2020届高考化学一轮复习原电池　化学电源学案(1)

2020届高考化学一轮复习原电池　化学电源学案(1)

第二节　原电池　化学电源 ‎[高考备考指南]‎ 考纲定位 ‎1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式。‎ ‎2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。‎ 核心素养 ‎1.变化观念——认识原电池的本质是氧化还原反应。能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。‎ ‎2．模型认知——能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。‎ ‎3．科学态度——探究新型化学电源及绿色环保化学电源，并评价化学电源的优劣。‎ ‎　原电池的工作原理及应用 ‎(对应复习讲义第70页)‎ ‎1．概念及反应本质 把化学能转化为电能的装置，其本质是发生了氧化还原反应。‎ ‎2．构成条件 ‎(1)有两个活动性不同的电极(常见为金属或石墨)。‎ ‎(2)将电极插入电解质溶液中。‎ ‎(3)两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。‎ ‎(4)能自发发生氧化还原反应。‎ ‎3．工作原理 如图是CuZn原电池，请填空：‎ ‎(1)反应原理 电极名称 负极 正极 电极材料 Zn Cu 电极反应 Zn－2e－===Zn2＋‎ Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 ‎(2)原电池中的三个方向 ‎①电子方向：从负极流出沿导线流入正极；‎ ‎②电流方向：从正极沿导线流向负极；‎ ‎③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。‎ ‎(3)两种装置的比较 图Ⅰ中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2＋，会有一部分Zn与Cu2＋直接反应，该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高。图Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分别在两个池中，Zn与Cu2＋不直接接触，不存在Zn与Cu2＋直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长。‎ ‎(4)盐桥作用 ‎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．原电池原理的应用 ‎(1)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。‎ ‎(2)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。‎ ‎(3)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加快。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。‎ ‎　(1)在化学反应中，所有自发的放热反应均可以设计成原电池。(　　)‎ ‎(2)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。(　　)‎ ‎(3)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。 (　　)‎ ‎(4)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。(　　)‎ ‎(5)原电池反应时，电子从负极流出经导线流入正极，然后通过溶液流回负极。(　　)‎ ‎[提示]　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×‎ 角度1　原电池的构成和工作原理 ‎1．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(SO)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 C　[A.Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO 不参加电极反应，故甲池的c(SO)基本不变；C.电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，则进入乙池的Zn2＋为65 g，溶液总质量略有增加，正确；D.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。]‎ ‎2．(2016·全国卷Ⅱ)MgAgCl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↑‎ B　[MgAgCl电池的电极反应：负极Mg－2e－===Mg2＋，正极2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－，A项正确，B项错误。在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确。Mg是活泼金属，能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2，D项正确。]‎ ‎3．(2019·厦门模拟)将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。‎ 下列说法不正确的是 (　　)‎ A．盐桥中的K＋移向FeCl3溶液 B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 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FeCl2固体，乙中石墨电极为负极 D　[A项，甲池中石墨电极为正极，乙池中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以向FeCl3溶液迁移，正确；B项，反应开始时，乙中I－失去电子，发生氧化反应，正确；C项，当电流计读数为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡，正确；D项，当加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，错误。]‎ ‎4．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↑‎ B　[②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子作负极；③中 Fe在浓HNO3中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，则Fe作正极，A、C错误；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。]‎ 原电池的工作原理简图 ‎x())‎ ‎[注意]　①一般负极金属较活泼，正极金属或非金属不活泼。‎ ‎②一般负极溶解或质量减轻，正极有气泡或质量增重。‎ ‎③若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。‎ 角度2　原电池原理的应用 ‎5．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4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 A　[由①知，金属活动性：M＞N；M、P用导线连接放入NaHSO4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。]‎ ‎6．把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)‎ ‎(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。‎ ‎(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。‎ ‎(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液，其他条件不变，则图像是________。‎ ‎[解析]　(1)a中加入CuSO4，消耗一部分Zn，Cu、Zn形成原电池，反应速率加快，所以a放出H2的量减少，但速率加快。‎ ‎(2)a中加入CuSO4消耗Zn，但不影响产生H2的量，速率也加快。‎ ‎(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生H2的量没发生变化。‎ ‎[答案]　(1)A　(2)B　(3)C ‎7．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，设计成盐桥原电池。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)请画出设计的原电池装置图，并标出电极材料，电极名称及电解质溶液。‎ Ｋ ‎(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。‎ ‎[解析]　(1)先分析氧化还原反应，找出正负极反应，即可确定正负极区电解质溶液。(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，无电子流动，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FeCl2溶液失电子，正极变成负极。‎ ‎[答案]　(1)如图：‎ ‎(2)2I－－2e－===I2　(3)无　(4)负 设计原电池装置的方法 ‎(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(如溶解于溶液中的氧气)。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，这样可减少离子极化作用，便于电子和离子的移动，如在CuZn构成的原电池中，负极Zn浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极Cu浸泡在含有Cu2＋的电解质溶液中。‎ ‎　化学电源 ‎(对应复习讲义第72页)‎ ‎1．一次电池——碱性锌锰干电池 负极材料：Zn，电极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。‎ 正极材料：MnO2，电极反应式：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。‎ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。‎ ‎2．可充电电池(二次电池)‎ 铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)‎ ‎3．燃料电池 氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。‎ 酸性 碱性 负极反 应式 ‎2H2－4e－‎ ‎===4H＋‎ ‎2H2＋4OH－－4e－‎ ‎===4H2O 正极反 应式 O2＋4H＋＋4e－‎ ‎===2H2O O2＋2H2O＋4e－‎ ‎===4OH－‎ 总反 应式 ‎2H2＋O2===2H2O ‎1．电极反应式的一般书写步骤 ‎(1)先确定原电池的正、负极，列出正、负极上的反应物，并标出相同数目电子的得失。‎ ‎(2)根据氧化还原反应原理写出电极反应式：‎ ‎①负极反应 负极失去电子发生氧化反应。注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式。‎ ‎②正极反应 正极得到电子发生还原反应。当正极上的反应物质是O2时：若电解质溶液为中性或碱性，则水必须写入正极反应式中，与O2生成OH－，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－；若电解质溶液为酸性，则H＋必须写入正极反应式中，与O2生成水，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。‎ ‎(3)写出电池总反应方程式 结合电子守恒将正、负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。‎ ‎(4)若已知电池反应的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，用总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。‎ ‎2．以CH3OH燃料为例的燃料电池的电极反应式 ‎(1)负极 ‎(2)正极 角度1　常见化学电源的分析 ‎1．(2016·全国卷Ⅲ)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)。下列说法正确的是(　　)‎ A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动 B．充电时，电解质溶液中c(OH－)逐渐减小 C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH) D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)‎ C　[A项，充电时装置为电解池，溶液中的阳离子向阴极移动。B项，充电时的总反应为放电时的逆反应：2Zn(OH)===2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，c(OH－)逐渐增大。C项，放电时负极失电子发生氧化反应，由放电时的总反应可知，负极反应式为Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)。D项，由放电时的总反应可知，电路中通过2 mol电子时，消耗0.5 mol O2，其体积为11.2 L(标准状况)。]‎ ‎2．一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列说法正确的是(　　)‎ A．放电时，多孔碳材料电极为负极 B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移 D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2‎ D　[根据电池工作原理，多孔碳材料吸附O2，O2在此获得电子，所以多孔碳材料电极为电池的正极，A项错误；放电时电子从负极(锂电极)流出，通过外电路流向正极(多孔碳材料电极)，B项错误；Li＋带正电荷，充电时，应该向电解池的阴极(锂电极)迁移，C项错误；充电时，电池总反应为===2Li＋O2，D项正确。]‎ ‎(1)可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极连接方式 ‎(2)化学电源中电极反应式书写的思维模板 ‎①明确两极反应物；‎ ‎②明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；‎ ‎③确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；‎ ‎④配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。‎ ‎[注意]　a．H＋在碱性环境中不存在；b.O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境中结合H2O，生成OH－；c.若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。‎ 角度2　新型电池的分析 ‎【例】　(2017·全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是(　　)‎ A．电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4‎ B．电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g C．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性 D．电池充电时间越长，电池中的Li2S2的量越多 ‎[思路点拨]　电池反应―→Li失电子，电极b为负极，电极a为正极―→负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为得电子结合Li＋形成Li2Sx(2≤x≤8)―→充电时电极a为阳极，失去Li＋，Li2S2的量减少。‎ ‎[答案]　D ‎[母题变式](1)电池工作时电极b为__________极，电极反应式为__________。‎ ‎(2)电池工作时，正极反应式(Li2S8―→Li2S6)________________________________________________________________________。‎ ‎(3)充电时，电极b接电源的__________极。‎ ‎[答案]　(1)负　Li－e－===Li＋‎ ‎(2)3Li2S8＋2e－＋2Li＋===4Li2S6‎ ‎(3)负 ‎(1)特定装置的新型电池的命题点 ‎①两极的判断及电极反应式的书写与判断。‎ ‎②两极产物及反应类型的判断。‎ ‎③电子、电流、离子的移动方向的判断。‎ ‎④电池总反应式的书写与判断。‎ ‎⑤转移电子及产物的量的计算。‎ ‎(2)特定装置的新型电池的分析思路 ‎①分析装置中提供的信息：如反应物或产物、介质粒子成分、交换膜的类型、离子移动方向、电极材料等。‎ ‎②分析两极反应原理及电极反应或总反应。‎ ‎③完成有关问题。‎ ‎[对点训练]‎ ‎1．苹果手机的电池为锂电池。构造如图所示，电池内部“→”表示放电时Li＋的迁移方向，电池总反应可表示为Li1－xCoO2＋LixC6LiCoO2＋6C。下列说法错误的是(　　)‎ A．该电池的负极为LiCoO2‎ B．电池中的固体电解质可以换成熔融的氯化钠、干冰等 C．充电时的阴极反应：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2‎ D．外电路上的“→”表示放电时的电子流向 B　[A项，放电时，负极发生氧化反应，所以LiCoO2为电池的负极，正确；B项，干冰是固体二氧化碳，为非电解质，错误；C项，充电时，阴极发生还原反应，所以阴极反应为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2，正确；D项，放电时，电极LiCoO2失电子作负极，碳棒作正极，所以外电路上的“→”表示放电时的电子流向，正确。]‎ ‎2．近几年科学家发明的一种新型可控电池——锂水电池，工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　　)‎ A．碳极发生的反应是2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－‎ B．有机电解质和水溶液不可以互换区域 C．标准状况下产生22.4 L的氢气时，正极消耗锂的质量为14 g D．该装置不仅可提供电能，还可得到清洁的氢气 C　[根据图示信息可知，碳电极上产生氢气，为正极，该电极上发生得电子的还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A正确；由于金属Li可以和水反应生成氢氧化锂和氢气，但是和有机电解质不反应，所以有机电解质和水溶液不可以互换区域，B正确；金属Li和水发生反应2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，标准状况下产生22.4 L的氢气时，金属锂是负极，负极消耗锂的质量为14 g，C错误；该装置是将化学能转化为电能的装置，装置不仅可提供电能，并且反应产物是氢气，能提供能源，D正确。]‎