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【基础知识】原电池 化学电源
考点一 原电池的工作原理及应用
【知识模型】
1、原电池的概念及构成条件
(1)定义：将化学能转化为电能的装置。（太阳能电池：将太阳能转化为电能）
(2)原电池的形成条件
①能自发进行的氧化还原反应。
②两个活泼性不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。
③形成闭合回路，需满足三个条件：a.存在电解质；b.两电极直接或间接接触；c.两电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
2、工作原理(以锌铜原电池为例)
(1)装置变迁
名称 单液原电池 双液原电池
装置
相同点 电极名称 负极：锌片 正极：铜片
电极反应 负极：Zn－2e－===Zn2＋ (氧化反应) 正极：Cu2＋＋2e－===Cu (还原反应)
总反应 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
电子流向 电子由负极（锌片）经导线流向正极（铜片）
电流流向 电流由正极（铜片）经导线流向负极（锌片）
不同点 离子迁移 方向 电解质溶液中，阴离子向负极（锌片）迁移，阳离子向正极（铜片）迁移
Cu2＋移向正极，SO42－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。
【微点拨】
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.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；
c.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。
③盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。
④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（离子走水，电子走线）
3、原电池电极判断
负极 正极
反应类型 氧化反应 还原反应
得失电子 失去 得到
离子移向 阴离子 阳离子
电极材料 较活泼 较不活泼
化合价变化 升高 降低
电势大小 低 高
4、原电池的应用
(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)
方法：电极质量减少作负极，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
(3)设计制作化学电源
①拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应
②选择电极材料：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
③构成闭合回路：将两个半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
【模型再构】
例1、常见原电池（写出以下总反应、正负极电极反应式）
①Fe | FeCl3(aq) | Cu
总反应: Fe +2Fe3+ = 3Fe2+
正极:Fe3+ +e- = Fe2+ 负极：Fe -2e- = Fe2+
②Mg | NaOH(aq) | Al
总反应: 2Al + 2OH- + 2H2O = 2AlO2- +3H2↑
正极:2H2O + 2e- = H2↑ +2OH- 负极：Al - 3e- +4OH- = AlO2- +2H2O
③Fe | 浓HNO3(aq) | Cu
总反应:Cu + 2NO3- +4H+=Cu2+ + 2NO2↑ + 2H2O
正极:NO3- +e- +2H+ = NO2↑ + H2O 负极：Cu - 2e- = Cu2+
④Zn | NaCl(aq) | Cu
总反应:2Zn + O2 +2H2O = 2Zn(OH)2
正极: O2 +2H2O +4e- =4OH- 负极：Zn - 2e- = Zn2+
【微点拨】
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.
例2、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)在方框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥 ②含盐桥
【答案】　(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋ (2)①Cu－2e－===Cu2＋　②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)
①不含盐桥 ②含盐桥
【问题解决】
例1、（2021 北京卷，16节选）某小组实验验证“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”为可逆反应并测定其平衡常数。
实验I：将0.0100 mol/L Ag2SO4溶液与0.0400 mo/L FeSO4溶液(pH=1)等体积混合，产生灰黑色沉淀，溶液呈黄色。
实验II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe2(SO4)3溶液(pH=1)，固体完全溶解。
①取I中沉淀，加入浓硝酸，证实沉淀为Ag。现象是_______________________________。
②II中溶液选用Fe2(SO4)3，不选用Fe(NO3)3的原因是_______________________________。
综合上述实验，证实“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”为可逆反应。
③小组同学采用电化学装置从平衡移动角度进行验证。补全电化学装置示意图,写出操作及现象_______。
【答案】①灰黑色固体溶解，产生红棕色气体
②防止酸性条件下，NO3-氧化性氧化Fe2+干扰实验结果
③a：铂/石墨电极，b：FeSO4 或Fe2(SO4)3或二者混合溶液，c：AgNO3 溶液；
操作和现象：闭合开关 K，Ag电极上固体逐渐溶解，指针向左偏转，一段时间后指针归零，再向左侧烧杯中加入滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液，与之前的现象相同；或者闭合开关 K，Ag电极上有灰黑色固体析出，指针向右偏转，一段时间后指针归零，再向左侧烧杯中加入滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液，Ag电极上固体逐渐减少，指针向左偏转
例2、(2022·湖南卷)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：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
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】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；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；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；该电池不可充电，属于一次电池，故D正确；答案选B。
例3、（2023海南卷，8）利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是（ ）
A. b电极为电池正极 B. 电池工作时，海水中的向a电极移动
C. 电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性 D. 每消耗1kgAl，电池最多向外提供37mol电子的电量
【答案】A
例4、某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl－＋Ag＋===AgCl↓。下列说法正确的是(　　)
A．放电时，X电极发生还原反应
B．放电时，Y电极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．放电时，盐桥中K＋向盛有NaCl溶液的烧杯中移动
D．外电路中每通过0.1 mol e－，X电极质量增加14.35 g
【答案】　B
【解析】　该原电池X电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，故A错误；Y电极为原电池正极，电极反应式为Ag＋＋e－===Ag，故B正确；放电时，盐桥中的钾离子向正极移动，X电极为负极，故C错误；放电时，当电路中转移0.1 mol e－时，X电极会有0.1 mol Ag失去0.1 mol电子生成银离子，银离子会与氯离子反应生成氯化银沉淀，故D错误。
【基础练习】
1、银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其工作示意图如图。下列说法不正确的是(　　)
A．Zn电极发生氧化反应 B．Ag2O电极是电源的正极
C．电池工作时，电子从Zn电极经导线流向Ag2O电极，再由Ag2O电极经电解质溶液流向Zn电极
D．Zn电极上发生的反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
【答案】　C
【解析】　电池工作时，负极Zn失去电子，电子经导线流向正极，Ag2O得到电子转化为Ag，电子不会进入电解质溶液，C项错误。
2、(2016·全国2)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是 (　　)
A.负极反应式为Mg-2e-Mg2+ B.正极反应式为Ag++e-Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移 D.负极会发生副反应Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
【答案】B
【详解】Mg-AgCl海水电池中,Mg为活泼金属,作负极,发生反应:Mg-2e-Mg2+,A项说法正确;AgCl在正极反应:AgCl+e-Ag+Cl-,B项说法错误;原电池中,阴离子向负极移动,C项说法正确;Mg可与H2O缓慢反应,D项说法正确。
3、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作负极，电极反应式为Mg - 2e－===Mg2+
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O2＋2H2O＋4e－===4OH－
【答案】　D
【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，电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，A、B、C错误；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D正确。
4、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 a极质量减少；b极质量增加 b极有气体产生；c极无变化 d极溶解；c极有气体产生 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c
【答案】　C
【解析】　把四个实验从左到右分别编号为①②③④，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，活动性：b＞c；由实验③可知，d作原电池负极，c作正极，活动性：d＞c；由实验④可知，d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。
5、某医院设计的锌-铁原电池，可以控制胃内氢释放，改善肥胖2型糖尿病的胰岛素抵抗。其工作原理如图所示，下列说法不正确的是（ ）
A.N代表铁 B.该过程发生析氢腐蚀
C.锌表面的电极反应为Zn－2e－===Zn2+
D.标准状况下，每生成2.24mLH2，理论上原电池质量损耗0.013g
【答案】D
6、(2020全国1卷)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验，回答下列问题：
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10mol· L-1 FeSO4溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、 （从下列图中选择，写出名称。）
(2)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。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（ u ）应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择 作为电解质。
阳离子 u 108 / m2 s 1 V 1 阴离子 u 108 / m2 s 1 V 1
Li+ 4.07 HCO3- 4.61
Na+ 5.19 NO3- 7.40
Ca2+ 6.59 Cl- 7.91
K+ 7.62 SO42- 8.27
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入 电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2+ )增加了0.02mol· L-1 。石墨电极上未见Fe 析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2+ )= 。
(5)根据（3）（4）实验结果，可知石墨电极的电极反应式为 ，铁电极的电极反应式为 。因此，验证了Fe2+ 氧化性小于 ，还原小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4 溶液中加入几滴Fe2 (SO4) 3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。
【答案】(1)烧杯、量筒、托盘天平　(2)KCl　(3)石墨(4)0.09 mol·L－1　
(5)Fe3＋＋e－==Fe2＋　Fe－2e－== Fe2＋　Fe3＋　Fe　
(6)取活化后溶液少许于试管中，加入KSCN溶液，若溶液不出现血红色，说明活化反应完成【基础知识】原电池 化学电源
考点一 原电池的工作原理及应用
【知识模型】
1、原电池的概念及构成条件
(1)定义：将 能转化为 能的装置。（太阳能电池：将 能转化为 能）
(2)原电池的形成条件
①能自发进行的 反应。
②两个 不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。
③形成 回路，需满足三个条件：
a.存在电解质；b.两电极直接或间接接触；c.两电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
2、工作原理(以锌铜原电池为例)
(1)装置变迁
名称 单液原电池 双液原电池
装置
相同点 电极名称 负极： 片 正极： 片
电极反应 负极： (氧化反应) 正极： (还原反应)
总反应 Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
电子流向 电子由 经导线流向
电流流向 电流由 经导线流向
不同点 离子迁移 方向 电解质溶液中，阴离子向 迁移，阳离子向 迁移
移向正极， 移向负极 盐桥含饱和KCl溶液， 移向正极， 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。
【微点拨】
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.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；
c.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。
③盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。
④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（离子走水，电子走线）
3、原电池电极判断
负极 正极
反应类型
得失电子
离子移向
电极材料
化合价变化
电势大小
4、原电池的应用
(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)
方法：电极质量减少作负极，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
(3)设计制作化学电源
①拆分反应：将氧化还原反应分成两个半反应
②选择电极材料：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
③构成闭合回路：将两个半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
【模型再构】
例1、常见原电池（写出以下总反应、正负极电极反应式）
①Fe | FeCl3(aq) | Cu
总反应:
正极: 负极：
②Mg | NaOH(aq) | Al
总反应:
正极: 负极：
③Fe | 浓HNO3(aq) | Cu
总反应:
正极: 负极：
④Zn | NaCl(aq) | Cu
总反应:
正极: 负极：
【微点拨】
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.
例2、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)在方框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥 ②含盐桥
【问题解决】
例1、（2021 北京卷，16节选）某小组实验验证“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”为可逆反应并测定其平衡常数。
实验I：将0.0100 mol/L Ag2SO4溶液与0.0400 mo/L FeSO4溶液(pH=1)等体积混合，产生灰黑色沉淀，溶液呈黄色。
实验II：向少量Ag粉中加入0.0100 mol/L Fe2(SO4)3溶液(pH=1)，固体完全溶解。
①取I中沉淀，加入浓硝酸，证实沉淀为Ag。现象是_______________________________。
②II中溶液选用Fe2(SO4)3，不选用Fe(NO3)3的原因是_______________________________。
综合上述实验，证实“Ag++Fe2+Fe3++Ag↓”为可逆反应。
③小组同学采用电化学装置从平衡移动角度进行验证。补全电化学装置示意图,写出操作及现象_______。
例2、(2022·湖南卷)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：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
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
例3、（2023海南卷，8）利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是（ ）
A. b电极为电池正极 B. 电池工作时，海水中的向a电极移动
C. 电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性 D. 每消耗1kgAl，电池最多向外提供37mol电子的电量
例4、某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl－＋Ag＋===AgCl↓。下列说法正确的是(　　)
A．放电时，X电极发生还原反应
B．放电时，Y电极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．放电时，盐桥中K＋向盛有NaCl溶液的烧杯中移动
D．外电路中每通过0.1 mol e－，X电极质量增加14.35 g
【基础练习】
1、银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其工作示意图如图。下列说法不正确的是(　　)
A．Zn电极发生氧化反应
B．Ag2O电极是电源的正极
C．电池工作时，电子从Zn电极经导线流向Ag2O电极，再由Ag2O电极经电解质溶液流向Zn电极
D．Zn电极上发生的反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
2、(2016·全国2)Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是 (　　)
A.负极反应式为Mg-2e-Mg2+ B.正极反应式为Ag++e-Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移 D.负极会发生副反应Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
3、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作负极，电极反应式为Mg - 2e－===Mg2+
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O2＋2H2O＋4e－===4OH－
4、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 a极质量减少；b极质量增加 b极有气体产生；c极无变化 d极溶解；c极有气体产生 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)
A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞a C．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞c
5、某医院设计的锌-铁原电池，可以控制胃内氢释放，改善肥胖2型糖尿病的胰岛素抵抗。其工作原理如图所示，下列说法不正确的是（ ）
A.N代表铁
B.该过程发生析氢腐蚀
C.锌表面的电极反应为Zn－2e－===Zn2+
D.标准状况下，每生成2.24mLH2，理论上原电池质量损耗0.013g
6、(2020全国1卷)为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验，回答下列问题：
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10mol· L-1 FeSO4溶液，需要的仪器有药匙、玻璃棒、 （从下列图中选择，写出名称。）
(2)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。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（ u ）应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择 作为电解质。
阳离子 u 108 / m2 s 1 V 1 阴离子 u 108 / m2 s 1 V 1
Li+ 4.07 HCO3- 4.61
Na+ 5.19 NO3- 7.40
Ca2+ 6.59 Cl- 7.91
K+ 7.62 SO42- 8.27
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入 电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2+ )增加了0.02mol· L-1 。石墨电极上未见Fe 析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2+ )= 。
(5)根据（3）（4）实验结果，可知石墨电极的电极反应式为 ，铁电极的电极反应式为 。因此，验证了Fe2+ 氧化性小于 ，还原小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4 溶液中加入几滴Fe2 (SO4) 3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。

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