第18讲 原电池 化学电源-【名师大课堂】2025年高考化学艺术生总复习必备（word教师用书）

第18讲　原电池　化学电源 考点一　原电池的工作原理及应用 1．原电池的概念、构成及反应本质 (1)把　化学能　转化为　电能　的装置，其本质是发生了　氧化还原反应　。 (2)构成条件。 ①有两个　活泼性不同　的电极（常见为金属或石墨）。 ②将电极插入　电解质溶液　或熔融电解质中。 ③两电极间构成　闭合回路　（两电极接触或用导线连接）。 ④能自发发生氧化还原反应。 2．原电池的工作原理（以铜锌原电池为例） 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 电极反应 Zn－2e－===Zn2+ Cu2+＋2e－===Cu 反应类型 　氧化反应　 　还原反应　 电子流向 由Zn片沿导线流向Cu片 盐桥中离子移向 盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向　正　极，Cl－移向　负　极 3.原电池原理的应用 (1)设计制作化学电源。 (2)加快化学反应速率。 一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率　增大　。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率　增大　。 (3)比较金属的活动性强弱。 原电池中，一般活动性强的金属作　负极　，而活动性弱的金属（或非金属导体）作　正极　。 (4)用于金属的防护。 使需要保护的金属制品作原电池　正极　而受到保护。例如：要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的　负极　。 一、原电池的判断 1．分析有无外接直流电源，有外接直流电源的为电解池，无外接直流电源的才可能为原电池。 2．依据原电池的形成条件判断。主要有“四看”： (1)一看电极：两极为导体，且存在活动性差异； (2)二看电解质：两极插入电解质溶液或熔融电解质； (3)三看回路：形成闭合回路； (4)四看本质：看能否发生氧化还原反应，原电池的总反应是能够自发进行的氧化还原反应。 3．原电池正、负极的判断 一般情况下，常由以下几个方面判断原电池的正极和负极： 判断角度 负极 正极 (1)电极材料 较活泼金属 较不活泼金属或石墨等 (2)通入物 通入还原剂的电极 通入氧化剂的电极 (3)两极反应类型 发生氧化反应的电极 发生还原反应的电极 (4)电子流向（或电流方向） 电子流出的电极（或电流流入的电极） 电子流入的电极（或电流流出的电极） (5)离子流向 阴离子流向的电极 阳离子流向的电极 金属作负极或正极受所处环境影响。 (1)Mg、Al相连，在中性或酸性溶液中活动性：Mg>Al，Mg作负极；而在碱性溶液中，Al可以与OH－反应，而Mg不反应，所以Mg与Al用导线连接后放入NaOH溶液中，Al是负极，Mg是正极。 (2)Fe、Cu相连，浸入稀HNO3中，Fe作负极；浸在浓HNO3中一段时间后，Cu作负极（Fe发生钝化）。 二、原电池原理的应用 1．加快氧化还原反应的速率 一个自发的氧化还原反应，设计成原电池时，反应速率会增大。如实验室制取氢气时，可以在稀硫酸中加入少量硫酸铜溶液，锌置换出铜，锌、铜和稀硫酸形成原电池，增大化学反应速率。 2．用于比较金属的活动性强弱 两种金属分别作原电池的两极时，一般情况下作负极的金属比作正极的金属活泼。 3．用于金属的防护 使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。例如：要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与锌块相连，使锌作原电池的负极。 4．设计原电池 (1)根据一个氧化还原反应的方程式，将其拆分为氧化反应和还原反应两个半反应。 (2)根据原电池反应特点，结合两个半反应，选择合适的电极材料和电解质设计原电池。 (3)电解质的选择 电解质是使负极放电的物质，因此一般情况下电解质溶液或者电解质溶液中溶解的其他物质（如溶液中溶解的氧气）要能够与负极发生反应。 (4)电极材料的选择 原电池的电极必须能导电；负极一般情况下能够与电解质溶液反应，容易失电子，因此负极一般是活泼的金属材料；正极和负极之间只有产生电势差时，电子才能定向移动，所以正极和负极一般不用同一种材料。 （2024·全国甲卷）科学家使用δ－MnO2研制了一种MnO2－Zn可充电电池（如图所示）。电池工作一段时间后，MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　C　) A．充电时，Zn2+向阳极方向迁移 B．充电时，会发生反应Zn＋2MnO2===ZnMn2O4 C．放电时，正极反应有MnO2＋H2O＋e－===MnOOH＋OH－ D．放电时，Zn电极质量减少0.65 g，MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH 解析：充电时Zn2+向阴极移动，A错误；由题意知，放电时，MnO2转化为MnOOH和ZnMn2O4，B错误；放电时，MnO2电极为正极，发生的反应有MnO2＋H2O＋e－===MnOOH＋OH－，C正确；根据放电时Zn电极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2+可知，Zn电极质量减少0.65 g(0.01 mol)时，电路中通过0.02 mol电子，故MnO2电极有0.02 mol MnO2发生反应，但MnO2转化为MnOOH和少量ZnMn2O4，故生成的MnOOH的量小于0.020 mol，D错误。 　某原电池构造如图所示，下列叙述正确的是(　A　) A．原电池的总反应式为：Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2 B．取出盐桥后，电流表的指针仍发生偏转 C.外电路中每通过0.1 mol电子，铜的质量理论上减小6.4 g D．在外电路中，电子由银电极流向铜电极 解析：金属性铜强于银，铜是负极，银是正极，则原电池的总反应式为Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，A正确；取出盐桥后不能构成原电池，电流表的指针不发生偏转，B错误，1 mol铜失去2 mol电子，外电路中每通过0.1 mol电子，铜的质量理论上减小3.2 g，C错误；在外电路中，电子由铜电极流向银电极，D错误。 考点二　常见的化学电源 1．一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用 (1)碱性锌锰电池。 碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下： 负极：　Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2　； 正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－； 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。 (2)银锌电池。 银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下： 负极：　Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2　； 正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－； 总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 (3)锂电池。 锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下： 负极：8Li－8e－===8Li＋； 正极：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SO＋2S； 总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO2＋2S。 2．二次电池：放电后能充电复原继续使用 铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l) 3．燃料电池 燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物（甲醇、乙醇）、CO等，燃料在电池中的负极发生反应。以氢氧燃料电池为例 介质 酸性 碱性 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 一、燃料电池电极反应式的书写 燃料电池的总反应往往相当于燃料完全燃烧时发生的化学反应，但还要考虑燃烧产物与电解质溶液是否发生反应。燃料电池中都是燃料在负极失电子，发生氧化反应，氧气在正极得电子，发生还原反应。 1．书写燃料电池电极反应式和总反应式的方法 在燃料电池中，在正极上发生还原反应的物质一般是O2，根据电解质溶液的不同，正极反应式也不同，除了图中的酸性介质和碱性介质，常考的还有固体电解质（正极反应式为O2＋4e－===2O2-）和熔融碳酸盐电解质（正极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO）。 2．常见两种燃料电池电极反应式的书写 甲烷－氧气燃料电池电极反应式的书写 该电池将金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通入甲烷和氧气。 负极：CH4＋100H－－8e－===CO＋7H2O； 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－； 总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O。 二、可充电电池的反应规律 1．可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。 2．放电时的负极反应和充电时的阴极反应、放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负（正）极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴（阳）极反应式。 考法例 高铁电池放电时的反应原理为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，依据化合价变化将其拆为两个半反应：ZnZn(OH)2，K2FeO4Fe(OH)3。由Zn→Zn(OH)2需要有OH－参与可知，负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，正极由FeO→Fe(OH)3，同时还生成OH－，由电荷守恒与原子守恒可知正极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－。将正、负极反应式分别乘2和3再相加即得总反应式。同时，高铁电池充电时的阴极反应式即为Zn(OH)2＋2e－===Zn＋2OH－，阳极反应式即为Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O，总反应式为3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4OH－===3Zn＋2FeO＋8H2O。 原电池的电极反应和总反应都必须遵循原子守恒、电荷守恒和得失电子守恒。 特别提示　可充电电池充电时原来的负极必然要发生还原反应（生成原来消耗的物质），即作阴极，连接电源的负极；同理，原来的正极连接电源的正极，作阳极。简记为负连负，正连正。 （2024·湖北卷）我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂，用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸，原理如图，双极膜中H2O解离的H＋和OH－在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中，甲醛转化为HOCH2O－，存在平衡HOCH2O－＋OH－⥫⥬[OCH2O]2-＋H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·。下列说法错误的是(　B　) A．电解一段时间后阳极区c(OH－)减小 B．理论上生成1 mol H3N＋CH2COOH双极膜中有4 mol H2O解离 C.阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O D．阴极区存在反应H2C2O4＋2H＋＋2e－===CHOCOOH＋H2O 解析：根据题干信息可知，Cu电极所在的阳极区先后发生反应：HCHO＋OH－⥫⥬HOCH2O－、HOCH2O－＋OH－⥫⥬[OCH2O]2-＋H2O、[OCH2O]2-－e－===HCOO－＋H·，H·可转化为H2，则阳极总反应式为2HCHO＋4OH－－2e－===2HCOO－＋H2↑＋2H2O，C正确；根据阳极总反应可知，每消耗4个OH－，电路中通过2e－，根据电荷守恒，双极膜中有2个OH－向阳极迁移，即阳极区c(OH－)减小，A正确；由题给信息知，阴极总反应物为H2C2O4、NH2OH，总产物为H3N＋CH2COOH，电极反应式为H2C2O4＋NH2OH＋6e－＋7H＋===H3N＋CH2COOH＋3H2O，每生成1 mol H3N＋CH2COOH，电路中通过6 mol e－，双极膜中需有6 mol H2O解离出6 mol H＋向阴极迁移，B错误；双极膜中H2O解离出的H＋向阴极移动，因此H2C2O4在阴极Pb电极上转化为OHCCOOH的反应为H2C2O4＋2H＋＋2e－===OHCCOOH＋H2O，D正确。 （2024·安徽卷）我国学者研发出一种新型水系锌电池，其示意图如下。该电池分别以Zn­TCPP（局部结构如标注框内所示）形成的稳定超分子材料和Zn为电极，以ZnSO4和KI混合液 为电解质溶液。下列说法错误的是(　C　) A．标注框内所示结构中存在共价键和配位键 B．电池总反应为：I＋ZnZn2+＋3I－ C．充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自Zn­TCPP D．放电时，消耗0.65 g Zn，理论上转移0.02 mol电子 信息梳理： 电极 电极判定 电极反应式 Zn电极 负极（放电时） Zn－2e－===Zn2+ Zn—TCPP电极 正极（放电时） I＋2e－===3I－ 解析：标注框内所示的结构中存在共价键和Zn—N配位键，A正确；由信息梳理可知，电池总反应为I＋ZnZn2+＋3I－，B正确；充电时，阴极被还原的Zn2+主要来自电解质溶液，C错误；由负极反应式可知1 mol Zn失去2 mol电子生成1 mol Zn2+，消耗0.65 g（即0.01 mol）Zn时，理论上转移0.02 mol电子，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $$