高中化学58个精讲_(39)_原电池原理及应用

原电池和电解池
1．原电池和电解池的比较：
装置原电池电解池实例
原理使氧化还原反应中电子作定向移动，
从而形成电流。

这种把化学能转变为
电能的装置叫做原电池。

使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引
起氧化还原反应的过程叫做电解。

这种把
电能转变为化学能的装置叫做电解池。

形成条件①电极：两种不同的导体相连；
②电解质溶液：能与电极反应。

①电源；②电极（惰性或非惰性）；
③电解质（水溶液或熔化态）。

反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应
电极名称由电极本身性质决定：
正极：材料性质较不活泼的电极；
负极：材料性质较活泼的电极。

由外电源决定：
阳极：连电源的正极；
阴极：连电源的负极；
电极反应负极：Zn-2e-=Zn2+ （氧化反应）
正极：2H++2e-=H2↑（还原反应）
阴极：Cu2+ +2e- = Cu （还原反应）
阳极：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反应）
电子流向负极→正极电源负极→阴极；阳极→电源正极电流方向正极→负极电源正极→阳极；阴极→电源负极能量转化化学能→电能电能→化学能
应用①抗金属的电化腐蚀；
②实用电池。

①电解食盐水（氯碱工业）；②电镀（镀
铜）；③电冶（冶炼Na、Mg、Al）；④精
炼（精铜）。

考点39原电池原理及应用
1．复习重点
1．原电池的电极名称及电极反应式，
2．对几种化学电源的电极反应式的认识和书写，
3．原电池原理的应用。

4．其中原电池原理及有关计算是高考的命题热点。

[复习提问]氧化还原反应的特征是什么？
氧化还原反应的本质是什么？（答）元素化合价发生升降
（答）电子的转移
复习旧知识，引入新知识。

温故而知
新
[多媒体展示]原电池在当今生产、生活和科技发展中广泛的用途观看屏幕
从教材中吸取信息，重视教材、阅读
教材，培养学生紧扣教材的思想
[讲述]尽管这些电池大小、用途、
功效各有不同，但设计原理是相同
的
提出课题
[多媒体动画模拟]原电池组成实验装置的改变：
a、溶液相同，电极变化：
b、电极相同，溶液变化：
c、断路：思考：原电池装置构成必须
具备哪些条件？
培养学生类比，归纳、总结的自主学
习的能力
[板书]原电池组成条件：
（-）较活泼的金属
（a）电极
（+）较不活泼的金属或非金属
（b）电解质溶液
（c）闭合回路
培养学生分析问题的能力
从以上讨论的原电池装置中我们来总结一下：原电池原理
原电池原理：
电子
负极正极
（导线）
流出电子流入电子
发生氧化反应发生还原反应
培养学生分析、归纳能力[设问]那么电极上的反应如何写？书写时要注意什么？
[讲述]以Zn-Cu原电池为例练电极反应式和电池总反
应
强调注意点，作业规范化。

电极反应：（-）Zn-2e=Zn2+
（+）2H++2e=H2↑电池总反应：Zn+2H+=H2↑+Zn2+练：Zn-Ag-CuSO4
训练基本功，培养学生良好的学习习
惯。

宏观上我们看到了两极上的变
化，从微观上我们再来探讨一下
学生分析透过现象看本质
3．例题精讲
1．确定金属活动性顺序
例1．（1993年上海高考化学题）有A、B、C、D四种金属，将A与B用导线联结起来，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
解析：根据原电池原理，较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，B不易被腐蚀，说明B为正极，金属活动性A＞B。

另可比较出金属活动性D＞A，B＞C。

故答案为B项。

2．比较反应速率
例2．（2000年北京春季高考化学题）100mL浓度为2 mol·L-1的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是（）A．加入适量的6mol·L-1的盐酸
B．加入数滴氯化铜溶液
C．加入适量蒸馏水
D．加入适量的氯化钠溶液
解析：向溶液中再加入盐酸，H+的物质的量增加，生成H2的总量也增加，A错。

加入氯化铜后，锌置换出的少量铜附在锌片上，形成了原电池反应，反应速率加快，又锌是过量的，生成H2的总量决定于盐酸的量，故B正确。

向原溶液中加入水或氯化钠溶液都引起溶液中H+浓度的下降，反应速率变慢，故C、D都不正确。

本题答案为B项。

3．书写电极反应式、总反应式
例3．（2000年全国高考理综题）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：
阳极反应式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2
阴极反应式：_________________，
电池总反应式：_______________。

解析：作为燃料电池，总的效果就是把燃料进行燃烧。

本题中CO为还原剂，空气中O2为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O2==2CO2。

用总反应式减去电池负极（即题目指的阳极）反应式，就可得到电池正极（即题目指的阴极）反应式：O2+2CO2+4e-== 2CO32-。

4．分析电极反应
例4．（1999年全国高考化学题）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。

氢镍电池的总反应式是：
(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2
根据此反应式判断下列叙述中正确的是（）
A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大
B．电池放电时，镍元素被氧化
C．电池充电时，氢元素被还原
D．电池放电时，H2是负极
解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。

根据氢镍电池放电时的总反应式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。

这样可写出负极反应式：H2+2OH--2e- == 2H2O，H2为负极，附近的pH应下降。

放电时镍元素由+3价变为+2价，被还原，充电时氢元素由+1价变为0价，被还原。

故答案为C、D项。

例5．（2000年全国高考理综题）钢铁
发生电化学腐蚀时,负极发生的反应（）
A．2H++2e-==H2 B．2H2O+O2+4e-== 4OH-
C．Fe-2e-==Fe2+ D．4OH-+4e-==2H2O+O2
解析：钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时，负极为铁，正极为碳，电解质溶液为溶有O2或CO2等气体的水膜。

当水膜呈弱酸性或中性时发生吸氧腐蚀，负极反应为：Fe-2e-==Fe2+，正极反应为：2H2O+O2+4e-== 4OH-；当水膜呈酸性时发生析氢腐蚀，负极反应为：Fe-2e-==Fe2+，正极反应为：2H++2e-==H2。

钢铁的电化学腐蚀以吸氧腐蚀为主。

故答案为C项。

5．判断原电池的电极
例6．（2001年广东高考化学题）镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用，
它的充放电反应按下式进行：
由此可知，该电池放电时的负极材料是（）
A．Cd(OH)2 B．Ni(OH)2
C．Cd D．NiO(OH)
解析：此电池放电时为原电池反应，所列反应由右向左进行，Cd元素由0价变为+2价，失去电子，被氧化，故Cd是电池的负极反应材料。

本题答案为C项。

例7．（2001年上海高考化学题）铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中，锌片是（）A．阴极 B．正极 C．阳极 D．负极
解析：铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中形成了原电池，由于金属活动性Zn＞Cu，故Zn为负极。

答案为D项。

6．原电池原理的综合应用
例8．（2004年天津高考理综题）下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是 ( )
A．a电极是负极
B．b电极的电极反应为：4OH--4e-== 2H2O+O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置解析：分析氢氧燃料电池原理示意图，可知a极为负极，其电极反应为：2H2-4e-==4H+，b极为正极，其电极反应为：O2+2H2O+4e-==4OH-，电池总反应式为：2H2+O2==2H2O。

H2为还原剂，O2为氧化剂，H2、O2不需全部储藏在电池内。

故答案为B项。

例9．（2004年江苏高考化学题）碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。

锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l) ==
Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)
下列说法错误的是（）
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．外电路中每通过O.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g
解析：该电池的电解液为KOH溶液，结合总反应式可写出负极反应式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- == Zn(OH)2(s)，用总反应式减去负极反应式，可得到正极反应式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)。

Zn为负极，失去电子，电子由负极通过外电路流向正极。

1molZn失去2mol电子，外电路中每通过O.2mol电子，Zn的质量理论上减小6.5g。

故答案为C项。

4．实战演练
一、选择题
1.（2003年春季高考理综题）家用炒菜铁锅用水清洗放置后，出现红棕色的锈斑，在此变化过程中不发生的化学反应是
A.4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3↓
B.2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2↓
C.2H2O＋O2＋4e－===4OH－
D.Fe－3e－===Fe3＋
2.(2000年上海高考题）随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是
A.利用电池外壳的金属材料
B.防止电池中汞、镉和铅等重金属离子污染土壤和水源
C.不使电池中渗出的电解液腐蚀其他物品
D.回收其中的石墨电极
3.铁棒与石墨棒用导线连接后浸入0.01 mol·L－1的食盐溶液中，可能出现的现象是
A.铁棒附近产生OH－
B.铁棒被腐蚀
C.石墨棒上放出Cl2
D.石墨棒上放出O2
4.某原电池总反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，不能实现该反应的原电池组成是
A.正极为铜，负极为铁，电解质溶液为FeCl3溶液
B.正极为碳，负极为铁，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液
C.正极为铁，负极为锌，电解质溶液为Fe2(SO4)3溶液
D.正极为银，负极为铁，电解质溶液为CuSO4溶液
5.生物体中细胞膜内的葡萄糖，细胞膜外的富氧液体及细胞膜构成微型的生物原电池，下列有关判断正确的是
A.负极发生的电极反应可能是：O2－4e－＋2H2O===4OH－
B.正极发生的电极反应可能是：O2－4e－===2O2－
C.负极反应主要是C6H12O6生成CO2或HCO-
3
D.正极反应主要是C6H12O6生成CO2或CO-2
3
6.以下现象与电化腐蚀无关的是
A.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿
B.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈
C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈
D.银制奖牌久置后表面变暗
7.锂电池是新一代的高能电池，它以质轻、能高而受到普遍重视，目前已经研制成功了多种锂电池。

某种锂电池的总反应可表示为：Li＋MnO2===LiMnO2。

若该电池提供5库仑（C）电量（其他损耗忽略不计），则消耗的正极材料的质量约为（式量Li:7;MnO2:87,电子电量取1.60×10－19C）
A.3.2×103 g
B.7×10－4 g
C.4.52×10－3 g
D.4.52×10－2 g
8.据报道，美国正在研究的新电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，它具有容量大等优点，其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气，则下列叙述正确的是
A.锌为正极，空气进入负极反应
B.负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
C.正极发生氧化反应
D.电解液肯定不是强酸
9.将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，即构成CH4燃料电池。

已知通入CH4的一极，其电极反应式是：CH4＋10OH－－8e－===CO-23＋7H2O;通入O2的另一极，其电极反应是：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，下列叙述不正确的是
A.通入CH4的电极为负极
B.正极发生氧化反应
C.燃料电池工作时溶液中的阴离子向负极移动
D.该电池使用一段时间后应补充KOH
二、非选择题（共55分）
10.（10分）如右图所示的装置，在盛有水的烧杯中，铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝，使之平衡。

小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液。

（1）片刻后可观察到的现象是（指悬吊的金属圈）。

A.铁圈和银圈左右摇摆不定
B.保持平衡状态不变
C.铁圈向下倾斜
D.银圈向下倾斜
（2）产生上述现象的原因是。

11.（10分）（2000年全国高考理综卷）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物做电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：
阳极反应式：2CO＋2CO-2
3
−→
−4CO2＋4e－
阴极反应式：总电池反应式：
12.（10分）（1）今有反应2H2＋O2KOH
====2H2O构成了燃料电池，则负极通的应
是，正极通的应是。

电极反应式为：负极，正极：。

（2）如把KOH改为稀H2SO4做电解质，则电极反应式为：负极，正极。

两电极附近溶液的pH各有何变化？
（3）如把H2改为CH4、KOH做导电物质，则电极反应式为：负极，正极。

13.（12分）下表数据是在某高温下，金属镁和镍分别在氧气中进行氧化反应时，在金属表面生成氧化薄膜的实验记录：
反应时间t/h 1 4 9 16 25 MgO层厚y/nm 0.05a 0.20a 0.45a 0.80a 1.25a NiO层厚y′/nm B 2b 3b 4b 5b 注：a和b均为与温度有关的常数。

请填空回答：
（1）金属高温氧化腐蚀速率可以用金属氧化膜的生长速率来表示，其理由是。

（2）金属氧化膜的膜厚y跟时间t所呈现的关系是（填“直线”“抛物线”“对数”或“双曲线”）：MgO氧化膜厚y属型，NiO氧化膜厚y′属型。

（3）Mg与Ni比较，哪一种金属更具有耐腐蚀性，其理由是。

14.（8分）电池在人们的日常生活、工农业生产、教学科研等各个方面具有广泛的应用。

电池按不同的划分标准可以划分为不同的种类，应用最广泛的是电化学电池。

（1）电化学电池能够把能转化为能。

电化学电池的工作原理是的迁移扩散和电化学反应。

下列属于电化学电池的有。

①蓄电池②锌锰电池③充电电池④一次性电池
（2）电化学电池的组成可以表示为：（－）负极材料‖A‖正极材料（＋）。

A表示，离子在A中的电阻比电子在金属中的电阻。

对于不漏电的电池电子在A中的电阻为。

（3）1991年Sony公司首次推出商品化的锂离子电池，此后锂离子电池的厂家如雨后春笋般在全世界出现，锂离子电池的品种和数量也在逐年增加。

锂离子电池的电压高，单个电池的电压是3.6 V，锂离子电池的正极材料是锂的过渡金属氧化物（例如LiCoO2)混以一定量的导电添加物（例如C）构成的混合导体，负极材料是可插入锂的碳材料。

①锂在元素周期表中位于第周期，第主族。

②锂离子电池所用的正负极材料都是不污染环境的无毒无害物质，属于绿色能源。

而镉镍在生产过程中污染环境。

（作为密封电池无毒无害可以放心使用）镉镍电池的有毒物质是，它作为电池的极。

15.（5分）关于“电解氯化铜溶液时的pH变化”问题，化学界有以下两种不同的观点：
pH与时间关系图
观点一是：“理论派”认为电解氯化铜溶液后溶液的pH升高。

观点二是：“实验派”经过反复、多次、精确的实验测定，证明电解氯化铜溶液时pH 的变化如图曲线的关系。

请回答下列问题：
（1）电解前氯化铜溶液的pH处在A点位置的原因是（用离子方程式说明）。

（2）“理论派”所持观点的理论依据是。

（3）“实验派”的实验结论是。

他们所述“精确实验”是通过确定的。

（4）你持何种观点？你所持观点的理由是（从化学原理加以简述）。

附参考答案
一、1.D 2.B
3.解析：本题结合原电池原理考查实验现象。

Fe 作负极：Fe －2e －===Fe 2＋,C 作正极：
2H 2O ＋O 2+4e －===4OH －。

答案：B
4.解析：本题要设计成原电池必须满足：①Fe 作负极；②C 、Pt 或活动性比Fe 弱的金属作正极；③电解质溶液中必须含Fe 3+。

答案：CD
5.C
6.D
7.解析：正极反应MnO 2+e －===MnO -2。

则n (MnO 2)=n (e －
)=5 C/(1.60×10－19C ×6.02×1023 mol －1),m (MnO 2)=4.52×10－3 g 。

答案：C
8.BD 9.B
二、10.（1）D （2）加CuSO 4溶液后，构成Fe —Ag 原电池，Fe 溶解，质量减小； Cu 2＋在银圈上得电子，沉积在Ag 上，质量增加
11.2CO 2+O 2+4e －−→−2CO -23
2CO+O 2点燃====2CO 2 12.(1)H 2 O 2 2H 2+4OH －－4e －===4H 2O
O 2+2H 2O+4e －===4OH －
(2)2H 2－4e －===4H + O 2+4H ++4e －===2H 2O
前者的pH 变小，后者的pH 变大。

（3）CH 4+10OH －－8e －
===CO -23+7H 2O 4H 2O+2O 2+8e －===8OH －
13.（1）反应速率可以用反应的消耗速率，也可以用产物的生成速率来表示
（2）直线（y =0.05at ） 抛物线(y ′=bt 21)
（3）Ni 它的腐蚀速率随时间增长比镁慢
14.（1）化学 电 离子 ①②③④
(2)电解质 大 零
（3）①二 ⅠA ②镉 负 15.（1）Cu 2＋+2H 2O
Cu （OH ）2+2H + （2）因为Cu 2＋+2e －===Cu ，使Cu 2＋水解平衡向左移动，c (H +)减少，pH 上升。

（3）pH 降低 测定溶液pH
（4）同意实验派观点；理由是CuCl 2===Cu+Cl 2↑
Cl 2+H 2O===HCl+HClO ，使溶液酸性增强，pH 降低。