4.1 原电池-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1学习手册（人教版）

学 第四章 化学反应与电能 学 习 目 标 1. 认识化学能与电能相互转化的实际意义及 其重要应用。 2. 了解原电池及常见化学电源的工作原理。 知 识 梳 理 知识点 1 原电池的工作原理 1. 原电池的工作原理 2. 原电池的构成条件 （ 1 ） 有可自发进行的氧化还原反应。 （ 2 ） 有两个活动性不同的导体作电极。 （ 3 ） 有合适的电解质溶液。 如果是通过盐桥 连接的双液原电池， 负极区一般为氧化 产物的溶液， 正极区一般为含氧化剂的 溶液。 第四章 化学反应与电能 第一节 原电池 装置 示意图 现象 有盐桥存在时 ， 电流表指针发生偏 转， 锌片逐渐溶解， 铜片上有红色铜 析出； 取出盐桥时， 电流表指针回到 零点 电极 Zn 电极 Cu 电极 电极名称 负极 正极 得失电子 失电子 得电子 电子流向 流出 流入 盐桥中 离子迁移 氯离子移向 ZnSO 4 溶液 钾离子移向 CuSO 4 溶液 反应类型 氧化反应 还原反应 电极反 应式 Zn－2e － Zn 2＋ Cu 2＋ ＋2e － Cu 总反应式 Zn＋Cu 2＋ Zn 2＋ ＋Cu ZnSO 4 溶液 Zn CuSO 4 溶液 Cu A e - - + 电流计 盐桥 温馨提示 （ 1 ） 盐桥： 盐桥中通常装有含琼胶的 KCl 饱和溶液 ， K + 和 Cl - 可以在其中自 由移动。 （ 2 ） 取出盐桥时， 由于 Zn 棒中的 Zn 原 子失去电子成为 Zn 2＋ 进入溶液中， 使 ZnSO 4 溶液中因 Zn 2＋ 增加而带正电 荷； 同时 Cu 2＋ 获得电子成为金属铜 沉积在铜片上， 使 CuSO 4 溶液中因 Cu 2＋ 减少 ， SO 2－ 4 相对增加而带负电 荷。 当溶液不能保持电中性时， 将 阻止放电作用的继续进行。 （ 3 ） 有盐桥存在时 ， 随着反应的进行 ， 盐桥中的 Cl － 向 ZnSO 4 溶液迁移， K ＋ 向 CuSO 4 溶液迁移， 分别中和过剩 的电荷， 使正负极区溶液均保持电 中性， 这样， 氧化还原反应得以持续 进行， 从而使原电池不断地产生电流。 89 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） （ 4 ） 形成闭合回路 （两电极用导线相连或直 接接触， 并将其插入电解质溶液中）。 3. 原电池原理的应用 （ 1 ） 加快氧化还原反应速率 在稀硫酸中加入少量硫酸铜溶液， 锌与 硫酸铜发生置换反应， 在锌的表面生成的铜 与锌构成原电池， 产生氢气的速率加快。 （ 2 ） 比较金属的活动性强弱 例如： 有两种金属 a 和 b ， 用导线连接 后插入稀硫酸中， 观察到 a 极溶解， b 极上 有气泡产生。 根据电极反应现象判断出 a 是 负极， b 是正极， 由原电池原理可知， 金属 活动性 a>b 。 （ 3 ） 用于金属的防护 如要保护一个铁闸， 可用导线将其与一 锌块相连， 使锌作原电池的负极， 铁闸作 正极。 （ 4 ） 设计原电池 根据原电池工作原理设计原电池。 （ 5 ） 寻求和制造干电池和蓄电池等化学电源 知识点 2 化学电源 1. 一次电池 （ 1 ） 特点： 一次电池的电解质溶液制成胶 状， 不流动， 也叫做干电池。 一次电池 不能充电， 不能反复使用。 （ 2 ） 常见一次电池： 碱性锌锰电池。 ① 构造与原理 碱性锌锰电池的负极是锌， 正极是 MnO 2 ， 电解质是 KOH ， 其电极反应如下： 负极： Zn＋2OH － －2e － Zn （ OH ） 2 正极： MnO 2 ＋H 2 O＋e － MnOOH＋OH － （氢氧化氧锰） 总反应： Zn＋2MnO 2 ＋2H 2 O 2MnOOH＋ Zn （ OH ） 2 ② 特点： 碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能 好， 它的比能量和可储存时间均有提高， 适用于大电流和连续放电。 2. 二次电池 （ 1 ） 特点： 二次电池又称充电电池或蓄电 池， 放电后可以再充电使活性物质获得 再生。 这类电池可以多次重复使用。 （ 2 ） 常见二次电池： 铅酸蓄电池。 ① 构造与原理 铅酸蓄电池负极是 Pb ， 正极是 PbO 2 ， 温馨提示 判断电池优劣的主要标准 （ 1 ） 比能量： 单位质量或单位体积能输出 电能的多少， 单位是 （ W · h ）· kg －1 或 （ W · h ）· L －1 。 （ 2 ） 比功率： 单位质量或单位体积所能 输出功率的大小， 单位是 W · kg －1 或 W · L －1 。 （ 3 ） 电池可储存时间的长短。 + - 金属外壳 MnO 2 锌粉和 KOH 的混合物 正极 PbO 2 电解质 H 2 SO 4 （ aq ） 负极 Pb 90 学 第四章 化学反应与电能 电解质溶液是硫酸溶液。 铅酸蓄电池放电的电极反应如下： 负极： Pb－2e － ＋SO 2－ 4 PbSO 4 （氧化反应） 正极 ： PbO 2 ＋4H ＋ ＋SO 2－ 4 ＋2e － PbSO 4 ＋ 2H 2 O （还原反应） 总反应 ： Pb ＋PbO 2 ＋2H 2 SO 4 2PbSO 4 ＋ 2H 2 O 铅酸蓄电池充电的电极反应如下： 阴极： PbSO 4 ＋2e － Pb＋SO 2－ 4 （还原反应） 阳极： PbSO 4 ＋2H 2 O－2e － PbO 2 ＋4H ＋ ＋SO 2－ 4 （氧化反应） 总反应： 2PbSO 4 ＋2H 2 O Pb＋PbO 2 ＋2H 2 SO 4 铅酸蓄电池的充放电过程可以写成下式： Pb＋PbO 2 ＋2H 2 SO 4 放电 充电 2PbSO 4 ＋2H 2 O ② 特点： 电压稳定、 使用方便、 安全可靠、 价格低廉， 缺点是比能量低、 笨重， 废弃 电池污染环境。 （ 3 ） 其他二次电池： 随着信息技术的发展， 迫切需要小型化、 供电方便、 工作寿命 长、 自放电率低、 记忆效应低、 不需要 维护的电池。 目前已开发出镉镍电池、 氢镍电池、 锌银电池、 聚合物锂离子蓄 电池等一系列新型蓄电池。 3. 燃料电池 （ 1 ） 定义： 燃料电池是通过燃料气体与氧气 分别在两个电极上发生氧化还原反应， 将化学能直接转化为电能的装置。 （ 2 ） 特点： 燃料电池与火力发电相比， 其燃 料的利用率高、 能量转化率高。 与干电 池或者蓄电池的主要差别在于反应物不 是储存在电池内部， 而是由外设装备提 供燃料和氧化剂等。 工作时， 燃料和氧 化剂连续地由外部供给， 在电极上不断 地进行反应， 生成物不断地被排除， 于 是电池就连续不断地提供电能。 燃料电 池的电极不参与反应， 有很强的催化活 性， 并起导电作用。 （ 3 ） 氢氧燃料电池构造与工作原理 ① 以 KOH 溶液为电解质溶液： 负极： H 2 ＋2OH － －2e － 2H 2 O 正极： O 2 ＋2H 2 O＋4e － 4OH － 总反应式： 2H 2 ＋O 2 2H 2 O ② 以 H 2 SO 4 溶液为电解质溶液： 负极： H 2 －2e － 2H ＋ 正极： O 2 ＋4H ＋ ＋4e － 2H 2 O 总反应式： 2H 2 ＋O 2 2H 2 O 要 点 精 析 要点 1 原电池的工作原理 典例 1 下图是某校实验小组设计的一套原 电池装置， 下列有关描述不正确的是 （ ） A e - e - Pt - Pt + O 2 H 2 正极室 负极室 隔膜 电解质溶液 G 盐桥 N 2 Cu O 2 石墨 盐酸 盐酸 典例 1 图 91 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） A. 此装置能将化学能转化为电能 B. 石墨电极的反应式： O 2 ＋2H 2 O＋4e － 4OH － C. 电子由 Cu 电极经导线流向石墨电极 D. 电池的总反应式： 2Cu＋O 2 ＋4HCl 2CuCl 2 ＋ 2H 2 O 解析： 该装置是原电池装置， 可以把化学能 转化为电能， A 正确； 石墨电极通入的是氧 气， 氧气发生还原反应， 电解质溶液为盐 酸， 所以电极反应式是 O 2 ＋4e － ＋4H ＋ 2H 2 O ， B 错误； 因为石墨电极发生还原反应， 所以 石墨作正极 ， 则 Cu 作负极 ， 电子由负极 （ Cu 电极） 经导线流向正极 （石墨电极）， C 正确； 该电池的负极反应是 Cu 失去电子生 成 Cu 2＋ ， 所以电池的总反应式为 2Cu＋O 2 ＋ 4HCl 2CuCl 2 ＋2H 2 O ， D 正确。 答案： B 要点 2 原电池正负极的判断 典例 2 已知常温下铝 能与氢氧化钠溶液发 生反应： 2Al＋2NaOH＋ 2H 2 O 2NaAlO 2 ＋3H 2 ↑ 。 有如右图所示的两个 原电池装置， 下列说 法不正确的是 （ ） A. 甲池中负极的电极反应为 Mg－2e － Mg 2＋ B. Mg 在甲池中为负极， 在乙池中为正极 C. 乙池中电子的流向： Mg 导线 Al D. 原电池工作一段时间后， 甲池溶液的 pH 会增大 解析： 判断原电池正负极， 除考虑活泼性， 还要注意电解质溶液对正负极的影响。 对于 稀硫酸来说， 镁是比铝更活泼的金属， 但对 于氢氧化钠溶液来说， 铝是比镁更活泼的金 属， 所以甲池中镁是负极， 乙池中铝是负 极 ， B 对 ； 甲池中电极反应为 Mg－2e － Mg 2＋ ， A 对； 乙池中电子流向为 Al→Mg ， C 错； 甲池中正极反应为 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ ， 随 着反应进行， c （ H ＋ ） 减小， pH 增大， D 对。 答案： C 思维点拨 两极反应物 电极活泼性 正负电极 电解质溶液 电极反应 判断依据 负极 正极 电极材料 活动性较 强的金属 活动性较弱的金 属或其他导电材料 电子流 动方向 电子流出的电极 电子流入的电极 电解质溶液 中离子移动 方向 阴离子移 向的电极 阳离子移 向的电极 发生反应 失去电子， 发生 氧化反应 得到电子， 发生 还原反应 Al Mg NaOH 溶液 Al Mg H 2 SO 4 溶液 甲池 乙池 典例 2 图 思维点拨 利用金属的活泼性判断原电池的正 负极， 活泼金属一般作负极， 但不要形 成 “活泼金属一定作负极” 的错误观点。 如 Al — Mg — NaOH 原电池， 因 Mg 不与 NaOH 溶液反应， 而 Al 能与 NaOH 溶液 自发反应， 因此 Al 作负极： Al－3e － ＋4OH － AlO － 2 ＋2H 2 O 。 92 学 第四章 化学反应与电能 变式训练 1 在如图装置中， 观察到图 1 装置铜电极 上产生大量无色气泡， 而图 2 装置中铜电极 上无气泡产生， 铬电极上产生大量有色气 泡。 下列叙述不正确的是 （ ） A． 图 1 装置中 Cu 电极上电极反应式是 2H + + 2e - H 2 ↑ B． 图 2 装置中 Cu 电极上发生的电极反应为 Cu-2e - Cu 2+ C． 图 2 装置中 Cr 电极上电极反应式为 NO - 3 +e - +2H + NO 2 ↑+H 2 O D． 两个装置中， 电子均由 Cr 电极经导线流 向 Cu 电极 要点 3 设计原电池 设计原电池的关键是根据原电池原理， 确定两极材料和电解质溶液。 典例 3 利用反应 Zn＋2FeCl 3 ZnCl 2 ＋2FeCl 2 ， 设计一个原电池， 在下边方框内画出实验装 置图， 并指出正极为 ， 电极反应式 为 ； 负极为 ， 电极反 应式为 。 解析： 根据已知的氧化还原反应设计原电池 的思路是， 首先将已知的反应拆成两个半反 应 （即氧化反应和还原反应）： Zn－2e － Zn 2＋ ， Fe 3＋ ＋e － Fe 2＋ ， 然后结合原电池的电极反应 特点， 分析可知， 该电池的负极应该用 Zn 作材料， 正极要保证 Fe 3＋ 得到负极失去的电 子， 一般用不能还原 Fe 3＋ 的材料， 如 Pt 或碳 棒等， 电解质溶液只能用含 Fe 3＋ 的电解质溶 液， 如 FeCl 3 溶液等。 答案： Pt Fe 3＋ +e － Fe 2＋ Zn Zn-2e － Zn 2＋ 要点 4 二次电池工作原理 二次电池也称可充电电池， 是一种可反 复使用的电池。 当电池放电时， 是一种原电 池； 当电池充电时， 是一种电解池。 典例 4 “天宫一号” 飞行器在太空工作期 间必须有源源不断的电源供应。 其供电原理 是： 白天太阳能帆板发电， 将一部分电量直 接供给 “天宫一号”， 另一部分电量储存在 镍氢电池里， 供黑夜时使用。 镍氢电池放电 Cu A Cr 浓硝酸 Cr Cu A Cr 3- （ aq ） 稀硫酸 图 1 图 2 变式训练 1 图 思维点拨 拆分 反应 选择电 极材料 确定 电解质 画装 置图 Zn FeCl 3 溶液 Pt 或 Zn Pt FeCl 3 ZnSO 4 盐桥 93 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 时的总反应原理为 MH＋NiOOH→M＋Ni （ OH ） 2 （ M 为氢化物电极的储氢金属， 也可看作 H 2 直接参加反应）。 下列说法正确的是 （ ） A. 充电时阴极区电解质溶液 pH 降低 B. 在使用过程中此电池要不断补充水 C. 放电时 NiOOH 在电极上发生氧化反应 D. 充电时阳极反应为 Ni （ OH ） 2 －e － ＋OH － NiOOH＋H 2 O 解析： 放电时， Ni 元素化合价降低， 发生 还原反应， 故 C 错误； 充电时， 阴极反应为 H ＋ +M＋e － MH ， 阴极区电解质溶液 pH 升 高， A 错误； 充电时， 阳极反应为 Ni （ OH ） 2 － e － ＋OH － NiOOH＋H 2 O ， D 正确； 电池在使 用过程中是否需要补水， 需分析总反应， 正 反应过程中无 H 2 O 消耗 ， 故无须补水 ， B 错误。 答案： D 要点 5 燃料电池电极反应式的书写 燃料电池的正极一般通入氧气， 负极一 般通入可燃气体。 1. 电解质为 H 2 SO 4 溶液 负极： CH 4 ＋2H 2 O－8e － CO 2 ＋8H ＋ 正极： O 2 ＋4H ＋ ＋4e － 2H 2 O 总反应式： CH 4 ＋2O 2 CO 2 ＋2H 2 O 2. 电解质为 KOH 溶液 负极： CH 4 ＋10OH － －8e － CO 2－ 3 ＋7H 2 O 正极： O 2 ＋2H 2 O＋4e － 4OH － 总反应式 ： CH 4 ＋2O 2 ＋2KOH K 2 CO 3 ＋ 3H 2 O 3. 电解质为熔融氧化物 负极： CH 4 ＋4O 2- －8e － CO 2 ＋2H 2 O 正极： O 2 ＋4e － 2O 2- 总反应式： CH 4 ＋2O 2 CO 2 ＋2H 2 O 4. 电解质为熔融碳酸盐 负极： CH 4 ＋4CO ２- ３ －8e － 5CO 2 ＋2H 2 O 正极： O 2 ＋2CO 2 ＋4e － 2CO 2－ 3 总反应式： CH 4 ＋2O 2 CO 2 ＋2H 2 O 典例 5 一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意 如图所示。 下列有关该电池的说法正确的是 （ ） A. 反应 CH 4 ＋H 2 O 催化剂 △ 3H 2 ＋CO ， 每消耗 1 mol CH 4 转移 12 mol 电子 B. 电极 A 上 H 2 参与的电极反应为 H 2 ＋2OH － － 2e － 2H 2 O C. 电池工作时， CO 2－ 3 向电极 B 移动 D. 电极 B 上发生的电极反应为 O 2 ＋2CO 2 ＋4e － 2CO 2－ 3 思维点拨 还原反应： 阴极 氧化反应： 阳极 充电 可充电 电池 放电 负极： 氧化反应 正极： 还原反应 外接电源正极 同一电极 外接电源负极 同一电极 温馨提示 书写电极反应式时， 必须考虑物质 在电极上发生电子转移后与电解质溶液 是否发生反应， 以及反应后的主要存在 形式。 典例 5 图 O 2 CO 2 脱水 用电器 电极 B 电极 A CO+H 2 CH 4 +H 2 O CO 2 +H 2 O 催 化 重 整 CO 2- 3 K + Na + 94 学 第四章 化学反应与电能 解析： 根据化合价变化， 每有 1 mol 甲烷参 与反应转移电子数为 6 mol ， A 项错误； 电 解质为熔融态的碳酸盐， 所以 A 极上 H 2 参 与的电极反应式为 H 2 －2e － ＋CO 2－ 3 H 2 O＋CO 2 ， B 项错误； 电极 B 是正极， 碳酸根离子向负 极移动， C 项错误； 考虑电解质， B 极上氧 气得电子后应与 CO 2 结合生成碳酸根离子， 因此 D 项正确。 答案： D 变式训练 2 某燃料电池主要构成要素如图所示， 下 列说法正确的是 （ ） A． 电池可用于乙醛的制备 B． b 电极为正极 C． 电池工作时， a 电极附近 pH 降低 D． a 电极的反应式为 O 2 +4e - -4H + 2H 2 O 变式训练答案 1. D 2. A 思维点拨 电子、 电流方向 离子运动方向 确定正、 负 极反应物 电解质 正极反应 负极反应 CH 3 CHO CH 2 CH 2 H 2 O O 2 H + X a 电极 b 电极 质子 交换膜 H + 变式训练 2 图 95