原電池原理及應(yīng)用【明確考綱】1、根據(jù)化學(xué)高考考綱，對(duì)學(xué)生的能力要求有：理解原電池的構(gòu)成、工作原理以及應(yīng)用；能準(zhǔn)確判斷二次電池充電、放電時(shí)的電極，并能書(shū)寫(xiě)對(duì)應(yīng)電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式；運(yùn)用原電池原理分析新型化學(xué)電源的工作原理；利用電子守恒進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。2、以上各部分知識(shí)與技能的綜合應(yīng)用?！菊n前真題】1.(2018全國(guó)卷，11)一種可充電鋰空氣電池如圖所示。當(dāng)電池放電時(shí)，O2與Li在多孔碳材料電極處生成Li2O2x(x0或1)。下列說(shuō)法正確的是()A放電時(shí)，多孔碳材料電極為負(fù)極B放電時(shí)，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極C充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li向多孔碳材料區(qū)遷移D充電時(shí)，電池總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2x=2Li(1)O2【答案】D【解析】由題意知，放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為4Li4e=4Li，正極反應(yīng)為(2x)O24Li4e=2Li2O2x(x0或1)，電池總反應(yīng)為(1)O22Li=Li2O2x。充電時(shí)的電池總反應(yīng)與放電時(shí)的電池總反應(yīng)互為逆反應(yīng)，故充電時(shí)電池總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2x=2Li(1)O2，D項(xiàng)正確；該電池放電時(shí)，金屬鋰為負(fù)極，多孔碳材料為正極，A項(xiàng)錯(cuò)誤；該電池放電時(shí)，外電路電子由鋰電極流向多孔碳材料電極，B項(xiàng)錯(cuò)誤；該電池放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li向多孔碳材料區(qū)遷移，充電時(shí)電解質(zhì)溶液中的Li向鋰材料區(qū)遷移，C項(xiàng)錯(cuò)誤。2.(2018全國(guó)卷，12)我國(guó)科學(xué)家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的NaCO2二次電池。將NaClO4溶于有機(jī)溶劑作為電解液，鈉和負(fù)載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料，電池的總反應(yīng)為3CO24Na 2Na2CO3C。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A放電時(shí)，ClO向負(fù)極移動(dòng)B充電時(shí)釋放CO2，放電時(shí)吸收CO2C放電時(shí)，正極反應(yīng)為3CO24e=2COCD充電時(shí)，正極反應(yīng)為Nae=Na【答案】D課堂精講【考點(diǎn)歸類(lèi)】原電池基本原理，二次電源的工作原理與應(yīng)用，新型化學(xué)電源的分析。題型一 原電池基本原理核心知識(shí)必備：1構(gòu)建原電池模型，類(lèi)比分析原電池工作原理構(gòu)建如圖Zn|H2SO4|Cu原電池模型，通過(guò)類(lèi)比模型，結(jié)合氧化還原反應(yīng)知識(shí)(如：化合價(jià)的變化、得失電子情況等)，能迅速判斷原電池的正、負(fù)極，弄清楚外電路中電子的移動(dòng)情況和內(nèi)電路中離子的移動(dòng)情況，準(zhǔn)確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式和電池總反應(yīng)式，掌握原電池的工作原理。2化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)的思維模板(1)明確直接產(chǎn)物：根據(jù)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)、正極發(fā)生還原反應(yīng)，明確兩極的直接產(chǎn)物。(2)確定最終產(chǎn)物：根據(jù)介質(zhì)環(huán)境和共存原則，找出參與的介質(zhì)粒子，確定最終產(chǎn)物。(3)配平：根據(jù)電荷守恒、原子守恒配平電極反應(yīng)式。特別提醒：H在堿性環(huán)境中不存在；O2在水溶液中不存在，在酸性環(huán)境中結(jié)合H，生成H2O，在中性或堿性環(huán)境中結(jié)合H2O，生成OH；若已知總反應(yīng)式時(shí)，可先寫(xiě)出較易書(shū)寫(xiě)的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應(yīng)式減去較易寫(xiě)出的一極的電極反應(yīng)式，即得較難寫(xiě)出的另一極的電極反應(yīng)式。【典例剖析】1.(2017青島二模)Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb電池裝置如圖，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()ASO從右向左遷移B電池的正極反應(yīng)為Pb22e=PbC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(guò)離子交換膜【答案】B【解析】裝置左側(cè)電極為負(fù)極，右側(cè)電極為正極，陰離子移向負(fù)極，即SO從右向左遷移，A項(xiàng)正確；電池的正極反應(yīng)式為PbSO42e=PbSO，B項(xiàng)錯(cuò)誤；負(fù)極反應(yīng)式為Zn2e=Zn2，產(chǎn)生ZnSO4，左邊ZnSO4濃度增大，右邊ZnSO4濃度不變，C項(xiàng)正確；6.5 g鋅溶解，轉(zhuǎn)移0.2 mol e，電解液中有0.2 mol負(fù)電荷通過(guò)離子交換膜，即有0.1 mol SO通過(guò)離子交換膜，D項(xiàng)正確?！军c(diǎn)撥】根據(jù)得失電子守恒關(guān)系建立起已知量與未知量之間的橋梁，構(gòu)建計(jì)算所需的關(guān)系式。如以通過(guò)4 mol e為橋梁可構(gòu)建如下關(guān)系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價(jià)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(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子和水分子通過(guò)，下列有關(guān)敘述正確的是()A銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)B電池工作一段時(shí)間后，甲池的c(SO)減小C電池工作一段時(shí)間后，乙池溶液的總質(zhì)量增加D陰陽(yáng)離子分別通過(guò)交換膜向負(fù)極和正極移動(dòng)，保持溶液中電荷平衡【答案】C 題型二 二次電源核心知識(shí)必備：1.基本原理關(guān)系：二次電源放電充電負(fù)極:化合價(jià)升高、失電子、氧化反應(yīng)正極:化合價(jià)降低、得電子、還原反應(yīng)陽(yáng)極:化合價(jià)升高、失電子、氧化反應(yīng)陰極:化合價(jià)降低、得電子、還原反應(yīng)2.常用技巧：（1）判斷“池”的關(guān)鍵點(diǎn)：負(fù)載、用電器、直流電源、自發(fā)的氧還反應(yīng)等；(2)判斷“極”的關(guān)鍵點(diǎn)：活潑金屬、燃料、強(qiáng)氧化劑、物質(zhì)元素化合價(jià)的變化、“三流向”等?！镜淅饰觥?. (2017全國(guó)卷)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(yīng)為16LixS8=8Li2Sx(2x8)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A電池工作時(shí)，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S62Li2e=3Li2S4B電池工作時(shí)，外電路中流過(guò)0.02mol電子，負(fù)極材料減重0.14gC石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性D電池充電時(shí)間越長(zhǎng)，電池中Li2S2的量越多【答案】D 【解析】A項(xiàng)，原電池電解質(zhì)中陽(yáng)離子移向正極，根據(jù)全固態(tài)鋰硫電池工作原理圖示中Li移動(dòng)方向可知，電極a為正極，正極發(fā)生還原反應(yīng)，由總反應(yīng)可知正極依次發(fā)生S8Li2S8Li2S6Li2S4Li2S2的還原反應(yīng)，正確；B項(xiàng)，電池工作時(shí)負(fù)極電極方程式為L(zhǎng)ie=Li，當(dāng)外電路中流過(guò)0.02mol電子時(shí)，負(fù)極消耗的Li的物質(zhì)的量為0.02mol，其質(zhì)量為0.14g，正確；C項(xiàng)，石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，故可以提高電極a的導(dǎo)電能力，正確；D項(xiàng)，電池充電時(shí)為電解池，此時(shí)電解總反應(yīng)為8Li2Sx16LixS8(2x8)，故Li2S2的量會(huì)越來(lái)越少，錯(cuò)誤?！咀兪健? .磷酸鐵鋰電池具有高效率輸出、可快速充電、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理如圖所示。M電極是金屬鋰和碳的復(fù)合材料(碳作為金屬鋰的載體)，電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li的高分子材料，隔膜只允許Li通過(guò)，電池反應(yīng)式為L(zhǎng)ixC6Li1xFePO4 LiFePO46C。下列說(shuō)法正確的是()A放電時(shí)Li從右邊移向左邊B放電時(shí)M是負(fù)極，電極反應(yīng)式為Cxe=6CC充電時(shí)電路中通過(guò)0.5 mol電子，消耗36 g CD充電時(shí)N極連接電源的正極，電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO4xe=Li1xFePO4xLi【答案】D題型二新型電源核心知識(shí)必備：解答新型化學(xué)電源的步驟(1)判斷電池類(lèi)型確認(rèn)電池原理核實(shí)電子、離子移動(dòng)方向。(2)確定電池兩極判斷電子、離子移動(dòng)方向書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。(3)充電電池放電時(shí)為原電池失去電子的為負(fù)極反應(yīng)。(4)電極反應(yīng)總反應(yīng)離子方程式減去較簡(jiǎn)單一極的電極反應(yīng)式另一電極反應(yīng)式?！镜淅饰觥?.（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(diǎn)，有望成為新能源汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備的電源，該類(lèi)電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n，已知：電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，下列說(shuō)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(zhì)溶液的接觸面積，有利于氧氣擴(kuò)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(guò)程的正極反應(yīng)式：4M+nO2+2nH2O+4ne=4M（OH）nD.在Mg空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，宜采用中性電解質(zhì)及陽(yáng)離子交換膜【答案】C 【解析】A反應(yīng)物接觸面積越大，反應(yīng)速率越快，所以采用多孔電極的目的是提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面，從而提高反應(yīng)速率，故A正確；B電池的“理論比能量”指單位質(zhì)量的電極材料理論上能釋放出的最大電能，則單位質(zhì)量的電極材料失去電子的物質(zhì)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(yīng)生成OH，因?yàn)槭顷庪x子交換膜，所以陽(yáng)離子不能進(jìn)入正極區(qū)域，則正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e=4OH，故C錯(cuò)誤；D負(fù)極上Mg失電子生成Mg2+，為防止負(fù)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(zhì)及陽(yáng)離子交換膜，故D正確；故選C【點(diǎn)撥】本題考查原電池原理，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析判斷、獲取信息解答問(wèn)題及計(jì)算能力，解本題關(guān)鍵是明確各個(gè)電極上發(fā)生的反應(yīng)、離子交換膜作用、反應(yīng)速率影響因素、氧化還原反應(yīng)計(jì)算，易錯(cuò)選項(xiàng)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(guò)一種復(fù)雜的銅腐蝕“現(xiàn)象”產(chǎn)生電能，其中放電過(guò)程為2LiCu2OH2O=2Cu2Li2OH，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A放電時(shí)，Li透過(guò)固體電解質(zhì)向Cu極移動(dòng)B放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式為O22H2O4e=4OHC通空氣時(shí)，銅被腐蝕，表面產(chǎn)生Cu2OD整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，氧化劑為O2【答案】B【點(diǎn)撥】結(jié)合原電池結(jié)構(gòu)，明確原電池的工作原理，結(jié)合總反應(yīng)方程式判斷電極及電極反應(yīng)式是解本題的關(guān)鍵。解答時(shí)注意結(jié)合裝置圖和題干信息分析判斷?！菊n后鞏固】1.（2017浙江）銀鋅電池是一種常見(jiàn)化學(xué)電源，其原理反應(yīng)：Zn+Ag2O+H2OZn（OH）2+2Ag，其工作示意圖如圖下列說(shuō)法不正確的是（）A.Zn電極是負(fù)極B.Ag2O電極上發(fā)生還原反應(yīng)C.Zn電極的電極反應(yīng)式：Zn2e+2OHZn（OH）2D.放電前后電解質(zhì)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(zhì)中提取碘的兩個(gè)裝置：下列說(shuō)法中正確的是()A兩個(gè)裝置中，石墨和石墨均作負(fù)極B碘元素在裝置中被還原，在裝置中被氧化C裝置中MnO2的電極反應(yīng)式為MnO22H2O2e=Mn24OHD裝置、中的反應(yīng)生成等量的I2時(shí)，導(dǎo)線上通過(guò)的電子數(shù)之比為15【答案】D3(2017太原模擬)如圖是鉛蓄電池充、放電時(shí)的工作示意圖，已知放電時(shí)電池反應(yīng)為：PbO2Pb4H2SO=2PbSO42H2O。下列有關(guān)說(shuō)法正確的是()AK與N相接時(shí)，能量由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能BK與N相接時(shí)，H向負(fù)極區(qū)遷移CK與M相接時(shí)，所用電源的a極為負(fù)極DK與M相接時(shí)，陽(yáng)極附近的pH逐漸增大【答案】C4.(2018福建省三明市質(zhì)量檢查)一種釕(Ru)基配合物光敏染料敏化太陽(yáng)能電池，其原理如圖所示。下列說(shuō)法不正確的是()A A電池工作時(shí)，能量的轉(zhuǎn)化形式至少有三種 B 放電時(shí)，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(yīng)為：I2e3ID 電池工作時(shí)，X電極上發(fā)生氧化反應(yīng)【答案】B5微生物燃料電池可凈化廢水，同時(shí)還能獲得能源或有價(jià)值的化學(xué)產(chǎn)品，圖1為其工作原理，圖2為廢水中Cr2O濃度與去除率的關(guān)系。下列說(shuō)法正確的是()AM極為電池正極，CH3COOH被還原B外電路轉(zhuǎn)移4 mol電子時(shí)，M極產(chǎn)生22.4 L CO2C反應(yīng)一段時(shí)間后，N極附近的溶液pH下降DCr2O濃度較大時(shí)，可能會(huì)造成還原菌失活【答案】D6.科學(xué)家嘗試用微生物電池除去廢水中的有害有機(jī)物，其原理如圖所示：下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是()AA極電極反應(yīng)式為2eH=ClBB極電極反應(yīng)式為CH3COO8e4H2O=2HCO9HC溶液中的陰離子由A極向B極移動(dòng)D該微生物電池在高溫條件下無(wú)法正常工作【答案】C7某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)如圖所示實(shí)驗(yàn)裝置，利用氫鎳電池為鈉硫電池充電。已知?dú)滏囯姵胤烹姇r(shí)的總反應(yīng)式為NiO(OH)MH=Ni(OH)2M。下列說(shuō)法正確的是()Aa極為氫鎳電池的正極B氫鎳電池的負(fù)極反應(yīng)式為MHOH2e=MH2OC充電時(shí)，Na通過(guò)固體Al2O3陶瓷向M極移動(dòng)D充電時(shí)，外電路中每通過(guò)2 mol電子，N極上生成1 mol S單質(zhì)【答案】C8.如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯(cuò)誤的是()Aa為電池的正極B電池充電反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4=Li1xMn2O4xLiC放電時(shí)，a極鋰的化合價(jià)發(fā)生變化D充電時(shí)，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(fù)合材料)，通過(guò)在室溫條件下對(duì)鋰離子電池進(jìn)行循環(huán)充放電，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁性的可逆調(diào)控(如圖所示)。以下說(shuō)法中正確的是()A放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式為Fe2O36Li6e=2Fe3Li2OB該電池可以用水溶液作電解質(zhì)溶液C放電時(shí)，F(xiàn)e作電池的負(fù)極，F(xiàn)e2O3作電池的正極D充電時(shí)，電池靠近磁鐵【答案】A10已知鉛蓄電池的工作原理為PbPbO22H2SO4 2PbSO42H2O，現(xiàn)用如圖裝置進(jìn)行電解(電解液足量)，測(cè)得當(dāng)鉛蓄電池中轉(zhuǎn)移0.4mol電子時(shí)鐵電極的質(zhì)量減少11.2g。請(qǐng)回答下列問(wèn)題。(1)A是鉛蓄電池的_極，鉛蓄電池正極反應(yīng)式為_(kāi)，放電過(guò)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(yīng)式是_，該電極的電極產(chǎn)物共_g。(3)Cu電極的電極反應(yīng)式是_，CuSO4溶液的濃度_(填“減小”“增大”或“不變”)。【答案】(1)負(fù)PbO24HSO2e=PbSO42H2O減小(2)2H2e=H20.4(3)Cu2e=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(yīng)，實(shí)驗(yàn)記錄如下：實(shí)驗(yàn)編號(hào)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象溶液變?yōu)闇\黃色溶液變藍(lán)溶液保持無(wú)色溶液不變藍(lán)，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 molL1 NaClO溶液的pH11，用離子方程式表示其原因：。（2）實(shí)驗(yàn)中溶液變?yōu)闇\黃色的離子方程式是。（3）對(duì)比實(shí)驗(yàn)和，研究實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后“溶液不變藍(lán)”的原因。提出假設(shè)a：I2在堿性溶液中不能存在。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了假設(shè)a成立，實(shí)驗(yàn)的操作及現(xiàn)象是。進(jìn)一步提出假設(shè)b：NaClO可將I2氧化為IO3。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證實(shí)了假設(shè)b成立，裝置如下圖，其中甲溶液是，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是。（4）檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所得溶液中的IO3：取實(shí)驗(yàn)所得溶液，滴加稀硫酸至過(guò)量，整個(gè)過(guò)程均未出現(xiàn)藍(lán)色，一段時(shí)間后有黃綠色刺激性氣味的氣體產(chǎn)生，測(cè)得溶液的pH2。再加入KI溶液，溶液變藍(lán)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所得溶液中存在IO3。產(chǎn)生的黃綠色氣體是。有同學(xué)認(rèn)為此實(shí)驗(yàn)不能說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所得溶液中存在IO3，理由是。欲證明實(shí)驗(yàn)所得溶液中存在IO3，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案是。實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)的離子方程式是?！敬鸢浮浚?）ClO + H2OOH + HClO （2）ClO + 2I + H2O =I2 + Cl + 2OH（3）向pH10的NaOH溶液中加入少量滴有淀粉溶液的碘水，振蕩，藍(lán)色褪去碘水右側(cè)碘水棕黃色變淺，電流表的指針偏轉(zhuǎn)（4） Cl2溶液中的Cl2或HClO也可將I氧化為I2，使溶液變藍(lán)加熱pH2的溶液至無(wú)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 3ClO + I=3Cl + IO3