2024高考化学一轮复习第九章化学反应与电能第28讲原电池化学电源学案

PAGE9-第九章化学反应与电能[考试要求]1.理解原电池的构成、工作原理及应用。2.能书写出电极反应和总反应方程式。3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。4.理解电解池的构成、工作原理及应用。5.了解金属发生电化学腐蚀的缘由、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。第28讲原电池化学电源一、原电池1．概念原电池是把eq\o(□,\s\up2(01))化学能转化为eq\o(□,\s\up2(02))电能的装置。2．构成条件(1)能自发进行的eq\o(□,\s\up2(01))氧化还原反应。(2)eq\o(□,\s\up2(02))活泼性不同的两电极。(3)形成闭合回路。形成闭合回路需三个条件：①eq\o(□,\s\up2(03))电解质溶液；②两电极干脆或间接接触；③两电极插入eq\o(□,\s\up2(04))电解质溶液中。3．工作原理(以铜－锌原电池为例)电极材料eq\o(□,\s\up2(01))锌片eq\o(□,\s\up2(02))铜片电极反应eq\o(□,\s\up2(03))Zn－2e－=Zn2＋eq\o(□,\s\up2(04))Cu2＋＋2e－=Cu反应类型eq\o(□,\s\up2(05))氧化反应eq\o(□,\s\up2(06))还原反应电子流向由eq\o(□,\s\up2(07))锌片沿导线流向eq\o(□,\s\up2(08))铜片电流方向由eq\o(□,\s\up2(09))铜片沿导线流向eq\o(□,\s\up2(10))锌片离子流向电解质溶液中，阴离子向eq\o(□,\s\up2(11))负极迁移，阳离子向eq\o(□,\s\up2(12))正极迁移盐桥中含有饱和KCl溶液，eq\o(□,\s\up2(13))K＋移向正极，eq\o(□,\s\up2(14))Cl－移向负极续表电池反应方程式eq\o(□,\s\up2(15))Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu两类装置的不同点还原剂Zn与氧化剂Cu2＋干脆接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗Zn与氧化剂Cu2＋不干脆接触，仅有化学能转化为电能，削减了能量损耗，故电流稳定，持续时间长二、化学电源1．一次电池2．二次电池铅蓄电池(电解质溶液为30%H2SO4溶液)(1)放电时的反应负极反应：eq\o(□,\s\up2(01))Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4，正极反应：eq\o(□,\s\up2(02))PbO2＋2e－＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋=PbSO4＋2H2O，总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。电解质溶液的pHeq\o(□,\s\up2(03))增大(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)充电时的反应阴极反应：eq\o(□,\s\up2(04))PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)，阳极反应：eq\o(□,\s\up2(05))PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)，总反应：2PbSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up11(电解))Pb＋PbO2＋2H2SO4。3．燃料电池(1)氢氧燃料电池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eq\o(□,\s\up2(01))2H2－4e－=4H＋eq\o(□,\s\up2(02))2H2－4e－＋4OH－=4H2O正极反应式eq\o(□,\s\up2(03))O2＋4e－＋4H＋=2H2Oeq\o(□,\s\up2(04))O2＋4e－＋2H2O=4OH－总反应式2H2＋O2=2H2O②燃料电池的电极本身不参加反应，燃料和氧化剂由eq\o(□,\s\up2(05))外部供应。(2)甲烷燃料电池①碱性介质中(以KOH为例)：负极：eq\o(□,\s\up2(06))CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O，正极：eq\o(□,\s\up2(07))2O2＋8e－＋4H2O=8OH－，总反应：eq\o(□,\s\up2(08))CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O。②酸性介质中：负极：eq\o(□,\s\up2(09))CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋，正极：eq\o(□,\s\up2(10))2O2＋8e－＋8H＋=4H2O，总反应：eq\o(□,\s\up2(11))CH4＋2O2=CO2＋2H2O。1．推断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。(1)理论上说，任何自发反应都可设计成原电池。(×)错因：必需是自发的氧化还原反应才可设计成原电池。(2)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。(×)错因：电子不能通过电解质溶液。(3)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。(×)错因：碱性锌锰干电池中的MnO2在正极上得电子，是氧化剂。(4)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后将热能转化为电能。(×)错因：燃料电池干脆将化学能转化为电能。(5)由于CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池。(×)错因：该反应不是氧化还原反应，不能设计成原电池。(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动。(×)错因：原电池工作时，溶液中的阳离子向正极移动。2．教材改编题(据人教选修四P78T3)镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行：Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq\o(,\s\up11(放电),\s\do11(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，由此推断错误的是()A．放电时，Cd作负极B．放电时，NiO(OH)作负极C．电解质溶液为碱性溶液D．放电时，负极反应为Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH)2答案B解析放电时是原电池，还原剂在负极上失电子，氧化剂在正极上得电子，NiO(OH)作正极。考点eq\a\vs4\al(一)eq\a\vs4\al(原电池的工作原理及应用)[解析]锌片、Cu片与导线相连插入酸性溶液中会形成原电池，电子由Zn片通过导线流向铜片，D错误。[答案]D1．原电池的推断方法(1)先分析有无外接电源，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。(2)然后依据原电池的形成条件分析推断，主要是“四看”：(3)多池相连，但无外接电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。2．推断原电池正、负极的五种方法3．原电池原理的应用(1)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加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率加快。(2)金属的防护使被爱护的金属制品作原电池的正极而得到爱护。如要爱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。(3)比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。(4)设计制作化学电源①首先将能自发进行的氧化还原反应分成两个半反应。②依据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。如：依据反应2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2设计的原电池为：1．对原电池的电极名称，下列叙述中错误的是()A．电子流入的一极为正极B．比较不活泼的一极为正极C．电子流出的一极为负极D．发生氧化反应的一极为正极答案D解析在原电池中正极为电子流入、性质较不活泼、发生还原反应的一极，故D错误。2．下列有关铜锌原电池的叙述正确的是()A．盐桥中的Cl－移向CuSO4溶液B．电池总反应式为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从正极流向负极D．取下盐桥，原电池仍可工作答案B考点eq\a\vs4\al(二)化学电源[解析]该装置为原电池，铜为负极，石墨为正极，电子从铜电极流向石墨电极，故A错误；溶液中Cl－向铜电极移动，故B错误；负极为铜电极，结合电池反应得到，负极的电极反应式为Cu＋Cl－－e－=CuCl(s)，负极生成了CuCl(s)，质量增重了，故C错误；总反应方程式为2Cu＋2Cl－＋HN3＋3H＋=2CuCl(s)＋N2↑＋NHeq\o\al(＋,4)，用总反应式减去负极反应式得到正极反应式为HN3＋2e－＋3H＋=N2↑＋NHeq\o\al(＋,4)，故D正确。[答案]D[解析]由电子流向可知，a电极为原电池负极，b电极为原电池正极，O2应从b电极通入发生还原反应，NH3应从a电极通入发生氧化反应生成N2，电极反应式为2NH3－6e－=N2＋6H＋。[答案]b2NH3－6e－=N2＋6H＋化学电源电极反应式的书写书写电极反应式时，首先要依据原电池的工作原理精确推断正、负极，然后结合电解质溶液的环境确定电极产物，最终再依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：1．拆分法(1)写出原电池的总反应，如2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋。(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．加减法(1)写出总反应，如Li＋LiMn2O4=Li2Mn2O4。(2)写出其中简单写出的一个半反应(正极或负极)，如Li－e－=Li＋(负极)。(3)利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4＋Li＋＋e－=Li2Mn2O4(正极)。3．燃料电池电极反应式的书写(1)写出燃料电池反应的总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一样，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(电解质为NaOH溶液)的反应式为CH4＋2O2=CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②①＋②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－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。(2)写出电池的正极反应式依据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种状况：①酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O；②碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－=4OH－；③固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－=2O2－；④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。(3)依据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消退O2。3．Zn­ZnSO4­PbSO4­Pb电池装置如图，下列说法错误的是()A．SOeq\o\al(2－,4)从右向左迁移B．电池的正极反应为Pb2＋＋2e－=PbC．左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变D．若有6.5g锌溶解，有0.1molSOeq\o\al(2－,4)通过离子交换膜答案B解析锌是负极，SOeq\o\al(2－,4)从右向左迁移，A正确；电池的正极反应为PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)，B错误；左边锌失去电子转化为ZnSO4，ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变，C正确；若有6.5g锌即0.1mol锌溶解，依据电荷守恒可知有0.1molSOeq\o\al(2－,4)通过离子交换膜，D正确。4．(2024·安徽池州高三期末)新型高效的二甲醚燃料电池工作时总反应式：CH3OCH3＋3O2=2CO2＋3H2O。(1)向该电池中通入的a是________，负极电极反应式为__________________________________________________________。(2)利用该电池冶铝，若制得金