高中化学新教材第6章第一节第3课时原电池原理应用化学电源

第3课时原电池原理应用化学电源

［核心素养发展目标］1.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。2.掌握构成电

池的要素，了解不同电极材料对电池性能的影响。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。

一、设计原电池

r知识梳理」

1.依据

已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料（或在负极上

被氧化），氧化剂（电解质溶液中的阳离子）在正极上被还原。

2.实例

以Zn+H2SO4=ZnSO4+H2t为例

负极反应:Zn-2e-^Zn2+

|电极反应|

+

正极反应:2H+2e-=H2f

（a负极：Zn

|电极而料及b.正极:Cu或C（比Zn的活动性

|电解版落液弱的金属或导电的非金属）

〔c.电解质溶液:稀硫酸

I■判断正误」

（1）理论上任何氧化还原反应都可设计成原电池（）

（2）原电池中负极上发生氧化反应（）

（3）原电池中正极材料一定发生还原反应（）

（4）原电池中正极材料必须与电解质溶液的某种离子反应（）

答案（1）X（2）V（3）X（4）X

r理解应用」

1.理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。选择适宜的材料和试剂，请利

用反应“Fe+2Fe3+=3Fe2+"设■个原电池。

回答下列问题：

(1)用双线桥分析上述离子反应，标出电子转移的方向和数目;其中氧化反

应的半反应可表示为“Fe—2-=Fe2+”，则还原反应的半反应为。

(2)若设计成原电池

①负极材料是,选择依据是；

②正极材料可选用,选择依据是o

③溶液作电解质。

(3)写出电极反应式

正极：，负极：»

(4)该原电池中电子从极流出，电解质溶液中的阳离子(Fe3+)移向极。

失去2-

I]

Fe^2Fe3+^=3Fe2+

I:

答案⑴得到2Xe-2Fe3++2e-=2Fe2+

(2)①铁固体铁单质能导电，可被电解质溶液中的Fe3+氧化为Fe2+

②铜(或石墨)铜(或石墨)的还原性比铁弱，且为能导电的固体

③FeCb[或Fe2(SO4)3]

(3)2Fe3++2e-=2Fe2+Fe—2e-=Fe2+

(4)铁(负)铜或石墨(正)

-归纳总结

用双线桥法书写电极反应式的步骤

（1）探究制作水果电池对电极材料的要求（按如图连接）

（已知电流表的指针偏向电子流入的电极）

电极材料水果电流表偏转方向电极名称

铁：鱼极

铁片、铜片苹果偏向铜片

铜：正极

铁：正极

铁片、镁条苹果偏向铁片

镁：负极

铁：鱼极

铁片、碳棒柠檬偏向碳棒

碳棒：正极

铁片、铁片柠檬不偏转

铜片、碳棒柠檬几乎不偏转

问题讨论：水果的作用是作：电解质溶液。

实验结论：构成原电池的要素有:

①自发的氧化还原反应。

②两个活泼性不同的电极,电解质溶液,形成闭合回路。

③根据电极材料判断电极：较活泼金属作负极，不活泼的金属或惰性电极作正极。

⑵探究影响电流效果的因素

【实验1］探究电极材料对电流效果的影响

电流表4iA,偏转角度

电极材料电极间距/cm水果

（填“大”或“小”）

铁、铜1苹果小

镁、铜1苹果X

实验结论：在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电流效果越好。

【实验2】探究不同水果对电流效果的影响

电极材料电极间距/cm水果电流表/「iA,偏转角度

锌、铜1苹果

锌、铜1柠檬X

实验结论：在其他条件相同时，不同的电解质溶液，电流效果不同。

【实验3】探究电极间距对电流效果的影响

电极材料电极间距/cm水果电流表/「iA,偏转角度

锌、铜1柠檬X

锌、铜2柠檬小

实验结论：在其他条件相同时，两电极间距越小，电流效果越好。

■归纳总结

水果电池的电流效果与电极材料、水果的种类有关，另外还与两电极间距离以及电极插入水

果的深度等因素有关。

r跟踪强化」

1.下图为番茄制作的水果电池，下列说法正确的是()

电流表

A.一段时间后，铜片质量减小

答案B

解析锌的金属性强于铜，所以锌是负极，铜是正极，溶液中的氢离子在正极得到电子生成

氢气，所以选项B正确。

uFe+2Fe3+=3Fe2+r设计原电池，下列设计不合理的是()

①铜片、铁片、FeCb溶液组成的原电池

②石墨、铁片、Fe(NC)3)3溶液组成的原电池

③铁片、锌片、Fe(SC)4)3溶液组成的原电池

④银片、铁片、Fe(NO3)2溶液组成的原电池

A.①②B.②③

C.③④D.②④

答案C

解析Cu不如铁活泼，则Fe作负极、Cu作正极，故①正确；活泼金属铁作负极，电解质溶

液是含有Fe3+的溶液，故②正确；Fe不如Zn活泼，则Fe作正极、Zn作负极，故③错误；

电解质溶液必须是可溶性的铁盐溶液，故④错误。

3.选择适宜的材料和试剂，请利用反应“Cu+2Ag+—2Ag+C/+”设计一个化学电池。

回答下列问题：

(1)负极材料：;正极材料：；电解质溶液：=

(2)写出电极反应式

正极：;

负极：O

⑶原电池中电子从________极流出，电解质溶液中阴离子流向________极(填“正”或

“负”)。

答案(1)铜银(或碳棒)AgNCh溶液(2)2Ag++2e-^=2AgCu—2e-^=Cu2+

(3)铜(负)负

二、化学电源

r知识梳理」

L一次电池

(1)特点：电池放电后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),如锌锦干电池属于一次

电池。

(2)锌镐干电池的构造如图所示:

①锌筒为负极,电极反应是Zn-2e-=Zn2+o

②石墨棒为正极,最终被还原的物质是二氧化锦。

③NH4cl糊的作用电解质溶液。

2.二次电池(充电电池)

(1)特点：二次电池在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到

放电前的状态。

(2)能量转化：化学能电能

允电

⑶常见的充电电池：铅酸电池、银氢电池、锂离子电池。

3.燃料电池

(1)特点：①反应物储存在电池外部，②能量转换效率高、清洁、安全，③供电量易于调节。

(2)燃料电池常用的燃料有：氢气、里烷、乙醇等。

常用氧化剂：氧气。

|■判断正误」

(1)锌锦干电池工作一段时间后碳棒变细()

(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能()

(3)充电电池可以无限制地反复充电、放电()

(4)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高()

答案(1)X(2)X(3)X(4)V

r理解应用」

1.1800年伏打用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片叠成电堆产生了电流，这个装置后来称为伏

打电池(也叫伏打电堆)，如下图所示。

观察示意图，思考回答下列问题：

(1)负极是：,电极反应O

(2)正极是：o

(3)猜测得电子发生还原反应的物质可能是0

答案(l)ZnZn—2e^^=Zn2+

(2)Cu

⑶氧气

2.铅酸电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总的方程式为:

Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

按要求回答下列问题：

(1)负极材料是,正极材料是，电解质溶液是O

⑵工作时，电解质溶液中的H+移向极。

⑶工作时，电解质溶液中硫酸的浓度(填“增大”“减小”或“不变”)o

(4)当铅蓄电池向外电路提供2mol1时，理论上负极板的质量增加g»

答案（l）PbPbO2H2SO4

⑵PbO2电（正）

（3）减小（4）96

解析负极每个铅原子失去21,就生成一个PbS04,负极增加一个SCT,SO1的摩尔质量

为96g-moF'o

r跟踪强化」

1.下列有关电池的叙述不正确的是（）

C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置

D.锌锦干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄

答案A

2.下列电池工作时，Ch在正极得电子的是（）

答案C

解析氢氧燃料电池的总反应是2H2+。2=2压0,因而正极是。2得电子发生还原反应。

3.下列有关锌锦干电池的说法中正确的是（）

A.锌外壳是负极，石墨碳棒是正极材料

答案A

解析A项，在锌镒干电池中，锌外壳是负极，石墨碳棒是正极，故正确；B项，在外电路

中电子从锌外壳流向碳棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从碳棒流向锌，

故错误；D项，电池内部，阳离子向正极碳棒移动，故错误。

4.汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4

+2H2O,根据此反应判断，下列叙述中正确的是（）

2得电子，被氧化

C.负极反应是Pb+SOF-2e-=PbSO4

D.电池放电时，溶液的酸性增强

答案C

解析从铅蓄电池的放电反应可以看出：放电过程中Pb失去电子变为Pb?+,发生氧化反应，

因而Pb是负极；PbO2得到电子发生还原反应，被还原；反应过程中消耗了H2s04,使溶液

的酸性减弱。

拓展延伸电极反应式的书写

1.书写电极反应式的原则

电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极

反应式相加得电池总化学（或离子）方程式。

2.书写电极反应式的基本类型

（1）类型一题目给定原电池的装置图，未给总反应式

①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。

②结合电解质判断出还原产物和氧化产物。

③遵循氧化还原反应离子方程式配平原则，写出电极反应式。（注意：电极产物能否与电解质

溶液共存，如铅蓄电池的负极铅失电子变为Pb2+,但Pb?+与硫酸溶液中的SOK不共存，因

而负极电极反应式为Pb—2e-+SOF^=PbSO4）

④将两电极反应式相加（注意两极得失电子数相等）可得电池总反应式。

（2）类型二题目中给出原电池的总反应式

①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化

剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极

反应。

②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应考虑电解质是否参与了

反应。

③若有一个电极反应式较难写出，可先写出较易写出的电极反应式，然后再用总反应式减去

该电极反应式即得到另一电极反应式。

r理解应用」

L一种镁一空气电池装置如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH

浓溶液。

(1)负极电极反应式，正极电极反应式o

(2)电子移动的方向是由经外电路到o(填"a”或"b”)

(3)电池总反应式为____________________________________________________________

答案(l)Mg—2屋+20IT=Mg(0H)2

O2+4e+2H2(D=4OH

(2)ab(3)2Mg+02+2H2O=2Mg(OH)2

解析(l)Mg是强还原剂，易失电子，作负极，失电子变为Mg2+,而Mg2+与OIF不共存，

因而电极反应为Mg-2e-+2OH-==Mg(OH)2；活性炭为正极，吸附在活性炭中的氧气得电

子变为。2一，CP-与H2O不共存，生成OH,电极反应式为O2+4e-+2H2O==4OH，⑶两

极反应式相加即可得电池总反应式。

2.(2019•北海期末)某锂离子电池的工作原理如图所示(a极材料为金属锂和石墨的复合材料，b

极材料为FePC>4和石墨的复合材料)，其电池反应为Li+FePO4=LiFePO4

(l)a为________极，电极反应式：_________________________________________________

b为________极，电极反应式：,

(2)电池内部Li+由侧移向侧(填“左”或“右”)。

(3)能否用磷酸溶液作电解质o(填“能”或“否”)

答案⑴负Li—e-^=Li

-+

正FePO4+e+Li=LiFePO4

(2)左右⑶否

3.如图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式

［当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时］两种。试回答下列问题：

负极电解质溶液正极

氢氧燃料电池示意图

(1)酸式电池的电极反应：负极：____________________

正极：;

电池总反应：o

(2)碱式电池的电极反应：负极：,

正极：；电池总反应：O

-+

答案⑴2H2—4b=4H+O2+4e+4H=2H2O2H2+O2=2H2O

----

(2)2H2-4e+4OH=4H2O02+4e+2H2O=4OH2H2+O2==2H2O

解析(1)正极上，02得电子变为，溶液中。2-不能单独存在，酸性条件下与H+结合成

H2OO负极上，H2失电子变为H+,H+进入电解质溶液。(2)正极上，02得电子变为，溶

液中。2一不能单独存在，碱性条件下与H2。结合成0H-。负极上，H2失电子变为H+,碱性

条件下H+不能大量存在，与OJT结合成H2OO

■方法总结

燃料电池电极反应式的书写

(1)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

总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+

2NaOH=Na2CO3+3H2O„

（2）写出电池的正极反应式。

无论负极燃料是H2还是含碳燃料（CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H50H……）,正极一般都是

。2发生还原反应，在碱性条件下，正极反应式为02+2a0+4b==40H,若在酸性条件下，

则正极反应式为。2+411++4―=2H2。。

（3）写出负极反应式：负极反应式=总反应式一正极反应式。

课时对点练

A组基础对点练

题组一原电池原理应用

1.某原电池总反应的离子方程式是：Zn+Cu2+=Zn2++Cu,利用该反应设计成原电池。则该

电池的正极、负极和电解质溶液依次是（）

A.Zn、Cu>Z11SO4B.Zn、Cu、CuCL

C.Cu、Zn、ZnChD.Cu、Zn、CuSO4

答案D

解析锌失电子发生氧化反应而作负极，不如锌活泼的金属或导电的非金属作正极（石墨），

铜离子在正极上得电子发生还原反应，则电解质为可溶性的铜盐，符合条件的是D,故答案

为D。

2.如图为锌、铜水果电池装置示意图，下列说法正确的是（）

A.铜片为负极，发生还原反应

B.锌片上发生还原反应：Zn—2e-^=Zn2+

答案D

解析原电池中较活泼的金属是负极，失去电子，发生氧化反应。电子由负极经导线传递到

正极，所以溶液中的阳离子向正极移动，正极得到电子，发生还原反应。锌的金属性强于铜，

锌是负极，铜是正极，A错误；锌片是负极，发生氧化反应：Zn—2e-=Zn2+,B错误；该

装置是原电池，将化学能转变为电能，C错误；电子由负极锌片沿导线流向正极铜极，D正确。

3.（2019•张家港高级中学高一期末）某同学设计的原电池装置如图所示。电池工作时，下列说

法正确的是（）

发光二极管

用盐酸浸湿的滤纸

答案B

解析锌活泼性强于铜，所以锌作负极，A错误；图中为原电池装置，电解质溶液为盐酸，

B正确；图示为原电池，是化学能转化为电能的装置，C错误；锌为负极，铜为正极，电子

从负极锌流出，沿着导线流向正极铜，D错误；故合理选项是B。

题组二化学电源

4.下列电池不属于二次电池（可充电电池）的是（）

A.锌镒电池B.锂离子电池

C.铅蓄电池D.银镉电池

答案A

解析铅蓄电池、锲镉电池、锂离子电池等可以反复充电放电属于可充电电池，是二次电池；

碱性锌镒电池不能充电，完全放电后不能再使用，是一次电池；答案选A。

5.下列有关电池的叙述正确的是（）

A.氢氧燃料电池属于环境友好型电池，能量转化率可达100%

2,正极是Pb

答案C

解析燃料电池转化率不可能为100%,故A错误；锌镒干电池是一种常用的一次电池，故

B错误；锌镒•干电池工作过程中，负极反应为：Zn—2e-^=Zn2+,锌外壳不断被腐蚀而逐渐

变薄，故C正确；铅蓄电池负极是Pb,正极是PbO2,故D错误；答案选C。

6.随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题日益得到重视，其首要原

因是（）

B.防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

答案B

解析回收废电池的首要原因是防止废电池中渗漏出的重金属离子对土壤和水源的污染，而

对废电池的综合利用是第二位的，故选B。

7.下列关于充电电池的叙述，不正确的是（）

D.较长时间不使用电池时，最好将电池取出并妥善存放

答案B

解析充电电池理论上是可以永久重复利用的，但在实际应用中总会因为性能等原因而使电

解质溶液或者电极变质而失效。所以实际情况下充电电池是不能无限制重复使用的。

8.下列说法正确的是（）

4C1,而碱性锌镒电池中的电解质主要是KOH

答案B

解析Zn失电子作负极，所以锌镒电池和碱性锌镒电池的负极材料均是锌，故A错误；锌

镒电池中电解质主要是NHKl,碱性锌镒电池中的电解质是用强碱代替了氯化铁，一般碱性

锌镒电池中的电解质主要是KOH,故B正确；锌镒电池的负极为锌筒，NH4cl溶液水解显

酸性，所以锌易被NH4cl溶液腐蚀，因此碱性锌镒电池比锌镒电池的寿命长，故C错误；干

电池属于一次电池，一次电池不能反复充放电，故D错误。故选B。

9.（2018•汕头市南澳高一下学期期中）汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如图所示，放电

时的电池反应如下：PbO2+Pb+2H2so4=2PbSO4+2H2。。根据此反应判断下列叙述中正确

的是（）

PbO2

Pb电

2是电池的负极

2得电子，被氧化D.电池放电时，溶液酸性增强

答案B

解析根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb

-

+SOr-2e=PbSO4,故B项正确；PbCh在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池

的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，

故D项错误。

lO.Zn—MnCh干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2—NH4C1混合溶液。

（1）该电池的负极材料是o电池工作时，电子流向（填“正极”或“负极”）。

⑵若ZnCL—NH4cl混合溶液中含有杂质CM+,会加速其电极的腐蚀，其主要原因是

0欲除去CM+,最好选用下列试剂中的（填字母）。

A.NaOH

C.Fe3H2O

（3）此废旧电池的处理方法是回收，目的是为了0

（4）该电池的负极反应式为-

答案（l）Zn（或锌）正极（2）锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀B（3）防止

电解液污染土壤、避免金属材料的浪费（4）Zn一2鼠―Zd+

解析（1）负极上是失电子的，则Zn失电子为负极，电子由负极流向正极。（2）电化学腐蚀较

化学腐蚀更快，锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。题目中A和D选项不

能除去杂质离子，C项会引入新杂质，所以应选Zn将CM+置换为单质而除去。（3）锌镒干电

池所含的汞、酸或碱等在废弃后进入环境中将造成严重危害，此废旧电池的处理方法是回收，

目的是为了防止电解液污染土壤、避免金属材料的浪费。（4）该电池的负极材料是Zn,负极

上是失电子，负极反应方程式为Zn—2e-^=Zn2+。

B组综合强化练

1.（2018•慈溪市期末）普通锌锦干电池的构造如图所示，其电池反应的方程式为：Zn+2NH4cl

+2MnO2=Zn（NH3）2C12+2MnO（OH）,下列说法正确的是（）

石墨棒

一二氧化镒、

炭黑、氯化

镂、氯化锌

・锌筒

B.锌失去电子，被还原

C.电池工作时，电子从石墨经导线流向锌

D.正极的电极反应为：

-

NHt+MnO2+e=MnO(OH)+NH3

答案D

解析根据电池反应：Zn+2NH4C1+2MnO2=Zn(NH3)2C12+2MnO(OH),原电池中负极上

是金属锌发生失电子的氧化反应，故A错误；电池中锌失去电子，被氧化，故B错误；电池

中电子从负极流向正极即从锌经导线流向石墨，故C错误；正极得电子发生还原反应，所以

-

正极的电极反应为：NH|+MnO2+e=MnO(OH)+NH3,故D正确。故选D。

2.银锌纽扣电池，其电池的电池反应式为：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag

遇有KOH(aq)

隔板

Ag2O

下列说法不正确的是()

C.电池工作时，电流从Ag2。经导线流向Zn

D.负极的电极方程式为：Zn—2e-^=Zn2+

答案D

解析Zn失电子发生氧化反应而作负极，故A正确；正极上Ag2。得电子发生还原反应，故

B正确；原电池中电流从正极沿导线流向负极，该电池中Zn是负极、Ag2。是正极，所以放

电时电流从Ag2。经导线流向Zn,故C正确；碱性条件下锌离子生成Zn(0H)2,所以负极反

应式为Zn+20H"-2e"=Zn(OH)2,故D错误；故答案为D。

3.汽车的启动电源常用蓄电池。其结构如下图所示，放电时其电池反应如下：PbO2+Pb+

2H2so4=2PbSO4+2H2。。根据此反应判断，下列叙述中不正确的是()

H2s。4溶液

PbO2电极*

Pb电;

A.Pb作负极，失去电子，被氧化

2得电子，被还原

C.负极反应是Pb+SOF-2e-=PbSO4

D.电池放电时，溶液酸性增强

答案D

解析根据电池反应式知，铅失电子发生氧化反应，作负极，故A正确；二氧化铅得电子被

还原，故B正确；负极上铅失电子和硫酸根离子反应生成硫酸铅，电极反应式为：Pb+SOF

-

-2e=PbSO4,故C正确；电池放电时，硫酸参加反应生成水，所以溶质的质量减少，溶

剂的质量增加，所以溶液酸性减弱，故D错误；故答案为D。

4.研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为

电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是

()

一向正极移动

D.总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2f

答案C

解析由题意知此电池名称叫锂水电池，可推测其总反应为：2Li+2H2O=2LiOH+H2t,

再依据原电池原理写出其电极反应如下：负极：2Li—2eI=2Li+,正极2H20+2-=2OH—

+H2to结合选项分析A、B、D都是正确的，在原电池内部，放电时OIT向负极移动，故

C项错误。

5.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机酸转化为氢气，氢气进入以

磷酸为电解质的燃料电池中发电，电池负极反应式为()

2+2OH—2e=2H2O2+4H++4e=2H2O

2-2e=2H+2+2H2O+4e^^=4OH

答案C

解析根据题给信息，该燃料电池的总反应式为2H2+O2-2压0。电解液为酸性溶液，电

极反应式中不能出现0H\A、D错误；又因为燃料电池中负极通入氢气，正极通入氧气，

B错误。

6.（1）如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向，可知氧气从口通入（填

“a”或"b”），X极为电池的（填“正”或“负”）极。

/-_电解质(KOH)

H2Oy_」_JH2O

（2）某种氢氧燃料电池是