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第18讲　原电池及其应用
复习目标 1. 知道原电池工作原理，能写出常见电池的总反应式和电极反应式。2. 了解常见的化学电源，认识化学能与电能相互转化的实际意义及应用。3. 认识金属腐蚀的危害，了解电化学腐蚀的原因，能利用原电池知识防止金属腐蚀。
熟记网络
课前自测 1. 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1) 原电池是化学能转化为电能的装置，其反应是自发的( 　　)(2) Cu-硫酸-Zn原电池中，电子由Zn出发经溶液移动到Cu( 　　)(3) 右图是锌铜原电池，盐桥中的K＋向Zn电极移动( 　　)(4) (2019·江苏卷)常温常压下，氢氧燃料电池放电过程中消耗11.2 L H2，转移电子的数目约为6.02×1023( 　　)(5) 钢铁水闸可用牺牲阳极法防止其腐蚀( 　　)2. 完成下列填空。(6) (2019·江苏卷)碱性氢氧燃料电池的负极反应式：__________________________________________ _______。(7) 碱性电解质中，苯-氧气燃料电池的负极反应式：_________________________________________________________________________________。(8) (2022·江苏卷)铅酸蓄电池放电时的负极反应式：__________________________________________ _________。
考点1　原电池工作原理
知 识 梳 理
原电池定义和反应实质
原电池是将_________转变为______的装置，其反应实质是自发进行的氧化还原反应。
原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
装置图
构成条件 ①两种不同活性的电极(燃料电池两极都为石墨电极)；②电解质溶液或熔融电解质；③形成闭合回路
工作原理 1. 电极反应式(图2装置)负极(氧化反应)：_______________________________________；正极(还原反应)：_______________________________________。总反应：___________________________________________________。2. 盐桥(装有琼脂凝胶，内含KCl)作用及离子移向(1) 连接内电路形成闭合回路。(2) 平衡电荷，盐桥中K＋向___极移动，Cl－向___极移动。(3) 减少能量损耗。
工作原理 3. 三个流向(1) 外电路电子的流向：电子由负极出发经导线流向正极(电子不入水)。(2) 溶液中离子的流向(正正负负)：阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移。(3) 电流流向：电流由正极出发经导线流向负极，再由负极出发经溶液流向正极，形成闭合回路
[及时巩固]
(1) 下列装置能将化学能转化为电能的是___(填序号)。
① ② ③ ④ ⑤
(2) 写出装置⑤对应的电极反应式和三个流向。
负极：_______________________________________，
正极：_______________________________________，
总反应：Fe＋2H＋===H2↑＋Fe2＋。
电子流向：__________________________________________。
电流流向：___________________________________________________________________________。
H＋迁移方向：____________________________________。
(3) (2024·江苏卷)在AgCl沉淀中埋入铁圈并压实，加入足量0.5 mol/L盐酸后静置，充分反应得到Ag。不与铁圈直接接触的AgCl也能转化为Ag的原因是________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
解疑释惑25
原电池正、负极的判断
1. 依据电子流向：电子由负极出发经导线流向正极(溶液中无电子流动)。
2. 依据电流流向：电流由正极出发经导线流向负极，正极的电势高，负极的电势低。
3. 依据离子迁移方向(正正负负)：阳离子向正极迁移；阴离子向负极迁移。
4. 依据两极材料：一般活泼金属作负极，活动性较弱的金属或惰性电极作正极。
特例：Al-NaOH溶液-Mg原电池中，虽然Mg比Al活泼，但是Mg不与NaOH溶液反应，故Al作负极，Mg作正极。Fe(Al)-浓硝酸-Cu原电池中，虽然Fe、Al比Cu活泼，但是Fe、Al会在浓硝酸中钝化，故钝化后，Cu作负极，Fe或Al作正极。
5. 依据电极现象：一般，电极逐渐溶解的为负极，电极增重或有气体放出的为正极。
6. 依据电极反应：失去电子发生氧化反应的一极是负极，得到电子发生还原反应的一极是正极。
7. 依据电解质溶液：能与电解质溶液反应的一极作负极，不能与电解质溶液反应的一极作正极。
典 题 悟 法
原电池工作原理
　(2024·宝应中学)利用电化学原理消除污染，还可获得电能，一种处理垃圾渗透液的装置工作原理如图所示。下列说法错误的是( 　　)
A. X极的电极反应式为2NH－6e－＋6OH－===N2↑＋6H2O
B. Y是正极，NO发生还原反应
C. 当电路中通过5 mol电子，正极区有14 g气体放出
D. 盐桥内Cl－移向X电极
原电池原理的应用
　有a、b、c、d四种金属，当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b；当a、d组成原电池时，a为正极；b与c构成原电池时，电极反应式为c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，则a、b、c、d的金属性由强到弱的顺序为( 　　)
A. a＞b＞c＞d B. a＞b＞d＞c
C. d＞c＞a＞b D. d＞a＞b＞c
　(2024·南京二模)为探究铜离子浓度对Cr(Ⅵ)去除率的影响，向1 000 mL某浓度酸性废水中加入2.0 g铁粉，随着Cu2＋浓度由0升高至15 mg/L，测得废水中Cr(Ⅵ)的去除率增大，其可能原因为_______________________________________________________________________________________________________________。
深度指津
原电池的应用与设计
1. 原电池原理的应用
(1) 比较金属活动性强弱
原电池的两极为两种金属时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼(注意电解质溶液的种类)。(2) 加快化学反应速率
有原电池的反应比没有原电池的反应速率快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时，可向溶液中滴加几滴_______________溶液，形成_______________，产生氢气的速率______(填“加快”或“减慢”)。
(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。如在轮船船体四周镶嵌锌块，保护船体不受腐蚀。
2. 设计化学电源
(1) 首先将氧化还原反应分成两个半反应。
(2) 根据原电池反应的特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
(3) 如氧化还原反应：2FeCl3＋Fe===3FeCl2可以设计成原电池。
考点2　燃料电池
知 识 梳 理
氢氧燃料电池
物质 介质 电极反应式 工作原理示意图
H2 酸性介质 ____________________________________ 氢氧燃料电池工作原理示意图(人教版)碱性氢氧燃料电池的原理示意图(苏教版)
碱性介质 _________________________________________
O2 酸性介质 _________________________________________
碱性介质 _________________________________________
总反应 H2＋O2===H2O(或2H2＋O2===2H2O)
酸性电池中，用H＋平衡电荷，不允许出现OH－。碱性电池中，用OH－平衡电荷，不允许出现H＋。
常见燃料电池电极反应式的书写
1. 几种燃料电池分别在酸性、碱性溶液中电极反应式的比较。
燃料 电极 酸性溶液(如H2SO4溶液) 碱性溶液(如KOH溶液)
甲烷 负极反应式
正极反应式
总反应
乙醇 负极反应式
正极反应式
总反应
苯 负极反应式
正极反应式
总反应
(1) 如何判断有机物中C元素化合价：有机物中H元素一般定义为＋1价，O元素一般定义为－2价，C元素算平均价态。如：CH3OH、CH3CH2OH中的C元素一般认定为－2价，C6H6中的C元素一般认定为－1价，HCOOH中的C元素一般认定为＋2价。
(2) 有机物在酸性电池中的含碳产物为CO2，一个电极消耗H＋，另一个电极产生H＋；在碱性电池中的含碳产物为CO，一个电极消耗OH－，另一个电极产生OH－。
2. 电解质为熔融碳酸盐或熔融氧化物的电极反应式的书写。
(1) CH4熔融碳酸盐燃料电池
负极反应式：_____________________________________________________________________。
(2) CH4熔融氧化物燃料电池
负极反应式：_____________________________________________________________________。
典 题 悟 法
电解质溶液燃料电池
　一种肼燃料电池的工作原理如图所示，电池工作过程中会有少量N2H4在电极表面发生自分解反应生成NH3、N2、H2逸出。下列说法正确的是( 　　)
A. 电池工作时，化学能完全转化为电能
B. 放电过程中，负极区溶液pH增大
C. 负极的电极反应式为N2H4－4e－===N2＋4H＋
D. 电池工作时，负极区消耗的NaOH与正极区生成的NaOH物质的量相等
熔融碳酸盐燃料电池
　一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( 　　)
A. 电极B是该电池的负极
B. 电池工作时，CO向电极A移动
C. 电极B上发生的电极反应为O2－4e－===2O2－
D. H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
微生物燃料电池
　(2024·海安中学)微生物电池具有高效、清洁、环保等优点。某微生物电池工作原理如图所示。下列说法正确的是( 　　)
A. 电极 a为该电池的正极
B. 放电过程中电极a附近溶液pH增大
C. 电极b的电极反应式为[Fe(CN)6]4－－e－===[Fe(CN)6]3－
D. 每消耗23 g CH3CH2OH，理论上会有6 mol H＋通过质子交换膜移向电极b
考点3　常见的化学电源
知 识 梳 理
常见的化学电源
名称 装置图 电极材料及电极反应式
(1) 普通锌锰干电池 负极材料：Zn；正极材料：MnO2负极反应式：______________________________________________正极反应式：____________________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
(2) 碱性锌锰干电池 负极材料：Zn；正极材料：MnO2负极反应式：_____________________________________________正极反应式：_____________________________________________总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
(3) 纽扣式锌银电池 负极材料：______；正极材料：____________负极反应式：_____________________________________________正极反应式：_____________________________________________总反应：Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
(4) 铅酸蓄电池 ①放电(如图1)是原电池原理负极材料：______；正极材料：____________负极反应式：_____________________________________________正极反应式：______________________________________________总反应：Pb ＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O②充电(如图2)是电解池原理，是原电池的逆反应阴极反应式：______________________________________________阳极反应式：_____________________________________________总反应：2PbSO4＋2H2OPb＋PbO2＋2H2SO4
典 题 悟 法
如何判断装置是原电池
　下列装置不属于原电池装置的是( 　　)
常见的化学电池
　(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===2MnOOH＋ZnO，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( 　　)
A. 电池工作时，MnO2发生氧化反应
B. 电池工作时，OH－通过隔膜向正极移动
C. 环境温度过低，不利于电池放电
D. 反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数约为2×6.02×1023
　铅酸蓄电池工作时的反应为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2PbSO4＋2H2O。某状态下测得两电极的质量都增加。在该状态下，下列说法正确的是( 　　)
A. a极为铅酸蓄电池的正极
B. 铅酸蓄电池正在充电
C. 一段时间后，溶液的pH减小
D. b极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
新型海水电池
　(2023·淮安期末)我国成功研制出新型“海水电池”。电池反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3。下列关于该电池的说法正确的是( 　　)
A. 铝片作正极
B. 海水作为电解质溶液
C. 电池工作时O2失去电子
D. 电池工作时实现了电能向化学能的转化
　深度指津
海水淡化装置分析
微生物脱盐池是在微生物燃料电池的基础上发展而来的新兴生物电化学系统，示意图如下，判断隔膜1、2分别是什么类型的离子交换膜。
考点4　金属的腐蚀
知 识 梳 理
金属腐蚀
钢铁的腐蚀主要是吸氧腐蚀。
析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以Fe为例)
1. 析氢腐蚀
图1　钢铁的析氢腐蚀示意图
条件：溶液呈酸性
负极反应式：_______________________________________
正极反应式：_______________________________________
2. 吸氧腐蚀
　
图2　钢铁的吸氧腐蚀示意图
条件：中性或弱酸性
负极反应式：_______________________________________
正极反应式：______________________________________________________
电池反应：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
Fe(OH)2进一步被O2氧化：
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O
典 题 悟 法
　(2023·江苏各地模拟重组)下列有关说法正确的是( 　　)
A. 中性环境微生物介导的铁循环过程，其部分过程见图：，此环境下主要发生析氢腐蚀
B. 钢铁制品在潮湿空气中发生电化学腐蚀的负极反应式：Fe－3e－===Fe3＋
C. 以Zn、Fe为电极，以酸化的3% NaCl溶液作电解质溶液，连接成原电池装置，过一段时间，从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6]溶液，观察现象，探究金
属的电化学保护法
D. 将中间裹有锌皮的铁钉放在滴有酚酞的饱和NaCl溶液中，一段时间后观察铁钉周围溶液颜色变化，探究铁钉能发生吸氧腐蚀
1. 一种锌-空气电池工作原理如图所示，放电时Zn转化为ZnO。下列说法正确的是( 　　)
A. 空气中的氧气在石墨电极上发生氧化反应
B. 该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O
C. 该电池放电时，溶液中的OH－向石墨电极移动
D. 该电池工作一段时间后，溶液pH明显增大
2. (2023·连云港)下列有关金属的保护方法的说法正确的是( 　　)
A. 常使用的快餐杯表面有一层搪瓷，搪瓷层破损后仍能起到防止铁生锈的作用
B. 白铁(镀锌铁)镀层破损后，铁皮的腐蚀仍很慢
C. 轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阴极法
D. 钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，利用的是钢铁的电化学保护法
3. (1) (2024·无锡锡东高级中学)如右图所示装置___(填“能”或“不能”)用于验证铁钉的吸氧腐蚀。
(2) (2024·苏锡常镇5月)用氨气研发燃料电池反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O，使用1 mol/L KOH溶液作电解质溶液，请写出通入NH3气体一极的电极反应式：__________________________________________ ___________________________。
第18讲　原电池及其应用
[备考导航]
1. (1) √　(2) ×　(3) ×　(4) ×　(5) √　
2. (6) H2－2e－＋2OH－===2H2O
(7) C6H6－30e－＋42OH－===6CO＋24H2O
(8) Pb－2e－＋SO===PbSO4
考点1
[知识梳理]
知识1　化学能　电能
知识2　1. Zn－2e－===Zn2＋　Cu2＋＋2e－===Cu
Zn＋Cu2＋===Cu＋Zn2＋　2. (2) 正　负
[及时巩固]
(1) ⑤　(2) Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑　由Fe电极经外电路流向C电极　由C电极出发经导线流向Fe电极，再由Fe电极出发经溶液流向正极，形成闭合回路　H＋向C电极(正极)迁移　(3) 形成了以Fe为负极，AgCl为正极，盐酸为电解质溶液的原电池，正极AgCl得到电子，电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－，生成Ag
[典题悟法]
典例1　A　【解析】 X电极上NH转化为N2，X电极为负极，负极反应式为2NH－6e－===N2↑＋8H＋，A错误；Y电极上NO转化为N2，NO发生还原反应，B正确；Y电极为正极，正极反应式为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，即每产生1 mol N2会转移10 mol电子，当电路中通过5 mol电子时正极区产生0.5 mol氮气，质量为14 g，C正确；阳离子移向正极，阴离子移向负极，即盐桥内Cl－移向X极，D正确。
典例2　D　【解析】 当a、b组成原电池时，电子流动方向a→b，则金属性：a>b；当a、d组成原电池时，a为正极，则金属性：d>a；b与c构成原电池时，电极反应式：c2＋＋2e－===c、b－2e－===b2＋，b失去电子，则金属性：b>c；综上所述，金属性：d＞a＞b＞c，D正确。
典例3　铁粉置换出铜形成Fe-Cu原电池，增加了c(Fe2＋)，Cr(Ⅵ)去除率增大
[深度指津]　1. (2) CuSO4　铜锌原电池　加快
考点2
[知识梳理]
知识1
H2－2e－===2H＋　H2＋2OH－－2e－===2H2O
O2＋4e－＋4H＋===2H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－
知识2
1. CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
C2H5OH－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋
C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO＋11H2O
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O
C2H5OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋5H2O
C6H6－30e－＋12H2O===6CO2↑＋30H＋
C6H6－30e－＋42OH－===6CO＋24H2O
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2C6H6＋15O2===12CO2＋6H2O
2C6H6＋15O2＋24KOH===12K2CO3＋18H2O
2. (1) CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
(2) CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
[典题悟法]
典例4　D　【解析】 任何实用电池都不可能将化学能完全转化为电能，A错误；通入N2H4的一极是负极，由图可知，放电时负极反应消耗OH－，pH减小，B错误；负极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O，C错误；总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，反应前后NaOH的物质的量不变，即负极消耗的NaOH与正极生成的NaOH的物质的量相等，D正确。
典例5　B　【解析】 电极B通入的是O2、CO2，则电极B为正极，电极A为负极，负极反应式为H2＋CO－2e－===H2O＋CO2、CO＋CO－2e－===2CO2，正极反应式为O2＋4e－＋2CO2===2CO，A、C、D错误；原电池工作时，阴离子(CO)向负极(电极A)移动，B正确。
典例6　D　【解析】 该微生物电池中乙醇转化为CO2，电极a为该电池的负极，A错误；电极a的电极反应式为CH3CH2OH－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋，其附近pH降低，B错误；电极b的电极反应式为[Fe(CN)6]3－＋e－===[Fe(CN)6]4－，C错误；每消耗23 g CH3CH2OH(即0.5 mol)，根据电极a的电极反应式，产生6 mol H＋，6 mol H＋通过质子交换膜移向b极即移向正极，D正确。
考点3
[知识梳理]
知识　(1) Zn－2e－＋2NH3===[Zn(NH3)2]2＋
MnO2＋e－＋NH===MnO(OH)＋NH3
(2) Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－
(3) Zn　Ag2O　Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
(4) ①Pb　PbO2　Pb－2e－＋SO===PbSO4
PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O
②PbSO4＋2e－===Pb＋SO
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SO＋4H＋
[典题悟法]
典例7　D　【解析】 D项装置中含有外接电源，属于电解池，D符合题意。
典例8　C　【解析】 碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)，负极为锌，正极为MnO2。电池工作时，正极MnO2发生还原反应，A错误；原电池工作时，阴离子向负极移动，则OH－通过隔膜向负极移动，B错误；环境温度过低，化学反应速率较慢，不利于电池放电，C正确；反应中锰元素的化合价由＋4降低到＋3，则每生成1 mol MnO(OH)，转移电子数约为6.02×1023，D错误。
典例9　D　【解析】 铅酸蓄电池的电极材料分别为Pb和PbO2，放电时，负极反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4，正极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O，由题给信息知，两电极质量都增加，故该状态下铅酸蓄电池正在放电，A、B错误，D正确；放电时，由电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O可知，氢离子浓度减小，pH增大，C错误。
典例10　B　【解析】 由电池反应知，Al元素的化合价升高，发生氧化反应，铝片作负极，A错误；海水作为电解质溶液，B正确；电池工作时，O2得到电子，C错误；电池工作时实现了化学能向电能的转化，D错误。
考点4
[知识梳理]
知识1　析氢　吸氧
知识2　1. Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑
2. Fe－2e－===Fe2＋　O2＋4e－＋2H2O===4OH－
[典题悟法]
典例11　C　【解析】 中性环境中，Fe发生吸氧腐蚀，A错误；钢铁制品在潮湿空气中发生电化学腐蚀，负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，B错误；该原电池装置中，Fe作正极被保护，从Fe电极区域取少量溶液于试管中，再向试管中滴入2滴K3[Fe(CN)6]溶液，没有特征蓝色沉淀生成，该方案能用于探究金属的电化学保护法，C正确；Zn比Fe活泼，Zn作负极，铁钉被保护，未发生吸氧腐蚀，该方案不能用于探究铁钉的吸氧腐蚀，D错误。
[质量评价]
1. B　【解析】 空气中的O2在石墨电极上发生还原反应，A错误；石墨电极是正极，移向正极的离子是阳离子，故该电池放电时溶液中的OH－向Zn电极移动，C错误；电池总反应式为2Zn＋O2===2ZnO，故该电池工作一段时间后，溶液pH变化不大，D错误。
2. B　【解析】 搪瓷层破损后，Fe直接暴露在空气中，容易发生电化学腐蚀，搪瓷层破损后不能再起到防止生锈的作用，A错误；镀锌层破坏后，Zn作原电池的负极，失电子，Fe作正极，Zn继续保护Fe，B正确；轮船的船壳水线以下常装有一些锌块，利用的是牺牲阳极法，C错误；钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，在金属表面覆盖保护层，不属于电化学保护法，D错误。
3. (1) 能　(2) 2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O　【解析】 (1) 铁钉在食盐水中发生吸氧腐蚀时会消耗氧气，会使试管内的气体压强减小，则通过压强传感器测定试管内的压强可以验证铁钉的吸氧腐蚀。

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