2025屆高三化學(xué)一輪專題復(fù)習(xí)講義（09）-專題三第二講 原電池原理及應(yīng)用

2025屆高三化學(xué)一輪專題復(fù)習(xí)講義（09）專題三基本理論3-2原電池原理及應(yīng)用（1課時(shí)）【復(fù)習(xí)目標(biāo)】1．了解原電池及常見化學(xué)電源的工作原理。2．通過生活中實(shí)例，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用?！局攸c(diǎn)突破】1．原電池的工作原理。2．常見化學(xué)電源在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用?！菊骖}再現(xiàn)】例題1．（2023·江蘇高考）下列物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)或物質(zhì)性質(zhì)與用途具有對(duì)應(yīng)關(guān)系的是A．H2具有還原性，可作為氫氧燃料電池的燃料B．氨極易溶于水，液氨可用作制冷劑C．H2O分子之間形成氫鍵，H2O(g)的熱穩(wěn)定性比H2S(g)的高D．N2H4中的N原子與H+形成配位鍵，N2H4具有還原性解析：A項(xiàng)，燃料電池負(fù)極物質(zhì)失電子，具有還原性，故A正確；B項(xiàng)，制冷劑是因?yàn)榘睔庖滓夯瑲饣瘯r(shí)需要吸熱，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，熱穩(wěn)定性是化學(xué)性質(zhì)范疇，與化學(xué)鍵有關(guān)與氫鍵無關(guān)，氫鍵只是影響物質(zhì)的物理性質(zhì)，C錯(cuò)誤；D項(xiàng)，N2H4是共價(jià)分子，構(gòu)成微粒是原子，原子間通過形成共用電子對(duì)，D錯(cuò)誤。答案：A例題2．（2022·江蘇高考）周期表中ⅣA族元素及其化合物應(yīng)用廣泛，甲烷具有較大的燃燒熱（890.3kJ·mol-1），是常見燃料；Si、Ge是重要的半導(dǎo)體材料，硅晶體表面SiO2能與氫氟酸(HF，弱酸)反應(yīng)生成H2SiF6(H2SiF6在水中完全電離為H+和SiFeq\o\al(2－,6))；1885年德國(guó)化學(xué)家將硫化鍺（GeS2）與H2共熱制得了門捷列夫預(yù)言的類硅—鍺；下列化學(xué)反應(yīng)表示正確的是A.SiO2與HF溶液反應(yīng)：SiO2+6HF2H++SiFeq\o\al(2－,6)+2H2OB.高溫下H2還原GeS2：GeS2+H2Ge+2H2SC.鉛蓄電池放電時(shí)的正極反應(yīng)：Pb-2e-+SOeq\o\al(2－,4)PbSO4D.甲烷的燃燒：CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)△H=890.3kJ·mol-1解析：A項(xiàng)，由題意可知，二氧化硅與氫氟酸溶液反應(yīng)生成強(qiáng)酸H2SiF6和水，反應(yīng)的離子方程式為SiO2+6HF2H++SiFeq\o\al(2－,6)+2H2O，正確；B項(xiàng)，硫化鍺與氫氣共熱反應(yīng)時(shí)，氫氣與硫化鍺反應(yīng)生成鍺和硫化氫，硫化氫高溫下分解生成硫和氫氣，則反應(yīng)的總方程式為GeS2eq\o(,\s\up7(H2),\s\do7(高溫))Ge+2S，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，鉛蓄電池放電時(shí)，二氧化鉛為正極，酸性條件下在硫酸根離子作用下二氧化鉛得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成硫酸鉛和水，電極反應(yīng)式為正極反應(yīng)PbO2+2e-+SOeq\o\al(2－,4)+4H+PbSO4+2H2O，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，由題意可知，1mol甲烷完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水放出熱量為890.3kJ，熱化學(xué)方程式為CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)△H=-890.3kJ·mol-1，錯(cuò)誤。答案：A。例題3．（2022·全國(guó)高考真題）一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示[KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)eq\o\al(2－,4)存在]。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是A．Ⅱ區(qū)的K+通過隔膜向Ⅲ區(qū)遷移B．Ⅰ區(qū)的SO通過隔膜向Ⅱ區(qū)遷移C．MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+Mn2++2H2OD．電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO2+4H+Zn(OH)+Mn2++2H2O解析：A項(xiàng)，根據(jù)分析，Ⅱ區(qū)的K+只能向Ⅰ區(qū)移動(dòng)，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，根據(jù)分析，Ⅰ區(qū)的SO向Ⅱ區(qū)移動(dòng)，B正確；C項(xiàng)，MnO2電極的電極反應(yīng)式為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正確；D項(xiàng)，電池的總反應(yīng)為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)eq\o\al(2－,4)+Mn2++2H2O，正確。答案：A例題4．（2022·全國(guó)統(tǒng)考高考真題）Li—O2電池比能量高，在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來科學(xué)家研究了一種光照充電Li—O2電池（如圖所示）。光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子(eeq\o\al(－))和空穴(heq\o\al(+))，驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)（Li++eeq\o\al(－)Li）和陽極反應(yīng)（Li2O2+2heq\o\al(+)2Li++O2）對(duì)電池進(jìn)行充電。下列敘述錯(cuò)誤的是A．充電時(shí)，電池的總反應(yīng)Li2O22Li+O2B．充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)C．放電時(shí)，Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移D．放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)2Li++O2+2eeq\o\al(－)Li2O2解析：A項(xiàng)，光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行充電，結(jié)合陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)，充電時(shí)電池的總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2=2Li+O2，正確；B項(xiàng)，充電時(shí)，光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，陰極反應(yīng)與電子有關(guān)，陽極反應(yīng)與空穴有關(guān)，故充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)，正確；C項(xiàng)，放電時(shí)，金屬Li電極為負(fù)極，光催化電極為正極，Li+從負(fù)極穿過離子交換膜向正極遷移，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，放電時(shí)總反應(yīng)為2Li+O2Li2O2，正極反應(yīng)為O2+2Li++2e-Li2O2，正確。答案：C例題5．（2020·江蘇高考）HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖所示，兩電極區(qū)間用允許K＋、H＋通過的半透膜隔開。電池負(fù)極電極反應(yīng)式：_________________；放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為________（填化學(xué)式）。圖所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式：____________________。解析：該裝置為原電池裝置，放電時(shí)HCOOˉ轉(zhuǎn)化為HCOeq\o\al(－,3)被氧化，所以左側(cè)為負(fù)極，F(xiàn)e3+轉(zhuǎn)化為Fe2+被還原，所以右側(cè)為正極。左側(cè)為負(fù)極，堿性環(huán)境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3-，根據(jù)電荷守恒和元素守恒可得電極反應(yīng)式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCOeq\o\al(2－,3)+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側(cè)，根據(jù)圖示可知右側(cè)的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進(jìn)行循環(huán)，所以需要補(bǔ)充硫酸根，為增強(qiáng)氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質(zhì)A為H2SO4；根據(jù)裝置圖可知電池放電的本質(zhì)是HCOOH在堿性環(huán)境中被氧氣氧化為HCOeq\o\al(－,3)，根據(jù)電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCOeq\o\al(－,3)+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCOeq\o\al(－,3)。答案：HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCOeq\o\al(－,3)+H2OH2SO42HCOOH+O2+2OHˉ=2HCOeq\o\al(－,3)+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3-例題6．（2020·江蘇高考）將金屬M(fèi)連接在鋼鐵設(shè)施表面，可減緩水體中鋼鐵設(shè)施的腐蝕。在題圖所示的情境中，下列有關(guān)說法正確的是（）A.陰極的電極反應(yīng)式為Fe－2eeq\o\al(－)Fe2+B.金屬M(fèi)的活動(dòng)性比Fe的活動(dòng)性弱C.鋼鐵設(shè)施表面因積累大量電子而被保護(hù)D.鋼鐵設(shè)施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快解析：該裝置為原電池原理的金屬防護(hù)措施，為犧牲陽極的陰極保護(hù)法，金屬M(fèi)作負(fù)極，鋼鐵設(shè)備作正極，據(jù)此：A項(xiàng)，陰極鋼鐵設(shè)施實(shí)際作原電池的正極，正極金屬被保護(hù)不失電子，錯(cuò)誤；B項(xiàng)，陽極金屬M(fèi)實(shí)際為原電池裝置的負(fù)極，電子流出，原電池中負(fù)極金屬比正極活潑，因此M活動(dòng)性比Fe的活動(dòng)性強(qiáng)，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，金屬M(fèi)失電子，電子經(jīng)導(dǎo)線流入鋼鐵設(shè)備，從而使鋼鐵設(shè)施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護(hù)，正確；D項(xiàng)，海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，離子濃度越大，溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，因此鋼鐵設(shè)施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，錯(cuò)誤。答案：C。小結(jié)：主要考查的知識(shí)點(diǎn)有原電池的正負(fù)極判斷、電極反應(yīng)式的書寫、根據(jù)氧化還原反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池、微粒（離子、電子）流向、微粒交換膜、鹽橋、化學(xué)電源的原理及應(yīng)用原電池原理進(jìn)行金屬的防護(hù)。【知能整合】1．原電池正、負(fù)極的判斷方法：2．原電池電極反應(yīng)式的書寫方法：“加減法”：（1）定正負(fù)極，列反應(yīng)式，標(biāo)同數(shù)電子得失。（2）注意電極生成物是否與電解質(zhì)溶液中的某些微粒反應(yīng)。（3）總反應(yīng)式減去其中一級(jí)反應(yīng)式，即得另一級(jí)電極反應(yīng)式。3．根據(jù)原電池判斷金屬活潑性方法：（1）首先依據(jù)電子流向、電流流向、反應(yīng)現(xiàn)象確定正負(fù)極。（2）對(duì)于酸性電解質(zhì)，一般是作負(fù)極的金屬為較活潑金屬，正極的為相對(duì)較不活潑的金屬。4．鹽橋的作用：電化學(xué)裝置中都有兩個(gè)電極，分別發(fā)生氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)。若兩個(gè)電極插在同一電解質(zhì)溶液的容器內(nèi)，則由于陰陽離子的移動(dòng)速率不同而導(dǎo)致兩極之間出現(xiàn)濃度差，以及因電極本身直接與離子反應(yīng)而導(dǎo)致兩極之間電勢(shì)差變小，影響了電流的穩(wěn)定。為解決這個(gè)問題，人們使用了鹽橋。鹽橋主要出現(xiàn)在原電池中，有時(shí)也可在電解池中出現(xiàn)，其主要作用就是構(gòu)建閉合的內(nèi)電路，但不影響反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。鹽橋內(nèi)常為飽和氯化鉀、硝酸鉀等溶液。5．化學(xué)電源高考中常見的化學(xué)電源有“氫鎳電池”、“高鐵電池”、“堿性鋅錳電池”、“海洋電池”、“燃料電池”等新型電池，新型電池是對(duì)電化學(xué)原理的綜合考查，在高考中依托新型電池考查的電化學(xué)原理知識(shí)有：判斷電極、離子、電子的流向、書寫電極反應(yīng)式等。不同“介質(zhì)”下燃料電池電極反應(yīng)式的書寫，大多數(shù)學(xué)生感到較難。主要集中在：一是得失電子數(shù)目的判斷，二是電極產(chǎn)物的判斷。下面以CH3OH、O2燃料電池為例，分析電極反應(yīng)式的書寫。（1）酸性介質(zhì)如稀H2SO4溶液：CH3OH在負(fù)極上失去電子生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在H＋作用下生成H2O。電極反應(yīng)：負(fù)極：2CH3OH－12e－＋2H2O=2CO2↑＋12H＋正極：3O2＋12e－＋12H＋=6H2O（2）堿性介質(zhì)如KOH溶液：CH3OH在負(fù)極上失去電子，在堿性條件下生成COeq\o\al(2－,3)，O2在正極上得到電子生成OH－。電極反應(yīng)：負(fù)極：2CH3OH－12e－＋16OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋12H2O正極：3O2＋12e－＋6H2O=12OH－（3）熔融鹽介質(zhì)如K2CO3：在電池工作時(shí)，COeq\o\al(2－,3)移向負(fù)極。CH3OH在負(fù)極上失去電子，在COeq\o\al(2－,3)的作用下生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在CO2的作用下生成COeq\o\al(2－,3)。電極反應(yīng)：負(fù)極：2CH3OH－12e－＋6COeq\o\al(2－,3)=8CO2↑＋4H2O正極：3O2＋12e－＋6CO2=6COeq\o\al(2－,3)（4）其它介質(zhì)如摻雜Y2O3的ZrO3固體作電解質(zhì)，在高溫下能傳導(dǎo)正極生成的O2－。根據(jù)O2－移向負(fù)極，在負(fù)極上CH3OH失電子生成CO2氣體，而O2在正極上得電子生成O2－。電極反應(yīng)：負(fù)極：2CH3OH－12e－＋6O2－=2CO2↑＋4H2O正極：3O2＋12e－=6O2－6．思維方式：知識(shí)遷移由陌生裝置圖遷移到課本熟悉的裝置圖燃料電池【體系再構(gòu)】【隨堂反饋】基礎(chǔ)訓(xùn)練1．微型銀—鋅電池可用作電子儀器的電源，其電極分別是Ag/Ag2O和Zn，電解質(zhì)為KOH溶液，電池總反應(yīng)為Ag2O＋Zn＋H2O=2Ag＋Zn(OH)2，下列說法正確的是A．電池工作過程中，KOH溶液濃度降低B．電池工作過程中，電解液中OH－向正極遷移C．負(fù)極發(fā)生反應(yīng)Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2D．正極發(fā)生反應(yīng)Ag2O＋2H＋＋2e－=Ag＋H2O2．科學(xué)家基于易溶于的性質(zhì)，發(fā)展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲(chǔ)能設(shè)備（如圖）。充電時(shí)電極a的反應(yīng)為：。下列說法正確的是A．充電時(shí)電極b是陰極B．放電時(shí)溶液的減小C．放電時(shí)溶液的濃度增大D．每生成，電極a質(zhì)量理論上增加3．利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯(cuò)誤的是題3圖題4圖A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3D．電池工作時(shí)質(zhì)子通過交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)4．海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰-海水電池構(gòu)造如示意題4圖。下列說法錯(cuò)誤的是A．海水起電解質(zhì)溶液作用B．N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：C．玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能D．該鋰-海水電池屬于一次電池拓展訓(xùn)練5．鎳鎘電池是二次電池，其工作原理示意圖如題5圖（L為小燈泡，K1、K2為開關(guān)，a、b為直流電源的兩極）。下列說法不正確的是A．?dāng)嚅_K2、合上K1，鎳鎘電池能量轉(zhuǎn)化形式：化學(xué)能→電能B．?dāng)嚅_K1、合上K2，電極A為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)C．電極B發(fā)生氧化反應(yīng)過程中，溶液中KOH濃度不變D．鎳鎘二次電池的總反應(yīng)式：Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2題5題66．某全固態(tài)薄膜鋰離子電池截面結(jié)構(gòu)如題6圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時(shí)Li+得電子成為L(zhǎng)i嵌入該薄膜材料中；電極B為L(zhǎng)iCoO2薄膜；集流體起導(dǎo)電作用。下列說法不正確的是A．充電時(shí)，集流體A與外接電源的負(fù)極相連B．放電時(shí)，外電路通過amol電子時(shí)，LiPON薄膜電解質(zhì)損失amolLi+C．放電時(shí)，電極B為正極，反應(yīng)可表示為D．電池總反應(yīng)可表示為7．一種以和為電極、水溶液為電解質(zhì)的電池，其示意圖如下所示。放電時(shí)，可插入層間形成。下列說法錯(cuò)誤的是

A．放電時(shí)V2O5為正極B．放電時(shí)Zn2+由負(fù)極向正極遷移C．充電總反應(yīng)：D．充電陽極反應(yīng)：8.科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn?CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯(cuò)誤的是A．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為B．放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為D．充電時(shí)，正極溶液中OH?濃度升高【隨堂反饋】答案：1．C2．C3．B4．B5．C6．B7．C8.D【課后作業(yè)】1．如圖是一種電解質(zhì)溶液可以循環(huán)流動(dòng)的新型電池。下列說法正確的是A．Cu電極為正極B．PbO2電極反應(yīng)式：PbO2＋2e－＋4H＋=Pb2＋＋2H2OC．放電后循環(huán)液中H2SO4與CuSO4物質(zhì)的量之比變小D．若將Cu換成Pb，則電路中電子轉(zhuǎn)移方向改變2．一種可在較高溫下安全快充的鋁-硫電池的工作原理如圖，電解質(zhì)為熔融氯鋁酸鹽(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔點(diǎn)為93℃的共熔物)，其中氯鋁酸根[AlnCleq\o\al(－,3n+1)(n≥1)]起到結(jié)合或釋放Al3+的作用。電池總反應(yīng)：。下列說法錯(cuò)誤的是A．AlnCleq\o\al(－,3n+1)含4n個(gè)Al—Cl鍵B．AlnCleq\o\al(－,3n+1)中同時(shí)連接2個(gè)Al原子的Cl原子有(n-1)個(gè)C．充電時(shí)，再生1molAl單質(zhì)至少轉(zhuǎn)移3mol電子D．放電時(shí)間越長(zhǎng)，負(fù)極附近熔融鹽中n值小的AlnCleq\o\al(－,3n+1)濃度越高3．2019年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予在鋰離子電池發(fā)展做出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。某濃差電池的原理如下圖所示，可用該電池從濃縮海水中提取LiCl溶液。下列有關(guān)該電池的說法不正確的是A．該裝置可在提取LiCl溶液的同時(shí)獲得電能B．電子由Y極通過外電路移向X極C．正極發(fā)生的反應(yīng)：2H＋＋2e－=H2↑D．Y極每生成22.4LCl2，有2molLi＋從b區(qū)移至a區(qū)4．ZulemaBorjas等設(shè)計(jì)的一種微生物脫鹽池的裝置如下圖所示。下列說法正確的是A.該裝置可以在高溫下工作B．X、Y依次為陽離子、陰離子選擇性交換膜C．負(fù)極反應(yīng)式：CH3COO－＋2H2O－8e－=2CO2↑＋7H＋D．該裝置工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能5.鋰－銅空氣燃料電池是低成本高效電池。該電池通過一種復(fù)雜的銅“腐蝕”現(xiàn)象產(chǎn)生電能，其中放電過程為2Li＋Cu2O＋H2O=2Cu＋2Li＋＋2OH－。下列說法不正確的是A．放電時(shí)，Li＋透過固體電解質(zhì)向Cu極移動(dòng)B．通空氣時(shí)，銅被腐蝕，產(chǎn)生Cu2OC．放電時(shí)，正極的電極反應(yīng)式：Cu2O＋2e－＋2H＋=2Cu＋H2OD．整個(gè)反應(yīng)過程中，氧化劑為O26．H2S廢氣資源化的原理：2H2S(g)＋O2(g)=S2(s)＋2H2O(l)ΔH＝－632kJ·mol-1。下圖為H2S燃料電池的示意圖。下列說法正確的是A．電極b為電池的負(fù)極B．電極b上發(fā)生的電極反應(yīng)：O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．電路中每流過4mol電子，電池會(huì)產(chǎn)生632kJ電能D．每34gH2S參與反應(yīng)，有2molH＋經(jīng)質(zhì)子膜進(jìn)入正極區(qū)7．NO2、O2、熔融鹽NaNO3組成的燃料電池如下圖所示，在使用過程中石墨Ⅰ電極反應(yīng)生成一種氧化物Y，下列有關(guān)說法正確的是A．石墨Ⅰ極為正極，石墨Ⅱ極為負(fù)極B．Y的化學(xué)式可能為NOC．石墨Ⅱ極上的O2被氧化D．石墨Ⅰ極的電極反應(yīng)式：NO2＋NOeq\o\al(－,3)－e－=N2O58.二甲醚是一種綠色、可再生的新能源。下圖是綠色電源“