2025屆高考化學一輪復習第9章電化學基礎第28講原電池化學電源教學案新人教版

PAGE16-第九章電化學基礎[考綱解讀]1.理解原電池的構成、工作原理及應用。2.能書寫出電極反應和總反應方程式。3.了解常見化學電源的種類及其工作原理。4.理解電解池的構成、工作原理及應用。5.了解金屬發(fā)生電化學腐蝕的緣由、金屬腐蝕的危害以及防止金屬腐蝕的措施。第28講原電池化學電源一、原電池1．概念原電池是把eq\o(□,\s\up1(01))化學能轉化為eq\o(□,\s\up1(02))電能的裝置。2．構成條件(1)能自發(fā)進行的eq\o(□,\s\up1(01))氧化還原反應。(2)eq\o(□,\s\up1(02))活潑性不同的兩電極。(3)形成閉合回路。形成閉合回路需三個條件：①eq\o(□,\s\up1(03))電解質溶液；②兩電極干脆或間接接觸；③兩電極插入eq\o(□,\s\up1(04))電解質溶液中。3．工作原理(以銅－鋅原電池為例)裝置圖電極名稱負極正極電極材料eq\o(□,\s\up1(01))鋅片eq\o(□,\s\up1(02))銅片電極反應eq\o(□,\s\up1(03))Zn－2e－=Zn2＋eq\o(□,\s\up1(04))Cu2＋＋2e－=Cu反應類型eq\o(□,\s\up1(05))氧化反應eq\o(□,\s\up1(06))還原反應電子流向由eq\o(□,\s\up1(07))鋅片沿導線流向eq\o(□,\s\up1(08))銅片電流方向由eq\o(□,\s\up1(09))銅片沿導線流向eq\o(□,\s\up1(10))鋅片離子流向電解質溶液中，陰離子向eq\o(□,\s\up1(11))負極遷移，陽離子向eq\o(□,\s\up1(12))正極遷移鹽橋中含有飽和KCl溶液，eq\o(□,\s\up1(13))K＋移向正極，eq\o(□,\s\up1(14))Cl－移向負極電池反應方程式eq\o(□,\s\up1(15))Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu兩類裝置的不同點還原劑Zn與氧化劑Cu2＋干脆接觸，既有化學能轉化為電能，又有化學能轉化為熱能，造成能量損耗Zn與氧化劑Cu2＋不干脆接觸，僅有化學能轉化為電能，削減了能量損耗，故電流穩(wěn)定，持續(xù)時間長二、化學電源1．一次電池堿性鋅錳干電池負極材料：eq\o(□,\s\up1(01))Zn電極反應：eq\o(□,\s\up1(02))Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正極材料：碳棒電極反應：eq\o(□,\s\up1(03))2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2鋅銀電池負極材料：eq\o(□,\s\up1(04))Zn電極反應：eq\o(□,\s\up1(05))Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正極材料：eq\o(□,\s\up1(06))Ag2O電極反應：eq\o(□,\s\up1(07))Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－總反應：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag2．二次電池鉛蓄電池(電解質溶液為30%H2SO4溶液)(1)放電時的反應負極反應：eq\o(□,\s\up1(01))Pb－2e－＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4，正極反應：eq\o(□,\s\up1(02))PbO2＋2e－＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋=PbSO4＋2H2O，總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。電解質溶液的pHeq\o(□,\s\up1(03))增大。(2)充電時的反應陰極反應：eq\o(□,\s\up1(04))PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)，陽極反應：eq\o(□,\s\up1(05))PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)，總反應：2PbSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解))Pb＋PbO2＋2H2SO4。3．燃料電池(1)氫氧燃料電池①氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池。電解質溶液酸性堿性負極反應式eq\o(□,\s\up1(01))2H2－4e－=4H＋eq\o(□,\s\up1(02))2H2－4e－＋4OH－=4H2O正極反應式eq\o(□,\s\up1(03))O2＋4e－＋4H＋=2H2Oeq\o(□,\s\up1(04))O2＋4e－＋2H2O=4OH－總反應式2H2＋O2=2H2O②燃料電池的電極本身不參加反應，燃料和氧化劑由eq\o(□,\s\up1(05))外部供應。(2)甲烷燃料電池①堿性介質中(以KOH為例)：負極：eq\o(□,\s\up1(06))CH4－8e－＋10OH－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O，正極：eq\o(□,\s\up1(07))2O2＋8e－＋4H2O=8OH－，總反應：eq\o(□,\s\up1(08))CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O。②酸性介質中：負極：eq\o(□,\s\up1(09))CH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋，正極：eq\o(□,\s\up1(10))2O2＋8e－＋8H＋=4H2O，總反應：eq\o(□,\s\up1(11))CH4＋2O2=CO2＋2H2O。1.推斷正誤，正確的畫“√”，錯誤的畫“×”，并指明錯因。(1)理論上說，任何自發(fā)反應都可設計成原電池。(×)錯因：必需是自發(fā)的氧化還原反應才可設計成原電池。(2)在鋅銅原電池中，因為有電子通過電解質溶液形成閉合回路，所以有電流產(chǎn)生。(×)錯因：電子不能通過電解質溶液。(3)堿性鋅錳干電池是一次電池，其中MnO2是催化劑，可使鋅錳干電池的比能量高、可儲存時間長。(×)錯因：堿性鋅錳干電池中的MnO2在正極上得電子，是氧化劑。(4)燃料電池工作時燃料在電池中燃燒，然后將熱能轉化為電能。(×)錯因：燃料電池干脆將化學能轉化為電能。(5)由于CaO＋H2O=Ca(OH)2，可以放出大量的熱，故可把該反應設計成原電池。(×)錯因：該反應不是氧化還原反應，不能設計成原電池。(6)原電池工作時，溶液中的陽離子向負極移動，鹽橋中的陽離子向正極移動。(×)錯因：原電池工作時，溶液中的陽離子向正極移動。2．教材改編題(據(jù)人教選修四P78T3)鎘鎳可充電電池的充、放電反應按下式進行：Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq\o(,\s\up7(放電),\s\do5(充電))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，由此推斷錯誤的是()A．放電時，Cd作負極B．放電時，NiO(OH)作負極C．電解質溶液為堿性溶液D．放電時，負極反應為Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH)2答案B考點一原電池的工作原理及應用[解析]鋅片、Cu片與導線相連插入酸性溶液中會形成原電池，電子由Zn片通過導線流向銅片，D錯誤。[答案]D1．原電池的推斷方法(1)先分析有無外接電源，有外接電源的為電解池，無外接電源的可能為原電池。(2)然后依據(jù)原電池的形成條件分析推斷，主要是“四看”：(3)多池相連，但無外接電源時，兩極活潑性差異最大的一池為原電池，其他各池可看做電解池。2．推斷原電池正、負極的五種方法3．原電池原理的應用(1)加快化學反應速率一個自發(fā)進行的氧化還原反應，形成原電池時會使反應速率加快。如在Zn與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液構成原電池，反應速率加快。(2)金屬的防護使被愛護的金屬制品作原電池的正極而得到愛護。如要愛護一個鐵質的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負極。(3)比較金屬活動性強弱兩種金屬分別作原電池的兩極時，一般作負極的金屬比作正極的金屬活潑。(4)設計制作化學電源①首先將能自發(fā)進行的氧化還原反應分成兩個半反應。②依據(jù)原電池的反應特點，結合兩個半反應找出正、負極材料和電解質溶液。如：依據(jù)反應2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2設計的原電池為：1．對原電池的電極名稱，下列敘述中錯誤的是()A．電子流入的一極為正極B．比較不活潑的一極為正極C．電子流出的一極為負極D．發(fā)生氧化反應的一極為正極答案D2．下列有關銅鋅原電池的敘述正確的是()A．鹽橋中的Cl－移向CuSO4溶液B．電池總反應式為Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋CuC．在外電路中，電子從正極流向負極D．取下鹽橋，原電池仍可工作答案B解析鹽橋中的Cl－移向負極，即移向ZnSO4溶液，A錯誤；原電池工作時，電子從電池負極經(jīng)外電路流向正極，C錯誤；取下鹽橋，不能形成閉合回路，原電池不能工作，D錯誤?？键c二化學電源[解析]該裝置為原電池，銅為負極，石墨為正極，電子從銅電極流向石墨電極，故A錯誤；溶液中Cl－向銅電極移動，故B錯誤；負極為銅電極，結合電池反應得到，負極的電極反應式為Cu＋Cl－－e－=CuCl(s)，負極生成了CuCl(s)，質量增重了，故C錯誤；總反應方程式為2Cu＋2Cl－＋HN3＋3H＋=2CuCl(s)＋N2↑＋NHeq\o\al(＋,4)，負極的電極反應式為Cu＋Cl－－e－=CuCl(s)，用總反應式減去負極反應式得到正極反應式為HN3＋2e－＋3H＋=N2↑＋NHeq\o\al(＋,4)，故D正確。[答案]D[解析]由電子流向可知，a電極為原電池負極，b電極為原電池正極，O2應從b電極通入發(fā)生還原反應，NH3應從a電極通入發(fā)生氧化反應生成N2，電極反應式為2NH3－6e－=N2＋6H＋。[答案]b2NH3－6e－=N2＋6H＋化學電源電極反應式的書寫書寫電極反應式時，首先要依據(jù)原電池的工作原理精確推斷正、負極，然后結合電解質溶液的環(huán)境確定電極產(chǎn)物，最終再依據(jù)質量守恒和電荷守恒寫出反應式。電極反應式書寫的一般方法有：1．拆分法(1)寫出原電池的總反應，如2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋。(2)把總反應按氧化反應和還原反應拆分為兩個半反應，注明正、負極，并依據(jù)質量守恒、電荷守恒及得失電子守恒配平兩個半反應：正極：2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋負極：Cu－2e－=Cu2＋2．加減法(1)寫出總反應，如Li＋LiMn2O4=Li2Mn2O4。(2)寫出其中簡單寫出的一個半反應(正極或負極)，如Li－e－=Li＋(負極)。(3)利用總反應與上述的一極反應相減，即得另一個電極的反應式，即LiMn2O4＋Li＋＋e－=Li2Mn2O4(正極)。3．燃料電池電極反應式的書寫(1)寫出燃料電池反應的總反應式燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一樣，若產(chǎn)物能和電解質反應則總反應為加和后的反應。如甲烷燃料電池(電解質為NaOH溶液)的反應式為CH4＋2O2=CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②①＋②得燃料電池總反應式為CH4＋2O2＋2NaOH=Na2CO3＋3H2O，其離子方程式為CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。(2)寫出電池的正極反應式依據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應的物質是O2，隨著電解質溶液的不同，其電極反應式有所不同，大致有以下四種狀況：①酸性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O；②堿性電解質溶液環(huán)境下電極反應式：O2＋2H2O＋4e－=4OH－；③固體電解質(高溫下能傳導O2－)環(huán)境下電極反應式：O2＋4e－=2O2－；④熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應式：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。(3)依據(jù)電池總反應式和正極反應式，寫出負極反應式電池反應的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式。因為O2不是負極反應物，因此兩個反應式相減時要徹底消退O2。3．Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb電池裝置如圖，下列說法錯誤的是()A．SOeq\o\al(2－,4)從右向左遷移B．電池的正極反應為Pb2＋＋2e－=PbC．左邊ZnSO4濃度增大，右邊ZnSO4濃度不變D．若有6.5g鋅溶解，有0.1molSOeq\o\al(2－,4)通過離子交換膜答案B解析鋅是負極，SOeq\o\al(2－,4)從右向左遷移，A正確；電池的正極反應為PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)，B錯誤；左邊鋅失去電子轉化為ZnSO4，ZnSO4濃度增大，右邊ZnSO4濃度不變，C正確；若有6.5g鋅即0.1mol鋅溶解，依據(jù)電荷守恒可知有0.1molSOeq\o\al(2－,4)通過離子交換膜，D正確。4．(2024·安徽池州高三期末)新型高效的二甲醚燃料電池工作時總反應式：CH3OCH3＋3O2=2CO2＋3H2O。(1)向該電池中通入的a是________，負極電極反應式為______________________________________________________。(2)利用該電池冶鋁，若制得金屬鋁54g，理論上消耗二甲醚________g。答案(1)CH3OCH3CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋(2)23解析(1)依據(jù)題圖知交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，依據(jù)電子流淌方向和氫離子移動方向可知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上二甲醚失去電子發(fā)生氧化反應生成二氧化碳，負極反應式為CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋。(2)依據(jù)得失電子守恒，可以建立關系式4Al～12e－～CH3OCH3，由此可得，若制得金屬鋁54g，理論上消耗二甲醚23g。

建議用時：40分鐘滿分：100分一、選擇題(每題7分，共70分)1．在如圖所示的8個裝置中，屬于原電池的是()A．①④ B．③④⑤C．④⑧ D．②④⑥⑦答案D解析依據(jù)原電池的構成條件可知：①中只有一個電極，③中兩電極材料相同，⑤中酒精不是電解質，⑧中兩電極材料相同且無閉合回路，故①③⑤⑧不能構成原電池。2．(2024·北京朝陽高三期末)電動汽車(標記為“”)在改善城市交通、愛護環(huán)境等方面的作用至關重要。下列說法不正確的是()A．電動汽車的運用有助于削減氮氧化物的排放B．燃油汽車也可以懸掛該標記C．電動汽車運用時涉及化學能與電能的轉換D．電動汽車充電、放電過程均有電子轉移答案B解析電動汽車運用時化學能先轉化為電能，然后電能再轉化為機械能，不產(chǎn)生氮氧化合物，所以有助于削減氮氧化物的排放，A正確；電動汽車運用時首先是化學能轉化為電能，電能轉化為機械能，充電時電能轉化為化學能，所以涉及化學能與電能的轉換，C正確；電動汽車充電、放電過程有電能與化學能的轉化過程，所以均有電子轉移，D正確。3．下列有關電池的說法不正確的是()A．太陽能電池的主要材料是高純度的二氧化硅B．銅鋅原電池工作時，電子沿外電路從鋅電極流向銅電極C．氫氧燃料電池工作時，氫氣在負極被氧化D．原電池中肯定發(fā)生了氧化還原反應答案A解析太陽能電池的主要材料是高純硅，A錯誤；銅鋅原電池工作時電子從鋅極流出，沿外電路流入銅極，B正確；燃料電池中燃料在負極被氧化，C正確；原電池中肯定發(fā)生氧化還原反應，D正確。4．(2024·北京海淀高三期末)鋅錳堿性干電池是依據(jù)原電池原理制成的化學電源。電池中負極與電解質溶液接觸干脆反應會降低電池的能量轉化效率，稱為自放電現(xiàn)象。下列關于原電池和干電池的說法不正確的是()A．兩者正極材料不同B．MnO2的放電產(chǎn)物可能是KMnO4C．兩者負極反應式均為Zn失電子D．原電池中Zn與稀H2SO4存在自放電現(xiàn)象答案B解析題左圖為干電池，干電池的正極材料是碳棒，題右圖為原電池，正極材料是銅單質，兩者正極材料不同，故A正確；干電池中MnO2應作氧化劑，Mn的化合價降低，故B錯誤；所給裝置中Zn為負極，Zn失去電子，故C正確；依據(jù)自放電現(xiàn)象的定義，Zn與稀硫酸能夠發(fā)生反應，即原電池中Zn與稀硫酸存在自放電現(xiàn)象，故D正確。5．M、N、P、E四種金屬，已知：①M＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用導線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面有大量氣泡逸出；③N、E用導線連接放入E的硫酸鹽溶液中，電極反應為E2＋＋2e－=E，N－2e－=N2＋。則這四種金屬的還原性由強到弱的依次是()A．P>M>N>E B．E>N>M>PC．P>N>M>E D．E>P>M>N答案A解析由①知，金屬活動性：M>N；M、P用導線連接放入硫酸氫鈉溶液中，M表面有大量氣泡逸出，說明M作原電池的正極，故金屬活動性：P>M；N、E構成的原電池中，N作負極，故金屬活動性：N>E。綜合可知，A正確。6.鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過。下列有關敘述正確的是()A．銅電極上發(fā)生氧化反應B．電池工作一段時間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))減小C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加D．陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡答案C解析陽離子交換膜不允許陰離子通過，所以電池工作一段時間后，甲池的c(SOeq\o\al(2－,4))不變，B、D錯誤；乙池發(fā)生的電極反應為：Cu2＋＋2e－=Cu，溶液中Cu2＋漸漸削減，為維持溶液中的電荷平衡，Zn2＋會不斷移向乙池，使溶液質量增加，C正確。7．將反應2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2設計成如圖所示的原電池。下列說法不正確的是()A．鹽橋中的K＋移向FeCl3溶液B．反應起先時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應C．電流計讀數(shù)為零時，反應達到化學平衡狀態(tài)D．電流計讀數(shù)為零后，在甲中溶入FeCl2固體，乙中石墨電極為負極答案D解析甲中石墨為正極，乙中石墨為負極，鹽橋中陽離子向正極移動，所以K＋移向FeCl3溶液，A正確；反應起先時，因乙中I－失去電子放電，元素的化合價上升，則發(fā)生氧化反應，B正確；當電流計為零時，說明沒有電子發(fā)生轉移，則反應達到平衡，C正確；當加入Fe2＋，導致平衡逆向移動，則Fe2＋失去電子生成Fe3＋，作為負極，而乙中石墨成為正極，D錯誤。8．肼(N2H4)暴露在空氣中簡單爆炸，但是以其為燃料的燃料電池是一種志向的電池，具有容量大、能量轉化效率高、產(chǎn)物無污染等特點，其工作原理如圖所示，下列敘述正確的是()A．電池工作時，正極旁邊的pH降低B．當消耗1molO2時，有2molNa＋由甲槽向乙槽遷移C．負極反應式為4OH－＋N2H4－4e－=N2↑＋4H2OD．若去掉陽離子交換膜，電池也能正常工作答案C解析電池工作時，O2在正極發(fā)生還原反應：O2＋2H2O＋4e－=4OH－，由于生成OH－，溶液的pH增大，A錯誤；當消耗1molO2時，電路中轉移4mol電子，生成4molOH－，為保持溶液呈電中性，應有4molNa＋由甲槽向乙槽遷移，B錯誤；N2H4在負極上失電子發(fā)生氧化反應，則負極反應式為4OH－＋N2H4－4e－=N2↑＋4H2O，C正確；若撤走陽離子交換膜后，肼會與水中溶解的氧氣干脆接觸發(fā)生爆炸，電池無法工作，D錯誤。9．(2024·濰坊上學期統(tǒng)考)依據(jù)光合作用原理，設計如圖原電池裝置。下列說法正確的是()A．a(chǎn)電極為原電池的正極B．外電路電流方向是a→bC．b電極的電極反應式為：O2＋2e－＋2H＋=H2O2D．a(chǎn)電極上每生成1molO2，通過質子交換膜的H＋為2mol答案C解析依據(jù)圖示可知，a電極上H2O轉化為H＋和O2，發(fā)生氧化反應，則a電極為原電池的負極，A錯誤；a電極為負極，b電極為正極，外電路電流方向應從正極到負極，即b→a，B錯誤；依據(jù)圖示可知，b電極上O2得電子轉化為H2O2，電極反應式為：O2＋2e－＋2H＋=H2O2，C正確；a電極上每生成1molO2，轉移4mol電子，則通過質子交換膜的H＋為4mol，D錯誤。10．氮的化合物可以通過電化學方法相互轉化，如圖為NO轉化為NO2的工作原理示意圖，下列說法正確的是()A．Pt電極上發(fā)生的是氧化反應B．Pt電極的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．每轉化1molNO，消耗O2的體積為11.2LD．外電路中電子由NiO電極向Pt電極移動答案D解析依據(jù)裝置圖可知，Pt電極上氧氣得到電子轉化為O2－，所以Pt電極作正極，發(fā)生還原反應，A、B錯誤；不能確定氧氣所處的狀況，則不能計算氧氣的體積，C錯誤；NiO是負極，NO在負極上失去電子，外電路中電子由NiO電極向Pt電極移動，D正確。二、非選擇題(共30分)11．(14分)如圖所示，是原電池的裝置圖。請回答：(1)若C為稀H2SO4溶液，電流表指針發(fā)生偏轉，B電極材料為Fe且作負極，則A電極上發(fā)生的電極反應式為__________________________；反應進行一段時間后溶液C的pH將________(填“上升”“降低”或“基本不變”)。(2)若需將反應：Cu＋2Fe3＋=Cu2＋＋2Fe2＋設計成如圖所示的原電池裝置，則A極(負極)材料為________，B極(正極)材料為________，溶液C為________。(3)若C為CuCl2溶液，Zn是________極，Cu極發(fā)生________反應，電極反應式為______________________________。反應過程溶液中c(Cu2＋)________(填“變大”“變小”或“不變”)。(4)CO與H2反應還可制備CH3OH，CH3OH可作為燃料運用，用CH3OH和O2組合形成的質子交換膜燃料電池的結構示意圖如下：電池總反應為2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O，則c電極是________(填“正極”或“負極”)，c電極的反應方程式為__________________________________。答案(1)2H＋＋2e－=H2↑上升(2)Cu石墨(其他合理答案也可)FeCl3溶液(其他合理答案也可)(3)負還原C