文档内容
第 16 讲 原电池 新型电源
【化学学科素养】
变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；能多角度、动态地分析原电池
中物质的变化及能量的转换。
证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模
型，并利用模型揭示其本质及规律。
科学态度与社会责任：具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与原电池有关的社会热点问题做出
正确的价值判断与分析。
【必备知识解读】
一、原电池的工作原理及应用
1.概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。
2.构成条件
(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：
①电解质溶液；
②两电极直接或间接接触；
③两电极插入电解质溶液中。
3.工作原理
以锌铜原电池为例
(1)反应原理
电极名称 负极 正极
电极材料 锌片 铜片
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
盐桥中离子移向 盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极
(2)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、KNO 等溶液和琼胶制成的胶冻。
3
②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。
（3）单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比
名称 单液原电池 双液原电池
装置
相同点 正、负极电极反应，总反应式，电极现象
还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接 Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅
不同点 触，既有化学能转化为电能，又有化学 有化学能转化为电能，避免了能量损
能转化为热能，造成能量损耗 耗，故电流稳定，持续时间长
4.原电池原理的应用
(1)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属
(或非金属)。
(2)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。
(3)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。
(4)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的工作原理，结合两个半反应，选择正、负电极材料以及电解质溶液。
二、常见化学电源及工作原理
（一）一次电池：只能使用一次，不能充电复原继续使用
1.碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO ＋2HO===2MnOOH＋Zn(OH) 。
2 2 2
负极材料：Zn。电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH) 。
2
正极材料：碳棒。
电极反应：2MnO ＋2HO＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2 2
2.纽扣式锌银电池
总反应：Zn＋Ag O＋HO===Zn(OH) ＋2Ag。
2 2 2
电解质是KOH。
负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH) 。
2
正极材料：Ag O。
2
电极反应：Ag O＋HO＋2e－===2Ag＋2OH－。
2 2
3.锂电池
Li－SOCl 电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl －SOCl 。电池
2 4 2
的总反应可表示为8Li＋3SOCl ===6LiCl＋LiSO ＋2S。
2 2 3
(1)负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。
(2)正极的电极反应为3SOCl ＋8e－===2S＋SO＋6Cl－。
2
（二）二次电池：放电后能充电复原继续使用
1.铅酸蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO (s)＋2HSO (aq) 2PbSO (s)＋2HO(l)
2 2 4 4 2
(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO (s)；
4
正极反应：PbO (s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO (s)＋2HO(l)。
2 4 2
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO (s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
4
阳极反应：PbSO (s)＋2HO(l)－2e－===PbO(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。
4 2 22.图解二次电池的充放电
3.二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电
子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电
极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
（三）燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。
种类 酸性 碱性
负极反应式 2H－4e－===4H＋ 2H＋4OH－－4e－===4HO
2 2 2
正极反应式 O＋4e－＋4H＋===2HO O＋2HO＋4e－===4OH－
2 2 2 2
电池总反应式 2H＋O===2HO
2 2 2
备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用
2.解答燃料电池题目的思维模型
3.解答燃料电池题目的几个关键点
(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。
(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
【关键能力拓展】
一、浓差电池
1．在浓差电池中，为了限定某些离子的移动，常涉及到“离子交换膜”。
(1)常见的离子交换膜
阳离子交换膜 只允许阳离子(包括H＋)通过
阴离子交换膜 只允许阴离子通过
质子交换膜 只允许H＋通过(2)离子交换膜的作用
①能将两极区隔离，阻止两极物质发生化学反应。
②能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)离子交换膜的选择依据
离子的定向移动。
2．“浓差电池”的分析方法
浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由
“高浓度”移向“低浓度”，依据阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域判断电池的正、负极，这是
解题的关键。
二、燃料电池电极反应式的书写
第一步：写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。如甲
烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应如下：
CH＋2O===CO ＋2HO ①
4 2 2 2
CO＋2NaOH===Na CO＋HO ②
2 2 3 2
①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：CH＋2O＋2NaOH===Na CO＋3HO。
4 2 2 3 2
第二步：写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O ，因电解质溶液不同，故其电极反应
2
也会有所不同：
燃料电池电解质 正极反应式
酸性电解质 O＋4H＋＋4e－===2H O
2 2
碱性电解质 O＋2HO＋4e－===4OH－
2 2
固体电解质
O＋4e－===2O2－
2
(高温下能传导O2－)
熔融碳酸盐(如熔融KCO) O＋2CO＋4e－===2CO
2 3 2 2
第三步：电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。
三、多池串联的两大模型及原理
1．常见多池串联装置图
（1）外接电源与电解池的串联(如图)A、B为两个串联电解池，相同时间内，各电极得失电子数相等。
（2）原电池与电解池的串联(如图)
甲、乙两图中，A均为原电池，B均为电解池。
2．二次电池的充电
(1)可充电电池原理示意图
充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作“正接正，负接
负”。
(2)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是
可逆反应。
(3)放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负
(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
例：Fe＋Ni O＋3HOFe(OH) ＋2Ni(OH)，放电时负极的电极反应式为Fe－2e－＋2OH－
2 3 2 2 2
===Fe(OH) ，则充电时阴极的电极反应式为Fe(OH) ＋2e－===Fe＋2OH－。
2 23．电化学计算的三种方法
如以电路中通过4 mol e－为桥梁可构建以下关系式：
(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总览电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的
电化学计算问题。
四、多室装置的分析
1．离子交换膜的分类和应用
2．分析某室质量变化的关键
分析某室质量的变化，既要考虑该区(或该电极)的化学反应，又要考虑通过“交换膜”的离子带来的
质量变化。
【核心题型例解】
高频考点一 原电池原理例1.（2023·山东卷第11题）利用热再生氨电池可实现CuSO 电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所
4
示，甲、乙两室均预加相同的CuSO 电镀废液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是
4
A. 甲室Cu电极为正极
B. 隔膜为阳离子膜
C. 电池总反应为：
D. NH 扩散到乙室将对电池电动势产生影响
3
【变式探究】（2022·海南卷）一种采用 和 为原料制备 的装置示意图如下。
下列有关说法正确的是
A. 在b电极上， 被还原
B. 金属Ag可作为a电极的材料
C. 改变工作电源电压，反应速率不变
D. 电解过程中，固体氧化物电解质中 不断减少
【举一反三】（2022·浙江卷）pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电
极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag—AgCl电极)和另一Ag—AgCl电极插入待测
溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059。下列说法正确的是（ ）A.如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl(0.1mol·L-1)
B.玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C.分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D.pH计工作时，电能转化为化学能
高频考点二 盐桥原电池的考查
例2.为探究 与 溶液的反应，进行如下实验：
实验1 将浓度均为 溶液和 溶液混合，有黄色沉淀产生，加入淀粉溶液，溶液不显蓝
色。
实验2 搭建如图所示装置，闭合 一段时间后，观察到Y电极表面有银白色物质析出。
下列说法正确的是
A．实验1反应后的上层清液中
B．实验2的总反应方程式为
C．实验2反应一段时间后，左侧烧杯中 增大，右侧烧杯中 增大
D．实验1和实验2表明， 和 发生复分解反应的平衡常数比氧化还原反应的大【变式探究】控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I 设计成如下图所示的原电池。下列判断不
2
正确的是( )
A.反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原
C.电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态
D.电流表读数为零后，在甲中加入FeCl 固体，乙中的石墨电极为负极
2
【举一反三】某原电池装置如图所示，装置中盐桥的作用是使整个装置形成一个闭合回路，电解质溶
液足量，闭合开关，观察到电流计指针发生偏转，回答下列问题。
(1)该原电池工作过程中，电池的负极上的电极反应式为 ，石墨电极上发生了 (填“氧
化”或“还原”)反应。
(2)该原电池工作时，下列说法正确的是_______(填标号)。
A．电子移动的方向：铁电极 石墨溶液
B．盐桥中的 会向右侧烧杯移动
C． 溶液的颜色会逐渐变浅
D．将 盐桥换成 盐桥，该装置不能长时间正常工作
(3)当铁电极减少 时，外电路中转移的电子数目为 ，右侧烧杯中 的物质的量改变了。
(4)原电池工作时能量转化形式为 ，根据原电池形成条件，下列反应理论上可以设计成原电池
的是 (填标号)。
A． 与 的反应 B． 和 的反应
C． 和 的反应 D． 和 的反应
高频考点三 燃料电池
例3.燃料电池是利用燃料(如 、 、 等)跟氧气反应从而将化学能转化成电能的装置。下列关
于甲烷燃料电池( 溶液作电解质)的说法中正确的是
A．正极反应为：
B．负极反应为：
C．放电时负极发生氧化反应，电子从负极经电解质溶液流向正极
D．随着放电的进行，溶液的pH保持不变
【方法技巧】燃料电池电极反应式的书写
第一步：写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH＋2O===CO ＋2HO①
4 2 2 2
CO＋2NaOH===Na CO＋HO②
2 2 3 2
①式＋②式得燃料电池总反应式为
CH＋2O＋2NaOH===Na CO＋3HO。
4 2 2 3 2
第二步：写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O，随着电解质溶液的不同，其电极反应
2
式有所不同，大致有以下四种情况：
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：
O＋4H＋＋4e－===2HO；
2 2
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：
O＋2HO＋4e－===4OH－；
2 2
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O＋4e－===2O2－；
2
(4)熔融碳酸盐(如熔融KCO)环境下电极反应式：
2 3
O＋2CO＋4e－===2CO。
2 2
第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式
电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O 不是负极反应物，因此两个反应式
2
相减时要彻底消除O。
2
【举一反三】利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时 在电极与酶之间传
递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．负极区，电极反应式为
C．正极区，固氮酶为催化剂， 发生还原反应生成
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【变式探究】光催化微生物燃料电池的工作原理如图所示：
已知：电极a在光激发条件下会产生电子(e-)—空穴(h+)。下列说法错误的是
A．电极电势：电极a＞电极bB．电极b发生的电极反应式为(C H O)-24e-+7H O=6CO↑+24H+
6 10 5 n 2 2
C．光激发时，光生电子会与O 结合，光生空穴会与电极b产生的电子结合
2
D．电池工作一段时间后，右侧溶液pH保持不变(不考虑CO 的溶解)
2
高频考点四 可充电电池（二次电池）
例4.（2023·新课标卷第10题）一种以VO 和Zn为电极、 水溶液为电解质的电池，其
2 5
示意图如下所示。放电时，Zn2+可插入VO 层间形成 。下列说法错误的是
2 5
A. 放电时VO 为正极
2 5
B. 放电时Zn2+由负极向正极迁移
C. 充电总反应：
D. 充电阳极反应：
【变式探究】(2022·全国乙卷，12)Li-O 电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近
2
年来科学家研究了一种光照充电Li-O 电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱
2
动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li O＋2h＋===2Li＋＋O)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )
2 2 2
A．充电时，电池的总反应为LiO===2Li＋O
2 2 2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li＋从正极穿过离子交换膜向负极迁移D．放电时，正极发生反应：O＋2Li＋＋2e－===Li O
2 2 2
【变式探究】(2022·广东，16)科学家基于Cl 易溶于CCl 的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型
2 4
氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为NaTi (PO )＋2Na＋＋2e－===Na Ti (PO )。下列说
2 4 3 3 2 4 3
法正确的是( )
A．充电时电极b是阴极
B．放电时NaCl溶液的pH减小
C．放电时NaCl溶液的浓度增大
D．每生成1 mol Cl ，电极a质量理论上增加23 g
2
【方法技巧】
1．可充电电池的思维模型
因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。
2．可充电电池的分析流程
(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。
(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆
反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。
(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断
分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。
①首先应分清电池是放电还是充电。
②再判断出正、负极或阴、阳极。(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式
若已知电池放电时的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，
由总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
【举一反三】（2023·全国乙卷第12题）室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系
统。一种室温钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末
的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时，在硫电极发生反应： S+e-→ S ， S +e-→S ，2Na++
8
S +2(1- )e-→NaS
2 x
下列叙述错误的是
A. 充电时Na+从钠电极向硫电极迁移
B. 放电时外电路电子流动的方向是a→b
C. 放电时正极反应为：2Na++ S+2e-→NaS
8 2 x
D. 炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能
高频考点五 新型电源例5.（2022·广东卷）科学家基于 易溶于 的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电
池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为： 。
下列说法正确的是
A. 充电时电极b是阴极
B. 放电时 溶液的 减小
C. 放电时 溶液的浓度增大
D. 每生成 ，电极a质量理论上增加
【变式探究】（2022·全国乙卷） 电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近
年来科学家研究了一种光照充电 电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子 和空穴 ，
驱动阴极反应 和阳极反应(Li O+2h+=2Li++O )对电池进行充电。下列叙述错误的是
2 2 2
A. 充电时，电池的总反应
B. 充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C. 放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移D. 放电时，正极发生反应
【举一反三】（2022·全国甲卷）一种水性电解液Zn-MnO 离子选泽双隔膜电池如图所示(KOH溶液
2
中，Zn2+以Zn(OH) 存在)。电池放电时，下列叙述错误的是
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO 2-通过隔膜向Ⅱ区迁移
4
C． MnO 电极反应：MnO +2e-+4H+=Mn2++2H O
2 2 2
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO+4H+=Zn(OH) 2-+Mn2++2H O
2 4 2
【举一反三】最近科学家研发了“全氢电池”，工作原理如图所示。下列说法正确的是
A．吸附层a发生的电极反应为：
B．NaClO 的作用是传导离子并参与电极反应
4
C．电解质溶液中Na+向左移动，ClO 向右移动
D．全氢电池的总反应为：2H+O =2H O
2 2 2
