2019-2020年高考化學一輪復習 專題7.2 原電池 化學電源講案（含解析）.doc

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2019-2020年高考化學一輪復習 專題7.2 原電池 化學電源講案（含解析） 復習目標： 1、 了解原電池的工作原理，能寫出電極反應和電池反應方程式。 2、 了解常見化學電源的種類及其工作原理。 基礎知識回顧： 一、原電池概念及原理 1、原電池 把化學能轉化為電能的裝置。 2、構成條件及判斷 （1）具有兩個活性不同的電極(金屬和金屬或金屬和非金屬)。 （2）具有電解質溶液。 （3）形成閉合電路 (或在溶液中相互接觸)。 ★☆判斷 3．原電池工作原理示意圖 原電池的工作原理和電子流向可用下列圖示表示： 【說明】 ①在原電池裝置中，電子由負極經(jīng)導線流向正極，陽離子在正極上獲得電子，通過電路中的電子和溶液中的離子的移動而形成回路，傳導電流，電子并不進入溶液也不能在溶液中遷移。 ②原電池將一個完整的氧化還原反應分為兩個半反應，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，一般將兩個電極反應中得失電子的數(shù)目寫為相同，相加便得到總反應方程式。 ③陰離子要移向負極，陽離子要移向正極。這是因為：負極失電子，生成大量陽離子積聚在負極附近，致使該極附近有大量正電荷，所以溶液中的陰離子要移向負極；正極得電子，該極附近的陽離子因得電子生成電中性的物質而使該極附近帶負電荷，所以溶液中的陽離子要移向正極。 ④不參與電極反應的離子從微觀上講發(fā)生移動，但從宏觀上講其在溶液中各區(qū)域的濃度基本不變。 【典型例題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( ) ①在外電路中，電流由銅電極流向銀電極 ②正極反應為：Ag＋＋e－=Ag ③實驗過程中取出鹽橋，原電池仍繼續(xù)工作 ④將銅片侵入AgNO3溶液中發(fā)生的化學反應與該原電池反應相同 A．①②　　　 B．②③ C．②④ D．③④ 【遷移訓練1】【廣東省百所高中xx屆高三聯(lián)合考試】我國科學家發(fā)明的一種可控鋰水電池的工作原理如 圖所示。下列有關說法不正確的是 A．電池工作時，鋰離子向正極移動　　 B．有機電解質可用水溶液代替 C．電池總反應為2Li + 2H2O====2LiOH + H2↑ D．該裝置不僅可提供電能，還可得到清潔的氫氣 【答案】B 二、原電池的應用 1、加快氧化還原反應的速率 一個自發(fā)進行的氧化還原反應，設計成原電池時反應速率增大。例如，在Zn與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應速率加快。 2、比較金屬活動性強弱 兩種金屬分別做原電池的兩極時，一般做負極的金屬比做正極的金屬活潑。 3、用于金屬的防護 使被保護的金屬制品做原電池正極而得到保護。例如，要保護一個鐵質的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅做原電池的負極。 化學腐蝕 電化學腐蝕 定義 金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2、SO2等)或非電解質液體(如石油)等直接發(fā)生化學反應引起的腐蝕 不純金屬(或合金)接觸到電解質溶液所發(fā)生的原電池反應，較活潑金屬失去電子被氧化而引起的腐蝕 吸氧腐蝕(主要) 析氫腐蝕 條件 金屬與物質直接接觸 水膜中溶有O2，顯弱酸性或中性 水膜酸性較強 本質 金屬被氧化而腐蝕 較活潑金屬被氧化而腐蝕 現(xiàn)象 無電流產(chǎn)生 有微弱電流產(chǎn)生 反應式 2Fe＋3Cl2=2FeCl3 負極：Fe－2e－===Fe2＋ 正極：2H2O＋O2＋4e－=4OH－ 正極：2H＋＋2e－=H2↑ 聯(lián)系 兩種腐蝕往往同時發(fā)生，只是電化學腐蝕比化學腐蝕更普遍、危害更大 【特別提示】　判斷金屬腐蝕的快慢，首先要確定金屬腐蝕的類型及該金屬在“兩池”中所作的電極種類，并按下列規(guī)律進行判斷。 （1）金屬腐蝕由快到慢的規(guī)律為： 電解池陽極>原電池負極>化學腐蝕>原電池正極>電解池陰極 （2）同一種金屬在相同濃度的不同電解質溶液中的腐蝕快慢規(guī)律為： 強電解質溶液>弱電解質溶液>非電解質溶液； 對于同一種電解質來說，電解質溶液濃度越大腐蝕越快；構成原電池時，活潑性不同的兩種金屬，活潑性差別越大，作負極的金屬腐蝕越快。 3、設計制作化學電源 設計原電池時要緊扣原電池的構成條件。具體方法是： （1）首先將已知氧化還原反應拆分為兩個半反應； （2）根據(jù)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。 ①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反應。 ②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 （3）按要求畫出原電池裝置圖。 【特別提醒】 應用原電池原理可以設計任一自發(fā)的氧化還原反應的電池，但有的電流相當微弱。同時要注意電解質溶液不一定參與反應，如燃料電池，水中一般要加入NaOH、H2SO4或Na2SO4等。 【典型例題2】有A、B、C、D、E五塊金屬片，進行如下實驗：①A、B用導線相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，A極為負極；②C、D用導線相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，電流由D→導線→C；③A、C相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，C極產(chǎn)生大量氣泡；④B、D相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，D極發(fā)生氧化反應；⑤用惰性電極電解含B離子和E離子的溶液，E先析出。據(jù)此，判斷五種金屬的活動性順序是 (　　) A．A>B>C>D>E B．A>C>D>B>E C．C>A>B>D>E D．B>D>C>A>E 【遷移訓練2】根據(jù)下列氧化還原反應設計一個原電池：2FeCl3＋Fe=3FeCl2 要求：（1）畫出此原電池的裝置圖，裝置可采用燒杯和鹽橋。 （2）注明原電池的正、負極和外電路中電子的流向。 （3）寫出兩個電極上發(fā)生的電極反應。 三、化學電源 化學電源是能夠實際應用的原電池。作為化學電源的電池有一次電池、二次電池和燃料電池等。 1、堿性鋅錳干電池——一次電池 總反應式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。 正極反應：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－； 負極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。 2、鋅銀電池——一次電池 負極反應：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正極反應：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－； 總反應式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 3、二次電池(可充電電池) 鉛蓄電池是最常見的二次電池，負極材料是Pb，正極材料是PbO2。 （1）放電時的反應 ①負極反應：Pb＋SO－2e－===PbSO4； ②正極反應：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O； ③總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。 （2）充電時的反應 ①陰極反應：PbSO4＋2e－===Pb＋SO； ②陽極反應：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO； ③總反應：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。 4、燃料電池 氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分酸性和堿性兩種。 種類 酸性 堿性 負極反應式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正極反應式 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 電池總反應式 2H2＋O2===2H2O 【典型例題3】【陜西省xx屆高三下學期第一次聯(lián)考理綜試題】鎂一過氧化氫燃料電池具有比能量高、安 全方便等優(yōu)點，其總反應為Mg+H2O2+H2SO4 MgSO4+2H2O，結構示意圖如圖所示。下列關于該電池的 敘述正確的是 A．電池內部可以使用MnO2作填料 B．電池工作時，H+向Mg電極移動 C．電池工作時，正極的電板反應式為Mg—2e— Mg2+ D．電池工作時，電解質溶液的pH將不斷變大 【遷移訓練3】LiSOCl2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LiAlCl4SOCl2。 電池的總反應可表示為4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。 請回答下列問題： （1）電池的負極材料為__________，發(fā)生的電極反應為________________________。 （2）電池正極發(fā)生的電極反應為_________________________________________。 考點詳析： 考點一：原電池的兩極判斷及電極方程式的書寫 1、思維導圖 【說明】原電池的正極與負極與電極材料的性質有關，也與電解質溶液有關，不要形成活潑電極一定作負 極的思維定勢。 原電池正負極判斷 （1）根據(jù)電極材料判斷 負極——活潑性較強的金屬 正極——活潑性較弱的金屬或能導電的非金屬 注：活潑金屬不一定做負極，如Mg、Al在NaOH溶液中，Al做負極。 （2）根據(jù)電子流動方向或電流方向或電解質溶液內離子的定向移動方向判斷 負極——電子流出極，電流流入極或陰離子定向移向極 正極——電子流入極，電流流出極或陽離子定向移向極 （3）根據(jù)兩極發(fā)生的變化判斷 負極——失去電子，化合價升高，發(fā)生氧化反應 正極——得到電子，化合價降低，發(fā)生還原反應 （4）根據(jù)反應現(xiàn)象判斷 負極——會逐漸溶解，質量減小 正極———有氣泡逸出或質量增加 【特別提示】　原電池正負極判斷的基礎是氧化還原反應。如果給出一個方程式讓判斷正、負極，可以直接根據(jù)化合價的升降變化來判斷，發(fā)生氧化反應的一極為負極，發(fā)生還原反應的一極為正極。 2、電極反應式書寫 原電池反應的基礎是氧化還原反應，正極發(fā)生還原反應，負極發(fā)生氧化反應，據(jù)此書寫電極反應式的步驟如下： （1）確定原電池的正、負極，以及兩電極上發(fā)生反應的物質。在原電池中，負極是還原性材料失去電子被氧化，發(fā)生氧化反應。正極反應要分析電極材料的性質：若電極材料是強氧化性材料，則是電極材料得電子被還原，發(fā)生還原反應；若電極材料是惰性的，再考慮電解質溶液中的陽離子是否能與負極材料反應。能發(fā)生反應則是溶液中的陽離子得電子，發(fā)生還原反應；若不能與負極材料反應，則考慮空氣中的氧氣，氧氣得電子，發(fā)生還原反應。 （2）弱電解質、氣體或難溶解物均以化學式表示，其余以離子符號表示，保證電荷守恒，質量守恒及正、負極得失電子數(shù)相等的規(guī)律，一般用“=”而不用“―→”。 （3）正負極反應式相加得到原電池總反應式，通常將總反應式減去較易寫出的電極反應式，從而得到較難寫出的電極反應式。 【典型例題4】分析下圖所示的四個原電池裝置，其中結論正確的是 (　　) A．①②中Mg作負極，③④中Fe作負極 B．②中Mg作正極，電極反應式為6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中Fe作負極，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋ D．④中Cu作正極，電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑ 【遷移訓練4】【山東省濟南一中xx屆高三12月月考】糕點包裝中常見的脫氧劑組成為還原性鐵粉、氯 化鈉、炭粉等，其脫氧原理與鋼鐵的吸氧腐蝕相同。下列分析正確的是 A．脫氧過程是吸熱反應，脫氧的同時可降低溫度，延長糕點保質期 B．脫氧過程中鐵做原電池正極，電極反應為：Fe—2e— = Fe2+ C．脫氧過程中碳做原電池負極，電極反應為：2H2O + O2 + 4e— = 4OH— D．含有1．12g鐵粉的脫氧劑，理論上最多能吸收氧氣336mL（標準狀況） 考點二：燃料電池 1、化學電源中電極反應式書寫的一般程序——“加減法”書寫電極反應式 （1）先確定原電池的正負極，列出正負極上的反應物質，并標出相同數(shù)目電子的得失。 （2）注意負極反應生成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，則水必須寫入正極反應式中，且O2生成OH－，若電解質溶液為酸性，則H＋必須寫入正極反應式中，O2生成水。 （3）正負極反應式相加得到電池反應的總反應式。若已知電池反應的總反應式，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎上，總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得到較難寫出的另一極的電極反應式。 2、燃料電池電極反應式的書寫 根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應的物質都是O2，隨著電解質溶液的不同，其電極反應有所不同，其實，我們只要熟記以下四種情況： （1）酸性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O （2）堿性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ （3）固體電解質(高溫下能傳導O2－)環(huán)境下電極反應式：O2＋4e－===2O2－ （4）熔融碳酸鹽(如：熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 根據(jù)電池總反應式和正極反應式寫出電池的負極反應式 電池的總反應和正、負極反應之間有如下關系：電池的總反應式＝電池正極反應式＋電池負極反應式 電池的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式，注意在將兩個反應式相減時，要約去正極的反應物O2。 【典型例題5】以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應式的書寫方法： （1）酸性條件 燃料電池總反應式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① 燃料電池正極反應式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O ② ①－②2，得燃料電池負極反應式：____________________________________。 （2）堿性條件 燃料電池總反應式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O ① 燃料電池正極反應式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ② ①－②2，得燃料電池負極反應式：______________________________________。 （3）固體電解質(高溫下能傳導O2－) 燃料電池總反應式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① 燃料電池正極反應式：O2＋4e－===2O2－ ② ①－②2，得燃料電池負極反應式：_____________________________________。 （4）熔融碳酸鹽(如：熔融K2CO3)環(huán)境下 電池總反應式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① 正極電極反應式：O2＋2CO2＋4e－===2CO ② ①－②2，得燃料電池負極反應式：____________________________________。 【遷移訓練5】【廣東省廣州市番禺區(qū)xx年高考統(tǒng)考試題（一）】查處酒后駕駛采用的“便攜式乙醇測量儀” 以燃料電池為工作原理，在酸性環(huán)境中，理論上乙醇可以被完全氧化為CO2，但實際乙醇被氧化為X，其 中一個電極的反應式為：CH3CH2OH—2e—→X+2H+．下列說法中正確的是（　?。? A．電池內部H+由正極向負極移動 B．另一極的電極反應式為：O2+4e—+2H2O=4OH— C．乙醇在正極發(fā)生反應，電子經(jīng)過外電路流向負極 D．電池總反應為：2CH3CH2OH + O2→2CH3CHO + 2H2O 考點三：可充電電池 1、對可充電電池充電和放電兩過程認識：放電是原電池反應，充電是電解池反應 2、對可充電電池電極極性和材料的判斷： 判斷電池放電時電極極性和材料，可先標出放電（原電池）總反應式電子轉移的方向和數(shù)目，失去電子的一極為負極，該物質即為負極材料；得到電子的一極為正極，該物質即為正極材料。 若判斷電池充電時電極極性和材料，方法同前，失去電子的一極為陽極，該物質即為陽極材料；得到電子的一極為陰極，該物質即為陰極材料。 3、對溶液中離子的移動方向判斷： 放電時，陰離子移向負極，陽離子移向正極； 充電時，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。 4、可充電電池充電時與電源的連接： 可充電電池用完后充電時，原電池的負極與外電源的負極相連，原電池的正極與外電源的正極相連。 5、對可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應及某元素被氧化還是被還原的判斷： 可根據(jù)電極反應式進行分析， 放電（原電池）的負極及充電（電解池）的陽極均失去電子，發(fā)生了氧化反應，其變價元素被氧化； 放電（原電池）的正極及充電（電解池）的陰極均得到電子，發(fā)生了還原反應，其變價元素被還原。 6、可充電電池電極反應式的書寫方法： 書寫可充電電池電極反應式，一般都是先書寫放電的電極反應式。 書寫放電的電極反應式時，一般要遵守三步： 第一，先標出原電池總反應式電子轉移的方向和數(shù)目，指出參與負極和正極反應的物質； 第二，寫出一個比較容易書寫的電極反應式（書寫時一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解質溶液共存）； 第三，在電子守恒的基礎上，總反應式減去寫出的電極反應式即得另一電極反應式。 充電的電極反應與放電的電極反應過程相反，充電的陽極反應為放電正極反應的逆過程，充電的陰極反應為放電負極反應的逆過程。 【典型例題6】【xx年高考天津卷第6題】已知：鋰離子電池的總反應為：LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2 鋰硫電池的總反應為：2Li+SLi2S 有關上述兩種電池說法正確的是 A．鋰離子電池放電時，Li+向負極遷移 B．鋰硫電池充電時，鋰電極發(fā)生還原反應 C．理論上兩種電池的比能量相同 D．右圖表示用鋰離子電池給鋰硫電池充電 【遷移訓練6】【廣東省肇慶中學xx屆高三11月考】市場上經(jīng)常見到的標記為Li-ion的電池。它的負極 材料是金屬鋰和碳的復合材料（碳作為金屬鋰的載體），電解質為一種能傳導Li+的高分子材料。這種鋰離 子電池的電池反應式為： Li+2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2，下列說法不正確的是（　　）　 A．放電時，負極的電極反應式：Li-e-=Li+　 B．充電時，Li0．85NiO2既發(fā)生氧化反應又發(fā)生還原反應 C．該電池既能用酸溶液又能用堿溶液作電解質溶液。 D．放電過程中Li+向正極移動 【答案】C