe＋2Li2S。下列说法正确的是()A．Li为电池的正极B．电池工作时，Li＋向负极移动C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－=Fe＋2S2－D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好答案C＋)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。3.*如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320℃左右，电池的反应式为2Na＋xS=Na2Sx，正极的电极反应式为________________________________________。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是________________________________________。答案xS＋2e－=Seq\o\al(2－,x)(或2Na＋＋xS＋2e－=Na2Sx)导电和隔离钠与硫题组二可充电电池4．(二次电池的理解与应用)镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq\o(,\s\up9(放电),\s\do3(充电))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＋H2OB．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解析放电时Cd的化合价升高，Cd做负极，Ni的化合价降低，NiOOH做正极，则充电时Cd(OH)2做阴极，Ni(OH)2做阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－=NiOOH＋H2O，A项－－2e－=Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C项错误；放电时OH－向负极移动，D项错误。(2020·安徽A10联盟联考)用氟硼酸(HBF4，属于强酸)溶液代替硫酸溶液做铅蓄电池的电解质溶液，可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良，反应方程式为Pb＋PbO2＋4HBF4eq\o(,\s\up9(放电),\s\do3(充电))2Pb(BF4)2＋2H2O，Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质，下列说法中正确的是()A．放电时，负极反应为PbO2＋4HBF4－2e－=Pb(BF4)2＋2BFeq\o\al(－,4)＋2H2OB．充电时，当阳极质量减少23.9g时转移0.2mol电子C．放电时，PbO2电极附近溶液的pH增大D．充电时，Pb电极的电极反应式为PbO2＋4H＋＋2e－=Pb2＋＋2H2O解析：选C。放电时，负极反应为Pb－2e－=Pb2＋，A项错误；充电时，阳极反应为Pb2＋－2e－＋2H2O=PbO2＋4H＋，当阳极质量增加23.9g时转移0.2mol电子，B项错误；放电时，正极反应为PbO2＋4H＋＋2e－=Pb2＋＋2H2O，PbO2电极附近溶液的pH增大，C项正确；充电时，Pb电极的电极反应式为Pb2＋＋2e－=Pb，D项错误。6．*(2018·哈师大附中、东北师大附中、辽宁省实验中学一模)一种突破传统电池设计理念的镁－锑液态金属储能电池工作原理如图所示，该电池所用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后，可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是()A．放电时，Mg(液)层的质量减小B．放电时正极反应为：Mg2＋＋2e－=MgC．该电池充电时，Mg－Sb(液)层发生还原反应D．该电池充电时，Cl－向中层和下层分界面处移动答案C解析A项，放电时，负极Mg失电子生成镁离子，则Mg(液)层的质量减小，正确；B项，正极镁离子得电子得到Mg，则放电时正极反应为：Mg2＋＋2e－=Mg，正确；C项，该电池充电时，Mg－Sb(液)层为阳极，阳极发生失电子的氧化反应，错误；D项，该电池充电时，阴离子向阳极移动，即Cl－向中层和下层分界面处移动，正确。题组三燃料电池7.(2020·惠州模拟)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度。它无电时也无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如下，下列说法正确的是()A．放电时，通入空气的一极为负极B．放电时，电池反应为4Li＋O2=2Li2OC．有机电解液可以是乙醇等无水有机物D．在更换锂电极的同时，要更换水性电解液解析：选D。A.放电时，Li电极为负极，错误；B.放电时，电池反应为4Li＋O2＋2H2O=4LiOH，错误；C.因为有锂存在，就不能用乙醇，锂和乙醇反