知识讲解_原电池和化学电源(基础)

高考总复习原电池和化学电源【考纲要求】1．了解原电池的工作原理。

2．能写出原电池的电极反应式和反应的总方程式。

3．能根据氧化还原反应方程式设计简单的原电池。

4．能根据原电池原理进行简单计算。

5．熟悉常见的化学电源（一次电池、二次电池和燃料电池），能分析常见化学电池工作原理，了解废旧电池回收的意义。

【考点梳理】考点一、原电池的概念1．能量的转化原电池：将化学能转变为电能的装置。

电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的一种二次能源，又称电力。

2．工作原理设计一种装置，使氧化还原反应所释放的能量直接转变为电能，即将氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，并使电子转移经过导线，在一定条件下形成电流。

电子从负极（较活泼金属）流向正极（较不活泼金属或碳棒），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

以下是锌铜原电池装置示意图：3．原电池的组成条件(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)，分别发生氧化和还原反应。

原电池中两极活泼性相差越大，电池电动势就越高。

(2)电解质溶液，电解质中阴离子向负极方向移动，阳离子向正极方向移动，阴阳离子定向移动成内电路。

(3)导线将两电极连接，形成闭合回路。

（4）有能自发进行的氧化还原反应。

4．原电池的判断方法（1）先分析有无外接电池，有外接电源的为电解池，无外接电源的可能为原电池。

（2）多池相连，但无外电源时，两极活泼性差异最大的一池为原电池，其他各池可看做电解池。

56．原电池中带电粒子的移动方向在原电池构成的闭合电路中，有带电粒子的定向移动。

在外电路上电子从负极经导线上流入正极；在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极。

具体情况见图：考点二、原电池原理的应用1．加快氧化还原反应的速率例如：在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。

2．比较金属活动性强弱例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。

根据现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。

3．用于金属的防护将要保护的金属设计成原电池的正极，得到保护。

例如：在钢（铁）闸门上连接上锌块，由于锌比铁活泼，可使钢闸门受到保护。

4．原电池的设计设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。

具体方法是：（1）首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应；（2）根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。

①电极材料的选择在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。

并且，原电池的电极必须导电。

电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应。

②电解质溶液的选择电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。

如在铜—锌—硫酸铜构成的原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。

（3）按要求画出原电池装置图。

考点三、几种常见的电池（一）电池的评价比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。

比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。

质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。

（二）实用电池的特点(1)能产生比较稳定而且较高电压的电流； (2)安全、耐用且便于携带，易于维护； (3)能够适用于各种环境；(4)便于回收处理，不污染环境或对环境的污染影响较小； (5)能量转换率高。

（三）几种常见的电池1、一次电池：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。

干电池：一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动。

碱性锌锰电池构成：负极是锌，正极是MnO 2，电解质是KOH负极：Zn+2OH －－2e －=Zn(OH)2；正极：2MnO 2+2H 2O+2e －=2MnOOH+2OH －总反应式：Zn+2MnO 2+2H 2O=2MnOOH+Zn(OH)2特点：比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电。

2、二次电池 ①铅蓄电池 放电电极反应：负极：Pb(s)+SO 42－(aq)－2e －＝PbSO 4(s)；正极：PbO 2(s)+4H +(aq)+SO 42－(aq)+2e －＝PbSO 4(s)+2H 2O(l)总反应式：Pb(s)+PbO 2(s)+2H 2SO 4(aq)＝2PbSO 4(s)+2H 2O(l)充电电极反应：阳极：PbSO 4(s)+2H 2O(l)－2e －=PbO 2(s)+4H +(aq)+SO 42－(aq)；阴极：PbSO 4(s)+2e －=Pb(s)+SO 42－(aq)总反应：2PbSO 4(s)+2H 2O(l)=Pb(s)+PbO 2(s)+2H 2SO 4(aq) 总反应方程式：Pb (s)+ PbO 2(s) +2H 2SO 4(aq) 2PbSO 4(s) +2H 2O(l) 说明： a 负极阴极 正极阳极b电池的正负极分别和电源的正负极相连c 各极的pH 变化看各电极反应，电池的pH 变化看电池总反应②镍一镉碱性蓄电池负极：Cd+2OH －－2e －=Cd(OH)2；正极：2NiO(OH)+2H 2O+2e －=2Ni(OH)2+2OH －总反应式：Cd +2NiO(OH)+2H 2O 2Ni(OH)2+ Cd(OH)2外，空气中的氧气也可作氧化剂。

燃料电池的能量转化率高于80％，远高于燃烧过程（仅30％左右），有利于节约能源。

燃料电池有广阔的发展前途。

（四）正确书写电极反应式(1)列出正、负电极上的反应物质，在等式的两边分别写出反应物和生成物。

(2)标明电子的得失。

(3)使质量守恒。

电极反应式书写时注意：①负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。

若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式；②若正极上的反应物质是O 2，且电解质溶液为中性或碱性，则H 2O 必须写入正极反应式，且生成物为OH －；若电解液为酸性，则H +必须写入反应式中，生成物为H 2O 。

③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。

(4)正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。

若能写出总反应式，可以减去较易写出的电极反应式，从而写出较难书写的电极方程式。

注意相加减时电子得失数目要相等。

【典型例题】类型一：原电池原理例1．铜锌原电池（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+ +CuC．在外电路中，电子从负极流向正极D．盐桥中的K+移向ZnSO4溶液【答案】BC【解析】Zn是负极，故A错；电池总反应和没有形成原电池的氧化还原反应相同，故B正确；根据闭合回路的电流方向，在外电路中，电子由负极流向正极，故C正确；在溶液中，阳离子往正极移动，故D错误。

【总结升华】一定要记住：原电池工作时，电子沿导线从负极流向正极，在溶液中阴离子向负极移动。

举一反三：【变式1】用铜片、银片、Cu (NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥（装有琼脂-KNO3的U型管）构成一个原电池。

以下有关该原电池的叙述正确的是①在外电路中，电流由铜电极流向银电极②正极反应为：Ag++e-=Ag③实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同A. ①②B.②③C.②④D.③④【答案】C【变式2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是( )A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极C．两烧杯中溶液的pH均增大D．产生气泡的速率甲比乙慢【答案】C【解析】图甲是一个原电池装置，负极：Zn－2e－==Zn2+，正极(Cu)：2H++2e－==H2↑，形成的原电池能加快产生氢气的速率；图乙中，Zn直接与稀硫酸反应生成H2：Zn+2H+==Zn2++H2↑，甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗，溶液的pH均增大。

【高清课堂：399158例2】【变式3】右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是A．该系统中只存在3种形式的能量转化B．装置Y中负极的电极反应式为：O2+2H2O+4e－＝4OH－C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化【答案】C【解析】本题主要考查的是电化学知识。

A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2 -2e- + 2OH- = 2H2O；C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；D项，在反应过程中，有能量的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。

综上分析可知，本题选C项。

例2．某同学根据离子反应方程式2Fe3++Fe==3Fe2+来设计原电池。

下列设计方案中可行的是（）A．电极材料为铁和锌，电解质溶液为FeCl3溶液B．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为Fe(NO3)3溶液C．电极材料为铁和石墨，电解质溶液为FeCl2溶液D．电极材料为石墨，电解质溶液为FeCl3溶液【答案】B【解析】由离子反应方程式可知，设计的原电池中Fe为负极，不与电解质溶液反应的导体为正极，含Fe3+的溶液为电解质溶液，故B项可行。

举一反三：【变式1】依据氧化还原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)==Cu2+ (aq)+2Ag (s)设计的原电池如图所示。

请回答下列问题：(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是________；(2)银电极为电池的________极，发生的电极反应为________；X电极上发生的电极反应为________；(3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。

【答案】(1)Cu AgNO3溶液(2)正Ag++e－==Ag Cu－2e－==Cu2+(3)X Ag【解析】由氧化还原反应：2Ag+ (aq)+Cu (s)==Cu2+ (aq)+2Ag (s)可知，可以选用Cu (s)—Ag (s)—AgNO3(aq)构成简易的原电池，因此上图中电极X的材料是Cu，电解质溶液Y 是AgNO3溶液，正极为Ag，正极上发生的反应为Ag++e－==Ag，负极为Cu，负极上发生的反应为Cu－2e－==Cu2+，在外电路电子由负极流向正极，即从X电极流向Ag电极。

类型二：金属活动性强弱比较例3．X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中，组成原电池。