1、第2节 原电池 化学电源,-2-,考纲要求:1.理解原电池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。 2.了解常见化学电源的种类及工作原理。,-3-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,原电池及其工作原理 1.定义 原电池是把化学能转化为电能的装置。 2.工作原理 以铜锌原电池为例:,-4-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,(2)两种装置比较。 盐桥的作用:a.连接内电路形成闭合回路。b.维持两电极电势差(中和电荷),使电池能持续提供电流。 装置中有部分Zn与Cu2+直接反应,使电池效率降低;装置中使Zn与Cu2+隔离,电池效率提高,电流稳定。,-5-,考点一,
2、考点二,基础梳理,考点突破,考点三,-6-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,特别提醒(1)只有能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。 (2)活动性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。 (3)电子不能通过电解质溶液,溶液中的离子不能通过盐桥。 (4)负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数。 (5)对于同一反应,原电池反应速率一定比直接发生的氧化还原反应的速率大,原因是电子的移动定向了,故反应速率增大。,-7-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,自主巩固 判断正误,正确的画“”,错误的画“”。 (1)原电池可将化学能转化为电能,原电池需外接电源才能工作 ( )
3、 (2)NaOH溶液与稀硫酸反应是放热反应,此反应可以设计成原电池 ( ) (3)Fe+CuSO4=FeSO4+Cu的反应可以设计成原电池 ( ) (4)氧化还原反应2H2O 2H2+O2可以设计成原电池 ( ) (5)同种条件下,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长 ( ) (6)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极 ( ) (7)在原电池中,负极材料的活动性一定比正极材料的活动性强( ),-8-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,1.图解原电池工作原理,-9-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,2.原电池中正、负极的判断 判断原电池的正负极需抓住
4、闭合回路和氧化还原反应进行分析,如图,注意:原电池的正负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成思维定式活泼金属一定是负极。如Al、Mg和NaOH溶液构成的原电池中,Al为负极,Mg为正极。,-10-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,例1(2017全国)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(2x8)。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
5、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Li2S2的量越多,答案,解析,-11-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,例2(2018安徽蚌埠模拟)如图是某同学设计的原电池装置,下列叙述中正确的是( )A.氧化剂和还原剂必须直接接触才能发生反应 B.电极上发生还原反应,作原电池的正极 C.该原电池的总反应式为2Fe3+Cu=Cu2+2Fe2+ D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,K+移向负极区,答案,解析,-12-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,答题模板 书写电极反应式的三个步骤 列物质标得失按照负极发生氧化反应,正极发生还原反应,判断出电极反应物和产物,
6、找出得失电子的数量。 看环境配守恒电极产物在电解质溶液的环境中,应能稳定存在,如碱性介质中生成的H+应让其结合OH-生成水。电极反应式要遵守电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等,并加以配平。 两式加验总式两电极反应式相加,与总反应方程式对照验证。,-13-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,跟踪训练 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( )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,答案,解析,-1
7、4-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,2.(1)观察如图四个装置,回答下列问题:,装置a和b中铝电极上的电极反应式分别为、 。 装置c中产生气泡的电极为 (填“铁”或“铜”)电极,装置d中铜电极上的电极反应式为 。,-15-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,(2)观察如图两个装置,图甲装置中铜电极上产生大量的无色气泡,图乙装置中铜电极上无气体产生,而铬电极上产生大量的有色气体。根据上述现象试推测金属铬具有的两种重要化学性质为、。,-16-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,-17-,考点一,考点二,基础梳理,考点三,原电池原理的应用 原电池在化工、农业生产及科
8、学研究中的应用 1.加快氧化还原反应速率 一个自发的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大,例如Zn与稀硫酸反应时加入少量的CuSO4溶液能使产生氢气的速率增大。 2.比较金属活动性强弱 金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属活动性比作正极的强。 3.金属的防护 使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护。例如,保护铁制输水管或钢铁桥梁,可用导线将其和一块锌块相连,使Zn作原电池的负极。,考点突破,-18-,考点一,考点二,基础梳理,考点三,4.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)根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。,考点突破,
9、-19-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,自主巩固 (1)用稀硫酸与锌粒反应制取氢气,加入少量硫酸铜可以增大化学反应速率的原因: Zn与CuSO4反应生成Cu,形成铜锌原电池,可以增大反应速率。 (2)A、B两种金属用导线连接,放入稀硫酸中,B的质量逐渐减小,则两种金属的活动性AB。,-20-,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,考点三,原电池的设计方法 设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是: (1)首先判断出氧化还原反应中的还原剂和氧化剂,将还原剂(一般为比较活泼金属)作负极,活动性比负极弱的金属或非金属作正极,含氧化剂的溶液作电解质溶液。 (2)如果两个半反应分别在要
10、求的两个容器中进行(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的金属的阳离子。,-21-,考点一,考点二,考点三,基础梳理,考点突破,-22-,考点一,考点二,考点三,例3不同形式的能量之间可相互转化:电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能,而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。 限选材料:ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。 (1)完成原电池甲的装置示意图(见右图),并作相应标注。 要求:在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。,基础梳理,考点突破,-23-,考点一,考点二,考点三,(2)
11、以铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极 。 (3)甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是 ,其原因是 。,基础梳理,考点突破,-24-,考点一,考点二,考点三,答案:(1),(2)被腐蚀 (3)甲 电池乙的负极可与CuSO4溶液直接发生反应,导致部分化学能转化为热能;电池甲的负极不与所接触的电解质溶液反应,化学能在转化为电能时损耗较小,基础梳理,考点突破,-25-,考点一,考点二,考点三,解析:(3)以Zn和Cu作电极为例分析,如果不用盐桥则除了电化学反应外还发生Zn与Cu2+的置换反应,反应放热,会使部分化学能以热
12、能形式散失,使其不能完全转化为电能,而盐桥的使用,可以避免Zn和Cu2+的接触,从而避免能量损失,提供稳定电流。,基础梳理,考点突破,-26-,考点一,考点二,考点三,易错警示 原电池装置图常见失分点警示 (1)没有注明电极材料名称或元素符号。 (2)没有画出电解质溶液或画出但未标注。 (3)误把盐桥画成导线。 (4)没有连成闭合回路。,基础梳理,考点突破,-27-,考点一,考点二,考点三,跟踪训练 3.四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。相连时,外电路电流从流向;相连时,为正极;相连时,上有气泡逸出;相连时,的质量减少。据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是( ) A. B. C
13、. D.,B,基础梳理,考点突破,解析:由原电池原理判断金属活动性,外电路电流从流向,为正极,金属活动性;相连,为正极,金属活动性;相连,上有气泡(H2)逸出,为正极,金属活动性;相连,质量减少,则金属活动性,即金属活动性顺序为,B正确。,-28-,考点一,考点二,考点三,4.向两份等质量的铁粉a、b中分别加入过量的稀硫酸,同时向b中加入少量的CuSO4溶液,下列各图表示的是产生H2的体积V(同温同压下测定)与时间t的关系,其中正确的是( ),B,基础梳理,考点突破,解析:因为b中有一部分铁粉与硫酸铜反应生成Cu,Fe、Cu和稀硫酸构成原电池,使反应速率加快,反应完成所需的时间缩短,但产生氢气
14、的体积小于a。,-29-,考点一,考点二,考点三,基础梳理,考点突破,5.(1)事实证明,能设计成原电池的反应通常是放热反应,下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是 (填字母)。 A.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) H0 B.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) H0 C.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) H0 若以KOH溶液为电解质溶液,依据所选反应设计一个原电池,其正极的电极反应为 。,-30-,考点一,考点二,考点三,基础梳理,考点突破,(2)某同学用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有含琼胶的KNO3饱
15、和溶液的U形管)设计成一个原电池,如图所示,下列判断中正确的是 (填字母)。 A.实验过程中,左侧烧杯中 浓度不变 B.实验过程中取出盐桥,原电池能继续工作 C.若开始时用U形铜代替盐桥,装置中无电流产生 D.若开始时用U形铜代替盐桥,U形铜的质量不变,答案 (1)B O2+4e-+2H2O=4OH- (2)D,-31-,考点一,考点二,考点三,基础梳理,考点突破,-32-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,化学电源,-33-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,-34-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,-35-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,自主巩
16、固 判断正误,正确的画“”,错误的画“”。 (1)燃料电池中通入燃料的一极为负极 ( ) (2)多孔碳可用作氢氧燃料电池的电极材料 ( ) (3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极,电极反应式为O2+4H+4e-=2H2O ( ) (4)根据反应4Li+FeS2=Fe+2Li2S设计的可充电电池是一种应用广泛的锂电池,可用水溶液作电解质溶液 ( ) (5)可充电电池的放电反应和充电反应是可逆反应 ( ) (6)原电池中的电解质溶液一定参与反应 ( ),-36-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,(7)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH+H2
17、O-4e-=CH3COOH+4H+,正极上发生的反应为O2+2H2O+4e-=4OH- ( ) (8)锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2 C+LiCoO2,放电时Li+向负极移动 ( ) (9)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应 ( ),-37-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,1.可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极连接方式,-38-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,2.利用“加减法”书写原电池电极反应式 (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。 负极反
18、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。 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。,-39-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,(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
19、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。,-40-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,答案,解析,-41-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,例5(2018全国)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,答案,解析,-42
20、-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,方法指导 新型化学电源解题技巧 (1)新型电池“放电”时正极、负极的判断,(2)新型电池“放电”时电极反应式的书写 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式,可以利用“总反应式-较简单一极的电极反应式=较复杂一极的电极反应式”的方法解决。,-43-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,(3)新型电池“充、放”电时离子移动的方向,-44-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,跟踪训练 6.液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小,无须气体存储装置等优点。某科研
21、人员设计了以液态肼(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(如图所示)。该固体氧化物电解质的工作温度高达700900 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.电极甲为电池正极 B.电池总反应为N2H4+2O2=2NO+2H2O C.电池正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH- D.图示中的O2-由电极乙移向电极甲,答案,解析,-45-,考点三,考点一,考点二,基础梳理,考点突破,A.电极b是正极 B.质子从b极移向a极 C.处理后的废水pH降低 D.a极的电极反应式:,答案,解析,-46-,单池原电池与
22、盐桥原电池的对比,-47-,-48-,下列叙述中正确的是( ) A.甲组操作时,电流表(A)指针发生偏转 B.甲组操作时,溶液颜色变浅 C.乙组操作时,C4作正极 D.乙组操作时,C3上发生的电极反应为I2+2e-=2I-,答案,解析,-49-,跟踪训练 1.一种微生物燃料电池如图所示,下列关于该电池的说法正确的是( )A.a电极发生还原反应 B.H+由右室通过质子交换膜进入左室 C.b电极的反应为 D.电池工作时,电流由a电极沿导线流向b电极,答案,解析,-50-,2.高铁酸钾(K2FeO4)是一种理想的水处理剂。目前人们正在研制高铁电池,如图1是高铁电池的模拟实验装置:,-51-,(1)该
23、电池放电时正极的电极反应式为 ; 若维持电流为1 A,电池工作十分钟,理论消耗Zn g(已知F=96 500 Cmol-1)。 (2)盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向 (填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向 (填“左”或“右”)移动。 (3)图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有 。,-52-,-53-,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.原电池中的4个“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
24、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6种方法 电极材料、电极现象、电子移动方向、离子移动方向、得失电子、电解质溶液。,-54-,-55-,2,1,3,4,6,5,1.下列装置不能形成原电池的是( ),答案,解析,-56-,2,1,3,4,6,5,答案,解析,-57-,4,3,1,2,6,5,3.(2017天津理综)下列能量转化过程与氧化还原反应无关的是( ) A.硅太阳能电池工作时,光能转化成电能 B.锂离子电池放电时,化学能转化成电能 C.电解质溶液导电时,电能转化成化学能 D.葡萄糖为人类生命活
25、动提供能量时,化学能转化成热能,A,解析:B项、C项属于电化学反应,一定有电子转移,一定发生氧化还原反应;D项营养物质为人类提供能量的过程,是被O2氧化的过程,发生了氧化还原反应;A项光能转化成电能的过程没有新物质生成,没有发生化学反应,故选A。,-58-,4,3,1,2,6,5,C,-59-,6,5,3,1,2,4,5.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( )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,答
26、案,解析,-60-,6,5,3,1,2,4,6.(1)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。 该电池的正极反应式为 ,电池反应的离子方程式为 。 维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,理论上消耗锌 g。(已知F=96 500 Cmol-1) (2)锂离子电池的应用很广,其正极材料可再生利用。某锂离子电池正极材料有钴酸锂(LiCoO2),导电剂乙炔黑和铝箔等。充电时,该锂离子电池负极发生的反应为6C+xLi+xe-=LixC6。 充放电过程中,发生LiCoO2与Li1-xCoO2之间的转化,写出放电时电池反应方程式 。 利用“放电处理”回收锂电池中的金属锂,“放电处理”有利于锂在正极的回收,其原因是 。,-61-,6,5,3,1,2,4,-62-,6,5,3,1,2,4,
