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高三化学一轮复习讲义第6章 第2节 原电池 化学电源
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这是一份高三化学一轮复习讲义第6章 第2节 原电池 化学电源，共21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
(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．原电池原理的三个应用
(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。
[应用体验]
1．在如图所示的8个装置中，不能形成原电池的是_______________(填序号)，并指出原因。
[提示] ①只有一个金属，不能构成两极
③两极金属相同
⑤酒精不是电解质溶液，不导电
⑧未形成闭合回路
2．(1)根据反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计的原电池的负极反应式为________，
正极反应式为_______________________________________。
(2)根据2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O设计的原电池的正极反应式为_________________________________________________________________。
[提示] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(2)O2＋4e－＋4H＋===2H2O
[考点多维探究]
角度1 原电池的工作原理及电极判断
1．(2015·天津高考)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( )
【导学号：95812145】
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(SOeq \\al(2－,4))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，SOeq \\al(2－,4)不参加电极反应，故甲池的c(SOeq \\al(2－,4))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．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是( )
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原
C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
D [由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。]
3．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－===2AlOeq \\al(－,2)＋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
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
4．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验，试比较金属活动性的强弱：
【导学号：95812146】
(1)A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极，活动性________；
(2)C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C，活动性________；
(3)A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡，活动性________；
(4)B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，活动性________；
(5)用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出，活动性________。
综上所述，这五种金属的活动性从强到弱的顺序为________。
[答案] (1)A>B (2)C>D (3)A>C (4)D>B (5)B>E A>C>D>B>E
5．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，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
6．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。请写出电极反应式，负极：______________________________________，
正极：__________________________________，
并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
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。
考点2| 常见化学电源的原理及电极反应式的书写
[基础知识自查]
1．一次电池(以碱性锌锰电池为例)
总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2．二次电池
(1)铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)eq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(2)二次电池充电时的电极连接
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。
注：①燃料电池的电极不参加电极反应，外通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应时，注意介质的参与反应。
[应用体验]
1．已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：
Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
请回答下列问题：
(1)放电时，负极反应式为____________________________________，
正极反应式为_______________________________________。
(2)充电时，阴极反应式为________________________________，
阳极反应式为_________________________________________。
(3)放电时，K＋向________极迁移，负极的溶液pH的变化为________。
(4)充电时，镍镉电池的负极应与外接电源的________极相连。
[提示] (1)Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2
2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－
(2)Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
(3)正 减小 (4)负
2．以CO为燃料气，请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应式(填入表格中)。
[提示] ①O2＋4e－＋4H＋===2H2O
2CO－4e－＋2H2O===2CO2＋4H＋
2CO＋O2===2CO2
②O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2CO－4e－＋8OH－===2COeq \\al(2－,3)＋4H2O
2CO＋O2＋4OH－===2COeq \\al(2－,3)＋2H2O
③O2＋4e－===2O2－
2CO－4e－＋2O2－===2CO2
2CO＋O2===2CO2
④O2＋4e－＋2CO2===2COeq \\al(2－,3)
2CO－4e－＋2COeq \\al(2－,3)===4CO2
2CO＋O2===2CO2
[考点多维探究]
角度1 常见化学电源的原理分析
1．(2017·长沙模拟)比亚迪双模电动汽车使用的是高铁电池，其总反应为3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOHeq \(,\s\up15(充电),\s\d15(放电))3Zn＋2K2FeO4＋8H2O，下列说法正确的是( )
A．放电时，若有6 ml电子发生转移，则有2 ml K2FeO4被氧化
B．放电时，正极反应为FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O－3e－===Fe(OH)3＋5OH－
C．充电时，电池的负极与外接电源的负极相连
D．充电时，阴极附近溶液的pH变小
C [由反应方程式可知，放电时，K2FeO4被还原，A项错误；放电时正极得电子，电极反应为FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，B项错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，C项正确；充电时，阴极附近溶液的pH变大，D项错误。]
2．(2017·信阳市一模)某充电宝锂离子电池的总反应为xLi＋Li1－xMn2O4eq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为NiOOH＋MHeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))M＋Ni(OH)2(M为储氢金属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是( )
【导学号：95812147】
A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移
B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－
C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电
D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4＋xLi＋
D [A项，锂离子电池放电时阳离子移向正极，所以Li＋向正极迁移，故A正确；B项，放电时，正极发生还原反应，方程式为NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，故B正确；C项，题图表示用锂离子电池为放电过程，而镍氢电池为充电过程，故负极Li接M极发生M＋H＋＋e－===MH，故C正确；D项，锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：Li＋＋e－===Li，故D错误。]
3．(2016·全国丙卷)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)eq \\al(2－,4)。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)eq \\al(2－,4)
D．放电时，电路中通过2 ml电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)
C [A项，充电时，电解质溶液中K＋向阴极移动，错误；B项，充电时，总反应方程式为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)eq \(=====,\s\up15(通电))2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，所以电解质溶液中c(OH－)逐渐增大，错误；C项，在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2＋将与OH―结合生成Zn(OH)eq \\al(2－,4)，正确；D项，O2～4e－，故电路中通过2 ml电子时，消耗氧气0.5 ml，在标准状况体积为11.2 L，错误。]
角度2 常见电源电极反应式的书写
4．(1)FeCu稀H2SO4组成的原电池中，负极反应为________________，
正极反应为____________________________________，
电池总反应为_____________________________________。
(2)MgAlNaOH溶液组成的原电池中，负极反应为________________，正极反应为_______________________，
电池总反应为_______________________________。
(3)(2015·全国卷Ⅱ节选)酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。回答下列问题：
①该电池的正极反应式为________________________________，
电池反应的离子方程式为___________________________________。
②维持电流强度为0.5 A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g。(已知F＝96 500 C·ml－1)
(4)(2012·全国卷节选)与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为_________________，
该电池总反应的离子方程式为____________________________________。
(5)用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料(用MH表示)，NiO(OH)作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。电池充放电时的总反应为：
NiO(OH)＋MHeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))Ni(OH)2＋M
电池放电时，负极的电极反应式为_________________________，
充电时，阳极反应式为____________________________________。
[解析] (1)Fe作负极，电极反应：Fe－2e－===Fe2＋；Cu作正极，电极反应：2H＋＋2e－===H2↑。
(2)Al作负极，电极反应：Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O；Mg作正极，电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(3)①根据酸性锌锰干电池的构造可知，放电时，负极Zn失去电子生成Zn2＋，正极MnO2得到电子生成MnOOH，从而可写出正极和负极的电极反应式，然后在遵循电子守恒的前提下将两极反应式加合可得电池反应的离子方程式。②电池工作5分钟，通过的电量Q＝It＝0.5 A×5 min×60 s/min＝150 C，因此通过电子的物质的量n(e－)＝eq \f(Q,F)＝eq \f(150 C,96 500 C/ml)≈1.554×10－3 ml，则理论消耗Zn的质量是m(Zn)＝eq \f(1.554×10－3 ml,2)×65 g/ml≈0.05 g。
(4)K2FeO4Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeOeq \\al(2－,4)中＋6价铁元素被还原为Fe(OH)3中＋3价铁元素，其电极反应式为FeOeq \\al(2－,4)＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。
(5)负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H＋，H＋再与OH－结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MH－e－＋OH－===M＋H2O。充电时阳极发生氧化反应，反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O。
[答案] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2H＋＋2e－===H2↑ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑
(3)①MnO2＋H＋＋e－===MnOOH 2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋ ②0.05
(4)FeOeq \\al(2－,4)＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－
2FeOeq \\al(2－,4)＋8H2O＋3Zn===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－
(5)MH－e－＋OH－===M＋H2O
Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O
化学电源中电极反应书写的思维模板
(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。
专项突破8 特定新型电池的命题分析
命题点1 特定装置的新型电池原理分析
(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] (2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( )
【导学号：95812148】
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
A [图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，两式相加得电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正确。]
[对点训练2] 可充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性，其电池反应为Mg＋2MnF3===2MnF2＋MgF2。下列有关说法不正确的是( )
A．镁为负极材料
B．正极的电极反应式为MnF3＋e－===MnF2＋F－
C．电子从镁极流出，经电解质流向正极
D．每生成1 ml MnF2时转移1 ml电子
C [由电池反应知，镁作还原剂，发生氧化反应，镁极为负极，A项不符合题意；电池反应中，三氟化锰发生还原反应，B项不符合题意；电子由负极(镁极)流出经外电路流向正极，C项符合题意；锰元素由＋3价降至＋2价，D项不符合题意。]
[对点训练3] (2016·全国甲卷)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 [根据题意，Mg海水AgCl电池总反应式为Mg＋2AgCl===MgCl2＋2Ag。A项，负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，正确；B项，正极反应式为2AgCl＋2e－===2Cl－＋ 2Ag，错误；C项，对原电池来说，阴离子由正极移向负极，正确；D项，由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，正确。]
[对点训练4]
(1)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。负极反应式为______________，
正极反应式为______________________________________。
(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
①X为________极，Y电极反应式为_________________________________。
②Y极生成1 ml Cl2时，________ ml Li＋移向________极(填X或Y)。
(3)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂，KOH作电解质。
负极反应式为________________________________，
正极反应式为________________________________。
[解析] (1)根据装置可知O2得电子，在正极反应生成H＋，呼气中的C2H5OH失电子，在负极反应生成CH3COOH。
(2)根据装置可知生成H2的电极为正极，生成Cl2的电极为负极。
(3)根据装置可知N2H4→N2为氧化反应，在负极上反应。
[答案] (1)C2H5OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
(2)①正 2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2 X
(3)N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
命题点2 特定介质燃料电池的原理分析
四类介质环境下的两极反应原理(以甲醇CH3OH为例)
(1)酸性溶液或质子交换膜条件：
正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，
负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋
(2)碱性溶液条件：
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－，
负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
(3)固体氧化物(传导O2－)条件：
正极：3O2＋12e－===6O2－，
负极：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2↑＋4H2O
(4)熔融碳酸盐(含COeq \\al(2－,3))条件：
正极：3O2＋12e－＋6CO2===6COeq \\al(2－,3)，
负极：2CH3OH－12e－＋6COeq \\al(2－,3)===8CO2↑＋4H2O
[对点训练5] (2017·武汉模拟)下图是以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图。关于该电池的叙述不正确的是( )
A．该电池不能在高温下工作
B．电池的负极反应为：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋
C．放电过程中，电子从正极区向负极区每转移1 ml，便有1 ml H＋从阳极室进入阴极室
D．微生物燃料电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相容性等优点，值得研究与推广
C [高温条件下微生物会死亡，该电池不能正常工作，A选项正确；电池的负极失电子，发生氧化反应，即葡萄糖失电子生成二氧化碳气体，B选项正确；放电过程中，电子从负极区向正极区转移，C选项错误；结合题给条件分析，D选项正确。]
[对点训练6] 近年来AIST报告正在研制一种“高容量、低成本”锂铜空气燃料电池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，下列说法不正确的是( )
A．放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动
B．放电时，负极的电极反应式为Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－
C．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
D．整个反应过程中，铜相当于催化剂
B [放电时，负极反应为Li －e－===Li＋，Li＋透过固体电解质向Cu极移动，A项正确；正极反应为Cu2O＋2e－＋H2O===2Cu＋2OH－，B项错误；通空气时，铜被氧化为Cu2O：4Cu＋O2===2Cu2O，总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，铜相当于催化剂，C、D正确。]
[对点训练7] (2016·烟台一模)LED系列产品是一类新型节能产品，图甲是NaBH4/H2O2燃料电池，图乙是LED发光二极管的装置示意图。下列叙述错误的是( )
【导学号：95812149】
A．电池A极区的电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－
B．电池放电过程中，Na＋从负极区向正极区移动
C．每有1 ml NaBH4参加反应转移电子数为4NA
D．要使LED发光二极管正常发光，图乙中的导线a应与图甲中的B极相连
C [A项，根据图甲知，双氧水得电子发生还原反应，则A电极为正极，正极电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－，故A正确；B项，电池放电过程中，阳离子移向正极，Na＋从负极区向正极区移动，故B正确；C项，负极发生氧化反应生成BOeq \\al(－,2)，电极反应式为BHeq \\al(－,4)＋8OH－－8e－===BOeq \\al(－,2)＋6H2O，有1 ml NaBH4参加反应转移电子数为8NA，故C错误；D项，要使LED发光二极管正常发光，图乙中的导线a阴极应与图甲中的B极负极相连，故D正确。]
[对点训练8] (1)(2013·全国卷Ⅰ节选)二甲醚(OCH3CH3)直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg－1)。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为__________________________，1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生________个电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E＝______________(列式计算。能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J)。
(2)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。
①电极A为________极，CO和H2按体积比1∶1发生的电极反应式为
_______________________________________。
②电极B的反应式为_____________________。
③COeq \\al(2－,3)向________极迁移(填A或B)。
[解析] (1)由题意可得：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，1个CH3OCH3产生12个电子。
(2)CO、H2为燃料，在负极上反应。
[答案] (1)CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋ 12 eq \f(\f(1.20 V×1 000 g,46 g·ml－1)×12×96 500 C·ml－1,1 kg)÷(3.6×106 J·kW－1·h－1)≈8.39 kW·h·kg－1
(2)①负 CO＋H2－4e－＋2COeq \\al(2－,3)===3CO2＋H2O
②O2＋4e－＋2CO2===2COeq \\al(2－,3)
③A[课堂小结·反馈达标1＋1] 全新理念 探究高考 明确考向
1．一组判断，展示高考易误点
(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)原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。( )
(3)MgAl形成的原电池，Mg一定作负极。( )
(4)Cu、Al、浓HNO3构成的原电池的负极反应为Al－3e－===Al3＋。( )
(5)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。( )
(6)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。 ( )
(7)以熔融Na2CO3为介质的H2燃料电池的负极反应为H2－2e－===2H＋。( )
(8)化学电源工作时，内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。( )
(9)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。( )
(10)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。( )
(11)二次电池充电时，二次电池的负极连接电源的负极，发生还原反应。( )
[答案] (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)√ (9)√ (10)× (11)√
2．一题串知，覆盖高考考什么
(1)(2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。
①右电极是________极，发生________反应。[考查原电池中电极判断及反应原理]
②两极反应式，负极________________________________________，
正极_______________________________________________。
[考查电极反应式的书写]
③质子向________极迁移(填“正”或“负”，下同)，电子从________极流出。[考查原电池反应时离子、电子移向]
④当有1 ml O2消耗时，C6H12O6消耗_____ ml。[考查原电池的有关计算]
(2)(2016·全国丙卷)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解值溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)eq \\al(2－,4)。
————————————————————————
①该燃料电池的负极材料是________，正极电极反应式为______________________。[考查化学电源放电原理和电极反应式]
②充电时，外接电源负极的燃料电池电极是________极，其电极反应式为________________________________。[考查化学电源充电原理]
③充电时，溶液中K＋向燃料电池的________极迁移(填“正”或“负”)。[考查化学电源充电时，离子迁移方向]
[答案] (1)①正 还原 ②C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋ 6O2＋24e－＋24H＋===12H2O
③正 负 ④0.17或eq \f(1,6)
(2)①Zn O2＋4e－＋2H2O===4OH－
②负 Zn(OH)eq \\al(2－,4)＋2e－===Zn＋4OH－
③负
考纲定位
考情播报
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。
2016·全国甲卷T11/全国丙卷T11
2015·全国卷ⅠT11/全国卷ⅡT26(1)(2)
2014·全国卷ⅡT12
2013·全国卷ⅠT10、T27(5)、T28(5)/全国卷ⅡT11
2012·全国卷T26(4)
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
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
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
(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．原电池原理的三个应用
(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。
[应用体验]
1．在如图所示的8个装置中，不能形成原电池的是_______________(填序号)，并指出原因。
[提示] ①只有一个金属，不能构成两极
③两极金属相同
⑤酒精不是电解质溶液，不导电
⑧未形成闭合回路
2．(1)根据反应Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计的原电池的负极反应式为________，
正极反应式为_______________________________________。
(2)根据2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O设计的原电池的正极反应式为_________________________________________________________________。
[提示] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(2)O2＋4e－＋4H＋===2H2O
[考点多维探究]
角度1 原电池的工作原理及电极判断
1．(2015·天津高考)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( )
【导学号：95812145】
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(SOeq \\al(2－,4))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，SOeq \\al(2－,4)不参加电极反应，故甲池的c(SOeq \\al(2－,4))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．控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是( )
A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原
C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
D [由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成Fe2＋被还原，I－失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态，C正确；D项在甲中溶入FeCl2固体，平衡2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2向左移动，I2被还原为I－，乙中石墨为正极，D不正确。]
3．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－===2AlOeq \\al(－,2)＋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
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
4．有A、B、C、D、E五块金属片，进行如下实验，试比较金属活动性的强弱：
【导学号：95812146】
(1)A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极，活动性________；
(2)C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C，活动性________；
(3)A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡，活动性________；
(4)B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，活动性________；
(5)用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液，E先析出，活动性________。
综上所述，这五种金属的活动性从强到弱的顺序为________。
[答案] (1)A>B (2)C>D (3)A>C (4)D>B (5)B>E A>C>D>B>E
5．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，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
6．请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。请写出电极反应式，负极：______________________________________，
正极：__________________________________，
并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。
[答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
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。
考点2| 常见化学电源的原理及电极反应式的书写
[基础知识自查]
1．一次电池(以碱性锌锰电池为例)
总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2．二次电池
(1)铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)eq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(2)二次电池充电时的电极连接
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。
注：①燃料电池的电极不参加电极反应，外通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应时，注意介质的参与反应。
[应用体验]
1．已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：
Cd＋2NiOOH＋2H2Oeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
请回答下列问题：
(1)放电时，负极反应式为____________________________________，
正极反应式为_______________________________________。
(2)充电时，阴极反应式为________________________________，
阳极反应式为_________________________________________。
(3)放电时，K＋向________极迁移，负极的溶液pH的变化为________。
(4)充电时，镍镉电池的负极应与外接电源的________极相连。
[提示] (1)Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2
2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－
(2)Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
(3)正 减小 (4)负
2．以CO为燃料气，请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应式(填入表格中)。
[提示] ①O2＋4e－＋4H＋===2H2O
2CO－4e－＋2H2O===2CO2＋4H＋
2CO＋O2===2CO2
②O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2CO－4e－＋8OH－===2COeq \\al(2－,3)＋4H2O
2CO＋O2＋4OH－===2COeq \\al(2－,3)＋2H2O
③O2＋4e－===2O2－
2CO－4e－＋2O2－===2CO2
2CO＋O2===2CO2
④O2＋4e－＋2CO2===2COeq \\al(2－,3)
2CO－4e－＋2COeq \\al(2－,3)===4CO2
2CO＋O2===2CO2
[考点多维探究]
角度1 常见化学电源的原理分析
1．(2017·长沙模拟)比亚迪双模电动汽车使用的是高铁电池，其总反应为3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOHeq \(,\s\up15(充电),\s\d15(放电))3Zn＋2K2FeO4＋8H2O，下列说法正确的是( )
A．放电时，若有6 ml电子发生转移，则有2 ml K2FeO4被氧化
B．放电时，正极反应为FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O－3e－===Fe(OH)3＋5OH－
C．充电时，电池的负极与外接电源的负极相连
D．充电时，阴极附近溶液的pH变小
C [由反应方程式可知，放电时，K2FeO4被还原，A项错误；放电时正极得电子，电极反应为FeOeq \\al(2－,4)＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，B项错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，C项正确；充电时，阴极附近溶液的pH变大，D项错误。]
2．(2017·信阳市一模)某充电宝锂离子电池的总反应为xLi＋Li1－xMn2O4eq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为NiOOH＋MHeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))M＋Ni(OH)2(M为储氢金属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是( )
【导学号：95812147】
A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移
B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－
C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电
D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4＋xLi＋
D [A项，锂离子电池放电时阳离子移向正极，所以Li＋向正极迁移，故A正确；B项，放电时，正极发生还原反应，方程式为NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，故B正确；C项，题图表示用锂离子电池为放电过程，而镍氢电池为充电过程，故负极Li接M极发生M＋H＋＋e－===MH，故C正确；D项，锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：Li＋＋e－===Li，故D错误。]
3．(2016·全国丙卷)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)eq \\al(2－,4)。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)eq \\al(2－,4)
D．放电时，电路中通过2 ml电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)
C [A项，充电时，电解质溶液中K＋向阴极移动，错误；B项，充电时，总反应方程式为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)eq \(=====,\s\up15(通电))2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，所以电解质溶液中c(OH－)逐渐增大，错误；C项，在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2＋将与OH―结合生成Zn(OH)eq \\al(2－,4)，正确；D项，O2～4e－，故电路中通过2 ml电子时，消耗氧气0.5 ml，在标准状况体积为11.2 L，错误。]
角度2 常见电源电极反应式的书写
4．(1)FeCu稀H2SO4组成的原电池中，负极反应为________________，
正极反应为____________________________________，
电池总反应为_____________________________________。
(2)MgAlNaOH溶液组成的原电池中，负极反应为________________，正极反应为_______________________，
电池总反应为_______________________________。
(3)(2015·全国卷Ⅱ节选)酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。回答下列问题：
①该电池的正极反应式为________________________________，
电池反应的离子方程式为___________________________________。
②维持电流强度为0.5 A，电池工作5分钟，理论上消耗锌________g。(已知F＝96 500 C·ml－1)
(4)(2012·全国卷节选)与MnO2Zn电池类似，K2FeO4Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为_________________，
该电池总反应的离子方程式为____________________________________。
(5)用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料(用MH表示)，NiO(OH)作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。电池充放电时的总反应为：
NiO(OH)＋MHeq \(,\s\up15(放电),\s\d15(充电))Ni(OH)2＋M
电池放电时，负极的电极反应式为_________________________，
充电时，阳极反应式为____________________________________。
[解析] (1)Fe作负极，电极反应：Fe－2e－===Fe2＋；Cu作正极，电极反应：2H＋＋2e－===H2↑。
(2)Al作负极，电极反应：Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O；Mg作正极，电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(3)①根据酸性锌锰干电池的构造可知，放电时，负极Zn失去电子生成Zn2＋，正极MnO2得到电子生成MnOOH，从而可写出正极和负极的电极反应式，然后在遵循电子守恒的前提下将两极反应式加合可得电池反应的离子方程式。②电池工作5分钟，通过的电量Q＝It＝0.5 A×5 min×60 s/min＝150 C，因此通过电子的物质的量n(e－)＝eq \f(Q,F)＝eq \f(150 C,96 500 C/ml)≈1.554×10－3 ml，则理论消耗Zn的质量是m(Zn)＝eq \f(1.554×10－3 ml,2)×65 g/ml≈0.05 g。
(4)K2FeO4Zn组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，FeOeq \\al(2－,4)中＋6价铁元素被还原为Fe(OH)3中＋3价铁元素，其电极反应式为FeOeq \\al(2－,4)＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－；书写总反应的离子方程式时，关键是抓住Fe和Zn的存在形式分别是Fe(OH)3和Zn(OH)2。
(5)负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H＋，H＋再与OH－结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MH－e－＋OH－===M＋H2O。充电时阳极发生氧化反应，反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O。
[答案] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2H＋＋2e－===H2↑ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑
(3)①MnO2＋H＋＋e－===MnOOH 2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋ ②0.05
(4)FeOeq \\al(2－,4)＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－
2FeOeq \\al(2－,4)＋8H2O＋3Zn===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－
(5)MH－e－＋OH－===M＋H2O
Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O
化学电源中电极反应书写的思维模板
(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。
专项突破8 特定新型电池的命题分析
命题点1 特定装置的新型电池原理分析
(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] (2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( )
【导学号：95812148】
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
A [图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，两式相加得电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正确。]
[对点训练2] 可充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性，其电池反应为Mg＋2MnF3===2MnF2＋MgF2。下列有关说法不正确的是( )
A．镁为负极材料
B．正极的电极反应式为MnF3＋e－===MnF2＋F－
C．电子从镁极流出，经电解质流向正极
D．每生成1 ml MnF2时转移1 ml电子
C [由电池反应知，镁作还原剂，发生氧化反应，镁极为负极，A项不符合题意；电池反应中，三氟化锰发生还原反应，B项不符合题意；电子由负极(镁极)流出经外电路流向正极，C项符合题意；锰元素由＋3价降至＋2价，D项不符合题意。]
[对点训练3] (2016·全国甲卷)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 [根据题意，Mg海水AgCl电池总反应式为Mg＋2AgCl===MgCl2＋2Ag。A项，负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，正确；B项，正极反应式为2AgCl＋2e－===2Cl－＋ 2Ag，错误；C项，对原电池来说，阴离子由正极移向负极，正确；D项，由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，正确。]
[对点训练4]
(1)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。负极反应式为______________，
正极反应式为______________________________________。
(2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
①X为________极，Y电极反应式为_________________________________。
②Y极生成1 ml Cl2时，________ ml Li＋移向________极(填X或Y)。
(3)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂，KOH作电解质。
负极反应式为________________________________，
正极反应式为________________________________。
[解析] (1)根据装置可知O2得电子，在正极反应生成H＋，呼气中的C2H5OH失电子，在负极反应生成CH3COOH。
(2)根据装置可知生成H2的电极为正极，生成Cl2的电极为负极。
(3)根据装置可知N2H4→N2为氧化反应，在负极上反应。
[答案] (1)C2H5OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
(2)①正 2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2 X
(3)N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
命题点2 特定介质燃料电池的原理分析
四类介质环境下的两极反应原理(以甲醇CH3OH为例)
(1)酸性溶液或质子交换膜条件：
正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，
负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋
(2)碱性溶液条件：
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－，
负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
(3)固体氧化物(传导O2－)条件：
正极：3O2＋12e－===6O2－，
负极：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2↑＋4H2O
(4)熔融碳酸盐(含COeq \\al(2－,3))条件：
正极：3O2＋12e－＋6CO2===6COeq \\al(2－,3)，
负极：2CH3OH－12e－＋6COeq \\al(2－,3)===8CO2↑＋4H2O
[对点训练5] (2017·武汉模拟)下图是以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图。关于该电池的叙述不正确的是( )
A．该电池不能在高温下工作
B．电池的负极反应为：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋
C．放电过程中，电子从正极区向负极区每转移1 ml，便有1 ml H＋从阳极室进入阴极室
D．微生物燃料电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相容性等优点，值得研究与推广
C [高温条件下微生物会死亡，该电池不能正常工作，A选项正确；电池的负极失电子，发生氧化反应，即葡萄糖失电子生成二氧化碳气体，B选项正确；放电过程中，电子从负极区向正极区转移，C选项错误；结合题给条件分析，D选项正确。]
[对点训练6] 近年来AIST报告正在研制一种“高容量、低成本”锂铜空气燃料电池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，下列说法不正确的是( )
A．放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动
B．放电时，负极的电极反应式为Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－
C．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
D．整个反应过程中，铜相当于催化剂
B [放电时，负极反应为Li －e－===Li＋，Li＋透过固体电解质向Cu极移动，A项正确；正极反应为Cu2O＋2e－＋H2O===2Cu＋2OH－，B项错误；通空气时，铜被氧化为Cu2O：4Cu＋O2===2Cu2O，总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，铜相当于催化剂，C、D正确。]
[对点训练7] (2016·烟台一模)LED系列产品是一类新型节能产品，图甲是NaBH4/H2O2燃料电池，图乙是LED发光二极管的装置示意图。下列叙述错误的是( )
【导学号：95812149】
A．电池A极区的电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－
B．电池放电过程中，Na＋从负极区向正极区移动
C．每有1 ml NaBH4参加反应转移电子数为4NA
D．要使LED发光二极管正常发光，图乙中的导线a应与图甲中的B极相连
C [A项，根据图甲知，双氧水得电子发生还原反应，则A电极为正极，正极电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－，故A正确；B项，电池放电过程中，阳离子移向正极，Na＋从负极区向正极区移动，故B正确；C项，负极发生氧化反应生成BOeq \\al(－,2)，电极反应式为BHeq \\al(－,4)＋8OH－－8e－===BOeq \\al(－,2)＋6H2O，有1 ml NaBH4参加反应转移电子数为8NA，故C错误；D项，要使LED发光二极管正常发光，图乙中的导线a阴极应与图甲中的B极负极相连，故D正确。]
[对点训练8] (1)(2013·全国卷Ⅰ节选)二甲醚(OCH3CH3)直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg－1)。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为__________________________，1个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生________个电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，能量密度E＝______________(列式计算。能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J)。
(2)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。
①电极A为________极，CO和H2按体积比1∶1发生的电极反应式为
_______________________________________。
②电极B的反应式为_____________________。
③COeq \\al(2－,3)向________极迁移(填A或B)。
[解析] (1)由题意可得：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，1个CH3OCH3产生12个电子。
(2)CO、H2为燃料，在负极上反应。
[答案] (1)CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋ 12 eq \f(\f(1.20 V×1 000 g,46 g·ml－1)×12×96 500 C·ml－1,1 kg)÷(3.6×106 J·kW－1·h－1)≈8.39 kW·h·kg－1
(2)①负 CO＋H2－4e－＋2COeq \\al(2－,3)===3CO2＋H2O
②O2＋4e－＋2CO2===2COeq \\al(2－,3)
③A[课堂小结·反馈达标1＋1] 全新理念 探究高考 明确考向
1．一组判断，展示高考易误点
(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)原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。( )
(3)MgAl形成的原电池，Mg一定作负极。( )
(4)Cu、Al、浓HNO3构成的原电池的负极反应为Al－3e－===Al3＋。( )
(5)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。( )
(6)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。 ( )
(7)以熔融Na2CO3为介质的H2燃料电池的负极反应为H2－2e－===2H＋。( )
(8)化学电源工作时，内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。( )
(9)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。( )
(10)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。( )
(11)二次电池充电时，二次电池的负极连接电源的负极，发生还原反应。( )
[答案] (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)√ (9)√ (10)× (11)√
2．一题串知，覆盖高考考什么
(1)(2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。
①右电极是________极，发生________反应。[考查原电池中电极判断及反应原理]
②两极反应式，负极________________________________________，
正极_______________________________________________。
[考查电极反应式的书写]
③质子向________极迁移(填“正”或“负”，下同)，电子从________极流出。[考查原电池反应时离子、电子移向]
④当有1 ml O2消耗时，C6H12O6消耗_____ ml。[考查原电池的有关计算]
(2)(2016·全国丙卷)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解值溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)eq \\al(2－,4)。
————————————————————————
①该燃料电池的负极材料是________，正极电极反应式为______________________。[考查化学电源放电原理和电极反应式]
②充电时，外接电源负极的燃料电池电极是________极，其电极反应式为________________________________。[考查化学电源充电原理]
③充电时，溶液中K＋向燃料电池的________极迁移(填“正”或“负”)。[考查化学电源充电时，离子迁移方向]
[答案] (1)①正 还原 ②C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋ 6O2＋24e－＋24H＋===12H2O
③正 负 ④0.17或eq \f(1,6)
(2)①Zn O2＋4e－＋2H2O===4OH－
②负 Zn(OH)eq \\al(2－,4)＋2e－===Zn＋4OH－
③负
考纲定位
考情播报
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。
2016·全国甲卷T11/全国丙卷T11
2015·全国卷ⅠT11/全国卷ⅡT26(1)(2)
2014·全国卷ⅡT12
2013·全国卷ⅠT10、T27(5)、T28(5)/全国卷ⅡT11
2012·全国卷T26(4)
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
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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