第六章第二节原电池化学电源

第二节原电池化学电源[考纲展示]1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。考点1|原电池工作原理固本探源如图所示A、B装置中AB1．装置A的负极材料是锌片，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；装置B的正极材料是铜片，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，总反应的离子方程式为Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋。2．装置A、B中，电子都是由锌片沿导线流向铜片，电解质溶液中阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。3．根据装置A、B可知，构成原电池的基本条件(1)有两个活泼性不同的电极(常为金属或石墨)。(2)将电极插入电解质溶液中。(3)两电极间构成闭合回路。4．原电池是把化学能转化为电能的装置，其实质是发生了氧化还原反应。5．装置A、B的不同(1)装置A中还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，装置温度会升高，易造成能量损耗。(2)装置B中Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长；盐桥的作用是提供离子迁移的通路，平衡电荷。典例引领[典例1](2015·天津高考)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是()A．铜电极上发生氧化反应B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO2－4)减小C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡[拓展延伸]本题中电池工作一段时间后，两极区阳离子、阴离子浓度如何变化？为什么？【提示】左池中Zn2＋、SO2－4浓度均不发生变化。右池中Cu2＋浓度降低、Zn2＋浓度升高、SO2－4浓度保持不变。因为两池间为阳离子交换膜，只有Zn2＋从左侧移向右侧。考点精析1．原理图示2．原电池正、负极的判断方法题组强化●题组1—原电池工作原理1．下列装置中能构成原电池产生电流的是()ABCD2．(2016·朝阳区模拟)如图为锌铜原电池装置图，下列说法不正确的是()A．电子由Zn极流向Cu极B．该装置的总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋CuC．一段时间后，A池带正电荷，B池带负电荷D．取出盐桥，电流计指针不再偏转3．(2013·新课标全国卷Ⅰ)银质器皿日久表面会逐渐变黑，这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理：在铝质容器中加入食盐溶液，再将变黑的银器浸入该溶液中，一段时间后发现黑色会褪去。下列说法正确的是()A．处理过程中银器一直保持恒重B．银器为正极，Ag2S被还原生成单质银C．该过程中总反应为2Al＋3Ag2S===6Ag＋Al2S3D．黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl[误区警示]原电池工作原理的易错点(1)只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。(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。(4)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。(5)盐桥的作用：①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。●题组2—电极反应方程式的书写4．如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是()A．电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极B．电极Ⅱ的电极反应式为：Cu2＋＋2e－===CuC．该原电池的总反应式为：2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋D．盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子5．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极B．②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑6．MCFC型燃料电池可同时供应电和水蒸气，其工作温度为600～700℃，所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3。已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，则下列有关该电池的说法正确的是()A．该电池的正极反应式为4OH－＋4e－===O2↑＋2H2OB．该电池的负极反应式为H2＋CO2－3－2e－===H2O＋CO2C．放电时CO2－3向正极移动D．该燃料电池能量转化率很低[归纳总结]原电池电极反应方程式的书写(1)书写步骤(2)介质对电极反应式书写的影响①中性溶液反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离。②酸性溶液反应物或生成物中均没有OH－。③碱性溶液反应物或生成物中均没有H＋。④水溶液中不能出现O2－。考点2|化学电源固本探源1．化学电源的种类及其工作原理2．一次电池(碱性锌锰干电池)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。3．二次电池(以铅蓄电池为例)(1)放电时的反应①负极反应：Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)；②正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；③总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。(2)充电时的反应①阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq)；②阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)；③总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。4．燃料电池：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。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2H2＋O2===2H2O氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将减小，溶液的pH增大。典例引领[典例2](2014·天津高考)已知：锂离子电池的总反应为：LixC＋Li1－xCoO2放电充电C＋LiCoO2锂硫电池的总反应为：2Li＋S放电充电Li2S有关上述两种电池说法正确的是()A．锂离子电池放电时，Li＋向负极迁移B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应C．理论上两种电池的比能量相同D．下图表示用锂离子电池给锂硫电池充电【解题导引】(1)充电电池放电、充电分别适应什么原理？【提示】放电——原电池原理、充电——电解池原理。(2)充电电池充电时与电源的连接方式是什么？【提示】充电电池正极连电源的正极，负极连电源的负极。考点精析1．新型电池“放电”时正、负极的判断新型电池负极材料所含元素化合价升高的物质发生氧化反应的物质正极材料所含元素化合价降低的物质发生还原反应的物质2．新型电池“放电”时，电极反应式的书写首先根据电池反应分析物质得失电子情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应；对于较复杂的电极反应，可以利用总反应方程式减去较简单一极的电极反应式，从而得到较复杂一极的电极反应式。3．新型电池“充电”时阴、阳极的判断首先明确原电池放电时的正、负极，再根据充电时，电源正极接正极、电源负极接负极的原理进行分析。4．新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断首先分清电池是放电还是充电；再判断正、负极或阴、阳极，进而可确定离子的移动方向。题组强化1．(2015·江苏高考)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是()A．反应CH4＋H2O=====催化剂△3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol电子B．电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH－－2e－===2H2OC．电池工作时，CO2－3向电极B移动D．电极B上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e－===2CO2－32．(2014·新课标全国卷Ⅱ)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误．．的是()A．a为电池的正极B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLiC．放电时，a极锂的化合价发生变化D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移3．锂电池因具有安全、环保和价格低廉等优点而成为当前电池研究领域的热点。以钒酸钠(NaV3O8)为正极材料的电极反应式为NaV3O8＋xLi＋＋xe－===NaLixV3O8，则下列说法中不正确的是()A．放电时，负极的电极反应式为Li－e－===Li＋B．充电过程中Li＋从阳极向阴极迁移C．充电过程中阳极的电极反应式为NaLixV3O8－xe－===NaV3O8＋xLi＋，NaLixV3O8中钒的化合价发生了变化D．该电池可以用硫酸钠溶液作电解质溶液考点3|原电池原理的应用固本探源1．比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。2．加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。3．设计制作化学电源(1)首先将氧化还原反应分成两个半反应。(2)根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。4．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。例如，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。典例引领[典例3](2015·安徽高考节选)常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池(图1)，测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示，反应过程中有红棕色气体产生。图1图20～t1时，原电池的负极是Al片，此时，正极的电极反应式是_________，溶液中的H＋向________极移动。t1时，原电池中电子流动方向发生改变，其原因是___________________。【解题导引】(1)常温下，把铝片插入浓硝酸中有何现象？为什么？【提示】铝片表面无明显变化，因为铝在浓硝酸中发生钝化，表面生成的氧化膜阻止了Al的进一步反应。(2)铜和浓硝酸的反应中，被还原的物质是什么？分别写出氧化反应和还原反应的离子方程式。【提示】浓硝酸被还原。氧化反应：Cu－2e－===Cu2＋，还原反应：2H＋＋NO－3＋e－===NO2↑＋H2O。【解析】在0～t1时，正极上NO－3得电子后结合H＋生成NO2和H2O；在原电池中，阳离子向正极移动，故H＋向正极移动；由于Al在浓硝酸中发生了钝化，生成的氧化膜阻止了反应的进行，此时Cu与浓硝酸反应而导致Cu作负极，电子流动方向发生了改变。【答案】NO－3＋e－＋2H＋===NO2↑＋H2O正Al在浓硝酸中发生钝化，氧化膜阻止了Al的进一步反应[拓展延伸]1．典例3图1中的浓硝酸溶液换成NaOH溶液，下列说法正确的是()A．铜极是该电池的负极B．该电池的负极反应式为Al＋4OH－－3e－===AlO－2＋2H2OC．电池工作时，Na＋向铝电极移动D．每转移6mole－，电极上会生成67.2L氢气【解析】铜片是原电池的正极，铝片是原电池的负极，A错误；负极上，铝失去电子然后和电解质NaOH溶液生成AlO－2，B正确；原电池内部，阳离子移向原电池的正极，C错误；没有说明，生成的气体是否是处于标准状况下，所以不能计算出其体积，D错误。【答案】B2．典例3图1中的铝电极换为镁电极，下列说法错误的是()A．正极的电极反应式为2H＋＋NO－3＋e－===NO2↑＋H2OB．电子移动的方向为镁电极→导线→铜电极C．原电池中电子流动方向会在某时刻t发生改变D．该电池的总反应为Mg＋4H＋＋2NO－3===Mg2＋＋2NO2↑＋2H2O题组强化1