2018届高二轮复习原电池原理及应用课件（78张）（全国通用） 78页

　 原电池原理及应用 1. 原电池的工作原理。 2 ．新型电池的电极反应及应用。 3 ．原电池电极的判断及电极反应式的书写。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 4 ．金属的腐蚀与防护。 高考考纲 · 展示 一、原电池的工作原理 2 ．铅蓄电池 主要材料： Pb 、 PbO 2 、稀 H 2 SO 4 电极反应式为： Pb( － ) ： Pb － 2e － ＋ SO ===PbSO 4 PbO 2 ( ＋ ) ： PbO 2 ＋ 2e － ＋ 4H ＋ ＋ SO ===PbSO 4 ＋ 2H 2 O 总反应式： Pb ＋ PbO 2 ＋ 4H ＋ ＋ 2SO 2PbSO 4 ＋ 2H 2 O 特点：电压稳定，使用方便、安全，可循环使用。 用途：汽车、摩托车等。 3 ．锂电池 电极反应式为： Li( － ) ： Li － e － ===Li ＋ MnO 2 ( ＋ ) ： MnO 2 ＋ Li ＋ ＋ e － ===LiMnO 2 总反应式： Li ＋ MnO 2 ===LiMnO 2 特点：高能电池，电压高、质量轻，贮存时间长等。 用途：电脑、手表、心脏起搏器等。 4 ．铁－镍碱性蓄电池 电极反应式为： Fe( － ) ： Fe － 2e － ＋ 2OH － ===Fe(OH) 2 NiO 2 ( ＋ ) ： NiO 2 ＋ 2H 2 O ＋ 2e － ===Ni(OH) 2 ＋ 2OH － 总反应式： Fe ＋ NiO 2 ＋ 2H 2 O===Fe(OH) 2 ＋ Ni(OH) 2 5 ．镍－镉碱性蓄电池 电极反应式为： Cd( － ) ： Cd － 2e － ＋ 2OH － ===Cd(OH) 2 NiO 2 ( ＋ ) ： NiO 2 ＋ 2H 2 O ＋ 2e － ===Ni(OH) 2 ＋ 2OH － 总反应式： Cd ＋ NiO 2 ＋ 2H 2 O===Cd(OH) 2 ＋ Ni(OH) 2 1. 关于蓄电池电极反应式的书写 放电时作为原电池，充电时作为电解池，将放电时的负极反应返回去即是充电时的阴极反应，放电时的正极反应返回去即是充电时阳极反应。 以放电时为例，书写蓄电池电极反应式的一般步骤： (1) 确定正、负极及其对应电极产物。 方法：化合价升高的为负极，化合价降低的为正极。 (2) 根据化合价变化确定电子的得与失。 方法：化合价升高数＝失电子数；化合价降低数＝得电子数。 (3) 确定参与电极反应的其他物质，此步的确定是难点。 2 ．书写燃料电池电极反应式的步骤类似于蓄电池，书写燃料电池电极反应式时还要注意以下几点 (1) 电池的负极一定是可燃性气体，失电子，发生氧化反应也称阳极；电池的正极一定是助燃性气体，得电子，发生还原反应也称为阴极。 (2) 电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。 (3) 电极反应式必须遵循原子守恒、电荷守恒规律。 (4) 在碱性电解质中，电极反应式中不能出现 H ＋ ，在酸性电解质溶液中，电极反应式中不能出现 OH － 。 (5) 正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的条件下，相叠加后的电池反应必是燃料反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式。 三、金属的腐蚀与防护 1 ．腐蚀的本质 失电子发生氧化反应，由游离态变为化合态。 M － ne － ===M n ＋ 2 ．金属腐蚀的分类 (1) 化学腐蚀与电化学腐蚀 化学腐蚀 电化学腐蚀 含义 金属跟接触到的物质直接发生的化学反应而引起的腐蚀 不纯金属或合金与电解质溶液接触发生原电池反应而消耗的过程 化学腐蚀 电化学腐蚀 电子得失 金属直接将电子转移给有氧化性的物质 活泼金属将电子间接转移给氧化性较强的物质 电流 无电流产生 有微弱电流产生 化学腐蚀 电化学腐蚀 腐蚀现象 金属单质 较活泼金属 实例 金属与 Cl 2 、 O 2 等物质直接反应 钢铁在潮湿的空气中被腐蚀 (2) 吸氧腐蚀和析氢腐蚀 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 发生条件 钢铁表面吸附的水膜中溶有 O 2 并呈极弱酸性、中性。反应中 O 2 得电子被还原 钢铁表面吸附的水膜中溶有 CO 2 等呈现较强酸性。反应时有 H 2 放出 电极反应 负极 (Fe) —— 氧化反应 2Fe － 4e － ===2Fe 2 ＋ 正极 (C) —— 还原反应 O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － 负极 (Fe) —— 氧化反应： Fe － 2e － ===Fe 2 ＋ 正极 (C) —— 还原反应 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ 3. 金属腐蚀的一般规律 (1) 电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护腐蚀措施的腐蚀。 (2) 对同一种金属来说，腐蚀的快慢： 强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。 (3) 活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。 (4) 对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。 (5) 由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液，故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式；另外，只有在金属活动性顺序表中位于氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀，而位于氢之后的金属腐蚀时只能是吸氧腐蚀。 4 ．金属的保护方法 (1) 改变金属的内部组织结构 ( 可以增强金属耐腐蚀的能力 ) 。如：不锈钢。 (2) 在金属表面覆盖保护层 ( 断绝金属与外界物质的接触 ) 。 如：涂油、刷漆、镀搪瓷、塑封、氧化成致密的氧化膜、电镀、热镀等。 (3) 电化学保护法 ① 牺牲阳极的阴极保护法 ② 外加电流阴极保护法 方法规律 · 归纳 原电池中正、负极的判断方法 　原电池有两个电极，一个是正极，一个是负极，判断正极和负极的方法是： (1) 由组成原电池的两极材料判断，一般是活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 (2) 根据电流方向或电子流动方向判断，电流是由正极流向负极，电子流动方向是由负极流向正极。 (3) 根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断，在原电池的电解质溶液内，阳离子移向的极是正极，阴离子移向的极是负极。 (4) 根据原电池两极发生的变化来判断，原电池的负极总是失电子发生氧化反应，其正极总是得电子发生还原反应。 (5) 阳离子向 X 极定向移动。溶液中的阳离子向 X 极定向移动，说明 X 极为正极，其活泼性弱。 (6)X 极增重或减重。工作后， X 极质量增加，说明溶液中的阳离子在 X 极 ( 正极 ) 放电， X 极活泼性弱；反之， X 极质量减小，说明 X 极金属溶解， X 极为负极，活泼性强。 (7)X 极有气泡冒出。工作后， X 极上有气泡冒出，是因为发生了析出 H 2 的电极反应，说明 X 极为正极，活泼性弱。 【 真题 1】 　控制适合的条件，将反应 2Fe 3 ＋ ＋ 2I － 2Fe 2 ＋ ＋ I 2 设计成如右图所示的原电池。下列判断不正确的是 ( 　　 ) 真题典例 · 探究 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 Fe 3 ＋ 被还原 C ．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D ．电流计读数为零后，在甲中溶入 FeCl 2 固体，乙中的石墨电极为负极 [ 分析 ] 　 本题中涉及带有盐桥的原电池，盐桥可使氧化还原反应在不同反应容器中同时发生，大大提高电流效率。但其工作原理和不带盐桥的原电池的一样，即负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应。 对于本题中，甲中石墨作正极，发生还原反应，电极反应式为 2Fe 3 ＋ － 2e － ===2Fe 2 ＋ ；乙中石墨作负极，发生氧化反应，电极反应式为 2I － － 2e － ===I 2 。当反应达到平衡时，正逆反应速率相等，此时电路中电流强度的和为零，故灵敏电流计的读数为零，选项 A 、 B 、 C 均正确。当灵敏电流计读数为零后，在甲中再溶入 FeCl 2 固体，导致化学平衡逆向移动 ，即把该反应的逆反应设置成原电池，甲中石墨作负极，发生氧化反应，电极反应式为 2Fe 2 ＋ － 2e － ===2Fe 3 ＋ ；乙中石墨作正极，发生还原反应，电极反应式为 I 2 ＋ 2e － ===2I － ， D 错。 [ 答案 ] 　 D 命题探究　 本题把一个可逆反应设置成原电池给试题增加了难度，同时对于选项 C 同学们也很难理解。通常原电池中电流强度等于零时有两种情况：一是两极直接接触形成短路，二是可逆反应处于平衡状态或反应结束时，本题就属于后者。有同学会认为这与达到化学平衡状态时化学反应速率不为零矛盾，其实不矛盾，原因是反应达到平衡时，正逆反应速率相等，导致电路中电流强度的和为零。对于选项 C 也可以这样理解，在不添加试剂的情况下，一个可逆反应不可能一直供电，当该可逆反应达到平衡状态时就不产生电流了。 [ 分析 ] 　 由于题中给出的是微生物燃料电池，其不可能在高温下工作， A 错误。根据题中的装置图分析，内部存在质子交换膜，可认为该微生物燃料电池是在酸性条件下工作的， B 正确。在放电过程中， H ＋ 由负极区向正极区迁移，从而形成回路， C 错。反应中每消耗 1 mol 氧气时转移 4 mol 电子，通过负极反应 C 6 H 12 O 6 ＋ 6H 2 O － 24e － ===6CO 2 ↑ ＋ 24H ＋ 计算知此过程理论上能生成 1 molCO 2 ， D 错误。 [ 答案 ] 　 B 命题探究　 无论金属、有机物还是可燃性物质与 O 2 构成的燃料电池，其命题背景都与教材中提供的氢氧燃料电池的工作原理相同。在复习备考中应重视教材的基础性地位，这样才能提高复习效率。 【 真题 3】 　 市场上经常见到的标记为 Li ion 的电池称为 “ 锂离子电池 ” 。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料 ( 碳作为金属锂的载体 ) ，电解质为一种能传导 Li ＋ 的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为： Li ＋ 2Li 0.35 NiO 2 2Li 0.85 NiO 2 。下列说法不正确的是 ( 　　 ) A ．放电时，负极的电极反应式： Li － e － ===Li ＋ B ．充电时， Li 0.85 NiO 2 既发生氧化反应又发生还原反应 C ．该电池不能用水溶液作为电解质 D ．放电过程中 Li ＋ 向负极移动 [ 分析 ] 　 本题考查可充、放电电池知识的综合应用，要分清充、放电原理和实质。 Li 从 0 价升至＋ 1 价，失去电子，作负极， A 正确；充电时，反应逆向进行，反应物只有一种，其既发生氧化反应又发生还原反应， B 正确；由于 Li 可以与水反应，故 C 正确；放电过程中 Li ＋ 应向正极移动， D 错误。 [ 答案 ] 　 D 命题探究　 对于锂离子电池的考查考生不应该感到陌生，这类题目常见的考点有三类：一是分析放电和充电过程中的反应，其实相当于原电池和电解池的简单综合，解题时要看清 “ 充电、放电 ” 的方向，放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。二是弄清充、放电过程中离子的流向，必须要弄清以下两个问题，电解过程中的电解液相当于外电路，因此溶液中的阴、阳离子在外电场的作用下分别向阳极和阴极移动。 而原电池中的电解液相当于内电路，放电过程中欲构成回路，则阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。三是要弄清当充电电池放电完毕后该如何充电，其充电装置图为。 考点突破 D A D B D D D D B 1. 相同材料的铁在图中的四种情况下最不易被腐蚀的是 ( 　　 ) 答案： C 2 ．理论上不能设计成原电池的化学反应是 ( 　　 ) A ． HNO 3 (aq) ＋ NaOH(aq)===NaNO 3 (aq) ＋ H 2 O(l) ； ΔH ＜ 0 B ． CH 4 (g) ＋ 2O 2 (g) CO 2 (g) ＋ 2H 2 O(aq) ； ΔH ＜ 0 C ． 2H 2 (g) ＋ O 2 (g) 2H 2 O(aq) ； ΔH ＜ 0 D ． 2FeCl 3 (aq) ＋ Fe(s)===3FeCl 2 (l) ； ΔH ＜ 0 解析： 能形成原电池的反应是自发进行的放热 (ΔH ＜ 0) 的氧化还原反应。 答案： A 3 ．下列关于钢铁腐蚀的叙述正确的是 ( 　　 ) A ．吸氧腐蚀时正极放出氧气 B ．析氢腐蚀时正极放出氢气 C ．化学腐蚀速率超过电化学腐蚀速率 D ．析氢腐蚀比吸氧腐蚀普遍 答案： B 4 ． ( 真题 1 对应练习 ) 如图所示装置中，观察到电流计指针偏转， M 棒变粗， N 棒变细，由此判断下表中所列 M 、 N 、 P 物质，其中可以成立的是 ( 　　 ) M N P A 锌 铜 稀硫酸溶液 B 铜 铁 稀盐酸 C 银 锌 硝酸银溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 解析： 该原电池中 M 棒变粗， N 棒变细。说明原电池反应时 N 棒溶解作负极，溶液中有金属析出在 M 棒上。 M 棒作正极， A 、 B 选项中，电解质溶液分别为稀 H 2 SO 4 和稀盐酸，原电池工作时，不会有金属析出， C 选项正极反应为 Ag ＋ ＋ e － ===Ag 。而 D 选项正极反应为 Fe 3 ＋ ＋ e － ===Fe 2 ＋ ，不会有金属析出。 答案： C 5 ．如图所示，将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中，再加入含有适量酚酞和 NaCl 的琼脂热溶液，冷却后形成琼胶 ( 离子在琼胶内可以移动 ) ，下列叙述正确的是 ( 　　 ) A ． a 中铁钉附近呈现红色 B ． b 中铁钉上发生还原反应 C ． a 中铜丝上发生氧化反应 D ． b 中铝条附近有气泡产生 解析： 依据原电池原理分析可知： a 中铁钉作负极，发生氧化反应，铜丝作正极发生 O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ―→ 4OH － 的还原反应，可知 A 、 C 错误； b 中铁钉作正极，发生 O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ―→ 4OH － 的还原反应，而铝条发生氧化反应不会冒气泡， D 错误。 答案： B 6 ．燃料电池是使气体燃料氧化直接产生电流的装置，燃料电池的研究是本世纪最具挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一电极通入丁烷，电池的电解质是掺杂了 Y 2 O 3 ( 三氧化二钇 ) 的 ZrO 2 ( 二氧化锆 ) 晶体，它在高温下能传导 O 2 － 。试回答下列问题： (1) 该电池放电时的化学反应方程式为： 。 (2) 该燃料电池的电极反应式为： 正极： 13O 2 ＋ 52e － ===26O 2 － 负极： 2C 4 H 10 ＋ 26O 2 － － 52e － ===8CO 2 ＋ 10H 2 O 则固体电解质中的 O 2 － 向 ________ 极移动 ( 填 “ 正 ” 或 “ 负 ” ) 。 (3) 某金属的相对原子质量为 52.00 ，用上述电池电解该金属的一种含氧酸盐的酸性水溶液时，阳极每放出 3 360mL( 标准状况 ) 氧气，阴极析出金属 10.4g ，在该含氧酸盐中金属的化合价为 ________ ，在该实验中，若不考虑能量的损失，电池中消耗丁烷的质量最少是 ________g( 结果精确至 0.01 g) 。 答案： (1)2C 4 H 10 ＋ 13O 2 ===8CO 2 ＋ 10H 2 O (2) 负　 (3) ＋ 3 　 1.34 7 ． (1) 今有 2H 2 ＋ O 2 2H 2 O 反应，构成燃料电池，则负极通的应是 ________ ，正极通的应是 ________ ，电极反应式为 。 (2) 如把 KOH 改为稀 H 2 SO 4 作电解质溶液，则电极反应式为 ________ 、 ________ 。 (1) 和 (2) 的电解液不同，反应进行后，其溶液的 pH 各有何变化？ (3) 如把 H 2 改为甲烷、 KOH 作导电物质，则电极反应式为： ____________________ 、 ____________________ 。 解析： 根据电池反应式可知 H 2 在反应中被氧化， O 2 被还原，因此 H 2 应在负极上反应， O 2 应在正极上反应。又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有 H ＋ 参加或生成，故负极反应为： 2H 2 ＋ 4OH － － 4e － ===4H 2 O ，正极反应为： O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － 。若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有 OH － 参加或生成，故负极： 2H 2 － 4e － ===4H ＋ ，正极： O 2 ＋ 4H ＋ ＋ 4e － ===2H 2 O 。由于前者在碱性条件下反应 KOH 量不变，但工作时 H 2 O 增多故溶液变稀碱性变小， pH 将变小。 而后者为酸溶液， H 2 SO 4 不变，水增多，溶液酸性变小，故 pH 将变大。如把 H 2 改为甲烷用 KOH 作导电物质，根据反应 CH 4 ＋ 2O 2 ===CO 2 ＋ 2H 2 O ，则负极为发生氧化反应的 CH 4 ，正极为发生还原反应的 O 2 ，由于有 KOH 存在，此时不会有 CO 2 放出。 答案： (1)H 2 　 O 2 　负极： 2H 2 ＋ 4OH － － 4e － ===4H 2 O 正极： O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － (2) 负极： 2H 2 － 4e － ===4H ＋ 　正极： O 2 ＋ 4H ＋ ＋ 4e － ===2H 2 O 　 (1) 变小， (2) 变大 (3) 负极： CH 4 ＋ 10OH － － 8e － ===CO ＋ 7H 2 O 正极： 2O 2 ＋ 4H 2 O ＋ 8e － ===8OH － 8 ．铁及铁的化合物应用广泛 ，如 FeCl 3 可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。 (1) 写出 FeCl 3 溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式 　 。 (2) 若将 (1) 中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。 正极反应 　 。 负极反应 　 。 (3) 腐蚀铜板后的混合溶液中，若 Cu 2 ＋ 、 Fe 3 ＋ 和 Fe 2 ＋ 的浓度均为 0.10 mol/L ，请参照下表给出的数据和药品，简述除去 CuCl 2 溶液中 Fe 3 ＋ 和 Fe 2 ＋ 的实验步骤 ________ 。 氢氧化物开始 沉淀时的 pH 氢氧化物沉淀 完全时的 pH Fe 3 ＋ Fe 2 ＋ Cu 2 ＋ 1.9 7 ． 0 4 ． 7 3.2 9 ． 0 6 ． 7 提供的药品： Cl 2 　浓 H 2 SO 4 　 NaOH 溶液　 CuO 　 Cu (4) 某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。请从上表提供的药品中选择两种 ( 水可任选 ) ，设计最佳实验，验证劣质不锈钢易被腐蚀。 有关反应的化学方程式 ； 。 劣质不锈钢腐蚀的实验现象 。 解析： (1) 略。 (2) 根据 2Fe 3 ＋ ＋ Cu===2Fe 2 ＋ ＋ Cu 2 ＋ 氧化还原反应和原电池的工作原理进行设计，铜作负极，石墨作正极， FeCl 3 作电解池溶液。 (3) 先通入足量 Cl 2 将 Fe 2 ＋ 氧化成 Fe 3 ＋ ， Cl 2 ＋ 2Fe 2 ＋ ===2Fe 3 ＋ ＋ 2Cl － ，再加入 CuO 来调节溶液的 pH 至 3.2 ～ 4.7 ，使 Fe 3 ＋ 转为 Fe(OH) 3 沉淀，过滤达到除去 CuCl 2 溶液中 Fe 3 ＋ 和 Fe 2 ＋ 的目的。 (4) 根据题中信息，选两种药品为 CuO ，浓 H 2 SO 4 ，水。 CuO ＋ H 2 SO 4 ===CuSO 4 ＋ H 2 O Fe ＋ CuSO 4 ===Cu ＋ FeSO 4 现象为：不锈钢表面有紫红色物质生成。 答案： (1)2Fe 3 ＋ ＋ Cu===2Fe 2 ＋ ＋ Cu 2 ＋ (2) 装置图 2Fe 3 ＋ ＋ 2e － ===2Fe 2 ＋ Cu===Cu 2 ＋ ＋ 2e － ( 或 Cu － 2e － ===Cu 2 ＋ ) (3) ① 通入足量氯气将 Fe 2 ＋ 氧化成 Fe 3 ＋ ； ② 加入 CuO 调节溶液的 pH 至 3.2 ～ 4.7 ； ③ 过滤 [ 除去 Fe(OH) 3 ] (4)CuO ＋ H 2 SO 4 ===CuSO 4 ＋ H 2 O CuSO 4 ＋ Fe===FeSO 4 ＋ Cu 不锈钢表面有紫红色物质生成。