全国版2021高考化学一轮复习第18讲原电池化学电源课件 49页

化学反应与能量转化 第六章 第 18 讲　原电池　化学电源 1. 理解原电池的构成、工作原理及应用。　 2. 能书写电极反应和总反应方程式。　 3. 了解常见化学电源的种类及工作原理。 栏 目 导 航 考点一　原电池的工作原理及应用 考点二　常见化学电源 探究高考 · 明确考向 1 ． 概念及本质 原电池是把 __________ 能转化为 __________ 能的装置，其反应的本质是 ____________________ 。 2 ． 构成条件 (1) 原电池反应必须是 ___________________ 的氧化还原反应 ( 一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应 ) 。 考点一　原电池的工作原理及应用 化学 　 电 　 氧化还原反应 　 能自发地发生 　 (2) 原电池的两个电极必须是 __________ 不同的电极 ( 材料可以是金属或导电的非金属 ) 。 ① ______________________ 的金属作负极。 ② ________________ 的金属或能导电的非金属作正极。 (3) 电极、电解质溶液 ( 或熔融电解质 ) 外电路形成 __________ ，其中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 ( 或熔融电解质 ) 中。 [ 想一想 ] 　能自发进行的氧化还原反应一定能设计成原电池吗？ 提示： 不一定。因为原电池反应是一个释放能量的反应。所以只有释放能量的、能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。 活泼性 　 活泼性较强 　 活泼性较弱 　 闭合回路 　 3 ． 工作原理 以铜锌原电池为例 锌　 电极名称 负极 正极 电极材料 __________ 片 __________ 片 电极反应 _____________________ ____________________ 反应类型 __________ 反应 __________ 反应 电子流向 由 __________ 片沿导线流向 __________ 片 离子迁 移方向 阴离子向 __________ 迁移； 阳离子向 __________ 迁移 电池反应 方程式 ________________________ 铜 　 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ 　 Cu 2 ＋ ＋ 2e － ===Cu 　 氧化 　 还原 　 锌 　 铜 　 负极 　 正极 　 Zn ＋ Cu 2 ＋ ===Zn 2 ＋ ＋ Cu 　 (1) 盐桥的组成：盐桥中装有饱和的 KCl 、 KNO 3 等溶液和琼胶制成的胶冻。 (2) 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。 4 ． 基本应用 (1) 用于金属的防护 使被保护的金属制品作原电池 __________ 而得到保护。例如，要保护一个铁质的输水管道或钢桥桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。 [ 想一想 ] 　如果电工操作上把铜导线与铝导线连接在一起使用，会造成什么后果？说明原因。 提示： 铝比铜活泼，铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池，加快了铝的腐蚀，易造成电路断路。 正极 (2) 加快氧化还原反应的速率 一个 __________ 进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率 __________ 。例如，在 Zn 与稀 H 2 SO 4 反应时加入少量 CuSO 4 溶液能使产生 H 2 的反应速率加快。 (3) 比较金属活泼性强弱 两种金属分别作原电池的两极时，一般作 __________ 的金属比作 __________ 的金属活泼。 (4) 设计制作化学电源 ①分析氧化还原反应，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物，将其分成氧化反应和还原反应两个半反应。 自发 　 增大 　 负极 　 正极 　 ② 设计成无盐桥电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极不活泼的物质作正极，以与负极发生反应的溶液为电解质溶液，用导线将两个电极构成闭合回路即可。 ③设计成有盐桥的电池：发生氧化反应的物质作负极，找一种比负极不活泼的物质作正极，以含负极氧化产物的溶液作为负极电解质溶液，以含氧化剂的溶液作为正极电解质溶液，然后用盐桥连接两个电池，用导线连接两个电极即可。 题组一　原电池的组成及其工作原理 1 ．在如图所示的 8 个装置中，属于原电池的是 ( 　　 ) A ．①④ B ．③④⑤ C ．④⑧　　　 D ．②④⑥⑦ D 　 解析 根据原电池的构成条件可知： ① 中只有一个电极， ③ 中两电极材料相同， ⑤ 中酒精不是电解质， ⑧ 中两电极材料相同且无闭合回路，故 ①③⑤⑧ 不能构成原电池。 2 ． (2019 · 湖北荆州一模 ) 实验发现， 298 K 时，在 FeCl 3 酸性溶液中加少量锌粒后， Fe 3 ＋ 立即被还原成 Fe 2 ＋ 。某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示原电池装置。下列有关说法正确的是 ( 　　 ) A ．该原电池的正极反应是 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ B ．左侧烧杯中溶液的血红色逐渐褪去 C ．该电池的铂电极上有气泡出现 D ．该电池总反应为 3Zn ＋ 2Fe 3 ＋ ===2Fe ＋ 3Zn 2 ＋ B 　 解析 该电池的总反应为 Zn ＋ 2Fe 3 ＋ ===2Fe 2 ＋ ＋ Zn 2 ＋ ，所以左烧杯中 Pt 电极为正极，电极反应为 Fe 3 ＋ ＋ e － ===Fe 2 ＋ ，右烧杯中 Zn 电极为负极，电极反应为 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ 。由于左烧杯中的 Fe 3 ＋ 被还原为 Fe 2 ＋ ，所以左烧杯中溶液的血红色逐渐褪去。 D 　 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，在甲中溶入 FeCl 2 固体，乙中的石墨电极为负极 解析 题组二　原电池电极反应式和总反应式的书写 4 ．分析下列装置，按要求填空。 (1) ① 负极材料： __________ ，电极反应式： ______________________ ， ② 正极材料： __________ ，电极反应式： ___________________________ ， ③ 总反应式： ________________________________ 。 Mg Mg － 2e － ===Mg 2 ＋ Al 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ Mg ＋ 2H ＋ ===Mg 2 ＋ ＋ H 2 ↑ Al Mg Cu Fe Fe Fe － 2e － ===Fe 2 ＋ Cu 原电池电极反应式和总反应式的书写方法 题组三　原电池工作原理的应用 5 ． ( 加快氧化还原反应速率 ) 将两份过量的锌粉 a 、 b 分别加入定量的稀硫酸，同时向 a 中加入少量的 CuSO 4 溶液，产生 H 2 的体积 V (L) 与时间 t (min) 的关系正确的是 ( 　　 ) B 　 解析 加入 CuSO 4 溶液， Zn 置换出 Cu ，形成原电池 ' 加快反应速率，由于 H 2 SO 4 定量，产生 H 2 的体积一样多。 6 ． ( 比较金属活泼性强弱 ) M 、 N 、 P 、 E 四种金属，已知：① M ＋ N 2 ＋ ===N ＋ M 2 ＋ ；② M 、 P 用导线连接放入硫酸氢钠溶液中， M 表面有大量气泡逸出；③ N 、 E 用导线连接放入 E 的硫酸盐溶液中，电极反应为 E 2 ＋ ＋ 2e － ===E ， N － 2e － ===N 2 ＋ 。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是 ( 　　 ) A ． P ＞ M ＞ N ＞ E 　　　 B ． E ＞ N ＞ M ＞ P C ． P ＞ N ＞ M ＞ E 　　　 D ． E ＞ P ＞ M ＞ N A 　 解析 由 ① 知，金属活动性： M ＞ N ； M 、 P 用导线连接放入硫酸氢钠溶液中， M 表面有大量气泡逸出，说明 M 作原电池的正极，故金属活动性： P ＞ M ； N 、 E 构成的原电池中， N 作负极，故金属活动性： N ＞ E 。综合可知， A 正确。 7 ． ( 设计原电池 ) 依据氧化还原反应： 2Ag ＋ (aq) ＋ Cu(s)===Cu 2 ＋ (aq) ＋ 2Ag(s) 设计的原电池如图所示 ( 盐桥为盛有 KNO 3 琼脂的 U 形管 ) 。 请回答下列问题： (1) 电极 X 的材料是 __________ ；电解质溶液 Y 是 __________( 填化学式 ) 。 (2) 银电极为电池的 __________ 极，其电极反应为 ___________________ 。 (3) 盐桥中的 NO 移向 __________ 溶液。 Cu AgNO 3 正 Ag ＋ ＋ e － ===Ag Cu(NO 3 ) 2 1 ． 日常生活中的两种一次电池 (1) 碱性锌锰干电池 负极材料： __________ 正极材料： __________ 正极反应： 2MnO 2 ＋ 2H 2 O ＋ 2e － ===2MnOOH ＋ 2OH － ； 负极反应： Zn ＋ 2OH － － 2e － ===Zn(OH) 2 ； 总反应： Zn ＋ 2MnO 2 ＋ 2H 2 O===2MnOOH ＋ Zn(OH) 2 。 考点二　常见化学电源 Zn 碳棒 (2) 锌银电池 负极反应： Zn ＋ 2OH － － 2e － ===Zn(OH) 2 ； 正极反应： Ag 2 O ＋ H 2 O ＋ 2e － ===2Ag ＋ 2OH － ； 总反应： Zn ＋ Ag 2 O ＋ H 2 O===Zn(OH) 2 ＋ 2Ag 。 2 ． 一种常用的二次电池 —— 铅蓄电池 3 ． 两种 “ 高效、 环保 ” 的燃料电池 2H 2 － 4e － ===4H ＋ 　 种类 酸性氢氧燃料电池 碱性氢氧燃料电池 负极反应式 ____________________ _______________________ 正极反应式 _______________________ ___________________________ 电池总反应式 2H 2 ＋ O 2 ===2H 2 O 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 2H 2 ＋ 4OH － － 4e － ===4H 2 O 　 O 2 ＋ 4e － ＋ 4H===2H 2 O 　 O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － 　 1 ． (2019 · 河北沧州统测 ) 有关下列四个常用电化学装置的叙述中，正确的是 ( 　　 ) D 　 A ． Ⅰ 所示电池工作中， MnO 2 的作用是催化剂 B ． Ⅱ 所示电池放电过程中，硫酸浓度不断增大 C ． Ⅲ 所示电池工作过程中，盐桥中 K ＋ 移向硫酸锌溶液 D ． Ⅳ 所示电池放电过程中， Ag 2 O 是氧化剂，电池工作过程中被还原为 Ag 解析 碱性锌锰电池中二氧化锰为氧化剂， A 项错误；铅蓄电池放电时电池反应为 Pb ＋ PbO 2 ＋ 2H 2 SO 4 ===2PbSO 4 ＋ 2H 2 O ， H 2 SO 4 浓度减小， B 项错误；原电池中阳离子向正极移动，故盐桥中 K ＋ 移向硫酸铜溶液， C 项错误；该原电池中，正极上氧化银得电子生成银，所以 Ag 2 O 作氧化剂， D 项正确。 A 　 解析 A 项，根据总方程式可知，在放电时，负极反应为 3Zn － 6e － ＋ 6OH － ===3Zn(OH) 2 ，正确； B 项，放电时，正极区不断消耗水，产生 OH － ，所以溶液的 pH 增大，错误； C 项，充电时，每转移 3 mol 电子，阳极有 1 mol Fe(OH) 3 被氧化，错误； D 项，充电时，电池的锌电极接电源的负极，错误。 可充电电池充放电时的关系 (1) 放电时为原电池，充电时为电解池。 (2) 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。 (3) 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。 3 ． (2019 · 贵州贵阳模拟 ) 化学家正在研究尿素动力燃料电池，尿液也能发电。用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电，尿素燃料电池结构如图所示，下列有关描述正确的是 ( 　　 ) C 　 A ．电池工作时 H ＋ 移向负极 B ．该电池用的电解质溶液是 KOH 溶液 C ．甲电极反应式： CO(NH 2 ) 2 ＋ H 2 O － 6e － ===CO 2 ＋ N 2 ＋ 6H ＋ D ．电池工作时，理论上每净化 1 mol CO(NH 2 ) 2 ，消耗 33.6 L O 2 解析 A 项，原电池中阳离子向正极移动，则电池工作时 H ＋ 移向正极，错误； B 项，该原电池是酸性电解质，质子交换膜只允许氢离子通过，错误； C 项，负极上是 CO(NH 2 ) 2 失电子生成二氧化碳和氮气，则负极反应式： CO(NH 2 ) 2 ＋ H 2 O － 6e － ===CO 2 ＋ N 2 ＋ 6H ＋ ，正确； D 项，电池的总反应式： 2CO(NH 2 ) 2 ＋ 3O 2 ===2CO 2 ＋ 2N 2 ＋ 4H 2 O ，每净化 1 mol CO(NH 2 ) 2 ，消耗 1.5 mol O 2 ，则在标准状况下氧气为 33.6 L ，由于没说明是标准状况，所以氧气的体积不能求算，错误。 燃料电池的分析要领 (1) 对于燃料电池要注意介质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。 化学能转化为电能　 氧化反应　 (2) 充电时 PbO 2 (s) 电极应与电源的 ______ 极相连，充电时总反应方程式为 ____________________________________________________ 。 (3) 放电生成的固体会附聚在电极表面，若工作中正极质量增重 96 g 时，理论上电路中转移的电子数为 ____ N A ，此过程中电池消耗 ____ mol H 2 SO 4 。 正 3 3 1 ． (2014 · 北京卷， 8) 下列电池工作时， O 2 在正极放电的是 ( 　　 ) 探究高考 · 明确考向 B 　 解析 A 项，锌锰电池正极上是 MnO 2 得电子，错误； B 项，氢燃料电池正极上是 O 2 放电，正确； C 项，铅蓄电池正极上是 PbO 2 放电，错误； D 项，镍镉电池正极上是 NiOOH 得电子，错误。 2 ． (2015 · 天津卷， 4) 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 ( 　　 ) C 　 解析 3 ． ( 多选 ) (2018 · 海南卷， 8) 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。下列说法错误的是 ( 　　 ) A ．电池总反应式为： 2Mg ＋ O 2 ＋ 2H 2 O===2Mg(OH) 2 B ．正极反应式为： Mg － 2e － ＝ Mg 2 ＋ C ．活性炭可以加快 O 2 在负极上的反应速率 D ．电子的移动方向由 a 经外电路到 b BC 　 　 解析 A. 负极上电极反应式为 Mg － 2e － ＋ 2OH － ＝ Mg(OH) 2 ↓ 、正极反应式为 O 2 ＋ 4e － ＋ 2H 2 O ＝ 4OH － ，得失电子相同的条件下将正负极电极反应式相加得电池反应式为 2Mg ＋ O 2 ＋ 2H 2 O===2Mg(OH) 2 ，故 A 正确； B.Mg 作负极、 C 作正极，负极上电极反应式为 Mg － 2e － ＋ 2OH － ===Mg(OH) 2 ↓ 、正极反应式为 O 2 ＋ 4e － ＋ 2H 2 O===4OH － ，故 B 错误； C. 通入氧气的电极是正极，活性炭可以加快 O 2 在正极上的反应速率，故 C 错误； D.Mg 作负极、活性炭作正极，电子从负极 a 经外电路到正极 b ，故 D 正确。 D 　 　 解析