新高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)講練測(cè)第18講 原電池　化學(xué)電源（精講）（原卷版）

第六章化學(xué)反應(yīng)與能量第18講原電池化學(xué)電源（精講）【考情分析】原電池的內(nèi)容是高考的?？贾R(shí)點(diǎn)之一，常以選擇題的形式考查原電池的工作原理，如判斷電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式的正誤，電子或陰陽離子的移向，及依據(jù)電極反應(yīng)式判斷電極及電解質(zhì)溶液中的現(xiàn)象；以填空題的形式考查新型原電池電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)式的書寫?！竞诵乃仞B(yǎng)分析】1.變化觀念與平衡思想：認(rèn)識(shí)原電池反應(yīng)的本質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；能多角度、動(dòng)態(tài)地分析原電池中物質(zhì)的變化及能量的轉(zhuǎn)換。2.證據(jù)推理與模型認(rèn)知：能利用典型的原電池裝置，分析原電池原理，建立解答原電池問題的思維模型，并利用模型揭示其本質(zhì)及規(guī)律。3.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：具有可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念，能對(duì)與原電池有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問題做出正確的價(jià)值判斷與分析?！揪W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建】【知識(shí)梳理】智能點(diǎn)一原電池的工作原理及應(yīng)用1.概念和反應(yīng)本質(zhì)原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其反應(yīng)本質(zhì)是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。2.構(gòu)成條件(1)一看反應(yīng)：看是否有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)發(fā)生(一般是活潑性強(qiáng)的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))。(2)二看兩電極：一般是活潑性不同的兩電極。(3)三看是否形成閉合回路，形成閉合回路需三個(gè)條件：①電解質(zhì)溶液；②兩電極直接或間接接觸；③兩電極插入電解質(zhì)溶液中。3.工作原理以鋅銅原電池為例(1)反應(yīng)原理①電子移動(dòng)方向：鋅失電子逐漸溶解變成Zn2＋進(jìn)入溶液，電子從負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流入正極。②離子移動(dòng)方向：陰離子向負(fù)極移動(dòng)(如SOeq\o\al(2－,4))，陽離子向正極移動(dòng)(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正極上得電子形成氫氣在銅片上冒出)。③兩極電極反應(yīng)式負(fù)極(鋅極)：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反應(yīng))。正極(銅極)：2H＋＋2e－=H2(還原反應(yīng))?？偡磻?yīng)：Zn＋2H＋=Zn2＋＋H2↑。(2)單液原電池和雙液原電池對(duì)比比較項(xiàng)目單液原電池雙液原電池相同點(diǎn)正負(fù)極，電極反應(yīng)，總反應(yīng)式，電極現(xiàn)象不同點(diǎn)能量變化化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能化學(xué)能只轉(zhuǎn)化為電能反應(yīng)區(qū)域兩極反應(yīng)在相同區(qū)域兩極反應(yīng)在不同區(qū)域(3)雙液原電池中鹽橋的組成和作用①鹽橋中裝有飽和的KCl、KNO3等溶液和瓊膠制成的膠凍。②鹽橋中離子移向：鹽橋含飽和KCl（KNO3）溶液，K＋移向正極，Cl－（NO3－）移向負(fù)極③鹽橋的作用：a.連接內(nèi)電路，形成閉合回路；b.平衡電荷，使原電池不斷產(chǎn)生電流。4.原電池原理的應(yīng)用(1)比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱：原電池中，負(fù)極一般是活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬，正極一般是活動(dòng)性較弱的金屬(或非金屬)。(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率：一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，形成原電池時(shí)會(huì)使反應(yīng)速率增大。如在Zn與稀硫酸反應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液構(gòu)成原電池，反應(yīng)速率增大。(3)用于金屬的防護(hù)：使被保護(hù)的金屬制品作原電池正極而得到保護(hù)。如要保護(hù)一個(gè)鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導(dǎo)線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負(fù)極。(4)設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源①拆分反應(yīng)：將氧化還原反應(yīng)分成兩個(gè)半反應(yīng)。②選擇電極材料：將還原劑（一般為比較活潑的金屬）作負(fù)極，活潑性比負(fù)極弱的金屬或非金屬導(dǎo)體作正極。如果還原劑不是金屬而是其它還原性物質(zhì)，可選擇惰性電極——石墨棒、鉑片作負(fù)極。③構(gòu)成閉合回路：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)(如溶解于溶液中的空氣)。如果兩個(gè)半反應(yīng)分別在兩個(gè)容器進(jìn)行（中間連接鹽橋），則兩個(gè)容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)含有與電極材料相同的金屬的陽離子。④畫裝置圖：結(jié)合要求及反應(yīng)特點(diǎn)，畫出原電池裝置圖，標(biāo)出電極材料名稱、正負(fù)極、電解質(zhì)溶液等。智能點(diǎn)二常見化學(xué)電源及工作原理1．化學(xué)電源的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)劣判斷標(biāo)準(zhǔn)(1)相對(duì)其他能源，電池的優(yōu)點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率較高，供能穩(wěn)定可靠，形狀、大小可根據(jù)需要設(shè)計(jì)，使用方便等。(2)判斷電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的比能量或比功率及可儲(chǔ)存時(shí)間的長短。2．日常生活中的幾種電池(1)堿性鋅錳干電池——一次電池正極反應(yīng)：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；負(fù)極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)銀鋅電池——一次電池負(fù)極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正極反應(yīng)：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；總反應(yīng)：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。(3)鋰電池——一次電池Li－SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCl4－SOCl2。電池的總反應(yīng)可表示為8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①負(fù)極材料為鋰，電極反應(yīng)為8Li－8e－===8Li＋。②正極的電極反應(yīng)為3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－。(4)二次電池(可充電電池)：放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用鉛蓄電池是最常見的二次電池，負(fù)極材料是Pb，正極材料是PbO2。①放電時(shí)的反應(yīng)a．負(fù)極反應(yīng)：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4；b．正極反應(yīng)：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O；c．總反應(yīng)：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。②充電時(shí)的反應(yīng)a．陰極反應(yīng)：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；b．陽極反應(yīng)：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；c．總反應(yīng)：2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋2H2SO4。注：可逆電池的充、放電不能理解為可逆反應(yīng)。3.圖解二次電池的充放電4.二次電池的充放電規(guī)律(1)充電時(shí)電極的連接：充電的目的是使電池恢復(fù)其供電能力，因此負(fù)極應(yīng)與電源的負(fù)極相連以獲得電子，可簡(jiǎn)記為負(fù)接負(fù)后作陰極，正接正后作陽極。(2)工作時(shí)的電極反應(yīng)式：同一電極上的電極反應(yīng)式，在充電與放電時(shí)，形式上恰好是相反的；同一電極周圍的溶液，充電與放電時(shí)pH的變化趨勢(shì)也恰好相反。5.“高效、環(huán)境友好”的燃料電池（1）氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分為酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負(fù)極反應(yīng)式2H2－4e－=4H＋2H2＋4OH－－4e－=4H2O正極反應(yīng)式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－電池總反應(yīng)式2H2＋O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用（2）甲烷燃料電池①酸性介質(zhì)(如H2SO4)或傳導(dǎo)質(zhì)子（H＋）固體介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋8H＋=4H2O。②堿性介質(zhì)(如KOH)總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4H2O=8OH－。③熔融鹽介質(zhì)(如K2CO3)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4CO32-=5CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－＋4CO2=4CO32-。④用能傳導(dǎo)氧離子(O2-)的固體作介質(zhì)總反應(yīng)式：CH4＋2O2=CO2＋2H2O。負(fù)極反應(yīng)式：CH4－8e－＋4O2-=CO2＋2H2O。正極反應(yīng)式：2O2＋8e－=4O2-。（3）解答燃料電池題目的思維模型（4）解答燃料電池題目的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)①要注意介質(zhì)是什么？是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。②通入負(fù)極的物質(zhì)為燃料，通入正極的物質(zhì)為氧氣。③通過介質(zhì)中離子的移動(dòng)方向，可判斷電池的正負(fù)極，同時(shí)考慮該離子參與靠近一極的電極反應(yīng)。6.化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書寫的一般方法(1)明確兩極的反應(yīng)物；(2)明確直接產(chǎn)物：根據(jù)負(fù)極氧化、正極還原，明確兩極的直接產(chǎn)物；(3)確定最終產(chǎn)物：根據(jù)介質(zhì)環(huán)境和共存原則，找出參與的介質(zhì)粒子，確定最終產(chǎn)物；(4)配平：根據(jù)電荷守恒、原子守恒配平電極反應(yīng)式。注意：①H＋在堿性環(huán)境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性環(huán)境中結(jié)合H＋，生成H2O，在中性或堿性環(huán)境結(jié)合H2O，生成OH－；③若已知總反應(yīng)式時(shí)，可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式，即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式?！镜淅饰觥扛哳l考點(diǎn)1考查原電池原理例1.(2020·陜西榆林一模)電化學(xué)氣敏傳感器可用于監(jiān)測(cè)環(huán)境中NH3的含量，其工作原理示意圖如圖所示。下列說法正確的是()A．b電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．溶液中OH－向電極b移動(dòng)C．NH3的還原產(chǎn)物為N2D．電流方向：由a經(jīng)外電路到b【變式訓(xùn)練】（2020·河北唐山模擬）根據(jù)下圖，下列判斷中正確的是()A.燒杯a中的溶液pH降低B.燒杯b中發(fā)生氧化反應(yīng)C.燒杯a中發(fā)生的反應(yīng)為2H＋＋2e－===H2↑D.燒杯b中發(fā)生的反應(yīng)為2Cl－－2e－===Cl2↑高頻考點(diǎn)2考查原電池正、負(fù)極的判斷例2.分析下圖所示的四個(gè)原電池裝置，其中結(jié)論正確的是()A．①②中Mg作負(fù)極，③④中Fe作負(fù)極B．②中Mg作正極，電極反應(yīng)式為6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．③中Fe作負(fù)極，電極反應(yīng)式為Fe－2e－=Fe2＋D．④中Cu作正極，電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－=H2↑【變式訓(xùn)練】觀察如圖所示裝置，可發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，M棒變粗，N棒變細(xì)。表中所列的M、N、P對(duì)應(yīng)物質(zhì)可構(gòu)成該裝置的是選項(xiàng)MNPA鋅銅稀硫酸B銅鐵稀鹽酸C銀鋅硝酸銀溶液D鋅鐵硝酸鐵溶液A．A B．B C．C D．D高頻考點(diǎn)3考查原電池原理的應(yīng)用例3．A、B、C、D都是金屬，把C浸入A的硫酸鹽溶液中，C的表面有A析出；A與D組成原電池時(shí)，A質(zhì)量減少；B與D構(gòu)成原電池時(shí)，電子是從D經(jīng)導(dǎo)線流向B。A、B、C、D四種金屬的活動(dòng)性順序?yàn)锳．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>D>B D．C>D>B>A【變式訓(xùn)練1】現(xiàn)有A、B、C、D四種金屬片：①把A、B用導(dǎo)線連接后同時(shí)浸入稀硫酸中，B表面逐漸溶解；②把C、D用導(dǎo)線連接后同時(shí)浸入稀硫酸中，C發(fā)生氧化反應(yīng)；③把A、C用導(dǎo)線連接后同時(shí)浸入稀硫酸中，電子流動(dòng)方向?yàn)锳→導(dǎo)線→C根據(jù)上述情況，下列說法中正確的是A．在①中，金屬片B發(fā)生還原反應(yīng)B．在②中，金屬片C作正極C．上述四種金屬的活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是：A>B>C>DD．如果把B、D用導(dǎo)線連接后同時(shí)漫入稀硫酸中，則金屬片D上有氣泡產(chǎn)生【變式訓(xùn)練2】（加快氧化還原反應(yīng)速率）把適合題意的圖像填在橫線上(用A、B、C、D表示)(1)將等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b分別加入過量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量的CuSO4溶液，產(chǎn)生H2的體積V(L)與時(shí)間t(min)的關(guān)系是________。(2)將過量的兩份鋅粉a、b分別加入定量的稀硫酸，同時(shí)向a中加入少量的CuSO4溶液，產(chǎn)生H2的體積V(L)與時(shí)間t(min)的關(guān)系是________。(3)將(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他條件不變，則圖像是________。高頻考點(diǎn)4考查可充電電池（二次電池）例4.（2020·新課標(biāo)Ⅰ）科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯(cuò)誤的是A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為B.放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC.充電時(shí)，電池總反應(yīng)為D.充電時(shí)，正極溶液中OH?濃度升高【變式訓(xùn)練】“天宮一號(hào)”飛行器在太空工作期間必須有源源不斷的電源供應(yīng)。其供電原理是：白天太陽能帆板發(fā)電，將一部分電量直接供給天宮一號(hào)，另一部分電量儲(chǔ)存在鎳氫電池里，供黑夜時(shí)使用。如圖為鎳氫電池構(gòu)造示意圖(氫化物電極為儲(chǔ)氫金屬，可看做H2直接參加反應(yīng))。下列說法正確的是A．充電時(shí)陰極區(qū)電解質(zhì)溶液pH降低B．充電時(shí)陽極反應(yīng)為Ni(OH)2-e-+OH-=NiOOH+H2OC．放電時(shí)NiOOH在電極上發(fā)生氧化反應(yīng)D．在使用過程中此電池要不斷補(bǔ)充水高頻考點(diǎn)5考查新型電源（新型燃料電池）例5.（2021·內(nèi)蒙古高三一模）一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池，其工作原理如圖所示。下列說法錯(cuò)誤的是

A．電池工作時(shí)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能B．X電極為電池的