文档文本内容
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第02 讲 原电池、化学电源
目录
01
考情解码·命题预警
02 体系构建·思维可视...........................................................................................................................
03 核心突破·靶向攻坚...........................................................................................................................
考点一 原电池的工作原理...............................................................................................................
知识点1 原电池的概念及工作原理............................................................................................................
知识点2 单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比.......................................................................
知识点3 原电池中正负极的判断方法..........................................................................................................
知识点4 原电池原理的应用..........................................................................................................................
考向1 考查原电池的工作原理.....................................................................................................................
【思维建模】原电池的几个关键点
考向2 考查原电池电极判断及电极反应的书写.........................................................................................
【思维建模】原电池电极判断及电极反应的书写
考向3 考查“盐桥”的作用与化学平衡的移动........................................................................................
【思维建模】盐桥的几个关键点
考点二 化学电源...............................................................................................................................
知识点1 一次电源..........................................................................................................................................
知识点2 二次电源..........................................................................................................................................
知识点3 燃料电池..........................................................................................................................................
考向1 考查一次电池......................................................................................................................................
考向2 考查二次电池......................................................................................................................................
【思维建模】二次电池的解题模型
考向3 考查燃料电池......................................................................................................................................
【思维建模】解答燃料电池题目的几个关键点
04 真题溯源·考向感知............................................................................................................................
1
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考点要求
考察形式
2025 年
2024 年
2023 年
2022 年
2021 年
原电池的工作原
理
选择题
非选择题
1 题3 分
5 题3 分
化学电源
选择题
非选择题
2 题3 分
考情分析：
1．从命题题型和内容上看：湖南省高考命题以选择题和非选择题呈现，以新型化学电源为背景，考查原
电池的工作原理以及电极反应方程式的书写、离子移动方向等。
2．从命题思路上看：湖南试题对物质的性质多以最新科研成果为载体，
复习目标：
1．理解原电池的构成、工作原理及应用，正确判断原电池的两极，能书写电极反应式和总反应方程式。
2．了解常见化学电源的种类及其工作原理；了解燃料电池的应用。体会研制新型电池的重要性。
3．能够认识和书写新型化学电源的电极反应式。
2
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3
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考点一 原电池的工作原理
知识点1 原电池的概念及工作原理
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．工作原理——锌铜原电池可用简图表示
总反应离子方程式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
(1)电极
①负极：失去电子，发生氧化反应
②正极：得到电子，发生还原反应
(2)电子定向移动方向和电流方向
①电子从负极流出经外电路流入正极
②电流从正极流出经外电路流入负极
(3)离子移动方向
阴离子向负极移动，阳离子向正极移动
3．原电池的构成条件
(1)有自发进行的氧化还原反应
(2)两个活泼性不同的电极
得分速记
1、其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，如：金属与金属、金属与非金属、非金属与非金属
2、燃料电池中两极可同选石墨或铂
(3)电解质溶液或者熔融电解质
(4)电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路
知识点2 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
电极名称
负极 (锌片)
正极 (铜片)
4
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同
点
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋ (氧化反应)
Cu2＋＋2e－===Cu (还原反应)
总反应
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
电子流向
电子由负极经导线流向正极：由Zn 沿导线流向Cu
电流流向
电流由正极经导线流向负极：由Cu 沿导线流向Zn
不
同
点
离子迁移方
向
电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移
Cu2＋移向正极，SO4
2－移向负极
盐桥含饱和KCl 溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极
能量转化效
率
还原剂Zn 与氧化剂Cu2＋直接接
触，既有化学能转化为电能，又
有化学能转化为热能，造成能量
损耗
Zn 与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为
电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间
长
得分速记
1、盐桥的成分：盐桥通常是装有饱和KCl 或者NH4NO3琼脂溶胶的U 形管，溶液不致流出来，但离子则
可以在其中自由移动
2、盐桥的作用有三种：a.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；b.通过
离子的定向移动，构成闭合回路；c.平衡电极区的电荷
3、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
4、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O2等发生反应，
如将铁与石墨相连插入食盐水中
知识点3 原电池中正负极的判断方法
1、根据电极反应或总反应方程式来判断
作还原剂、失电子、化合价升高、发生氧化反应的电极是负极
作氧化剂、得电子、化合价降低、发生还原反应的电极是正极
2、根据外电路中电子流向或电流方向来判断
电子流出或电流流入的一极负极；电子流入或电流流出的一极正极
3、根据内电路(电解质溶液中)中离子的迁移方向来判断
阳离子向正极移动；阴离子向负极移动
4、根据原电池的两电极材料来判断
两种金属(或金属与非金属)组成的电极，若它们都与(或都不与)电解质溶液单独能反应，则较活泼的金
属作负极；若只有一种电极与电解质溶液能反应，则能反应的电极作负极
5、根据电极质量的变化来判断
工作后，X 极质量增加，说明溶液中的阳离子在X 极放电，X 极为正极，X 极活泼性弱；反之，X 极质
量减少，说明X 极金属溶解，X 极为负极，活动性强
6、根据电池中的现象来判断：若某电极上有气泡冒出，则是因为析出了H2，说明该电极为正极，活泼性
弱
知识点4 原电池原理的应用
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CuSO4溶液，则Zn 置换出的铜
5
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和锌能构成原电池的正负极，从而加快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)
①方法：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常见规律：电极质量较少，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
如：有两种金属A 和B，用导线将A 和B 连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A 溶解，
而B 上有气体放出，则说明A 作负极，B 作正极，即可以断定金属活动性：A＞B
3、设计制作化学电源
①依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被
氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原
②选择合适的材料
a．正、负极材料的选择：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
b．电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质
能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原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
如：根据2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋设计电池
①不含盐桥
②含盐桥
4、用于金属的防护——牺牲阳极法
原理
利用原电池原理，让被保护金属做正极，一种活泼性
较强的金属做负极，用导线相连
要求
被保护的金属作正极，活泼性更强的金属作负极
实例
要保护一个钢闸门，可用导线将其与一块锌块相连，
使锌作原电池的负极
考向1 考查原电池的工作原理
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例1（2024·湖南邵阳·三模）亚氯酸钠
是一种重要的含氯消毒剂。马蒂逊法制备亚氯酸钠的流程
如图，下列说法错误的是
A．反应①阶段，参加反应的
和
的物质的量之比为2：1
B．反应②条件下，
的氧化性大于
C．反应②中的
可用
代替
D．若反应①通过原电池来实现，则
是正极产物
【答案】C
【详解】A．根据流程图反应①中氧化剂是NaClO3，还原剂是SO2，还原产物是ClO2，氧化产物是
NaHSO4，根据化合价升降相等可得NaClO3和SO2的物质的量之比为2：1，故A 正确；
B．据流程图反应②ClO2与H2O2反应的变价情况，ClO2做氧化剂，H2O2做还原剂，可以推出ClO2的氧化
性大于H2O2，故B 正确；
C．据流程图反应②，在ClO2与H2O2的反应中，ClO2转化为NaClO2氯元素的化合价降低，做氧化剂；
H2O2只能做还原剂，氧元素的化合价升高，不能用NaClO4代替H2O2，故C 错误；
D．由反应①化合价变化情况，再根据原电池正极表面发生还原反应，所以ClO2是正极产物，故D 正确；
故选C。
思维建模 原电池的几个关键点
1．判断电极名称的基本方法是看电极反应物的反应类型，若电极反应物失去电子，发生氧化反应则为负
极，反之为正极。
2．双液铜、锌原电池(带盐桥)与单液原电池相比，最大的优点是Zn 与氧化剂(Cu2＋)不直接接触，仅有化
学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，放电时间长。
3．无论是原电池还是电解池，电子均不能通过电解质溶液，即电子不下水，离子不上线。
【变式训练1】（2023·湖南湘西·二模）浓差电池是一种利用电解质溶液浓度差产生电势差而形成的电池。
理论上当电解质溶液的浓度相等时停止放电。图1 为浓差电池，图2 为电渗析法制备磷酸二氢钠，用浓差
电池作电源完成电渗析法制备磷酸二氢钠。下列说法错误的是
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A．电极a 应与Ag(II)相连
B．电渗析装置中膜a 为阳离子交换膜
C．电池从开始到停止放电，理论上可制备2.4gNaH2PO4
D．电渗析过程中左、右室中H2SO4和NaOH 的浓度均增大
【答案】C
【详解】A．浓差电池中由于右侧AgNO3，浓度大，则Ag(I)为负极，Ag(II)正极；电渗析法制备磷酸二氢
钠，左室中的氢离子通过膜a 进入中间室，中间室中的钠离子通过膜b 进入右室，则电a 为阳极，电极b
为阴极；电极a 应与Ag(II)相连，故A 正确；
B．左室中的氢离子通过膜a 进入中间室，中间室中的钠离子通过膜b 进入右室，膜b 为阳离子交换膜，故
B 正确；
C．电池从开始到停止放电时，则浓差电池两边AgNO3浓度相等，所以正极析出0.02mol 银，电路中转移
0.02 mol 电子，电渗析装置生成0.01 mol NaH2PO4，质量为1.2g，故C 错误；
D．阳极中的水失电子电解生成氧气和氢离子，氢离子通过膜a 进入中间室，消耗水，硫酸的浓度增大；
阴极水得电子电解生成氢气，中间室中的钠离子通过膜b 进入右室NaOH 的浓度增大，故D 正确；
故选C。
【变式训练2】（2024·湖南岳阳·二模）质子交换膜氢氧燃料电池具有能量密度高等优点，质子交换膜主要
成分为全氟磺酸聚合物，吸水后，强疏水性主链和亲水性侧链形成尺寸为3-5 纳米的离子通道。质子通过
水、
等载体之间氢键的伸缩振动，定向连续传递。电池及膜的工作原理如下图所示，下列说法不正
确的是
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A．通
电极的电势比通
电极的电势高
B．质子交换膜燃料电池的电解质为全氟磺酸聚合物
C．给出质子能力：
>质子交换膜的
D．质子交换膜吸水后形成离子通道
【答案】C
【详解】A．该燃料电池中，氢气失去电子被氧化为负极、氧气得到电子被还原为正极，则通
电极的电
势比通
电极的电势高，A 正确；
B．氟原子电负性大，是吸电子基团，导致
中羟基极性增强，易电离出氢离子，故质子交换膜燃料
电池的电解质为全氟磺酸聚合物，B 正确；
C． 结合选项B 可知，给出质子能力：
＜质子交换膜的
，C 错误；
D．由图及题干信息可知，主链疏水，内侧
亲水，形成了质子传导的水通道， D 正确；
答案选C。
考向2 考查原电池电极判断及电极反应的书写
例2（2024·湖南长沙·一模）微生物燃料电池能在较低的有机负荷下将化学能转化为电能，可用于有机污
染的生物修复，其反应原理如图所示。设
为阿伏加德罗常数的值，下列说法错误的是
A．a 极是电池负极
B．电子从
极经电解质溶液流向极
C．
向极移动
D．若“有机物”是甲烷，则a 极每产生
，转移电子数为
【答案】B
【详解】A．由图分析，a 极发生氧化反应，b 极氧、硫的化合价降低，则
极为负极，极为正极，A 正
确；
B．电子从
极经过导线流向极，不进入电解质溶液，B 错误；
C．原电池中阳离子
移向正极b，C 正确；
D．若“有机物”是甲烷，则a 极电极反应式为CH4-8e-+2H2O=CO2
+8H+，每产生
即
，
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转移电子数为
，D 正确；
答案选B。
思维建模 原电池电极判断及电极反应的书写
1．原电池电极判断
说明：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极
的固定思维。
2．电极反应的书写
（1）一般电极反应的书写
（2）复杂电极反应的书写。复杂电极反应等于总反应减去较简单一极的电极反应。
【变式训练1】（2024·湖南长沙·一模）以
和N，N—二蒽醌—花酰二亚胺（PTCDI-
DAQ）作电极的新型有机钾离子电池的综合性能达到了世界领先水平，该电池的工作原理如图。下列说法
正确的是
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A．放电时，b 极为负极
B．放电时，a 极电极反应式为
C．充电时，
由a 极移向b 极
D．充电时，a 极与电源正极相连
【答案】B
【详解】A．根据分析，放电时，b 电极为原电池正极，A 错误；
B．根据分析，放电时，a 电极为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为
，B 正确；
C．根据分析，充电时，a 电极为阴极，b 电极为阳极，阳离子(K+)由阳极(b 电极)移向阴极(a 电极)，C 错误；
D．根据分析，充电时，a 电极为阴极，连接电源负极，D 错误；
故选B。
【变式训练2】（2024·湖南岳阳·一模）液流电池在储能领域发挥着重要作用．下图是碱性锌铁液流电池，
其具有电压高、成本低的优点．已知该电池放电时正极发生反应：
，下列叙
述正确的是
A．放电时，M 处发生氧化反应，N 为负极
B．放电时，右侧贮液器中溶液浓度减小
C．充电时，N 极电极反应为：
D．该离子交换膜为阴离子交换膜，当有65 g Zn 发生反应时，有1 mol
通过
【答案】C
【详解】A．由分析可知放电时，M 极为正极，发生还原反应，N 电极为负极，发生失去电子的氧化反应，
A 错误；
B．放电时，右侧电极发生反应：Zn-2e-+4OH-=[Zn(OH)4]2-，贮液器中溶液浓度增大，B 错误；
C．充电时，右侧电极连接电源负极，作阴极，发生还原反应，电极反应式为：[Zn(OH)4]2-+2e-
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=Zn+4OH-，C 正确；
D．在放电时，M 为正极，发生反应为：[Fe(CN)6]3-+e-=[Fe(CN)6]4-，右侧N 电极为负极，发生反应：Zn-2e-
+4OH-=[Zn(OH)4]2-，当左侧有65 g Zn 反应时，转移2 mol 电子，右侧反应产生1 mol 的[Zn(OH)4]2-，负电
荷减少2 mol，为维持电荷守恒，就会2 mol OH-通过阴离子交换膜由左侧移向右侧的负极N 极， D 错误；
答案选C。
考向3 考查“盐桥”的作用与化学平衡的移动
例3（2024·湖南益阳·二模）下列对实验的叙述正确的是
A．图甲，盐桥(装有含KCl 饱和溶液的琼脂)中的Cl-移向CuSO4溶液
B．图乙，可用来探究催化剂对化学反应速率的影响
C．图丙，可用来制取少量CO2气体
D．图丁，可用来验证浓硫酸具有脱水性、强氧化性，SO2具有漂白性、还原性
【答案】D
【详解】A．原电池中阴离子移向负极，Cl-移向ZnSO4溶液，A 错误；
B．两支试管的温度不同，不能用来探究催化剂对化学反应速率的影响，B 错误；
C．Na2CO3易溶于水且是粉状，反应过程会溶解并掉落容器底部，关闭右端活塞时，无法使反应停止，不
能用碳酸钠和稀硫酸通过启普发生器制取少量二氧化碳气体，C 错误；
D．浓硫酸使蔗糖炭化变黑，说明浓硫酸具有脱水性，品红溶液褪色，说明浓硫酸与碳反应生成二氧化硫，
则浓硫酸具有氧化性，SO2具有漂白性，二氧化硫能使酸性高锰酸钾溶液褪色发生氧化还原反应生成锰离
子和硫酸根离子，说明其具有还原性，D 正确；
故选D。
思维建模 盐桥的几个关键点
1．把氧化剂、还原剂均为溶液状态的氧化还原反应设计成原电池时，必须使用盐桥才能实现氧化剂与还
原剂的分离，否则不会有明显的电流出现。
2．电子流向的分析方法：①改变条件，平衡移动；②平衡移动，电子转移；③电子转移，判断区域；④
根据区域，判断流向；⑤根据流向，判断电极。
【变式训练1】（2024·湖南常德·一模）1836 年，英国化学家John Frederic Daniell 制成了第一个如图所示
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的双液电池，标志着化学电池进入生产和生活中。
已知反应：
K 为反应在常温下的平衡常数。下列说法不正确的是
A．
B．盐桥中
向
溶液移动
C．若将盐桥换成铜棒，电流计不会发生偏转
D．若向
溶液中加入适量
固体，电流计偏转程度增大
【答案】C
【详解】A．由分析，装置为原电池装置，总反应为
，结合已知反应，总反应：
，反应能够自发进行的较为完全，则
，故A 正确；
B．原电池中阳离子向正极移动，故盐桥中
向
溶液移动，故B 正确；
C．把盐桥改为铜棒后，左侧装置为原电池装置、右侧装置为电解池装置，左侧锌为负极，左侧中铜棒为
正极，空气中氧气在正极发生还原反应类似于吸氧腐蚀，电路中有电流，电流计会发生偏转，故C 错误；
D．若向
溶液中加入适量
固体，铜离子、硫酸根离子浓度增大，反应速率加快、溶液导电能
力增强，导致电流计偏转程度增大，故D 正确；
故选C。
【变式训练2】（2024·湖南衡阳·二模）利用下图电池装置可验证不同化合价铁元素的相关性质。
已知：电池装置中，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
(如下表)应尽
可能地相近；两烧杯中溶液体积相等。
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离子
Li+
Na+
Ca2+
K+
Cl-
4.07
5.19
6.59
7.62
4.61
7.40
7.91
8.27
下列说法正确的是
A．根据上表数据，盐桥中应选择KNO3作为电解质
B．石墨电极上对应的电极反应式为：
C．反应一段时间后，当右池中
时，左池中
D．盐桥中的阴离子进入石墨电极一侧溶液中
【答案】C
【详解】A．Fe2＋、Fe3＋能与
反应，Ca2＋与
不能大量共存，FeSO4、Fe2(SO4)3都属于强酸弱碱盐，
水溶液呈酸性，酸性条件下
能与Fe2＋反应，根据题意“盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学
反应”，盐桥中阴离子不可以选择
、
，阳离子不可以选择Ca2＋，盐桥中阴、阳离子的迁移率
（u∞）应尽可能地相近，根据表中数据，盐桥中应选择KCl 作为电解质，A 错误；
B．由分析知，石墨电极为正极，电极反应式为
，B 错误；
C．由图知，右池中原
，发生反应为
，现
，
即
，在此过程中
增加了0.10mol/L，转移的电子数为0.10mol/L，则由
负极反应式
知，左池中
增加了0.05mol/L，即左池中
，C 正确；
D．盐桥中的阴离子流向负极，由分析知，进入铁电极一侧溶液中，D 错误；
故选C。
考点二 化学电源
知识点1 一次电池
一次电池就是放电之后不可再充电的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质被消耗，当
这些物质消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做
干电池。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池
1、碱性锌锰干电池
结构
碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，
电解质溶液是KOH 溶液
电极反应
负极反应
Zn
＋
2OH
－ －
2e
－ ==
=Zn(OH)
2
正极反应
2MnO2＋
2H
2O ＋
2e
－ ==
=2MnOOH
＋
2OH
－
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总反应
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点
比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电
2、锌银电池
电极反应
负极反应
Zn
＋
2OH
－ －
2e
－ ==
=Zn(OH)
2
正极反应
Ag2O ＋
H 2O ＋
2e
－ ==
=2Ag
＋
2OH
－
总反应
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
特点
比能量大、电压稳定、储存时间长
3、锂电池
构成
Li－SOCl2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LiAlCl4－
SOCl2
电极反应
总反应
4Li＋2SOCl2===4LiCl＋SO2↑＋S
负极反应
4Li
－
4e
－ ==
=4Li
＋
正极反应
2SOCl2＋
4e
－ ==
=SO
2↑ ＋
S ＋
4Cl
－
知识点2 二次电池
二次电池又称可充电电池或蓄电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进
行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：
化学能
电
电
电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等
1、铅酸蓄电池
结构
铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有
PbO2，负极板覆盖有Pb，稀硫酸作电解质溶液
电极
反应
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)
电
电
2PbSO4(s)＋2H2O(l)
负极
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
特点
常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全
得分速记
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、放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆。将负
(正)极反应式变方向并将电子移向即得出阴(阳)极反应式
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3、二次电池充电时原负极必然要发生还原反应(生成原来消耗的物质)，即作阴极，连接外接电源的负极；
同理，原正极连接电源的正极，作阳极。简记为：负连负，正连正
4、放电总反应和充电总反应在形式上互逆，但不是可逆反应
2、锂离子电池
电极反应
总反应
LixCy＋Li1－xCoO2
LiCoO2＋Cy
负极
嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－
x e － ===
x Li
＋ ＋
C y
正极
钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋
x Li
＋ ＋
x e － ===
LiCoO
2
反应过程
放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体
中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的
正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化
知识点3 燃料电池
燃料电池的
工作原理
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本
身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地
由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断
地提供电能
燃料电池示
意图
燃料
体
特点
** 错误的表达式 **清洁、安全、高效
②燃料电池的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80% 以上
**
的
式
错误
表达
**与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内
部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用
(1)氢氧燃料电池用Pt 作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电
池总反应式是2H2＋O2===2H2O。氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应：
介质
负极反应式
正极反应式
酸性
2H2－4e－===4H＋
O2＋
4H
＋ ＋
4e
－ ==
=2H
2O
中性
2H2－4e－===4H＋
O2＋
2H
2O ＋
4e
－ ==
=4OH
－
碱性
2H2－
4e
－ ＋
4OH
－ ==
=4H
2O
O2＋
2H
2O ＋
4e
－ ==
=4OH
－
(2) 理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲
醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”
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考向1 考查一次电池
例1 （2023·湖南·模拟预测）下列生产、生活和科学中的化学叙述错误的是
A．我国是全球最大的锂电池生产国，锂电池的比能量高、电压高、工作温度宽、可储存时间长
B．制作宇航服所使用的聚酯纤维属于合成纤维
C．漂白液、漂白粉、漂粉精既可作漂白棉、麻、纸张的漂白剂，也可用作游泳池和环境的消毒剂
D．熔融烧碱时，不能使用普通玻璃坩埚、石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚，可使用镍坩埚
【答案】D
【详解】A．锂是密度最小的金属，用锂作电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，锂电池
的比能量高、电压高、工作温度宽、可储存时间长，故A 正确；
B．聚酯纤维是合成纤维的一种，属于合成纤维，故B 正确；
C．漂白液、漂白粉或漂粉精的有效成分是次氯酸钙，溶于水后与空气中的二氧化碳反应会生成次氯酸，
次氯酸有漂白作用，还能杀菌消毒，所以漂白液、漂白粉或漂粉精既可作漂白棉、麻、纸张的漂白剂，也
可用作游泳池和环境的消毒剂，故C 正确；
D．熔融烧碱时，不能使用普通玻璃坩埚、石英坩埚、陶瓷坩埚，可以使用铁坩埚或镍坩埚，熔融状态下，
铁或镍都不与烧碱NaOH 反应，故D 错误；
答案选D。
【变式训练1】（2024·湖南衡阳·模拟预测）锌银纽扣电池是生活中常见的一次电池，其构造示意图如下。
下列说法不正确的是
A．
作电池的负极
B．电池工作时，
向正极移动
C．正极的电极反应：
D．金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性
【答案】B
【详解】A．由分析可知，锌作电池的负极，
作电池正极，A 正确；
B．原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，则
向负极移动，B 错误；
C．由分析可知，正极的电极反应为：
，C 正确；
D．金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性，以保证电池正常工作，D 正确；
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故选B。
【变式训练2】（2024·湖南长沙·一模）碱性锌锰电池的总反应为
，构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是
A．电池工作时，正极发生反应为
B．电池工作时，
向正极移动
C．隔膜可以防止电池短路
D．反应中每生成
，转移电子数为
【答案】C
【详解】A． 电池工作时，正极发生反应为MnO2+e-+H2O= MnO(OH)+OH-，故A 错误；
B．电池工作时，阳离子移向正极，
向负极移动，故B 错误；
C．隔膜位于电池的正极和负极之间，其主要功能是将正负极分开，防止电流直接通过正负极进行循环，
故C 正确；
D．正极发生反应为MnO2+e-+H2O= MnO(OH)+OH-，每生成
，转移电子数为
，故
D 错误；
选C。
考向2 考查二次电源
例2 （2025·湖南·模拟预测）铅蓄电池放电时正极反应为
，电池
构造示意图如图。下列有关说法正确的是
A．放电时，负极反应为
B．放电时，电池将电能转化为化学能
C．充电时，正极应与外接电源负极相连
D．充电时，每生成
，电路中转移1mol 电子
【答案】D
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【详解】A．放电时，负极反应为
，A 错误；
B．放电时，电池将化学能转化为电能，B 错误；
C．充电时，正极区域为阳极，应与外接电源正极相连，C 错误；
D．充电时总反应为
，铅元素化合价由+2 价变为0 价、+4 价，则每
生成
，电路中转移1mol 电子，D 正确；
故选D。
思维建模 二次电池的解题模型
思维模型
解题模型
例：xMg＋Mo3S4
MgxMo3S4
【变式训练1】（2025·湖南永州·三模）铅蓄电池的结构示意图如图，下列关于铅蓄电池的说法正确的是
A．放电时，
作负极，
向负极方向移动
B．放电时，一段时间后电解质溶液
值不变
C．充电时，铅蓄电池负极连接电源正极
D．充电时，阳极的电极反应为
【答案】D
【详解】A．由分析可知，铅是铅蓄电池的负极，溶液中氢离子向正极移动，故A 错误；
B．由分析可知，电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，则放电时，一段时间后，溶液中硫酸溶
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液浓度减小，电解质溶液pH 值增大，故B 错误；
C．由分析可知，充电时，铅蓄电池负极连接电源的负极做阴极，故C 错误；
D．由分析可知，充电时，正极连接电源正极做阳极，水分子作用下，硫酸铅在阳极失去电子发生氧化反
应生成二氧化铅、氢离子和硫酸根离子，电极反应式为
，故D 正
确；
故选D。
【变式训练2】（2025·湖南株洲·二模）
/石墨烯电极材料可在光照条件下产生电子(
)和空穴(
)，
其制氧效果优越，原理如图所示。下列叙述正确的是
A．放电时，电子流向：b→离子交换膜→a
B．放电时，每消耗0.1 mol
，负极区电解质溶液的质量增加13 g
C．充电时，电势高低：a<b
D．充电时，电池总反应：
【答案】D
【详解】A．电子只在导线中移动，不进入电解质溶液，电子流向：b→导线→a，故A 错误；
B．放电时，负极区电解质溶液增加的质量为失电子的锌和离子交换膜电离出来的
的质量和，根据电
极反应式可知每消耗0.1 mol
，转移0.4 mol 电子，有0.2 mol Zn 失电子进入溶液，0.2 mol
由双极
膜进入负极区，则质量增加(0.2×65+0.4×17)g=19.8 g，B 错误；
C．阳极电势高于阴极电势，由思路分析可知，充电时a 电极电势高于b 电极电势，C 错误；
D．充电时，阳极反应为
，阴极反应为
，总反应为
，D 正确；
选D。
考向3 考查燃料电池
例3（2025·湖南·模拟预测）云南践行“建设美丽乡村，守护中华家园”，衣食住行皆化学。下列说法正
确的是
A．乡村公路铺沥青，沥青属于传统无机材料
B．千家万户用光伏，光伏发电的主要材质为
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C．绿色食品放心用，化学添加剂使用有严格标准规定
D．清洁能源助交通，氢气燃料汽车利用电解水原理产生动力
【答案】C
【详解】A．沥青属于有机材料，A 错误；
B．光伏发电的主要材质为硅，B 错误；
C．绿色食品健康，可以放心食用，对于化学添加剂的使用国家有严格标准规定，C 正确；
D．氢气燃料汽车利用原电池原理产生动力，D 错误；
故选C。
思维建模 解答燃料电池题目的几个关键点
(1)注意介质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(或其他氧化剂)。
(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。
(4)零价法秒杀负极反应的书写。若负极有机物燃料为CxHyOz，产物中C 元素为+4 价的CO3
2-或HCO3
-，
则转移电子数为C 数×4+H 数×1+O 数×(-2)，若有机阴离子在负极反应(如CH3COO-)，转移电子数则为C
数×4+H 数×1+O 数×(-2)+电荷数。
【变式训练1】（2025·湖南·模拟预测）为既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利
用化学能，合作小组利用反应
设计如图所示电池（离子交换膜为阴离子交换
膜）。下列说法正确的是
A．电流不可以通过离子交换膜
B．电子由电极
经负载流向电极
C．相同状况下，左右两侧电极室中产生的气体体积比为
D．负极反应式为
【答案】D
【详解】A．离子交换膜允许阴离子通过，阴离子定向移动可形成电流，所以电流可以通过离子交换膜，
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A 错误；
B．在反应
中，
中N 元素化合价升高，
中N 元素化合价降低，所以
在电极A 发生氧化反应，电极A 为负极；
在电极B 发生还原反应，电极B 为正极。电子由负极
（电极A ）经负载流向正极（电极B ），B 错误；
C．根据电池总反应
，相同状况下，左右两侧电极室中产生的
体积比等于
物质的量之比为4:3，C 错误；
D．负极上
发生氧化反应，电解质溶液为KOH 溶液，根据电荷守恒和原子守恒，负极反应式为
，D 正确；
故选D。
【变式训练2】（2025·湖南·模拟预测）燃料电池是一种能量转化效率高、对环境友好的新型电池。一种肼
(N2H4)燃料电池的工作原理如下图所示，下列有关叙述正确的是
A．电池工作时，溶液中的
由乙槽通过离子交换膜向甲槽迁移
B．当外电路中流过0.04mol 电子时，消耗N2H4的质量为0.32g
C．b 极的电极反应式为
，反应一段时间后溶液的pH 增大
D．若将N2H4改为CH4，消耗等物质的量的CH4时，电路中通过的电子数减少
【答案】B
【详解】A．O2在正极发生还原反应：O2+2H2O+4e- =4OH-，正极生成OH-离子，为保持溶液呈电中性，
Na+由甲槽向乙槽迁移，A 项错误；
B．负极发生氧化反应，反应式为4OH-+N2H4-4e-=N2↑+4H2O，当外电路中流过0.04mol 电子时，消耗
0.01mol N2H4，其质量为0.32g，B 项正确；
C．碱性条件下，电极方程式中不能出现H+，b 极的电极反应式为O2+2H2O+4e- =4OH-，C 项错误；
D．消耗1mol N2H4时转移4mol 电子，改为甲烷时，电极反应式为
，消耗
1mol CH4时转移8mol 电子，D 项错误；
答案选B。
1．（2024·湖南·高考真题）近年来，我国新能源产业得到了蓬勃发展，下列说法错误的是
A．理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
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B．氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C．锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌，充电时锂离子从正极脱嵌
D．太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
【答案】D
【详解】A．理想的新能源应具有可再生、无污染等特点，故A 正确；
B．氢氧燃料电池利用原电池将化学能转化为电能，对氢气与氧气反应的能量进行利用，减小了直接燃烧
的热量散失，产物无污染，故具有能量转化率高、清洁等优点，B 正确；
C．脱嵌是锂从电极材料中出来的过程，放电时，负极材料产生锂离子，则锂离子在负极脱嵌，则充电时，
锂离子在阳极脱嵌，C 正确；
D．太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装置，D 错误；
本题选D。
2．（2022·湖南·高考真题）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：
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】A．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；
B．由上述分析可知，N 为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反应O2+4e-+2H2O=4OH-，故B 错误；
C．Li 为活泼金属，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；
D．该电池不可充电，属于一次电池，故D 正确；
答案选B。
3．（2021·湖南·高考真题）锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智
能电网的备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所：
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下列说法错误的是
A．放电时，N 极为正极
B．放电时，左侧贮液器中
的浓度不断减小
C．充电时，M 极的电极反应式为
D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
【答案】B
【详解】A．由分析可知，放电时，N 电极为电池的正极，故A 正确；
B．由分析可知，放电时，溶液中有Zn2+与Br-生成，通过循环回路，左侧储液器中溴化锌的浓度增大，故
B 错误；
C．由分析可知，充电时，M 电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发
生还原反应生成锌，电极反应式为Zn2++2e-=Zn，故C 正确；
D．由分析可知，放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，
故D 正确；
故选B。
4．（2024·江苏·高考真题）碱性锌锰电池的总反应为
，电池构造示意
图如图所示。下列有关说法正确的是
A．电池工作时，
发生氧化反应
B．电池工作时，
通过隔膜向正极移动
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C．环境温度过低，不利于电池放电
D．反应中每生成
，转移电子数为
【答案】C
【详解】A．电池工作时，
为正极，得到电子，发生还原反应，故A 错误；
B．电池工作时，
通过隔膜向负极移动，故B 错误；
C．环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，故C 正确；
D．由电极反应式
可知，反应中每生成
，转移电子数为
，故D 错误；
故选C。
5．（2025·云南·高考真题）
是优良的固态电解质材料，
取代部分
后产生空位，
可提升
传导性能。取代后材料的晶胞结构示意图(
未画出)及其作为电解质的电池装置如下。下列说
法错误的是
A．每个晶胞中
个数为12
B．该晶胞在yz 平面的投影为
C．
取代后，该电解质的化学式为
D．若只有
发生迁移，外电路转移的电子数与通过截面MNPQ 的
数目相等
【答案】C
【详解】A．由晶胞结构可知，Sc 原子分布在晶胞的8 个棱心和4 个面心，由均摊法算出其原子个数为
，由晶体的化学式
可知，O 原子的个数是Sc 的3 倍，因此，每个晶胞中
O2-个数为12，A 正确；
B．由晶胞结构可知，该晶胞在yz 平面的投影就是其前视图
，B 正确；
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C．Ce4+ 取代La3+后，Li+数目减小并产生空位，因此，根据化合价的代数和为0 可知，取代后该电解质的
化学式为
，C 错误；
D．Li+与电子所带的电荷数目相同，只是电性不同，原电池中内电路和外电路通过的电量相等，因此，若
只有Li+发生迁移，外电路转移的电子数与通过截面MNPQ 的Li+数目相等，D 正确；
综上所述，本题选C。
6．（2025·黑吉辽蒙卷·高考真题）一种基于
的储氯电池装置如图，放电过程中a、b 极均增重。若将
b 极换成Ag/AgCl 电极，b 极仍增重。关于图中装置所示电池，下列说法错误的是
A．放电时
向b 极迁移
B．该电池可用于海水脱盐
C．a 极反应：
D．若以Ag/AgCl 电极代替a 极，电池将失去储氯能力
【答案】D
【详解】A．放电时b 电极是正极，阳离子向正极移动，所以
向b 极迁移，A 正确；
B．负极消耗氯离子，正极消耗钠离子，所以该电池可用于海水脱盐，B 正确；
C．a 电极是负极，电极反应式为
，C 正确；
D．若以Ag/AgCl 电极代替a 极，此时Ag 失去电子，结合氯离子生成氯化银，所以电池不会失去储氯能力，
D 错误；
答案选D。
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