知識講解_原電池和化學電源(基礎).doc

學習資料收集于網絡，僅供參考高考總復習 原電池和化學電源 【考綱要求】 1了解原電池的工作原理。2能寫出原電池的電極反應式和反應的總方程式。3能根據氧化還原反應方程式設計簡單的原電池。4能根據原電池原理進行簡單計算。5熟悉常見的化學電源（一次電池、二次電池和燃料電池），能分析常見化學電池工作原理，了解廢舊電池回收的意義?！究键c梳理】考點一、原電池的概念1能量的轉化原電池：將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置。電能是現代社會應用最廣泛、使用最方便、污染最小的一種二次能源，又稱電力。2工作原理設計一種裝置，使氧化還原反應所釋放的能量直接轉變?yōu)殡娔?，即將氧化反應和還原反應分別在兩個不同的區(qū)域進行，并使電子轉移經過導線，在一定條件下形成電流。電子從負極（較活潑金屬）流向正極（較不活潑金屬或碳棒），負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應。電極電極材料反應類型電子流動方向負極還原性較強的金屬氧化反應負極向外電路提供電子正極還原性較弱的金屬還原反應正極從外電路得到電子以下是鋅銅原電池裝置示意圖：3原電池的組成條件 (1)兩個活潑性不同的電極(材料可以是金屬或導電的非金屬)，分別發(fā)生氧化和還原反應。原電池中兩極活潑性相差越大，電池電動勢就越高。(2)電解質溶液，電解質中陰離子向負極方向移動，陽離子向正極方向移動，陰陽離子定向移動成內電路。(3)導線將兩電極連接，形成閉合回路。（4）有能自發(fā)進行的氧化還原反應。4原電池的判斷方法（1）先分析有無外接電池，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池。（2）多池相連，但無外電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。5原電池的正負極的判斷方法判斷依據負極正極電極材料活潑性較強的金屬活潑性較弱的金屬或能導電的非金屬電子流動方向電子流出極電子流入極電解質溶液中離子定向移動方向陰離子移向的負極陽離子移向的正極發(fā)生的反應氧化反應還原反應反應現象溶解的極增重或有氣泡放出的極6原電池中帶電粒子的移動方向在原電池構成的閉合電路中，有帶電粒子的定向移動。在外電路上電子從負極經導線上流入正極；在內電路上即在電解質溶液中陰離子移向負極，陽離子移向正極。具體情況見圖： 考點二、原電池原理的應用1加快氧化還原反應的速率例如：在鋅與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液能使產生H2的速率加快。2比較金屬活動性強弱例如：有兩種金屬a和b，用導線連接后插入到稀H2SO4中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產生。根據現象判斷出a是負極，b是正極，由原電池原理可知，金屬活動性ab。3用于金屬的防護 將要保護的金屬設計成原電池的正極，得到保護。例如：在鋼（鐵）閘門上連接上鋅塊，由于鋅比鐵活潑，可使鋼閘門受到保護。4原電池的設計設計原電池時要緊扣原電池的構成條件。具體方法是：（1）首先將已知的氧化還原反應拆分為兩個半反應；（2）根據原電池的電極反應特點，結合兩個半反應找出正、負極材料及電解質溶液。電極材料的選擇在原電池中，選擇還原性較強的物質作為負極；氧化性較強的物質作為正極。并且，原電池的電極必須導電。電池中的負極必須能夠與電解質溶液或其中溶解的物質反應。電解質溶液的選擇電解質溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應，或者電解質溶液中溶解的其他物質能與負極發(fā)生反應（如空氣中的氧氣）。但如果兩個半反應分別在兩個容器中進行（中間連接鹽橋），則左右兩個容器中的電解質溶液應選擇與電極材料相同的陽離子。如在銅鋅硫酸銅構成的原電池中，負極金屬鋅浸泡在含有Zn2+的電解質溶液中，而正極銅浸泡在含有Cu2+的電解質溶液中。（3）按要求畫出原電池裝置圖。考點三、幾種常見的電池（一）電池的評價比能量：電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少。比功率：電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小。質量輕、體積小而輸出電能多、功率大、可儲存時間長的電池，更適合使用者的需要。（二）實用電池的特點(1)能產生比較穩(wěn)定而且較高電壓的電流；(2)安全、耐用且便于攜帶，易于維護；(3)能夠適用于各種環(huán)境；(4)便于回收處理，不污染環(huán)境或對環(huán)境的污染影響較小；(5)能量轉換率高。（三）幾種常見的電池1、一次電池：放電之后不能充電，內部的氧化還原反應是不可逆的。干電池：一次電池中電解質溶液制成膠狀，不流動。堿性鋅錳電池 構成：負極是鋅，正極是MnO2，電解質是KOH負極：Zn+2OH2e=Zn(OH)2；正極：2MnO2+2H2O+2e=2MnOOH+2OH總反應式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2特點：比能量較高，儲存時間較長，可適用于大電流和連續(xù)放電。2、二次電池鉛蓄電池放電電極反應：負極：Pb(s)+SO42(aq)2ePbSO4(s)； 正極：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)+2ePbSO4(s)+2H2O(l)總反應式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)充電電極反應：陽極：PbSO4(s)+2H2O(l)2e=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42(aq)；陰極：PbSO4(s)+2e=Pb(s)+SO42(aq)總反應：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)總反應方程式：Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l)說明：a負極陰極 正極陽極b電池的正負極分別和電源的正負極相連c各極的pH變化看各電極反應，電池的pH變化看電池總反應鎳一鎘堿性蓄電池負極：Cd+2OH2e=Cd(OH)2；正極：2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH總反應式：Cd +2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 3、燃料電池電池電極反應酸性電解質堿性電解質氫氧燃料電池負極2H24e4H+2H2+4OH4e4H2O正極O2+4H+4e2H2OO2+2H2O+4e4OH總反應2H2+O22H2O2H2+O22H2O甲烷燃料電池負極CH4 + 2H2O8e=CO2 + 8H+CH4+10OH8e=CO32+7H2O正極2O2 + 8H+ + 8e4H2O2O2+4H2O+8e=8OH總反應CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OCH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O甲醇燃料電池負極2CH3OH + 2H2O12e= 2CO2 + 12H+2CH3OH +16OH12e=2CO32+12H2O正極3O2 +12H+ +12e6H2O3O2+6H2O+12e=12OH總反應2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O除氫氣外，烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體，均可作燃料電池的燃料；除純氧氣外，空氣中的氧氣也可作氧化劑。燃料電池的能量轉化率高于80，遠高于燃燒過程（僅30左右），有利于節(jié)約能源。燃料電池有廣闊的發(fā)展前途。（四）正確書寫電極反應式(1)列出正、負電極上的反應物質，在等式的兩邊分別寫出反應物和生成物。(2)標明電子的得失。(3)使質量守恒。電極反應式書寫時注意：負極反應生成物的陽離子與電解質溶液中的陰離子是否共存。若不共存，則該電解質溶液中的陰離子應該寫入負極反應式；若正極上的反應物質是O2，且電解質溶液為中性或堿性，則H2O必須寫入正極反應式，且生成物為OH；若電解液為酸性，則H+必須寫入反應式中，生成物為H2O。電極反應式的書寫必須遵循離子方程式的書寫要求。(4)正負極反應式相加得到電池反應的總的化學方程式。若能寫出總反應式，可以減去較易寫出的電極反應式，從而寫出較難書寫的電極方程式。注意相加減時電子得失數目要相等。【典型例題】類型一：原電池原理例1銅鋅原電池（如圖）工作時，下列敘述正確的是 A正極反應為：Zn2e-=Zn2+ B電池反應為：Zn+Cu2+=Zn2+ +Cu C在外電路中，電子從負極流向正極 D鹽橋中的K+移向ZnSO4溶液 【答案】BC【解析】Zn是負極，故A錯；電池總反應和沒有形成 原電池的氧化還原反應相同，故B正確；根據閉合回路的電流方向，在外電路中，電子由負極流向正極，故C正確；在溶液中，陽離子往正極移動，故D錯誤。【總結升華】一定要記?。涸姵毓ぷ鲿r，電子沿導線從負極流向正極， 在溶液中陰離子向負極移動。舉一反三：【變式1】用銅片、銀片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、導線和鹽橋（裝有瓊脂-KNO3的U型管）構成一個原電池。以下有關該原電池的敘述正確的是在外電路中，電流由銅電極流向銀電極正極反應為：Ag+e-=Ag實驗過程中取出鹽橋，原電池仍繼續(xù)工作將銅片浸入AgNO3溶液中發(fā)生的化學反應與該原電池反應相同A. B.C.D.【答案】C【變式2】將純鋅片和純銅片按圖示方式插入同濃度的稀硫酸中一段時間，以下敘述正確的是( ) A兩燒杯中銅片表面均無氣泡產生B甲中銅片是正極，乙中銅片是負極C兩燒杯中溶液的pH均增大D產生氣泡的速率甲比乙慢 【答案】C【解析】圖甲是一個原電池裝置，負極：Zn2e=Zn2+，正極(Cu)：2H+2e=H2，形成的原電池能加快產生氫氣的速率；圖乙中，Zn直接與稀硫酸反應生成H2：Zn+2H+=Zn2+H2，甲、乙兩燒杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大?！靖咔逭n堂：399158 例2】【變式3】右圖是一種航天器能量儲存系統(tǒng)原理示意圖。下列說法正確的是A該系統(tǒng)中只存在3種形式的能量轉化B裝置Y中負極的電極反應式為： O2+2H2O+4e4OHC裝置X能實現燃料電池的燃料和氧化劑再生D裝置X、Y形成的子系統(tǒng)能實現物質的零排放，并能實現化學能與電能間的完全轉化【答案】C【解析】本題主要考查的是電化學知識。A項，在該裝置系統(tǒng)中，有四種能量轉化的關系，即太陽能、電能、化學能和機械能之間的相互轉化；B項，裝置Y為氫氧燃料電池，負極電極反應為H2 -2e- + 2OH- = 2H2O；C項，相當于用光能電解水，產生H2和O2，實現燃料（H2）和氧化劑（O2）的再生；D項，在反應過程中，有能量的損耗和熱效應的產生，不可能實現化學能和電能的完全轉化。綜上分析可知，本題選C項。例2某同學根據離子反應方程式2Fe3+Fe=3Fe2+來設計原電池。下列設計方案中可行的是（ ） A電極材料為鐵和鋅，電解質溶液為FeCl3溶液 B電極材料為鐵和石墨，電解質溶液為Fe(NO3)3溶液 C電極材料為鐵和石墨，電解質溶液為FeCl2溶液 D電極材料為石墨，電解質溶液為FeCl3溶液【答案】B【解析】由離子反應方程式可知，設計的原電池中Fe為負極，不與電解質溶液反應的導體為正極，含Fe3+的溶液為電解質溶液，故B項可行。舉一反三：【變式1】依據氧化還原反應：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)設計的原電池如圖所示。 請回答下列問題： (1)電極X的材料是_；電解質溶液Y是_； (2)銀電極為電池的_極，發(fā)生的電極反應為_；X電極上發(fā)生的電極反應為_； (3)外電路中的電子是從_電極流向_電極。 【答案】(1)Cu AgNO3溶液 (2)正 Ag+e=Ag Cu2e=Cu2+ (3)X Ag 【解析】由氧化還原反應：2Ag+ (aq)+Cu (s)=Cu2+ (aq)+2Ag (s)可知，可以選用Cu (s)Ag (s)AgNO3 (aq)構成簡易的原電池，因此上圖中電極X的材料是Cu，電解質溶液Y是AgNO3溶液，正極為Ag，正極上發(fā)生的反應為Ag+e=Ag，負極為Cu，負極上發(fā)生的反應為Cu2e=Cu2+，在外電路電子由負極流向正極，即從X電極流向Ag電極。類型二：金屬活動性強弱比較例3X、Y、Z、W四塊金屬分別用導線兩兩相連浸入稀硫酸中，組成原電池。X、Y相連時，X為負極；Z、W相連時，電流方向是WZ；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應。據此判斷四種金屬的活潑性順序是( ) AXZWY BZXYW CWXYZ DYWZX 【答案】A【解析】在原電池中，活潑金屬作為電池的負極，失去電子，發(fā)生氧化反應；不活潑的金屬作為電池的正極，得到電子，發(fā)生還原反應。電子由負極經導線流向正極，與電流的方向相反(物理學中規(guī)定正電荷移動的方向為電流的方向)。因此，X、Y相連時，X為負極，則活潑性XY；Z、W相連時，電流方向是WZ，則活潑性ZW；X、Z相連時，Z極上產生大量氣泡，則活潑性XZ；W、Y相連時，W極發(fā)生氧化反應，則活潑性WY。綜上所述，可以得出金屬的活潑性順序是XZWY。舉一反三：【變式1】根據下列實驗事實：(1) X+Y2+ = X2+ + Y(2) Z + 2H2O（冷水）=Z(OH)2 + H2(3)Z2+離子的氧化性比X2+弱(4)由Y、W作電極組成的原電池負極反應為：Y2e=Y2+，由此可知，X、Y、Z、W的還原性由強到弱的順序是AX Y Z W BY X W ZCZ X Y W DZ Y X W【答案】C【解析】(1)X能將Y2+還原說明X的還原性強于Y。(2)Z能與冷水作用，說明Z一定為活潑性很強的金屬。(3)Z2+氧化性比X2+弱說明Z的金屬性強于X。(4)在原電池中Y做負極，故Y的活潑性強于W。類型三：干電池例4Zn-MnO2干電池應用廣泛，其電解質溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。（1）該電池的負極材料是。電池工作時，電子流向（填“正極”或“負極”）。（2）若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有雜質Cu2+，會加速某電極的腐蝕，其主要原因是。欲除去Cu2+，最好選用下列試劑中的（填代號）。a.NaOH b.Znc.Fe d.NH3H2O(3)MnO2的生產方法之一是以石墨為電極，電解酸化的MnSO4溶液。陰極的電極反應式是。若電解電路中通過2mol電子，MnO2的理論產量為?！敬鸢浮浚?）Zn 正極 （2）鋅與還原出來的Cu構成銅鋅原電池而加快鋅的腐蝕 b （3）2H+2e-=H2，87g【解析】（1）負極發(fā)生氧化反應，Zn失電子，做負極。電子由負極經外電路流向正極。（2）鋅與還原出來的Cu構成銅鋅原電池而加快鋅的腐蝕。除雜的基本要求是不能引入新雜質，所以應選Zn將Cu2+ 置換為單質而除去。（3）陰極上得電子，發(fā)生還原反應，H+得電子生成氫氣。因為MnSO4MnO22 e-，通過2mol電子產生1mol MnO2，質量為87g。舉一反三：【高清課堂：399158例5】【變式1】堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應用。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應式為：Zn (s)+2MnO2 (s)+2H2O (1)=Zn(OH)2 (s)+2MnOOH (s)下列說法錯誤的是（ ） A電池工作時，鋅失去電子B電池正極的電極反應式為：2MnO2 (s)+2H2O (1)+2e=2MnOOH (s)+2OH (aq) C電池工作時，電子由正極通過外電路流向負極 D外電路中每通過0.2 mol電子，鋅的質量理論上減少6.5 g【答案】C【解析】該電池工作時，Zn應為負極，失去電子，故A正確。原電池正極發(fā)生得電子反應，即還原反應，故B正確。電子應由原電池的負極流出，通過外電路流向正極，故C錯誤。由于Zn失去2 mol電子時，自身消耗的質量為65 g，則失去0.2 mol電子，理論上消耗6.5 g，故D正確。類型四：蓄電池例5一種充電電池放電時的電極反應為：H2+2OH-2e-=2H2O； NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-當為電池充電時，與外電源正極連接的電極上發(fā)生的反應是A. H2O的還原 B. NiO(OH)的還原C. H2的氧化 D. NiO(OH) 2的氧化 【答案】D【解析】由題中給出的電極反應可判斷出做原電池時，H2是還原劑被氧化、NiO(OH)是氧化劑被還原，則充電時H2是還原產物、NiO(OH)是氧化產物，與正極相連的是陽極發(fā)生氧化反應，所以D選項正確?！究偨Y升華】本題考查二次電池中的氧化還原問題。原電池放電時，先要分析氧化劑與還原劑，氧化劑被還原、還原劑被氧化；充電時（電解池），將原電池負極反應式反著寫為還原過程，發(fā)生在陰極，原電池中的正極反應反著寫為氧化過程，發(fā)生在陽極。舉一反三：【變式1】生產鉛蓄電池時，在兩極板上的鉛銻合金上均勻涂上膏狀的PbSO4，干燥后再安裝，充電后即可使用，發(fā)生的反應是：2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4下列對鉛蓄電池的說法中錯誤的是( ) A需要定期補充硫酸 B工作時Pb是負極，PbO2是正極 c工作時負極上發(fā)生的反應是Pb2e+SO42=PbSO4 D工作時電解質溶液的密度減小 【答案】A 【解析】鉛蓄電池在工作時相當于原電池，發(fā)生氧化反應的物質是負極，發(fā)生還原反應的物質是正極，所以Pb是負極，PbO2是正極；在工作時，負極發(fā)生的反應是Pb失去電子生成Pb2+，而Pb2+又與溶液中的SO42生成PbSO4沉淀；放電時消耗硫酸的量與充電時生成硫酸的量相等，說明H2SO4不用補充；工作時（即放電時），H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物質的越濃度減小，所以溶液的密度也隨之減小。【變式2】高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池能長時間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應為 ：3Zn + 2K2FeO4 + 8H2O3Zn(OH)2 + 2Fe(OH)3 + 4KOH，下列敘述不正確的是 A放電時每轉移3 mol電子，正極有1mol K2FeO4被氧化B充電時陽極反應為：2Fe(OH)36e+ 10 OH= 2FeO42+ 8H2OC放電時負極反應為：3Zn6e +6OH= 3Zn(OH)2D放電時正極附近溶液的堿性增強 【答案】A 【解析】A項中放電時正極應被還原，D項中放電時正極：2FeO42+6e+ 8H2O=2Fe(OH)3+ 10 OH，故溶液的堿性增強。啟示：分析問題要先定性后定量，注意關鍵字詞?！咀兪?】鎳鎘（Ni-Cd）可充電電池在現代生活中有廣泛應用。已知某鎳鎘電池的電解質溶液為KOH溶液，其充、放電按下式進行：Cd + 2NiOOH + 2H2OCd(OH)2 + 2Ni(OH)2 有關該電池的說法正確的是A充電時陽極反應：Ni(OH)2 e + OH- = NiOOH + H2OB充電過程是化學能轉化為電能的過程C放電時負極附近溶液的堿性不變D放電時電解質溶液中的OH-向正極移動 【答案】A【解析】由充電時方程式中的Cd和Ni的化合價的變化可知，Ni(OH)2作陽極，電解質溶液為KOH溶液，所以陽極電極反應式為：Ni(OH)2e OH-=NiOOHH2O；Cd(OH)2作陰極，Cd(OH)22e=Cd2OH；充電的過程是將電能轉化為化學能，放電時，Cd作負極，Cd2e2OH=Cd(OH)2，Cd周圍的c(OH)下降，OH向負極移動。類型五：燃料電池【高清課堂：399158 例1】例6某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質傳遞H+，其基本結構見下圖，電池總反應可表示為：2H2O22H2O，下列有關說法正確的是A電子通過外電路從b極流向a極Bb極上的電極反應式為：O22H2O4e4OHC每轉移0.1 mol電子，消耗1.12 L的H2DH由a極通過固體酸電解質傳遞到b極【答案】D【解析】該氫氧燃料電池的a極通入H2，故為負極，b極通入O2，為正極。這樣電子通過外電路應由a極流向b極，故A選項錯誤；酸性電解質存在下，B選項中b極上的電極反應為O2+4e-+4H+=2H2O ；C選項沒有說明是標準狀況下；D選項是正確的，H2在a極失電子變成H+，由固體酸電解質傳遞至b極。舉一反三：【變式1】用二根鉑絲作電極插入KOH溶液中，分別向兩極通入甲烷和氧氣，可作為一種燃料電池的模擬裝置。試判斷下列說法正確的是 ( )A通氧氣的鉑極為負極 B此電池反應為CH4+2O2 = CO2+2H2OC此電池放電時，KOH濃度減小 D此電池放電時，KOH濃度不變【答案】C【變式2】有人設計出利用CH4和O2反應，用鉑電極在KOH溶液中構成原電池。電池的總反應類似于CH4在O2中燃燒的反應，則下列說法中正確的是( ) 每消耗l mol CH4可以向外電路提供8 mol e 負極上CH4失去電子，電極反應式為CH4+10OH8e=CO32+7H2O 負極上O2獲得電子，電極反應式為O2+2H2O+4e=4OH 電池放電時，溶液pH不斷升高 A B C D 【答案】A 【解析】CH4在鉑電極上發(fā)生類似于CH4在O2中燃燒的反應，即CH4CO2，嚴格地講生成的CO2還與KOH溶液反應生成K2CO3，化合價升高，