第1讲原电池 化学电源教师版.docx
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第1讲原电池化学电源教师版
第1讲原电池化学电源
★考情直播
考纲解读
考纲内容
能力要求
考向定位
了解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
理解原电池原理。
正确判断原电池的电极、正确书写电极反应式。
电化学是高考的常考知识点。
本讲主要考点有:
原电池原理、常用的化学电源和新型化学电池、原电池PH值的变化和简单计算。
今后的命题方向:
运用新型原电池原理来解决新型的化学电池,如燃料电池、可充电池等。
了解常见化学电源的种类及其工作原理。
了解日常生活常用的化学电源和新型化学电池的反应原理
原电池的有关简单计算
了解原电池工作时电解质溶液PH的变化并进行原电池的有关简单计算
考点整合
考点1原电池原理
1.原电池的反应原理:
自发的、放热的反应
原电池的电路工作原理:
(外电路)负极失去电子,电子经导线流向极。
(内电路)溶液中阴阳离子发生定向移动,向负
极移动,向正极移动。
2.原电池的电极和电极反应:
正极:
符号“+”,得到电子,发生;是剂
负极:
符号“-”,失去电子,发生;是剂
以锌铜电池(电解液H2SO4溶液)为例:
如图
电子经导线流向正极
氧化反应还原反应
失电子ZnCu得电子
锌溶解SO42-铜极不变
Zn-2e-=Zn2+阴离子向负极移动;2H++2e-=H2↑
阳离子向正极移动
3.原电池形成的一般条件:
(1)两极:
的金属(或一种是金属,另一种是非金属导体)。
(2)电解质溶液:
电极必与电解质溶液接触。
(3)形成闭合回路:
电极相互接触或连接。
考点1原电池原理
1.阴离子、阳离子2.还原反应、氧化反应3.活泼性不同,用导线、盐桥
4.这种装置能将化学能转变为电能,称为原电池(PrimaryCell)
正、负两极分别发生的反应,称为电极反应。
电池反应:
Zn+Cu2+=Cu+Zn2+(总反应)
氧化-还原反应的本质:
盐桥的作用:
盐桥:
在U型管中装满用饱和KCl溶液和琼胶作成的冻胶。
使Cl-向锌盐方向移动,K+向铜盐方向移动,使Zn盐和Cu盐溶
液一直保持电中性,从而使电子不断从Zn极流向Cu极。
特别提醒:
原电池形成还有一个隐蔽条件:
能发生自发的氧化还原反应
【例1】(09年福建理综·11)控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-
2Fe2++I2设计成如右图所示的原电池。
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固定,乙中石墨电极为负极
答案:
D
解析:
乙中I-失去电子放电,故为氧化反应,A项正确;由总反应方程式知,Fe3+被还原成Fe2+,B项正确;当电流计为零时,即说明没有电子发生转移,可证明反应达平衡,C项正确。
加入Fe2+,导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,而作为负极,D项错。
导练1.据图,有关说法错误的是()
.
若烧杯中溶液为稀硫酸,则两极反应式为:
A.①正极2H++2e-=H2↑;负极Mg-2e-=Mg2+。
若烧杯中为氢氧化钠溶液,则两极反应式为:
B.负极为Al-3e-+4OH-=AlO2-+2H2O,正极反应是:
2H++2e-=H2↑
C.总反应方程为2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑.
D.不管是硫酸或氢氧化钠溶液,电流计的指针偏转方向相同
导练2.依据氧化还原反应:
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,X电极的电极反应式为。
(3)外电路中电子是从(填电极材料名称,下同)电极流向电极。
1.
(1)锌;
溶液(各1分)
(2)正(1分);
(2分)
(3)锌;银(各1分)
提升练习1.将铁和铜用导线连接后插入到冷的浓硝酸中,构成原电池装置.则该电池的负极是 ,发生的电极反应是,正极材料是,发生的电极反应是。
1.铜Cu-2e-=Cu2+铁2NO3-+4H++2e-=2NO2+2H2O
点拨:
虽然铁的金属活泼性比铜强,但铁在冷的浓硝酸中被钝化,表面形成致密的氧化膜电位升高,铜在常温下能与浓硝酸发生剧烈的氧化还原反应,该电池的化学反应原理是:
Cu+2NO3-+4H+=Cu2++2NO2↑+2H2O,所以电池中铜作负极。
考点2常用的化学电源和新型化学电源
1.实用电池的特点
实用电池一般具有以下的特点:
(1)能产生比较稳定而且较高电压的电流;
(2)安全、耐用且便于携带,易于维护;
(3)能够适用于各种环境;(4)便于回收处理,不污染环境或对环境的污染影响较小;
(5)能量转换率。
2.几种常见的电池和新型电池分类及反应原理简介
化学电池分类:
化学电池太阳能电池原子能电池
电池(如锌锰干电池、碱性锌锰电池)
电池(又叫充电电池或蓄电池)(如铅蓄电池)
电池(如氢氧燃料电池)
(1)一次电池
①碱性锌锰电池
构成:
负极是锌,正极是MnO2,正极是KOH
工作原理:
负极Zn+2OH—-2e-=Zn(OH)2;正极:
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
总反应式:
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
特点:
比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。
②钮扣式电池(银锌电池)
锌银电池的负极是Zn,正极是Ag20,电解质是KOH,总反应方程式:
Zn+Ag20=2Ag+ZnO
特点:
此种电池比能量大,电压稳定,储存时间长,适宜小电流连续放电。
③锂电池
锂电池用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOC12)中组成。
锂电池的主要反应为:
负极:
8Li-8e—=8Li+;正极:
3SOC12+8e—=SO32-+2S+6Cl—
总反应式为:
8Li+3SOC12=6LiCl+Li2SO3+2S
特点:
锂电池是一种高能电池,质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。
导练1、(09山东卷
29)(12分)Zn-MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是 。
电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速某电极的腐蚀,其主要原因是 。
欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的 (填代号)。
a.NaOHb.Zn c.Fed.NH3·H2O
1、
(1)Zn(或锌)正极
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀
b
(2)二次电池
①铅蓄电池:
(1)铅蓄电池放电原理的电极反应
负极:
Pb+S042—-2e—=PbSO4; 正极:
Pb02+4H++S042—+2e—=PbSO4+2H20
总反应式:
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbS04+2H2O
(2)铅蓄电池充电原理的电极反应
阳极:
PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42- ;阴极:
PbSO4+2e-=Pb+SO42-
总反应:
2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
②镍一镉碱性蓄电池
构成:
放电时镉(Cd)为负极,正极是NiO(OH),电解液是KOH
工作原理:
负极:
Cd+2OH—-2e-=Cd(OH)2;正极:
2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH—
总反应式:
特点:
电压稳定、使用方便、安全可靠、使用寿命长,但一般体积大、废弃电池易污染环境。
(3)燃料电池
①氢氧燃料电池
当用碱性电解质时,电极反应为:
负极:
2H2+40H—-4e—=4H20;正极:
02+2H20+4e—=40H—
总反应:
2H2+02=2H2O
②甲烷燃料电池
该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极,在两极上分别通甲烷和氧气;
负极:
CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O;正极:
2O2+4H2O+8e-=8OH-
总反应方程式为:
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
③CH3OH燃料电池
用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中,然后向两极分别通入CH3OH和O2,则发生了原电池反应。
负极:
2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O;正极:
3O2+6H2O+12e-=12OH-
总反应方程式为:
2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O
3.正确书写电极反应式
(1)列出正负电电极上的反应物质,在等式的两边分别写出反应物和生成物。
(2)在反应式的左边写出得失电子数,使得失电子。
(得失电子守恒)
(3)使质量守恒。
电极反应式书写时注意:
负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。
若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式;若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则H2O必须写入正极反应式,且生成物为OH-,若电解液为酸性,则H+必须写入反应式中,生成物为H2O。
电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。
(4)正负极反应式相加得到。
若能写出总反应式,可以减去较易写出的电极反应式,从而写出较难书写的电极方程式。
【例2】(08江苏卷)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。
已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:
Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是()
A.充电时阳极反应:
Ni(OH)2-e—+OH-==NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
[解析]本题是考查常见的镍镉(Ni-Cd)可充电电池的工作原理。
由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知,充电时Ni(OH)2作阳极,电解质溶液为KOH,所以电极反应式为:
Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O;Cd(OH)2作阴极,Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-;充电的过程是将电能转化为化学能,放电时,Cd作负极,Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2,Cd周围的c(OH-)下降,OH-向负极移动。
【答案】A。
[方法技巧]:
二次电池首先需要判断什么情况下是原电池,什么情况下是电解池,二次电池充电时是电解池,放电时是原电池。
充电和放电是在两种不同的条件下发生的,充电是在外接电源条件下发生的非自发氧化还原反应,放电是在无外接电源条件下发生的自发氧化还原反应。
导练1..(09上海理综11)茫茫黑夜中,航标灯为航海员指明了方向。
航标灯的电源必须长效、稳定。
我国科技工作者研制出以铝合金、Pt-Fe合金网为电极材料的海水电池。
在这种电池中()
①铝合金是阳极②铝合金是负极③海水是电解液④铝合金电极发生还原反应
A.②③B.②④C.①②D.①④
考点3原电池PH值的变化和简单计算
1.在原电池工作时,由于失去电子进入电解溶液,正极附近的阳离子得到电子从溶液中析出,可能会引起溶液PH值的变化。
(1)当负极产生的金属离子结合溶液中的OH-时,电极附近的溶液PH值。
当正极O2得电子时结合溶液中的水时,生成OH-使溶液中的PH值增大。
(2)电池工作时整个溶液PH值的变化必须从总反应式来分析。
当电解液中酸被消耗时,溶液PH值增大,当电解质溶液中碱被消耗时,溶液PH值减小。
2.原电池的有关计算
电子守恒法是依据氧化剂与还原剂相等这一原则进行计算的。
电子守恒法是氧化还原计算的最基本的方法。
计算时可由电极反应式中的氧化剂(或还原剂)与失去的电子(或得电子)之间的关系进行计算。
考点3原电池PH值的变化和简单计算1.负极金属、降低2.得失电子数目
【例3】(2007年高考理综宁夏卷,原电池)(14分)
(1)将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池,两电极间连接一个电流计。
锌片上发生的电极反应:
______________________;银片上发生的电极反应:
_______________________。
(2)若该电池中两电极的总质量为60g,工作一段时间后,取出锌片和银片洗净干燥后称重,总质量为47g,试计算:
产生氢气的体积(标准状况);
通过导线的电量。
(已知NA=6.02×1023/mol,电子电荷为1.60×10-19C)
[解析]
(1)根据金属活泼性分析得出锌片为负极,银片为正极,相应电极反应为:
Zn-2e-=Zn2+;
2H++2e-=H2↑。
(2)①锌片与银片减轻,是因与酸反应:
Zn+2H+=Zn2++H2↑~转移2e-
=
=
得V(H2)=4.5L;Q=3.8×104C。
【答案】
(1)Zn-2e-=Zn2+;2H++2e-=H2↑
(2)V(H2)=4.5L;Q=3.8×104C。
[规律总结]根据原电池基本原理分析写出其电极反应式或总方程式,然后根据方程式来计算。
导练1.(09届模拟考试)(12分)下图是一个乙醇燃料电池工作时
的示意图,乙池中的两个电极一个是石墨电极,一个是铁电极,工作时M、N两个电极的
质量都不减少,请回答下列问题下
(1)M电极的材料是,电极名称是,
N的电极反应式为
加入乙醇的铂电极的电极反应式为。
(2)在此过程中,乙池中某一电极析出金属银4.32g时,甲池中理论上消耗氧气为L(标准
状况下);若此时乙池溶液的体积为400mL,则乙池中溶液的pH为。
(3)若在常温常压下,1gC2H5OH燃烧生成CO2和液态H2O时放出29.71kJ热量,表
示该反应的热化学方程式为。
1.
(1)铁(1分)阴极(1分)4OH—-4e—2H2O+O2↑(2分)
C2H5OH-12e+16OH—=2CO32—+11H2O(2分)
(2)0.224(2分)1(2分)
(3)C2H5OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1366.7kJ/mol(2分)
★高考重点热点题型探究
热点1原电池原理
[真题1]
(09年广东化学·10)出土的锡青铜(铜锡合金)文物常有Cu2(OH)3Cl覆盖在其表面。
下列说法正确的是
A.锡青铜的熔点比纯铜高
B.在自然环境中,锡青铜中的锡对铜起保护作用
C.锡青铜文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快
D.生成Cu2(OH)3Cl覆盖物是电化学腐蚀过程,但不是化学反应过程
答案:
BC
解析:
合金的熔点一般比各组分的熔点要低,所以锡铜合金的熔点比纯铜低,A错误;Sn与Cu形成原电池,因Sn比Cu金属活泼性强,所以Sn作负极,Cu作正极,Sn对Cu起到保护作用,B正确;合金在潮湿环境下,可可以发生电化学腐蚀,比干燥环境腐蚀要快,C正确;电化学腐蚀同样属于化学反应过程,D错误。
[新题导练]
1.(执信中学2009届高三期中考试)关于右图所示的原电池,下列说法正确的是
A.电子从锌电极通过检流计流向铜电极
B.盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移
C.锌电极发生还原反应,铜电极发生氧化反应
D.铜电极上发生的电极反应是2H++2e-=H2↑
[新题导练]
1.A.由图可见锌为负极,铜为正极,故电子从锌电极通过外电路流向铜电极;A正确。
内电路电流方向是从锌通过溶液流向铜,而盐桥中的阴离子反向流向硫酸锌溶液中。
根据锌为负极发生氧化反应,铜为正极发生还原反应,C错误。
铜电极上发生的电极反应是Cu2++2e-=Cu,D错误。
[新题导练]
2.被称之为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片作为传导体,在其一边镀锌,而在其另一边镀二氧化锰。
在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。
电池总反应为:
Zn+2MnO2十H2O==ZnO+2MnO(OH)2。
下列说法正确的是()
A.该电池的正极为锌
B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C.当0.lmolZn完全溶解时,流经电解液的电子个数为1.204×l023
D.电池正极反应式为:
2MnO2+2e-+2H2O==2MnO(OH)2+2OH-
热点2燃料电池
[真题2](广东,15)一种新型燃料电池,一极通入空气,另一极通入丁烷气体;电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体,在熔融状态下能传导O2-。
下列对该项燃料电池说法正确的是()
A.在熔融电解质中,O2-移向正极B.电池总反应式是:
2C4H10+13O2→8CO2+10H2O
C.通入空气的一极是正极,电极反应为:
O2+4e-=2O2-
D.通入丁烷的一极是正极,电极反应为:
C4H10+26e-+13O2-==4CO2+5H2O
[思路分析]本题考查的新型燃料电池用的电解质为熔融的氧化物,要根据其电池反应的本质是一个燃烧反应,同时电解质的阴离子为O2-来解题。
该电池是以丁烷的燃烧设计成的燃料电池,反应总式就是丁烷的燃烧方程式。
在燃料电池中可燃物一般是还原剂,在电池中作负极。
首先写出丁烷的燃烧方程式,然后写出O2得电子的电极方程式,总式与正极式相减即得负极方程式。
[解析]在原电池中阴离子向负极运动,所以A错。
在该氧化还原反应中丁烷是燃料,应该发生氧化反应,是负极,所以D错,燃料电池电池总反应实质是一个燃烧反应;而正极空气中氧气发生还原反应变为电解质的阴离子,故B、C正确。
【答案】BC
[真题3](广东,9)科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机物转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。
电池负极反应为:
A.H2+2OH-=2H2O+2e-B.O2+4H++4e-=2H2O
C.H2=2H++2e-D.O2+2H2O+4e-=4OH-
[思路分析]本题考查的新型燃料电池用的电解质为磷酸,即电解质的阳离子为H+来解题。
同样要根据其电池反应的本质为燃烧反应。
[解析]根据题给信息,该燃料电池的总反应式为:
2H2+O2=2H2O;电解液为酸性,A中出现OH-故A错。
又因为燃料电池中负极通入氢气,正极通入氧气,故B、D错。
【答案】C
[名师指引]新型燃料电池是近年的常考知识点,解决这类题关键是把握住燃料电池总反应的本质为燃烧反应,其正极通入空气(或氧气)发生还原反应,负极通入可燃物发生氧化反应。
[新题导练]
2.(汕头市金山中学2009届高三期末测试)2006年,科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。
该电池包括两个涂覆着酶的电极,它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。
由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是
学科网
A.左边为该电池的正极
学科网
B.该电池可在高温环境下使用
学科网
C.该电池负极反应为:
H2—2e-=2H+
学科网
D.该电池正极反应为O2+4e-=2O2-
学科网
2.C.根据燃料电池的原理,其正极通入空气(或氧气),负极通入H2故A错误,而在高温下氢气与氧气混合会导致爆炸,B错误。
热点3可充电电池
[真题4](海南卷)关于铅蓄电池的说法正确的是()
A.在放电时,正极发生的反应是Pb(s)+SO42—(aq)=PbSO4(s)+2e—
B.在放电时,该电池的负极材料是铅板
C.在充电时,电池中硫酸的浓度不断变小
D.在充电时,阳极发生的反应是PbSO4(s)+2e—=Pb(s)+SO42—(aq)
[思路分析]本题是考查常见的铅蓄电池工作原理。
[解析]铅蓄电池的充放电反应为:
Pb+PbO2+2H2SO4
PbSO4+2H2O,放电时Pb作负极:
Pb-2e-+SO42-===PbSO4,在正极上:
PbO2+2e-+4H++SO42-===PbSO4+2H2O;充电时,H2SO4的浓度不断增大,阳极上发生的是氧化反应,是失去电子而不是得到电子。
【答案】B。
[真题5](广东卷)LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点,可用于电动汽车。
电池反应为:
FePO4+Li
LiFePO4,电池的正极材料是LiFePO4,负极材料是石墨,含U导电固体为电解质。
下列有关LiFePO4电池说法正确的是()
A.可加入硫酸以提高电解质的导电性
B放电时电池内部Li向负极移动.
C.充电过程中,电池正极材料的质量减少
D.放电时电池正极反应为:
FePO4+Li++e-=LiFePO4
[思路分析]本题是考查新型的可充电电池。
[解析]放电时,负极:
Li-e—==Li+,正极:
FePO4+Li++e—==LiFePO4;充电时,阳极:
LiFePO4-e—==FePO4+Li+阴极:
Li++e—==Li,所以易知C.D正确。
若加入硫酸,与Li单质(固体)发生反应,所以A错;放电时,Li+应(正电荷)在电池内部(电解质中)向正极移动,故B错。
【答案】C、D
[名师指引]可充电电池是高考常考知识点,解决这类题关键是首先要明确二次电池充电时是电解池,放电时是原电池。
充电时阴极上发生还原反应,阳极发生氧化反应,放电时正极上发生还原反应,负极发生氧化反应。
[新题导练]
3.(广东省2009届高三第二次六校联考)电瓶车所用电池一般为铅蓄电池,这是一种典型的可充电电池,电池总反应式为:
Pb+PbO2+4H++2SO42-
2PbSO4+2H2O,
则下列说法正确的是:
A.放电时:
电子流动方向由A到B
B.放电时:
正极反应是Pb-2e-+SO42-
PbSO4
C.充电时:
铅蓄电池的负极应与充电器电源的正极相连
D.充电时:
阳极反应是PbSO4-2e-+2H2O
PbO2+SO42-+4H+
3.D.放电时,放电时电子由负极Pb流向正极PbO2,故A错,正极反应为:
PbO2+2e-+4H++SO42-===PbSO4+2H2O故B错;充电时,铅蓄电池的负极(原来发生氧化反应)发生还原反应为阴极,应与充电器电源的负极相连,而在阳极上发生的是氧化反应,故D对。
★抢分频道
限时基础训练卷
.(09年广东化学·14)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为点解液,铝合金为负极,空气电极为正极。
下列说法正确的是
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:
O2+2H2O+4e-=4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:
Al+3OH--3e=Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
2.如图所示,在铁圈和银圈的焊接处,用一根棉线将其悬在盛水的烧杯中,使之平衡;小心的向烧杯中央滴入CuSO4溶液,片刻后可观察到的现象是()
A.铁圈和银圈左右摇摆不定;B.保持平衡状态;
C.铁圈向下倾斜;D.银圈向下倾斜;
3.随着人们生活质量的不断提高,废电池必须集
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