文档内容
第 16 讲 原电池
【学科核心素养】
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。
【核心素养发展目标】
1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
【知识点解读】
知识点一 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。
知识点二 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 2
2.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。
【典例剖析】
高频考点一 原电池原理及其应用【例1】(2019·海南高考)微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag O和Zn，电解
2
质为KOH溶液，电池总反应为Ag O＋Zn＋HO===2Ag＋Zn(OH) 。下列说法正确的是( )
2 2 2
A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低
B．电池工作过程中，电解液中OH－向正极迁移
C．负极发生反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)
2
D．正极发生反应：Ag O＋2H＋＋2e－===Ag＋HO
2 2
【举一反三】下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是( )
A．①中锌电极发生氧化反应
B．②中电子由a电极经导线流向b电极
C．③中外电路中电流由A电极流向B电极
D．④中LiC 做负极
x 6
【变式探究】(双选)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做负极，③④中Fe做负极
B．②中Mg做正极，电极反应式为6HO＋6e－===6OH－＋3H↑
2 2
C．③中Cu做负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋
D．④中Cu做正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H ↑
2
高频考点二 盐桥原电池的考查
【例2】(2020·全国卷Ⅰ节选)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。回答下列问题：
(1)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并
且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择________作为电解质。
阳离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1) 阴离子 u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋ 4.07 HCO 4.61
Na＋ 5.19 NO 7.40
Ca2＋ 6.59 Cl－ 7.91
K＋ 7.62 SO 8.27
(2)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
(3)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 mol·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可
知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝________。
(4)根据(2)、(3)实验结果，可知石墨电极的电极反应式为____________________，铁电极的电极反应
式为________________________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于________。
(5)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO 溶液中加入几滴Fe (SO ) 溶液，将铁电极浸泡一段时间，
4 2 4 3
铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是____________________。【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。下列判断不正确的是( )
2
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
高频考点三 燃料电池【例3】(2019·高考全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在
电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。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．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
2
C．正极区，固氮酶为催化剂，N 发生还原反应生成NH
2 3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【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
【变式探究】(双选)金属锂燃料电池是一种新型电池，比锂离子电池具有更高的能量密度。它无电时
也无需充电，只需更换其中的某些材料即可，其工作示意图如下，下列说法正确的是( )
A．放电时，通入空气的一极为负极
B．放电时，电池反应为4Li＋O＋2HO===4LiOH
2 2
C．有机电解液可以是乙醇等无水有机物
D．在更换锂电极的同时，要更换水性电解液
高频考点四 可充电电池（二次电池）
【例4】（2021·河北高考）K—O 电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电
2
池，下列说法错误的是
A．隔膜允许K+通过，不允许O 通过
2
B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极
C．产生1Ah电量时，生成KO 的质量与消耗O 的质量比值约为2.22
2 2
D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水
【举一反三】（2021·浙江高考）镍镉电池是二次电池，其工作原理示意图如下(L 为小灯泡，K、K
1 2
为开关，a、b为直流电源的两极)。下列说法不正确的是
A．断开K、合上K，镍镉电池能量转化形式：化学能→电能
2 1
B．断开K、合上K，电极A为阴极，发生还原反应
1 2
C．电极B发生氧化反应过程中，溶液中KOH浓度不变
D．镍镉二次电池的总反应式：Cd+ 2NiOOH+2H O Cd(OH) +2Ni(OH)
2 2 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。
【变式探究】（2020·新课标Ⅰ）科学家近年发明了一种新型Zn−CO 水介质电池。电池示意图如图，
2
电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO 被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问
2
题提供了一种新途径。
下列说法错误的是
A. 放电时，负极反应为
B. 放电时，1 mol CO 转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
2
C. 充电时，电池总反应为
D. 充电时，正极溶液中OH−浓度升高
【变式探究】(2020·天津等级考)熔融钠—硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。下图中的电
池反应为2Na＋xS NaS(x＝5～3，难溶于熔融硫)。下列说法错误的是( )
2 xA．NaS 的电子式为
2 4
B．放电时正极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na S
2 x
C．Na和NaS 分别为电池的负极和正极
2 x
D．该电池是以NaβAl O 为隔膜的二次电池
2 3
高频考点五 新型电源
【例5】（2021·广东高考）火星大气中含有大量CO，一种有CO 参加反应的新型全固态电池有望为
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火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时
A．负极上发生还原反应 B．CO 在正极上得电子
2
C．阳离子由正极移向负极 D．将电能转化为化学能
【变式探究】（2020·新课标Ⅲ）一种高性能的碱性硼化钒(VB )—空气电池如下图所示，其中在VB
2 2
电极发生反应： 该电池工作时，下列说法错误的是
A. 负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O 参与反应
2
B. 正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C. 电池总反应为
D. 电流由复合碳电极经负载、VB 电极、KOH溶液回到复合碳电极
2
【变式探究】 (2018·海南卷)一种镁氧电池如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液。下列说法正确的是( )
A．电池总反应式为2Mg＋O＋2HO===2Mg(OH)
2 2 2
B．正极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
C．活性炭可以加快O 在负极上的反应速率
2
D．电子的移动方向由b经外电路到a
【变式探究】(2017·全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极
a常用掺有石墨烯的S 材料，电池反应为16Li＋xS===8LiS(2≤x≤8)。下列说法错误的是( )
8 8 2 x
A.电池工作时，正极可发生反应：2LiS＋2Li＋＋2e－===3LiS
2 6 2 4
B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长，电池中LiS 的量越多
2 2
