知識清單18 原電池 化學(xué)電源（教師版） 2025年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí)知識清單

知識清單18原電池化學(xué)電源知識點(diǎn)01原電池的工作原理及應(yīng)用知識點(diǎn)02化學(xué)電源

知識點(diǎn)01原電池的工作原理及應(yīng)用1．原電池的概念和實(shí)質(zhì)(1)概念：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。(2)實(shí)質(zhì)：利用能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。2．原電池的工作原理(1)電極反應(yīng)：負(fù)極：失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)正極：得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)(2)電子移動方向：從負(fù)極流出沿導(dǎo)線流入正極，電子不能通過電解質(zhì)溶液。(3)離子移動方向：①陰離子向負(fù)極移動，陽離子向正極移動。②如果有鹽橋：鹽橋中的陰離子移向負(fù)極區(qū)，陽離子移向正極區(qū)。(4)鹽橋的作用：①離子通道，形成閉合回路。②避免電極與電解質(zhì)溶液直接反應(yīng)，減少電流的衰減。3．原電池的構(gòu)成條件①形成閉合回路；②兩個活性不同的電極，相對較活潑的金屬作負(fù)極；③電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)；④自發(fā)的氧化還原反應(yīng)（一般能對外界釋放能量）?！疽族e提醒】(1)構(gòu)成原電池的兩電極材料不一定都是金屬，正極材料可以為導(dǎo)電的非金屬，例如石墨。兩極材料可能參與反應(yīng)，也可能不參與反應(yīng)。(2)兩個活潑性不同的金屬電極用導(dǎo)線連接，共同插入電解質(zhì)溶液中不一定構(gòu)成原電池，必須有一個能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。(3)在判斷原電池正負(fù)極時，既要考慮金屬活潑性的強(qiáng)弱，也要考慮電解質(zhì)溶液性質(zhì)。如Mg－Al－HCl溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Mg；但是Mg－Al－NaOH溶液構(gòu)成的原電池中，負(fù)極為Al，正極為Mg。4．原電池原理的應(yīng)用(1)設(shè)計制作化學(xué)電源①用雙線橋分析氧化還原反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移方向和數(shù)目；②分別寫出正、負(fù)極的電極反應(yīng)式（半反應(yīng)式）；③根據(jù)電極反應(yīng)式確定半電池的電極材料和電解質(zhì)溶液：a.電極材料：一般活潑金屬作負(fù)極，不活潑金屬（或非金屬導(dǎo)體）作正極；b.電解質(zhì)溶液：負(fù)極電解液一般是負(fù)極金屬對應(yīng)的陽離子的溶液；正極電解液一般是氧化劑對應(yīng)的電解質(zhì)溶液。(2)比較金屬的活動性強(qiáng)弱一般來說，作負(fù)極的金屬的活動性強(qiáng)于正極金屬。如：有兩種金屬a和b，用導(dǎo)線連接后插入稀硫酸中，觀察到a極溶解，b極上有氣泡產(chǎn)生。由此可判斷出a是負(fù)極、b是正極，且金屬活動性：a>b。(3)加快化學(xué)反應(yīng)速率氧化還原反應(yīng)形成原電池時，反應(yīng)速率加快。在鋅與稀H2SO4反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液，CuSO4與鋅發(fā)生置換反應(yīng)生成Cu，從而形成Cu－Zn微小原電池，加快產(chǎn)生H2的速率。(4)用于金屬的防護(hù)：將需要保護(hù)的金屬制品作原電池的正極而受到保護(hù)。(1)NaOH溶液與稀硫酸的反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的放熱反應(yīng)，此反應(yīng)可以設(shè)計成原電池(×)錯因：該反應(yīng)不是氧化還原反應(yīng)，沒有電子轉(zhuǎn)移。(2)Mg—Al形成的原電池，Mg一定作負(fù)極(×)錯因：若是酸性介質(zhì)Mg作負(fù)極，若是堿性介質(zhì)Al作負(fù)極。(3)其他條件均相同，帶有“鹽橋”的原電池比不帶“鹽橋”的原電池電流持續(xù)時間長(√)(4)原電池工作時，電子從負(fù)極流出經(jīng)導(dǎo)線流入正極，然后通過溶液流回負(fù)極(×)錯因：電子不進(jìn)入溶液，溶液中陰陽離子定向移動形成電流。(5)在Cu|CuSO4|Zn原電池中，正電荷定向移動的方向就是電流的方向，所以Cu2＋向負(fù)極移動(×)錯因：在外電路中電流由正極流向負(fù)極，而在電解質(zhì)溶液中，陽離子都由負(fù)極移向正極。(6)構(gòu)成原電池兩極的電極材料一定是活潑性不同的金屬(×)錯因：原電池的電極材料必須能導(dǎo)電，不一定是金屬，也可以是石墨，燃料電池中兩個電極都可以是石墨。(7)原電池中負(fù)極失去電子的總數(shù)一定等于正極得到電子的總數(shù)(√)(8)電解質(zhì)溶液中陰、陽離子的定向移動，與導(dǎo)線中電子的定向移動共同組成了一個完整的閉合回路(√)一、原電池的工作原理1．(1)由組成原電池的電極材料判斷。一般是活動性較強(qiáng)的金屬為極，活動性較弱的金屬或能導(dǎo)電的非金屬為極。(2)根據(jù)電流方向或電子流動方向判斷。電流由極流向極；電子由極流向極。(3)根據(jù)原電池中電解質(zhì)溶液內(nèi)離子的移動方向判斷。在原電池的電解質(zhì)溶液內(nèi)，陽離子移向極，陰離子移向極。(4)根據(jù)原電池兩極發(fā)生的變化來判斷。原電池的極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，其極得電子發(fā)生還原反應(yīng)。(5)根據(jù)現(xiàn)象判斷。一般情況下，溶解的一極為極，增重或有氣體逸出的一極為極。答案：(1)負(fù)正(2)正負(fù)負(fù)正(3)正負(fù)(4)負(fù)正(5)負(fù)正2．有下圖所示的四個裝置，回答相關(guān)問題：(1)圖①中，Mg作________極。(2)圖②中，Mg作__________極，寫出負(fù)極反應(yīng)式：________________，正極反應(yīng)式：________________，總反應(yīng)的離子方程式：_____________________________。(3)圖③中，F(xiàn)e作_____極，寫出負(fù)極反應(yīng)式：______________，正極反應(yīng)式：______________________，總反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________。(4)圖④裝置能否構(gòu)成原電池？________(填“能”或“否”)，若能構(gòu)成原電池，正極為________，電極反應(yīng)式為____________________________________________(若不能構(gòu)成原電池，后兩問不用回答)。答案：(1)負(fù)(2)正2Al＋8OH－－6e－=2AlOeq\o\al(－,2)＋4H2O6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑(3)正Cu－2e－=Cu2＋2NOeq\o\al(－,3)＋4H＋＋2e－=2NO2↑＋2H2OCu＋4HNO3(濃)=Cu(NO3)2＋2NO2↑＋2H2O(4)能CuO2＋4e－＋2H2O=4OH－3．如圖是某同學(xué)設(shè)計的原電池裝置：(1)電極Ⅰ上發(fā)生________(填反應(yīng)類型)，作________(填電極名稱)。(2)電極Ⅱ的電極反應(yīng)式為__________________________________________________。(3)該原電池的總反應(yīng)式為_______________________________________________。(4)鹽橋中裝有含氯化鉀飽和溶液的瓊膠，其作用是___________________________________。答案：(1)還原反應(yīng)原電池的正極(2)Cu－2e－=Cu2＋(3)2Fe3＋＋Cu=Cu2＋＋2Fe2＋(4)形成閉合回路、平衡電荷(答案合理即可)二、原電池原理的應(yīng)用1．根據(jù)反應(yīng)2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2設(shè)計原電池，畫出裝置圖，指出電極材料和電解質(zhì)溶液，寫出電極反應(yīng)式：①不含鹽橋②含鹽橋負(fù)極：_______________________，正極：______________________。答案：負(fù)極：Cu－2e－=Cu2＋正極：2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋2．用A、B、C、D、E五塊金屬片，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：(1)A、B用導(dǎo)線相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，A極為負(fù)極，活動性；(2)C、D用導(dǎo)線相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，電流由D→導(dǎo)線→C，活動性；(3)A、C相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，C極產(chǎn)生大量氣泡，活動性；(4)B、D相連后，同時浸入稀H2SO4溶液中，D極發(fā)生氧化反應(yīng)，活動性；(5)用惰性電極電解含B離子和E離子的溶液，E先析出，活動性。綜上所述，這五種金屬的活動性從強(qiáng)到弱的順序?yàn)?。答案?1)A＞B(2)C＞D(3)A＞C(4)D＞B(5)B＞EA＞C＞D＞B＞E知識點(diǎn)02化學(xué)電源1．化學(xué)電源概述(1)化學(xué)電源的分類原電池是各種化學(xué)電源的雛形，常分為如下三類：①一次電池：也叫做干電池，放電后不可再充電的電池。②二次電池：又稱可充電電池或蓄電池，放電后可以再充電而反復(fù)使用的電池。③燃料電池：一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源。(2)判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)①比能量：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。②比功率：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。③電池可儲存時間的長短。(3)化學(xué)電池的回收利用使用后的廢棄電池中含有大量的重金屬、酸和堿等有害物質(zhì)，隨處丟棄會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害。廢棄電池要進(jìn)行回收利用。(4)化學(xué)電源的發(fā)展方向小型化、供電方便、工作壽命長、不需要維護(hù)的電池受到人們的青睞，如鎳氫電池、鋰離子電池等。2．一次電池(1)普通鋅錳干電池①構(gòu)造（如圖所示）：負(fù)極：鋅筒正極：石墨棒電解質(zhì)溶液：氯化銨和氯化鋅②工作原理：負(fù)極：Zn－2e－＋2NHeq\o\al(＋,4)=Zn(NH3)eq\o\al(2＋,2)＋2H＋正極：2MnO2＋2H＋＋2e－=2MnO(OH)總反應(yīng)：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)(2)堿性鋅錳干電池①構(gòu)造（如圖所示）：負(fù)極反應(yīng)物：鋅粉正極反應(yīng)物：二氧化錳電解質(zhì)溶液：氫氧化鉀②工作原理：負(fù)極：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正極：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)＋Zn(OH)2(3)紐扣式鋅銀電池總反應(yīng)：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。電解質(zhì)：KOH；負(fù)極反應(yīng)物：Zn；電極反應(yīng)：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正極反應(yīng)物：Ag2O；電極反應(yīng)：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－。3．二次電池(1)鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池是一種常見的二次電池，其放電過程表示如下：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O①放電反應(yīng)原理a.負(fù)極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。b.電極反應(yīng)：負(fù)極：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4；正極：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2Oc.放電過程中，負(fù)極質(zhì)量的變化是增大，H2SO4溶液的濃度減小。②充電反應(yīng)原理陰極(還原反應(yīng))反應(yīng)式是PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)；陽極(氧化反應(yīng))反應(yīng)式是PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)；充電時，鉛蓄電池正極與直流電源正極相連，負(fù)極與直流電源負(fù)極相連。即“負(fù)極接負(fù)極，正極接正極”。鉛酸蓄電池的充電過程與其放電過程相反。(2)鋰離子電池電極電極反應(yīng)負(fù)極嵌鋰石墨(LixCy)：LixCy－xe－=xLi＋＋Cy正極鈷酸鋰(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－=LiCoO2總反應(yīng)LixCy＋Li1－xCoO2=LiCoO2＋Cy反應(yīng)過程：放電時，Li＋從石墨中脫嵌移向正極，嵌入鈷酸鋰晶體中，充電時，Li＋從鈷酸鋰晶體中脫嵌，由正極回到負(fù)極，嵌入石墨中。這樣在放電、充電時，鋰離子往返于電池的正極、負(fù)極之間完成化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。3．燃料電池(1)氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，常見的燃料除H2外，還有CO、水煤氣(CO和H2)、烴類(如CH4)、醇類(如CH3OH)、醚類(如CH3OCH3)、氨(NH3)、肼(H2N—NH2)等。如無特別提示，燃料電池反應(yīng)原理類似于燃料的燃燒。(2)燃料電池的電解質(zhì)常有四種類型，酸性溶液、堿性溶液、固體電解質(zhì)(可傳導(dǎo)O2－)、熔融碳酸鹽，不同電解質(zhì)會對總反應(yīng)式、電極反應(yīng)式有影響。(3)氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，分為酸性和堿性兩種。電池酸性堿性或中性負(fù)極反應(yīng)式2H2－4e－=4H＋2H2－4e－＋4OH－=4H2O正極反應(yīng)式O2＋4e－＋4H＋=2H2OO2＋4e－＋2H2O=4OH－總反應(yīng)式2H2＋O2=2H2O備注燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用4．化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書寫①明確兩極的反應(yīng)物。②明確直接產(chǎn)物：根據(jù)負(fù)極氧化、正極還原，明確兩極的直接產(chǎn)物。③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。④配平：根據(jù)電荷守恒、原子守恒配平電極反應(yīng)式?！疽族e提醒】(1)H＋在堿性環(huán)境中不存在；(2)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)境結(jié)合H2O，生成OH－；(3)若已知總反應(yīng)式時，可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式，即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式。(1)堿性鋅錳干電池是一次電池，其中MnO2是催化劑，可使鋅錳干電池的比能量高、可儲存時間長(×)錯因：MnO2是正極反應(yīng)物，不是催化劑。(2)可充電電池中的放電反應(yīng)和充電反應(yīng)互為可逆反應(yīng)(×)錯因：可充電電池放電時是自發(fā)的原電池反應(yīng)，充電時是非自發(fā)的電解池反應(yīng)，條件不同。(3)二次電池充電時，二次電池的陰極連接電源的負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)(√)(4)氫氧燃料電池在堿性電解質(zhì)溶液中負(fù)極反應(yīng)式為2H2－4e－=4H＋(×)錯因：堿性環(huán)境下負(fù)極反應(yīng)式為H2＋2OH－－2e－=2H2O。(5)燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用(√)(6)鉛酸蓄電池放電時，正極與負(fù)極質(zhì)量均增加(√)(7)鉛酸蓄電池放電時的負(fù)極和充電時的陽極均發(fā)生還原反應(yīng)(×)錯因：放電時的負(fù)極和充電時的陽極均發(fā)生氧化反應(yīng)。(8)燃料電池工作時燃料在電池中燃燒，然后熱能轉(zhuǎn)化為電能(×)錯因：燃料電池工作時直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(9)在原電池中，正極本身一定不參與電極反應(yīng)，負(fù)極本身一定要發(fā)生氧化反應(yīng)(×)錯因：原電池的電極起導(dǎo)電作用，不一定參與反應(yīng)。(10)手機(jī)、電腦中使用的鋰電池屬于一次電池(×)錯因：鋰電池屬于二次電池。(11)若使反應(yīng)Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋以原電池方式進(jìn)行，可用鋅鐵作電極材料(×)錯因：應(yīng)用鐵作負(fù)極材料。1．以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫方法。(1)酸性條件總反應(yīng)式：；正極反應(yīng)式：；負(fù)極反應(yīng)式：。(2)堿性條件總反應(yīng)式：；正極反應(yīng)式：；負(fù)極反應(yīng)式：。(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)總反應(yīng)式：；正極反應(yīng)式：；負(fù)極反應(yīng)式：。(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下總反應(yīng)式：；正極反應(yīng)式：；負(fù)極反應(yīng)式：。答案：(1)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋8H＋＋8e－=4H2OCH4－8e－＋2H2O=CO2＋8H＋(2)CH4＋2O2＋2OH－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋3H2O2O2＋4H2O＋8e－=8OH－CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋7H2O(3)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋8e－=4O2－CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O(4)CH4＋2O2=CO2＋2H2O2O2＋4CO2＋8e－=4COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))CH4＋4COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))－8e－=5CO2＋2H2O2．鋰錳電池的體積小，性能優(yōu)良，是常用的一次電池。該電池的反應(yīng)原理如圖所示，其中電解質(zhì)LiClO4溶于混合有機(jī)溶劑中，Li＋通過電解質(zhì)遷移進(jìn)入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列問題：(1)外電路的電流方向是由________(填“a”或“b”，下同)極流向________極。(2)電池的正極反應(yīng)式為_____________________________________。答案：(1)ba(2)MnO2＋e－＋Li＋=LiMnO2解析：(1)結(jié)合所給裝置圖以及原電池反應(yīng)原理可知，Li作負(fù)極，MnO2作正極，所以電子流通過電解質(zhì)遷移進(jìn)入MnO2晶格中，生成LiMnO2”，所以正極的電極反應(yīng)式為MnO2＋e－＋Li＋=LiMnO2。3．利用原電池工作原理測定汽車尾氣中CO的濃度，其裝置如圖所示。該電池中O2－可以在固體介質(zhì)NASICON(固溶體)內(nèi)自由移動，工作時O2－的移動方向________(填“從a到b”或“從b到a”)，負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)式為_____________________________________。答案：從b到aCO＋O2－－2e－=CO2解析：工作時電極b作正極，O2－由電極b移向電極a；該裝置是原電池，通入一氧化碳的電極a是負(fù)極，負(fù)極上一氧化碳失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CO＋O2－－2e－=CO2。4．(1)近年科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想。把含有大量CO2的空氣吹入K2CO3溶液中，再把CO2從溶液中提取出來，并使之與H2反應(yīng)生成可再生能源甲醇?？茖W(xué)家還研究了其他轉(zhuǎn)化溫室氣體的方法，利用如圖所示裝置可以將CO2轉(zhuǎn)化為氣體燃料CO。該裝置工作時，N電極的電極反應(yīng)式為____________。(2)氫氣是一種理想的清潔能源，其制取與儲存是氫能源利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有一種制氫方法為光電化學(xué)分解。其原理如圖所示，鈦酸鍶光電極的電極反應(yīng)為4OH－－4e－eq\o(=,\s\up7(hν))O2↑＋2H2O，則鉑電極的電極反應(yīng)為___________________。答案：(1)CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2O(2)2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－解析：(1)根據(jù)裝置圖，N極CO2得電子生成CO，電極反應(yīng)式為CO2＋2H＋＋2e－=CO＋H2O。(2)依據(jù)裝置圖中的電子流向分析，鉑電極作原電池正極，電極反應(yīng)為2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－。5．(1)為擺脫對石油的過度依賴，科研人員將煤液化制備汽油，并設(shè)計了汽油燃料電池，電池工作原理如圖所示。一個電極通入氧氣，另一電極通入汽油蒸氣，電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O2－。以辛烷(C8H18)代表汽油，寫出該電池工作時的負(fù)極反應(yīng)式：___________________。(2)熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因而受到重視。某燃料電池以熔融的K2CO3(其中不含O2－和HCOeq\o\al(－,3))為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣中的氧氣為氧化劑，以具有催化作用和導(dǎo)電性能的稀土金屬材料為電極。該燃料電池負(fù)極電極反應(yīng)式為2C4H10＋26COeq\o\al(2－,3)－52e－=34CO2＋10H2O。試回答下列問題：①該燃料電池的總反應(yīng)式為___________________________________________；②正極電極反應(yīng)式為_________________________________________________；③為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是________，它來自________。答案：(1)C8H18＋25O2－－50e－=8CO