【同步讲义】高中化学（沪科版2020）选修第一册--4.2 原电池与化学电源 讲义

4.1.2   原电池和化学电源

知识点01  原电池

1、原电池的定义：把化学能转化为电能的装置叫原电池。

2、形成原电池的条件：

① 电极：有两种活性不同的金属（或一种是非金属导体）做电极，较活泼的金属为负极，较不活泼的金属（或非金属）为正极。（教学建议：对于成绩教好的学生，可以拓展一下特殊情况：镁铝为金属电极，电解液为氢氧化钠的时候，则镁作为正极）

② 电解质溶液：电极材料均插入电解质溶液中。

③ 整个装置必须形成闭合电路。

④ 自发进行的氧化还原反应

3、原电池的化学原理：

（1）自发进行的氧化还原反应在两极进行

（2）电子从负极（较活泼的金属）流向正极（较不活泼的金属或非金属），负极发生氧化反应，正极发生还原反应。教学建议：强调电子只在导线上定向流动，电解质溶液中有离子的定向移动，从而形成闭合回路

如：Cu─H2SO4─Zn原电池：

正极： 2H+ + 2e- = H2↑    正极得电子，发生还原反应

　　负极： Zn - 2e- = Zn2+      负极失电子，发生氧化反应

　  总反应式： Zn + 2H+ == Zn2+ + H2↑

4、原电池原理的应用：

（1）根据原电池中金属的活泼性：负极大于正极，用于比较金属的活泼性。（Al─NaOH─Mg原电池特例除外）

（2）一个自发进行的氧化还原反应设计为原电池反应可加快反应速率。（如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌反应快）

【即学即练1】回答下列问题：

(1)已知：①

②

则相同的状况下，能量较低的是_______(填“红磷”或“白磷”)；红磷的稳定性比白磷_______(填“高”或“低”)。

(2)和混合可作火箭推进剂，已知：液态和足量氧气反应生成和，放出的热量；。则液态和液态完全反生成和的热化学方程式为_______。

(3)一种以肼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，作电解质。负极反应式为_______正极反应式_______。每消耗肼流经电路电子数目为_______。

知识点02  常见的原电池和化学电源

（1）．钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀：正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

　　                                负极：2Fe - 4e- = 2Fe2+

　　                                总反应式：2Fe + O2 + 2H2O == 2Fe（OH)2

　　（2）．氢氧燃料电池（中性介质）：正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

　　                           负极：2H2 - 4e- = 4H+

　　                           总反应式：2H2 + O2 = 2H2O

　　（3）．氢氧燃料电池（酸性介质）：正极：O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O

　　                           负极：2H2 - 4e- = 4H+

　　                           总反应式：2H2 + O2 = 2H2O

　　（4）．氢氧燃料电池（碱性介质）：正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

　　                           负极：2H2- 4e- + 4OH- = 4H2O

　　                          总反应式：2H2+ O2= 2H2O

　　（5）．铅蓄电池（放电）：正极 (PbO2) ： PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ = PbSO4 + 2H2O

　　                   负极 (Pb) ：Pb - 2e-+ SO42-= PbSO4

　　                   总反应式：Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O　

　 （6）．Al─NaOH─Mg原电池：正极：6H2O + 6e- = 3H2↑ + 6OH-

　　                      负极：2Al - 6e- + 8OH- = 2AlO2- + 4H2O

　　                      总反应式：2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- + 3H2↑

【即学即练2】某电池以熔融的金属氧化物为电解质、为燃料，装置如图所示。下列说法正确的是

A．b极加入的物质为空气，发生还原反应

B．向b极移动

C．正极电极反应式为：

D．每消耗甲烷，导线中转移的电子数为

知识点03  原电池原理的应用：

（1）根据原电池中金属的活泼性：负极大于正极，用于比较金属的活泼性。（Al─NaOH─Mg原电池特例除外）

（2）一个自发进行的氧化还原反应设计为原电池反应可加快反应速率。（如：实验室制取氢气时，粗锌比纯锌反应快）

【即学即练3】我国研发了一种治理污水有机物的技术，通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚，其工作原理如图所示，下列说法正确的是下列说法正确的是

A．B极为电池的正极，发生还原反应

B．微生物膜的作用主要是提高B极的导电性

C．A极的电极反应式为

D．当除去0.1时，有0.4通过质子交换膜从A极向B极移动

常见考法一 原电池的构成原理

【例1】科学家最近发明了一种Al-PbO2电池，电解质为K2SO4、H2SO4、KOH，通过x和y两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域，结构示意图如图所示。下列说法正确的是

A．放电时，K+ 通过x膜移向M区

B．放电时，R区域的电解质浓度逐渐减小

C．放电时，Al电极反应为Al-3e- +4OH-=AlO+2H2O

D．放电时，消耗1.8g Al时N区电解质溶液质量减少19.6g

必杀技

【同步练习1】金属锌具有储量丰富、电池理论容量高、氧化还原电位低、对环境友好等诸多优势；锌的化合物在防腐、电镀、医学、纺织等领域有诸多应用。

(1)一种水性电解液离子选择双隔膜电池如图所示。放电结束后对左侧电极片进行紫外测试，可观测到在765nm处有一个较强的吸收峰，在615nm处有一个肩峰，与标准图像吻合。(注：可溶于水，强碱性环境下最终转化为)。

①该电池中b膜为_______离子交换膜。(填“阴”或“阳”)

②该电池正极的电极反应式为_______；当电路中转移1mol电子时，电极质量减少_______g。

(2)的浓溶液可形成配合酸，因此浓溶液常用作除锈剂。的溶液的酸性就相当千的酸。根据以上信息，请写出的浓溶液除铁锈的化学方程式_______。

(3)已知难溶于水，在强碱溶液中发生反应，下图是二价锌在水溶液中的存在形式与pH的关系，其中c为或浓度的值。

①_______。

②向的溶液中加入等体积的HCl后，体系中的Zn元素主要以_______(写微粒符号)形式存在。

常见考法二  常见的原电池反应

【例2】锂离子电池及其迭代产品依然是目前世界上主流的手机电池。近期研发的一种可充电电池的原理示意图如下，电池反应为，下列说法错误的是

A．充电时，脱嵌并移向钙电极

B．放电时，正极反应为

C．锂离子导体膜的作用是允许和水分子通过，同时保证定向移动以形成电流

D．充电时，当转移0.2电子时，理论上阴极室中电解质的质量减轻2.6g

必杀技

【同步练习2】北京化工大学开发的一种流动电池的原理如图所示，其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动，在电池外部调节电解质溶液，以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。下列有关说法不正确的是

A．调节电解质溶液的方法是补充

B．a极为负极，b极为正极

C．电池总反应为

D．该电池工作时，电极附近溶液的增大

常见考法三  原电池的应用

【例3】优质的锂碘电池植入体内，可用十年之久，这对携带心脏起搏器的病人十分有利。它的正极材料是聚2–乙烯吡啶(简写为)和的复合物，电解质是固态薄膜状的碘化锂，主要传导锂离子，电池总反应为()。下列有关该电池的说法错误的是

A．放电过程中固态电解质薄膜的质量逐渐减小

B．负极质量不断减少

C．正极反应为

D．该电池具有可不间断工作、体积小、质量小、寿命长等优点

必杀技

【同步练习3】氨是重要的化工原料，已知在纯氧中燃烧的能量变化如图。

(1)已知：  ，则的燃烧热的热化学方程式为_______。

(2)的燃烧反应可设计成燃料电池，工作原理如图甲所示。电极b为_______(填“正极”或“负极”)；电极a上的电极反应为_______。当共消耗1.568 L(标准状况)气体时，通过负载的电子的物质的量为_______mol。

(3)一种肼()燃料电池的工作原理如图乙所示。

①a极的电极反应式为_______；电池中的离子方程式为_______。

②若利用该电池给铅酸蓄电池充电，当消耗3.2 g 时，电极质量_______(填“增加”或“减少”)_______g。

题组A  基础过关练

1．钾离子电池因其低成本和较高的能量/功率密度，引起了广泛关注。一种钾离子电池的总反应为，其工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．该电池的交换膜为阴离子交换膜

B．充电时，a极接电源的负极发生氧化反应

C．放电时，b极发生的反应为

D．放电时，理论上电路通过，a极质量减小

2．《梦溪笔谈》中记载了铁釜熬炼胆矾制铜的过程，主要反应的化学方程式为，下列说法正确的是

A．胆矾是的俗称

B．该反应可设计成原电池，其中铁作正极

C．和的水溶液均显酸性

3．下列图示与对应的叙述相符的是

A．图①表示一定条件下进行的反应各成分的物质的量变化，时刻改变的条件可能是扩大容器容积

B．图②表示化学反应的能量变化，则该反应的反应热

C．图③表示Zn、Cu和稀硫酸构成的原电池在工作过程中电流强度的变化，T时加入了

D．图④表示在饱和溶液中加入固体后，溶液中的浓度变化

4．下图原电池装置中，用盐桥连接两烧杯中的电解质溶液。盐桥中阳、阴离子的电迁移率应尽可能地相近。(电迁移率用表示，单位：)。下列有关说法不正确的是

A．盐桥中的电解质可以为

B．盐桥中的阳离子进入右侧烧杯溶液中

C．电流计读数不变时，向右侧烧杯中加入硫酸铁固体，指针会继续偏转

D．电池反应一段时间后，测得左侧溶液中增加了，则右侧溶液中为

5．用于驱动潜艇的液氨—液氧燃料电池示意图如图所示。下列有关说法不正确的是

A．电极2发生还原反应

B．电池工作时，Na+向负极移动

C．电子由电极1经外电路流向电极2

D．电极1的电极反应为

6．依据氧化还原反应：2Ag+(aq)+Cu(s)=2Ag(s)+Cu2+(aq)设计的原电池如下图所示。

请回答下列问题：

(1)电极X的材料是_______，电解质溶液Y是_______。

(2)银电极为原电池的_______极，发生的电极反应为_______。

(3)X电极上发生的电极反应为_______。

(4)导线中电流方向是_______(填“X=银”或“银=X”)。

题组B  能力提升练

7．下列化学用语书写不正确的是

A．过氧化钠与水反应离子方程式：

B．常温下溶液

C．悬浊液中存在沉淀溶解平衡：

D．酸性氢氧燃料电池的正极电极反应：

8．下列原电池装置图示中电子或离子流向、正极或负极等标注不正确的是

A．A B．B C．C D．D

9．十九大报告中提出要“打贏蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是

A．该电池放电时质子从Pt2电极经过内电路流到Pt1电极

B．Pt1电极附近发生的反应为

C．Pt2电极附近发生的反应为

D．相同条件下，放电过程中消耗的和的体积比为2：1

10．镀锌铁钉放入棕色的碘水中，溶液褪色；取出铁钉后加入少量漂白粉，溶液恢复棕色；加入CCl4，振荡，静置，液体分层，上层溶液褪色；加入少量KI溶液，振荡，静置，液体重新分层，上层溶液又恢复棕色。下列说法正确的是

A．第一次溶液褪色原因为I2被Fe还原 B．镀锌铁钉比镀锡铁钉更易生锈

C．溶液第一次恢复棕色的原因为I-被氧化 D．上层溶液又恢复棕色的原因为I-被氧化

11．一种铝胺电池的工作原理如图所示。已知代表三苯基胺，下列说法不正确的是

A．放电时，正极的电极反应为

B．充电时，阴极的电极反应为

C．放电时，向铝电极移动

D．理论上每生成1mol，铝电极减少18g

12．我国科学家最近发明了一种电池，电解质为和，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三个电解质溶液区域，结构示意图如下：

回答下列问题：

(1)电池中，为极，B区域的电解质为___________(填“”“”或“”)。

(2)电池反应的离子方程式为___________。

(3)阳离子交换膜为图中的___________(填“a”或“b”)膜。

(4)此电池中，消耗，理论上可产生的容量(电量)为___________毫安时(电子的电量为，，结果保留整数)。

(5)已知E为电池电动势[电池电动势即电池的理论电压，是两个电极电位之差，]，为电池反应的自由能变，则该电池与传统铅酸蓄电池相比较，___________；___________(填“>”或“<”)。

题组C  培优拔尖练

13．一种锌钒(Zn/V2O5))水性混合离子电池的结构示意图如图，放电时正极发生的反应为xLi++xe-+V2O5=LixV2O5。下列说法错误的是

A．放电时，Li+在正极被还原

B．充电时，溶液中Li+浓度不断增大

C．充电时，电极B上的电势比电极A的高

D．放电时，电极A每减少6.5g，有0.2molLi+嵌入电极B

14．我国科学家最近发明了一种电池，电解质为、和，由a和b两种离子交换膜隔开，形成A、B、C三种电解质溶液区域，结构示意图如下，下列说法正确的是

A．负极的电极反应式为：

B．b膜是阳离子交换膜

C．放电结束后B区的电解质溶液浓度减小

D．每转移电子C区溶液质量减少80克

15．化学创造美好生活。下列生产活动中，没有运用相应化学原理的是

A．A B．B C．C D．D

16．微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。某污水处理厂利用微生物燃料电池处理含铬废水的工作原理如图所示。下列说法错误的是

A．电池工作时a极发生氧化反应

B．a极的电极反应式为

C．每处理，a电极上会生成

D．电池工作一段时间后，右边溶液的酸性增强

17．某化学兴趣小组同学查阅资料得知，常温下，对于任一电池反应，其电动势，n为电池反应中转移的电子数。该小组同学设计原电池装置(如图1所示)，来探究离子浓度的改变对电极电势的影响，测得初始时  (该反应中)，随着放电的进行，观察电池电动势的变化趋势并绘制了电池电动势E与的变化关系，如图2所示。下列说法正确的是

A．电压表读数为零，则说明该原电池中被消耗完全

B．该小组同学推测图2中直线与横轴的交点坐标大约为

C．该小组同学向溶液和溶液中同时快速加入少量等体积等浓度的溶液，发现电池电动势突然减小，则可知：

D．该小组同学推测若将初始时左侧1的半电池，换为1的半电池，右侧半电池保持不变，则仍能观察到相同的电压表偏转情况

18．一种全氢电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．X极为全氢电池的正极

B．该电池将化学能转化成电能

C．电极Y的电极反应式为：

D．反应一段时间后左室增大

19．研究、、CO等气体的无害化处理，对治理大气污染、建设生态文明具有重要意义。请按要求回答下列问题。

(1)用_______(填化学式)处理尾气，反应生成和。

(2)将废气通入质子膜燃料电池(如下图所示)，回收单质同时使能量得到再利用。

①电池的负极为电极_______(填字母)。

②经质子膜进入区域为_______(填字母)。

③正极电极反应式为_______。

④电路中每通过0.4mol，吸收_______mol。

(3)将CO通过反应，转化为氢能源。

①判断该反应能自发进行的依据是_______。

②欲使CO的平衡转化率提高，可采取的措施有_______。

③在容积2L的密闭容器中，将20molCO(g)与80mol混合加热到830℃，发生上述反应，经10min达到平衡，此时。

ⅰ.CO的转化率为_______；

ⅱ.0~10min内该反应的平均反应速率_______；

ⅲ.该反应的平衡常数为_______。

④实验发现，其他条件不变，在相同时间内，向上述体系中投入一定量的CaO。对比实验的结果如图所示，可得结论：

ⅰ._______，其理由是_______。

ⅱ.微米CaO和纳米CaO对平衡的影响不同，其理由是纳米CaO比微米CaO的颗粒更小，表面积更大，能吸收更多。