4.2 原电池和化学电源（5大题型专项训练） 化学沪科版2020选择性必修1

4.2 原电池和化学电源 题型01 原电池的工作原理 题型02 原电池原理的应用 题型03 电极反应式的书写 题型04 原电池装置的相关判断与计算 题型05 化学电源的认识和解析 题型01 原电池的工作原理 1．原电池的概念和实质 (1)概念：将 能转化为 能的装置。 (2)实质：利用能 的氧化还原反应把 能转化为 能。 2．原电池的工作原理 (1)电极反应： 负极： 电子，发生 反应 正极： 电子，发生 反应 (2)电子移动方向：从 极流出沿导线流入 极，电子 通过电解质溶液。 (3)离子移动方向： ①阴离子向 极移动，阳离子向 极移动。 ②如果有盐桥：盐桥中的阴离子移向 区，阳离子移向 区。 (4)盐桥的作用： ①离子通道，形成 。 ②避免 直接反应，减少电流的衰减。 3．原电池的构成条件 ①形成 ； ②两个 不同的电极，相对较活泼的金属作 极； ③电解质溶液或熔融电解质； ④ 的氧化还原反应（一般能对外界 能量）。 【易错提醒】 (1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。 (2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。 (3)在判断原电池正负极时，既要考虑金属活泼性的强弱，也要考虑电解质溶液性质。如Mg－Al－HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。 【典例1】 某原电池装置如图所示，电池总反应为。下列说法错误的是 A．负极反应为 B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成 C．若用溶液代替盐酸，则电池总反应不变 D．当电路中转移时，交换膜左侧溶液中减少离子 【变式1-1】某锌铜原电池装置如图，下列说法正确的是    A．电极发生还原反应 B．电池工作时，盐桥中的会持续往右池移动 C．取出盐桥，电流计的指针能继续发生偏转 D．电池总反应为 【变式1-2】下图为两种不同的铜锌原电池，下左图为单液原电池，下右图为双液原电池。下列相关说法不正确的是 A．上右图所示原电池能量利用率比上左图所示原电池要高 B．将上右图溶液换成稀硫酸，铜电极生成气体时，电路中转移电子 C．上左图所示单液原电池中，电流流向为铜片→导线→锌片→溶液-→铜片 D．上述原电池的反应原理为 【变式1-3】A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验，下列说法正确的是 装置 甲 乙 丙 现象 金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生 A．装置甲溶液中的阴离子移向B极 B．装置乙中C极的电极反应式为Cu-2e-=Cu2+ C．装置丙中电流由A→导线→D→电解质溶液→A D．四种金属活动性由强到弱的顺序是B＞A＞D＞C 题型02 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应的速率 构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。 2.比较金属活动性强弱 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。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性： 。 3.设计原电池 理论上，任何一个 的氧化还原反应，都可以设计成原电池。 (a)外电路 负极——化合价升高的物质 正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒 (b)内电路：化合价降低的物质作电解质溶液。 如：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 ①化合价升高的物质 负极： ②活泼性较弱的物质 正极： ③化合价降低的物质 电解质溶液：FeCl3 示意图 【特别提醒】设计原电池时电解质溶液和电极材料的选择 (1)电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则左右两个烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。 (2)电池的电极材料必须能导电。 ①活动性不同的两种金属。如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极。 ②金属和非金属。如锌作负极，石墨棒作正极。 ③金属和化合物。如铅蓄电池，铅块作负极，PbO2作正极。 ④惰性电极。如氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。 【典例2】有A、B、C、D四种金属，将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易被腐蚀；将A、D分别投入到等浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；将铜浸入B的盐溶液中无明显变化；将铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出。据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为 A．D>C>A>B B．D>A>B>C C．D>B>A>C D．B>A>D>C 【变式2-1】有关电化学知识的描述正确的是 A．，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能 B．某原电池反应为，装置中的盐桥中是装有含琼胶的饱和溶液，由于生成的会使盐桥的导电性减弱，所以不能使用溶液 C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 D．任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 【变式2-2】某学习小组利用反应设计的原电池装置如图。下列说法错误的是 A．Y电极为锌棒，作负极 B．放电过程中电子经外电路由Y电极向X电极移动 C．放电过程中CuCl2溶液浓度不断降低 D．盐桥中的阴离子向X电极移动 【变式2-3】M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e-=E，N-2e-=N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是 A.P>M>N>E B.E>N>M>P C.P>N>M>E D.E>P>M>N 题型03 电极反应式的书写 1、书写电极反应式的原则 电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。 2、一般电极反应式的书写方法 （1）定电极，标得失。 按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。 （2）看环境，配守恒。 电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。 (3) 两式加，验总式。 电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。 复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。 特别提醒： 首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。 结合电解质判断出还原产物和氧化产物。 遵循氧化还原反应离子方程式的配平原则，写出电极反应式。 将两电极反应式相加(注意两极得失电子数相等)可得电池总反应式。 【典例3】高效率新型光催化钠离子电池是一种二次电池，放电时工作原理如图所示。电池中填充固体电解质，用太阳光照射光催化电极可以对该电池进行充电。下列说法错误的是 A．放电时，光催化电极为正极 B．放电时，通过离子交换膜移向石墨电极 C．放电时，电池中总反应式为 D．光照时，石墨电极发生的电极方程式为 【变式3-1】锌铜原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是                           A．正极反应为Zn-2e-=Zn2＋ B．电池反应为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu C．在外电路中，电流从负极流向正极 D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液 【变式3-2】化学电源在日常生活中有着广泛的应用，回答下列问题： （1）将石墨和铜片用导线及电流计相连浸入500mLFeCl3溶液中，构成如图所示的原电池装置，正极发生的电极反应式为 ；该电池在工作时，Cu的质量将 (填“增加”、“减少”或“不变”)。 【变式3-3】常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入电解质A溶液中组成原电池，如图1所示。 （1）若A为稀盐酸，则Al片做 极，该电极的电极反应式为 ，Cu片电极反应式为 。 （2）若A为NaOH溶液，则Al片做 极，该电极的电极反应式为 。 （3）若A为浓HNO3，测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。0～t1 s时，原电池的负极是 ，正极的电极反应式为 ，溶液中的H＋ 向 极移动；t1时，原电池中电子流动方向发生改变，此时 为负极，该电极的电极反应式为 。 （4）若A为稀HNO3，则Cu片为 极，该电极的电极反应式为 。 题型04 原电池装置的相关判断与计算 原电池的计算和氧化还原反应计算相同，都是根据守恒，原电池计算的核心是电极两边得失电子守恒、电极上的电荷守恒和原子守恒。 【典例4】研究人员发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，电池的总反应方程式为。 ①该电池负极的电极反应式为 。 ②外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是 mol。 【变式4-1】某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl－＋Ag＋＝AgCl↓。下列说法正确的是 A．放电时，X电极发生还原反应 B．放电时，Y电极反应式为Ag＋＋e－＝Ag C．放电时，盐桥中K＋向盛有NaCl溶液的烧杯中移动 D．外电路中每通过0.1 mol e－，X电极质量增加14.35 g 【变式4-2】 近几年科学家发明的一种新型可控电池——锂水电池，工作原理如图乙所示。 ①该装置不仅可以提供清洁的氢气，还可以提供 。 ②碳电极发生的电极反应是 。 ③标准状况下产生22.4L的氢气时，负极消耗锂的质量为 g。 【变式4-3】科学家开发了一种镁基原电池，利用生成的Mg(OH)2中和酸性肿瘤微环境，其工作原理如图，下列说法不正确的是 A．Pt作原电池正极 B．电子由Mg流向Pt C．初始阶段Pt表面发生的电极反应：2H2O+2e−=2OH−+H2↑ D．每消耗3.6gMg，电池最多向外提供0.15mol电子的电量 题型05 化学电源的认识和解析 1．化学电源概述 (1)化学电源的分类 原电池是各种化学电源的雏形，常分为如下三类： ①一次电池：也叫做干电池，放电后 充电的电池。 ②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后 充电而反复使用的电池。 ③燃料电池：一种连续地将 的化学能直接转化为电能的化学电源。 (2)判断电池优劣的主要标准 ①比能量： 或 所能输出电能的多少。 ②比功率： 或 所能输出功率的大小。 ③电池可储存时间的长短。 (3)化学电池的回收利用 使用后的废弃电池中含有大量的 、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行回收利用。 (4)化学电源的发展方向 小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如镍氢电池、锂离子电池等。 2．一次电池 (1)普通锌锰干电池 ①构造（如图所示）： 负极： 正极： 电解质溶液： ②工作原理： 负极： 正极： 总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) (2)碱性锌锰干电池 ①构造（如图所示）： 负极反应物： 正极反应物： 电解质溶液： ②工作原理： 负极： 正极： 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2 (3)纽扣式锌银电池 总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 电解质： ； 负极反应物： ；电极反应： ； 正极反应物： ；电极反应： 。 3．二次电池 (1)铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O ①放电反应原理 a.负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 。 b.电极反应： 负极： ； 正极： c.放电过程中，负极质量的变化是 ，H2SO4溶液的浓度 。 ②充电反应原理 阴极(还原反应)反应式是 ； 阳极(氧化反应)反应式是 ； 充电时，铅蓄电池正极与直流电源 相连，负极与直流电源 相连。即“负极接 ，正极接 ”。 铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程相反。 (2)锂离子电池 电极 电极反应 负极 嵌锂石墨(LixCy)： 正极 钴酸锂(LiCoO2)： 总反应 LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy 反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向 极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由 极回到 极，嵌入 中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。 3．燃料电池 (1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，常见的燃料除H2外，还有CO、水煤气(CO和H2)、烃类(如CH4)、醇类(如CH3OH)、醚类(如CH3OCH3)、氨(NH3)、肼(H2N—NH2)等。如无特别提示，燃料电池反应原理类似于燃料的燃烧。 (2)燃料电池的电解质常有四种类型，酸性溶液、碱性溶液、固体电解质(可传导O2－)、熔融碳酸盐，不同电解质会对总反应式、电极反应式有影响。 (3)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，分为酸性和碱性两种。 电池 酸性 碱性或中性 负极反应式 正极反应式 总反应式 备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 4．化学电源电极反应式的书写 ①明确两极的反应物。 ②明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。 ③确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。 ④配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 【易错提醒】 (1)H＋在碱性环境中不存在； (2)O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－； (3)若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。 【典例5】我国科学家成功研制出二次电池，在潮湿条件下的放电反应：，模拟装置如图所示(已知放电时，由负极向正极迁移)。下列说法正确的是 A．放电时，电子由镁电极经电解质溶液流向石墨电极 B．放电时，正极的电极反应式为： C．充电时，Mg电极接外电源的正极 D．充电时，每生成转移的电子的物质的量为0.2mol 【变式5-1】镍镉可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，放电时电池反应为。下列说法正确的是 A．放电时将电能转化为化学能 B．放电时正极发生氧化反应 C．充电时两电极附近溶液的pH均减小 D．充电时阳极反应为 【变式5-2】三维多孔海绵状可以高效沉积，强碱性二次电池结构如图所示，放电时电池反应为，下列说法正确的是    A．充电时阳极反应为 B．充电时导电线圈应与外接直流电源的负极相连 C．放电时电解质溶液碱性减弱 D．放电时每沉积0.1，有0.1通过隔膜 【变式5-3】一种锌-二氧化碳可充电电池装置如下图所示。其中双极膜中水电离出的和在电场作用下可以向两极迁移，下列说法正确的是 A．放电时，纳米片发生氧化反应 B．放电时，外电路通过电子，理论上双极膜中水减少 C．充电时，阴极发生的电极反应为 D．放电和充电时的电势均是电极高于纳米片电极 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.2 原电池和化学电源 题型01 原电池的工作原理 题型02 原电池原理的应用 题型03 电极反应式的书写 题型04 原电池装置的相关判断与计算 题型05 化学电源的认识和解析 题型01 原电池的工作原理 1．原电池的概念和实质 (1)概念：将化学能转化为电能的装置。 (2)实质：利用能自发进行的氧化还原反应把化学能转化为电能。 2．原电池的工作原理 (1)电极反应： 负极：失去电子，发生氧化反应 正极：得到电子，发生还原反应 (2)电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。 (3)离子移动方向： ①阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。 ②如果有盐桥：盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。 (4)盐桥的作用： ①离子通道，形成闭合回路。 ②避免电极与电解质溶液直接反应，减少电流的衰减。 3．原电池的构成条件 ①形成闭合回路； ②两个活性不同的电极，相对较活泼的金属作负极； ③电解质溶液或熔融电解质； ④自发的氧化还原反应（一般能对外界释放能量）。 【易错提醒】 (1)构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。 (2)两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。 (3)在判断原电池正负极时，既要考虑金属活泼性的强弱，也要考虑电解质溶液性质。如Mg－Al－HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg－Al－NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。 【典例1】 某原电池装置如图所示，电池总反应为。下列说法错误的是 A．负极反应为 B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成 C．若用溶液代替盐酸，则电池总反应不变 D．当电路中转移时，交换膜左侧溶液中减少离子 【答案】B 【分析】根据电池总反应为可知，单质银失电子作负极失电子，氯气在正极上得电子生成氯离子，以此解题。 【详解】A．由分析可知，负极反应为，A正确： B．左侧有氯离子，则放电时，在交换膜左侧生成大量白色沉淀，B错误； C．该原电池中氢离子不参与反应，则用溶液代替盐酸，电池总反应不变，C正确； D．当电路中转移时，交换膜左侧消耗，同时有通过交换膜进入右侧，左侧溶液中共减少离子，D正确； 故选B。 【变式1-1】某锌铜原电池装置如图，下列说法正确的是    A．电极发生还原反应 B．电池工作时，盐桥中的会持续往右池移动 C．取出盐桥，电流计的指针能继续发生偏转 D．电池总反应为 【答案】D 【分析】在原电池中，较活泼的金属锌作负极，失去电子，发生氧化反应，在外电路中，电子由负极移向正极，在电解质溶液中，阴离子向负极移动，反应的总反应方程式为。 【详解】A．由分析知，锌作为负极，发生氧化反应，A错误； B．由分析知，盐桥中的会持续往左池移动，B错误； C．取出盐桥，不能形成闭合回路，无法形成原电池，电流计指针不能继续发生偏转，C错误； D．由分析知，电池总反应为，D正确； 故选D。 【变式1-2】下图为两种不同的铜锌原电池，下左图为单液原电池，下右图为双液原电池。下列相关说法不正确的是 A．上右图所示原电池能量利用率比上左图所示原电池要高 B．将上右图溶液换成稀硫酸，铜电极生成气体时，电路中转移电子 C．上左图所示单液原电池中，电流流向为铜片→导线→锌片→溶液-→铜片 D．上述原电池的反应原理为 【答案】B 【解析】A．单液原电池锌片与溶液直接接触，部分会直接被锌置换，锌片上附着铜后，也能形成微小的原电池，继续置换铜，这部分电子转移没有通过外电路，能量利用率低且电流不稳定，双液原电池锌片与溶液没有接触，能量利用率更高且电流长时间稳定，A正确； B． 未说明气体是否处于标准状况，B错误； C． 左图单液原电池中，铜片为正极，锌片为负极，外电路电流由正极流向负极，内电路电流由负极流向正极，C正确； D． 根据题中原电池放电时的正、负极反应可知，该原电池的反应原理为，D正确； 故选B。 【变式1-3】A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验，下列说法正确的是 装置 甲 乙 丙 现象 金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生 A．装置甲溶液中的阴离子移向B极 B．装置乙中C极的电极反应式为Cu-2e-=Cu2+ C．装置丙中电流由A→导线→D→电解质溶液→A D．四种金属活动性由强到弱的顺序是B＞A＞D＞C 【答案】C 【解析】A．在装置甲中金属A不断溶解，则A作原电池的负极，B作原电池的正极，在电解质溶液中，阴离子移向正电荷较多的A极，A错误； B．在乙中C电极的质量增加，则C电极为原电池的正极，B电极为原电池的负极，C电极为正极，发生得到电子的还原反应，电极反应式为：Cu2++2e-=Cu，B错误； C．在装置丙中，电极A上有气体产生，则A为原电池的正极，D为原电池的负极。负极失去电子发生氧化反应，正极得到电子发生还原反应，外电路中电子定向移动，在内电路中离子定向移动，电流的方向为正电荷移动方向。电流由正极经导线流向负极，因此电流方向为A→导线→D→电解质溶液→A，C正确； D．在原电池装置中，负极金属活泼性强于正极，根据装置甲可知金属活动性：A＞B；根据装置乙中现象，可知金属活动性：B＞C；根据装置丙的现象可知金属活动性：D＞A，故四种金属活动性由强到弱的顺序是：D＞A＞B＞C，D错误； 故选C。 题型02 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应的速率 构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。 2.比较金属活动性强弱 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。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：a>b。 3.设计原电池 理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。 (a)外电路 负极——化合价升高的物质 正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒 (b)内电路：化合价降低的物质作电解质溶液。 如：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 ①化合价升高的物质 负极：Cu ②活泼性较弱的物质 正极：C ③化合价降低的物质 电解质溶液：FeCl3 示意图 【特别提醒】设计原电池时电解质溶液和电极材料的选择 (1)电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则左右两个烧杯中的电解质溶液应与电极材料具有相同的阳离子。 (2)电池的电极材料必须能导电。 ①活动性不同的两种金属。如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极。 ②金属和非金属。如锌作负极，石墨棒作正极。 ③金属和化合物。如铅蓄电池，铅块作负极，PbO2作正极。 ④惰性电极。如氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。 【典例2】有A、B、C、D四种金属，将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易被腐蚀；将A、D分别投入到等浓度的盐酸中，D比A反应剧烈；将铜浸入B的盐溶液中无明显变化；将铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出。据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为 A．D>C>A>B B．D>A>B>C C．D>B>A>C D．B>A>D>C 【答案】B 【解析】将A与B用导连接结起来，浸入电解质溶液中，可构成原电池结构，B不易被腐蚀，说明B作正极，则A金属活动性比B强；将A、D分别投入到等浓度的盐酸中，D比A反应剧烈，说明D金属活动性比A强；将铜浸入B的盐溶液中无明显变化，说明B的金属活动性比Cu强；将铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出，说明Cu的金属活动性比C强。综上分析得金属活动性由强到弱的顺序为：D>A>B>C； 故选B。 【变式2-1】有关电化学知识的描述正确的是 A．，可以放出大量的热，故可把该反应设计成原电池，把其中的化学能转化为电能 B．某原电池反应为，装置中的盐桥中是装有含琼胶的饱和溶液，由于生成的会使盐桥的导电性减弱，所以不能使用溶液 C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成 D．任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池 【答案】B 【解析】A．能设计成原电池的反应必须是自发进行的氧化还原反应，氧化钙与水反应生成氢氧化钙的反应不是氧化还原反应，所以不能设计成原电池，A错误； B． 某原电池反应为，装置中的盐桥中是装有含琼胶的饱和溶液，因KCl与AgNO3反应生成AgCl沉淀会使盐桥的导电性减弱，容易阻止原电池反应的发生，所以不能使用溶液，B正确； C． 原电池的两极不一定是由活动性不同的两种金属组成，也可以是金属和能导电的非金属(如石墨)，C错误； D． 原电池反应是自发进行的氧化还原反应，但并不是任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池，若该自发进行的氧化还原反应的反应速率极慢，或没有合适的电极材料、电解质溶液等，则不能设计成原电池，D错误； 故选B。 【变式2-2】某学习小组利用反应设计的原电池装置如图。下列说法错误的是 A．Y电极为锌棒，作负极 B．放电过程中电子经外电路由Y电极向X电极移动 C．放电过程中CuCl2溶液浓度不断降低 D．盐桥中的阴离子向X电极移动 【答案】D 【分析】由总反应可知，CuCl2溶液中X电极为正极，ZnCl2溶液中Y电极为负极，Y电极为Zn，以此解答。 【详解】A．由分析可知，Y电极为锌棒，作负极，A正确； B．放电过程中电子经外电路由负极向正极移动，B正确； C．放电过程中CuCl2溶液中发生电极反应：Cu2++2e-=Cu，CuCl2溶液浓度不断降低，C正确； D．盐桥中的阴离子向Y电极(负极)移动，D错误； 故选D。 【变式2-3】M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e-=E，N-2e-=N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是 A.P>M>N>E B.E>N>M>P C.P>N>M>E D.E>P>M>N 【答案】A 【解析】①，M是还原剂、N是还原产物，所以M的还原性大于N；②M、P用导线连接放入稀硫酸中，M表面有大量气泡逸出，说明M是正极，则还原性P大于M；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为，，说明N是负极，N的还原性大于E，则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是； 故选A。 题型03 电极反应式的书写 1、书写电极反应式的原则 电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒，遵循离子方程式的书写规则，两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。 2、一般电极反应式的书写方法 （1）定电极，标得失。 按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应产物，找出得失电子的数量。 （2）看环境，配守恒。 电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。 (3) 两式加，验总式。 电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。 复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。 特别提醒： 首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。 结合电解质判断出还原产物和氧化产物。 遵循氧化还原反应离子方程式的配平原则，写出电极反应式。 将两电极反应式相加(注意两极得失电子数相等)可得电池总反应式。 【典例3】高效率新型光催化钠离子电池是一种二次电池，放电时工作原理如图所示。电池中填充固体电解质，用太阳光照射光催化电极可以对该电池进行充电。下列说法错误的是 A．放电时，光催化电极为正极 B．放电时，通过离子交换膜移向石墨电极 C．放电时，电池中总反应式为 D．光照时，石墨电极发生的电极方程式为 【答案】B 【分析】从工作原理图中可看出放电时，失去电子转化为，石墨电极为负极，光催化电极为正极，据此分析解答； 【解析】A． 由上述分析可知，放电时，光催化电极为正极，A正确； B． 放电时，阳离子通过离子交换膜移向正极，B错误； C． 放电时，电池中总反应式为，C正确； D． 光照时是充电过程，石墨电极为阴极，发生的电极方程式为，D正确； 故选：B。 【变式3-1】锌铜原电池(如图)工作时，下列叙述正确的是                           A．正极反应为Zn-2e-=Zn2＋ B．电池反应为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu C．在外电路中，电流从负极流向正极 D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液 【答案】B 【分析】根据装置图，Zn比Cu活泼，则Zn极为负极，发生Zn-2e-=Zn2+；电池内电路中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，则盐桥中的钾离子向CuSO4溶液移动； 【解析】A．分析可知，Cu作正极，正极反应为Cu2++2e-=Cu，A错误； B． Zn极为负极，发生Zn-2e-=Zn2+，Cu作正极，正极反应为Cu2++2e-=Cu，电池反应为Zn+Cu2+=Zn2++Cu，B正确； C． 在外电路中，电子从负极流向正极，C错误； D． 盐桥中的K+移向正极区，即CuSO4溶液，D错误； 故选B。 【变式3-2】化学电源在日常生活中有着广泛的应用，回答下列问题： （1）将石墨和铜片用导线及电流计相连浸入500mLFeCl3溶液中，构成如图所示的原电池装置，正极发生的电极反应式为 ；该电池在工作时，Cu的质量将 (填“增加”、“减少”或“不变”)。 【答案】（1）Fe3++e-=Fe2+ 减少 【解析】（1）将石墨和铜片用导线及电流计相连浸入500mLFeCl3溶液中，构成如图所示的原电池装置，总反应为：Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2，原电池正极发生还原反应，故正极发生的电极反应式为Fe3++e-=Fe2+，根据总反应式可知，该电池在工作时，Cu的质量将减少，故答案为：Fe3++e-=Fe2+；减少。 【变式3-3】常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入电解质A溶液中组成原电池，如图1所示。 （1）若A为稀盐酸，则Al片做 极，该电极的电极反应式为 ，Cu片电极反应式为 。 （2）若A为NaOH溶液，则Al片做 极，该电极的电极反应式为 。 （3）若A为浓HNO3，测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。0～t1 s时，原电池的负极是 ，正极的电极反应式为 ，溶液中的H＋ 向 极移动；t1时，原电池中电子流动方向发生改变，此时 为负极，该电极的电极反应式为 。 （4）若A为稀HNO3，则Cu片为 极，该电极的电极反应式为 。 【答案】（1）负 （2）负 （3）Cu片 Al片 Al片 （4）正极 【分析】铝、铜和电解质溶液构成原电池，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，据此分析； 【解析】（1）若A为稀盐酸，铝和盐酸反应生成氯化铝，铝发生氧化反应，则Al片做负极，电极的电极反应式为：；Cu片是正极，正极氢离子得电子生成氢气，正极反应式为； （2）若A为NaOH溶液，铝与氢氧化钠溶液反应生成四羟基合铝酸钠，铝发生氧化反应，则Al片做负极；该电极的电极反应式为； （3）浓硝酸构成的原电池，在s时，由于Al在浓中发生了钝化，生成的氧化膜阻止了反应的进行，此时Cu与浓反应，Cu片作负极，正极在酸性条件下得电子生成和，电极反应式为；在原电池中，阳离子向正极移动，即向正极Al片移动，t1后，浓度变小形成稀，氧化膜被破坏，原电池中正负极发生改变，此时Al片做负极，此时负极的电极反应式为； （4）若A为稀HNO3，Al比Cu活泼，则Cu片为正极，正极得电子生成NO，该电极的电极反应式为。 题型04 原电池装置的相关判断与计算 原电池的计算和氧化还原反应计算相同，都是根据守恒，原电池计算的核心是电极两边得失电子守恒、电极上的电荷守恒和原子守恒。 【典例4】研究人员发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，电池的总反应方程式为。 ①该电池负极的电极反应式为 。 ②外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是 mol。 【答案】（2）①根据电池的总反应方程式为，结合原电池负极发生氧化反应，则该电池负极的电极反应式为Ag-e-+Cl-=AgCl，故答案为：Ag-e-+Cl-=AgCl； ②由题干总反应可知，每转移2mol电子生成1mol Na2Mn5O10，故外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是2mol，故答案为：2。 【变式4-1】某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl－＋Ag＋＝AgCl↓。下列说法正确的是 A．放电时，X电极发生还原反应 B．放电时，Y电极反应式为Ag＋＋e－＝Ag C．放电时，盐桥中K＋向盛有NaCl溶液的烧杯中移动 D．外电路中每通过0.1 mol e－，X电极质量增加14.35 g 【答案】B 【解析】A. 该原电池的X电极的电极反应式为Ag－e－＋Cl－＝AgCl，X电极发生氧化反应，A错误； B. Y电极为原电池正极，电极反应式为Ag＋＋e－＝Ag，B正确； C. 放电时，盐桥会有钾离子向正极移动，X电极为负极，C错误； D. 放电时，当电路中转移0.01 mol e－时，X电极会有0.01 mol Ag失去0.01 mol电子生成银离子，银离子会与氯离子反应生成氯化银沉淀，D错误； 故选B。 【变式4-2】 近几年科学家发明的一种新型可控电池——锂水电池，工作原理如图乙所示。 ①该装置不仅可以提供清洁的氢气，还可以提供 。 ②碳电极发生的电极反应是 。 ③标准状况下产生22.4L的氢气时，负极消耗锂的质量为 g。 【答案】 电能 14g ①该原电池是将化学能转化为电能的装置，装置不仅可提供电能，并且反应产物是氢气，能提供电能； ②根据图示信息知道，碳电极上产生氢气，应该是正极，该电极上发生得电子的还原反应：； ③锂电极发生的电极反应是，标况下产生22.4L的氢气时，转移2mol电子，金属锂是负极，负极消耗锂的质量为2mol×7g/mol=14g。 【变式4-3】科学家开发了一种镁基原电池，利用生成的Mg(OH)2中和酸性肿瘤微环境，其工作原理如图，下列说法不正确的是 A．Pt作原电池正极 B．电子由Mg流向Pt C．初始阶段Pt表面发生的电极反应：2H2O+2e−=2OH−+H2↑ D．每消耗3.6gMg，电池最多向外提供0.15mol电子的电量 【答案】D 【分析】镁为活泼金属失去电子发生氧化反应生成二价镁，为负极，则Pt为正极，据此解答。 【解析】A．Pt作原电池正极，A正确； B．电子由负极流向正极，电子由Mg流向Pt，B正确； C．初始阶段Pt表面发生的电极反应为水得到电子发生还原反应生成氢氧根离子和氢气：2H2O+2e−=2OH−+H2↑，C正确；   D．每消耗3.6gMg为0.15mol，则电池最多向外提供0.15mol×2=0.3mol电子的电量，D错误； 故选D。 题型05 化学电源的认识和解析 1．化学电源概述 (1)化学电源的分类 原电池是各种化学电源的雏形，常分为如下三类： ①一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电的电池。 ②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电而反复使用的电池。 ③燃料电池：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 (2)判断电池优劣的主要标准 ①比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少。 ②比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小。 ③电池可储存时间的长短。 (3)化学电池的回收利用 使用后的废弃电池中含有大量的重金属、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行回收利用。 (4)化学电源的发展方向 小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如镍氢电池、锂离子电池等。 2．一次电池 (1)普通锌锰干电池 ①构造（如图所示）： 负极：锌筒 正极：石墨棒 电解质溶液：氯化铵和氯化锌 ②工作原理： 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) (2)碱性锌锰干电池 ①构造（如图所示）： 负极反应物：锌粉 正极反应物：二氧化锰 电解质溶液：氢氧化钾 ②工作原理： 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 (3)纽扣式锌银电池 总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 电解质：KOH； 负极反应物：Zn；电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正极反应物：Ag2O；电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。 3．二次电池 (1)铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O ①放电反应原理 a.负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。 b.电极反应： 负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4 ；正极：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O c.放电过程中，负极质量的变化是增大，H2SO4溶液的浓度减小。 ②充电反应原理 阴极(还原反应)反应式是 PbSO4＋2e－===Pb＋SO ； 阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO ； 充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。即“负极接负极，正极接正极”。 铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程相反。 (2)锂离子电池 电极 电极反应 负极 嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 正极 钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 总反应 LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy 反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。 3．燃料电池 (1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，常见的燃料除H2外，还有CO、水煤气(CO和H2)、烃类(如CH4)、醇类(如CH3OH)、醚类(如CH3OCH3)、氨(NH3)、肼(H2N—NH2)等。如无特别提示，燃料电池反应原理类似于燃料的燃烧。 (2)燃料电池的电解质常有四种类型，酸性溶液、碱性溶液、固体电解质(可传导O2－)、熔融碳酸盐，不同电解质会对总反应式、电极反应式有影响。 (3)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，分为酸性和碱性两种。 电池 酸性 碱性或中性 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O 正极反应式 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应式 2H2＋O2===2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 4．化学电源电极反应式的书写 ①明确两极的反应物。 ②明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。 ③确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。 ④配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 【易错提醒】 (1)H＋在碱性环境中不存在； (2)O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－； (3)若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。 【典例5】我国科学家成功研制出二次电池，在潮湿条件下的放电反应：，模拟装置如图所示(已知放电时，由负极向正极迁移)。下列说法正确的是 A．放电时，电子由镁电极经电解质溶液流向石墨电极 B．放电时，正极的电极反应式为： C．充电时，Mg电极接外电源的正极 D．充电时，每生成转移的电子的物质的量为0.2mol 【答案】B 【分析】放电时，Mg做负极，石墨做正极，充电时，Mg连接外加电源负极，石墨连接外加电源的正极。 【详解】A．放电时，电子由镁电极(负极)经导线流向石墨电极(正极)，不经过电解质溶液，A错误； B．放电时，石墨作正极，电极反应式为，B正确； C．充电时，Mg作阴极，连接电源的负极，C错误； D．题目未给标准状况，无法使用22.4L/mol计算气体的物质的量，D错误； 故选B。 【变式5-1】镍镉可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，放电时电池反应为。下列说法正确的是 A．放电时将电能转化为化学能 B．放电时正极发生氧化反应 C．充电时两电极附近溶液的pH均减小 D．充电时阳极反应为 【答案】D 【解析】A．当电池放电时，内部的化学能转化为电能以供外部电路使用，A错误； B． 镍镉可充电电池中NiOOH在正极得到电子发生还原反应生成Ni(OH)2，B错误； C． 充电时是电解池的工作原理，电解池中，阴极发生得电子的还原反应，2e-+Cd(OH)2=Cd+2OH-，阴极附近溶液的OH-浓度增大，pH增大，阳极发生失电子的氧化反应，，阳极附近溶液的OH-浓度减小，pH减小，C错误； D． 充电时阳极Ni(OH)2失电子，化合价升高，与氢氧根离子反应生成NiOOH、H2O，电极反应式为：，D正确； 故选D。 【变式5-2】三维多孔海绵状可以高效沉积，强碱性二次电池结构如图所示，放电时电池反应为，下列说法正确的是    A．充电时阳极反应为 B．充电时导电线圈应与外接直流电源的负极相连 C．放电时电解质溶液碱性减弱 D．放电时每沉积0.1，有0.1通过隔膜 【答案】A 【分析】由图可知，放电时三维多孔海绵状锌为原电池的负极，碱性条件下，锌失去电子发生氧化反应生成氧化锌，电极反应式为Zn+2OH−−2e−=ZnO+H2O，导电线圈为正极，水分子作用下，碱式氧化镍得到电子发生还原反应生成氢氧化镍和氢氧根离子，电极反应式为NiOOH+H2O+2e−=Ni(OH)2+OH—；充电时，与外接直流电源的负极相连的三维多孔海绵状锌为电解池的阴极，水分子作用下，氧化锌在阴极得到电子发生还原反应生成锌和氢氧根离子，电极反应式为ZnO+H2O+2e−=Zn+2OH−，导电线圈做阳极，碱性条件下，氢氧化镍在阳极失去电子发生氧化反应生成碱式氧化镍和水，电极反应式为Ni(OH)2+OH—−2e−=NiOOH+H2O。 【详解】A．由分析可知，充电时，导电线圈做阳极，碱性条件下，氢氧化镍在阳极失去电子发生氧化反应生成碱式氧化镍和水，电极反应式为Ni(OH)2+OH—−2e−=NiOOH+H2O，A正确； B．由分析可知，充电时，与外接直流电源的正极相连的导电线圈做阳极，B错误； C．由放电时电池反应可知，强碱性溶液中水的量减少，则溶液中氢氧根离子浓度增大，电解质溶液的碱性增强，C错误； D．由分析可知，放电时三维多孔海绵状锌为原电池的负极，碱性条件下，锌失去电子发生氧化反应生成氧化锌，电极反应式为Zn+2OH−−2e−=ZnO+H2O，导电线圈为正极，水分子作用下，碱式氧化镍得到电子发生还原反应生成氢氧化镍和氢氧根离子，电极反应式为NiOOH+H2O+2e−=Ni(OH)2+OH—，则放电时每沉积0.1mol氧化锌时，有0.2mol氢氧根离子通过阴离子交换隔膜，D错误； 故选A。 【变式5-3】一种锌-二氧化碳可充电电池装置如下图所示。其中双极膜中水电离出的和在电场作用下可以向两极迁移，下列说法正确的是 A．放电时，纳米片发生氧化反应 B．放电时，外电路通过电子，理论上双极膜中水减少 C．充电时，阴极发生的电极反应为 D．放电和充电时的电势均是电极高于纳米片电极 【答案】C 【分析】由图可知，放电时为原电池，Zn为负极发生失电子的氧化反应 ，纳米片为正极，发生还原反应，CO2发生得电子的还原反应转化为C2H5OH，H2O电离出的H+和OH-分别由双极膜移向正极、负极；充电时为电解池，原电池正负极分别与电源正负极相接，阴阳极反应与原电池负正极反应相反，据此分析作答。 【解析】A．放电时为原电池，Zn为负极发生失电子的氧化反应，纳米片为正极，发生还原反应，A错误； B．当外电路通过0.2mol电子时，理论上有0.2molH+和0.2molOH-分别向正极和负极移向，即有0.2mol水参与电离，双极膜中水减少3.6g，B错误； C．充电时，Zn为阴极，四羟基合锌离子得电子生成锌和氢氧根离子，电极反应为，C正确； D．放电时正极电势大于负极，充电时阳极电势大于阴极，则放电和充电时的电势均是Zn电极低于纳米片电极，D错误； 故选C。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $