专题02 原电池 化学电源(知识清单)(全国通用)2027年高考化学一轮复习讲练测
2026-08-18
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摘要:
该高中化学高考复习知识清单系统整合了原电池与化学电源专题,通过知识脑图搭建核心脉络,考点深研涵盖原电池工作原理、应用、一次二次电池及燃料电池,结合素养进阶的答题技法与优题精练,构建从基础到应用的完整复习体系。
清单以科学思维为导向,采用基础梳理与重难突破分层设计,如技法点拨02详解电极反应式书写的电荷守恒与原子守恒方法,易错剖析01警示原电池装置中“电子不下水”等易错点。配套高考模拟题与真题精练,助力学生自主构建化学观念,教师可依托清单精准把握考点,提升复习效率。
内容正文:
专题02 原电池 化学电源
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目录导航
01知识脑图·核心脉络搭建——梳理专题框架,搭建知识体系
02考点深研·知能分层突破——深挖高频考点,突破重点难点
考点01 原电池的工作原理
考点02 原电池原理的应用
考点03 一次电池和二次电池
考点04 燃料电池
03素养进阶·答题技法突破——提炼解题范式,提升答题素养
▶技法提炼·审题点拨
技法点拨01 原电池正负极的判断方法
技法点拨02 原电池电极反应式的书写方法
技法点拨03 二次电池的分析方法
技法点拨04 化学电源中电极反应式书写的一般方法
▶易错剖析·避坑攻略
易错剖析01 有关原电池装置的易错点
04优题精练·专题实战通关——精选优质试题,强化实战应用
知识脑图·核心脉络搭建
考点深研·知能分层突破
考点01 原电池的工作原理
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.原电池
(1)概念:把________转化为________的装置。
(2)原电池的构成
①半电池:原电池由两个半电池组成,半电池包括___________和___________。
②电极材料
一般情况下,两个活泼性________的电极,相对活泼的金属作______极,较不活泼的金属(或导电的非金属)作______极。
③形成闭合回路
两个半电池通过________和________连接,形成闭合回路。
两个隔离的半电池通过________连接起来,盐桥中通常是装有含________________的琼脂。
2.原电池的工作原理
(1)一般,原电池反应为________的__________反应,且ΔH_____0。
(2)半反应:负极________电子,发生________反应;正极________电子,发生________反应。
(3)电子流向:电子由________经导线流向________。
(4)离子流向:盐桥中的________流向正极,________流向负极。
(5)盐桥的构成及作用
①盐桥中大多装有含饱和KCl溶液的琼脂。
②盐桥的作用:
a.连接内电路,形成__________;b.平衡________,使原电池不断产生电流,提高__________。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.单液电池和双液电池的比较
装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,会直接发生氧化还原反应,易造成能量损耗;装置Ⅱ中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区,能避免能量损耗。
2.原电池中粒子的“移动方向”
(1)外电路中电子移动方向:负极→正极。
(2)外电路中电流方向:正极→负极。
(3)电池内部离子移动方向:阴离子→负极,阳离子→正极。
(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+→正极,Cl-→负极。
考点02 原电池原理的应用
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.设计制作化学电源
(1)拆分反应:将氧化还原反应拆分成两个半反应(即电极反应式);
(2)选择电极材料:
电极材料:将还原剂(一般活泼金属)作______,活动性比负极弱的金属(或非金属导体)作______。
(3)形成闭合回路:
如果两个半反应分别在两个容器中进行(用盐桥连接),则负极电解液一般是负极金属对应的________的溶液;正极电解液一般是________对应的电解质溶液;
(4)画出装置图:结合要求及反应特点,画出电池装置图,标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。
2.其他应用
(1)比较金属的活动性强弱:原电池中,负极一般是活动性________的金属,正极一般是活动性________的金属(或非金属)。
(2)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率________。
(3)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的________而受到保护。
重难突破・考向深研——要点提炼
考点03 一次电池和二次电池
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.一次电池
(1)碱性锌锰干电池
负极反应:________________________________________;
正极反应:________________________________________;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)锌银电池
负极反应:________________________________________;
正极反应:________________________________________;
总反应:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
2.二次电池
铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是______,正极材料是______。总反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
(1)铅蓄电池的放电反应为________反应
负极:________________________________________
正极:________________________________________
(2)铅蓄电池的充电反应
阴极:________________________________________
阳极:________________________________________
可充电电池充电时原来的负极连接电源的负极作阴极;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。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接:充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为“负接负后作阴极,正接正后作阳极”。
(2)工作时的电极反应式:同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
2.二次电池电极反应式的书写
书写二次电池的电极反应式时,要明确放电和充电过程
(1)放电时:负极发生氧化反应,对应元素的化合价升高;正极发生还原反应,对应元素的化合价降低。
(2)充电时:阴极反应是放电时负极反应的逆过程;阳极反应是放电时正极反应的逆过程。
考点04 燃料电池
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.氢氧燃料电池
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。
种类
酸性
碱性
负极反应式
正极反应式
电池总反应式
燃料电池的电极本身不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用。燃料和氧化剂连续地由______供给。
对于燃料电池要注意燃料在负极反应,O2在正极反应,要注意电解质溶液或传导介质的影响,如碱性条件下,CO2以CO形式存在。
若氢氧燃料电池正极上发生反应的物质都是O2,当电解质不同时,请分别写出正极反应式:
①酸性电解质溶液环境下正极反应式:________________________;
②碱性电解质溶液环境下正极反应式:________________________;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下正极反应式:________________________;
④熔融碳酸盐(如:熔融K2CO3)环境下正极反应式:________________________。
2.甲烷—氧气燃料电池
甲烷—氧气燃料电池(正极反应式与氢氧燃料电池正极反应式相同,下面只需写出负极反应式即可)
①________________________________ (碱性介质);
② ________________________________ (酸性介质);
③ ________________________________ (熔融碳酸盐作介质);
④________________________________ (熔融的金属氧化物作介质,高温下能传导O2-)。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.燃料电池的特点和电极反应式的书写
(1)燃料电池类的特点
(2)燃料电池中电极反应式及总反应式的书写
①负极反应式的书写[以碱性(KOH溶液)甲烷燃料电池为例]
②正极反应式的书写
酸性介质:O2+4H++4e-===2H2O。
碱性介质:O2+2H2O+4e-===4OH-。
③电池总反应式的书写
依据得失电子守恒配平两极反应式,然后将两极反应式相加可得电池总反应式。
素养进阶·答题技法突破
技法提炼・审题点拨——技巧总结
【技法点拨01】原电池正负极的判断方法
(1)看电极材料:一般情况下,两个活泼性不同的电极,相对活泼的金属作负极,较不活泼的金属或导电的非金属作正极。
(2)看电极反应:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
(3)看电子流向:电子从负极经导线流向正极。
(4)看离子移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
(5)看电极发生的现象:负极参加反应时,负极材料不断溶解质量减小,正极质量增加或质量不变。
【技法点拨02】原电池电极反应式的书写方法
(1)书写电极反应的原则
电极反应必须符合加和性原则,即两电极反应相加,消去电子后得电池总反应式。利用此原则,电池总反应式减去已知的一电极反应得另一电极反应。
若已知总反应和一个电极反应,总反应—电极反应=另一个电极反应(注意:电极反应转移电子必须相等)。
(2)电极反应的书写步骤
①找出原电池中发生的氧化还原反应,写出方程式并配平;
②分析氧化还原反应中的氧化剂、还原剂及电子转移情况;
③写出电极反应式;
④若不能完整的写出氧化还原反应方程式,但必须找出氧化剂和还原剂。
【技法点拨03】二次电池的分析方法
(1)电池放电时发生原电池反应,充电时发生电解池反应,在充电时电池的负极接电源的负极,即负极接负极后为阴极,正极接正极后为阳极。
(2)充电时的阴极反应与放电时的负极反应、充电时的阳极反应与放电时的正极反应分别互为逆反应。
(3)阳极和负极都发生氧化反应,阴极和正极都发生还原反应。
(4)充电电池放电时,电解质溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子从负极经导线流向正极;电池充电时,电解质溶液中的阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
(5)电极附近溶液的pH的变化,根据电极反应进行分析。
【技法点拨04】化学电源中电极反应式书写的一般方法
(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。
注意:①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境中结合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。
易错剖析・避坑攻略——易错归纳
【易错点01】有关原电池装置的易错点
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。
(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(3)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液(离子不上岸,电子不下水)。
(4)注意盐桥不能用一根导线连接,因为导线是不能传递阴阳离子的。用导线连接后相当于一个是原电池,一个是电解池。
(5)一般:作负极的金属比作正极的金属活泼。
特殊:Mg、Al作电极浸入NaOH溶液中,Al作负极。
关键:以自发进行的氧化还原反应为准,化合价升高,失电子,发生氧化反应的为负极。
优题精练·专题实战通关
1.某同学设计如下原电池,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.该装置将化学能转化为电能
B.负极的电极反应式是Ag+I--e-===AgI
C.电池的总反应式是Ag++I-===AgI
D.盐桥(含KNO3的琼脂)中NO从左向右移动
2.一种突破传统电池设计理念的镁-锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是( )
A.放电时,Mg(液)层的质量减小
B.放电时正极反应为Mg2++2e-===Mg
C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应
D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动
3.镍镉(Ni-Cd)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,其充、放电反应按下式进行:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是( )
A.充电时阳极反应:Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
4.我国科学家开发出了ZnNO电池系统,该电池同时具有合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示,下列说法中错误的是( )
A.电极电势:Zn/ZnO电极<MoS2电极
B.Zn/ZnO电极的反应式为Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
C.电池工作一段时间后,正极区溶液的pH减小
D.电子流向:Zn/ZnO电极→负载→MoS2电极
5.(2026·浙江宁波·模拟预测)全国首例可充电氢负离子全固态电池由我国科学家研发成功,电池结构如图所示,固态电解质仅允许H-自由移动。电池放电时的总反应为。下列说法不正确的是
A.放电时,电流方向为:CeH2→固态电解质→NaAlH4→导线→CeH2
B.放电时,电极b发生的反应为:
C.充电时,电路通过1mol电子,理论上两个电极质量变化差值为3g
D.固态电池消除了电解液漏液风险,并大幅降低了燃烧、爆炸风险
6.(2026·新疆伊犁·模拟预测)水系电池在碳循环方面具有广阔的应用前景。该电池的示意图如下,其中双极膜在工作时催化解离为和,并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是
A.放电时,Zn电极为负极,发生还原反应
B.放电时,催化电极上的反应为
C.充电时,从Zn电极通过双极膜到达催化电极发生反应
D.充电时,Zn电极上的反应为
7.(2026·湖北武汉·一模)我国学者设计了一种新型去除工业污水重金属离子的电池(如图),重金属离子被电极吸附并发生电极反应。下列说法错误的是
已知:为铜基普鲁士蓝()
A.CuHCF中的铁为+3价
B.交换膜为阴离子交换膜
C.洗脱过程中元素化合价升高
D.溶液可电解再生电池负极
8.(2026·湖北十堰·模拟预测)某团队研究发现三价水系(酸性电解质溶液)铟(Ar=115)金属电池的比容量大,循环寿命长。其工作原理如图,已知MnOOH(羟基氧化锰)难溶于水。下列说法错误的是
A.充电时,H+移向电极甲
B.放电时,电路中每转移3 mol电子,电极甲质量变化3 g
C.放电时,总反应为In+3MnO2+3H+=3MnOOH+In3+
D.充电时,阳极反应为MnOOH-e-=MnO2+H+
9.(2026·江苏·高考真题)镁锰干电池的结构如图所示,作电解质,干电池的总反应式:,该电池缺点是易“鼓包”。下列说法正确的是
A.镁合金作负极,发生还原反应
B.电池工作过程中,从负极向正极迁移
C.引起“鼓包”的反应:
D.参加反应,理论上外电路通过的电子总量为
10.(25-26高三上·广东佛山·阶段检测)科学家开发了一种可植入体内的燃料电池,血糖过高时会激活电池产生电流,通过传感器刺激人造胰岛细胞分泌胰岛素,降低血糖。电池工作时的原理如下图所示(G-CHO代表葡萄糖)。
下列关于该电池工作时的说法不正确的是
A.电极Ⅱ作负极
B.电子移动路径:电极Ⅰ→传感器→电极Ⅱ
C.人体内的血糖水平越接近正常值,两极的电势差越小
D.电极Ⅱ的电极反应式为:G-CHO+H2O-2e-=G-COOH+2H+
11.(25-26高三下·广西玉林·阶段检测)近期,我国科研团队开发出一种性能卓越的硫化物快离子导体Li5.5PS4.5Cl0.75Br0.75(简称LPSCB),实现了固态电池的长期稳定循环,由它构成的一种固态电池结构如图所示。下列有关说法正确的是
A.放电时,电极a为负极,发生氧化反应
B.放电时,外电路通过1 mol电子时,通过LPSCB转移1 mol Li+
C.充电时,Li+流向:电极b→电极a
D.放电时,电极b反应式为
12.(2026高三下·湖北襄阳·专题练习)下图为AgCl-Sb二次电池的放电过程示意图。下列叙述错误的是
A.放电时,M极为负极
B.放电时,N极上反应为Ag- e -+ Cl- = AgCl
C.充电时,消耗12 mol Ag的同时将消耗
D.充电时,M极上反应为
13.(2026·湖北宜昌·模拟预测)我国科研团队开发了高效的“双底物协同催化(DSSC)”水质净化系统,装置如图所示。电极以碳纸为电极基底,左、右两极分别负载氧化铜与碳纳米管,污染物苯酚可被转化为聚苯醚。下列说法错误的是
A.负载碳纳米管的电极为正极
B.两电极不能互换,因为催化剂具有选择性
C.负载氧化铜的电极需要定期清理或更换
D.参与反应的苯酚与生成的物质的量之比约为1:1
14.(25-26高三上·湖南长沙·期末)板状碳封装镍纳米晶体(Ni@C)可加快5-羟甲基糠醛(,HMF)转化为2,5-呋喃二甲酸(,FDCA)的速率,是一种高性能电催化剂,装置如图所示。下列叙述不正确的是
A.Ni@C能降低负极反应的活化能
B.a极反应为
C.可用铜电极替代石墨电极
D.收集22.4 L(标准状况)气体X时,理论上有2 mol质子从质子交换膜右侧向左侧迁移
15.(25-26高三·全国·一轮复习)全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的电池,目前钒电池技术已经趋近成熟。下图是钒电池基本工作原理示意图:
请回答下列问题:
(1)硫酸在电池技术和实验室中具有广泛的应用,在传统的铜锌原电池中,硫酸是_______,实验室中配制硫酸亚铁时需要加入少量硫酸,硫酸的作用是_______。
(2)钒电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正极和负极电极反应的活性物质,电池总反应为。放电时的正极反应式为_______,充电时的阴极反应式为_______。放电过程中,电解液的_______(填“升高”“降低”或“不变”)。
(3)钒电池基本工作原理示意图中“正极电解液”可能是_______(填字母)。
a.混合液 b.混合液 c.溶液
d.溶液 e.溶液 f.溶液
(4)能够通过钒电池基本工作原理示意图中“隔膜”的离子是_______。
16.(1)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池,其原理见图1,石墨Ⅰ为电池的 极;该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y,其电极反应式为 。
(2)化学家正在研究尿素动力燃料电池。用这种电池直接去除城市废水中的尿素,既能产生净化的水,又能发电,尿素燃料电池结构如图2所示:
回答下列问题:
电池中的负极为 (填“甲”或“乙”),甲的电极反应式为 ,
电池工作时,理论上每净化1 mol尿素,消耗O2的体积(标准状况下)约为 L。
$专题02 原电池 化学电源
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01知识脑图·核心脉络搭建——梳理专题框架,搭建知识体系
02考点深研·知能分层突破——深挖高频考点,突破重点难点
考点01 原电池的工作原理
考点02 原电池原理的应用
考点03 一次电池和二次电池
考点04 燃料电池
03素养进阶·答题技法突破——提炼解题范式,提升答题素养
▶技法提炼·审题点拨
技法点拨01 原电池正负极的判断方法
技法点拨02 原电池电极反应式的书写方法
技法点拨03 二次电池的分析方法
技法点拨04 化学电源中电极反应式书写的一般方法
▶易错剖析·避坑攻略
易错剖析01 有关原电池装置的易错点
04优题精练·专题实战通关——精选优质试题,强化实战应用
知识脑图·核心脉络搭建
考点深研·知能分层突破
考点01 原电池的工作原理
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.原电池
(1)概念:把化学能转化为电能的装置。
(2)原电池的构成
①半电池:原电池由两个半电池组成,半电池包括电极材料和电解质溶液。
②电极材料
一般情况下,两个活泼性不同的电极,相对活泼的金属作负极,较不活泼的金属(或导电的非金属)作正极。
③形成闭合回路
两个半电池通过盐桥和导线连接,形成闭合回路。
两个隔离的半电池通过盐桥连接起来,盐桥中通常是装有含KCl饱和溶液的琼脂。
2.原电池的工作原理
(1)一般,原电池反应为自发的氧化还原反应,且ΔH<0。
(2)半反应:负极失去电子,发生氧化反应;正极得到电子,发生还原反应。
(3)电子流向:电子由负极经导线流向正极。
(4)离子流向:盐桥中的阳离子流向正极,阴离子流向负极。
(5)盐桥的构成及作用
①盐桥中大多装有含饱和KCl溶液的琼脂。
②盐桥的作用:
a.连接内电路,形成闭合回路;b.平衡电荷,使原电池不断产生电流,提高电流效率。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.单液电池和双液电池的比较
装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,会直接发生氧化还原反应,易造成能量损耗;装置Ⅱ中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区,能避免能量损耗。
2.原电池中粒子的“移动方向”
(1)外电路中电子移动方向:负极→正极。
(2)外电路中电流方向:正极→负极。
(3)电池内部离子移动方向:阴离子→负极,阳离子→正极。
(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+→正极,Cl-→负极。
考点02 原电池原理的应用
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.设计制作化学电源
(1)拆分反应:将氧化还原反应拆分成两个半反应(即电极反应式);
(2)选择电极材料:
电极材料:将还原剂(一般活泼金属)作负极,活动性比负极弱的金属(或非金属导体)作正极。
(3)形成闭合回路:
如果两个半反应分别在两个容器中进行(用盐桥连接),则负极电解液一般是负极金属对应的阳离子的溶液;正极电解液一般是氧化剂对应的电解质溶液;
(4)画出装置图:结合要求及反应特点,画出电池装置图,标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。
2.其他应用
(1)比较金属的活动性强弱:原电池中,负极一般是活动性较强的金属,正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。
(2)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。
(3)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
重难突破・考向深研——要点提炼
考点03 一次电池和二次电池
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.一次电池
(1)碱性锌锰干电池
负极反应:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极反应:2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)锌银电池
负极反应:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极反应:Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
2.二次电池
铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是Pb,正极材料是PbO2。总反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
(1)铅蓄电池的放电反应为原电池反应
负极:Pb - 2e- + SO42- === PbSO4
正极:PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ === PbSO4+ 2H2O
(2)铅蓄电池的充电反应
阴极:PbSO4 + 2e- ===Pb + SO42-
阳极:PbSO4 - 2e- + 2H2O=== PbO2 + SO42- + 4H+
可充电电池充电时原来的负极连接电源的负极作阴极;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。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接:充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为“负接负后作阴极,正接正后作阳极”。
(2)工作时的电极反应式:同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
2.二次电池电极反应式的书写
书写二次电池的电极反应式时,要明确放电和充电过程
(1)放电时:负极发生氧化反应,对应元素的化合价升高;正极发生还原反应,对应元素的化合价降低。
(2)充电时:阴极反应是放电时负极反应的逆过程;阳极反应是放电时正极反应的逆过程。
考点04 燃料电池
基础梳理・自主夯基——核心背记
1.氢氧燃料电池
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。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-===4H2O
正极反应式
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
电池总反应式
2H2+O2===2H2O
燃料电池的电极本身不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用。燃料和氧化剂连续地由外部供给。
对于燃料电池要注意燃料在负极反应,O2在正极反应,要注意电解质溶液或传导介质的影响,如碱性条件下,CO2以CO形式存在。
若氢氧燃料电池正极上发生反应的物质都是O2,当电解质不同时,请分别写出正极反应式:
①酸性电解质溶液环境下正极反应式:O2+4H++4e-===2H2O;
②碱性电解质溶液环境下正极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下正极反应式:O2+4e-===2O2-;
④熔融碳酸盐(如:熔融K2CO3)环境下正极反应式:O2+2CO2+4e-===2CO。
2.甲烷—氧气燃料电池
甲烷—氧气燃料电池(正极反应式与氢氧燃料电池正极反应式相同,下面只需写出负极反应式即可)
① CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O (碱性介质);
② CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+ (酸性介质);
③ CH4-8e-+4CO===5CO2+2H2O (熔融碳酸盐作介质);
④ CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O (熔融的金属氧化物作介质,高温下能传导O2-)。
重难突破・考向深研——要点提炼
1.燃料电池的特点和电极反应式的书写
(1)燃料电池类的特点
(2)燃料电池中电极反应式及总反应式的书写
①负极反应式的书写[以碱性(KOH溶液)甲烷燃料电池为例]
②正极反应式的书写
酸性介质:O2+4H++4e-===2H2O。
碱性介质:O2+2H2O+4e-===4OH-。
③电池总反应式的书写
依据得失电子守恒配平两极反应式,然后将两极反应式相加可得电池总反应式。
素养进阶·答题技法突破
技法提炼・审题点拨——技巧总结
【技法点拨01】原电池正负极的判断方法
(1)看电极材料:一般情况下,两个活泼性不同的电极,相对活泼的金属作负极,较不活泼的金属或导电的非金属作正极。
(2)看电极反应:负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
(3)看电子流向:电子从负极经导线流向正极。
(4)看离子移动方向:阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
(5)看电极发生的现象:负极参加反应时,负极材料不断溶解质量减小,正极质量增加或质量不变。
【技法点拨02】原电池电极反应式的书写方法
(1)书写电极反应的原则
电极反应必须符合加和性原则,即两电极反应相加,消去电子后得电池总反应式。利用此原则,电池总反应式减去已知的一电极反应得另一电极反应。
若已知总反应和一个电极反应,总反应—电极反应=另一个电极反应(注意:电极反应转移电子必须相等)。
(2)电极反应的书写步骤
①找出原电池中发生的氧化还原反应,写出方程式并配平;
②分析氧化还原反应中的氧化剂、还原剂及电子转移情况;
③写出电极反应式;
④若不能完整的写出氧化还原反应方程式,但必须找出氧化剂和还原剂。
【技法点拨03】二次电池的分析方法
(1)电池放电时发生原电池反应,充电时发生电解池反应,在充电时电池的负极接电源的负极,即负极接负极后为阴极,正极接正极后为阳极。
(2)充电时的阴极反应与放电时的负极反应、充电时的阳极反应与放电时的正极反应分别互为逆反应。
(3)阳极和负极都发生氧化反应,阴极和正极都发生还原反应。
(4)充电电池放电时,电解质溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子从负极经导线流向正极;电池充电时,电解质溶液中的阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
(5)电极附近溶液的pH的变化,根据电极反应进行分析。
【技法点拨04】化学电源中电极反应式书写的一般方法
(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。
注意:①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境中结合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。
易错剖析・避坑攻略——易错归纳
【易错点01】有关原电池装置的易错点
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。
(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(3)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液(离子不上岸,电子不下水)。
(4)注意盐桥不能用一根导线连接,因为导线是不能传递阴阳离子的。用导线连接后相当于一个是原电池,一个是电解池。
(5)一般:作负极的金属比作正极的金属活泼。
特殊:Mg、Al作电极浸入NaOH溶液中,Al作负极。
关键:以自发进行的氧化还原反应为准,化合价升高,失电子,发生氧化反应的为负极。
优题精练·专题实战通关
1.某同学设计如下原电池,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.该装置将化学能转化为电能
B.负极的电极反应式是Ag+I--e-===AgI
C.电池的总反应式是Ag++I-===AgI
D.盐桥(含KNO3的琼脂)中NO从左向右移动
【答案】D
【解析】该装置是原电池装置,将化学能转化为电能,A项正确;根据电子的移动方向,可以推断出左侧电极为负极,该电极反应式为Ag+I--e-===AgI,B项正确;该电极的总反应式是Ag++I-===AgI,C项正确;左侧电极为负极,右侧电极为正极,NO带负电荷,向负极移动,所以NO应该从右向左移动,D项错误。
2.一种突破传统电池设计理念的镁-锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是( )
A.放电时,Mg(液)层的质量减小
B.放电时正极反应为Mg2++2e-===Mg
C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应
D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动
【答案】C
【解析】A项,放电时,负极Mg失电子生成镁离子,则Mg(液)层的质量减小,正确;B项,正极镁离子得电子生成Mg,则放电时正极反应为Mg2++2e-===Mg,正确;C项,该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,错误;D项,该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,正确。
3.镍镉(Ni-Cd)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,其充、放电反应按下式进行:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是( )
A.充电时阳极反应:Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
【答案】A
【解析】放电时Cd的化合价升高,Cd作负极,Ni的化合价降低,NiOOH作正极,则充电时Cd(OH)2作阴极,Ni(OH)2作阳极,电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,A项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2,Cd电极周围OH-的浓度减小,C项错误;放电时电解质溶液中的OH-向负极移动,D项错误。
4.我国科学家开发出了ZnNO电池系统,该电池同时具有合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示,下列说法中错误的是( )
A.电极电势:Zn/ZnO电极<MoS2电极
B.Zn/ZnO电极的反应式为Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
C.电池工作一段时间后,正极区溶液的pH减小
D.电子流向:Zn/ZnO电极→负载→MoS2电极
【答案】C
【解析】Mg为活泼金属,所以放电时Mg被氧化,Mg电极为负极,聚合物电极为正极。碱性电解质水溶液中负极生成的Mg2+会生成Mg(OH)2沉淀,降低电池效率,A错误;放电时为原电池,原电池正极发生得电子的还原反应,则正极反应包括3Mg2++MgS8+6e-===4MgS2,B错误;据题图可知Mg2+要通过隔膜移向正极参与电极反应,所以使用的隔膜是阳离子交换膜,C正确;放电时Mg电极发生氧化反应,充电时Mg电极得电子发生还原反应,即电子流入Mg电极,D错误。
5.(2026·浙江宁波·模拟预测)全国首例可充电氢负离子全固态电池由我国科学家研发成功,电池结构如图所示,固态电解质仅允许H-自由移动。电池放电时的总反应为。下列说法不正确的是
A.放电时,电流方向为:CeH2→固态电解质→NaAlH4→导线→CeH2
B.放电时,电极b发生的反应为:
C.充电时,电路通过1mol电子,理论上两个电极质量变化差值为3g
D.固态电池消除了电解液漏液风险,并大幅降低了燃烧、爆炸风险
【解析】A.放电时,电极a()为负极,电极b()为正极。电流外电路从正极流向负极,内电路(电解质)从负极流向正极,回路为→固态电解质→→导线→,A正确;
B.放电时正极b上从+3价得电子被还原为0价,配平电极反应为,电荷、原子均守恒,B正确;
C.充电时,转移6mol电子时,阳极(原正极b)固体质量增加6g(结合6mol ),阴极(原负极a)固体质量减少6g(释放6mol ),故转移1mol电子时,两电极质量变化差值为,不是3g,C错误;
D.固态电池无液态电解液,消除漏液风险,大幅降低燃烧、爆炸风险,D正确;
故选C。
6.(2026·新疆伊犁·模拟预测)水系电池在碳循环方面具有广阔的应用前景。该电池的示意图如下,其中双极膜在工作时催化解离为和,并在直流电场的作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是
A.放电时,Zn电极为负极,发生还原反应
B.放电时,催化电极上的反应为
C.充电时,从Zn电极通过双极膜到达催化电极发生反应
D.充电时,Zn电极上的反应为
【答案】B
【解析】A.放电时,电极为负极,失电子发生氧化反应,并非还原反应,A错误;
B.放电时催化电极为正极,得电子,结合双极膜迁移过来的生成和,电极反应为,B正确;
C.充电时由双极膜解离产生并向催化电极(阳极)迁移,无法从电极通过双极膜,C错误;
D.放电时转化为,故充电时电极(阴极)的反应物为,并非,因此充电时Zn电极的反应为,D错误;
故选B。
7.(2026·湖北武汉·一模)我国学者设计了一种新型去除工业污水重金属离子的电池(如图),重金属离子被电极吸附并发生电极反应。下列说法错误的是
已知:为铜基普鲁士蓝()
A.CuHCF中的铁为+3价
B.交换膜为阴离子交换膜
C.洗脱过程中元素化合价升高
D.溶液可电解再生电池负极
【答案】C
【分析】由题干装置图可知,Zn电极转化为,发生氧化反应,电极反应式为:,该电极为负极;CuHCF为正极,发生还原反应,被电极CuHCF吸附还原为,然后用将Ni重新氧化为实现洗脱。
【解析】A.根据化合物电中性原则,CuHCF中Cu为+2价,整体为-1价,设Fe化合价为,则,解得,即铁为+3价,A正确;
B.电极为负极,电极反应为,负极区正电荷增加,为避免进入右室污染污水,需通过交换膜进入左室平衡电荷,故交换膜为阴离子交换膜,B正确;
C.洗脱时作为氧化剂,将吸附的0价氧化为,失去的电子全部被中-1价的得到生成,元素化合价不变,C错误;
D.电解溶液时,阴极反应为,可得到单质再生电池负极,D正确;
故选C。
8.(2026·湖北十堰·模拟预测)某团队研究发现三价水系(酸性电解质溶液)铟(Ar=115)金属电池的比容量大,循环寿命长。其工作原理如图,已知MnOOH(羟基氧化锰)难溶于水。下列说法错误的是
A.充电时,H+移向电极甲
B.放电时,电路中每转移3 mol电子,电极甲质量变化3 g
C.放电时,总反应为In+3MnO2+3H+=3MnOOH+In3+
D.充电时,阳极反应为MnOOH-e-=MnO2+H+
【答案】B
【分析】由题干图示信息可知,放电时,甲电极为负极,电极反应为:In-3e-=In3+,电极乙为正极,电极反应为:MnO2+e-+H+=MnOOH,充电时电极甲接电源负极是阴极,电极乙接电源正极是阳极,据此分析解题。
【解析】A.充电时电极甲为阴极,阳离子向阴极移动,故移向电极甲,A正确;
B.放电时电极甲为负极,电极反应为,每转移3mol电子,溶解1mol,电极甲质量减少,不是3g,B错误;
C.放电时负极反应为,正极反应为,正负极反应相加可得总反应,C正确;
D.充电时阳极发生氧化反应,为放电正极反应的逆过程,反应为,D正确;
故选B。
9.(2026·江苏·高考真题)镁锰干电池的结构如图所示,作电解质,干电池的总反应式:,该电池缺点是易“鼓包”。下列说法正确的是
A.镁合金作负极,发生还原反应
B.电池工作过程中,从负极向正极迁移
C.引起“鼓包”的反应:
D.参加反应,理论上外电路通过的电子总量为
【答案】D
【解析】A.镁合金作负极,但发生的是氧化反应,非还原反应,A错误;
B.Br⁻为阴离子,在原电池中应向负极迁移,而非从负极向正极迁移,B错误;
C.“鼓包”若因气体产生,该方程式生成O2,但是Mg是强还原剂,反应中Mg应该被氧化,O不会被氧化生成O2;鼓包实际是Mg与水发生副反应生成H2,C错误;
D.由总反应可知,2 mol MnO₂参与反应时转移2 mol电子,故1 mol MnO2参与反应时,外电路通过电子总量为1 mol,D正确;
故选D。
10.(25-26高三上·广东佛山·阶段检测)科学家开发了一种可植入体内的燃料电池,血糖过高时会激活电池产生电流,通过传感器刺激人造胰岛细胞分泌胰岛素,降低血糖。电池工作时的原理如下图所示(G-CHO代表葡萄糖)。
下列关于该电池工作时的说法不正确的是
A.电极Ⅱ作负极
B.电子移动路径:电极Ⅰ→传感器→电极Ⅱ
C.人体内的血糖水平越接近正常值,两极的电势差越小
D.电极Ⅱ的电极反应式为:G-CHO+H2O-2e-=G-COOH+2H+
【答案】B
【解析】A.电极上发生氧化反应生成,失电子,故电极作负极,A正确,不符合题意;
B.原电池中电子从负极经外电路流向正极,电子移动路径应为:电极→传感器→电极,B错误,符合题意;
C.血糖过高时电池激活工作,血糖水平越接近正常值,反应物葡萄糖浓度越低,电池反应强度越弱,两极电势差越小,C正确,不符合题意;
D.电极上醛基被氧化为羧基,反应失电子,电极反应式为,D正确,不符合题意;
故选B。
11.(25-26高三下·广西玉林·阶段检测)近期,我国科研团队开发出一种性能卓越的硫化物快离子导体Li5.5PS4.5Cl0.75Br0.75(简称LPSCB),实现了固态电池的长期稳定循环,由它构成的一种固态电池结构如图所示。下列有关说法正确的是
A.放电时,电极a为负极,发生氧化反应
B.放电时,外电路通过1 mol电子时,通过LPSCB转移1 mol Li+
C.充电时,Li+流向:电极b→电极a
D.放电时,电极b反应式为
【答案】B
【分析】由原电池结构,放电时,电极a连接正极材料,为正极,电极b连接负极材料,为负极;
【解析】A.由分析,放电时电极a连接正极材料,正极发生还原反应,A错误;
B.放电时电荷守恒,外电路每通过1mol电子,内电路需要迁移1mol带1个正电荷的平衡电荷,因此通过LPSCB转移1mol ,B正确;
C.充电时为电解池,阳离子向阴极(原负极,对应电极b一侧)移动,因此流向为电极a→电极b,C错误;
D.放电时,电极b为负极,失去电子发生氧化反应,反应式为,D错误;
故选B。
12.(2026高三下·湖北襄阳·专题练习)下图为AgCl-Sb二次电池的放电过程示意图。下列叙述错误的是
A.放电时,M极为负极
B.放电时,N极上反应为Ag- e -+ Cl- = AgCl
C.充电时,消耗12 mol Ag的同时将消耗
D.充电时,M极上反应为
【答案】B
【分析】由图可知,放电时,N电极上发生得电子的还原反应,为正极,电极反应为:,M电极为负极,电极反应为,充电时,N为阳极,M为阴极,电极反应与原电池相反,据此解答。
【解析】A.由分析可知,放电时,M电极为负极,A正确;
B.由分析可知,放电时,N电极反应为:,B错误;
C.由分析可知,建立电子转移关系式:,由此可知,消耗12 mol Ag,同时消耗,C正确;
D.充电时,M极为阴极,电极反应与原电池相反:,D正确;
故选B。
13.(2026·湖北宜昌·模拟预测)我国科研团队开发了高效的“双底物协同催化(DSSC)”水质净化系统,装置如图所示。电极以碳纸为电极基底,左、右两极分别负载氧化铜与碳纳米管,污染物苯酚可被转化为聚苯醚。下列说法错误的是
A.负载碳纳米管的电极为正极
B.两电极不能互换,因为催化剂具有选择性
C.负载氧化铜的电极需要定期清理或更换
D.参与反应的苯酚与生成的物质的量之比约为1:1
【答案】D
【分析】由装置图可知,左极的苯酚转化为聚苯醚,发生氧化反应并放出电子;右极的过二硫酸根离子转化为硫酸根离子,发生还原反应。右极反应为。苯酚氧化聚合形成一条含个结构单元的线性聚合物时,需形成个单体间的碳—氧键;每形成一个该连接,脱去两个氢并转移两个电子,因此共转移。当聚合度较大时,每消耗1 mol苯酚约转移2 mol电子,结合右极反应可知约生成2 mol硫酸根离子。
【解析】A.负载碳纳米管的右极发生还原反应,是原电池的正极,A正确;
B.氧化铜和碳纳米管分别催化苯酚的氧化聚合和过二硫酸根离子的还原,催化剂具有选择性,故两电极不能互换,B正确;
C.负载氧化铜的电极表面生成聚苯醚,聚合物会逐渐覆盖电极表面、影响反应,需要定期清理或更换该电极,C正确;
D.形成含个结构单元的线性聚合物共转移,右极每得到2 mol电子生成2 mol硫酸根离子;聚合度较大时,参与反应的苯酚与生成的硫酸根离子的物质的量之比约为1:2,不是1:1,D错误;
故选D。
14.(25-26高三上·湖南长沙·期末)板状碳封装镍纳米晶体(Ni@C)可加快5-羟甲基糠醛(,HMF)转化为2,5-呋喃二甲酸(,FDCA)的速率,是一种高性能电催化剂,装置如图所示。下列叙述不正确的是
A.Ni@C能降低负极反应的活化能
B.a极反应为
C.可用铜电极替代石墨电极
D.收集22.4 L(标准状况)气体X时,理论上有2 mol质子从质子交换膜右侧向左侧迁移
【答案】D
【分析】该装置为原电池,分析电极性质: 极上氧化生成,发生失电子的氧化反应,故为负极;极上水得电子生成气体为,发生得电子的还原反应,故为正极。原电池中阳离子(质子)向正极移动,以此解答。
【解析】A.是负极的催化剂,催化剂可以降低反应活化能,加快反应速率,A正确;
B.转化为,1个羟基被氧化为羧基,1个醛基被氧化为羧基,共失去6个电子,根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为:,B正确;
C.为正极,正极本身不参与氧化反应,铜电极性质稳定,作正极不会发生反应,可以替代石墨电极,C正确;
D.标准状况下物质的量为,生成转移电子,理论上有2 mol质子从质子交换膜负极(左侧)向正极(右侧)迁移,D错误;
故选D。
15.(25-26高三·全国·一轮复习)全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的电池,目前钒电池技术已经趋近成熟。下图是钒电池基本工作原理示意图:
请回答下列问题:
(1)硫酸在电池技术和实验室中具有广泛的应用,在传统的铜锌原电池中,硫酸是_______,实验室中配制硫酸亚铁时需要加入少量硫酸,硫酸的作用是_______。
(2)钒电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正极和负极电极反应的活性物质,电池总反应为。放电时的正极反应式为_______,充电时的阴极反应式为_______。放电过程中,电解液的_______(填“升高”“降低”或“不变”)。
(3)钒电池基本工作原理示意图中“正极电解液”可能是_______(填字母)。
a.混合液 b.混合液 c.溶液
d.溶液 e.溶液 f.溶液
(4)能够通过钒电池基本工作原理示意图中“隔膜”的离子是_______。
【答案】(1)电解质溶液 抑制硫酸亚铁的水解
(2) 升高
(3)acd (4)H+
【解析】(1)传统的铜锌原电池中,锌与酸反应生成氢气,故硫酸为电解质溶液;硫酸亚铁容易水解,且水解显酸性,加入少量硫酸,可以抑制其水解;
(2)正极反应是还原反应,由电池总反应可知放电时的正极反应为;充电时,阴极反应为还原反应,故为得电子生成的反应,电极反应为:;放电过程中,消耗氢离子,电解液的升高;
(3)充电时阳极反应式为,故充电完毕的正极电解液为溶液,而放电完毕的正极电解液为溶液,故正极电解液可能是选项acd;
(4)充电和放电过程中,正极电解液与负极电解液不能混合,起平衡电荷作用的是加入的酸,故可以通过隔膜;
16.(1)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池,其原理见图1,石墨Ⅰ为电池的 极;该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y,其电极反应式为 。
(2)化学家正在研究尿素动力燃料电池。用这种电池直接去除城市废水中的尿素,既能产生净化的水,又能发电,尿素燃料电池结构如图2所示:
回答下列问题:
电池中的负极为 (填“甲”或“乙”),甲的电极反应式为 ,
电池工作时,理论上每净化1 mol尿素,消耗O2的体积(标准状况下)约为 L。
【答案】(1)负 NO2+NO-e-===N2O5
(2)甲 CO(NH2)2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+ 33.6
【解析】(1)该燃料电池中,正极上通入O2,石墨Ⅱ为正极,电极反应式为O2+2N2O5+4e-===4NO,负极上通入NO2,石墨Ⅰ为负极,电极反应式为NO2+NO-e-===N2O5。(2)根据图示可知,甲电极上CO(NH2)2反应生成二氧化碳和氮气,N元素化合价升高,失电子,为电源的负极,电解质溶液为酸性,则其电极反应式为CO(NH2)2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+,该反应的总方程式为2CO(NH2)2+3O2===2CO2+2N2+4H2O,根据关系式2CO(NH2)2~3O2可知,电池工作时,理论上每净化1 mol尿素,消耗O2的体积为1.5 mol×22.4 L·mol-1=33.6 L。
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