专题四 第十六讲 原电池 化学电源

第十六讲

原电池 化学电源

[江苏考纲要求]

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1．理解原电池的工作原理，能写出简单电极反应和电池反应方程式。

2．了解常见化学电源，认识化学能与电能相互转化的重要应用。

3．了解研制新型化学电源的重要性。认识化学在解决能源危机中的重要作用。

[教材基础—自热身]

1．原电池

(1)概念：原电池是把化学能转化为电能的装置。

(2)构成条件

①能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活动性强的金属与电解质溶液反应)。

②活动性不同的两电极(金属或石墨)。

③形成闭合回路。形成闭合回路需三个条件：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。

2．原电池的工作原理

图甲和图乙是铜锌原电池装置示意图。

原电池的工作原理

[说明] (1)图乙盐桥中通常装有含琼脂的KCl饱和溶液。

(2)盐桥的作用：使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触；平衡电荷；提高电池效率。

电极名称 负极 正极

电极材料 Zn片 Cu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

3．原电池工作时导电粒子流向(如图)

电子流向(外电路)：负极→导线→正极(电流方向与电子流向相反)。

离子迁移方向(内电路)：阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

[注意] 无论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。

[知能深化—扫盲点]

提能点一 原电池正、负极的判断方法

1．一般情况下，常采用以下方法判断原电池的正极和负极

判断方法 负极 正极 ①电极材料 较活泼金属 较不活泼金属或石墨

②通入物 通入还原剂的电极 通入氧化剂的电极

③两极反应类型 发生氧化反应的电极 发生还原反应的电极

④电子流向

(或电流方向) 电子流出的电极

(或电流流入的电极) 电子流入的电极

(或电流流出的电极)

⑤离子移向 阴离子移向的电极 阳离子移向的电极

⑥电极变化 质量减小的电极 质量增加或有气

泡产生的电极

2.特殊情况

(1)金属的活动性受所处环境的影响。如Mg、Al的活动性：在中性或酸性溶液中活动性：Mg>Al；而在碱性溶液中，Al可以与OH－反应，而Mg不反应，所以Mg与Al用导线连接后放入NaOH溶液中，Al是负极，Mg是正极。

(2)Fe、Cu相连，浸入稀HNO3中，Fe作负极；浸在浓HNO3中，Cu作负极(Fe发生钝化)。

[对点练]

1．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：选B 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是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。

提能点二 原电池电极反应式的书写

1．一般电极反应式的书写

(1)书写步骤

(2)常见介质

常见介质 注意事项

中性溶液 反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离

酸性溶液 反应物或生成物中均没有OH－

碱性溶液 反应物或生成物中均没有H＋

水溶液 不能出现O2－

2.用总反应式书写电极反应式

(1)书写三步骤

步骤一：写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne－)。

步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。 步骤三：写电极反应式。

负极反应：还原剂－ne－===氧化产物

正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物

(2)书写技巧

若某电极反应式较难写出时，可先写出较易的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。

[对点练]

2．(1)有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂作电极，在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应，则负极、正极的电极反应式为_____________________________________________________________________。

(2)CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中：总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O，则正极、负极的电极反应式为___________________________________________。

解析：(1)CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应，即CH4→CO2，生成的CO2与KOH反应生成K2CO3，碳元素的化合价升高，失去电子，即CH4在负极上发生氧化反应，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O；O2在正极上发生还原反应，得到电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

(2)

得到电子的O2为正极，还原产物为H2O，正极反应式为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，失去电子的CH3OCH3为负极，氧化产物为CO2，CH3OCH3→2CO2，需要H2O提供O原子，负极反应式为CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，负极反应式也可以由总反应式减去正极反应式。

答案：(1)负极：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O

正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－

(2)正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 负极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋

[题点全练—过高考]

题点一 原电池的工作原理

1．有关下图所示原电池的叙述不正确的是(

)

A．电子沿导线由Cu片流向Ag片

B．正极的电极反应式是Ag＋＋e－===Ag

C．Cu片上发生氧化反应，Ag片上发生还原反应

D．反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液

解析：选D A项，该装置是原电池，铜作负极，银作正极，电子从铜片沿导线流向银片，正确； B项，正极电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，正确； C项，铜片上失电子发生氧化反应，银片上得电子发生还原反应，正确； D项，原电池工作时，电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以反应时盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液，错误。

2．锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是(

)

A．铜电极上发生氧化反应

B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO2－4)减小

C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡

解析：选C A项，Cu作正极，电极上发生还原反应，错误；B项，电池工作过程中，SO2－4不参加电极反应，故甲池的c(SO2－4)基本不变，错误；C项，电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，则进入乙池的

Zn2＋为65 g，溶液总质量略有增加，正确；D项，由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。

题点二 原电池电极反应式的书写

3．乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200 ℃左右时供电，电池总反应为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如右所示。下列说法中正确的是( )

A．电池工作时，质子向电池的负极迁移

B．电池工作时，电子由b极沿导线流向a极

C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋

D．b极上发生的电极反应是4H＋＋O2＋4e－===2H2O

解析：选D 原电池中，阳离子向正极移动，所以质子向电池的正极迁移，故A错误；电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，在该电池中由a极沿导线流向b极，故B错误；a极上是乙醇失电子发生氧化反应，乙醇被氧化生成CO2和H＋，电极反应式为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，故C错误；b极氧气得到电子被还原，电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，故D正确。

4．(1)用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO－3)已成为环境修复研究的热点之一。Fe还原水体中NO－3的反应原理如图所示。

①作负极的物质是________。 ②正极的电极反应式是_________________________________________。

(2)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如图所示：

①Pt电极上发生的是________反应(填“氧化”或“还原”)。

②写出NiO电极的电极反应式：______________________。

答案：(1)①铁 ②NO－3＋8e－＋10H＋===NH＋4＋3H2O

(2)①还原 ②NO＋O2－－2e－===NO2

比较金属的活动性强弱

原电池中，一般活动性强的金属作负极，而活动性弱的金属(或可导电的非金属)作正极。如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性：A＞B。

[对点练]

1．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )

A．P＞M＞N＞E B．E＞N＞M＞P

C．P＞N＞M＞E D．E＞P＞M＞N

解析：选A 由①知，金属活动性：M＞N；M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属活动性：P＞M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：N＞E。 原电池原理的四大应用