第16講原電池新型電源

【化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)】

變化觀念與平衡思想：認(rèn)識(shí)原電池反應(yīng)的本質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；能多角度、動(dòng)態(tài)地分析原電池

中物質(zhì)的變化及能量的轉(zhuǎn)換。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知：能利用典型的原電池裝置，分析原電池原理，建立解答原電池問(wèn)題的思維模型，

并利用模型揭示其本質(zhì)及規(guī)律。

科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：具有可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和綠色化學(xué)觀念，能對(duì)與原電池有關(guān)的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題做出

正確的價(jià)值判斷與分析。

【必備知識(shí)解讀】

一、原電池的工作原理及應(yīng)用

1.概念和反應(yīng)本質(zhì)

原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電鉗的裝置，其反應(yīng)本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。

2.構(gòu)成條件

(1)一看反應(yīng)：看是否有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)發(fā)生(一般是活潑性強(qiáng)的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))。

(2)二看兩電極：一般是活潑性不同的兩電極。

(3)三看是否形成閉合回路，形成閉合回路需三個(gè)條件：

①電解質(zhì)溶液；

②兩電極直接或間接接觸：

③兩電極插入電解質(zhì)溶液中。

3.工作原理

以鋅銅原電池為例

(1)反應(yīng)原理

電極名稱負(fù)極正極

電極材料鋅片銅片

電極反應(yīng)Zn-2e-===Zn2+Cu2++2e-===Cu

反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)

電子流向由Zn片沿導(dǎo)線流向Cu片

鹽橋中離子移向鹽橋含飽和KCI溶液，K，移向正極，C「移向負(fù)極

(2)鹽橋的組成和作用

①鹽橋中裝有飽和的KCI、KNCh等溶液和瓊膠制成的膠凍，

②鹽橋的作用：a.連接內(nèi)電路，形成閉合回路；b.平衡電荷，使原電池不斷產(chǎn)生電流。

(3)單液原電池(無(wú)鹽橋)和雙液原電池(有鹽橋)對(duì)比

名稱單液原電池雙液原電池

Cu

CuSO4

裝置4溶液A

Z11SO4溶液C11SO4溶液

相同點(diǎn)正、負(fù)極目極反應(yīng)，總反應(yīng)式，電極現(xiàn)象

還原劑Zn與氧化劑CM+直接接觸，Zn與氧化劑C『+不直接接觸，僅

不同點(diǎn)既有化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，又有化學(xué)能轉(zhuǎn)有億學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，避免了能量損耗，

化為熱能，造成能量損耗故電流穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

4.原電池原理的應(yīng)用

(1)比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱：原電池中，負(fù)極一般是活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬，正極一般是活動(dòng)性較弱的金屬(或

非金屬)。

(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率：氧化還原反應(yīng)形成原電池時(shí)，反應(yīng)速率加快。

(3)用于金屬的防護(hù)：將需要保護(hù)的金屬制品作原電池的正極而受到保護(hù)。

(4)設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源

①首先將氧化還原反應(yīng)分成兩個(gè)半反應(yīng)。

②根據(jù)原電池的工作原理，結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)，選擇正、負(fù)電極材料以及電解質(zhì)溶液。

二、常見(jiàn)化學(xué)電源及工作原理

(一)一次電池：只能使用一次，不能充電復(fù)原繼續(xù)使用

1.堿性鋅鎰干電池

總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。

鋅粉和

卜KOH的

混合物

kMnO

卜金屬2

?外殼

負(fù)極材料：Z11O

電極反應(yīng)：Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2o

正極材料：碳棒。

電極反應(yīng)：2MnCh+2H2O+2e—===2MnOOH+2OH，

2.紐扣式鋅銀電池

總反應(yīng)：Zn+AgzO+H2O===Zn(OH)2+2Ag。

電解質(zhì)是KOHo

負(fù)極材料：Zno

電極反應(yīng)：Zn+2OH—2e===Zn(OH)2o

正極材料：AgoOo

電極反應(yīng)：Ag2O+H2O+2e"===2Ag+2OH\

3.鋰電池

Li-SOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳，電解液是LiAlCL-SOCL電池

的總反應(yīng)可表示為8Li+3SOCl2===6LiCl+Li2SO3+2S。

⑴負(fù)極材料為鋰，電極反應(yīng)為8Li-8e-===8Li+o

(2)正極的電極反應(yīng)為3soeb+8e-===2S+SO歹+6。，

(-)二次電池：放電后能充電復(fù)原繼續(xù)使用

放電,

1.鉛酸蓄電池總反應(yīng)：Pb(s)+PbO2(s)+2H2sCh(aq)'充電’2PbS0心)+2比0⑴

(1)放電時(shí)——原電池

負(fù)極反應(yīng)：Pb(s)4-SO?(aq)—2e===PbSO4(s)；

+_-

正極反應(yīng):PbO2(s)+4H(aq)4-SOi(aq)+2e===PbSO4(s)4-2H2O(l)o

(2)充電時(shí)——電解池

陰極反應(yīng)：PbSO4(s)+2e-===Pb⑸+SO，(aq)；

陽(yáng)極反應(yīng)：PbSO4(s)+2H2O(l)—2e-===PbO2⑸+4H+(aq)+SC)r(aq)。

2.圖解二次電池的充放電

②能選擇性地允許離子通過(guò)，起到平衡電荷、形成閉合回路的作用。

（3）離子交換膜的選擇依據(jù)

離子的定向移動(dòng)。

2.“濃差電池”的分析方法

濃差電池是利用物質(zhì)的濃度差產(chǎn)生電勢(shì)的一種裝置。兩側(cè)半電池中的特定物質(zhì)有濃度差，離子均是由

“高濃度”移向“低濃度”，依據(jù)陰離子移向負(fù)極區(qū)域，陽(yáng)離子移向正極區(qū)域判斷電池的正、負(fù)極，這是解題的

關(guān)鍵。

二、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

第一步：寫(xiě)出電池總反應(yīng)式。

燃料電池的總反應(yīng)與燃料燃燒的反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加合后的反應(yīng)。如甲

烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為NaOH溶液）的反應(yīng)如下：

CH4I2O2=CO2I2II2O①

C02+2NaOH=Na2cO3+HQ②

①+②可得甲烷燃料電池的總反應(yīng)式：CH4+202+2NaOH=Na2CO3+3H2O,

第二步：寫(xiě)出電池的正極反應(yīng)式。

根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是02,因電解質(zhì)溶液不同，故其電極反應(yīng)

也會(huì)有所不同：

燃料電池電解質(zhì)正極反應(yīng)式

酸性電解質(zhì)Ch+4H+4e=2H2O

-

堿性電解質(zhì)O2+2H2O+4e=40H

固體電解質(zhì)

0>+4e==2O2

（高溫下能傳導(dǎo)02）

熔融碳酸鹽（如熔融K2co3）O2+2CO2+4e=2CO3

第三步：電池的總反應(yīng)式一電池的正極反應(yīng)式=電池的負(fù)極反應(yīng)式。

三、多池串聯(lián)的兩大模型及原理

1.常見(jiàn)多池串聯(lián)裝置圖

（1）外接電源與電解池的串聯(lián)（如圖）

A、B為兩個(gè)串聯(lián)電解池，相同時(shí)間內(nèi)，各電極得失電子數(shù)相等。

（2）原電池與電解池的串聯(lián)（如圖）

甲、乙兩圖中，A均為原電池，B均為電解池。

2.二次電池的充電

(1)可充電電池原理示意圖

充電時(shí)，原電池負(fù)極與外接電源負(fù)極相連，原電池正極與外接電源正極相連，記作“正接正，負(fù)接負(fù)

(2)可充電電池有充電和放電兩個(gè)過(guò)程，放電時(shí)是原電池反應(yīng)，充電時(shí)是電解池反應(yīng)。充電、放電不是

可逆反應(yīng)。

(3)放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)和充電時(shí)的陰極反應(yīng)相反，放電時(shí)的正極反應(yīng)和充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)相反。將負(fù)(正)

極反應(yīng)式變換方向并將電子移項(xiàng)即可得出陰(陽(yáng))極反應(yīng)式。

放電

例：Fe4-Ni2O3+3H2O充電Fe(OH)2+2Ni(OH)2,放電時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Fe-2e-+2OH一

-

=Fe(OH)2,則充電時(shí)陰極的電極反應(yīng)式為Fe(OH)2+2e=Fe+2OH\

3.電化學(xué)計(jì)算的三種方法

如以電路中通過(guò)4mol為橋梁可構(gòu)建以下關(guān)系式：

(式中M為金屬，〃為其離子的化合價(jià)數(shù)值)

該關(guān)系式具有總覽電化學(xué)計(jì)算的作用和價(jià)值，熟記電極反應(yīng)式，靈活運(yùn)用關(guān)系式便能快速解答常見(jiàn)的

電化學(xué)計(jì)算問(wèn)題。

四、多室裝置的分析

1.離子交換膜的分類和應(yīng)用

2.分析某室質(zhì)量變化的關(guān)鍵

分析某室質(zhì)量的變化，既要考慮該區(qū)(或該電極)的化學(xué)反應(yīng)，又要考慮通過(guò)“交換膜''的離廠帶來(lái)的質(zhì)量

變化。

【核心題型例解】

高頻考點(diǎn)一原電池原理

例1.(2023?山東卷第11題)利用熱再生氨電池可實(shí)現(xiàn)CuSCh電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示，

甲、乙兩室均預(yù)加相同的CuSO,電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開(kāi)始工作。下列說(shuō)法正確的是

隔膜

A.甲室Cu電極為正極

B.隔膜為陽(yáng)離子膜

D.NH3擴(kuò)散到乙室將對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生影響

工作電源

02ILNH3

ron

H2O

N2

固體氧化物電解質(zhì)

下列有關(guān)說(shuō)法正確的是

A.在b電極h.N?被還原

B.金屬Ag可作為a電極的材料

C.改變工作電源電壓，反應(yīng)速率不變

D.電解過(guò)程中，固體氧化物電解質(zhì)中O?一不斷減少

【舉一反三】（2022?浙江卷）pH計(jì)是一種采用原電池原理測(cè)量溶液pH的儀器。如圖所示，以玻璃電極

（在特制玻璃薄膜球內(nèi)放置已知濃度的HC1溶液，并插入Ag—AgCI電極）和另一Ag—AgCl電極插入待測(cè)溶

液中組成電池，pH與電池的電動(dòng)勢(shì)E存在關(guān)系：pH=（E常數(shù)）/0059。卜.列說(shuō)法正確的是（）

A.如果玻璃薄膜球內(nèi)電極的電勢(shì)低，則該電極反應(yīng)式為：AgCl（s）+e=Ag（s）+Cl（0.1mol-L1）

B.玻璃膜內(nèi)外氫離子濃度的差異不會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)的變化

C.分別測(cè)定含已知pH的標(biāo)準(zhǔn)溶液和未知溶液的電池的電動(dòng)勢(shì)，可得出未知溶液的pH

D.pH計(jì)工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能

高頻考點(diǎn)二鹽橋原電池的考查

實(shí)驗(yàn)2搭建如圖所示裝置，閉合K一段時(shí)間后，觀察到Y(jié)電極表面有銀白色物質(zhì)析出。

下列說(shuō)法正確的是

裝有飽和KNQ

溶液的瓊脂

1mol-L-1KI溶液1mol?L-AgNOs溶液

【變式探究】控制適合的條件，將反應(yīng)2卜+212卜e2-+h設(shè)計(jì)成如下圖所示的原電池。下列判斷不

正確的是()

A.反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

B.反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，甲中石墨電極上Fe3+被還原

C.電流表讀數(shù)為零時(shí)，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)

D.電流表讀數(shù)為零后，在甲中加入FeCk固體，乙中的石墨電極為負(fù)極

【舉一反三】某原電池裝置如圖所示，裝置中鹽橋的作用是使整個(gè)裝置形成一個(gè)閉合回路，電解質(zhì)溶

液足量，閉合開(kāi)關(guān)，觀察到電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，回答下列問(wèn)題。

(1)該原電池工作過(guò)程中，電池的負(fù)極上的電極反應(yīng)式為,石墨電極上發(fā)生了〔填“氧化”或

“還原”)反應(yīng)。

(2)該原電池工作時(shí)，下列說(shuō)法正確的是(填標(biāo)號(hào))。

B.鹽橋中的K.會(huì)向右側(cè)燒杯移動(dòng)

(3)當(dāng)鐵電極減少28g時(shí)，外電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為NA,右側(cè)燒杯中卜U的物質(zhì)的量改變了一

molo

(4)原電池工作時(shí)能量轉(zhuǎn)化形式為,根據(jù)原電池形成條件，下列反應(yīng)理論上可以設(shè)計(jì)成原電池的

是(填標(biāo)號(hào))。

高頻考點(diǎn)三燃料電池

C.放電時(shí)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從負(fù)極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向正極

D.隨著放電的進(jìn)行，溶液的pH保持不變

【方法技巧】燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

第?步：寫(xiě)出燃料電池反應(yīng)的總反應(yīng)式

燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。

如甲烷燃料電池(電解質(zhì)為NaOH溶液)的反應(yīng)式為

CH4+2O2===CO2+2H2O①

C02+2NaOH===Na2cO3+H2O②

①式+②式得燃料電池總反應(yīng)式為

CH4+202+2NaOH===Na2CO3+3H2O。

第二步：寫(xiě)出電池的正極反應(yīng)式

根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)

式有所不同，大致有以下四種情況：

(1)酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：

4

O2+4H+4e===2H2O；

(2)堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：

O24-2H2O+4e===4OH-；

(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)。2-)環(huán)境下電極反應(yīng)式：

O2+4C===2O2-；

(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2co0環(huán)境下電極反應(yīng)式：

02+2C02+4e-===2COro

第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式用正極反應(yīng)式，寫(xiě)出負(fù)極反應(yīng)式

電池反應(yīng)的總反應(yīng)式一電池正極反應(yīng)式=電池負(fù)極反應(yīng)式。因?yàn)?2不是負(fù)極反應(yīng)物，因此兩個(gè)反應(yīng)式

相減時(shí)要徹底消除02。

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

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

【變式探究】光催化微生物燃料電池的工作原理如圖所示：

已知：電極a在光激發(fā)條件下會(huì)產(chǎn)生電子(e―空穴(h+)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

A.電極電勢(shì)：電極a>電極b

B.電極b發(fā)生的電極反應(yīng)式為(C<Ho05?24e+7H2O6CO2T+24H+

C.光激發(fā)時(shí)，光生電子會(huì)與02結(jié)合，光生空穴會(huì)與電極b產(chǎn)生的電子結(jié)合

D.電池工作?段時(shí)間后，右側(cè)溶液pH保持不變（不考慮C02的溶解）

高頻考點(diǎn)四可充電電池（二次電池）

I

V2O5'ZnAV2O5wH2O

Zn電極V2O5電極

J

Zn（CF3so3）2水溶液

A.放電時(shí)V2O5為正極

B.放電時(shí)ZM+由負(fù)極向正極遷移

【變式探究】（2022?全國(guó)乙卷，12）Li0?電池比能量高，在汽車(chē)、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近

年來(lái)科學(xué)家研究了一種光照充電LiOz電池（如圖所示）。光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子七一）和空穴（r），驅(qū)動(dòng)

陰極反應(yīng)（Li++e=Li）和陽(yáng)極反應(yīng)（Li2O2+2h+=2lT+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)為L(zhǎng)i2Ch=2Li+O2

B.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(guò)離子交換膜向負(fù)極遷移

D.放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)：O2+2U'+2。一=口2。2

【變式探究】（2022?廣東，16）科學(xué)家基于02易溶于CC14的性質(zhì)，發(fā)展了一種無(wú)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NaTi2（PO“3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3。下列說(shuō)

法正確的是（）

A.充電時(shí)電極b是陰極

B.放電時(shí)NaCl溶液的pH減小

C.放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大

D.每生成ImolCb，電極a質(zhì)量理論上增加23g

【方法技巧】

1.可充電電池的思維模型

因此，充電時(shí)電極的連接可簡(jiǎn)記為“負(fù)接負(fù)后作陰極，正接正后作陽(yáng)極

2.可充電電池的分析流程

（1）可充電電池有充電和放電兩個(gè)過(guò)程，放電時(shí)是原電池反應(yīng)，充電時(shí)是電解池反應(yīng)。

(2)放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)和充電時(shí)的陰極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，放電時(shí)的正極反應(yīng)和充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)互為逆

反應(yīng)。將負(fù)(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項(xiàng)即可得出陰(陽(yáng))極反應(yīng)式。

(3)充、放電時(shí)電解質(zhì)溶液中離子移動(dòng)方向的判斷

分析電池工作過(guò)程中電解質(zhì)溶液的變化時(shí)，要結(jié)合電池總反應(yīng)進(jìn)行分析。

①首先應(yīng)分清電池是放電還是充電。

②再判斷出正、負(fù)極或陰、陽(yáng)極。

(4)“加減法”書(shū)寫(xiě)新型二次電池放電的電極反應(yīng)式

若已知電池放電時(shí)的總反應(yīng)式，可先寫(xiě)出較易書(shū)寫(xiě)的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，由

總反應(yīng)式減去較易寫(xiě)出的一極的電極反應(yīng)式，即得到較難寫(xiě)出的另一極的電極反應(yīng)式。

【舉一反三】(2023?全國(guó)乙卷第12題)室溫鈉硫電池被認(rèn)為是一種成本低、比能量高的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。

一種室溫鈉硫電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。將鈉箔置于聚苯并咪喋膜上作為一個(gè)電極，表面噴涂有硫黃粉末的炭

化纖維素紙作為另一電極。工作時(shí)，在硫電極發(fā)生反應(yīng)：gSs+eigs；,ySj+e-S：,2Na“：S；+2(1

x

—)e-Na2sx

下列敘述錯(cuò)誤的是

A.充電時(shí)Na+從鈉電極向硫電極遷移

B.放電時(shí)外電路電子流動(dòng)的方向是a—b

X

C.放電時(shí)正極反應(yīng)為：2Na*+—Ss+2c—>Na2Sx

D.炭化纖維素紙的作用是增強(qiáng)硫電極導(dǎo)電性能

高頻考點(diǎn)五新型電源

下列說(shuō)法正確的是