考点一原电池的工作原理及应用（解析版）_05高考化学_2025年新高考资料_一轮复习_2025年高考化学一轮复习基础知识讲义（新高考通用）（完结）_专题一电化学

【基础知识】原电池 化学电源 考点一 原电池的工作原理及应用 【知识模型】 1、原电池的概念及构成条件 (1)定义：将化学能转化为电能的装置。（太阳能电池：将 太阳 能 转化为电能） (2)原电池的形成条件 ①能自发进行的氧化还原反应。 ②两个活泼性不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。 ③形成闭合回路，需满足三个条件：a.存在电解质；b.两电极直接或间接接触；c.两电极插入电解质溶液或 熔融电解质中。 2、工作原理(以锌铜原电池为例) (1)装置变迁 名称 单液原电池 双液原电池 装置 电极名称 负极：锌片 正极：铜片 电极反应 负极：Zn－2e－===Zn2＋ (氧化反应) 正极：Cu2＋＋2e－===Cu (还原反应) 相 同 总反应 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu 点 电子流向 电子由 负极 （ 锌片 ） 经导线流向 正极 （ 铜片 ） 电流流向 电流由 正极 （ 铜片 ） 经导线流向 负极 （ 锌片 ） 电解质溶液中，阴离子向 负极 （ 锌片 ） 迁移，阳离子向 正极 （ 铜片 ） 迁移 离子迁移 不 方向 Cu2＋移向正极，SO 2－移向负极 盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负 4 极 同 点 还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触， Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化 能量转化 既有化学能转化为电能，又有化学 为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时 效率 能转化为热能，造成能量损耗。 间长。 【微点拨】 ①盐桥的成分：盐桥通常是装有饱和KCl或者NH NO 琼脂溶胶的U形管，溶液不致流出来，但离子则可 4 3 以在其中自由移动 ②盐桥的作用有三种： 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； c.隔绝正负极反应物，避免直接接触，导致电流不稳定，提高电池效率。 ③盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。 ④无论是单液原电池装置还是双液原电池装置，电子均不能通过电解质溶液（离子走水，电子走线） 3、原电池电极判断 负极 正极 反应类型 氧化反应 还原反应 得失电子 失去 得到 离子移向 阴离子 阳离子 电极材料 较活泼 较不活泼 化合价变化 升高 降低 电势大小 低 高 4、原电池的应用 (1)加快氧化还原反应的速率：原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，使溶液中离子运动时相互 的干扰减小，使反应速率增大。如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO 溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加 4 快Zn与稀硫酸反应的速率 (2)比较金属活动性的强弱：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) 方法：电极质量减少作负极，较活泼；有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼 (3)设计制作化学电源 ①拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应 ②选择电极材料：电极材料必须导电。根据氧化还原反应找出正、负极材料，一般选择活动性较强的金属 作为负极(或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料)；活动性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨 等)作为正极 ③构成闭合回路：将两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液应选 择与电极材料相同的阳离子的溶液 【模型再构】 例1、常见原电池（写出以下总反应、正负极电极反应式） ①Fe | FeCl (aq) | Cu 3 总反应: Fe +2Fe3+ = 3Fe2+ 正极:Fe3+ +e- = Fe2+ 负极：Fe -2e- = Fe2+ ②Mg | NaOH(aq) | Al 总反应: 2Al + 2OH- + 2H O = 2AlO- +3H ↑ 2 2 2 正极:2HO + 2e- = H ↑ +2OH- 负极：Al - 3e- +4OH- = AlO- +2H O 2 2 2 2 ③Fe | 浓HNO(aq) | Cu 3 总反应:Cu + 2NO- +4H+=Cu2+ + 2NO ↑ + 2H O 3 2 2 正极:NO - +e- +2H+ = NO ↑ + H O 负极：Cu - 2e- = Cu2+ 3 2 2 ④Zn | NaCl(aq) | Cu 总反应:2Zn + O +2H O = 2Zn(OH) 2 2 2 正极: O +2H O +4e- =4OH- 负极：Zn - 2e- = Zn2+ 2 2 【微点拨】 自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可以是电极与溶解的O 等发生反应. 2 例2、设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。 (1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：_________________________________。 (2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是： ①负极：________________________________________________________________________。 ②正极：________________________________________________________________________。 (3)在方框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液： ①不含盐桥 ②含盐桥 【答案】 (1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ (2)①Cu－2e－===Cu2＋ ②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ (3) ①不含盐桥 ②含盐桥 【问题解决】 例1、（2021 北京卷，16节选）某小组实验验证“Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓”为可逆反应并测定其平衡常数。 实验I：将0.0100 mol/L Ag SO 溶液与0.0400 mo/L FeSO 溶液(pH=1)等体积混合，产生灰黑色沉淀，溶液 2 4 4 呈黄色。实验II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe (SO ) 溶液(pH=1)，固体完全溶解。 2 4 3 ①取I中沉淀，加入浓硝酸，证实沉淀为Ag。现象是_______________________________。 ②II中溶液选用Fe (SO )，不选用Fe(NO ) 的原因是_______________________________。 2 4 3 3 3 综合上述实验，证实“Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓”为可逆反应。 ③小组同学采用电化学装置从平衡移动角度进行验证。补全电化学装置示意图,写出操作及现象_______。 【答案】①灰黑色固体溶解，产生红棕色气体 ②防止酸性条件下，NO -氧化性氧化Fe2+干扰实验结果 3 ③a：铂/石墨电极，b：FeSO 或Fe(SO ) 或二者混合溶液，c：AgNO 溶液； 4 2 4 3 3 操作和现象：闭合开关 K，Ag电极上固体逐渐溶解，指针向左偏转，一段时间后指针归零，再向左侧烧 杯中加入滴加较浓的Fe(SO ) 溶液，与之前的现象相同；或者闭合开关 K，Ag电极上有灰黑色固体析 2 4 3 出，指针向右偏转，一段时间后指针归零，再向左侧烧杯中加入滴加较浓的Fe(SO ) 溶液，Ag电极上固 2 4 3 体逐渐减少，指针向左偏转 例2、(2022·湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误 的是( ) A．海水起电解质溶液作用 B．N极仅发生的电极反应：2HO＋2e－===H ↑＋2OH 2 2 － C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能 D．该锂－海水电池属于一次电池 【答案】B 【详解】海水中含有丰富的电解质，如氯化钠、氯化镁等，可作为电解质溶液，故A正确；由上述分析可 知，N为正极，电极反应为2HO+2e-=2OH-+H ↑，和反应O+4e-+2H O=4OH-，故B错误；Li为活泼金 2 2 2 2 属，易与水反应，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应，并能传导离子，故C正确；该电池不可充电，属 于一次电池，故D正确；答案选B。 例3、（2023海南卷，8）利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是 （ ）A. b电极为电池正极 B. 电池工作时，海水中的 向a电极移动 C. 电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性 D. 每消耗1kgAl，电池最多向外提供37mol电子的电量 【答案】A 例4、某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为 Cl－＋Ag＋===AgCl↓。下列说法正确的是( ) A．放电时，X电极发生还原反应 B．放电时，Y电极反应式为Ag＋＋e－===Ag C．放电时，盐桥中K＋向盛有NaCl溶液的烧杯中移动 D．外电路中每通过0.1 mol e－，X电极质量增加14.35 g 【答案】 B 【解析】 该原电池X电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，故A错误；Y电极为原电池正极，电极反应 式为Ag＋＋e－===Ag，故B正确；放电时，盐桥中的钾离子向正极移动，X电极为负极，故C错误；放电 时，当电路中转移0.1 mol e－时，X电极会有0.1 mol Ag失去0.1 mol电子生成银离子，银离子会与氯离子 反应生成氯化银沉淀，故D错误。 【基础练习】 1、银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag O＋HO===Zn(OH) ＋2Ag，其工作示意图如图。 2 2 2 下列说法不正确的是( ) A．Zn电极发生氧化反应 B．Ag O电极是电源的正极 2 C．电池工作时，电子从Zn电极经导线流向Ag O电极，再由Ag O电极经电解质溶液流向Zn电极 2 2 D．Zn电极上发生的反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH) 2 【答案】 C 【解析】 电池工作时，负极Zn失去电子，电子经导线流向正极，Ag O得到电子转化为Ag，电子不会 2 进入电解质溶液，C项错误。 2、(2016·全国2)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是 ( ) A.负极反应式为Mg-2e- Mg2+ B.正极反应式为Ag++e- Ag C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移 D.负极会发生副反应Mg+2HO Mg(OH) +H ↑ 2 2 2 【答案】B 【详解】Mg-AgCl海水电池中,Mg为活泼金属,作负极,发生反应:Mg-2e- Mg2+,A项说法正确;AgCl在正极反应:AgCl+e- Ag+Cl-,B项说法错误;原电池中,阴离子向负极移动,C项说法正确;Mg可与HO缓慢反 2 应,D项说法正确。 3、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作负极，③④中Fe作负极 B．②中Mg作负极，电极反应式为Mg - 2e－===Mg2+ C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋ D．④中Cu作正极，电极反应式为O＋2HO＋4e－===4OH－ 2 2 【答案】 D 【解析】 ②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极，电池总反 应为2Al＋2NaOH＋2HO===2NaAlO ＋3H↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4HO，二者相 2 2 2 2 减得到正极反应式为6HO＋6e－===6OH－＋3H↑；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO 反应失去电子 2 2 3 作负极，A、B、C错误；④中Cu是正极，电极反应式为O＋2HO＋4e－===4OH－，D正确。 2 2 4、有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下： 实验装置 a极质量减 b极有气体产 部分实验 d极溶解；c极 电流从a极 少；b极质量 生；c极无变 现象 有气体产生 流向d极 增加 化 由此可判断这四种金属的活动性顺序是( ) A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c 【答案】 C 【解析】 把四个实验从左到右分别编号为①②③④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正 极，金属活动性：a＞b；由实验②可知，活动性：b＞c；由实验③可知，d作原电池负极，c作正极，活 动性：d＞c；由实验④可知，d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。 5、某医院设计的锌-铁原电池，可以控制胃内氢释放，改善肥胖2型糖尿病的胰岛素抵抗。其工作原理如 图所示，下列说法不正确的是（ ） A.N代表铁 B.该过程发生析氢腐蚀 C.锌表面的电极反应为Zn－2e－===Zn2+ D.标准状况下，每生成2.24mLH，理论上原电池质量损耗0.013g 2 【答案】D 6、(2020全国1卷)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 (1)由 FeSO ·7H O 固体配制 0.10mol· L FeSO 溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、 4 2 4 （从下列图中选择，写出名称。） (2)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。 u 108 /  m2 s1 阳离子 阴离子 u 108 /  m2 s1 V1  V1  Li+ HCO - 4.07 3 4.61 Na+ NO - 5.19 3 7.40 Ca2+ Cl- 6.59 7.91 K+ SO 2- 7.62 4 8.27 (3)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。 (4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2+ )增加了0.02mol· L-1 。石墨电极上未见Fe 析出。可 知，石墨电极溶液中c(Fe2+ )= 。 (5)根据（3）（4）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 ，还原小于 。 (6)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 。 【答案】(1)烧杯、量筒、托盘天平 (2)KCl (3)石墨(4)0.09 mol·L－1 (5)Fe3＋＋e－==Fe2＋ Fe－2e－== Fe2＋ Fe3＋ Fe (6)取活化后溶液少许于试管中，加入KSCN溶液，若溶液不出现血红色，说明活化反应完成