（江苏专用）2020版高考化学 专题四 第2讲 原电池 化学电源学案

第2讲原电池化学电源【2020·备考】最新考纲：1.理解原电池和电解池的工作原理，能写出简单电极反应式和电池反应方程式。2.了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的重要应用。新课标要求：分析化学能与电能相互转化的原理及其在生产和生活中的应用。能依据化学变化中能量转化的原理，提出利用化学变化实现能量储存和释放的有实用价值的建议。最新考情：原电池、化学电源的考查，一是在选择题中单独设题，考查新型电池的分析，涉及正负极判断、离子或电子流向、两极反应，如2015年碳酸盐燃料电池，2013年Mg­H2O2电池等；二是在填空题中考查，主要涉及电极反应式的书写，如2016年T20(1)、2012年T20(3)Al­Ag2O电池总反应等。预测2020年高考延续这一命题特点，一是在选择题考查新型电池的分析，二是在填空题中考查电极反应式的书写，特别关注新型电池的分析。考点一原电池的工作原理[知识梳理]1.原电池的概念：将化学能转化为电能的装置。2.原电池的构成条件(1)能自发地发生氧化还原反应。(2)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。①负极：活泼性较强的金属。②正极：活泼性较弱的金属或能导电的非金属。(3)电极均插入电解质溶液中。(4)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。3.工作原理示例：铜锌原电池电极反应负极(锌)：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)正极(铜)：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)总反应式：Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋名师助学：①辨明三个移动方向：电子从负极流出沿导线流入正极；电流从正极沿导线流向负极；电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。②在原电池中活泼性强的金属不一定作负极，但负极一定发生氧化反应。如Mg­Al­NaOH溶液组成的原电池，Al作负极。③盐桥的组成和作用：盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。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。4.原电池原理的三大应用(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。(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)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。如：根据反应2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2设计的原电池为：[题组诊断]原电池的工作原理1.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Ⅰ上发生还原反应，作原电池的负极B.电极Ⅱ的电极反应式为Cu2＋＋2e－===CuC.该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===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该原电池的总反应为2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋。电极Ⅰ上发生还原反应，作原电池的正极，电极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，电极Ⅱ为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋。盐桥中装有含氯化钾的琼脂，其作用是连接内电路，平衡电荷。答案C2.如图所示，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→外电路→YB.若两电极分别为Fe和碳棒，则X为碳棒，Y为FeC.X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解析外电路的电子流向为X→外电路→Y，电流方向与其相反，A项错误；若两电极分别为Fe和碳棒，则Y为碳棒，X为Fe，B项错误；X极失电子，作负极，Y极上发生的是还原反应，X极上发生的是氧化反应，C项错误；电解质溶液为稀硫酸，两金属作电极，谁活泼谁作负极，D项正确。答案D3.分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()A.①②中Mg作负极，③④中Fe作负极B.②中Mg作正极，电极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑C.③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋D.④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑解析②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子作负极；③中Fe在浓HNO3中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，则Fe作正极，A、C错误；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO－2＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B正确；④中Cu作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。答案B【归纳总结】1.原电池正、负极判断方法2.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，如题3图②③。原电池工作原理的应用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极质量减小；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()A.abcdB.bcdaC.dabcD.abdc解析把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①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②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：bc；由实验③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④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。综合所述可知活动性：dabc。答案C5.把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)。(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，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________。(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入等量的稀硫酸，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________。解析加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率。(1)a中Zn减少，H2体积减小；(2)中由于H2SO4等量，产生H2的体积一样多；(3)当把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液时，由于CH3COO－＋H＋CH3COOH，a中c(H＋)减少，反应速率减小，但产生H2的体积不变，所以C项正确。答案(1)A(2)B(3)C6.依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示。请回答下列问题：(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是________；(2)银电极为电池的________极，发生的电极反应为___________________________________________________；X电极上发生的电极反应为__________________________________________；(3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。解析原电池中负极发生氧化反应，正极发生还原反应，盐桥起到平衡电荷的作用。由总反应方程式可知电极X的材料是铜，发生氧化反应，电解质溶液Y是可溶性银盐，常用硝酸银。电极反应式表示为，负极：Cu－2e－===Cu2＋，正极：Ag＋＋e－===Ag，电子由负极流出，经外电路流向正极。答案(1)铜(或Cu)AgNO3溶液(2)正2Ag＋＋2e－===2AgCu－2e－===Cu2＋(3)负(Cu)正(Ag)考点二化学电源[知识梳理]1.一次电池碱性锌锰干电池负极材料：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－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2锌银电池负极材料：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－总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag2.二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)3.燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池：总反应式：2H2＋O2===2H2O(1)酸性介质负极：2H2－4e－===4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O(2)碱性介质负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(3)熔融的金属氧化物作介质负极：2H2－4e－＋2O2－===2H2O正极：O2＋4e－===2O2－(4)碳酸盐作介质负极：2H2－4e－＋2CO2－3===2H2O＋2CO2正极：O2＋4e－＋2CO2===2CO2－3提醒：①原电池反应中，两极材料本身不一定发生反应。②燃料电池燃料一般在负极发生氧化反应，O2在正极发生还原反应。③书写燃料电池的电极反应式时，一定要注意介质的影响(溶液的酸碱性、传导离子)。传导离子一般在一极生成，另一极消耗。[题组诊断]“常考不衰”的燃料电池1.如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是()A.电子由O2所在的铂电极流出B.O2所在的铂电极处发生还原反应C.该电池的负极反应式为：CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋D.微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量解析燃料电池，燃料在负极反应，氧气在正极反应。氧气在正极发生还原反应，电流由正极流向负极，A错误、B正确；由图可知负极反应物为CH3CH2OH(碳元素的化合价平均显－2价)，生成物为CH3COOH(碳元素的化合价平均显0价)，由质子交换膜可知溶液呈酸性，负极的电极反应式为：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋，C项错误。答案AC2.(2019·南京盐城二模)铝­空气燃料电池是一种机械式可“充电”电池(结构简图见图)。铝阳极是在高纯铝中添加合金元素制成，合金元素的加入可降低阳极自溶腐蚀速度；空气阴极主要由催化剂和透气膜组成，催化剂可将电极反应生成的HO－2催化分解为O2和OH－。下列关于该电池的说法错误的是()A.铝阳极的电极反应式是：Al－3e－===Al3＋B.空气电极的电极反应式是：O2＋H2O＋2e－===OH－＋HO－2C.阳极自溶腐蚀反应为：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑D.该电池再“充电”可直接更换铝阳极并补充适量碱液解析A项，阳极铝失电子，由于碱性溶液，发生反应：Al－3e－＋4OH－===AlO－2＋2H2O，错误；B项，由题给信息，阳极生成HO－2，所以O2＋2e－→HO－2，溶液显碱性，用OH－平衡电荷，正确；C项，阳极自溶腐蚀指铝溶液于碱性中，正确。答案A3.微生物燃料电池在净化废水的同时能获得能源或得到有价值的化学产品，图2为其工作原理，图1为废水中Cr2O2－7离子浓度与去除率的关系。下列说法不正确的是()A.M为电源负极，有机物被氧化B.电池工作时，N极附近溶液pH增大C.处理1molCr2O2－7时有6molH＋从交换膜左侧向右侧迁移D.Cr2O2－7离子浓度较大时，可能会造成还原菌失活解析