第16讲--原电池---新型电源-(讲)(原卷版).docx

第16讲 原电池 新型电源

1．以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度认识原电池的工作原理，能设计简单的原电池。
2．体会提高燃料的燃烧效率、开发高纯清洁燃料和研制新型电池的重要性。
3．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用，了解原电池及其常见化学电源的工作原理；能利用相关信息分析化学电源的工作原理，开发新型电池。　
【核心素养分析】
变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。
证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。
科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断与分析。

知识点一 原电池的工作原理及应用
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
(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。
3.工作原理
以锌铜原电池为例

(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
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电子流向
由Zn片沿导线流向Cu片
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极
(2)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。
（3）单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比
名称
单液原电池
双液原电池
装置

相同点
正、负极电极反应，总反应式，电极现象
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长
4.原电池原理的应用
(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或非金属)。
(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。
(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
(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根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。
知识点二 常见化学电源及工作原理
一、一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用
1.碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：碳棒。
电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2.纽扣式锌银电池
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

电解质是KOH。
负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：Ag2O。
电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。
3.锂电池
Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。
(2)正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SO＋6Cl－。
二、二次电池：放电后能充电复原继续使用
1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。
2.图解二次电池的充放电

3.二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
三、燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用
2.解答燃料电池题目的思维模型

3.解答燃料电池题目的几个关键点
(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

高频考点一 原电池原理及其应用
【例1】（2022·海南卷）一种采用和为原料制备的装置示意图如下。

下列有关说法正确的是
A. 在b电极上，被还原
B. 金属Ag可作为a电极的材料
C. 改变工作电源电压，反应速率不变
D. 电解过程中，固体氧化物电解质中不断减少
【变式探究】 (2021·广东卷)火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时 (　　)
A．负极上发生还原反应　 B．CO2在正极上得电子
C．阳离子由正极移向负极 D．将电能转化为化学能
【举一反三】（2022·浙江卷）pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag—AgCl电极)和另一Ag—AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059。下列说法正确的是（ ）

A.如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl(0.1mol·L-1)
B.玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C.分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D.pH计工作时，电能转化为化学能
高频考点二 盐桥原电池的考查
【例2】(2020·全国卷Ⅰ节选)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。

回答下列问题：
(1)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择________作为电解质。
阳离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
阴离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋
4.07
HCO
4.61
Na＋
5.19
NO
7.40
Ca2＋
6.59
Cl－
7.91
K＋
7.62
SO
8.27
(2)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
(3)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝________。
(4)根据(2)、(3)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为____________________，铁电极的电极反应式为________________________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于________。
(5)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是____________________。【变式探究】控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)

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.电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D.电流表读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
高频考点三 燃料电池
【例3】(2019·卷全国卷Ⅰ)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，示意图如图所示。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H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【方法技巧】燃料电池电极反应式的书写
第一步：写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②
①式＋②式得燃料电池总反应式为
CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
第二步：写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：
O2＋4e－===2O2－；
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：
O2＋2CO2＋4e－===2CO。
第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式
电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
【变式探究】(双选)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度。它无电时也无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如下，下列说法正确的是(　　)

A．放电时，通入空气的一极为负极
B．放电时，电池反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH
C．有机电解液可以是乙醇等无水有机物
D．在更换锂电极的同时，要更换水性电解液
高频考点四 可充电电池（二次电池）
【例4】（2022·辽宁卷）某储能电池原理如图。下列说法正确的是

A. 放电时负极反应：
B. 放电时透过多孔活性炭电极向中迁移
C. 放电时每转移电子，理论上吸收
D. 充电过程中，溶液浓度增大
【举一反三】（2021·河北卷）K—O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是

A．隔膜允许K+通过，不允许O2通过
B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极
C．产生1Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22
D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水
【方法技巧】
1．可充电电池的思维模型

因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。
2．可充电电池的分析流程
(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。
(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断
分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。
①首先应分清电池是放电还是充电。
②再判断出正、负极或阴、阳极。

(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式
若已知电池放电时的总反应式，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，由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。
【变式探究】(2021·山东卷)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH­O2、N2H4­O2、(CH3)2NNH2­O2清洁燃料电池，下列说法正确的是(　　)
A．放电过程中，K＋均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2­O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1 mol O2时，理论上N2H4­O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
【举一反三】（2021·浙江卷）镍镉电池是二次电池，其工作原理示意图如下(L 为小灯泡，K1、K2为开关，a、b为直流电源的两极)。

下列说法不正确的是
A．断开K2、合上K1，镍镉电池能量转化形式：化学能→电能
B．断开K1、合上K2，电极A为阴极，发生还原反应
C．电极B发生氧化反应过程中，溶液中KOH浓度不变
D．镍镉二次电池的总反应式：Cd+ 2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2
高频考点五 新型电源
【例5】（2022·广东卷）科学家基于易溶于的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为： 。
下列说法正确的是

A. 充电时电极b是阴极
B. 放电时溶液的减小
C. 放电时溶液的浓度增大
D. 每生成，电极a质量理论上增加
【变式探究】（2022·全国乙卷）电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应(Li2O2+2h+=2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是

A. 充电时，电池的总反应
B. 充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C. 放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D. 放电时，正极发生反应

【举一反三】（2022·全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO2离子选泽双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)存在)。电池放电时，下列叙述错误的是

A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO42-通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)42-+Mn2++2H2O