高考化学考点33 原电池的工作原理及应用

高考化学考点33 原电池的工作原理及应用

1 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 的不同点 还原剂 Zn 与氧化剂 Cu2+直接接触， 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 Zn 与氧化剂 Cu2+不直接接触，仅有化 学能转化为电能，避免了能量损耗，故 电流稳定，持续时间长 2 （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。[来源:ZXXK] 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 + 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 + 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 3NO 2AlO 3 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 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： 2 3CO  4 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 某小组为研究电化学原理，设计如图装置。下列叙述不正确的是 A．a 和 b 不连接时，铁片上会有金属铜析出 B．a 和 b 用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2++2e−===Cu C．无论 a 和 b 是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色 D．a 和 b 用导线连接时， 向铜电极移动 【答案】D 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↑ 2 4SO  5 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 [来源:+网] 典例 1 一定条件下，实验室利用如图所示装置，通过测电压求算 Ksp(AgCl)。工作一段时间后，两电极质 量均增大。下列说法正确的是 A．右池中的银电极作负极 B．正极反应为 Ag－e－===Ag＋ C．总反应为 Ag＋＋Cl－===AgCl↓ D．盐桥中的 向右池方向移动3NO 6 【答案】C 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 氧化还原反应(可逆)设计成原电池的规律 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。 7 考向三 判断金属的活泼性及反应速率 典例 1 M、N、P、E 四种金属，已知：①M+N2+ N+M2+；②M、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；③N、E 用导线连接放入 E 的硫酸盐溶液中，电极反应为 E2++2e− E，N−2e− N2+。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 【答案】A 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 1 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 8 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 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 【答案】b　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　d 4．某校化学兴趣小组进行探究性活动：将氧化还原反应：2Fe3++2I− 2Fe2++I2，设计成带盐桥的原电池。 提供的试剂：FeCl3 溶液、KI 溶液；其他用品任选。请回答下列问题： （1）请补充下面原电池的装置图，在括号内填上正负极的材料、电解质溶液。 3NO 9 （2）发生氧化反应的电极反应式为 。 （3）反应达到平衡时，外电路导线中　　　　(填“有”或“无”)电流通过。 （4）平衡后向 FeCl3 溶液中加入少量 FeCl2 固体，当固体全部溶解后，则此时该溶液中电极变为　　(填 “正”或“负”)极。 1．课堂学习中，同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下 列结论错误的是 A．原电池是将化学能转化成电能的装置 B．原电池由电极、电解质溶液和导线等组成 C．图中 a 极为铝条、b 极为锌片时，导线中会产生电流 D．图中 a 极为锌片、b 极为铜片时，电子由铜片通过导线流向锌片 2．如图，在盛有稀 H2SO4 的烧杯中放入用导线连接的电极 X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装 置的下列说法正确的是 A．外电路的电流方向为 X→外电路→Y B．若两电极分别为铁和碳棒，则 X 为碳棒，Y 为铁 C．X 极上发生的是还原反应，Y 极上发生的是氧化反应 D．若两电极都是金属，则它们的活动性强弱为 X＞Y 10 3．有 A、B、C、D、E 五块金属片，进行如下实验：①A、B 用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A 极为 负极；②C、D 用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流由 D→导线→C；③A、C 用导线相连后， 同时 浸入稀硫酸中，C 极产生大量气泡；④B、D 用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D 极发生氧化反应；⑤ 用惰性电极电解含 B 离子和 E 离子的溶液 ，E 先析出。据此判断五种金属的活动性顺序是 A． A>B>C>D>E　　　 B． A>C>D>B>E C． C>A>B>D>E D． B>D>C>A>E 4．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) [来源:] 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 5．根据下图判断，下列说法正确的是 A．装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是 Fe－2e－===Fe2＋ B．装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动 D．放电过程中，装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的 pH 均增大 6．Al-H2O2 电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。已知 H2O2 可以看做弱酸，则电池工作时，下列说 法错误的是 11 A．电流方向:由 MnO2 电极流向 Al 电极[来源:§网 Z§X§X§K] B．负极附近溶液 pH 上升 C．正极的电极反应式为 +H2O+2e- 3OH- D．正极发生的副反应为 O2+2H2O+4e- 4OH- 7．利用人工光合作用合成甲酸的原理为 2CO2＋2H2O 2HCOOH＋O2，装置如下图所示。下列说 法不正确的是 A．该装置将太阳能转化为化学能和电能 B．电极 1 周围 pH 增大 C．电极 2 上发生的反应为 CO2＋2H＋＋2e－===HCOOH D．H＋由电极 1 室经过质子膜流向电极 2 室 8．某同学利用氧化还原反应：2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4 2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O 设计如图所 示原电池，盐桥中装有饱和溶液。下列说法正确的是 A．b 电极上发生还原反应 B．外电路电子的流向是从 a 到 b 2HO 太阳能 光触媒 12 C．电池工作时，盐桥中的 移向甲烧杯 D．a 电极上发生的反应为 +8H++5e− Mn2++4H2O 9．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．[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↑ 2．[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 2 4SO  4MnO 13 D．电池工作时 向负极迁移 3．[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−) 4．[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( )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 1．【答案】B 2．【答案】D 【解析】该原电池中，Ag 失电子作负极，石墨作正极，盐桥中 K+移向正极(甲烧杯)；一段时间后，原电 池反应结束，电流计指针指向 0；原电池外电路电子由负极流向正极，所以电子从银电极流向石墨电极； OH 2 4SO  14 电流计指针居中后，往甲烧杯中加入一定量的铁粉，形成新的原电池，铁做负极，银做正极，故电流计 指针向左偏转。*网 3．【答案】D 【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 像应为 D。 4．【答案】（1）如图 （2）2I−−2e− I2 （3）无 （4）负 【解析】（1）依据原电池原理分析，氧化还原反应中 Fe3+在正极得电子发生还原反应，I−在负极失电子 发生氧化反应，负极所在的电解质溶液为 KI 溶液，正极所在的电解质溶液为 FeCl3 溶液。电极材料可选 取惰性电极，如石墨(碳棒)或其他不活泼性金属。*网 （2）发生氧化反应的电极是负极，I−失电子。 （3）反应达到平衡时，从左到右和从右到左移动的电子数目相同，故无电流产生。 （4）平衡后向 FeCl3 溶液中加入少量 FeCl2 固体，平衡逆向移动，此时 Fe2+失电子，电极变成负极。 1．【答案】D 2．【答案】D 【解析】外电路电子流向为 X→外电路→Y，电流方向与其相反；X 极失电子，作负极，Y 极发生的是 还原反应，X 极发生的是氧化反应；若两电极分别为铁和碳棒，则 Y 为碳棒，X 为铁。 3．【答案】B 15 【解析】金属与稀硫酸组成原电池，活泼金属为负极，失去电子发生氧化反应，较不活泼的金属为正极， H+在正极表面得到电子生成 H2，电子运动方向：负极→正极，电流方向：正极→负极。在题述原电池中， 金属活动性：①A>B，②C>D，③A>C，④D>B，⑤B>E。综上可知，金属活动性：A>C>D>B>E。 4．【答案】C 【解析】当杠杆为导体时，构成原电池，Fe 球作负极，Cu 球作正极，电极反应式分别为负极：Fe－2e－ ===Fe2＋，正极：Cu2＋＋2e－===Cu，铜球质量增加，铁球质量减少，杠杆 A 端低 B 端高。 5． 【答案】D 【解析】装置Ⅰ中，由于 Zn 比 Fe 活泼，所以 Zn 作原电池的负极，电极反应式为 Zn－2e－===Zn2＋；Fe 作正极，电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－，由于正极有 OH－生成，因此溶液的 pH 增大。装置Ⅱ 中，Fe 作负极，电极反应式为 Fe－2e－===Fe2＋；Cu 作正极，电极反应式为 2H＋＋2e－===H2↑，正极由 于不断消耗 H＋，所以溶液的 pH 逐渐增大，据此可知 A、B 错误，D 正确；在原电池的电解质溶液中， 阳离子移向正极，所以 C 错误。*网 6．【答案】B 【解析】本题考查新型电池的工作原理，意在考查考生对原电池知识的应用能力。由题图知，该电池工 作时，Al 作负极，MnO2 作正极，电子由 Al 电极通过外电路流向 MnO2 电极，电流方向和电子移动方向 相反，故 A 正确。负极的电极反应式为 Al+4OH--3e- +2H2O，故负极附近溶液 pH 下降，B 错。 由于 H2O2 可以看做弱酸，则在碱性溶液中需写成 ，C 正确。由于 MnO2 可以催化 H2O2 分解生成 H2O 和 O2，生成的 O2 会在正极参与放电，故正极发生的副反应为 O2+2H2O+4e- 4OH-，D 正确。 7．【答案】B 8．【答案】D 【解析】根据氧化还原反应方程式可知，氧化剂是 KMnO4，故 a 为正极，发生还原反应，A 错误；a 为 正极，b 为负极，电子沿外电路从负极流向正极，即电子从 b 流向 a，B 错误；原电池工作时，阴离子流 向负极，即乙烧杯，C 错误；a 电极为正极， 得电子生成 Mn2+，D 正确。 9．【答案】（1） 2H＋＋2e－===H2↑ 升高 2AlO 2HO 4MnO 16 （2）Cu　石墨(或比铜活泼性弱的金属)　含 Fe3＋的溶液 （3）①正极　CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋　②11.2 【解析】（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，电极反应为 Fe －2e－===Fe2＋，A 为正极，溶液中氢离子得到电子生成氢气，电极反应为 2H＋＋2e－===H2↑；氢离子浓 度减小，氢氧根离子浓度增大，溶液 pH 升高； （2）将反应 Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋设计成上图所示的原电池装置，Cu 元素的化合价由 0 价升高到 ＋2 价，失电子 作原电池的负极，则负极 A 极材料为 Cu，正极 B 极材料为石墨，Fe3＋在正极得电子发 生还原反应，溶液 C 用可溶性铁盐，即含 Fe3＋的溶液。 （3）①根据甲烷燃料电池的结构示意图可知，电子流出的电极为负极，c 为负极，d 为正极，在燃料电 池中，氧气在正极得电子发生还原反应，甲烷在负极失电子发生氧化反应，所以 c 电极的反应方程式为 CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。*网 ②根据正极电极反应式：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，则线路中转移 2 mol 电子时，消耗的 O2 为 0.5 mol， 在标准状况下的体积为 0.5 mol×22.4 L/mol＝11.2 L。 [来源:Z 1．【答案】B 2．【答案】AD 【解析】A．根据化合价升降判断，Zn 化合价只能上升 ，故为负极材料，K2FeO4 为正极材料，正确； B．KOH 溶液为电解质溶液，则正极电极方程式为 2 +6e−+8H2O 2Fe(OH)3+10OH−，错误； C．该电池放电过程中电解质溶液浓度减小，错误；D．电池工作时阴离子 OH−向负极迁移，正确；故选 AD。 【名师点睛】原电池原理是建立在氧化还 原和电解质溶液基础上，借助氧化还原反应实现化学能与电能 的相互转化，是高考命题重点，题目主要以选择题为主，主要围绕原电池的工作原理、电池电极反应的 书写与判断、新型电池的开发与应用等进行命题。 3．【答案】C 【解析】该装置构成原电池，Zn 是负极，Cu 是正极。A．在正极 Cu 上溶液中的 H+获得电子变为氢气， 2 4FeO  17 Cu 棒的质量不变，错误；B．由于 Zn 是负极，不断发生反应 Zn−2e− Zn2+，所以溶液中 c(Zn2+)增大， 错误；C．由于反应不断消耗 H+，所以溶液的 c(H+)逐渐降低，正确；D． 不参加反应，其浓度不变， 错误。*网 【名师点睛】原电池原理无论在工业生产、日常生活和科学研究领域都有着重要用途，尤其在金属的 腐 蚀与防护、新能源的开发和利用方面有着不可替代的作用，因此也是历年高考必考知识点之一。无论题 型如何变化，如果把握原电池的工作原理、电极反应式和电池总反应方程式问题都会迎刃而解。在原电 池中，一般活泼金属做负极、失去电子、发生氧化反应（金属被氧化）、逐渐溶解（或质量减轻）；不 活泼金属（或导电的非金属）做正极、发生还原反应、有金属析出（质量增加）或有气体放出；电子从 负极流出经过外电路流回正极，电流方向正好相反；溶液中离子浓度变化及移动方向由电极反应决定。 4．【答案】C 2 4SO 