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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
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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、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
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
不同点
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
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＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
负极材料：Zn。
2
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电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：碳棒。
电极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2.纽扣式锌银电池
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
电解质是KOH。
负极材料：Zn。
电极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。
正极材料：Ag2O。
电极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。
3.锂电池
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。电池
的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)负极材料为锂，电极反应为8Li－8e－===8Li＋。
(2)正极的电极反应为3SOCl2＋8e－===2S＋SO＋6Cl－。
（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)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正极反应：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)。
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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
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
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
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(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：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
②
①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
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O2，因电解质溶液不同，故其电极反应
也会有所不同：
燃料电池电解质
正极反应式
酸性电解质
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
碱性电解质
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固体电解质
(高温下能传导O2－)
O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
O2＋2CO2＋4e－===2CO
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)
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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＋Ni2O3＋3H2OFe(OH)2＋2Ni(OH)2，放电时负极的电极反应式为Fe－2e－＋2OH－
===Fe(OH)2，则充电时阴极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－。
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3．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
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例1.（2023·山东卷第11 题）利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所
示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4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
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. NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
【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（ ）
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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
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【变式探究】控制适合的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不
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FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极
【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
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。
(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
CH4＋2O2===CO2＋2H2O①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②
①式＋②式得燃料电池总反应式为
CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
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O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应
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：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：
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O2＋4e－===2O2－；
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：
O2＋2CO2＋4e－===2CO。
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O2不是负极反应物，因此两个反应式
相减时要彻底消除O2。
【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b
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B．电极b 发生的电极反应式为(C6H10O5)n-24e-+7H2O=6CO2↑+24H+
C．光激发时，光生电子会与O2结合，光生空穴会与电极b 产生的电子结合
D．电池工作一段时间后，右侧溶液pH 保持不变(不考虑CO2的溶解)
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V2O5和Zn 为电极、
水溶液为电解质的电池，其
示意图如下所示。放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成
。下列说法错误的是
A. 放电时V2O5为正极
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-O2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Li-O2电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱
动阴极反应(Li＋＋e－===Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋===2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )
A．充电时，电池的总反应为Li2O2===2Li＋O2
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
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D．放电时，正极发生反应：O2＋2Li＋＋2e－===Li2O2
【变式探究】(2022·广东，16)科学家基于Cl2易溶于CCl4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NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3。下列说
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 Cl2，电极a 质量理论上增加23 g
【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。
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(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：
S8+e-→
S
，
S
+e-→S
，2Na++
S
+2(1-
)e-→Na2Sx
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++
S8+2e-→Na2Sx
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
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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(Li2O2+2h+=2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是
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
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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-MnO2离子选泽双隔膜电池如图所示(KOH 溶液
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SO4
2-通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)4
2-+Mn2++2H2O
【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．NaClO4的作用是传导离子并参与电极反应
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：2H2+O2=2H2O
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