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原電池原理及應用 【明確考綱】 1、根據化學高考考綱，對學生的能力要求有： ①理解原電池的構成、工作原理以及應用； ②能準確判斷二次電池充電、放電時的電極，并能書寫對應電極反應和總反應方程式； ③運用原電池原理分析新型化學電源的工作原理； ④利用電子守恒進行相關計算。 2、以上各部分知識與技能的綜合應用。 【課前真題】1.(2018全國卷Ⅲ，11)一種可充電鋰—空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li＋在多孔碳材料電極處生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列說法正確的是(　　) A．放電時，多孔碳材料電極為負極 B．放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極 C．充電時，電解質溶液中Li＋向多孔碳材料區(qū)遷移 D．充電時，電池總反應為Li2O2－x===2Li＋(1－)O2 【答案】　D 【解析】由題意知，放電時負極反應為4Li－4e－===4Li＋，正極反應為(2－x)O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，電池總反應為(1－)O2＋2Li===Li2O2－x。充電時的電池總反應與放電時的電池總反應互為逆反應，故充電時電池總反應為Li2O2－x===2Li＋(1－)O2，D項正確；該電池放電時，金屬鋰為負極，多孔碳材料為正極，A項錯誤；該電池放電時，外電路電子由鋰電極流向多孔碳材料電極，B項錯誤；該電池放電時，電解質溶液中Li＋向多孔碳材料區(qū)遷移，充電時電解質溶液中的Li＋向鋰材料區(qū)遷移，C項錯誤。 2.(2018全國卷Ⅱ，12)我國科學家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的Na—CO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網分別作為電極材料，電池的總反應為3CO2＋4Na 2Na2CO3＋C。下列說法錯誤的是(　　) A．放電時，ClO向負極移動 B．充電時釋放CO2，放電時吸收CO2 C．放電時，正極反應為3CO2＋4e－===2CO＋C D．充電時，正極反應為Na＋＋e－===Na 【答案】　D 課堂精講 【考點歸類】原電池基本原理，二次電源的工作原理與應用，新型化學電源的分析。 題型一 原電池基本原理 核心知識必備： 1．構建原電池模型，類比分析原電池工作原理 構建如圖Zn|H2SO4|Cu原電池模型，通過類比模型，結合氧化還原反應知識(如：化合價的變化、得失電子情況等)，能迅速判斷原電池的正、負極，弄清楚外電路中電子的移動情況和內電路中離子的移動情況，準確書寫電極反應式和電池總反應式，掌握原電池的工作原理。 2．化學電源中電極反應式書寫的思維模板 (1)明確直接產物：根據負極發(fā)生氧化反應、正極發(fā)生還原反應，明確兩極的直接產物。 (2)確定最終產物：根據介質環(huán)境和共存原則，找出參與的介質粒子，確定最終產物。 (3)配平：根據電荷守恒、原子守恒配平電極反應式。 特別提醒：①H＋在堿性環(huán)境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性環(huán)境中結合H＋，生成H2O，在中性或堿性環(huán)境中結合H2O，生成OH－；③若已知總反應式時，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎上，總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得較難寫出的另一極的電極反應式。 【典例剖析】1.(2017青島二模)Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb電池裝置如圖，下列說法錯誤的是(　　) A．SO從右向左遷移 B．電池的正極反應為Pb2＋＋2e－===Pb C．左邊ZnSO4濃度增大，右邊ZnSO4濃度不變 D．若有6.5 g鋅溶解，有0.1 mol SO通過離子交換膜 【答案】　B 【解析】　裝置左側電極為負極，右側電極為正極，陰離子移向負極，即SO從右向左遷移，A項正確；電池的正極反應式為PbSO4＋2e－===Pb＋SO，B項錯誤；負極反應式為Zn－2e－===Zn2＋，產生ZnSO4，左邊ZnSO4濃度增大，右邊ZnSO4濃度不變，C項正確；6.5 g鋅溶解，轉移0.2 mol e－，電解液中有0.2 mol負電荷通過離子交換膜，即有0.1 mol SO通過離子交換膜，D項正確。 【點撥】根據得失電子守恒關系建立起已知量與未知量之間的橋梁，構建計算所需的關系式。如以通過4 mol e－為橋梁可構建如下關系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值) 【變式】1. (2015天津理綜，4)鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，下列有關敘述正確的是(　　) A．銅電極上發(fā)生氧化反應 B．電池工作一段時間后，甲池的c(SO)減小 C．電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加 D．陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動，保持溶液中電荷平衡 【答案】C 題型二 二次電源 核心知識必備： 1.基本原理關系： 二次電源 放電 充電 負極:化合價升高、失電子、氧化反應 正極:化合價降低、得電子、還原反應 陽極:化合價升高、失電子、氧化反應 陰極:化合價降低、得電子、還原反應 2.常用技巧： （1）判斷“池”的關鍵點：負載、用電器、直流電源、自發(fā)的氧還反應等； (2)判斷“極”的關鍵點：活潑金屬、燃料、強氧化劑、物質元素化合價的變化、“三流向”等。 【典例剖析】2. (2017全國卷Ⅲ)全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是(　　) A．電池工作時，正極可發(fā)生反應：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4 B．電池工作時，外電路中流過0.02mol電子，負極材料減重0.14g C．石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性 D．電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多 【答案】D 【解析】A項，原電池電解質中陽離子移向正極，根據全固態(tài)鋰硫電池工作原理圖示中Li＋移動方向可知，電極a為正極，正極發(fā)生還原反應，由總反應可知正極依次發(fā)生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的還原反應，正確；B項，電池工作時負極電極方程式為Li－e－===Li＋，當外電路中流過0.02mol電子時，負極消耗的Li的物質的量為0.02mol，其質量為0.14g，正確；C項，石墨烯具有良好的導電性，故可以提高電極a的導電能力，正確；D項，電池充電時為電解池，此時電解總反應為8Li2Sx16Li＋xS8(2≤x≤8)，故Li2S2的量會越來越少，錯誤。 【變式】2 .磷酸鐵鋰電池具有高效率輸出、可快速充電、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，其工作原理如圖所示。M電極是金屬鋰和碳的復合材料(碳作為金屬鋰的載體)，電解質為一種能傳導Li＋的高分子材料，隔膜只允許Li＋通過，電池反應式為LixC6＋Li1－xFePO4 LiFePO4＋6C。下列說法正確的是(　　) A．放電時Li＋從右邊移向左邊 B．放電時M是負極，電極反應式為C－xe－===6C C．充電時電路中通過0.5 mol電子，消耗36 g C D．充電時N極連接電源的正極，電極反應式為LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋ 【答案】　D 題型二新型電源 核心知識必備： 解答新型化學電源的步驟 (1)判斷電池類型→確認電池原理→核實電子、離子移動方向。 (2)確定電池兩極→判斷電子、離子移動方向→書寫電極反應和電池反應。 (3)充電電池→放電時為原電池→失去電子的為負極反應。 (4)電極反應→總反應離子方程式減去較簡單一極的電極反應式→另一電極反應式。 【典例剖析】3.（2016?浙江）金屬（M）﹣空氣電池（如圖）具有原料易得，能量密度高等優(yōu)點，有望成為新能源汽車和移動設備的電源，該類電池放電的總反應方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n，已知：電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，下列說法不正確的是（） A.采用多孔電極的目的是提高電極與電解質溶液的接觸面積，有利于氧氣擴散至電極表面 B.比較Mg，Al，Zn三種金屬﹣空氣電池，Al﹣空氣電池的理論比能量最高 C.M﹣空氣電池放電過程的正極反應式：4M++nO2+2nH2O+4ne﹣=4M（OH）n D.在Mg﹣空氣電池中，為防止負極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質及陽離子交換膜 【答案】C 【解析】A．反應物接觸面積越大，反應速率越快，所以采用多孔電極的目的是提高電極與電解質溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴散至電極表面，從而提高反應速率，故A正確；B．電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，則單位質量的電極材料失去電子的物質的量越多則得到的電能越多，所以Al﹣空氣電池的理論比能量最高，故B正確；C．正極上氧氣得電子和水反應生成OH﹣，因為是陰離子交換膜，所以陽離子不能進入正極區(qū)域，則正極反應式為O2+2H2O+4e﹣=4OH﹣，故C錯誤； D．負極上Mg失電子生成Mg2+，為防止負極區(qū)沉積Mg（OH）2，則陰極區(qū)溶液不能含有大量OH﹣，所以宜采用中性電解質及陽離子交換膜，故D正確；故選C． 【點撥】本題考查原電池原理，為高頻考點，側重考查學生分析判斷、獲取信息解答問題及計算能力，解本題關鍵是明確各個電極上發(fā)生的反應、離子交換膜作用、反應速率影響因素、氧化還原反應計算，易錯選項是C． 【變式3】鋰—銅空氣燃料電池容量高、成本低，具有廣闊的發(fā)展前景。該電池通過一種復雜的銅腐蝕“現(xiàn)象”產生電能，其中放電過程為2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，下列說法錯誤的是(　　) A．放電時，Li＋透過固體電解質向Cu極移動 B．放電時，正極的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．通空氣時，銅被腐蝕，表面產生Cu2O D．整個反應過程中，氧化劑為O2 【答案】　B 【點撥】　結合原電池結構，明確原電池的工作原理，結合總反應方程式判斷電極及電極反應式是解本題的關鍵。解答時注意結合裝置圖和題干信息分析判斷。 【課后鞏固】 1.（2017?浙江）銀鋅電池是一種常見化學電源，其原理反應：Zn+Ag2O+H2O═Zn（OH）2+2Ag，其工作示意圖如圖．下列說法不正確的是（　　） A.Zn電極是負極 B.Ag2O電極上發(fā)生還原反應 C.Zn電極的電極反應式：Zn﹣2e﹣+2OH﹣═Zn（OH）2 D.放電前后電解質溶液的pH保持不變 【答案】D 2.下圖是利用鹽橋電池從某些含碘物質中提取碘的兩個裝置： 下列說法中正確的是(　　) A．兩個裝置中，石墨Ⅰ和石墨Ⅱ均作負極 B．碘元素在裝置①中被還原，在裝置②中被氧化 C．裝置①中MnO2的電極反應式為MnO2＋2H2O＋2e－===Mn2＋＋4OH－ D．裝置①、②中的反應生成等量的I2時，導線上通過的電子數(shù)之比為1∶5 【答案】D 3．(2017太原模擬)如圖是鉛蓄電池充、放電時的工作示意圖，已知放電時電池反應為：PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO===2PbSO4＋2H2O。下列有關說法正確的是(　　) A．K與N相接時，能量由電能轉化為化學能 B．K與N相接時，H＋向負極區(qū)遷移 C．K與M相接時，所用電源的a極為負極 D．K與M相接時，陽極附近的pH逐漸增大 【答案】C 4.(2018福建省三明市質量檢查)一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽能電池，其原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　) A． A．電池工作時，能量的轉化形式至少有三種 B． 放電時，I－和I的濃度均減小 C． Y電極為電池的正極，發(fā)生的反應為：I＋2e－＝3I－ D． 電池工作時，X電極上發(fā)生氧化反應 【答案】B 5．微生物燃料電池可凈化廢水，同時還能獲得能源或有價值的化學產品，圖1為其工作原理，圖2為廢水中Cr2O濃度與去除率的關系。下列說法正確的是(　　) A．M極為電池正極，CH3COOH被還原 B．外電路轉移4 mol電子時，M極產生22.4 L CO2 C．反應一段時間后，N極附近的溶液pH下降 D．Cr2O濃度較大時，可能會造成還原菌失活 【答案】D 6..科學家嘗試用微生物電池除去廢水中的有害有機物，其原理如圖所示：下列有關說法錯誤的是(　　) A．A極電極反應式為＋2e－＋H＋===＋Cl－ B．B極電極反應式為CH3COO－－8e－＋4H2O===2HCO＋9H＋ C．溶液中的陰離子由A極向B極移動 D．該微生物電池在高溫條件下無法正常工作 【答案】C 7．某學習小組設計如圖所示實驗裝置，利用氫鎳電池為鈉硫電池充電。已知氫鎳電池放電時的總反應式為NiO(OH)＋MH===Ni(OH)2＋M。 下列說法正確的是(　　) A．a極為氫鎳電池的正極 B．氫鎳電池的負極反應式為MH＋OH－－2e－===M＋＋H2O C．充電時，Na＋通過固體Al2O3陶瓷向M極移動 D．充電時，外電路中每通過2 mol電子，N極上生成1 mol S單質 【答案】　C 8..如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯誤的是(　　) A．a為電池的正極 B．電池充電反應為LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi C．放電時，a極鋰的化合價發(fā)生變化 D．充電時，溶液中Li＋從a向b遷移 【答案】C 9.某課題組以納米Fe2O3作為電極材料制備鋰離子電池(另一極為金屬鋰和石墨的復合材料)，通過在室溫條件下對鋰離子電池進行循環(huán)充放電，成功地實現(xiàn)了對磁性的可逆調控(如圖所示)。以下說法中正確的是(　　) A．放電時，正極的電極反應式為Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O B．該電池可以用水溶液作電解質溶液 C．放電時，F(xiàn)e作電池的負極，F(xiàn)e2O3作電池的正極 D．充電時，電池靠近磁鐵 【答案】A 10．已知鉛蓄電池的工作原理為Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O，現(xiàn)用如圖裝置進行電解(電解液足量)，測得當鉛蓄電池中轉移0.4mol電子時鐵電極的質量減少11.2g。請回答下列問題。 (1)A是鉛蓄電池的________極，鉛蓄電池正極反應式為____________________________， 放電過程中電解液的密度________(填“減小”“增大”或“不變”)。 (2)Ag電極的電極反應式是_____________________________________________________， 該電極的電極產物共________g。 (3)Cu電極的電極反應式是___________________________________________________， CuSO4溶液的濃度________(填“減小”“增大”或“不變”)。 【答案】　(1)負　PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O　減小 (2)2H＋＋2e－===H2↑　0.4 (3)Cu－2e－===Cu2＋　不變 11.（2018年北京西城）某小組研究NaClO溶液與KI溶液的反應，實驗記錄如下： 實驗編號 實驗操作 實驗現(xiàn)象 Ⅰ ⅰ．溶液變?yōu)闇\黃色 ⅱ．溶液變藍 Ⅱ ?。芤罕３譄o色 ⅱ．溶液不變藍，溶液的pH=10 【資料】：碘的化合物主要以I?和IO3?的形式存在。 酸性條件下IO3?不能氧化Cl?，可以氧化I?。 ClO?在pH<4并加熱的條件下極不穩(wěn)定。 （1）0.5 molL?1 NaClO溶液的pH＝11，用離子方程式表示其原因：。 （2）實驗Ⅰ中溶液變?yōu)闇\黃色的離子方程式是。 （3）對比實驗Ⅰ和Ⅱ，研究實驗Ⅱ反應后“溶液不變藍”的原因。 ①提出假設a：I2在堿性溶液中不能存在。 設計實驗Ⅲ證實了假設a成立，實驗Ⅲ的操作及現(xiàn)象是。 ②進一步提出假設b：NaClO可將I2氧化為IO3?。 進行實驗證實了假設b成立，裝置如下圖，其中甲溶液是，實驗現(xiàn)象是。 （4）檢驗實驗Ⅱ所得溶液中的IO3?： 取實驗Ⅱ所得溶液，滴加稀硫酸至過量，整個過程均未出現(xiàn)藍色，一段時間后有黃綠色刺激性氣味的氣體產生，測得溶液的pH＝2。再加入KI溶液，溶液變藍，說明實驗Ⅱ所得溶液中存在IO3?。 ①產生的黃綠色氣體是。 ②有同學認為此實驗不能說明實驗Ⅱ所得溶液中存在IO3?，理由是 。欲證明實驗Ⅱ所得溶液中存在IO3?，改進的實驗方案是。 ③實驗Ⅱ中反應的離子方程式是。 【答案】（1）ClO? + H2OOH? + HClO （2）ClO? + 2I? + H2O ==I2 + Cl? + 2OH? （3）①向pH＝10的NaOH溶液中加入少量滴有淀粉溶液的碘水，振蕩，藍色褪去 ②碘水右側碘水棕黃色變淺，電流表的指針偏轉 （4）① Cl2②溶液中的Cl2或HClO也可將I?氧化為I2，使溶液變藍 加熱pH＝2的溶液至無色，使黃綠色氣體（或Cl2）充分逸出，使HClO完全分解，冷卻后再加入KI溶液 ③ 3ClO? + I?==3Cl? + IO3?