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2022届高考统考化学人教版一轮复习教师用书：第1部分 第6章 第2节 原电池 化学电源教案
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这是一份2022届高考统考化学人教版一轮复习教师用书：第1部分 第6章 第2节 原电池 化学电源教案，共24页。
原电池工作原理及其应用
知识梳理
1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。
(2)构成条件
[辨易错]
(1)中和反应放热，可以设计原电池。 ( )
(2)右图可以形成原电池。( )
(3)原电池中的两电极一定是活泼性不同的金属材料。( )
[答案] (1)× (2)× (3)×
2．原电池的工作原理
如图是CuZn原电池，请填空：
(1)两装置的反应原理
(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。盐桥溶液中阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
[深思考]
(1)Ⅱ中盐桥的作用是什么？
(2)Ⅱ装置比Ⅰ装置有哪些优点？
[答案] (1)①连接内电路，形成闭合回路
②平衡溶液中电荷，溶液呈电中性，使电池不断地产生电流
(2)电流转化效率高，电流稳定，且持续时间长。
3．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。
(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加快。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)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Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，负极用Cu，正极用Ag或C等，AgNO3为电解质溶液。
[辨易错]
(1)在Mg—NaOH溶液—Al构成的原电池中负极为Mg，反应为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2。( )
(2)任何原电池工作时，正极本身一定不参加反应，负极本身一定参加反应。( )
(3)对于Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋反应，设计反应池时两极材料可以是Cu与Fe。( )
(4)粗Zn与稀硫酸反应制H2比纯Zn与稀硫酸反应快。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√
知识应用
1．在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)。③装置发生的电极反应式为
。
[答案] ②④ 负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑
2．有下列图像：
A B C D
(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 。
[答案] (1)A (2)B (3)C
命题点1 原电池的工作原理
1．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
① ② ③ ④
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作正极，③中的Fe作正极，A错误；③中的Cu作负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，C错误；④中的Cu作正极，反应为O2＋4e＋2H2O===4OH－，D错误。]
2．某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2Oeq \\al(2－,7)>Fe3＋，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是( )
A．甲烧杯的溶液中发生还原反应
B．乙烧杯中发生的电极反应为：2Cr3＋＋7H2O－6e－===Cr2Oeq \\al(2－,7)＋14H＋
C．外电路的电流方向是从b到a
D．电池工作时，盐桥中的SOeq \\al(2－,4)移向乙烧杯
C [A项，甲烧杯的溶液中发生氧化反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；B项，乙烧杯的溶液中发生还原反应，应为Cr2Oeq \\al(2－,7)得到电子生成Cr3＋；C项，a极为负极，b极为正极，外电路中电流由b到a；D项，SOeq \\al(2－,4)向负极移动，即移向甲烧杯。]
3．(2020·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，甲中石墨电极为正极，乙中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K＋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。]
原电池的工作原理简图
注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
命题点2 原电池原理的应用
4．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：
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>c D．a>b>d>c
C [把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b>c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d>a。综上所述可知活动性：d>a>b>c。]
5．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)负极反应式： 。
(2)正极反应式： 。
(3)电池总反应方程式： 。
(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥
②含盐桥
[答案] (1)Cu－2e－===Cu2＋
(2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①
②
原电池设计的一般思路
(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相应反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生相应反应(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一般选择与电极材料相同的阳离子溶液。
(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。
化学电源
知识梳理
1．化学电源的优点和优劣判断标准
(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。
(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。
2．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：8Li－8e－===8Li＋；
正极：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SOeq \\al(2－,3)＋2S；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
3．二次电池
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)
注意：①充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。
②二次电池充电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
注意：①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。
化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物；
(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：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③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。
知识应用
1．2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一种锂离子电池的反应式为LixC6＋Li1－xCO2C6＋LiCO2(x<1)。
(1)充电时，阴极反应式为 ，
(2)放电时，正极反应式为 。
[答案] (1)C6＋xe－＋xLi＋===LixC6
(2)Li1－xCO2＋xe－＋xLi＋===LiCO2
2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式
[答案] (1)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋6H＋===3H2O
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
(2)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋3H2O===6OH－
负极：CH3OH－6e－＋8OH－===COeq \\al(2－,3)＋6H2O
(3)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－===3O2－
负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(4)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋3CO2===3COeq \\al(2－,3)
负极：CH3OH－6e－＋3COeq \\al(2－,3)===4CO2＋2H2O
命题点1 常见化学电源的原理分析
1．一种新型固氮燃料电池装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．通入H2的电极上发生还原反应
B．正极反应方程式为N2＋6e－＋8H＋===2NHeq \\al(＋,4)
C．放电的溶液中Cl－移向电源正极
D．放电时负极附近溶液的pH增大
B [通入氢气的一极为负极，发生氧化反应，A错误；氮气在正极获得电子，电极反应式为N2＋6e－＋8H＋===2NHeq \\al(＋,4)，B正确；放电时溶液中阴离子Cl－移向电源负极，C错误；通入氢气的一极为负极，电极方程式为H2－2e－===2H＋，pH减小，D错误。]
2．(2020·四川名校联考)磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性，具有较长的循环寿命，放电时的反应为LixC6＋Li1－xFePO4===6C＋LiFePO4。某磷酸铁锂电池的切面如图所示。下列说法错误的是( )
A．放电时Li＋脱离石墨，经电解质嵌入正极
B．隔膜在反应过程中只允许Li＋通过
C．充电时电池正极上发生的反应为LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋
D．充电时电子从电源经铝箔流入正极材料
D [放电时，LixC6在负极(铜箔电极)上失电子发生氧化反应，其负极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋6C，其正极反应即在铝箔电极上发生的反应为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，充电电池充电时，正极与外接电源的正极相连为阳极，负极与外接电源负极相连为阴极，充电时电子从电源负极流出经铜箔流入阴极材料(即原电池的负极)，D项错误。]
3．如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是( )
A．电池内的O2－由电极甲移向电极乙
B．电池总反应为N2H4＋2O2===2NO＋2H2O
C．当甲电极上有1 ml N2H4消耗时，标准状况下乙电极上有22.4 L O2参与反应
D．电池外电路的电子由电极乙移向电极甲
C [该燃料电池中， 负极上燃料失电子发生氧化反应， 电极反应式为N2H4＋2O2－－4e－===N2↑＋2H2O，故电极甲作负极，电极乙作正极，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－===2O2－，电池总反应为N2H4＋O2===N2↑＋2H2O。]
4．(2020·广东名校联考)近年来，有科研工作者提出可用如图所示装置进行水产养殖用水的净化处理。该装置工作时，下列说法错误的是( )
A．导线中电子由M电极流向a极
B．N极的电极反应式为2NOeq \\al(－,3)＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O
C．当电路中通过24 ml电子的电量时，理论上有1 ml(C6H10O5)n参加反应
D．当生成1 ml N2时，理论上有10 ml H＋通过质子交换膜
C [根据装置图可知M为阳极，N为阴极，因此a为正极，b为负极，导线中电子由M电极流向a极，A正确；N为阴极，发生还原反应，电极反应式为2NOeq \\al(－,3)＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，B正确；有机物(C6H10O5)n中C元素化合价为0价，反应后变为＋4价CO2,1 ml该有机物反应，产生6n ml CO2气体，转移24n ml电子，则当电路中通过24 ml电子的电量时，理论上有eq \f(1,n)ml(C6H10O5)n参加反应，C错误；根据选项B分析可知：每反应产生1 ml N2，转移10 ml e－，根据电荷守恒应该有10 ml H＋通过质子交换膜，D正确。]
燃料电池的一般思维模型
①要注意介质是什么，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。
命题点2 原电池原理在实际生活、生产中的应用
5．(2020·天津市海河中学高三月考)为了强化安全管理，某油库引进一台测空气中汽油含量的测量仪，其工作原理如图所示(用强酸性溶液作电解质溶液)。下列说法不正确的是( )
A．石墨电极作正极，发生还原反应
B．铂电极的电极反应式：C8H18＋16H2O－50e－===8CO2↑＋50H＋
C．H＋由质子交换膜左侧向右侧迁移
D．每消耗5.6 L O2，电路中通过1 ml电子
D [在石墨电极，O2＋4e－＋4H＋===2H2O，作正极，发生还原反应，A正确；铂电极为负极，C8H18失电子生成CO2等，电极反应式：C8H18＋16H2O－50e－===8CO2↑＋50H＋，B正确；依据原电池原理，阳离子向正极移动，则H＋由质子交换膜左侧向右侧迁移，C正确；依据正极反应式，电路中通过1 ml电子时，需消耗0.25 ml O2，但未指明温度与压强，O2体积不一定是5.6 L，D不正确。]
6．(2020·开封模拟)现在污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚()，其原理如图所示，下列说法正确的是( )
A．b为电池的正极，发生还原反应
B．电流从b极经导线、小灯泡流向a极
C．当外电路中有0.2 ml e－转移时，a极区增加的H＋的个数为0.2NA
D [原电池中阳离子移向正极，根据原电池中氢离子的移动方向可知a为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为Cl－，发生还原反应，b为负极，物质在该极发生氧化反应，故A错误，D正确；由上述分析可知，电流从正极a沿导线流向负极b，故B错误；据电荷守恒，当外电路中有0.2 ml e－转移时，通过质子交换膜的H＋的个数为0.2NA，而发生，则a极区增加的H＋的个数为0.1NA，故C错误。]
新型化学电源
分析近三年全国卷高考试题，不难看出，以新型电源为载体考查原电池的原理、电极反应式书写与问题的分析已成为必考内容。此类试题主要来源最新科技成果，起点高，落点低但陌生度高。但细分析、巧审题，实际得分较高。很好体现“科学探究与创新意识、证据推理与模型认知”核心素养。
1．命题分析
命题专家命题时，用最新电池的科技成果为情境素材，如新型燃料电池、二次电池和间接电池等。特别关注的命题角度：
(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。
(2)两极产物及两极反应类型的判断。
(3)两极附近溶液的pH变化。
(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。
(5)电子守恒的相关计算。
(6)设置的特定问题分析。
2．常见新型电源的原理分析示例
(1)镍氢电池(KOH溶液)：NiOOH＋MHNi(OH)2＋M
负极反应式：MH－e－＋OH－===M＋H2O；
正极反应式：NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－。
(2)2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。如图是一种最新研制的聚合物锂电池，a极为含有Li、C、Ni、Mn、O等元素组成的混盐，电解质为一种能传导Li＋的高分子复合材料，b极为镶嵌金属锂的石墨烯材料，反应原理为：LixC6＋Li3－xNiCMnO6C6＋Li3NiCMnO6。
负极：LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极：Li3－xNiCMnO6＋xe－＋xLi＋===Li3NiCMnO6
(3)研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池，Al、Cn为电极，有机阳离子与阴离子(AlCleq \\al(－,4)、Al2Cleq \\al(－,7))组成的离子液体为电解质，如图为该电池放电过程示意图。
负极反应式：Al－3e－＋7AlCleq \\al(－,4)===4Al2Cleq \\al(－,7)；
正极反应式：3Cn[AlCl4]＋3e－===3Cn＋3AlCleq \\al(－,4)。
(4)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应式：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。
负极反应：4Na－4e－===4Na＋
正极反应：3CO2＋4e－===C＋2COeq \\al(2－,3)
注意：平时复习时，要多积累新型电池的电极反应。
[典例导航]
(2019·全国卷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
[思路点拨]
B [A项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，错误；C项，右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。]
间接电化学反应原理分析
(1)定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。
(2)原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。
其原理如下图所示：
1．(2020·广州模拟)钾(K)资源丰富，成本低廉，用其制作的钾离子电池有着超越锂离子电池的发展前景。我国科研人员在钾离子电池的研发上做出了巨大的贡献。如图是我国某科研团队研制的一种钾离子电池充电时的示意图，下列说法不正确的是( )
A．放电时，外电路电子由电极a流向电极b
B．钾离子电池电解液一般选择有机溶剂，但会有一定的安全隐患
C．充电时，每当外电路中转移1 ml e－，正极材料会“释放”39 g K＋
D．充电时，电极b上的电极反应式为：WS2＋xK＋＋xe－===KxWS2
A [根据题图，充电时K＋移向电极b，说明电极b为阴极，电极a为阳极，放电时，电极b为负极，电极a为正极。放电时，外电路电子由电极b流向电极a，A项错误。]
2．“太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是( )
A．若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B．若用导线连接a、c，则c电极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C．若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D．若用导线连接b、c，b电极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
B [若a、c相连，光照条件下，a极H2O―→O2，氧化反应为负极，c极发生还原反应，WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，B项错误。]
3．2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家，颁奖词中说：他们创造了一个可再充电的世界。如图是最近研发的CaLiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li＋通过，电池反应为：
xCa2＋＋2LiFePO4xCa＋2Li1－xFePO4＋2xLi＋(x≤1)。下列说法错误的是( )
A．LiPF6LiAsF6为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子
B．放电时，负极反应为：LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋
C．充电时，Li1－xFePO4/LiFePO4电极发生Li＋脱嵌，放电时发生Li＋嵌入
D．充电时，当转移0.2 ml电子时，左室中电解质的质量减轻2.6 g
B [钙与水能够剧烈反应，所以，左室中的LiPF6LiAsF6电解质一定为非水电解质，Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液，它们的主要作用都是传递离子，形成电流，构成闭合回路，A正确；放电时，负极反应为：Ca－2e－===Ca2＋，使左室中正电荷数目增多，锂离子导体膜只允许Li＋通过，使LiPF6LiAsF6电解质中的Li＋通过锂离子导体膜移入右室，正极反应为：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，电极发生Li＋嵌入，B错误；充电时，阳极发生反应：LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4，电极发生Li＋脱嵌，阴极发生反应：Ca2＋＋2e－===Ca，转移0.2 ml电子时，有0.2 ml Li＋从右室通过锂离子导体膜移入左室，左室电解质中有0.1 ml Ca2＋得电子生成Ca沉积在钙电极上，故左室中电解质的质量减轻40×0.1－7×0.2 g＝2.6 g，C、D正确。]
4．我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A．该装置的总反应为H2Seq \(=====,\s\up7(光照),\s\d9(催化剂))H2＋S
B．a极溶液中反应为H2S＋2Fe3＋===2Fe2＋＋S＋2H＋
C．a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋
D．H＋通过交换膜向a极迁移
D [a极为负极，H＋通过交换膜向b极迁移，D错误。]
[真题验收]
1．(2020·全国卷Ⅲ，T12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)－空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq \\al(3－,4)＋2B(OH)eq \\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 ml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4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)
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
B [由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)。
由上述分析知，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04 ml e－时，正极有0.01 ml O2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；由上述分析知，该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。]
2．(2019·全国卷Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3DZn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZn—NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
D [A项，三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动，错误。]
[新题预测]
1．如图是我国学者研发的高效过氧化氢—尿素电池的原理装置：
装置工作时，下列说法错误的是( )
A．Ni—C/Ni极上的电势比Pd/CFC极上的低
B．向正极迁移的主要是K＋，产物M为K2SO4
C．Pd/CFC极上发生反应：2H2O2－4e－===2H2O＋O2↑
D．负极反应为CO(NH2)2＋8OH－－6e－===COeq \\al(2－,3)＋N2↑＋6H2O
C [根据电极附近物质变化：CO(eq \(N,\s\up6(－3))H2)2―→COeq \\al(2－,3)＋eq \(N,\s\up6(0))2可知Ni—C/Ni电极发生氧化反应，为负极，Pd/CFC电极为正极，反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，C项错误。]
2．国际能源期刊报道了一种正在开发中的绿色环保“全氢电池”，有望减少废旧电池产生的污染。其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．“全氢电池”工作时，将酸碱反应的中和能转化为电能
B．吸附层b发生的电极反应：H2 － 2e－＋2OH－===2H2O
C．NaClO4的作用是传导离子和参与电极反应
D．“全氢电池”的总反应：2H2＋O2===2H2O
A [根据吸附层a、b上的反应可知吸附层a为负极，电极反应为H2－2e－＋OH－===2H2O，吸附层b为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，总反应为H＋＋OH－===H2O。NaClO4的作用只是传导离子。A项正确。]
考纲定位
要点网络
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。
反应
能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合回路
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中
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
实验装置
部分实验现象
a极质量减少；b极质量增加
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
介质
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－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
原电池工作原理及其应用
知识梳理
1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。
(2)构成条件
[辨易错]
(1)中和反应放热，可以设计原电池。 ( )
(2)右图可以形成原电池。( )
(3)原电池中的两电极一定是活泼性不同的金属材料。( )
[答案] (1)× (2)× (3)×
2．原电池的工作原理
如图是CuZn原电池，请填空：
(1)两装置的反应原理
(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。盐桥溶液中阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
[深思考]
(1)Ⅱ中盐桥的作用是什么？
(2)Ⅱ装置比Ⅰ装置有哪些优点？
[答案] (1)①连接内电路，形成闭合回路
②平衡溶液中电荷，溶液呈电中性，使电池不断地产生电流
(2)电流转化效率高，电流稳定，且持续时间长。
3．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。
(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加快。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)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Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，负极用Cu，正极用Ag或C等，AgNO3为电解质溶液。
[辨易错]
(1)在Mg—NaOH溶液—Al构成的原电池中负极为Mg，反应为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2。( )
(2)任何原电池工作时，正极本身一定不参加反应，负极本身一定参加反应。( )
(3)对于Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋反应，设计反应池时两极材料可以是Cu与Fe。( )
(4)粗Zn与稀硫酸反应制H2比纯Zn与稀硫酸反应快。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)√
知识应用
1．在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)。③装置发生的电极反应式为
。
[答案] ②④ 负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑
2．有下列图像：
A B C D
(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 。
[答案] (1)A (2)B (3)C
命题点1 原电池的工作原理
1．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( )
① ② ③ ④
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作正极，③中的Fe作正极，A错误；③中的Cu作负极，电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，C错误；④中的Cu作正极，反应为O2＋4e＋2H2O===4OH－，D错误。]
2．某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2Oeq \\al(2－,7)>Fe3＋，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是( )
A．甲烧杯的溶液中发生还原反应
B．乙烧杯中发生的电极反应为：2Cr3＋＋7H2O－6e－===Cr2Oeq \\al(2－,7)＋14H＋
C．外电路的电流方向是从b到a
D．电池工作时，盐桥中的SOeq \\al(2－,4)移向乙烧杯
C [A项，甲烧杯的溶液中发生氧化反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；B项，乙烧杯的溶液中发生还原反应，应为Cr2Oeq \\al(2－,7)得到电子生成Cr3＋；C项，a极为负极，b极为正极，外电路中电流由b到a；D项，SOeq \\al(2－,4)向负极移动，即移向甲烧杯。]
3．(2020·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，甲中石墨电极为正极，乙中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K＋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。]
原电池的工作原理简图
注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
命题点2 原电池原理的应用
4．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：
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>c D．a>b>d>c
C [把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a>b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b>c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d>c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d>a。综上所述可知活动性：d>a>b>c。]
5．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)负极反应式： 。
(2)正极反应式： 。
(3)电池总反应方程式： 。
(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥
②含盐桥
[答案] (1)Cu－2e－===Cu2＋
(2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①
②
原电池设计的一般思路
(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相应反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生相应反应(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一般选择与电极材料相同的阳离子溶液。
(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。
化学电源
知识梳理
1．化学电源的优点和优劣判断标准
(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。
(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。
2．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：8Li－8e－===8Li＋；
正极：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SOeq \\al(2－,3)＋2S；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
3．二次电池
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)
注意：①充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。
②二次电池充电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
注意：①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。
化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物；
(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：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③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。
知识应用
1．2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一种锂离子电池的反应式为LixC6＋Li1－xCO2C6＋LiCO2(x<1)。
(1)充电时，阴极反应式为 ，
(2)放电时，正极反应式为 。
[答案] (1)C6＋xe－＋xLi＋===LixC6
(2)Li1－xCO2＋xe－＋xLi＋===LiCO2
2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式
[答案] (1)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋6H＋===3H2O
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
(2)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋3H2O===6OH－
负极：CH3OH－6e－＋8OH－===COeq \\al(2－,3)＋6H2O
(3)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－===3O2－
负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(4)正极：eq \f(3,2)O2＋6e－＋3CO2===3COeq \\al(2－,3)
负极：CH3OH－6e－＋3COeq \\al(2－,3)===4CO2＋2H2O
命题点1 常见化学电源的原理分析
1．一种新型固氮燃料电池装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．通入H2的电极上发生还原反应
B．正极反应方程式为N2＋6e－＋8H＋===2NHeq \\al(＋,4)
C．放电的溶液中Cl－移向电源正极
D．放电时负极附近溶液的pH增大
B [通入氢气的一极为负极，发生氧化反应，A错误；氮气在正极获得电子，电极反应式为N2＋6e－＋8H＋===2NHeq \\al(＋,4)，B正确；放电时溶液中阴离子Cl－移向电源负极，C错误；通入氢气的一极为负极，电极方程式为H2－2e－===2H＋，pH减小，D错误。]
2．(2020·四川名校联考)磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性，具有较长的循环寿命，放电时的反应为LixC6＋Li1－xFePO4===6C＋LiFePO4。某磷酸铁锂电池的切面如图所示。下列说法错误的是( )
A．放电时Li＋脱离石墨，经电解质嵌入正极
B．隔膜在反应过程中只允许Li＋通过
C．充电时电池正极上发生的反应为LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋
D．充电时电子从电源经铝箔流入正极材料
D [放电时，LixC6在负极(铜箔电极)上失电子发生氧化反应，其负极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋6C，其正极反应即在铝箔电极上发生的反应为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，充电电池充电时，正极与外接电源的正极相连为阳极，负极与外接电源负极相连为阴极，充电时电子从电源负极流出经铜箔流入阴极材料(即原电池的负极)，D项错误。]
3．如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是( )
A．电池内的O2－由电极甲移向电极乙
B．电池总反应为N2H4＋2O2===2NO＋2H2O
C．当甲电极上有1 ml N2H4消耗时，标准状况下乙电极上有22.4 L O2参与反应
D．电池外电路的电子由电极乙移向电极甲
C [该燃料电池中， 负极上燃料失电子发生氧化反应， 电极反应式为N2H4＋2O2－－4e－===N2↑＋2H2O，故电极甲作负极，电极乙作正极，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－===2O2－，电池总反应为N2H4＋O2===N2↑＋2H2O。]
4．(2020·广东名校联考)近年来，有科研工作者提出可用如图所示装置进行水产养殖用水的净化处理。该装置工作时，下列说法错误的是( )
A．导线中电子由M电极流向a极
B．N极的电极反应式为2NOeq \\al(－,3)＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O
C．当电路中通过24 ml电子的电量时，理论上有1 ml(C6H10O5)n参加反应
D．当生成1 ml N2时，理论上有10 ml H＋通过质子交换膜
C [根据装置图可知M为阳极，N为阴极，因此a为正极，b为负极，导线中电子由M电极流向a极，A正确；N为阴极，发生还原反应，电极反应式为2NOeq \\al(－,3)＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，B正确；有机物(C6H10O5)n中C元素化合价为0价，反应后变为＋4价CO2,1 ml该有机物反应，产生6n ml CO2气体，转移24n ml电子，则当电路中通过24 ml电子的电量时，理论上有eq \f(1,n)ml(C6H10O5)n参加反应，C错误；根据选项B分析可知：每反应产生1 ml N2，转移10 ml e－，根据电荷守恒应该有10 ml H＋通过质子交换膜，D正确。]
燃料电池的一般思维模型
①要注意介质是什么，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。
命题点2 原电池原理在实际生活、生产中的应用
5．(2020·天津市海河中学高三月考)为了强化安全管理，某油库引进一台测空气中汽油含量的测量仪，其工作原理如图所示(用强酸性溶液作电解质溶液)。下列说法不正确的是( )
A．石墨电极作正极，发生还原反应
B．铂电极的电极反应式：C8H18＋16H2O－50e－===8CO2↑＋50H＋
C．H＋由质子交换膜左侧向右侧迁移
D．每消耗5.6 L O2，电路中通过1 ml电子
D [在石墨电极，O2＋4e－＋4H＋===2H2O，作正极，发生还原反应，A正确；铂电极为负极，C8H18失电子生成CO2等，电极反应式：C8H18＋16H2O－50e－===8CO2↑＋50H＋，B正确；依据原电池原理，阳离子向正极移动，则H＋由质子交换膜左侧向右侧迁移，C正确；依据正极反应式，电路中通过1 ml电子时，需消耗0.25 ml O2，但未指明温度与压强，O2体积不一定是5.6 L，D不正确。]
6．(2020·开封模拟)现在污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚()，其原理如图所示，下列说法正确的是( )
A．b为电池的正极，发生还原反应
B．电流从b极经导线、小灯泡流向a极
C．当外电路中有0.2 ml e－转移时，a极区增加的H＋的个数为0.2NA
D [原电池中阳离子移向正极，根据原电池中氢离子的移动方向可知a为正极，正极有氢离子参与反应，电极反应式为Cl－，发生还原反应，b为负极，物质在该极发生氧化反应，故A错误，D正确；由上述分析可知，电流从正极a沿导线流向负极b，故B错误；据电荷守恒，当外电路中有0.2 ml e－转移时，通过质子交换膜的H＋的个数为0.2NA，而发生，则a极区增加的H＋的个数为0.1NA，故C错误。]
新型化学电源
分析近三年全国卷高考试题，不难看出，以新型电源为载体考查原电池的原理、电极反应式书写与问题的分析已成为必考内容。此类试题主要来源最新科技成果，起点高，落点低但陌生度高。但细分析、巧审题，实际得分较高。很好体现“科学探究与创新意识、证据推理与模型认知”核心素养。
1．命题分析
命题专家命题时，用最新电池的科技成果为情境素材，如新型燃料电池、二次电池和间接电池等。特别关注的命题角度：
(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。
(2)两极产物及两极反应类型的判断。
(3)两极附近溶液的pH变化。
(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。
(5)电子守恒的相关计算。
(6)设置的特定问题分析。
2．常见新型电源的原理分析示例
(1)镍氢电池(KOH溶液)：NiOOH＋MHNi(OH)2＋M
负极反应式：MH－e－＋OH－===M＋H2O；
正极反应式：NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－。
(2)2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。如图是一种最新研制的聚合物锂电池，a极为含有Li、C、Ni、Mn、O等元素组成的混盐，电解质为一种能传导Li＋的高分子复合材料，b极为镶嵌金属锂的石墨烯材料，反应原理为：LixC6＋Li3－xNiCMnO6C6＋Li3NiCMnO6。
负极：LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极：Li3－xNiCMnO6＋xe－＋xLi＋===Li3NiCMnO6
(3)研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池，Al、Cn为电极，有机阳离子与阴离子(AlCleq \\al(－,4)、Al2Cleq \\al(－,7))组成的离子液体为电解质，如图为该电池放电过程示意图。
负极反应式：Al－3e－＋7AlCleq \\al(－,4)===4Al2Cleq \\al(－,7)；
正极反应式：3Cn[AlCl4]＋3e－===3Cn＋3AlCleq \\al(－,4)。
(4)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应式：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。
负极反应：4Na－4e－===4Na＋
正极反应：3CO2＋4e－===C＋2COeq \\al(2－,3)
注意：平时复习时，要多积累新型电池的电极反应。
[典例导航]
(2019·全国卷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
[思路点拨]
B [A项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，错误；C项，右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。]
间接电化学反应原理分析
(1)定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。
(2)原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。
其原理如下图所示：
1．(2020·广州模拟)钾(K)资源丰富，成本低廉，用其制作的钾离子电池有着超越锂离子电池的发展前景。我国科研人员在钾离子电池的研发上做出了巨大的贡献。如图是我国某科研团队研制的一种钾离子电池充电时的示意图，下列说法不正确的是( )
A．放电时，外电路电子由电极a流向电极b
B．钾离子电池电解液一般选择有机溶剂，但会有一定的安全隐患
C．充电时，每当外电路中转移1 ml e－，正极材料会“释放”39 g K＋
D．充电时，电极b上的电极反应式为：WS2＋xK＋＋xe－===KxWS2
A [根据题图，充电时K＋移向电极b，说明电极b为阴极，电极a为阳极，放电时，电极b为负极，电极a为正极。放电时，外电路电子由电极b流向电极a，A项错误。]
2．“太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是( )
A．若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B．若用导线连接a、c，则c电极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C．若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D．若用导线连接b、c，b电极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
B [若a、c相连，光照条件下，a极H2O―→O2，氧化反应为负极，c极发生还原反应，WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，B项错误。]
3．2019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家，颁奖词中说：他们创造了一个可再充电的世界。如图是最近研发的CaLiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li＋通过，电池反应为：
xCa2＋＋2LiFePO4xCa＋2Li1－xFePO4＋2xLi＋(x≤1)。下列说法错误的是( )
A．LiPF6LiAsF6为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子
B．放电时，负极反应为：LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋
C．充电时，Li1－xFePO4/LiFePO4电极发生Li＋脱嵌，放电时发生Li＋嵌入
D．充电时，当转移0.2 ml电子时，左室中电解质的质量减轻2.6 g
B [钙与水能够剧烈反应，所以，左室中的LiPF6LiAsF6电解质一定为非水电解质，Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液，它们的主要作用都是传递离子，形成电流，构成闭合回路，A正确；放电时，负极反应为：Ca－2e－===Ca2＋，使左室中正电荷数目增多，锂离子导体膜只允许Li＋通过，使LiPF6LiAsF6电解质中的Li＋通过锂离子导体膜移入右室，正极反应为：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，电极发生Li＋嵌入，B错误；充电时，阳极发生反应：LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4，电极发生Li＋脱嵌，阴极发生反应：Ca2＋＋2e－===Ca，转移0.2 ml电子时，有0.2 ml Li＋从右室通过锂离子导体膜移入左室，左室电解质中有0.1 ml Ca2＋得电子生成Ca沉积在钙电极上，故左室中电解质的质量减轻40×0.1－7×0.2 g＝2.6 g，C、D正确。]
4．我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A．该装置的总反应为H2Seq \(=====,\s\up7(光照),\s\d9(催化剂))H2＋S
B．a极溶液中反应为H2S＋2Fe3＋===2Fe2＋＋S＋2H＋
C．a极上发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋
D．H＋通过交换膜向a极迁移
D [a极为负极，H＋通过交换膜向b极迁移，D错误。]
[真题验收]
1．(2020·全国卷Ⅲ，T12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)－空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq \\al(3－,4)＋2B(OH)eq \\al(－,4)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )
A．负载通过0.04 ml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4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)
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
B [由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)。
由上述分析知，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04 ml e－时，正极有0.01 ml O2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；由上述分析知，该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8[B(OH)4]－＋4VOeq \\al(3－,4)，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。]
2．(2019·全国卷Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3DZn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZn—NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
D [A项，三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动，错误。]
[新题预测]
1．如图是我国学者研发的高效过氧化氢—尿素电池的原理装置：
装置工作时，下列说法错误的是( )
A．Ni—C/Ni极上的电势比Pd/CFC极上的低
B．向正极迁移的主要是K＋，产物M为K2SO4
C．Pd/CFC极上发生反应：2H2O2－4e－===2H2O＋O2↑
D．负极反应为CO(NH2)2＋8OH－－6e－===COeq \\al(2－,3)＋N2↑＋6H2O
C [根据电极附近物质变化：CO(eq \(N,\s\up6(－3))H2)2―→COeq \\al(2－,3)＋eq \(N,\s\up6(0))2可知Ni—C/Ni电极发生氧化反应，为负极，Pd/CFC电极为正极，反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，C项错误。]
2．国际能源期刊报道了一种正在开发中的绿色环保“全氢电池”，有望减少废旧电池产生的污染。其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．“全氢电池”工作时，将酸碱反应的中和能转化为电能
B．吸附层b发生的电极反应：H2 － 2e－＋2OH－===2H2O
C．NaClO4的作用是传导离子和参与电极反应
D．“全氢电池”的总反应：2H2＋O2===2H2O
A [根据吸附层a、b上的反应可知吸附层a为负极，电极反应为H2－2e－＋OH－===2H2O，吸附层b为正极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，总反应为H＋＋OH－===H2O。NaClO4的作用只是传导离子。A项正确。]
考纲定位
要点网络
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。
反应
能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合回路
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中
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
实验装置
部分实验现象
a极质量减少；b极质量增加
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
介质
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－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
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