第18讲原电池 化学电源目录第一部分：网络构建（总览全局）第二部分：知识点精准记忆第三部分：典型例题剖析高频考点1考查原电池的工作原理高频考点2考查原电池正、负极的判断高频考点3考查原电池原理的应用高频考点4考查可充电电池（二次电池）高频考点5考查新型电源（新型燃料电池）正文第一部分：网络构建（总览全局）第二部分：知识点精准记忆知识点一原电池的工作原理及应用1.概念和反应本质原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是自发进行的氧化还原反应。2.构成条件(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液中。3.工作原理以锌铜原电池为例(1)反应原理①电子移动方向：锌失电子逐渐溶解变成Zn2＋进入溶液，电子从负极经导线流入正极。②离子移动方向：阴离子向负极移动(如SOeq\o\al(2－,4))，阳离子向正极移动(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。③两极电极反应式负极(锌极)：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)。正极(铜极)：2H＋＋2e－===H2(还原反应)。总反应：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。(2)单液原电池和双液原电池对比比较项目单液原电池双液原电池相同点正负极，电极反应，总反应式，电极现象不同点能量变化化学能转化为电能和热能化学能只转化为电能反应区域两极反应在相同区域两极反应在不同区域(3)双液原电池中盐桥的组成和作用①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。②盐桥中离子移向：盐桥含饱和KCl（KNO3）溶液，K＋移向正极，Cl－（NO3－）移向负极③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。4.原电池原理的应用(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：一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，反应速率增大。(3)用于金属的防护：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。(4)设计制作化学电源①拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应。②选择电极材料：将还原剂（一般为比较活泼的金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极——石墨棒、铂片作负极。③构成闭合回路：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(如溶解于溶液中的空气)。如果两个半反应分别在两个容器进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。④画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。知识点二常见化学电源及工作原理1．化学电源的优点和优劣判断标准(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。2．日常生活中的几种电池(1)碱性锌锰干电池——一次电池正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)银锌电池——一次电池负极反应：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。(3)锂电池——一次电池Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。①负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。②正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SOeq\o\al(2－,3)＋6Cl－。(4)二次电池(可充电电池)：放电后能充电复原继续使用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。①放电时的反应a．负极反应：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－===PbSO4；b．正极反应：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O；c．总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。②充电时的反应a．阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；b．阳极反应：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；c．总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。注：可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。3.图解二次电池的充放电4.二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。5.“高效、环境友好”的燃料电池（1）氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可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＋===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－电池总反应式2H2＋O2===2H2O备注燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用（2）甲烷燃料电池①酸性介质(如H2SO4)或传导质子（H＋）固体介质总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。正极反应式：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O。②碱性介质(如KOH)总反应式：CH4＋2O2＋2OH－===COeq\o\al(2－,3)＋3H2O。负极反应式：CH4－8e－＋10OH－===COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。正极反应式：2O2＋8e－＋4H2O===8OH－。③熔融盐介质(如K2CO3)总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋4CO32-===5CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8e－＋4CO2===4CO32-。④用能传导氧离子(O2-)的固体作介质总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。负极反应式：CH4－8e－＋4O2-===CO2＋2H2O。正极反应式：2O2＋8e－===4O2-。（3）解答燃料电池题目的思维模型（4）解答燃料电池题目的几个关键点①要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。②通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。③通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。6.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。第三部分：典型例题剖析高频考点1考查原电池的工作原理例1.（2022·河南洛阳·模拟预测）某种新型热激活电池的结构与工作原理如图所示。下列说法正确的是A．电池冷却时，电子由电极b经过导线流向电极aB．电池加热时，电极a的电势比电极b的低，且发生氧化反应C．为了保证电池持久工作，理论上应不断地向电解质中补充Fe2+D．应加入适量稀H2SO4使电解质溶液呈较强的酸性【名师归纳】原电池的工作原理简图注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。【变式训练】（2022·广东·模拟预测）新型NaBH4/H2O2燃料电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2=NaBO2+6H2O。下列有关说法中正确的是A．电池正极区发生氧化反应B．电池工作时，将电能转化为化学能C．电池工作时，H2O2得电子D．电池在工作过程中，Na+从正极区向负极区迁移高频考点2考查原电池正、负极的判断例2.（2022·安徽·模拟预测）中科院开发的一种新型电池的反应原理如图所示，其中电解质LiCIO4溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质可自由移动，b极参与反应的物质是二氯亚砜(SOCl2)，且有刺激性气味气体产生。下列说法正确的是A．a极为正极，电极反应式为LiClO4+e-=Li+ClOB．可用水代替有机溶剂C．正极产生的有刺激性气味气体为Cl2D．用该电池电解饱和食盐水(用惰性电极)，若消耗1mol锂，则理论上阴阳两极共产生气体22.4L(标准状况)【题后归纳】判断原电池正、负极的5种方法说明：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。【变式训练】（2022·陕西·西北工业大学附属中学模拟预测）利用小粒径零价铁(ZVI)的电化学腐蚀处理三氯乙烯进行水体修复的过程如图所示。H+、O2、NO等粒子的存在会影响水体修复效果，设单位时间内ZVI释放电子的物质的量为ne-，其中用于有效腐蚀的电子的物质的量为ne-。下列说法正确的是A．增大单位体积水体中ZVI的投入量，可使ne-增大B．反应①在负极反生，反应②③④在正极发生C．单位时间内，三氯乙烯脱去amol氯原子时ne-=amolD．反应④为＋10H+-8e-=＋3H2O高频考点3考查原电池原理的应用例3．（2021·全国·高三专题练习）A、B、C、D都是金属，把C浸入A的硫酸盐溶液中，C的表面有A析出；A与D组成原电池时，A质量减少；B与D构成原电池时，电子是从D经导线流向B。A、B、C、D四种金属的活动性顺序为A．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>D>B D．C>D>B>A【题后归纳】利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法：将A、B两种金属用导线连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。【变式训练1】（2021·全国·高三专题练习）现有A、B、C、D四种金属片：①把A、B用导线连接后同时浸入稀硫酸中，B表面逐渐溶解；②把C、D用导线连接后同时浸入稀硫酸中，C发生氧化反应；③把A、C用导线连接后同时浸入稀硫酸中，电子流动方向为A→导线→C根据上述情况，下列说法中正确的是A．在①中，金属片B发生还原反应B．在②中，金属片C作正极C．上述四种金属的活动性由强到弱的顺序是：A>B>C>DD．如果把B、D用导线连接后同时漫入稀硫酸中，则金属片D上有气泡产生【变式训练2】（加快氧化还原反应速率）把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。(2)将过量