原电池新型化学电源.pdf

第二讲原电池新型化学电源 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其工作原理。 2016，卷甲11T； 2016，卷丙11T； 2015，卷 11T； 2015，卷 26T(1)(2) ； 2014，卷 12T 原电池及其工作原理 知识梳理 一、原电池的概念和反应本质 原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。 二、原电池的构成条件 1一看反应 看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。 2二看两电极： 一般是活泼性不同的两电极。 3三看是否形成闭合回路 形成闭合回路需三个条件： (1)电解质溶液； (2)两电极直接或间接接触； (3)两电极插入电解质溶液中。 三、原电池的工作原理 如图是两种锌铜原电池示意图： 1反应原理 电极名称负极正极 电极材料锌片铜片 电极反应Zn2e =Zn2 Cu 22e =Cu 反应类型氧化反应还原反应 电池反应ZnCu2 =Zn 2Cu 2. 原电池中的三个方向 (1)电子流动方向：从负极流出沿导线流入正极； (2)电流流动方向：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。 四、盐桥原电池的组成和作用 1盐桥原电池中半电池的构成条件：电极金属和其对应的盐溶液。一般不要任意替换 成其他阳离子盐溶液，否则可能影响效果。盐桥中装有饱和的KCl、KNO 3等溶液和琼胶制 成的胶冻。 2盐桥的作用 (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。 自我检测 1判断正误 (正确的打“”，错误的打“×”) (1)在原电池中，发生氧化反应的一极是负极。() (2)在原电池中，负极材料的活泼性一定比正极材料强。() (3)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。() 答案： (1)(2)×(3)× 2(教材改编题 )下列装置不能形成原电池的是() 解析： 选 C。A、 B、D 项都具有 活泼性不同的电极；电解质溶液； 闭合回路； 自发进行的氧化还原反应，均能构成原电池；C 项中酒精为非电解质，不能构成原电池。 3(2017 ·北京丰台区高三模拟)有关如图所示原电池的叙述不正确的是() A电子沿导线由Cu 片流向 Ag 片 B正极的电极反应式是Ag e =Ag CCu 片上发生氧化反应，Ag 片上发生还原反应 D反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液 解析： 选 D。该装置是原电池装置，其中 Cu 为负极 ，失电子发生氧化反应：Cu2e =Cu 2，Ag 为正极 ，得电子发生还原反应： Ag e=Ag。原电池中 ，负极 (Cu)失去的 电子沿导线流向正极(Ag) ，盐桥中的阳离子移向正极，即移向AgNO3溶液 ，综上所述 ，D 错误。 原电池原理考查中四个常见失分点的规避 (1)只有自发进行的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。 (2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整 的闭合回路。 (3)无论在原电池还是电解池中，电子均不能通过电解质溶液。 (4)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。 (2016· 高考全国卷甲，11，6 分)Mg- AgCl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Mg2e =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)2H2 解析 该电池中Mg 作负极 ，失去电子发生氧化反应，生成 Mg 2， A 项正确；正极 反应为 AgCl e=AgCl ，B 项错误；对原电池来说 ，阴离子由正极移向负极，C 项正 确；在负极 ，Mg 会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2， D 项正确。 答案 B 我国首创以铝-空气 -海水电池作为能源的新型的海水标志灯，以海水为电解质溶液，靠 空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水数分钟，就会发出耀眼的白光。 则电源的负极材料是_，负极反应式为_；正极材料是 _，正极反应式为_。 答案： 铝4Al 12e = 4Al 3 石墨等惰性电极3O26H2O12e = 12OH 原电池正、负极的判断方法 原电池构成及原理考查 1(教材改编题 )如图所示是一位同学在测试水果电池，下列有关说法错误的是() A若金属片A 是正极，则该金属片上会产生H2 B水果电池的化学能转化为电能 C此水果发电的原理是电磁感应 D金属片 A、B 可以一个是铜片，另一个是铁片 答案： C 2(2016 ·高考海南卷改编)某电池以K2FeO4和 Zn 为电极材料， KOH 溶液为电解质溶 液。下列说法正确的是() AZn 为电池的负极，被还原 B正极反应式为2FeO 2 4 10H 6e =Fe 2O35H2O C该电池放电过程中电解质溶液浓度不变 D电池工作时OH 向负极迁移 解析： 选 D。A. 根据化合价升降判断，Zn 化合价只能升高，故为负极材料 ，被氧化 ， 不正确；B. KOH 溶液为电解质溶液， 则正极电极反应式为2FeO 2 46e8H2O=2Fe(OH)3 10OH ，错误； C. 该电池放电过程中电解质溶液浓度减小 ， 错误； D. 电池工作时阴离子 OH 向负极迁移 ，正确。 原电池正、负极的判断 3如图所示装置中，观察到电流计指针偏转，M 棒变粗， N 棒变细，由此判断表中所 列 M、N、P 物质，其中可以成立的是() 选项M N P A Zn Cu 稀 H2SO4 B Cu Fe 稀 HCl C Ag Zn AgNO3溶液 D Zn Fe Fe(NO3)3溶液 解析： 选 C。在装置中电流计指针发生偏转，说明该装置构成了原电池，根据正负极的 判断方法，溶解的一极为负极，增重的一极为正极，所以M 棒为正极 ，N 棒为负极 ，且电 解质溶液能析出固体，则只有 C 项正确。 4分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是() A中Mg 作负极，中Fe作负极 B中 Mg 作正极，电极反应式为6H2O6e =6OH3H 2 C中 Fe作负极，电极反应式为Fe2e =Fe2 D中 Cu 作正极，电极反应式为2H 2e=H 2 解析： 选 B。 中 Mg 不与 NaOH 溶液反应 ，而 Al 能和 NaOH 溶液反应失去电子， 故 Al 是负极； 中 Fe在浓硝酸中易钝化，Cu 和浓 HNO3反应失去电子作负极，A、C 均错。 中电池总反应为2Al 2NaOH2H2O=2NaAlO 23H2，负极电极反应式为 2Al8OH 6e=2AlO 24H2O，二者相减得到正极电极反应式为6H2O6e =6OH3H2， B 正确。 中 Cu 是正极 ， 电极反应式为O22H2O4e=4OH ，D 错。 对盐桥原电池原理的考查 5(2017 ·泗洪模拟 )如图是某同学设计的原电池装置，下列叙述中正确的是() A电极上发生还原反应，作原电池的负极 B电极的电极反应式为Cu 22e=Cu C该原电池的总反应为2Fe 3Cu=Cu2 2Fe2 D盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递电子 解析：选 C。 该原电池的总反应为2Fe3Cu=Cu 22Fe2。 电极 上发生还原反应 ， 作原电池的正极， 反应式为2Fe 3 2e=2Fe2 ，电极 为原电池负极，发生氧化反应 ， 电极反应式为Cu2e=Cu 2 。盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是传递离子。 6(2017 ·浙江六校联考 )将反应IO 3 5I 6H 3I23H2O 设计成如下图所示的原 电池。 开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸，电流计指针发生偏转，一段时间后，电流计指针 回到零，再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH 溶液，电流计指针再次发生偏转。下列判断不正 确的是 () A开始加入少量浓硫酸时，乙中石墨电极上发生氧化反应 B开始加入少量浓硫酸时，同时在甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液，只有乙烧杯中溶液 变蓝 C电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D两次电流计指针偏转方向相反 解析： 选 B。开始加入少量浓硫酸时，由氧化还原反应方程式可知， 反应正向进行， KI 是还原剂 ， KIO3是氧化剂 ，故甲为正极区，甲中石墨作正极，得电子发生还原反应，电 极反应式为2IO 310e12H=I26H2O，乙为负极区 ，乙中石墨作负极，失电子发生 氧化反应 ，电极反应式为10I 10e=5I2，两烧杯中均有 I2生成 ，在甲、乙两烧杯中都 加入淀粉溶液 ，两烧杯中的溶液均变蓝，A 正确 ，B 错误；电流计读数为零时，表明反应达 到化学平衡状态，C 正确；由氧化还原反应方程式可知，电流计指针读数为零，反应达到平 衡状态 ，此时再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH 溶液 ，则消耗了H，原氧 化还原反应的平衡 逆向移动 ，电流计指针的偏转方向与第一次相反，D 正确。 (1)盐桥中的离子不断释放到两个池中，逐渐失去导电作用，需定期更换盐桥。 (2)要明确盐桥中离子的移动方向；明确其与可逆反应平衡移动方向的关系。 原电池原理的应用 知识梳理 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。 4用于金属的防护 使被保护的金属制品作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，使锌作原电池的负极。 自我检测 1M、 N、P、E 四种金属，已知：MN 2=NM2 ； M、P 用导线连接放入 NaHSO4溶液中， M 表面有大量气泡逸出； N、E 用导线连接放入E 的硫酸盐溶液中，电 极反应为 E2 2e =E，N2e =N 2 。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是() APMN E BENM P CPNME DEPMN 解析： 选 A。由 知，金属活动性：MN；M、P 用导线连接放入NaHSO4溶液中 ， M 表面有大量气泡逸出，说明 M 作原电池的正极，故金属活动性：PM；N、E 构成的原 电池中 ，N 作负极 ， 故金属活动性：NE。 2一定量的稀盐酸跟过量锌粉反应时，为了加快反应速率又不影响生成H2的总量， 可 采取的措施是 () A加入少量稀NaOH 溶液 B加入少量CH3COONa 固体 C加入少量NH4HSO4固体 D加入少量CuSO4溶液 解析： 选 D。 A 中加入NaOH 溶液 ， 消耗盐酸 ，反应速率减慢 ，且氢气的生成量会减 少， 错误；B 中加入 CH3COO 会结合 H， 生成醋酸 ， 减慢反应速率 ， 错误； C 中加入 NH 4HSO4 固体 ，增加了 H的量 ， 生成的氢气会增多，错误； D 中加入少量CuSO4溶液 ， Zn 置换出 少量 Cu 附着在锌表面，形成原电池可以加快反应速率，并且没有影响氢气的生成量，正确。 (1)比较金属活动性强弱的三种方法 根据原电池：一般情况下， 负极大于正极。 根据电解池：易得电子的金属阳离子，相应金属的活动性较弱。 根据金属活动性顺序表。 (2)原电池装置图常见失分点提示 不注明电极材料名称或元素符号。 不画出电解质溶液(或画出但不标注)。 误把盐桥画成导线。 不能连成闭合回路。 从下列各反应条件的叙述中选择合适的图像： (1)将等质量的两份锌粉a、b 分别加入过量的稀硫酸中，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 分别加入等量的稀硫酸中，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， 但由于 Zn 过量并不影响 产生 H2的量 ，速率会加快。 (3)CH3COONa 与 H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH，从而减慢 反应速率 ，但产生 H2的量没有发生变化。 答案 (1)A(2)B(3)C 上题 (1)和(2)中若不向a中加 CuSO4溶液，仅对 a 中溶液加热， 则两题应对应哪个图像？ 为什么？ 答案： 都对应 B 图。(1)和(2)中都产生等量的氢气，对a中溶液加热，使产生H2的速率 加快，反应所需的时间缩短，故B 图合理。 改变 Zn 与 H 反应速率的方法 (1)加入 Cu 粉或 CuSO4，使 Cu 与 Zn 接触形成原电池 ，加快反应速率。加入Cu，不影 响 Zn 的量 ，即不影响产生H2的量；而加入CuSO4，会消耗一部分Zn，但是否影响产生H2 的量 ，应根据 Zn、H 的相对量多少判断。 (2)加入强碱弱酸盐，由于弱酸根与H 反应 ，使 c(H)减小 ，反应速率减小 ，但不影响 产生 H2的量。 (3)加水稀释 ，使 c(H )减小 ，反应速率减小 ，但不影响产生 H2的量。 (4)改变反应的温度，也会影响Zn 与 H的反应速率。 (5)把锌粒换成锌粉，加快 Zn 与 H 的反应速率。 原电池的工作原理 1(2015 ·高考安徽卷 )常温下，将除去表面氧化膜的Al、Cu 片插入浓HNO3中组成原 电池 (图 1)，测得原电池的电流强度(I)随时间 (t)的变化如图2 所示，反应过程中有红棕色气 体产生。 0t1时， 原电池的负极是 Al 片， 此时， 正极的电极反应式是_， 溶液中的H 向 _极移动。 t1时，原电池中电子流动方向发生改变，其原因是 _ 。 解析： 在 0t1时，正极上 NO 3得电子后结合H生成 NO2和 H2O；在原电池中 ，阳离 子向正极移动 ，故 H向正极移动；由于Al 在浓硝酸中发生了钝化，生成的氧化膜阻止了 反应的进行 ，此时 Cu 与浓硝酸反应而导致Cu 作负极 ，电子流动方向发生了改变。 答案： NO 3e 2H =NO2 H2O 正Al 在浓硝酸中发生钝化，生成的氧化膜 阻止了 Al 的进一步反应 2(2017 ·开封高三调研 )如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极 X、Y， 外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是() A外电路的电流方向为X导线 Y B若两电极分别为铁和碳棒，则X 为碳棒， Y 为铁 CX 极上发生的是还原反应，Y 极上发生的是氧化反应 D若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为XY 解析： 选 D。外电路的电子流向为X导线 Y，电流方向与其相反；X 极失电子 ，作 负极 ，发生的是氧化反应，Y 极发生的是还原反应；若两电极分别为铁和碳棒， 则 Y 为碳 棒， X 为铁。 原电池的设计 3请根据原电池原理，利用反应2Fe 3Cu=2Fe2Cu2，设计一个原电池装置。 负极反应式：_ ， 正极反应式：_ ， 并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，标明电极材料和电解质溶液，并标出 外电路电子流向。 解析： 据题意要求 ，应按照反应2Fe 3Cu=Cu2 2Fe2进行设计 ，Cu 作负极 ，Fe3 作正极反应物即可。 答案： Cu 2e =Cu2 2Fe 32e=2Fe2 (合理即可 ) 设计原电池要注意的问题 (1)必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。 (2)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。 (3)电解质溶液的选择：电解质溶液一般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(如溶解于溶液中的氧气)。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， 这样可减少离子极化作用，便于电子和离子的移动，如在Cu-Zn 构成的原电池中， 负 极 Zn 浸泡在含有Zn 2 的电解质溶液中，而正极 Cu 浸泡在含有Cu 2的电解质溶液中。 化学电源及电极反应式的书写