2023年12月17日发(作者：厍成双)
第20讲 原电池 化学电源
考纲要求 1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
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。
理解应用
在如图所示的4个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)，并指出原因 。
答案 ①④ ①中酒精是非电解质；④中未形成闭合回路
3．工作原理
以锌铜原电池为例
(1)反应原理
电极名称
电极材料
电极反应
反应类型
电子流向
盐桥中离子移向
(2)盐桥的组成和作用
负极
锌片
Zn－2e===Zn2
氧化反应
－＋＋正极
铜片
Cu2＋2e===Cu
还原反应
－由Zn片沿导线流向Cu片
盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极
＋－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。
理解应用
“异常”原电池原理的深度分析
(1)铝铜浓硝酸电池
初期，活泼金属铝作负极被氧化，由于铝表面很快形成致密氧化物薄膜阻止反应继续进行，使铝钝化，钝化铝作正极，铜被浓硝酸氧化，作负极，电极反应：
铜：Cu－2e===Cu2；
钝化铝：2NO3＋2e＋4H===2NO2↑＋2H2O。
(2)镁铝烧碱溶液电池
镁不溶于烧碱，铝单质可溶于烧碱，铝作负极，镁作正极，电极反应，铝：2Al－6e＋8OH===2AlO2＋4H2O；
镁：6H2O＋6e===3H2↑＋6OH。
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思维定势。
(1)原电池工作时，正极表面一定有气泡产生(×)
(2)Mg—Al形成的原电池，Mg一定作负极(×)
(3)在原电池中，正极材料本身一定不参与电极反应，负极材料本身一定要发生氧化反应(×)
(4)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳(√)
(5)铁铜原电池中，负极反应式为Fe—3e===Fe3(×)
(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(×)
(7)锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液，形成闭合回路，所以有电流产生(×)
－＋－－－－－－－＋－＋
判断原电池正、负极的5种方法
题组一 原电池工作原理
1．(2015·天津理综，4)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是( )
A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO24)减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
答案 C
解析 A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO24)不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋2e===Cu，同时甲池中的Zn2通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2)>M(Cu2)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。
2．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作正极，电极反应式为6H2O＋6e===6OH＋3H2↑
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2H＋2e===H2↑
答案 B
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；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－6e===2AlO2＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e===6OH＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e===4OH，D错。
3．我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是( )
－－－－－－－＋－－＋－－
A．该装置的总反应为H2S=====H2＋S
催化剂B．能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”
C．a极上发生的电极反应为Fe2－e===Fe3
D．a极区需不断补充含Fe3和Fe2的溶液
答案 D
解析 该装置发生的有关反应为H2S＋2Fe3===2H＋S＋2Fe2(a极区)、2Fe2－2e===2Fe3＋＋＋＋＋－＋＋＋－＋光照(a极)、2H＋2e===H2(b极)，这三个反应相加，结合反应条件得到总反应H2S=====H2＋S，催化剂＋－光照
故A、C正确；该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，故B正确；a极区涉及两步反应，第一步利用氧化态Fe3高效捕获H2S得到硫和还原态Fe2，第二步是还原态Fe2＋＋＋在a极表面失去电子生成氧化态Fe3，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含＋＋＋Fe3和Fe2的溶液，故D错误。
题组二 聚焦“盐桥”原电池
4．(2019·河北高三模拟)根据下图，下列判断中正确的是( )
A．烧杯a中的溶液pH降低
B．烧杯b中发生氧化反应
C．烧杯a中发生的反应为2H＋2e===H2↑
D．烧杯b中发生的反应为2Cl－2e===Cl2↑
答案 B
解析 由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e===4OH，烧杯a中c(OH)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e===Zn2。
5．控制合适的条件，将反应2Fe3＋2I断不正确的是( )
＋－－＋－－－－－＋－2Fe2＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判＋
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
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知，Fe3得电子变成Fe2被还原，I失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率，反应达＋＋＋＋－＋
到平衡状态，C正确；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe3＋2I被还原为I，乙中石墨为正极，D不正确。
－＋－2Fe2＋I2向左移动，I2＋
原电池的工作原理简图
注意 ①电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。
②若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
③若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
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。
应用体验
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)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥
答案 (1)2Fe3＋Cu===2Fe2＋Cu2
＋＋＋＋＋＋＋②含盐桥
(2)①Cu－2e===Cu2
②2Fe3＋2e===2Fe2
(3)
①不含盐桥 ②含盐桥
＋－＋－＋
(1)某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼脂的KCl饱和溶液(×)
(2)10 mL浓度为1 mol·L－1的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的CuSO4溶液能加快反应速率但又不影响氢气生成量(√)
(3)若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀(×)
(4)由于CaO＋H2O===Ca(OH)2可以自发进行，且放大量热，故可以设计成原电池(×)
1．(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀，可采取的措施有( )
A．与石墨棒相连
C．埋在潮湿、疏松的土壤中
答案 D
2．(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是( )
B．与铜板相连
D．与锌板相连
答案 D
解析 a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。
3．(比较金属活动性)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
部分实验现象
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a＞b＞c＞d
C．d＞a＞b＞c
答案 C
解析 把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，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，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d＞c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。综上所述可知活动性：d＞a＞b＞c。
4．依据氧化还原反应：2Ag(aq)＋Cu(s)===Cu2(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。
＋＋
电流从a极流向d极
a极质量减少；b极质量增加
b极有气体产生；d极溶解；c极有c极无变化 气体产生
B．b＞c＞d＞a
D．a＞b＞d＞c
请回答下列问题：
(1)电极X的材料是 ；电解质溶液Y是 (填化学式)。
(2)银电极为电池的 极，其电极反应式为
。
(3)盐桥中的NO3移向 溶液。
答案 (1)Cu AgNO3 (2)正 Ag＋e===Ag
(3)Cu(NO3)2
＋－－
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。
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 ，电极反应为 。
(2)正极的电极反应为 。
答案 (1)锂 8Li－8e===8Li
(2)3SOCl2＋8e===2S＋SO23＋6Cl
二、二次电池
放电后能充电复原继续使用
－－－－＋－－－－
1．铅蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO24(aq)－2e===PbSO4(s)；
正极反应：PbO2(s)＋4H(aq)＋SO24(aq)＋2e===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4(s)＋2e===Pb(s)＋SO24(aq)；
阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e===PbO2(s)＋4H(aq)＋SO24(aq)。
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、“高效、环境友好”的燃料电池
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
负极反应式
正极反应式
电池总反应式
备注
2.燃料电池常用的燃料
H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。
3．燃料电池常用的电解质
①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸盐，如K2CO3；⑤质子交换膜等。
酸性
2H2－4e===4H
O2＋4e＋4H===2H2O
－＋－＋碱性
2H2＋4OH－4e===4H2O
O2＋2H2O＋4e===4OH
－－－－2H2＋O2===2H2O
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
4．燃料电池电极反应式书写的常用方法
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：
(1)酸性电解质：O2＋4H＋4e===2H2O。
(2)碱性电解质：O2＋2H2O＋4e===4OH。
(3)固体电解质(高温下能传导O2)：O2＋4e===2O2。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e===2CO23。
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。
应用体验
以甲烷燃料电池为例，分析不同的环境下电极反应式的书写。
(1)酸性介质(如H2SO4)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e＋2H2O===CO2＋8H
2O2＋8e＋8H===4H2O
(2)碱性介质(如KOH)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2＋2OH===CO23＋3H2O
CH4－8e＋10OH===CO23＋7H2O
2O2＋8e＋4H2O===8OH
(3)固体电解质(高温下能传导O2)
总反应式： 。
－－－－－－－－－＋－＋－－－－－－－＋－
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e＋4O2===CO2＋2H2O
2O2＋8e===4O2
(1)太阳能电池不属于原电池(√)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)
(3)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加(√)
(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长(×)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能(×)
(6)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H从正极区向负极区迁移(×)
(7)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g(√)
＋－－－－
题组一 根据图示理解化学电源的工作原理
1．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法正确的是( )
A．Li为电池的正极
B．电池工作时，Li向负极移动
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e===Fe＋2S2
D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好
答案 C
解析 A项，由Li→Li2S发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋－－＋0＋1
)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。
2．(2019·济南一模)如图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确的是( )
A．a、b极不能使用同种电极材料
B．工作时，a极的电势低于b极的电势
C．工作一段时间之后，a极区溶液的pH增大
D．b极的电极反应式为：CH3COO＋4H2O－8e===2HCO3＋9H
答案 D
解析 根据图示：工作时，b极上CH3COO→HCO3，碳原子从0价升至＋4价，b极是原电池的负极，则a极是电池的正极。a、b极上发生的反应为电解质溶液的变化，电极材料可同可异，A项错误；a极(正极)的电势高于b极(负极)的电势，B项错误；a极(正极)电极反应式为＋H＋2e―→＋＋－－－－－－＋＋Cl，正极每得到2 mol电子时，为使溶液保＋－持电中性，必有2 mol H通过质子交换膜进入a极溶液，同时电极反应消耗1 mol H，故工作一段时间之后，a极区溶液中H浓度增大，pH减小，C项错误；据图中物质转化，考虑到质量守恒和电荷守恒关系，b极(负极)反应为CH3COO＋4H2O－8e===2HCO3＋9H，D项正确。
3.如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320 ℃左右，电池的反应式为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为 。
M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是 。
－－－＋＋
答案 xS＋2e===S2x(或2Na＋xS＋2e===Na2Sx) 导电和隔离钠与硫
题组二 二次电池的充放电
4．镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2O的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－e===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH向正极移动
答案 A
－－－－－＋－Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池
解析 放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－e===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－－－－－－2e===Cd(OH)2，Cd电极周围OH的浓度减小，C项错误；放电时OH向负极移动，D项错误。
5．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是( )
A．放电时，Li在电解质中由负极向正极迁移
B．放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe===xLi＋C6
C．充电时，若转移1 mol e，石墨(C6)电极将增重7x g
D．充电时，阳极的电极反应式为
LiCoO2－xe===Li1－xCoO2＋xLi
答案 C
解析 放电时，负极反应为LixC6－xe===xLi＋C6，正极反应为Li1－xCoO2＋xe＋xLi＋－－－＋－＋－＋－－＋＋===LiCoO2，A、B正确；充电时，阴极反应为xLi＋C6＋xe===LixC6，转移1 mol e时，石墨C6电极将增重 7 g，C项错误；充电时，阳极反应为放电时正极反应的逆反应：LiCoO2－xe===Li1－xCoO2＋xLi，D项正确。
6．(2020·哈师大附中、东北师大附中、辽宁省实验中学模拟)一种突破传统电池设计理念的镁－锑液态金属储能电池工作原理如图所示，该电池所用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后，可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是( )
－＋
A．放电时，Mg(液)层的质量减小
B．放电时正极反应为：Mg2＋2e===Mg
C．该电池充电时，Mg－Sb(液)层发生还原反应
D．该电池充电时，Cl向中层和下层分界面处移动
答案 C
解析 A项，放电时，负极Mg失电子生成镁离子，则Mg(液)层的质量减小，正确；B项，正极镁离子得电子得到Mg，则放电时正极反应为：Mg2＋2e===Mg，正确；C项，该电池充电时，Mg－Sb(液)层为阳极，阳极发生失电子的氧化反应，错误；D项，该电池充电时，阴离子向阳极移动，即Cl向中层和下层分界面处移动，正确。
题组三 燃料电池
7.某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时，该电池工作原理－＋－－＋－
如图。下列说法正确的是( )
A．a为CH4，b为CO2
B．CO23向正极移动
C．此电池在常温下也能工作
D．正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e===2CO23
答案 D
解析 电极反应式如下：
负极：CH4－8e＋4CO23===5CO2＋2H2O
正极：2O2＋8e＋4CO2===4CO23
根据图示中电子的移向，可以判断a处通入甲烷，b处通入空气，CO23应移向负极，由于电解质是熔融盐，因此此电池在常温下不能工作。
8．(2020·苏州联考)科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是( )
－－－－－－－－
A．电极a为电池的负极
B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋4e===2H2O
C．电路中每通过4 mol电子，在正极消耗44.8 L H2S
D．每17 g H2S参与反应，有1 mol H经质子膜进入正极区
答案 C
解析 根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4 mol电子，正极应该消耗1 mol O2，负极应该有2 mol H2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8 L，故C错误；17 g H2S即0.5 mol H2S，每0.5 mol H2S参与反应会消耗0.25 mol
O2，根据正极反应式O2＋4H＋4e===2H2O，可知有1 mol H经质子膜进入正极区，故D正确。
9．熔融盐NaNO3组成的燃料电池如图所示，在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，下列有关说法正确的是( )
＋－＋＋＋－
A．石墨Ⅰ为正极，石墨Ⅱ为负极
B．Y的化学式可能为NO
C．石墨Ⅰ的电极反应式为NO2＋NO3－e===N2O5
D．石墨Ⅱ上发生氧化反应
答案 C
1．解答燃料电池题目的思维模型
－－
2．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。
1．(2019·浙江4月选考，12)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是( )
A．甲：Zn2向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H浓度增加
＋＋
B．乙：正极的电极反应式为Ag2O＋2e＋H2O===2Ag＋2OH
C．丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄
D．丁：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
答案 A
解析 Zn较Cu活泼，作负极，Zn失电子变Zn2，电子经导线转移到铜电极，铜电极负电荷变多，吸引了溶液中的阳离子，因而Zn2和H迁移至铜电极，H氧化性较强，得电子变H2，因而c(H)减小，A项错误；Ag2O作正极，得到来自Zn失去的电子，被还原成Ag，结合KOH溶液作电解液，故电极反应式为Ag2O＋2e＋H2O===2Ag＋2OH，B项正确；Zn为较活泼电极，作负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e===Zn2，锌溶解，因而锌筒会变薄，C项正确；铅蓄电池总反应式为PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq)放电充电－＋－－＋＋＋＋＋－－2PbSO4(s)＋2H2O(l)，可知放电一段时间后，H2SO4不断被消耗，因而电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，D项正确。
2．(2019·全国卷Ⅲ，13)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)放电充电ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH(aq)－e===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH(aq)－2e===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH通过隔膜从负极区移向正极区
答案 D
解析 该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积，可以高效沉积ZnO，且所沉积的ZnO分散度高，A正确；根据题干中总反应可知该电池充电时，Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH，其电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH(aq)－e===NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确；放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO，电极反应式为Zn(s)＋2OH(aq)－2e===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；电池放电过程中，OH等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。
3．(2019·全国卷Ⅰ，12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。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．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2===2H＋2MV
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案 B
解析 由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MV－e===MV2，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
4．(2018·全国卷Ⅱ，12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是( )
＋＋－＋＋＋＋
A．放电时，ClO4向负极移动
B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2
C．放电时，正极反应为3CO2＋4e===2CO23＋C
D．充电时，正极反应为Na＋e===Na
答案 D
解析 根据电池的总反应知，放电时负极反应：
4Na－4e===4Na
正极反应：3CO2＋4e===2CO23＋C
充电时，阴(负)极：4Na＋4e===4Na
阳(正)极：2CO23＋C－4e===3CO2↑
放电时，ClO4向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。
－－－＋－－－－＋＋－－－－
5．(1)[2017·北京，28(1)③]可利用原电池装置证明反应Ag＋Fe2===Ag＋Fe3能发生。
＋＋＋
其中甲溶液是 ，操作及现象是
。
(2)[2016·江苏，20(1)]铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池。将含有Cr2O27的酸性废水通3过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2O27转化为Cr，其电极反应式为
－＋－ 。
(3)[2016·北京理综，26(1)]用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO3)已成为环境修复研究的热点之一。
Fe还原水体中NO3的反应原理如图所示。
－－
①作负极的物质是 。
②正极的电极反应式是 。
答案 (1)FeSO4溶液 分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加KSCN溶液，后者红色加深
3(2)Cr2O27＋14H＋6e===2Cr＋7H2O
－＋－＋(3)①铁 ②NO3＋8e＋10H===NH4＋3H2O
－－＋＋
2023年12月17日发(作者：厍成双)
第20讲 原电池 化学电源
考纲要求 1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
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。
理解应用
在如图所示的4个装置中，不能形成原电池的是 (填序号)，并指出原因 。
答案 ①④ ①中酒精是非电解质；④中未形成闭合回路
3．工作原理
以锌铜原电池为例
(1)反应原理
电极名称
电极材料
电极反应
反应类型
电子流向
盐桥中离子移向
(2)盐桥的组成和作用
负极
锌片
Zn－2e===Zn2
氧化反应
－＋＋正极
铜片
Cu2＋2e===Cu
还原反应
－由Zn片沿导线流向Cu片
盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极
＋－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。
理解应用
“异常”原电池原理的深度分析
(1)铝铜浓硝酸电池
初期，活泼金属铝作负极被氧化，由于铝表面很快形成致密氧化物薄膜阻止反应继续进行，使铝钝化，钝化铝作正极，铜被浓硝酸氧化，作负极，电极反应：
铜：Cu－2e===Cu2；
钝化铝：2NO3＋2e＋4H===2NO2↑＋2H2O。
(2)镁铝烧碱溶液电池
镁不溶于烧碱，铝单质可溶于烧碱，铝作负极，镁作正极，电极反应，铝：2Al－6e＋8OH===2AlO2＋4H2O；
镁：6H2O＋6e===3H2↑＋6OH。
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思维定势。
(1)原电池工作时，正极表面一定有气泡产生(×)
(2)Mg—Al形成的原电池，Mg一定作负极(×)
(3)在原电池中，正极材料本身一定不参与电极反应，负极材料本身一定要发生氧化反应(×)
(4)实验室制备H2时，用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳(√)
(5)铁铜原电池中，负极反应式为Fe—3e===Fe3(×)
(6)原电池工作时，溶液中的阳离子向负极移动，盐桥中的阳离子向正极移动(×)
(7)锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液，形成闭合回路，所以有电流产生(×)
－＋－－－－－－－＋－＋
判断原电池正、负极的5种方法
题组一 原电池工作原理
1．(2015·天津理综，4)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是( )
A．铜电极上发生氧化反应
B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO24)减小
C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加
D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
答案 C
解析 A项，由锌的活泼性大于铜，可知铜电极为正极，在正极上Cu2得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池的c(SO24)不变，错误；C项，在乙池中Cu2＋2e===Cu，同时甲池中的Zn2通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn2)>M(Cu2)，故乙池溶液的总质量增加，正确；D项，阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，电解过程中Zn2通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡，阴离子是不能通过交换膜的，错误。
2．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作正极，电极反应式为6H2O＋6e===6OH＋3H2↑
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2H＋2e===H2↑
答案 B
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；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、C错；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－6e===2AlO2＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e===6OH＋3H2↑，B正确；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e===4OH，D错。
3．我国科学家在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，相关装置如图所示。下列说法不正确的是( )
－－－－－－－＋－－＋－－
A．该装置的总反应为H2S=====H2＋S
催化剂B．能量转化方式主要为“光能→电能→化学能”
C．a极上发生的电极反应为Fe2－e===Fe3
D．a极区需不断补充含Fe3和Fe2的溶液
答案 D
解析 该装置发生的有关反应为H2S＋2Fe3===2H＋S＋2Fe2(a极区)、2Fe2－2e===2Fe3＋＋＋＋＋－＋＋＋－＋光照(a极)、2H＋2e===H2(b极)，这三个反应相加，结合反应条件得到总反应H2S=====H2＋S，催化剂＋－光照
故A、C正确；该制氢工艺中光能转化为电能，最终转化为化学能，故B正确；a极区涉及两步反应，第一步利用氧化态Fe3高效捕获H2S得到硫和还原态Fe2，第二步是还原态Fe2＋＋＋在a极表面失去电子生成氧化态Fe3，这两步反应反复循环进行，所以a极区无需补充含＋＋＋Fe3和Fe2的溶液，故D错误。
题组二 聚焦“盐桥”原电池
4．(2019·河北高三模拟)根据下图，下列判断中正确的是( )
A．烧杯a中的溶液pH降低
B．烧杯b中发生氧化反应
C．烧杯a中发生的反应为2H＋2e===H2↑
D．烧杯b中发生的反应为2Cl－2e===Cl2↑
答案 B
解析 由题给原电池装置可知，电子经过导线，由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e===4OH，烧杯a中c(OH)增大，溶液的pH升高；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e===Zn2。
5．控制合适的条件，将反应2Fe3＋2I断不正确的是( )
＋－－＋－－－－－＋－2Fe2＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判＋
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
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知，Fe3得电子变成Fe2被还原，I失去电子变成I2被氧化，所以A、B正确；电流表读数为零时，Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率，反应达＋＋＋＋－＋
到平衡状态，C正确；在甲中加入FeCl2固体，平衡2Fe3＋2I被还原为I，乙中石墨为正极，D不正确。
－＋－2Fe2＋I2向左移动，I2＋
原电池的工作原理简图
注意 ①电子移动方向：从负极流出沿导线流入正极，电子不能通过电解质溶液。
②若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
③若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
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。
应用体验
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)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥
答案 (1)2Fe3＋Cu===2Fe2＋Cu2
＋＋＋＋＋＋＋②含盐桥
(2)①Cu－2e===Cu2
②2Fe3＋2e===2Fe2
(3)
①不含盐桥 ②含盐桥
＋－＋－＋
(1)某原电池反应为Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag，装置中的盐桥中可以是装有含琼脂的KCl饱和溶液(×)
(2)10 mL浓度为1 mol·L－1的盐酸与过量的锌粉反应，若加入适量的CuSO4溶液能加快反应速率但又不影响氢气生成量(√)
(3)若在海轮外壳上附着一些铜块，则可以减缓海轮外壳的腐蚀(×)
(4)由于CaO＋H2O===Ca(OH)2可以自发进行，且放大量热，故可以设计成原电池(×)
1．(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀，可采取的措施有( )
A．与石墨棒相连
C．埋在潮湿、疏松的土壤中
答案 D
2．(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是( )
B．与铜板相连
D．与锌板相连
答案 D
解析 a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。
3．(比较金属活动性)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
部分实验现象
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A．a＞b＞c＞d
C．d＞a＞b＞c
答案 C
解析 把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，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，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d＞c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。综上所述可知活动性：d＞a＞b＞c。
4．依据氧化还原反应：2Ag(aq)＋Cu(s)===Cu2(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。
＋＋
电流从a极流向d极
a极质量减少；b极质量增加
b极有气体产生；d极溶解；c极有c极无变化 气体产生
B．b＞c＞d＞a
D．a＞b＞d＞c
请回答下列问题：
(1)电极X的材料是 ；电解质溶液Y是 (填化学式)。
(2)银电极为电池的 极，其电极反应式为
。
(3)盐桥中的NO3移向 溶液。
答案 (1)Cu AgNO3 (2)正 Ag＋e===Ag
(3)Cu(NO3)2
＋－－
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。
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 ，电极反应为 。
(2)正极的电极反应为 。
答案 (1)锂 8Li－8e===8Li
(2)3SOCl2＋8e===2S＋SO23＋6Cl
二、二次电池
放电后能充电复原继续使用
－－－－＋－－－－
1．铅蓄电池总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(1)放电时——原电池
负极反应：Pb(s)＋SO24(aq)－2e===PbSO4(s)；
正极反应：PbO2(s)＋4H(aq)＋SO24(aq)＋2e===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应：PbSO4(s)＋2e===Pb(s)＋SO24(aq)；
阳极反应：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e===PbO2(s)＋4H(aq)＋SO24(aq)。
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、“高效、环境友好”的燃料电池
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
负极反应式
正极反应式
电池总反应式
备注
2.燃料电池常用的燃料
H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。
3．燃料电池常用的电解质
①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸盐，如K2CO3；⑤质子交换膜等。
酸性
2H2－4e===4H
O2＋4e＋4H===2H2O
－＋－＋碱性
2H2＋4OH－4e===4H2O
O2＋2H2O＋4e===4OH
－－－－2H2＋O2===2H2O
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
4．燃料电池电极反应式书写的常用方法
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：
(1)酸性电解质：O2＋4H＋4e===2H2O。
(2)碱性电解质：O2＋2H2O＋4e===4OH。
(3)固体电解质(高温下能传导O2)：O2＋4e===2O2。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e===2CO23。
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。
应用体验
以甲烷燃料电池为例，分析不同的环境下电极反应式的书写。
(1)酸性介质(如H2SO4)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e＋2H2O===CO2＋8H
2O2＋8e＋8H===4H2O
(2)碱性介质(如KOH)
总反应式： 。
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2＋2OH===CO23＋3H2O
CH4－8e＋10OH===CO23＋7H2O
2O2＋8e＋4H2O===8OH
(3)固体电解质(高温下能传导O2)
总反应式： 。
－－－－－－－－－＋－＋－－－－－－－＋－
负极： 。
正极： 。
答案 CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e＋4O2===CO2＋2H2O
2O2＋8e===4O2
(1)太阳能电池不属于原电池(√)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)
(3)铅蓄电池放电时，正极与负极质量均增加(√)
(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长(×)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能(×)
(6)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H从正极区向负极区迁移(×)
(7)铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g(√)
＋－－－－
题组一 根据图示理解化学电源的工作原理
1．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法正确的是( )
A．Li为电池的正极
B．电池工作时，Li向负极移动
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e===Fe＋2S2
D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好
答案 C
解析 A项，由Li→Li2S发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋－－＋0＋1
)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。
2．(2019·济南一模)如图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确的是( )
A．a、b极不能使用同种电极材料
B．工作时，a极的电势低于b极的电势
C．工作一段时间之后，a极区溶液的pH增大
D．b极的电极反应式为：CH3COO＋4H2O－8e===2HCO3＋9H
答案 D
解析 根据图示：工作时，b极上CH3COO→HCO3，碳原子从0价升至＋4价，b极是原电池的负极，则a极是电池的正极。a、b极上发生的反应为电解质溶液的变化，电极材料可同可异，A项错误；a极(正极)的电势高于b极(负极)的电势，B项错误；a极(正极)电极反应式为＋H＋2e―→＋＋－－－－－－＋＋Cl，正极每得到2 mol电子时，为使溶液保＋－持电中性，必有2 mol H通过质子交换膜进入a极溶液，同时电极反应消耗1 mol H，故工作一段时间之后，a极区溶液中H浓度增大，pH减小，C项错误；据图中物质转化，考虑到质量守恒和电荷守恒关系，b极(负极)反应为CH3COO＋4H2O－8e===2HCO3＋9H，D项正确。
3.如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320 ℃左右，电池的反应式为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为 。
M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是 。
－－－＋＋
答案 xS＋2e===S2x(或2Na＋xS＋2e===Na2Sx) 导电和隔离钠与硫
题组二 二次电池的充放电
4．镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2O的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2＋OH－e===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH向正极移动
答案 A
－－－－－＋－Cd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池
解析 放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，电极反应式为Ni(OH)2＋OH－e===NiOOH＋H2O，A项正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B项错误；放电时负极电极反应式为Cd＋2OH－－－－－－－2e===Cd(OH)2，Cd电极周围OH的浓度减小，C项错误；放电时OH向负极移动，D项错误。
5．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是( )
A．放电时，Li在电解质中由负极向正极迁移
B．放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe===xLi＋C6
C．充电时，若转移1 mol e，石墨(C6)电极将增重7x g
D．充电时，阳极的电极反应式为
LiCoO2－xe===Li1－xCoO2＋xLi
答案 C
解析 放电时，负极反应为LixC6－xe===xLi＋C6，正极反应为Li1－xCoO2＋xe＋xLi＋－－－＋－＋－＋－－＋＋===LiCoO2，A、B正确；充电时，阴极反应为xLi＋C6＋xe===LixC6，转移1 mol e时，石墨C6电极将增重 7 g，C项错误；充电时，阳极反应为放电时正极反应的逆反应：LiCoO2－xe===Li1－xCoO2＋xLi，D项正确。
6．(2020·哈师大附中、东北师大附中、辽宁省实验中学模拟)一种突破传统电池设计理念的镁－锑液态金属储能电池工作原理如图所示，该电池所用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。该电池工作一段时间后，可由太阳能电池充电。下列说法不正确的是( )
－＋
A．放电时，Mg(液)层的质量减小
B．放电时正极反应为：Mg2＋2e===Mg
C．该电池充电时，Mg－Sb(液)层发生还原反应
D．该电池充电时，Cl向中层和下层分界面处移动
答案 C
解析 A项，放电时，负极Mg失电子生成镁离子，则Mg(液)层的质量减小，正确；B项，正极镁离子得电子得到Mg，则放电时正极反应为：Mg2＋2e===Mg，正确；C项，该电池充电时，Mg－Sb(液)层为阳极，阳极发生失电子的氧化反应，错误；D项，该电池充电时，阴离子向阳极移动，即Cl向中层和下层分界面处移动，正确。
题组三 燃料电池
7.某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时，该电池工作原理－＋－－＋－
如图。下列说法正确的是( )
A．a为CH4，b为CO2
B．CO23向正极移动
C．此电池在常温下也能工作
D．正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e===2CO23
答案 D
解析 电极反应式如下：
负极：CH4－8e＋4CO23===5CO2＋2H2O
正极：2O2＋8e＋4CO2===4CO23
根据图示中电子的移向，可以判断a处通入甲烷，b处通入空气，CO23应移向负极，由于电解质是熔融盐，因此此电池在常温下不能工作。
8．(2020·苏州联考)科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是( )
－－－－－－－－
A．电极a为电池的负极
B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋4e===2H2O
C．电路中每通过4 mol电子，在正极消耗44.8 L H2S
D．每17 g H2S参与反应，有1 mol H经质子膜进入正极区
答案 C
解析 根据题目可知，该电池为燃料电池，根据燃料电池的特点，通氧气的一极为正极，故电极b为正极，电极a为负极，A项正确；电极b为正极，氧气得电子生成水，B项正确；从装置图可以看出，电池总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，电路中每通过4 mol电子，正极应该消耗1 mol O2，负极应该有2 mol H2S反应，但是题目中没有给定标准状况下，所以不一定是44.8 L，故C错误；17 g H2S即0.5 mol H2S，每0.5 mol H2S参与反应会消耗0.25 mol
O2，根据正极反应式O2＋4H＋4e===2H2O，可知有1 mol H经质子膜进入正极区，故D正确。
9．熔融盐NaNO3组成的燃料电池如图所示，在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，下列有关说法正确的是( )
＋－＋＋＋－
A．石墨Ⅰ为正极，石墨Ⅱ为负极
B．Y的化学式可能为NO
C．石墨Ⅰ的电极反应式为NO2＋NO3－e===N2O5
D．石墨Ⅱ上发生氧化反应
答案 C
1．解答燃料电池题目的思维模型
－－
2．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。
1．(2019·浙江4月选考，12)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。
下列说法不正确的是( )
A．甲：Zn2向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H浓度增加
＋＋
B．乙：正极的电极反应式为Ag2O＋2e＋H2O===2Ag＋2OH
C．丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄
D．丁：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
答案 A
解析 Zn较Cu活泼，作负极，Zn失电子变Zn2，电子经导线转移到铜电极，铜电极负电荷变多，吸引了溶液中的阳离子，因而Zn2和H迁移至铜电极，H氧化性较强，得电子变H2，因而c(H)减小，A项错误；Ag2O作正极，得到来自Zn失去的电子，被还原成Ag，结合KOH溶液作电解液，故电极反应式为Ag2O＋2e＋H2O===2Ag＋2OH，B项正确；Zn为较活泼电极，作负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e===Zn2，锌溶解，因而锌筒会变薄，C项正确；铅蓄电池总反应式为PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq)放电充电－＋－－＋＋＋＋＋－－2PbSO4(s)＋2H2O(l)，可知放电一段时间后，H2SO4不断被消耗，因而电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，D项正确。
2．(2019·全国卷Ⅲ，13)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)放电充电ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH(aq)－e===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH(aq)－2e===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH通过隔膜从负极区移向正极区
答案 D
解析 该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积，可以高效沉积ZnO，且所沉积的ZnO分散度高，A正确；根据题干中总反应可知该电池充电时，Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH，其电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH(aq)－e===NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确；放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO，电极反应式为Zn(s)＋2OH(aq)－2e===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；电池放电过程中，OH等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。
3．(2019·全国卷Ⅰ，12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2/MV在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。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．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2===2H＋2MV
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案 B
解析 由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MV－e===MV2，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
4．(2018·全国卷Ⅱ，12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是( )
＋＋－＋＋＋＋
A．放电时，ClO4向负极移动
B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2
C．放电时，正极反应为3CO2＋4e===2CO23＋C
D．充电时，正极反应为Na＋e===Na
答案 D
解析 根据电池的总反应知，放电时负极反应：
4Na－4e===4Na
正极反应：3CO2＋4e===2CO23＋C
充电时，阴(负)极：4Na＋4e===4Na
阳(正)极：2CO23＋C－4e===3CO2↑
放电时，ClO4向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。
－－－＋－－－－＋＋－－－－
5．(1)[2017·北京，28(1)③]可利用原电池装置证明反应Ag＋Fe2===Ag＋Fe3能发生。
＋＋＋
其中甲溶液是 ，操作及现象是
。
(2)[2016·江苏，20(1)]铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池。将含有Cr2O27的酸性废水通3过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2O27转化为Cr，其电极反应式为
－＋－ 。
(3)[2016·北京理综，26(1)]用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO3)已成为环境修复研究的热点之一。
Fe还原水体中NO3的反应原理如图所示。
－－
①作负极的物质是 。
②正极的电极反应式是 。
答案 (1)FeSO4溶液 分别取电池工作前与工作一段时间后左侧烧杯中溶液，同时滴加KSCN溶液，后者红色加深
3(2)Cr2O27＋14H＋6e===2Cr＋7H2O
－＋－＋(3)①铁 ②NO3＋8e＋10H===NH4＋3H2O
－－＋＋