(新高考)高考化学一轮复习讲测练第16讲原电池（讲）(2份打包，解析版+原卷版，可预览)

第16讲  原电池

【学科核心素养】

变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。

证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。

科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。

【核心素养发展目标】

1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。

2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

【知识点解读】

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

 (2)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。

（3）单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比

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：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。

(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。

(4)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根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。

知识点二   常见化学电源及工作原理

一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用

1.碱性锌锰干电池

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

负极材料：Zn。

电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。

正极材料：碳棒。

电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

2.纽扣式锌银电池

总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

电解质是KOH。

负极材料：Zn。

电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。

正极材料：Ag2O。

电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

3.锂电池

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＋SO＋6Cl－。

二、二次电池：放电后能充电复原继续使用

1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

(1)放电时——原电池

负极反应：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；

正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。

(2)充电时——电解池

阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；

阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。

2.图解二次电池的充放电

3.二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。

三、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。

2.解答燃料电池题目的思维模型

3.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。

【典例剖析】

高频考点一   原电池原理及其应用

【例1】(2019·海南高考)微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。下列说法正确的是(　　)

A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低

B．电池工作过程中，电解液中OH－向正极迁移

C．负极发生反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2

D．正极发生反应：Ag2O＋2H＋＋2e－===Ag＋H2O

【举一反三】下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是(　　)

A．①中锌电极发生氧化反应

B．②中电子由a电极经导线流向b电极

C．③中外电路中电流由A电极流向B电极

D．④中LixC6做负极

【变式探究】(双选)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做负极，③④中Fe做负极

B．②中Mg做正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑

C．③中Cu做负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．④中Cu做正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

高频考点二   盐桥原电池的考查

【例2】(2020·全国卷Ⅰ节选)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。

回答下列问题：

(1)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择________作为电解质。

(2)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。

(3)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝________。

(4)根据(2)、(3)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为____________________，铁电极的电极反应式为________________________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于________。

(5)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是____________________。【变式探究】控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)

A.反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B.反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原

C.电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D.电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

高频考点三  燃料电池

【例3】(2019·高考全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋

C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

【方法技巧】燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出燃料电池反应的总反应式

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。

如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为

CH4＋2O2===CO2＋2H2O①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②

①式＋②式得燃料电池总反应式为

CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。

第二步：写出电池的正极反应式

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：

(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O；

(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－；

(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：

O2＋4e－===2O2－；

(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：

O2＋2CO2＋4e－===2CO。

第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式

电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。

【变式探究】(双选)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度。它无电时也无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如下，下列说法正确的是(　　)

A．放电时，通入空气的一极为负极

B．放电时，电池反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH

C．有机电解液可以是乙醇等无水有机物

D．在更换锂电极的同时，要更换水性电解液

高频考点四  可充电电池（二次电池）

【例4】（2021·河北高考）K—O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是

A．隔膜允许K+通过，不允许O2通过

B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极

C．产生1Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22

D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水

【举一反三】（2021·浙江高考）镍镉电池是二次电池，其工作原理示意图如下(L 为小灯泡，K1、K2为开关，a、b为直流电源的两极)。

下列说法不正确的是

A．断开K2、合上K1，镍镉电池能量转化形式：化学能→电能

B．断开K1、合上K2，电极A为阴极，发生还原反应

C．电极B发生氧化反应过程中，溶液中KOH浓度不变

D．镍镉二次电池的总反应式：Cd+ 2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2

【方法技巧】

1．可充电电池的思维模型

因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。

2．可充电电池的分析流程

(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。

(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。

(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断

分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。

①首先应分清电池是放电还是充电。

②再判断出正、负极或阴、阳极。

(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式

若已知电池放电时的总反应式，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，由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。

【变式探究】（2020·新课标Ⅰ）科学家近年发明了一种新型Zn−CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。

下列说法错误的是

A. 放电时，负极反应为

B. 放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol

C. 充电时，电池总反应为

D. 充电时，正极溶液中OH−浓度升高

【变式探究】(2020·天津等级考)熔融钠—硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na＋xSNa2Sx(x＝5～3，难溶于熔融硫)。下列说法错误的是(　　)

A．Na2S4的电子式为

B．放电时正极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2Sx

C．Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极

D．该电池是以Na­β­Al2O3为隔膜的二次电池

 高频考点五  新型电源

【例5】（2021·广东高考）火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时

A．负极上发生还原反应 B．CO2在正极上得电子

C．阳离子由正极移向负极 D．将电能转化为化学能

【变式探究】（2020·新课标Ⅲ）一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：该电池工作时，下列说法错误的是

A. 负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应

B. 正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高

C. 电池总反应为

D. 电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

【变式探究】 (2018·海南卷)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液。下列说法正确的是(　　)

A．电池总反应式为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2

B．正极反应式为Mg－2e－===Mg2＋

C．活性炭可以加快O2在负极上的反应速率

D．电子的移动方向由b经外电路到a

【变式探究】(2017·全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是(　　)

A.电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4

B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多