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2022版高考化学一轮复习 第6章 化学反应与能量转化 第3节 化学能转化为电能电池学案 鲁科版2022版高考化学一轮复习 第6章 化学反应与能量转化 第3节 化学能转化为电能电池学案 鲁科版年级：姓名：- 26 -第3节化学能转化为电能电池课标解读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。3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。原电池工作原理及其应用知识梳理1原电池的构成(1)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。(2)构成条件反应能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)电极一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)闭合回路电解质溶液两电极直接或间接接触两电极插入电解质溶液中辨易错(1)中和反应放热，可以设计原电池。()(2)右图可以形成原电池。()(3)原电池中的两电极一定是活泼性不同的金属材料。()答案(1)(2)(3)2原电池的工作原理如图是CuZn原电池，请填空：(1)两装置的反应原理电极名称负极正极电极材料ZnCu电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=Cu反应类型氧化反应还原反应(2)原电池中的三个方向电子方向：从负极流出沿导线流入正极。电流方向：从正极沿导线流向负极。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。盐桥溶液中阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。深思考(1)中盐桥的作用是什么？(2)装置比装置有哪些优点？答案(1)连接内电路，形成闭合回路平衡溶液中电荷，溶液呈电中性，使电池不断地产生电流(2)电流转化效率高，电流稳定，且持续时间长。3原电池原理的应用(1)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。(2)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与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。(3)设计制作化学电源首先将氧化还原反应分成两个半反应。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。如Cu2AgNO3=2AgCu(NO3)2，负极用Cu，正极用Ag或C等，AgNO3为电解质溶液。辨易错(1)在MgNaOH溶液Al组成的原电池中负极为Mg，反应为Mg2e2OH=Mg(OH)2。()(2)任何原电池工作时，正极本身一定不参加反应，负极本身一定参加反应。()(3)对于Cu2Fe3=2Fe2Cu2反应，设计反应池时两极材料可以是Cu与Fe。()(4)粗Zn与稀硫酸反应制H2比纯Zn与稀硫酸反应快。()答案(1)(2)(3)(4)知识应用1在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是_(填序号)。装置发生的电极反应式为_。答案负极：Fe2e=Fe2，正极：2H2e=H22有下列图像： ABCD(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_。答案(1)A(2)B(3)C命题点1原电池的工作原理1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=6OH3H2C中Fe作负极，电极反应式为Fe2e=Fe2D中Cu作正极，电极反应式为2H2e=H2B中Mg作正极，中的Fe作正极，A错误；中的Cu作负极，电极反应式为Cu2e=Cu2，C错误；中的Cu作正极，电极反应式为O24e2H2O=4OH，D错误。2某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性：Cr2OFe3，设计了盐桥式的原电池(如图所示)。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是()A甲烧杯的溶液中发生还原反应B乙烧杯中发生的电极反应为：2Cr37H2O6e=Cr2O14HC外电路的电流方向是从b到aD电池工作时，盐桥中的SO移向乙烧杯CA项，甲烧杯的溶液中发生氧化反应：Fe2e=Fe3；B项，乙烧杯的溶液中发生还原反应，应为Cr2O得到电子生成Cr3；C项，a极为负极，b极为正极，外电路中电流由b到a；D项，SO向负极移动，即移向甲烧杯。3将反应2Fe32I2Fe2I2设计成如图所示的原电池。下列说法不正确的是 ()A盐桥中的K移向FeCl3溶液B反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应C检流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D检流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极DA项，甲中石墨电极为正极，乙中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K向FeCl3溶液迁移，正确；B项，反应开始时，乙中I失去电子，发生氧化反应，正确；C项，当检流计读数为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡，正确；D项，当加入Fe2，导致平衡逆向移动，则Fe2失去电子生成Fe3，作为负极，而乙中石墨成为正极，错误。原电池的工作原理简图注意：若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。命题点2原电池原理的应用4有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：实验装置部分实验现象a极质量减少；b极质量增加b极有气体产生；c极无变化d极溶解；c极有气体产生电流从a极流向d极由此可判断这四种金属的活动性顺序是()AabcdBbcdaCdabc DabdcC把四个实验从左到右分别编号为、，则由实验可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：ab；由实验可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：bc；由实验可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：dc；由实验可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：da。综上所述可知活动性：dabc。5设计原电池装置证明Fe3的氧化性比Cu2强。(1)负极反应式：_。(2)正极反应式：_。(3)电池总反应方程式：_。(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：不含盐桥含盐桥答案(1)Cu2e=Cu2(2)2Fe32e=2Fe2(3)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(4)原电池设计的一般思路(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相应反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生相应反应(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一般选择与电极材料相同的阳离子溶液。(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。化学电源知识梳理1化学电源的优点和优劣判断标准(1)相对其他能源，电池的优点是能量转换效率较高，供能稳定可靠，形状、大小可根据需要设计，使用方便等。(2)判断电池优劣的标准是电池单位质量或单位体积所能输出的比能量或比功率及可储存时间的长短。2一次电池(1)碱性锌锰干电池碱性锌锰干电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：负极：Zn2OH2e=ZnOH2O；正极：MnO22H2O2e=Mn(OH)22OH；总反应：ZnMnO22H2O=Mn(OH)2ZnO。(2)银锌电池银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：负极：Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。(3)锂电池锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：负极：8Li8e=8Li；正极：3SOCl28e=6ClSO2S；总反应：8Li3SOCl2=6LiClLi2SO32S。3二次电池铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)注意：充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。二次电池充电时的电极连接即正极接正极，负极接负极。4燃料电池燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。以氢氧燃料电池为例介质酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24H4e=2H2OO22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O注意：燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。书写电极反应式时，注意介质参与的反应。化学电源中电极反应式书写的一般方法(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：H在碱性环境中不存在；O2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；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。知识应用12019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一种锂离子电池的反应式为LixC6Li1xCoO2C6LiCoO2(x原电池的负极化学腐蚀原电池的正极电解池的阴极。答案判断金属腐蚀快慢的方法(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀的快慢：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)对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中弱电解质溶液中非电解质溶液中。(浓度相同)(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，腐蚀越快。(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀速率越快。命题点2金属的防护原理4(2017全国卷)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是()A通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零B通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩C高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流D通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整CA项，外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流，正确；B项，被保护的钢管桩作阴极，高硅铸铁作阳极，电解池中外电路电子由阳极流向阴极，即从高硅铸铁流向钢管桩，正确；C项，高硅铸铁为惰性辅助阳极，其主要作用是传递电流，而不是作为损耗阳极，错误；D项，保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流，应根据环境条件变化进行调整，正确。5验证牺牲阳极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。在Fe表面生成蓝色沉淀试管内无明显变化试管内生成蓝色沉淀下列说法不正确的是 ()A对比，可以判定Zn保护了FeB对比，K3Fe(CN)6可能将Fe氧化C验证Zn保护Fe时不能用的方法D将Zn换成Cu，用的方法可判断Fe比Cu活泼D中Zn作负极，发生氧化反应生成Zn2，Fe作正极被保护，所以取出的少量Fe附近的溶液中滴入铁氰化钾溶液，试管内无明显变化。但中没有Zn保护Fe，Fe在酸性环境中发生析氢腐蚀，Fe作负极被氧化生成Fe2，所以取出的少量Fe附近的溶液中滴入铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀，对比可知Zn保护了Fe，A项正确；与的区别在于：前者是将铁氰化钾溶液直接滴入烧杯中，而后者是在取出的少量Fe附近的溶液中滴加铁氰化钾溶液，中出现了蓝色沉淀，说明有Fe2生成。 对比分析可知，可能是铁氰化钾氧化Fe生成了Fe2，B项正确；通过上述分析可知，验证Zn保护Fe时不能用的方法，C项正确；若将Zn换成Cu，铁氰化钾仍会将Fe氧化为Fe2，在铁的表面同样会生成蓝色沉淀，所以无法判断Fe2是不是负极产物，即无法判断Fe与Cu的活泼性，D项错误。新型化学电源分析近三年全国卷高考试题，不难看出，以新型电源为载体考查原电池的原理、电极反应式书写与问题的分析已成为必考内容。此类试题主要来源最新科技成果，起点高，落点低但陌生度高。但细分析、巧审题，实际得分较高。很好体现“科学探究与创新意识、证据推理与模型认知”核心素养。1命题分析命题专家命题时，用最新电池的科技成果为情境素材，如新型燃料电池、二次电池和间接电池等。特别关注的命题角度：(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。(2)两极产物及两极反应类型的判断。(3)两极附近溶液的pH变化。(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。(5)电子守恒的相关计算。(6)设置的特定问题分析。2常见新型电源的原理分析示例(1)镍氢电池(KOH溶液)：NiOOHMHNi(OH)2M负极反应式：MHeOH=MH2O；正极反应式：NiOOHeH2O=Ni(OH)2OH。(2)2019年诺贝尔化学奖授予约翰古迪纳夫、斯坦利惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。如图是一种最新研制的聚合物锂电池，a极为含有Li、Co、Ni、Mn、O等元素组成的混盐，电解质为一种能传导Li的高分子复合材料，b极为镶嵌金属锂的石墨烯材料，反应原理为：LixC6Li3xNiCoMnO6C6Li3NiCoMnO6。负极：LixC6xe=xLiC6正极：Li3xNiCoMnO6xexLi=Li3NiCoMnO6(3)研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池，Al、Cn为电极，有机阳离子与阴离子(AlCl、Al2Cl)组成的离子液体为电解质，如图为该电池放电过程示意图。负极反应式：Al3e7AlCl=4Al2Cl；正极反应式：3CnAlCl43e=3Cn3AlCl。(4)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应式：3CO24Na2Na2CO3C。负极反应：4Na4e=4Na正极反应：3CO24e=C2CO注意：平时复习时，要多积累新型电池的电极反应。典例导航(2019全国卷)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是()A相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B阴极区，在氢化酶作用下发生反应H22MV2=2H2MVC正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动思路点拨BA项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MVe=MV2，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H22MV2=2H2MV，错误；C项，右端电极反应式为MV2e=MV，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。间接电化学反应原理分析(1)定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。(2)原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。其原理如下图所示：1(2021福建新高考适应性考试)一种新型镁硫二次电池的工作原理如下图所示。下列说法正确的是()A使用碱性电解质水溶液B放电时，正极反应包括3Mg2MgS86e=4MgS2C使用的隔膜是阳离子交换膜D充电时，电子从Mg电极流出CA.碱性电解质水溶液中负极生成的Mg2会生成Mg(OH)2沉淀，降低电池效率，A错误；B.放电时为原电池，原电池正极发生得电子的还原反应，包括3Mg2MgS86e=4MgS2，B错误；C.据图可知Mg2要通过隔膜移向正极参与电极反应，所以使用的隔膜是阳离子交换膜，C正确；D.放电时Mg电极发生氧化反应，充电时Mg电极得电子发生还原反应，即电子流入Mg电极，D错误。2“太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH3的Li2SO4H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是()A若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小B若用导线连接a、c，则c电极的电极反应式为HxWO3xe=WO3xHC若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化D若用导线连接b、c，b电极的电极反应式为O24H4e=2H2OB若a、c相连，光照条件下，a极H2OO2，氧化反应为负极，c极发生还原反应，WO3xHxe=HxWO3，B项错误。32019年诺贝尔化学奖颁给在锂离子电池发展方面作出突出贡献的三位科学家，颁奖词中说：他们创造了一个可再充电的世界。如图是最近研发的CaLiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li通过，电池反应为：xCa22LiFePO4xCa2Li1xFePO42xLi(x1)。下列说法错误的是()ALiPF6LiAsF6为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子B放电时，负极反应为：LiFePO4xe=Li1xFePO4xLiC充电时，Li1xFePO4/LiFePO4电极发生Li脱嵌，放电时发生Li嵌入D充电时，当转移0.2 mol电子时，左室中电解质的质量减轻2.6 gB钙与水能够剧烈反应，所以，左室中的LiPF6LiAsF6电解质一定为非水电解质，Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液，它们的主要作用都是传递离子，形成电流，构成闭合回路，A正确；放电时，负极反应为：Ca2e=Ca2，使左室中正电荷数目增多，锂离子导体膜只允许Li通过，使LiPF6LiAsF6电解质中的Li通过锂离子导体膜移入右室，正极反应为：Li1xFePO4xLixe= LiFePO4，电极发生Li嵌入，B错误；充电时，阳极发生反应：LiFePO4xe=xLiLi1xFePO4，电极发生Li脱嵌，阴极发生反应：Ca22e=Ca，转移0.2 mol电子时，有0.2 mol Li从右室通过锂离子导体膜移入左室，左室电解质中有0.1 mol Ca2得电子生成Ca沉积在钙电极上，故左室中电解质的质量减轻400.1 g70.2 g2.6 g，C、D正确。4我国科学家在太阳能光电催化化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是 ()A该装置的总反应为H2SH2SBa极溶液中反应为H2S2Fe3=2Fe2S2HCa极上发生的电极反应为Fe2e=Fe3DH通过交换膜向a极迁移Da极为负极，H通过交换膜向b极迁移，D错误。真题验收1(2020全国卷，T12)一种高性能的碱性硼化钒(V