第21讲 原电池化学电源

第2讲原电池化学电源

1．概念

原电池是把化学能转化为电能的装置。2．工作原理

以铜锌原电池为例

(1)原理分析

①盐桥作用：a.连接内电路形成闭合回路。b.维持两电极电势差(中和电荷)，使电池能持续提供电流。

②装置Ⅰ中有部分Zn与Cu2＋直接反应，使电池效率降低；装置Ⅱ中使Zn与Cu2＋隔离，电池效率提高，电流稳定。

3．原电池的构成条件

(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。

①负极：活泼性较强的金属。

②正极：活泼性较弱的金属或能导电的非金属。

(2)电极均插入电解质溶液中。

(3)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。

(4)能自发地发生氧化还原反应。

【感悟测评】

1．下列示意图中能构成原电池的是()

答案：B

2．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在原电池中，发生氧化反应的一极一定是负极。()

(2)在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强。()

(3)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。()

(4)相同情况下，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。()

(5)原电池电解质溶液中，阴离子一定移向负极。()

答案：(1)√(2)×(3)×(4)√(5)√

1．原电池正、负极的判断

2．原电池电极反应式的书写(1)一般电极反应式的书写

(2)复杂电极反应式的书写

复杂电极

反应式＝总反应式－较简单一极的电极反应式

如CH4酸性燃料电池中

CH4＋2O2===CO2＋2H2O……总反应式

2O2＋8H＋＋8e－===4H2O……正极反应式

CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋……负极反应式

考向一原电池的工作原理

1．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，由此判断表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是()

根据正负极的判断方法，溶解的一极为负极，增重的一极为正极，所以M棒为正极，N棒为负极，且电解质溶液能析出固体，则只有C 项正确。

答案：C

2．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↑

答案：B

【速记卡片】原电池正、负极判断方法

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。

考向二盐桥原电池

3．如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向

水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮力变化)()

A．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端高B端低

B．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端低B端高

C．当杠杆为导体时，A端低B端高

D．当杠杆为导体时，A端高B端低

解析：当杠杆为导体时，构成原电池，Fe作负极，Cu作正极，电极反应式分别为负极Fe－2e－===Fe2＋，正极Cu2＋＋2e－===Cu，铜球增重，铁球质量减轻，杠杆A低B高。

答案：C

4．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋I－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，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

解析：由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C 正确；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。

答案：D

【速记卡片】

当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时，可逆反应达到化学平衡状态，电流表指针示数为零；当电流表指针往相反方向偏转，暗示电路中电子流向相反，说明化学平衡移动方向相反。

考点二原电池原理的应用

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。

如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A极溶解，而B极上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，则可以推出金属活动性A>B。

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．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。

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)根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。

如：根据反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计的原电池为：

【多维思考】

1．A、B两种金属用导线连接后，插入烧碱溶液中，若观察到A 极溶解，而B极上有气体放出，该现象能否说明活动性A>B？请举例说明。

提示：不能。如Mg、Al、NaOH溶液组成原电池时，Al极溶解、Mg极上有H2生成，但活动性：Mg>Al。

2．镀锌铁桶破损后，铁桶仍能长时间使用，但镀锡铁桶破损后，破损处很快会出现小孔，其原因是什么呢？

提示：镀锌铁桶破损后，形成原电池锌作负极，Fe得到保护；镀锡铁桶破损后，形成原电池，铁作负极，加速了铁的腐蚀。

(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应，吸热反应不可能将化学能转化为电能。

(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率，但可能影响生成氢气的量。需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。

(3)设计原电池时，负极材料确定之后，正极材料的选择范围较广，只要合理都可以。

考向一判断金属的活泼性及反应速率

1．有a、b、c、d四种金属，将a与b用导线连接起来，浸入稀硫酸中，电极反应式之一为a－2e－===a2＋；将a、d分别投入等浓度的盐酸中，d比a反应激烈；又知一定条件下能发生如下离子反应：c2＋＋b===b2＋＋c，则四种金属的活动性由强到弱的顺序是() A．dcab B.dabc

C．dbac D.badc

解析：a、b两金属连接后在稀H2SO4溶液中，a失电子，活泼

性：a>b；与酸反应d反应剧烈，活泼性：d>a；根据离子反应，还原性：还原剂大于还原产物，则活泼性：b>c，综合以上有金属活泼性由强到弱顺序：dabc。

答案：B

2．(2018·揭阳二模)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是()

解析：等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中放入少量的CuSO4溶液，发生：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，形成原电池，反应速率增大，反应用时少于b，但生成的氢气也少于b，图象应为D。

答案：D

【题后悟道】改变Zn与H＋反应速率的方法

(1)加入Cu或CuSO4，形成原电池，加快反应速率，加入Cu不影响Zn的量，但加入CuSO4，Zn的量减少，是否影响产生H2的量，应根据Zn、H＋的相对量多少判断。

(2)加入CH3COONa，由于CH3COO－与H＋反应，使c(H＋)减小，反应速率减小，但不影响生成H2的量。

考向二设计原电池

3．将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中，发生反应的离子方程式为：Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq)(aq表示溶液)，若将该反应设计为如图的原电池，则下列说法一定错误的是()

A．Cd作负极，Co作正极

B．原电池工作时，电子从负极沿导线流向正极

C．根据阴阳相吸原理，盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动

D．甲池中盛放的是CdCl2溶液，乙池中盛放的是CoCl2溶液

解析：在电池反应中，Co2＋得电子发生还原反应，则Co作正极、Cd作负极；放电时，电子从负极Cd沿导线流向正极Co；盐桥中阳离子向正极区域乙移动、阴离子向负极区域甲移动；甲中失电子发生氧化反应，电解质溶液为CdCl2溶液，乙池中盛放的是CoCl2溶液。

答案：C

4．电子工业常用30%的FeCl3溶液腐蚀绝缘板上的铜箔，制造印刷电路板。某工程师为了从废液中回收铜，重新获得FeCl3溶液，

设计了下列实验步骤：

写出一个能证明还原性Fe比Cu强的离子方程式：__________ _______________________________________。

该反应在上图步骤________中发生。请根据上述反应设计一个原电池，在方框中画出简易装置图(标出电极名称、电极材料、电解质溶液)。

解析：a是Fe，发生的反应有Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu和Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，试剂b是盐酸。将Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu设计成原电池，Fe作负极，比Fe不活泼的Cu作正极，电解质溶液是含Cu2＋的溶液。

答案：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu①

【题后悟道】“装置图”常见失分点提示

(1)未用虚线画出烧杯中所盛放的电解质溶液。

(2)未用导线将两电极连接起来。

(3)未指明：①正、负极及其材料；②电解质溶液。

考点三化学电源

1．一次电池(以碱性锌锰干电池为例)

负极(Zn)，电极反应式：

Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2

正极(MnO2)，电极反应式：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH

2．二次电池(以铅蓄电池为例)

(1)负极反应：Pb－2e－＋SO2－4===PbSO4(逆向为充电时阴极反应)。

(2)正极反应：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO2－4===PbSO4＋2H2O；(逆向为充电时阳极反应)。

(3)总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)(逆向为充电时总反应)。

3．燃料电池

(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。

燃料电池的电极本身不参与反应，燃料和氧化剂连续地由外部供给。

【多维思考】

可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？

提示：

【感悟测评】

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)太阳能电池不属于原电池。()

(2)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。()

(3)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2 mol电子时，消耗的H2SO4

为0.1 mol。()

(4)铅蓄电池工作时，当电路中转换0.1 mol电子时，负极增加48 g。()

答案：(1)√(2)√(3)×(4)√

燃料电池电极反应式的书写

第一步：写出电池总反应式：

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都是O2，电解质溶液不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：

a．酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

b．碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH －。

c．固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－。

d．熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO2－3。

第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式：电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。

考向一电极、电池反应式的书写

1．(2018·潍坊模拟)镁—过氧化氢燃料电池具有比能量高、安全方便等优点，其总反应为Mg＋H2O2＋H2SO4===MgSO4＋2H2O，结构示意图如图所示。下列关于该电池的叙述正确的是()

A．电池内部可以使用MnO2作填料

B．电池工作时，H＋向Mg电极移动

C．电池工作时，正极的电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋

D．电池工作时，电解质溶液的pH将不断变大

解析：MnO2可催化H2O2分解；电解质溶液中的阳离子向正极(石墨)移动；Mg－2e－===Mg2＋为负极反应；硫酸参与正极反应，则电解质溶液的酸性减弱，pH增大。

答案：D

2．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4Li ＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。

请回答下列问题：

(1)电池的负极材料为________，发生的电极反应为_________

___________________________________。

(2)电池正极发生的电极反应为_________________________。

解析：分析反应的化合价变化，可知Li失电子，被氧化，为负极，电极反应为：4Li－4e－===4Li＋；正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到。

答案：(1)Li4Li－4e－===4Li＋(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2

【技法归纳】电极反应式的书写方法

(1)拆分法：①写出原电池的总反应，如2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应，并注明正、负极，并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应，正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋负极：Cu－2e－===Cu2＋。

(2)加减法：①写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。②写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)。如Li－e－===Li＋(负极)。

③利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4(正极)。

考向二燃料电池

3．(2018·河南二模)甲醇燃料电池体积小巧、洁净环保、比能量高，已在便携式通讯设备、汽车等领域应用。某型甲醇燃料电池的总反应式为2CH4O＋3O2===2CO2＋4H2O，如图是该燃料电池的示意图。下列说法错误的是()

A．a是甲醇，b是氧气

B．燃料电池将化学能转化为电能

C．质子从M电极区穿过交换膜移向N电极区

D．负极反应：CH4O－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋

解析：由质子交换膜知，电解质溶液呈酸性，N极上生成水，则a为氧气，N为正极，M为负极，负极反应式为CH4O－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===H2O，b是甲醇、c是二氧化碳，质子从M电极区通过质子交换膜到N电极区，通过以上分析知，B、C、D正确。

答案：A

【技法归纳】根据电极产物判断燃料电池正、负极的方法

(1)在酸性燃料电池中，有H2O生成的是正极，有CO2生成的是负极。

(2)在碱性燃料电池中有H2O生成的是负极，其另一极为正极。

(3)在熔盐电池，能传导O2－的固体电解质电池，生成H2O或CO2的是负极，其另一极为正极。

4．某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度，

其装置如图所示，该电池中电解质为氧化钇—氧化钠，其中O2－可以在固体介质NASICON中自由移动。

(1)其反应式为负极____________________________________；

正极：_____________________________________________。

电池反应为：________________________________________。

(2)如果将上述电池中电解质“氧化钇—氧化钠，其中O2－可以在固体介质NASICON中自由移动”改为熔融的K2CO3，b极通入的气体为氧气和CO2，负极______________________________；

正极：______________________________________________。

电池反应为__________________________________。

解析：(1)该装置是原电池，通入一氧化碳的电极a是负极，负极上一氧化碳失电子发生氧化反应，电极反应式为：CO＋O2－－2e－===CO2，b为正极，O2＋4e－===2O2－，总方程式为2CO＋O2===2CO2。

(2)该电池的总反应为2CO＋O2===2CO2。正极反应式为O2＋4e －＋2CO

===2CO2－3。负极反应式＝总反应－正极反应式：2CO－4e－

2

＋2CO2－3===4CO2。

答案：(1)CO＋O2－－2e－===CO2O2＋4e－===2O2－2CO＋O2===2CO2

(2)2CO－4e－＋2CO2－3===4CO2O2＋4e－＋2CO2===2CO2－3 2CO＋O2===2CO2

考向三新型电池