2023年高考化学二轮专题原电池原理和应用高中化学.docx

2023高考化学二轮专题精析精练――原电池原理和应用 一、原电池原理 1、对原电池原理的理解： 从理论上讲，我们可以把任何一个氧化复原反响都可设计成原电池。因为氧化复原反响的本质是电子的转移。我们想方法把氧化复原反响过程中的电子转移通过设计成特有的装置，使化学反响过程中的电子转移通过导体而导出，就可制成原电池，即原电池就是将化学能转变为电能的装置。 负极-------较活泼的金属---------------失去电子-------发生氧化反响。 正极-------较不活泼的金属-------------得到电子-------发生复原反响。 2、粒子流向：在外电路中，电子由负极流向正极；在电解质溶液中阳离子移向正极，阴离子移向负极。 3、组成原电池的条件。 ① 有两种活性不同的金属〔也可是非金属导体或可导电的金属氧化物等〕。 ② 电极材料均插入电解质溶液中。 ③ 两电极相连或直接接触而形成闭合电路。 二、十种常见的原电池 1、铅蓄电池 铅蓄电池可放电也可充电，是具有双重功能的屡次电池。它一般是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色PbO2， 负极板是海绵状金属铅，两级均浸在一定浓度的硫酸中，且两级间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 铅蓄电池放电时的电极反响为： 负极--- Pb(s) +SO42-〔aq〕=== PbSO4(s) +2e- 正极---PbO2＋2e－＋4H＋＋SO42－ ===PbSO4＋2H2O； 当放电进行到硫酸溶液密度达1.18时应停止放电，而需将蓄电池进行充电： 阳极----- PbSO4＋2H2O==== PbO2＋2e－＋4H＋＋SO42－ 阴极----- PbSO4(s) +2e-===== Pb(s) +SO42-〔aq〕 充电时溶液密度增大，当增大至1.28时，应停止充电。 铅蓄电池的充放电总反响为：Pb＋PbO2＋2H2SO4放电 充电 PbSO4＋2H2O， 2、普通锌锰电池〔“干电池〞〕 “干电池〞是用锌制圆筒形外壳做负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充有ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂〔吸收正极放出的H2，防止极化现象。〕 电极反响为：负极------Zn=== Zn2+＋2e- 正极------2NH4+＋2e- ====2NH3+H2 H2＋2MnO2 ===== Mn2O3+H2O 正极产生的NH3又和 ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3 ====[ Zn〔NH3〕4]2＋ 淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速度。 电池总反响为：Zn+2MnO2+4NH4Cl ======[ Zn〔NH3〕4] Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3+H2O “干电池〞的电压通常为1.5伏，不能充电再生。 3、钮扣式电池 常见的钮扣式电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质为KOH浓溶液，两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。 电极反响为：负极--- Zn +2OH-==ZnO+H2O＋2e- 正极----- Ag2O+2e-+H2O==2Ag+2OH- 电池总反响式为：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag。   一粒 钮扣式电池的电压可达1.59伏，安装在电子表里可使用两年之久。 4、氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质一般为40%的KOH溶液〔也可用稀硫酸溶液〕。 电极反响为：负极---2H2+4OH——4e=4H2O 正极：O2+2H2O+4e=4OH- 电池总反响式为：2H2+ O2 ====2H2O 5、天然气燃料电池 该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两级上分别通甲烷和氧气。 电极反响为：负极--- CH4+10OH－=CO+7H2O＋8e 正极------4H2O+2O2+8e－=8OH－ 电池总反响式为：CH4+2O2+2KOH =====K2CO3＋3H2O 6、甲醇燃料电池 结构示意如右图，原理是甲醇在催化剂作用下提供质 子〔H+〕和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一 极与氧气反响〔b极〕。 电极反响为：负极--- 2CH3OH+2H2O 2CO2+12H+＋12e- 正极----- 3O2+12e－ 6O2－ 电池总反响式为：2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O 7、铝－空气－海水电池 1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，用作航海标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。 电极反响为：负极--- Al = A13+＋3e- 正极--- O2+2H2O+4e－ = 40H－ 电池总反响式为：4AI+3O2+6H2O 4A1(OH)3 这种海水电池的能量比“干电池〞高20～50倍。 8、微型电池 常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池叫锂电池，它是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂〔LiAlCl4〕溶解在亚硫酰氯〔SOCl2〕中组成。 电池总反响式为：8Li＋3 SOCl2====6LiCl＋Li2SO4＋2S 这种电池容量大，电压稳定，能在-56.7～71.1℃温度范围内正常工作。 9、锂钒氧化物电池 锂钒氧化物电池正极材料是V2O5，负极材料为锂，向外供电时，锂离子在凝胶中向正极移动。锂钒氧化物电池的能量密度远远超过其它材料电池，其本钱低，且对环境无污染，便于大量推广。 电极反响为：负极---- xLi－xe－ → xLi+ 正极----V2O5 + xe- + xLi+→LixV2O 5 电池总反响式为：V2O5 + xLi→LixV2O5 10、镍镉〔Ni-Cd〕可充电电池 镍镉〔Ni-Cd〕可充电电池在现代生活中有广泛应用。镍镉电池的电解质溶液为KOH 溶液，负极材料镉，正极材料为NiOOH。 电极反响为：负极---- Cd＋2OH－ ===Cd(OH)2＋2e－ 正极-----2NiOOH + 2H2O====2Ni(OH)2 电池总反响式为〔即充、放电时按下式反响〕： Cd + 2NiOOH + 2H2OCd(OH)2 + 2Ni(OH)2 三、原电池原理的应用与常见的考查方式 1、应用与考查方式之一：要求书写电极反响式、总反响式 电池的正极、负极和总反响式三者之间有着紧密的联系，那就是正极、负极反响式之和就是总反响式，由此可知，三者之间只要知道两个，第三个通过两式的加或减也容易推出。 [例1] 将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，即构成甲烷燃料电池。通入甲烷的一极，其电极反响为：CH4 +10OH-－8e-= CO32- + 7H2O；完成有关的电池反响式： 正极反响式：_________________，电池总反响式：_______________。 解析：在燃料电池中燃料都是在负极上发生反响，因而可知甲烷燃料电池的负极反响式为：CH4 +10OH-－8e-= CO32- + 7H2O，而正极上应是O2在碱性条件下获得电子被复原，故反响式是: 2O2＋8e-＋4H2O ====8 OH-,将正、负极反响式相加即可得电池总反响式为： CH4 + 2O2+ 2OH- = CO32- + 3H2O 特别注意问题： 1、写电极反响式要注意电池的酸碱性环境，如同样是氢氧燃料电池，在碱性条件下，正极反响式为：O2＋4e-＋2H2O ====4 OH-；在酸性条件下，正极反响式为： O2＋4e-＋4H＋ ===2H2O，二者是有明显区别的。 2、同一电池中，正极反响式与负极反响式中得、失电子数要相等。 2、应用与考查方式之二：判断金属活动性顺序 [例2]〔93年上海高考〕有A、B、C、D四种金属，将A与B用导线联结起来，浸入电解质溶液中，B不易被腐蚀；将A、D分别投入到等浓度的盐酸中，D比A反响剧烈；将铜浸入B的盐溶液中无明显变化；将铜浸入C的盐溶液中，有金属C析出。据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为 〔 〕 A．D＞C＞A＞B B．D＞A＞B＞C C．D＞B＞A＞C D．B＞A＞D＞C 解析：根据原电池原理，较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，B不易被腐蚀，说明B为正极，金属活动性A＞B。另可比拟出金属活动性D＞A，B＞C。故答案为B项。 3. 应用与考查方式之三：比拟反响速率的大小 [例3]10mL浓度为1 mol·L-1的硫酸跟过量的锌片反响，为加快反响速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是 〔 〕 A．参加适量的3mol·L-1的硫酸 B．参加适量蒸馏水 C．参加数滴硫酸铜溶液 D．参加适量的硫酸钠溶液 解析：向溶液中再参加硫酸，H+的物质的量增加，生成H2的总量也增加，A错。向原溶液中参加水或硫酸钠溶液都引起溶液中H+浓度的下降，反响速率变慢，故B、D都不正确。加硫酸铜后，锌置换出的少量铜附在锌片上，形成了原电池反响，反响速率加快，又锌是过量的，生成H2的总量决定于硫酸的量，故C正确。此题答案为C项。 4.应用与考查方式之四：判断原电池的正、负电极 [例4]扣式银锌电池的电极反响如下：锌极： Zn + 2OH－－ 2e = Zn(OH)2 氧化银极： Ag2O + H2O + 2e = 2Ag + 2OH－以下说法正确的选项是 〔 BC 〕 A．锌是正极,被氧化 B．Ag2O是正极,发生复原反响 C．电子从锌极流向Ag2O极 D．锌是负极,被复原 解析：在原电池中，正、负电极的变化通常有如下规律：易被腐蚀的一极、失去电子的一极、易被氧化的一极、所含元素化合价升高的一极、质量减轻的一极、电子流出的一极等通常都是负极；反之，不易被腐蚀的一极、得到电子的一极、有金属析出的一极、质量增大的一极、电子流入的一极等通常都是正极。由此易知，此题答案为BC项。 5.应用与考查方式之五：分析电极反响和电极附近环境变化 [例5]〔99年全国高考〕氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的 铜镍电池。氢镍电池的总反响式是：(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2 根据此反响式判断以下表达中正确的选项是〔 〕 A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大 　B．电池放电时，H2是负极 C．电池充电时，氢元素被复原　　　　　　　　　 D．电池放电时，镍元素被氧化 解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反响，充电时是电解池反响。根据氢镍电池放电时的总反响式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反响式：H2+2OH--2e- == 2H2O，H2为负极，负极上消耗OH-，附近的pH应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价，被复原，充电时氢元素由+1价变为0价，被复原。故答案为B 、C项。 提示: 分析电极附近环境变化主要是指溶液酸碱性的变化，这要看反响过程中是增大H＋或 OH－浓度，还是减小H＋或OH－浓度；溶液的酸碱性变化可用溶液的pH增大或减小表示，也可用某种指示剂颜色变化来表示。 6.应用与考查方式之六：