4.1 原电池（知识清单）化学人教版选择性必修1

该高中化学知识清单系统梳理了化学反应与电能的知识体系。从原电池工作原理出发，明确构成条件、电极反应及盐桥作用，进而学习一次电池、二次电池和燃料电池的工作原理，最终掌握电极判断与反应式书写方法。 知识链路按照原理探究、电池类型、应用方法的顺序清晰呈现，通过实验分析和归纳表格梳理要点，结合易错警示强化理解。体现科学思维和科学探究与实践素养，帮助学生构建完整认知框架，提升解决实际问题的能力。

第四章 化学反应与电能 第一节　原电池 一、原电池的工作原理 （一）原电池的工作原理 1．实验探究含盐桥的锌铜原电池的工作原理 （1）实验现象：两种电池均产生电流，锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转。 （2）实验结论：两种装置均能构成原电池，将化学能转化成电能。 （3）分析上述原电池的工作原理 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 电池总反应 Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋ 电子流向 由锌极通过导线流向铜极 离子移向 阳离子移向正极，阴离子移向负极 （4）根据以上实验探究回答下列问题： ①盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼脂)中离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液。盐桥在原电池装置中的作用是形成闭合回路，平衡电荷，产生稳定电流。 ②对比图Ⅰ与图Ⅱ两装置，能更有效地将化学能转化为电能的是图Ⅱ，其原因是图Ⅰ装置中负极直接与CuSO4溶液接触，导致部分化学能转化为热能，产生的电流强度小。 2．原电池 （1）定义：把化学能转化为电能的装置。 （2）构成条件 ①反应——自发进行的氧化还原反应(能对外界释放能量)。 ②电极——两个活泼性不同的电极。 ③溶液——电解质溶液。 ④回路——形成闭合回路。 1)内电路：电解质溶液(作离子导体)。 2)外电路：导线(作电子导体)。 （二）原电池工作原理的应用 1．加快化学反应速率 当试管a中滴入少量CuSO4溶液后，观察到其中产生气泡的速率较试管b中的快，其原因是CuSO4溶液与锌发生置换反应生成Cu，从而形成微小锌铜原电池，加快产生H2的速率。 2．比较金属的活动性强弱 原电池的两极为两种不同金属时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼(注意电解质溶液的种类)。 3．设计原电池的一般思路 首先将氧化还原反应拆分成氧化反应和还原反应两个半反应。 其次确定正、负极选择电极材料，还原剂(一般为比较活泼的金属)为负极，比较不活泼的金属或惰性电极为正极。 最后用导线连接两个电极并插入电解质溶液形成闭合回路，如果两个半反应分别在两个容器中进行，中间应用盐桥连接。 二、一次电池和二次电池 （一）一次电池及工作原理 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，化学电源包括一次电池、二次电池和燃料电池。 （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。 2．一次电池 （1）一次电池是放电后不可再充电的电池，其电解质溶液制成胶状，不流动，又叫干电池。 （2）常见的一次电池 一次电池干电池) （3）优点：结构简单、价格低廉；缺点：会发生自放电，不能长期放置。 （4）实例分析——碱性锌锰电池 ①电池构造 负极反应物：锌粉；正极反应物：MnO2；电解质：KOH。 ②工作原理 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。 负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正极反应式：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－。 （二）二次电池 1．二次电池 又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。 2．实例分析——铅酸蓄电池 （1）电池构造 放电反应和充电反应总反应式表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。 （2）放电反应原理 ①负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4 ； ②正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ； ③放电过程中，负极质量增大，稀H2SO4的浓度减小。 （3）充电反应原理：充电过程与其放电过程相反。 （4）铅酸蓄电池的优缺点 ①优点：电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。 ②缺点：比能量低、笨重。 （三）拓展——锂离子电池　复杂电极反应式的书写 1．锂离子电池 锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特点，是多种便携式电子设备(如智能手机、笔记本电脑等)和交通工具(如电动汽车、电动自行车等)的常用电池。 （1）一种可充电锂离子电池——钴酸锂-嵌锂石墨电池，其电池反应为LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。 ①写出电池放电时的电极反应式。 负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy； 正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。 ②简述放电和充电过程中Li＋运动情况：放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。 （2）磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池，电池总反应为Li1－xFePO4＋LixC6LiFePO4＋C6，其原理如图所示： ①放电时，负极是石墨电极，Li＋移向磷酸铁锂电极，正极的电极反应式为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋===LiFePO4。 ②充电时，原电池的负极称为阴极，正极称为阳极。阴极反应式为C6＋xLi＋＋xe－=== LixC6；阳极反应式为 LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋。 2．复杂电池反应中电极方程式的书写 （1）列物质→写式子 负极反应式：符合 “还原剂氧化产物” 的形式。 正极反应式：符合 “氧化剂还原产物” 的形式。 （2）看环境→配守恒 检查是否符合原子守恒、电荷守恒、得失电子守恒。 酸性介质：多余的 “”，加 “” 转化为，不能出现。 碱性介质：多余的 “” 加 “” 转化为，不能出现。 熔融态电解质：可添加熔融态电解质中的相应离子。 （3）两式加→验总式 两电极反应式相加，与总反应式对照验证（对于较复杂的电极反应，某一极反应式可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到）。 三、形形色色的燃料电池 [核心素养发展目标]　1.了解常见的氢氧燃料电池的种类，能正确书写电极反应式。2.了解气体燃料电池的工作原理。 （一）常见氢氧燃料电池的种类及工作原理 1．燃料电池的概念 燃料电池是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．燃料电池的特点 （1）工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。 （2）能量转换率高(>80%)，排放的废弃物少。 3．氢氧燃料电池 （1）基本构造 （2）工作原理 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 H2－2e－===2H＋ H2－2e－＋2OH－===2H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O （二）其他新型燃料电池 1．甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。 （1）在酸性介质中 负极反应式：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋； 正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。 （2）在碱性(KOH溶液)介质中 负极反应式：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O； 正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 总反应式：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。 2．一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2－。 负极反应式：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O； 正极反应式：O2＋4e－===2O2－； 总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。 3．一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意如图所示。 （1）电池工作时，外电路上电流的方向应从电极B(填“A”或“B”，下同)流向用电器。 （2）CO向电极A移动。 （3）电极A上CO参与的电极反应为CO－2e－＋CO===2CO2。 归纳总结：原电池中正、负极的判断 判断依据 负极 正极 电子流动方向 电子流出极 电子流入极 电解质溶液中阴、阳离子定向移动的方向 阴离子移向的电极 阳离子移向的电极 电流方向 电流流入极 电流流出极 两极发生的反应 失电子，发生氧化反应 得电子，发生还原反应 电极材料 一般是活动性较强的金属 活动性较弱的金属或能导电的非金属 归纳总结：已知原电池总反应式，书写电极反应式的方法 （1）分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应。 （2）若某一电极反应较难书写，可先写出较简单的电极反应式，然后利用总反应式减去该电极反应式即可得到另一电极反应式。 归纳总结： （1）二次电池充电时的电极连接方法——正接正，负接负。 （2）充电时的电极反应式的书写 放电时的负极反应式充电时的阴极反应式 放电时的正极反应式充电时的阳极反应式 归纳总结： 在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO。 归纳总结：燃料电池电极反应式书写的方法 第一步：写出燃料电池反应的总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。 第二步：写出电池的正极反应式 正极一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如： 酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－； 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。 1.原电池反应本质为自发进行的氧化还原反应，非自发氧化还原反应无法构成原电池。 2.原电池电极判断核心：负极发生氧化反应，失电子；正极发生还原反应，得电子，不可仅凭金属活泼性直接判定正负极。 3.电子、离子流向易错：电子仅在外电路导线中移动，由负极流向正极；电解质溶液中无电子传导，阳离子移向正极，阴离子移向负极。 4.单液原电池缺陷：氧化剂与还原剂直接接触，部分化学能直接转化为热能，电池供电效率低；带盐桥的双液原电池可避免该问题。 5.盐桥作用：连通两个半电池形成闭合回路，通过盐桥中阴阳离子迁移中和两极电荷，维持溶液电中性；盐桥内离子不可进入两侧反应容器。 6.电极反应式书写要点：电极反应遵循电荷守恒、原子守恒；酸性介质不能出现，碱性介质不能出现。 7.活泼金属不一定作负极：如、插入溶液，可与反应作负极，更活泼的为正极。 8.原电池总反应 = 负极电极反应 + 正极电极反应，两电极反应相加时需统一得失电子数目。 9.正极材料不参与还原反应：很多原电池正极仅作导电载体，发生还原反应的是电解质溶液中的阳离子、等物质。 10.能量转化易错：原电池是将化学能转化为电能的装置，不存在电能转化为化学能的过程。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第四章 化学反应与电能 第一节　原电池 一、原电池的工作原理 （一）原电池的工作原理 1．实验探究含盐桥的锌铜原电池的工作原理 （1）实验现象：两种电池均产生电流，锌片________，铜片上______________，电流表指针发生______。 （2）实验结论：两种装置均能构成原电池，将化学能转化成电能。 （3）分析上述原电池的工作原理 负极 正极 电极材料 ____ ____ 电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型 ________反应 ________反应 电池总反应 Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋ 电子流向 由____极通过导线流向____极 离子移向 阳离子移向____极，阴离子移向____极 （4）根据以上实验探究回答下列问题： ①盐桥(装有含KCl饱和溶液的琼脂)中离子移动方向：____________移向ZnSO4溶液，________________移向CuSO4溶液。盐桥在原电池装置中的作用是____________________________________。 ②对比图Ⅰ与图Ⅱ两装置，能更有效地将化学能转化为电能的是______，其原因是______________________________________________________________________________________。 2．原电池 （1）定义：把______能转化为______能的装置。 （2）构成条件 ①反应——自发进行的氧化还原反应(能对外界释放能量)。 ②电极——两个__________的电极。 ③溶液——______溶液。 ④回路——形成闭合回路。 1)内电路：电解质溶液(作离子导体)。 2)外电路：导线(作电子导体)。 （二）原电池工作原理的应用 1．加快化学反应速率 当试管a中滴入少量CuSO4溶液后，观察到其中产生气泡的速率较试管b中的______，其原因是__________________________________________________________________________________________。 2．比较金属的活动性强弱 原电池的两极为两种不同金属时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼(注意电解质溶液的种类)。 3．设计原电池的一般思路 首先将氧化还原反应拆分成氧化反应和还原反应两个半反应。 其次确定正、负极选择电极材料，还原剂(一般为比较活泼的金属)为负极，比较不活泼的金属或惰性电极为正极。 最后用导线连接两个电极并插入电解质溶液形成闭合回路，如果两个半反应分别在两个容器中进行，中间应用盐桥连接。 二、一次电池和二次电池 （一）一次电池及工作原理 1．化学电源概述 （1）化学电源的分类 ______是各种化学电源的雏形，化学电源包括________、________和________。 （2）判断电池优劣的主要标准 ①比能量：________或________所能输出______的多少。 ②比功率：________或________所能输出______的大小。 ③电池可储存时间的长短。 2．一次电池 （1）一次电池是________________的电池，其电解质溶液制成胶状，不流动，又叫干电池。 （2）常见的一次电池 一次电池干电池) （3）优点：结构简单、价格低廉；缺点：会发生自放电，不能长期放置。 （4）实例分析——碱性锌锰电池 ①电池构造 负极反应物：______；正极反应物：____________；电解质：______。 ②工作原理 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。 负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正极反应式：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－。 （二）二次电池 1．二次电池 又称__________或______，是一类放电后可以再充电而________的电池。 2．实例分析——铅酸蓄电池 （1）电池构造 放电反应和充电反应总反应式表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。 （2）放电反应原理 ①负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4 ； ②正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ； ③放电过程中，负极质量______，稀H2SO4的浓度______。 （3）充电反应原理：充电过程与其放电过程相反。 （4）铅酸蓄电池的优缺点 ①优点：电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。 ②缺点：比能量低、笨重。 （三）拓展——锂离子电池　复杂电极反应式的书写 1．锂离子电池 锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特点，是多种便携式电子设备(如智能手机、笔记本电脑等)和交通工具(如电动汽车、电动自行车等)的常用电池。 （1）一种可充电锂离子电池——钴酸锂-嵌锂石墨电池，其电池反应为LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。 ①写出电池放电时的电极反应式。 负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy； 正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。 ②简述放电和充电过程中Li＋运动情况：________________________________________________________________________________。 （2）磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池，电池总反应为Li1－xFePO4＋LixC6LiFePO4＋C6，其原理如图所示： ①放电时，负极是________，Li＋移向________电极，正极的电极反应式为Li1－xFePO4＋xe－＋xLi＋===LiFePO4。 ②充电时，原电池的负极称为阴极，正极称为阳极。阴极反应式为C6＋xLi＋＋xe－=== LixC6；阳极反应式为 LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋。 2．复杂电池反应中电极方程式的书写 （1）列物质→写式子 负极反应式：符合 “还原剂氧化产物” 的形式。 正极反应式：符合 “氧化剂还原产物” 的形式。 （2）看环境→配守恒 检查是否符合原子守恒、电荷守恒、得失电子守恒。 酸性介质：多余的 “”，加 “” 转化为，不能出现。 碱性介质：多余的 “” 加 “” 转化为，不能出现。 熔融态电解质：可添加熔融态电解质中的相应离子。 （3）两式加→验总式 两电极反应式相加，与总反应式对照验证（对于较复杂的电极反应，某一极反应式可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到）。 三、形形色色的燃料电池 [核心素养发展目标]　1.了解常见的氢氧燃料电池的种类，能正确书写电极反应式。2.了解气体燃料电池的工作原理。 （一）常见氢氧燃料电池的种类及工作原理 1．燃料电池的概念 燃料电池是一种连续地将______和______的化学能直接转化为______的化学电源。 2．燃料电池的特点 （1）工作时，______和______连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出。 （2）能量转换率______(>80%)，排放的废弃物______。 3．氢氧燃料电池 （1）基本构造 （2）工作原理 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 H2－2e－===2H＋ H2－2e－＋2OH－===2H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O （二）其他新型燃料电池 1．甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的传统燃料电池。 （1）在酸性介质中 负极反应式：_________________________________________________________； 正极反应式：_____________________________________________________； 总反应式：_____________________________________________________。 （2）在碱性(KOH溶液)介质中 负极反应式：_____________________________________________________ 正极反应式：_____________________________________________________； 总反应式：_______________________________________________________。 2．一种固体电解质燃料电池的构造示意图如图所示。该电池以稀土金属材料作电极，两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导O2－。 负极反应式：_______________________________________________________； 正极反应式：______________________________________________________； 总反应式：__________________________________________________________________。 3．一种熔融碳酸盐燃料电池工作原理示意如图所示。 （1）电池工作时，外电路上电流的方向应从电极______(填“A”或“B”，下同)流向用电器。 （2）CO向电极______移动。 （3）电极A上CO参与的电极反应为_______________________________________________________。 归纳总结：原电池中正、负极的判断 判断依据 负极 正极 电子流动方向 电子流出极 电子流入极 电解质溶液中阴、阳离子定向移动的方向 阴离子移向的电极 阳离子移向的电极 电流方向 电流流入极 电流流出极 两极发生的反应 失电子，发生氧化反应 得电子，发生还原反应 电极材料 一般是活动性较强的金属 活动性较弱的金属或能导电的非金属 归纳总结：已知原电池总反应式，书写电极反应式的方法 （1）分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂发生的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂发生的反应即为负极反应。 （2）若某一电极反应较难书写，可先写出较简单的电极反应式，然后利用总反应式减去该电极反应式即可得到另一电极反应式。 归纳总结： （1）二次电池充电时的电极连接方法——正接正，负接负。 （2）充电时的电极反应式的书写 放电时的负极反应式充电时的阴极反应式 放电时的正极反应式充电时的阳极反应式 归纳总结： 在酸性介质和碱性介质中甲烷燃料电池的总反应不同，酸性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO2，碱性条件下，＋4价碳元素全部转化为CO。 归纳总结：燃料电池电极反应式书写的方法 第一步：写出燃料电池反应的总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加和后的反应。 第二步：写出电池的正极反应式 正极一般为氧气得电子，介质不同时其电极反应式有所不同，如： 酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－； 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。 1.原电池反应本质为自发进行的氧化还原反应，非自发氧化还原反应无法构成原电池。 2.原电池电极判断核心：负极发生氧化反应，失电子；正极发生还原反应，得电子，不可仅凭金属活泼性直接判定正负极。 3.电子、离子流向易错：电子仅在外电路导线中移动，由负极流向正极；电解质溶液中无电子传导，阳离子移向正极，阴离子移向负极。 4.单液原电池缺陷：氧化剂与还原剂直接接触，部分化学能直接转化为热能，电池供电效率低；带盐桥的双液原电池可避免该问题。 5.盐桥作用：连通两个半电池形成闭合回路，通过盐桥中阴阳离子迁移中和两极电荷，维持溶液电中性；盐桥内离子不可进入两侧反应容器。 6.电极反应式书写要点：电极反应遵循电荷守恒、原子守恒；酸性介质不能出现，碱性介质不能出现。 7.活泼金属不一定作负极：如、插入溶液，可与反应作负极，更活泼的为正极。 8.原电池总反应 = 负极电极反应 + 正极电极反应，两电极反应相加时需统一得失电子数目。 9.正极材料不参与还原反应：很多原电池正极仅作导电载体，发生还原反应的是电解质溶液中的阳离子、等物质。 10.能量转化易错：原电池是将化学能转化为电能的装置，不存在电能转化为化学能的过程。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $