第二讲 原电池 化学电源 1．了解原电池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。 2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。
1．新型电池的原理分析，电极判断，电极和电池反应式的书写。 2．原电池在能源危机的作用。
一、原电池 1．装置特点： 转化为 。 2．原电池的电极 原电池的负极—— 金属——发生 反应——向外电路 电子 原电池的正极—— 金属(或惰性电极如石墨)——发生 —— 外电路提供的电子 化学能 电能 活泼 氧化 提供 不活泼 还原反应 接受
3．原电池的构成条件 (1)能自发地发生 。 (2)电解质溶液(构成电路或参加反应)。 (3)由还原剂和导体构成 极系统，由氧化剂和导体构成 极系统。 (4)形成 (两电极接触或用导线连接)。 氧化还原反应 负 正 闭合回路
4．工作原理(以锌—铜原电池为例，如图所示) 电极名称 负极 正极 电极材料 电极反应 反应类型 氧化反应 还原反应 电子流向 由 沿导线流向______ 盐桥中离子流向 阴离子流向负极，阳离子流向正极 电池反应方程式 Zn Cu Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 负极 正极 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
原电池内部阴、阳离子如何移动？为什么？ 提示 阴离子移向负极、阳离子移向正极，这是因为负极失电子，生成大量阳离子聚集在负极附近，致使该极附近有大量正电荷，所以溶液中的阴离子要移向负极；正极得电子，该极附近的阳离子因得电子生成电中性物质而使该极附近带负电荷，所以溶液中阳离子要移向正极。
原电池的模型中常用盐桥连接，它的作用是什么？能否用一导线代替？ 提示 盐桥的作用是连接两烧杯中的电解质形成闭合回路，通过带电离子的定向移动，平衡烧杯中电解质溶液的电荷，不能用一根导线连接，因为导线是不能传递阴阳离子的。
二、常见化学电源 电池 负极反应 正极反应 总反应式 碱性锌锰 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 铅蓄电池 Pb(s)＋PbO2(s)＋ 2H2SO4(aq)=== 2PbSO4(s)＋2H2O(l) Zn＋2MnO2＋ 2H2O===2MnOOH ＋Zn(OH)2 Zn＋2OH－－2e－ ===Zn(OH)2
电池 负极反应 正极反应 总反应式 氢氧 燃料 酸性 2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋=== 2H2O 2H2＋O2==2H2O 碱性 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O=== 4OH－ 固体 O2＋4e－===2O2－
可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接？ 提示 可充电电池充电时的电极接法为：
四个观察 原电池的四个判定方法 ①观察电极——两极为导体且存在活泼性差异(燃料电池 的电极一般为惰性电极)； ②观察溶液——两极插入溶液中； ③观察回路——形成闭合回路或两极直接接触； ④观察本质——原电池反应是自发的氧化还原反应。
四个规律 金属腐蚀的四个规律 ①电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学 腐蚀>有防护措施的腐蚀。 ②对同一种金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液>弱电 解质溶液>非电解质溶液。 ③活泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快。 ④对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐 蚀越快。
问题征解 在金属的电化学腐蚀中，做氧化剂的只有O2和H＋吗？ 提示 不是。其他氧化性微粒也可以使金属发生电化学腐 蚀。
必考点47 原电池正负极的判断方法和电极反应式的书写 一、原电池的正负极的判断
二、电极反应式的书写 1．一般电极反应式的书写
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸 Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40% NaOH溶液 结果发现电流表指针均发生偏转。 试回答下列问题： (1)两次操作中指针为什么发生偏转？ (2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反？试用化学平衡移动原理解释之。 (3)操作Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为________________________________________________________________________；
(4)操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为________________________________________________________________________。 (5)操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向______烧杯溶液(填“A”或“B”)。
——原电池正负极判断的注意点 ①原电池正、负极的判断基础是自发进行的氧化还原反应，如果给出一个化学反应方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，发生氧化反应的一极为负极，发生还原反应的一极为正极。 ②判断电极时，不能简单地依据金属的活泼性来判断，要看反应的具体情况，如：a.Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子，Al作负极，Mg作正极；b.Fe、Al在浓HNO3中钝化后，比Cu等金属更难失电子，Cu等金属作负极，Fe、Al作正极。
【应用1】 (2013·保定质检)原电池正、负电极的极性不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列由不同材料组成的原电池，电极反应正确的是 ( )。 A．由Fe、Cu与稀硫酸组成的原电池，其负极反应式为 Fe－3e－===Fe3＋ B．由Al、Mg与氢氧化钠溶液组成的原电池，其负极反 应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2 C．由Pb、Cu与氯化铁溶液组成的原电池，其正极反应 式为Cu－2e－===Cu2＋ D．由Al、Cu与浓硝酸组成的原电池，其负极反应式为 Cu－2e－===Cu2＋
答案 D
必考点48 原电池原理在化工、农业生产及科研中的应用 1．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增大。 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。 2．比较金属活动性强弱 两种金属分别做原电池的两极时，一般做负极的金属比做正极的金属活泼。 例如，有两种金属a、b，用导线连接后插入到稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则推测a为负极，b为正极，则金属活动性a＞b。
3．用于金属的防护 使被保护的金属制品做原电池正极而得到保护。 例如，要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌做原电池的负极。 4．设计电池，制造化学电源 如根据以下反应设计的原电池如下表所示： 原理 负极 正极 电解质 溶液 电极反应 2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 Cu C(Fe3＋) FeCl3 负极：Cu－2e－===Cu2＋ 正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
5.探究金属腐蚀的快慢规律 不同类型的腐蚀规律 电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀
【典例2】 (2012·吉林期末质检)实验发现，298 K时，在FeCl3酸性溶液中加入少量锌粒后，Fe3＋立即被还原成Fe2＋。某化学兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示的原电池装置。下列有关说法中正确的是 ( )。 A．该原电池的正极反应是： Zn—2e－===Zn2＋ B．左烧杯中溶液的红色逐渐褪去 C．该电池铂电极上有气泡出现 D．该电池总反应为：3Zn＋2Fe3＋===2Fe＋3Zn2＋
解析 正极是得电子的反应，A错误；左烧杯中的电极反应式为Fe3＋＋e－===Fe2＋，B正确、C错误；因为在金属活动性顺序中铁排在H的前面，在酸性溶液中不会生成Fe，D错误。
理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。 (1)将氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两个半反应，分别作原电池的负极和正极。 (2)确定电极材料,如发生氧化反应的物质为金属单质，可用该金属直接作负极；如为气体(如H2)或溶液中的还原性离子，可用惰性电极(如Pt、碳棒)作负极。,发生还原反应的电极材料必须不如负极材料活泼。 (3)确定电解质溶液,一般选用反应物中的电解质溶液即可。 (4)构成闭合回路。
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， 乙中的石墨电极为负极
答案 D
原电池反应的本质就是氧化还原反应。因此正确书写氧化还原反应方程式并能标出电子转移的方向和数目是正确书写电极反应式的基础，通过电池反应中转移电子的数目可确定电极反应中得失的电子数目，通过电池反应中的氧化剂、还原剂和氧化产物、还原产物可确定电极反应中的反应物和产物。具体步骤如下：
①首先根据题意写出电池反应。 ②标出电子转移的方向和数目，指出氧化剂、还原剂。 ③根据还原剂——负极材料，氧化产物——负极产物，氧 化剂——正极材料，还原产物——正极产物来确定原电池的 正、负极和反应产物。根据电池反应中转移电子的数目来确 定电极反应中得失的电子数目。 ④注意环境介质对反应产物的影响。 ⑤写出正确的电极反应式。
试卷采样 (12分)某学校研究性学习小组欲以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。 (1)给你一只安培表，请你画出该原电池的示意图，并标出正负极。
当场指导 审题指导 在所给的电极材料中，铝片能与NaOH溶液发生自发的氧化 还原反应： 2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑ 还原剂 氧化剂 氧化产物 还原产物 由此可知： 负极(Al)：2Al－6e－＋8OH－===2[Al(OH)4]－ 正极(Mg)：6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－
失分提示 1．原电池的正极和负极除与活泼性有关外，还与接触到溶 液的酸碱性有关。 2．原电池中电极反应与溶液的酸碱性有一定关系。
评分细则 (1)如右图所示(4分)(不标正负极扣2分) (2)2Al＋8OH－－6e－=== 2[Al(OH)4]－(4分) (3)6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－(4分)
Hold住考向 考向1 原电池的工作原理 5年12考 考向2 原电池原理的综合应用 5年8考
名师揭秘 原电池原理的分析和应用是高考的热点。预测2014年关于新型电源的工作原理分析、电极反应式的书写仍会在高考中出现，必须高度关注。
角度1.原电池工作原理 1．(2012·福建理综，9)将下图所示实验装置的K闭合，下列判断正确的是 ( )。
答案 A
2．(2011·广东，12)某小组为研究电化学原理，设计如图装置，下列叙述不正确的是 ( )。 A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出 B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为： Cu2＋＋2e－===Cu C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解， 溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色 D．a和b分别连接直流电源正、负极， 电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动
解析 a和b不连接时，铁与CuSO4溶液发生反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，A项正确；a和b用导线连接时，组成了原电池，Fe作负极，Cu作正极，铜片上发生还原反应：Cu2＋＋2e－===Cu，铁片上发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋，B项正确；通过以上分析可知，无论a和b是否连接，均发生反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，故溶液均从蓝色(Cu2＋的颜色)逐渐变成浅绿色(Fe2＋的颜色)，C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，构成电解池，铜片作阳极，铁片作阴极，Cu2＋应向阴极(铁电极)移动，D项错误。 答案 D
角度2.新型化学电池 3．(2011·福建，11)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 ( )。 A．水既是氧化剂又是溶剂 B．放电时正极上有氢气生成 C．放电时OH－向正极移动 D．总反应为：2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 解析 在原电池中电解质溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。 答案 C
4．(2011·安徽理综，12)研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是 ( )。 A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 C．Na＋不断向“水”电池的负极移动 D．AgCl是还原产物
解析 A项，Ag＋Cl－－e－===AgCl应为负极反应式，故错误；B项，负极只有Ag失电子，根据电荷守恒，由总反应式可知B项正确；C项，Na＋向正极移动，故错误；D项，AgCl为氧化产物，故错误。
1．(2012·全国，11)①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③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．①③②④ B．①③④② C．③④②① D．③①②④
解析 ①②相连时，外电路电流从②流向①，说明①为负极，②为正极，金属活动性：①＞②；①③相连时，③为正极，①为负极，金属活动性：①＞③；②④相连时，②上有气泡逸出，说明④为负极，②为正极，金属活动性：④＞②；③④相连时，③的质量减小，说明③为负极，④为正极，金属活动性：③＞④。由此可知，金属活动性：①＞③＞④＞②，B项正确。 答案 B
角度2.电化学腐蚀与防护 2．(2012·山东理综，13)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是 ( )。
A．图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重 B．图b中，开关由M改置于N时，CuZn合金的腐蚀速率减小 C．图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大 D．图d中，ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
解析 A项，因液面处氧气的浓度大且与海水接触，故在液面处铁棒腐蚀最严重；C项，接通开关后形成原电池，Zn的腐蚀速率增大，H＋在Pt电极上放电产生H2；D项，干电池自放电腐蚀是NH4Cl产生的H＋的氧化作用引起的。 答案 B
3．(2011·浙江理综，10)将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是 ( )。
A．液滴中的Cl－由a区向b区迁移 B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为： O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈 D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu－2e－===Cu2＋
解析 Cl－由b区向a区迁移，A错；正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B正确；由题干知铁板发生吸氧腐蚀，铁作负极，发生氧化反应，因此C项错；铜螺丝钉作正极，因此D错。
角度3.电池在工农业生产和生活中的应用 4．(2012·四川理综，11)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－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是( )。 A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动 B．若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气 C．电池反应的化学方程式为： CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
解析 A项，检测时，电解质溶液中的H＋移向正极；B项，若反应中有0. 4 mol电子转移，则在标况下消耗的O2体积为2 解析 A项，检测时，电解质溶液中的H＋移向正极；B项，若反应中有0.4 mol电子转移，则在标况下消耗的O2体积为2.24 L；D项，电解质溶液呈酸性，正极上发生的反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。 答案 C
5．(2012·海南化学，16)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。
回答下列问题： (1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为________、________； (2)闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生，其中b电极上得到的是________，电解氯化钠溶液的总反应方程式为 _________________________________________________。 (3)若每个电池甲烷通入量为1 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解池的电量为________(法拉第常数F＝9.65×104 C·mol－1，列式计算)，最多能产生的氯气体积为________L(标准状况)。
【常见考点】 ①原电池原理在新型电池中的应用 ②原电池原理在工农业生产中的应用 ③金属活泼性强弱比较的实验探究 ④金属腐蚀快慢因素的实验探究 【常考题型】 ①选择题 ②填空题
【样题1】 原电池原理在工农业生产和生活中的应用 我国大力发展清洁能源产业，以太阳能为代表的新能源产业规模发展迅速。试完成下列问题：
(2)为体现节能减排的理念，中国研制出了新型燃料电池汽车，该车装有“绿色心脏”——质子交换膜燃料电池。如图是某种质子交换膜燃料电池原理示意图。该电池的正极是________(填“a”或“b”，下同)极，工作过程中，质子(H＋)透过质子交换膜移动到________极。写出该电池的负极反应式为：____________________________________________。
(3)最近，合肥开工建设大型太阳能电池板材料生产基地，这种材料主要是高纯度的硅，下面关于硅的叙述中，正确的是 ( )。 A．硅的非金属性比碳弱，只有在高温下才能跟氢气起化合 反应 B．SiO2与碳酸钠固体高温条件下反应，说明硅酸的酸性强 于碳酸 C．SiO2是酸性氧化物，它不溶于任何酸 D．虽然硅的化学性质不活泼，但在自然界中以化合态存在 E．硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在 所有的元素中居第一位
【样题2】 新型电池的开发和利用 (2012·黄冈二模)(1)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池的工作原理如图一所示。
①该电池正极的电极反应式为________________________________________________。 ②电池在放电过程中，b对应的电极周围溶液的pH________(填“增大”、“减小”或“不变”)。 (2)以上述电池为电源，通过导线与图二电解池相连。 ①X、Y为石墨，a为2 L 0.1 mol·L－1 KCl溶液，写出电解总反应的离子方程式：_______________________________。 ②X、Y分别为铜、银，a为1 L 0.2 mol·L－1 AgNO3溶液，写出Y电极反应式：_________________________________。
(3)室温时，按上述(2)①电解一段时间后，取25 mL上述电解后的溶液，滴加0 (3)室温时，按上述(2)①电解一段时间后，取25 mL上述电解后的溶液，滴加0.4 mol·L－1醋酸溶液得到图三所示曲线(不考虑能量损失和气体溶于水，溶液体积变化忽略不计)。 ①结合图三计算，上述电解过程中消耗二甲醚的质量为________。 ②若图三的B点pH＝7，则滴定终点在________区间(填“AB”、“BC”或“CD”)。 ③C点溶液中各离子浓度大小关系是_______________________________________________。
②电解后得到KOH溶液，与醋酸恰好中和时显碱性，pH＝7时溶液显中性，故滴定终点在AB区间。 ③C点对应的是醋酸和醋酸钾的混合溶液，显酸性，故溶液中的离子浓度大小关系为c(CH3COO－)＞c(K＋)＞c(H＋)＞c(OH－)。