高考化学一轮总复习优化设计 第六单元 第2节 原电池 化学电源课件PPT

这是一份高考化学一轮总复习优化设计 第六单元 第2节 原电池 化学电源课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了必备知识自主预诊，关键能力考向突破，答案C，拆分反应，选择电极材料，构成闭合回路，画出装置图，知识梳理1一次电池，MnO2，Ag2O等内容，欢迎下载使用。

知识梳理1.原电池定义及本质原电池是把化学能转化为电能的装置。其反应本质是自发进行的氧化还原反应。
2.原电池的构成条件
3.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
4.原电池中的三个移动方向(1)电子移动方向: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。温馨提示在原电池反应过程中,“离子不上线,电子不下水”。
5.原电池原理的四大应用(1)比较金属的活泼性强弱。原电池中,负极一般是活泼性较强的金属,正极一般是活泼性较弱的金属(或非金属)。(2)加快化学反应速率。氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。
(3)用于金属的防护。将需要保护的金属制品作为原电池的正极而受到保护。如要保护一个铁质的输水管道不被腐蚀,可用导线将其与一块锌块相连,锌块为原电池的负极。(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根据原电池的工作原理,结合两个半反应,选择正、负电极材料以及电解质溶液。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)理论上,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池。(　　)(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。(　　)(3)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生。(　　)(4)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定为负极。(　　)
(5)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。(　　)(6)某原电池反应为Cu+2AgNO3==Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含KCl饱和溶液的琼脂。(　　)(7)因为铁的活泼性强于铜,所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中组成原电池,必是铁为负极、铜为正极。(　　)
答案 (1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×
2.在如图所示的4个装置中,不能形成原电池的是　　　　　(填序号),并指出原因　　　　　　。 
答案 ①④　①中酒精是非电解质;④中未形成闭合回路
考向1　原电池工作原理
【典例1】 (2020天津化学,11)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。右图中的电池反应为2Na+xS Na2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是(　　)
B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-==Na2SxC.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
对点演练1图中四种电池装置是依据原电池原理设计的,下列有关叙述错误的是(　　)
A.①中锌电极发生氧化反应B.②中电子由a电极经电流表流向b电极C.③中电流由A电极流向B电极D.④中LixC6作负极
答案 C　解析 ①中锌、铁为电极,较活泼的锌为负极,失去电子发生氧化反应,A正确;②中NH3转化为N2,氮元素化合价升高,发生氧化反应,a电极为负极,电子由负极经外电路流向正极,B正确;③中根据离子的移动方向,A电极为负极,电流由正极(B电极)流向负极(A电极),C错误;④中根据电子流向判断出LixC6为负极,D正确。
规律小结 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,不能认为活泼金属电极一定为负极。
考向2　原电池电极反应的书写
对点演练2(1)在Fe、Cu和稀硫酸组成的原电池中,负极反应为　　　　　　　　　　,正极反应为　　　　　　　　　,电池总反应为　　　　　　　　　　　　　。 (2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,其正极反应为　　　　　　　　　,负极反应为　　　　　　　　　。 (3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,其负极反应为　　　　　　　　。 (4)与MnO2-Zn电池类似,K2FeO4-Zn也可以组成碱性电池,K2FeO4在电池中作为正极材料,其电极反应为　　　　　　　　　　,该电池总反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　。 
答案 (1)Fe-2e-==Fe2+　2H++2e-==H2↑　Fe+2H+==Fe2++H2↑(2)Fe3++e-==Fe2+　Pb-2e-==Pb2+(3)Cu-2e-==Cu2+
解析 (1)Fe比Cu活泼,Fe为负极,电极反应为Fe-2e-==Fe2+;Cu为正极,电极反应为2H++2e-==H2↑。(2)由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池,正极为Cu,电极反应为Fe3++e-==Fe2+;负极为Pb,电极反应为Pb-2e-==Pb2+。(3)由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池,Al遇浓硝酸钝化,Cu为负极,电极反应为Cu-2e-==Cu2+。
易错警示 原电池电极反应书写时的注意事项(1)负失氧、正得还。(2)注意溶液的酸碱性,视情况在电极反应方程式两边添加H+、OH-、H2O等,使其符合电荷守恒和质量守恒。(3)注意电极反应产物是否与电解质溶液反应。(4)活泼金属不一定为负极,如镁、铝和氢氧化钠溶液组成的电池中,铝为负极。
考向3　原电池原理的应用【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:
由此可判断这四种金属的活泼性顺序是(　　)A.a>b>c>d　　　　B.b>c>d>aC.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 C　解析 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为原电池负极,b为原电池正极,金属活泼性:a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则活泼性:b>c;由实验③可知,d极溶解,则d为原电池负极,c为正极,活泼性: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,活泼性:d>a。综上所述可知活泼性:d>a>b>c。
对点演练3依据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s) ==Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥中装有含KNO3饱和溶液的琼胶)。
答案 (1)Cu　AgNO3　(2)正　Ag++e-==Ag　(3)Cu(NO3)2
方法点拨 设计原电池的步骤
将氧化还原反应分成两个半反应
还原剂(一般为比较活泼的金属)为负极,活泼性比负极弱的金属或非金属导体为正极
如果两个半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应含有与电极材料相同元素的金属阳离子
结合要求及反应特点,画出原电池装置图,标出电极材料名称、正极和负极及电解质溶液等
Zn+2OH--2e-==Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e-==2MnO(OH)+2OH-
Zn+2MnO2+2H2O==2MnO(OH)+Zn(OH)2
Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-
Zn+Ag2O+H2O==Zn(OH)2+2Ag
2.二次电池铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,总反应为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
3.燃料电池(1)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。
2H2-4e-==4H+
2H2+4OH--4e-==4H2O
O2+4H++4e-==2H2O
O2+2H2O+4e-==4OH-
2H2+O2==2H2O
(2)以CO为燃料气,请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应和总反应。
O2+4e-+4H+==2H2O
CO-4e-+2H2O==2CO2+4H+　
2CO+O2==2CO2
O2+4e-+2H2O==4OH-
O2+4e-==2O2-
2CO-4e-+2O2-==2CO2
(3)铝-空气-海水电池。负极材料为铝片,正极材料为铂片,电解质溶液为海水。负极反应:　 。 正极反应:　 。 总反应:　 。 
4Al-12e-==4Al3+
3O2+12e-+6H2O==12OH-　
4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)碱性锌锰干电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。(　　)(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。(　　)(3)铅酸蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。(　　)(4)若使反应Fe+2F ==3Fe2+以原电池方式进行,可用锌、铁为电极材料。(　　)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。(　　)(6)固体电解质(高温下能传导O2-)甲醇燃料电池负极反应为2CH3OH-12e-+6O2-==2CO2↑+4H2O。(　　)(7)碱性氢氧燃料电池中负极反应为2H2-4e-==4H+。(　　)(8)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下,甲烷燃料电池正极电极反应为O2+4e-+2CO2==2C 。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)√
2.如图是甲烷燃料电池的工作原理示意图,根据燃料电池有关知识回答:
a电极为燃料电池的　　　　　(填“正极”或“负极”),其电极反应为　　　　　　　　　;电池总反应为　　　　　　　　　　　。 
考向1　一次电池【典例1】 普通锌锰干电池的简图如图所示,它是用锌皮制成的锌筒作为电极,中央插一根石墨棒,石墨棒顶端加一铜帽。在石墨棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物,并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜,隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn+2N +2MnO2== [Zn(NH3)2]2++2MnO(OH)。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是(　　)
A.当该电池电压逐渐下降后,利用电解原理能重新充电复原B.电池负极反应为2MnO2+2N +2e-==Mn2O3+2NH3+H2OC.原电池工作时,电子从负极通过外电路流向正极D.外电路中每通过0.1 ml 电子,锌的质量理论上减少6.5 g
答案 C　解析 普通锌锰干电池是一次电池,不能充电复原,A项错误;根据原电池工作原理,负极失电子,B项错误;由电池总反应可知,每通过0.1 ml 电子,消耗锌的质量为65 g·ml-1× =3.25 g,D项错误。
A.电池工作时,K+向正极区移动B.Al电极发生还原反应C.正极的电极反应式Mn +4H++3e-==MnO2+2H2OD.理论上电路中每通过1 ml电子,负极质量减少9 g
方法技巧 化学电源中电极反应的书写方法(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,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电极反应(正极反应或负极反应)。如Li-e-==Li+(负极反应)。③利用总反应减去容易写出的一个电极反应,得到另一个电极反应,如LiMn2O4+Li++e-==Li2Mn2O4(正极反应)。
考向2　新型可充电电池【典例2】 (2020全国1,12)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
对点演练2(2018全国2,12)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,电池的总反应为:3CO2+4Na 2Na2CO3+C,下列说法错误的是(　　)
A.放电时,Cl 向负极移动B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2C.放电时,正极反应为:3CO2+4e-==2C +CD.充电时,正极反应为:Na++e-==Na
答案 D　解析 放电时装置为原电池,阴离子向负极移动,A项正确;根据总反应可知,放电时二氧化碳在正极得电子被吸收,充电时又被释放出来,B项正确;放电时,负极上Na失电子,正极上CO2得电子,正极电极反应为3CO2+4e-==2C +C,C项正确;充电时阴极反应为Na++e-==Na,D项错误。
方法技巧 充电电池类题目的解答方法(1)电池放电时发生原电池反应,充电时发生电解池反应,在充电时电池的负极接电源的负极,即负极接负极后为阴极,正极接正极后为阳极。(2)充电时的阴极反应与放电时的负极反应、充电时的阳极反应与放电时的正极反应分别互为逆反应。(3)阳极和负极都发生氧化反应,阴极和正极都发生还原反应。(4)充电电池放电时,电解质溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子从负极经导线流向正极;电池充电时,电解质溶液中的阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。(5)电极附近溶液的pH的变化,根据电极反应进行分析。
考向3　燃料电池【典例3】 (双选)(2020河南濮阳模拟)氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600~700 ℃),具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　)
A.电池工作时,熔融碳酸盐只起到导电的作用B.负极反应为H2-2e-+C ==CO2+H2OC.该电池可利用工厂中排出的CO2,减少温室气体的排放D.电池工作时,外电路中流过0.2 ml 电子,消耗1.6 g O2
答案 BD　解析 根据图示,在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中,通入氢气的电极为负极,负极发生氧化反应,电极反应为H2-2e-+C ==CO2+H2O,通入氧气的电极为正极,正极发生还原反应,电极反应式O2+2CO2+4e-==2C ,总反应为2H2+O2==2H2O,故B项正确;电池工作时,熔融碳酸盐参与了电极反应,A项错误;该电池工作时总反应没有消耗二氧化碳,不能减少温室气体的排放,C项错误;电池工作时,外电路中流过0.2 ml电子时消耗0.05 ml氧气,其质量为1.6 g,D项正确。
对点演练3(2020江苏苏州联考)科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电极a为电池的负极B.电极b上发生的电极反应:O2+4H++4e-==2H2OC.电路中每通过4 ml 电子,在正极消耗44.8 L H2SD.每17 g H2S参与反应,有1 ml H+经质子膜进入正极区
答案 C　解析 根据题目可知,该电池为燃料电池,根据燃料电池的特点,通氧气的一极为正极,故电极b为正极,电极a为负极,A项正确;电极b为正极,氧气得电子与H+结合生成水,B项正确;从装置图可以看出,电池总反应为2H2S+O2==S2+2H2O,电路中每通过4 ml电子,正极应该消耗1 ml O2,负极应该有2 ml H2S反应,但是题目中没有说明是标准状况下,所以不一定是44.8 L,故C错误;17 g H2S的物质的量为0.5 ml,每0.5 ml H2S参与反应会消耗0.25 ml O2,根据正极反应O2+4H++4e-==2H2O可知,有1 ml H+经质子膜进入正极,故D正确。
方法技巧 书写燃料电池电极反应的技巧(1)首先写出正极反应(一般参加反应的是O2)①酸性电解质溶液环境下电极反应为O2+4H++4e-==2H2O。碱性电解质溶液环境下电极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-。③固体氧化物电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应为O2+4e-==2O2-。④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应为O2+2CO2+4e-==2C 。(2)根据电池总反应减去正极反应确定负极反应。注意要消去总反应和正极反应中的O2。
1.原电池中的能量转化及本质(1)能量转化:化学能转化为电能。(2)反应本质:自发进行的氧化还原反应。2.原电池中粒子的“移动方向”(1)外电路中电子移动方向:负极→正极。(2)外电路中电流方向:正极→负极。(3)电池内部离子移动方向:阴离子→负极,阳离子→正极。(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+→正极,Cl-→负极。3.判断原电池正、负极的五种方法电极材料、电极反应现象、电子移动方向、离子移动方向、得失电子。
素养解读高考中的新型电池,有“氢镍电池”“高铁电池”“碱性锌锰电池”“海洋电池”“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池)“锂离子电池”“银锌电池”“纽扣电池”等。这些电池一般具有高能环保、经久耐用,电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。取材于这些知识点的试题题材广、信息新,体现了化学科学在生产生活中的应用,可提升学习者的科学态度与社会责任。
案例探究情境:金属钒和单质硼按一定配比混合在真空或惰性气氛中经高温反应可制得硼化钒(VB2)。硼化钒可用作精细陶瓷原料粉,用于生产耐磨及半导体薄膜。
【典例】 (2020全国3,12)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-== +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==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
解析 根据题中所给的VB2电极上的反应式可知,该原电池中VB2电极为负极,复合碳电极为正极。正极反应为O2+4e-+2H2O==4OH-。根据电子守恒可知,当负极通过0.04 ml电子时,正极参加反应的氧气为0.01 ml,在标准状况下的体积为0.224 L,A项正确;根据正、负极的电极反应可知,负极消耗OH-,溶液的pH降低,而正极生成OH-,溶液的pH升高,B项错误;根据电子守恒由负极反应:VB2+16OH--11e-== +4H2O和正极反应:O2+4e-+2H2O==4OH-,可得该碱性硼化钒-空气电池的总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O== ,C项正确;电流方向与电子的流向相反,电流方向为:复合碳电极→负载→VB2电极→KOH溶液→复合碳电极,D项正确。
方法规律关于新型电源的考查,具体有以下几种考查角度:1.新型电池“放电”时正极、负极的判断
2.新型电池电极反应的书写首先分析物质得失电子的情况,然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应。对于较为复杂的电极反应,可以利用“总反应-较简单一极电极反应=较复杂一极电极反应”的方法解决。3.新型电池充、放电时阴极、阳极的判断首先应搞明白原电池放电时的正、负极。再根据电池充电时,阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。充电的实质就是把放电时发生的变化再复原的过程,即充电时的电极反应是放电时电极反应的逆过程。
4.新型电池充、放电时,电解质溶液中离子的移动方向解题时,首先应分清电池是放电还是充电,放电时为原电池,充电时为电解池,然后再判断出正、负极或阴、阳极。原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极;电解池中,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
素养提升1.(2019全国3,13)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(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如下图所示。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
解析 三维多孔海绵状Zn类似于活性炭,故表面积较大,可高效沉积ZnO,所沉积的ZnO分散度也高,A项正确;根据总反应式Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)可知,充电时Ni(OH)2(s)在阳极上发生氧化反应Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-==NiOOH(s)+H2O(l),B项正确;放电时Zn在负极上发生氧化反应Zn(s)+2OH-(aq)-2e-==ZnO(s)+H2O(l),C项正确;在放电过程中,阴离子应向负极移动,D项错误。
2.(2019天津化学,6)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是(　　)
A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e-==2I-+Br-B.放电时,溶液中离子的数目增大C.充电时,b电极每增重0.65 g, 溶液中有0.02 ml I-被氧化D.充电时,a电极接外电源负极
答案 D　解析 根据离子和电子的移动方向可知,a电极是正极,b电极是负极。放电时,负极电极反应为Zn-2e-==Zn2+,正极电极反应为I2Br-+2e-==2I-+Br-,显然A、B正确;充电时,b电极电极反应为Zn2++2e-==Zn,每增重0.65 g转移0.02 ml e-,根据以上分析,可知溶液中有0.02 ml I-被氧化,C正确;充电时,阳极接电源正极,故D错误。
3.(2020江苏化学,20节选)HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示,两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
(1)电池负极电极反应为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;放电过程中需补充的物质A为　　　　(填化学式)。 (2)图中所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应,将化学能转化为电能,其反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
解析 (1)该装置为原电池,负极失去电子,HCOO-中的C为+2价,反应后转化为HC 中的+4价的C,化合价升高失去电子,则1 ml HCOO-转化为1 ml HC 失去2 ml e-,电解质为KOH,故可用OH-平衡电荷。正极处为Fe3+得电子生成Fe2+,Fe2+又被O2氧化生成Fe3+,此反应为酸性条件,若为碱性条件,则生成Fe(OH)3,根据装置中流出K2SO4溶液,K+从负极区经半透膜移向正极区,则物质A应为H2SO4,发生反应:4Fe2++O2+4H+==4Fe3++2H2O。
(2)HCOOH被O2氧化生成HC ,根据得失电子守恒、电荷守恒及质量守恒可得反应的离子方程式为