备战2021 高考化学 考点33 原电池的工作原理及应用（原卷版）

备战2021 高考化学 考点33 原电池的工作原理及应用（原卷版）

考点 33 原电池的工作原理及应用 一、原电池 1．原电池的基本概念 （1）原电池：把化学能转化为电能的装置。 （2）原电池的电极 负极：电子流出——活动性较强——发生氧化反应； 正极：电子流入——活动性较弱——发生还原反应。 （3）原电池的构成条件 ①能自发发生氧化还原反应。 ②具有活动性不同的两个电极(金属和金属或金属和非金属)。 ③形成闭合回路或在溶液中相互接触。 2．原电池的工作原理 (以 Zn−Cu 原电池为例] 单液原电池 双液原电池 装置图 电极与电极反应 负极(锌片) Zn−2e− Zn2+ (氧化反应) 正极(铜片) Cu2++2e− Cu (还原反应) 电子流向 由锌片沿导线流向铜片 离子迁移方向 阴离子向负极迁移；阳离子向正极迁移 电池反应方程式 Zn+Cu2+ Cu+Zn2+ 两类装置 还原剂 Zn 与氧化剂 Cu2+直接接触， Zn 与氧化剂 Cu2+不直接接触，仅有化 的不同点 既有化学能转化为电能，又有化学 能转化为热能，造成能量损耗 学能转化为电能，避免了能量损耗，故 电流稳定，持续时间长 （1）一般条件下，较活泼的金属材料作负极，失去电子，电子经外电路流向正极，再通过溶液中的离 子形成的内电路构成环路。 ①在原电池中，电极可能与电解质反应，也可能与电解质不反应；不发生反应的可看作金属发生吸氧 腐蚀，如图所示。 ②闭合回路的形成也有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极接触，如图所示。 （2）在原电池中，电流流动方向与电子流动方向相反。 （3）原电池的判定：一看有无外接电源，若有外接电源则为电解池，若无外接电源则可能为原电池； 二看电极是否用导线相连并与电解质溶液形成闭合电路；三看电极与电解质溶液是否能发生自发的氧化还 原反应。 3．原电池电极反应式的书写 （1）准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键。 如果原电池的正负极判断失误，电极反应式的书写一定错误。判断正负极的方法不是绝对的，例如铜 片和铝片同时插入浓硝酸溶液中，由于铝片表明的钝化，这时铜失去电子，是负极，其电极反应为： 负极：Cu−2e− Cu2+ 正极：2 3NO + 4H+ + 2e− 2H2O + 2NO2↑ 再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中，虽然镁比铝活泼，但由于镁不与氢氧化钠反应，而铝却反 应，失去电子，是负极，其电极反应为： 负极：2Al + 8OH−−6e− 2 2AlO + 2H2O 正极：6H2O+6e− 6OH−+3H2↑ （2）要注意电解质溶液的酸碱性。 在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系，如氢氧燃料电池有酸式和碱 式，在酸溶液中，电极反应式中不能出现 OH−，在碱溶液中，电极反应式中不能出现 H+，像 CH4、CH3OH 等燃料电池，在碱溶液中碳（C）元素以 2 3CO  离子形式存在，而不是放出 CO2 气体。 （3）要考虑电子的转移数目。 在同一个原电池中，负极失去电子数必然等于正极得到的电子数，所以在书写电极反应时，一定要考虑 电荷守恒。防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误，同时也可避免在有关计算中产生误差。 （4）要利用总的反应方程式。 从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池，而两个电极反应相加即得总反应方程 式。所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应，便可以写出另一个电极反应方程式。 注意：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−。 二、原电池原理的应用 原电池原理在工农业生产、日常生活、科学研究中具有广泛的应用。 化学电源：人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电 池、充电电池以及高能燃料电池，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展 中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏 起搏器等，都离不开各种的电池。 加快反应速率：如实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气，用纯锌生成氢气的速率较慢，而用粗锌可 大大加快化学反应速率，这是因为在粗锌中含有杂质，杂质和锌形成了无数个微小的原电池，加快了反应 速率。 比较金属的活动性强弱：一般来说，负极比正极活泼。 防止金属的腐蚀：金属的腐蚀指的是金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金 属失去电子变为阳离子而消耗的过程。在金属腐蚀中，我们把不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电 池反应而引起的腐蚀称为电化学腐蚀，电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表 面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了少量的氧气、二氧化碳，含有少量的 H+和 OH−形成电解质溶液，它跟 钢铁里的铁和少量的碳形成了无数个微小的原电池，铁作负极，碳作正极，发生吸氧腐蚀： 负极：2Fe−4e− 2Fe2+ 正极：O2+4e−+2H2O 4OH− 电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。因此可以用更活泼的金属与被保护的金属相连接，或者让金 属与电源的负极相连接均可防止金属的腐蚀。 考向一 原电池工作原理 典例 1 如图是 Zn 和 Cu 形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录如下：在卡片上， 描述合理的是 实验后的记录： ①Zn 为正极，Cu 为负极。 ②H+向负极移动。 ③电子流动方向：从 Zn 经外电路流向 Cu。 ④Cu 极上有 H2 产生。 ⑤若有 1mol 电子流过导线，则产生 H2 为 0.5mol。 ⑥正极的电极反应式为 Zn-2e-===Zn2+。 A．①②③ B．③④⑤ C．④⑤⑥ D．②③④ 1．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−3e− Fe3+ D．④中Cu作正极，电极反应式为2H++2e− H2↑ 判断原电池正、负极的五种方法 注意：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 负极的思维定式。 考向二 盐桥原电池 典例 2 下列关于原电池的叙述正确的是（ ） A．在外电路中，电流由铜电极流向银电极 B．正极反应为 Cu2＋＋2e－=Cu C．实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作 D．将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同 2．控制适合的条件，将反应 Fe3++Ag Fe2++Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂—硝酸钾溶液； 灵敏电流计的 0 刻度居中，左右均有刻度)。已知接通后观察到电流计指针向右偏转。下列判断正确的是 A．盐桥中的 K+移向乙烧杯 B．一段时间后，电流计指针反向偏转，越过 0 刻度，向左边偏转 C．在外电路中，电子从石墨电极流向银电极 D．电流计指针居中后，往甲烧杯中加入一定量的铁粉，电流计指针将向左偏转 考向三 判断金属的活泼性及反应速率 典例 3 有 a、b、c、d 四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下： 实验装置 部分实验现象 a 极质量减小，b 极 质量增大 b 极有气体产生，c 极无变化 d 极溶解，c 极有气 体产生 电流从 a 极流向 d 极 由此可判断这四种金属的活动性顺序是（ ） A． a b d c   B． b c d a   C． a b c d   D． d a b c   3．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 考向四 设计原电池 典例 4 事实证明，能设计成原电池的反应通常是放热反应，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是 ________(填序号，下同)。 a．C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH>0 b．2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH<0 c．NaOH(aq)＋HCl(aq)===NaCl(aq)＋H2O(l) ΔH<0 若以 KOH 溶液为电解质溶液，依据所选反应设计一个原电池，其正极的电极反应为 _____________________________________________。 某同学用铜片、银片、Cu(NO3)2 溶液、AgNO3 溶液、导线和盐桥(装有琼脂－KNO3 的 U 形管)设计成一 个原电池，如图所示，下列判断中正确的是________。 a．实验过程中，左侧烧杯中 3NO 浓度不变 b．实验过程中取出盐桥，原电池能继续工作 c．若开始时用 U 形铜代替盐桥，装置中无电流产生 d．若开始时用 U 形铜代替盐桥，U 形铜的质量不变 4．某实验小组同学对电化学原理进行了一系列探究活动。 图 1 （1）如图 1 为某实验小组依据氧化还原反应：(用离子方程式表示)____________________设计的原电池 装置，反应前，电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差 12 g，导线中通过________mol 电子。 （2）其他条件不变，若将 CuCl2 溶液换为 NH4Cl 溶液，石墨电极反应式为________________，这是由于 NH4Cl 溶 液 显 ________( 填 “ 酸 性 ”“ 碱 性 ” 或 “ 中 性 ”) ， 用 离 子 方 程 式 表 示 溶 液 显 此 性 质 的 原 因 ________________，用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中，向其中滴加少量新制饱和氯水，写出发 生反应的离子方程式________________，然后滴加几滴硫氰化钾溶液，溶液变红，继续滴加过量新制饱 和氯水，颜色褪去，同学们对此作了多种假设，某同学的假设是：“溶液中的＋3 价铁被氧化为更高的价 态。”如果＋3 价铁被氧化为 FeO2－ 4 ，试写出该反应的离子方程式__________________________。 图 2 （3）如图 2 其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成 n 型，如图所示。一段时间后，在甲装 置铜丝附近滴加酚酞试液，现象是______________，电极反应为______________；乙装置中石墨（1）为 ________(填“正”、“负”、“阴”或“阳”)极，乙装置中与铜丝相连石墨电极上发生的反应式为____________， 产物常用________________检验，反应的离子方程式为________________________________。 原电池设计的思维模板 （1）正、负极材料的选择：根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强的金属作为负 极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属（如石墨等）作为正极。 （2）电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质 能与负极发生反应（如溶解于溶液中的空气）。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行（中间 连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。 （3）画装置图：注明电极材料与电解质溶液。但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合回路。 1．如图是课外活动小组设计的用化学电源使 LED 灯发光的装置。下列说法错误的是 A．铜片表面有气泡生成 B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换 C．如果将硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动 D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变 2．如图所示，杠杆 AB 两端分别挂有大小相同、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分别滴入 CuSO4 浓溶液和 FeSO4 浓溶液。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 3．某同学做了如下实验，下列说法中正确的是 装置 现象 电流计指针未发生偏转 电流计指针发生偏转 A．加热铁片Ⅰ所在烧杯，电流计指针会发生偏转 B．用 KSCN 溶液检验铁片Ⅲ、Ⅳ附近溶液，可判断电池的正、负极 C．铁片Ⅰ、Ⅲ的腐蚀速率相等 D．“电流计指针未发生偏转”说明铁片Ⅰ、铁片Ⅱ均未被腐蚀 4．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生 Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一特点科学家发明了电动 势(E)法测水泥初凝时间，此法的原理如图所示，反应的总方程式为 2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。下列有 关说法正确的是 A．装置中电流方向由 Cu 经导线到 Ag2O B．测量原理示意图中，Ag2O 为负极 C．负极的电极反应式为 2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O D．电池工作时，OH－向正极移动 5．电化学气敏传感器可用于监测环境中 NH3 的含量，其工作原理示意图如图。下列说法不正确．．．的是 A．O2 在电极 b 上发生还原反应 B．溶液中 OH－向电极 a 移动 C．反应消耗的 NH3 与 O2 的物质的量之比为 4∶5 D．负极的电极反应式为：2NH3－6e－＋6OH－= N2＋6H2O 6．根据下列原电池的装置图，回答问题： （1）若 C 为稀 H2SO4 溶液，电流表指针发生偏转，B 电极材料为 Fe 且做负极，则 A 电极上发生的电极 反应式为________________；反应进行一段时间后溶液 C 的 pH 将____________(填“升高”“降低”或“基本 不变”)。 （2）若需将反应：Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成如上图所示的原电池装置，则负极 A 极材料为 ________，正极 B 极材料为________，溶液 C 为________________。 （3）用 CH4 和 O2 组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下： ①则 d 电极是________(填“正极”或“负极”)，c 电极的反应方程式为_________________________。 ②若线路中转移 2 mol 电子，则上述燃料电池，消耗的 O2 在标准状况下的体积为________L。 1.（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： - - 3- - 2 4 4 2VB +16OH -11e =VO +2B(OH) +4H O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 3 2 2 2 4 44VB 11O 20OH 6H O 8B(OH) 4VO       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 2．[2019 新课标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，示意图如下所示。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 3．[2016·新课标 II]Mg−AgCl 电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是 A．负极反应式为 Mg−2e− Mg2+ B．正极反应式为 Ag++e− Ag C．电池放电时 Cl−由正极向负极迁移 D．负极会发生副反应 Mg+2H2O Mg(OH)2+H2↑ 4．[2016·海南]某电池以 K2FeO4 和 Zn 为电极材料，KOH 溶液为电解溶质溶液。下列说法正确的是 A．Zn 为电池的负极 B．正极反应式为 2FeO42−+ 10H++6e− Fe2O3+5H2O C．该电池放电过程中电解质溶液浓度不变 D．电池工作时 OH 向负极迁移 5．[2016·上海]图 1 是铜锌原电池示意图。图 2 中，x 轴表示实验时流入正极的电子的物质的量，y 轴表示 A．铜棒的质量 B．c(Zn2+) C．c(H+) D．c(SO42−) 6．[2015·天津]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( 2 4SO  )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