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第20讲　原电池及其应用
学习目标　
1. 理解原电池的工作原理，能写出常见的简单电极反应式和电池总反应方程式。
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其重要应用。
3. 认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原因，能选用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。
活动方案
含盐桥的原电池的构造和工作原理
如图是根据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2+(aq)＋2Ag(s)设计的原电池。请回答下列问题。
(1) 电极X、Y的材料分别是什么？它们分别作原电池的什么极？电解质溶液Z是什么？上图装置是什么能转化为什么能？
(2) 分别写出X、Y电极上发生的电极反应式。
(3) 外电路电子的流动方向如何？电流方向又如何？
(4) 盐桥中通常是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管，离子可以在其中自由移动。请你分析盐桥中K＋、Cl－的移动方向如何。
(5) 若原电池工作一段时间后，电极X的质量减少3.2 g，电极Y的质量增加多少？
原电池及其应用
1. 化学电源主要包括一次电池、二次电池和连续电池(也称燃料电池)三大类。下面列出了几种化学电源的反应原理，请对它们进行分类并写出电极反应式。
(1) 普通锌锰干电池：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
(2) 氢氧燃料电池：2H2＋O2===2H2O(电解质既可能是酸性溶液，也可能是碱性溶液)
(3) 铅酸蓄电池：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(4) 碱性锌锰干电池：Zn＋2H2O＋2MnO2===2MnO(OH)(氢氧化氧锰)＋Zn(OH)2
(5) 锌银纽扣电池：Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
(6) 某全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO2)电池，其工作原理如图所示。其中A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许特定的离子通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2。写出放电时A、B极的电极反应式。
2. 按要求书写下列燃料电池的电极反应式和总反应式。
(1) 下图为甲烷—氧气燃料电池工作原理图。其中两极均为多孔Pt电极。
①若电解质为稀硫酸。
②若电解质为KOH溶液。
(2) 如图为氢氧燃料电池工作原理图。电解质为某熔融氧化物(O2-可在其中迁移)。
(3) 熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷负极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属正极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐。电池的优点在于工作温度较高，反应速率增大；对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整；无需贵金属催化剂，成本较低；一种熔融碳酸盐燃料电池的构造示意图如图所示。写出电池放电时的电极反应式及总反应式。
(4) 研究表明，离子由高浓度体系向低浓度体系迁移可形成电动势，从而形成浓差电池。某浓差电池的原理如图所示。
①判断电池的正负极。
②写出两极的电极反应式。
金属的腐蚀与防护
1. 金属的腐蚀。
(1) 金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。判断下列腐蚀哪些是化学腐蚀？哪些是电化学腐蚀？
①铜板在氯化铁溶液中被腐蚀。
②钢铁在空气中生锈而被腐蚀。
③化工厂里的铁与氯气反应被腐蚀。
④铜铝电线接头处铝被腐蚀。
⑤高温下铁丝被氧气腐蚀。
⑥铜在空气中生成铜绿而被腐蚀。
(2) 分别写出钢铁在空气中发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式，并说明析氢腐蚀、吸氧腐蚀发生的条件。
(3) 下列各图中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为____________(填序号)。
① ② ③ ④
　　
　　
　　
2. 金属的防护。
金属的腐蚀所带来的损失非常严重，因此了解金属腐蚀的原因对于寻求防止金属腐蚀的方法和措施具有十分重要的意义。
(1) 下面是金属腐蚀的两种电化学防护法。
Ⅰ Ⅱ
①请你分别写出Ⅰ、Ⅱ两种保护法的名称。
②请你在保护法Ⅰ中注明电源的正、负极，并说出辅助电极可以选用什么材料。
③请你写出保护法Ⅱ中的正、负极反应式。
(2) 再列举一些其他的防止金属腐蚀的方法。
名卷优选
1 [2024江苏卷]碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH，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，转移电子数为2×6.02×1023
2 [2020江苏卷]将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　　)
A. 阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2+
B. 金属M的活动性比Fe的活动性弱
C. 钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D. 钢铁设施在河水中的腐蚀速度比在海水中的快
3 [2024连云港一调]用如图所示的新型电池可以处理含CN－的碱性废水，同时还可以淡化海水。下列说法正确的是(　　)
A. a极电极反应式：2CN－＋10e－＋12OH－===2CO＋N2↑＋6H2O
B. 电池工作一段时间后，右室溶液的 pH减小
C. 交换膜Ⅰ为阳离子交换膜，交换膜Ⅱ为阴离子交换膜
D. 若将含有26 g CN－的废水完全处理，理论上可除去NaCl的质量为292.5 g
4 科学家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，隔膜只允许OH－通过。电池反应为Zn＋2NiOOH＋H2OZnO＋2Ni(OH)2。下列说法不正确的是(　　)
A. 3D-Zn具有较大的表面积，有利于沉积ZnO
B. 放电时，每沉积0.1 mol ZnO，有0.1 mol OH－通过隔膜
C. 充电时，3D-Zn电极应与外接直流电源的负极相连
D. 充电时，阳极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
5 (1) [2024徐州一中、淮阴中学、姜堰中学联考]一种微生物电池可利用 K2Cr2O7有效处理废水中的苯酚，其工作原理如图所示。
①写出该正极的电极反应式：_________________________________________。
②电池工作一段时间后， 中间室中NaCl溶液的浓度减小，可能的原因是____
______________________________________________________________________。
(2) [2024南航苏州附中阳光测试]液态肼也可以作为燃料电池，如图所示是一种肼燃料电池，写出负极的电极反应：____________________________________。
(3) [2024苏锡常镇二调]丙烷燃料电池脱氢。一种质子导体燃料电池采用PSNT材料作阳极催化层，在阳极侧注入燃料气C3H8，阴极侧直接暴露于空气中，在650 ℃下可实现丙烷高效脱氢制丙烯，装置如图所示。电池工作时，负极发生主要反应的电极反应式为______________________________________________。
(4) [2020江苏卷]HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示，两电极区间用允许K＋、H＋通过的半透膜隔开。电池负极电极反应式为________________________________；放电过程中需补充的物质A为__________
(填化学式)。
第20讲　原电池及其应用
【活动方案】
活动一：
(1) 铜(Cu)、银(Ag)。Cu作负极，Ag作正极。AgNO3溶液。化学能转化为电能。　(2) Cu－2e－===Cu2+　Ag＋＋e－===Ag
(3) 外电路中的电子是从负(Cu)电极流向正(Ag)电极。电流方向与之相反。　(4) Cl－移向负极，K＋移向正极。　(5) 10.8 g
活动二：
1 (1) 一次电池　负极：Zn－2e－＋2NH===[Zn(NH3)]2+＋2H＋　正极：MnO2＋e－＋NH===MnO(OH)＋NH3↑　(2) 连续电池(燃料电池)　①若为酸性电解质，负极：H2－2e－===2H＋　正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；②若为碱性电解质，负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O　正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－　(3) 二次电池　负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4　正极：PbO2＋SO＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O　(4) 一次电池　负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2　正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－　(5) 一次电池
负极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O　正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－　(6) A：LixC6－xe－===C6＋xLi＋
B：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－ ===LiCoO2
2 (1) ①负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋　正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O　总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O
②负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－　总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O　(2) 负极：H2＋O2-―2e－===H2O　正极：O2＋4e－===2O2-　总反应：2H2＋O2===2H2O　(3) 负极：H2＋CO－2e－===CO2＋H2O　正极：O2＋4e－＋2CO2===2CO　总反应：2H2＋O2===2H2O　(4) ①M为正极，N为负极　②负极：Ag－e－===Ag＋　正极：Ag＋＋e－===Ag
活动三：
1 (1) ①化学腐蚀　②电化学腐蚀　③化学腐蚀　④电化学腐蚀　⑤化学腐蚀　⑥电化学腐蚀　(2) 析氢腐蚀电极反应式为负极：Fe－2e－===Fe2+，正极：2H＋＋2e－===H2↑。析氢腐蚀发生的条件：电解质溶液呈强酸性。　吸氧腐蚀电极反应式为负极：Fe－2e－===Fe2+，正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。吸氧腐蚀发生的条件：电解质溶液呈弱酸性、中性或碱性。　(3) ④②①③
2 (1) ①Ⅰ：外加电流法；Ⅱ：牺牲阳极法。②A为电源的负极，B为电源的正极。辅助电极可以选用石墨等惰性材料。③正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－　负极：Zn－2e－===Zn2+
(2) 制成合金、喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀、表面钝化等。
【名卷优选】
1 C　电池工作时，MnO2→MnOOH，Mn元素的化合价降低，MnO2发生还原反应，A错误；电池工作时，OH－通过隔膜向负极移动，B错误；环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，C正确；反应中Mn元素的化合价降1，每生成1 mol MnOOH，转移电子数为6.02×1023，D错误。
2 C
3 D　a极区“CN－―→N2＋CO”，C和N的化合价升高，应失去电子，A错误；b极为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，c(H＋)减小，右室溶液的pH增大，B错误；由“淡化海水”知，中间室中的“Na＋、Cl－”需要进行迁移，由原电池中“阳离子移向正极，阴离子移向负极”知，交换膜Ⅰ为阴离子交换膜，交换膜Ⅱ为阳离子交换膜，C错误；26 g CN－的物质的量为1 mol，消耗1 mol CN－时转移5 mol电子，根据电荷守恒可知，可同时处理5 mol NaCl，其质量为292.5 g，D正确。
4 B　三维多孔海绵状Zn(3DZn)为多孔结构，具有较大的表面积，有利于沉积ZnO，A正确；放电时，由负极反应Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，可知每沉积0.1 mol ZnO，有0.2 mol OH－通过隔膜，B错误；充电时，3DZn电极作阴极，应与外接直流电源的负极相连，C正确；由分析知，充电时，阳极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，D正确。
5 (1) ①Cr2O＋6e－＋7H2O===2Cr(OH)3＋8OH－　②负极产生的H＋通过阳离子交换膜进入中间室，正极产生的OH－通过阴离子交换膜也进入中间室，H＋和OH－中和生成水，溶液体积增大，NaCl溶液的浓度减小　(2) N2H4－ 4e－ ＋ 4OH－===N2↑＋4H2O　(3) C3H8－2e－===C3H6＋2H＋　(4) HCOO－＋2OH－－2e－===HCO＋H2O　H2SO4(共34张PPT)
模块三
化学反应原理
主题6　化学反应与能量变化
第20讲　原电池及其应用
内容索引
学习目标
活动方案
名卷优选
学 习 目 标
1. 理解原电池的工作原理，能写出常见的简单电极反应式和电池总反应方程式。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其重要应用。3. 认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原因，能选用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。
活 动 方 案
如图是根据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池。请回答下列问题。
活动一 含盐桥的原电池的构造和工作原理
(1) 电极X、Y的材料分别是什么？它们分别作原电池的什么极？电解质溶液Z是什么？上图装置是什么能转化为什么能？
【答案】 铜(Cu)、银(Ag)。Cu作负极，Ag作正极。AgNO3溶液。化学能转化为电能。
(2) 分别写出X、Y电极上发生的电极反应式。
【答案】 Cu－2e－===Cu2＋
Ag＋＋e－===Ag
(3) 外电路电子的流动方向如何？电流方向又如何？
【答案】 外电路中的电子是从负(Cu)电极流向正(Ag)电极。电流方向与之相反。
(4) 盐桥中通常是装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管，离子可以在其中自由移动。请你分析盐桥中K＋、Cl－的移动方向如何。
【答案】 Cl－移向负极，K＋移向正极。
(5) 若原电池工作一段时间后，电极X的质量减少3.2 g，电极Y的质量增加多少？
【答案】 10.8 g
1. 化学电源主要包括一次电池、二次电池和连续电池(也称燃料电池)三大类。下面列出了几种化学电源的反应原理，请对它们进行分类并写出电极反应式。
(1) 普通锌锰干电池：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
【答案】 一次电池
活动二 原电池及其应用
(2) 氢氧燃料电池：2H2＋O2===2H2O(电解质既可能是酸性溶液，也可能是碱性溶液)
【答案】 连续电池(燃料电池)
①若为酸性电解质，负极：H2－2e－===2H＋
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
②若为碱性电解质，负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
(4) 碱性锌锰干电池：Zn＋2H2O＋2MnO2===2MnO(OH)(氢氧化氧锰)＋Zn(OH)2
【答案】 一次电池　负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－
(5) 锌银纽扣电池：Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
【答案】 一次电池　负极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
【答案】 A：LixC6－xe－===C6＋xLi＋
B：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－ ===LiCoO2
2. 按要求书写下列燃料电池的电极反应式和总反应式。
(1) 下图为甲烷—氧气燃料电池工作原理图。其中两极均为多孔Pt电极。
①若电解质为稀硫酸。
【答案】 负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O
②若电解质为KOH溶液。
(2) 如图为氢氧燃料电池工作原理图。电解质为某熔融氧化物(O2－可在其中迁移)。
【答案】 负极：H2＋O2－―2e－===H2O
正极：O2＋4e－===2O2－
总反应：2H2＋O2===2H2O
(3) 熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷负极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属正极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐。电池的优点在于工作温度较高，反应速率增大；对燃料的纯度要求相对较低，可以对燃料进行电池内重整；无需贵金属催化剂，成本较低；一种熔融碳酸盐燃料电池的构造示意图如图所示。写出电池放电时的电极反应式及总反应式。
(4) 研究表明，离子由高浓度体系向低浓度体系迁移可形成电动势，从而形成浓差电池。某浓差电池的原理如图所示。
①判断电池的正负极。
【答案】 M为正极，N为负极
②写出两极的电极反应式。
【答案】 负极：Ag－e－===Ag＋
正极：Ag＋＋e－===Ag
1. 金属的腐蚀。
(1) 金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。判断下列腐蚀哪些是化学腐蚀？哪些是电化学腐蚀？
①铜板在氯化铁溶液中被腐蚀。
②钢铁在空气中生锈而被腐蚀。
③化工厂里的铁与氯气反应被腐蚀。
④铜铝电线接头处铝被腐蚀。
⑤高温下铁丝被氧气腐蚀。
⑥铜在空气中生成铜绿而被腐蚀。
【答案】 ①化学腐蚀　②电化学腐蚀　③化学腐蚀　④电化学腐蚀　⑤化学腐蚀　⑥电化学腐蚀
活动三　金属的腐蚀与防护
(2) 分别写出钢铁在空气中发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀的电极反应式，并说明析氢腐蚀、吸氧腐蚀发生的条件。
【答案】 析氢腐蚀电极反应式为负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑。析氢腐蚀发生的条件：电解质溶液呈强酸性。吸氧腐蚀电极反应式为负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：O2＋2H2O＋4e－=== 4OH－。吸氧腐蚀发生的条件：电解质溶液呈弱酸性、中性或碱性。
(3) 下列各图中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为______________(填序号)。
④②①③
2. 金属的防护。
金属的腐蚀所带来的损失非常严重，因此了解金属腐蚀的原因对于寻求防止金属腐蚀的方法和措施具有十分重要的意义。
(1) 下面是金属腐蚀的两种电化学防护法。
①请你分别写出Ⅰ、Ⅱ两种保护法的名称。
【答案】 Ⅰ：外加电流法；Ⅱ：牺牲阳极法。
②请你在保护法Ⅰ中注明电源的正、负极，并说出辅助电极可以选用什么材料。
【答案】 A为电源的负极，B为电源的正极。辅助电极可以选用石墨等惰性材料。
③请你写出保护法Ⅱ中的正、负极反应式。
【答案】 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
负极：Zn－2e－===Zn2＋
(2) 再列举一些其他的防止金属腐蚀的方法。
【答案】 制成合金、喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀、表面钝化等。
名 卷 优 选
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1 [2024江苏卷]碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋H2O=== ZnO＋2MnOOH，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，转移电子数为2×6.02×1023
C
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【解析】 电池工作时，MnO2→MnOOH，Mn元素的化合价降低，MnO2发生还原反应，A错误；电池工作时，OH－通过隔膜向负极移动，B错误；环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，C正确；反应中Mn元素的化合价降1，每生成1 mol MnOOH，转移电子数为6.02×1023，D错误。
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2 [2020江苏卷]将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是(　 　)
A. 阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B. 金属M的活动性比Fe的活动性弱
C. 钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D. 钢铁设施在河水中的腐蚀速度比在海水中的快
C
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3
3 [2024连云港一调]用如图所示的新型电池可以处理含CN－的碱性废水，同时还可以淡化海水。下列说法正确的是(　 　)
1
D
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A. 3D－Zn具有较大的表面积，有利于沉积
ZnO
B. 放电时，每沉积0.1 mol ZnO，有0.1 mol OH－通过隔膜
C. 充电时，3D－Zn电极应与外接直流电源的负极相连
D. 充电时，阳极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
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B
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【解析】 三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)为多孔结构，具有较大的表面积，有利于沉积ZnO，A正确；放电时，由负极反应Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，可知每沉积0.1 mol ZnO，有0.2 mol OH－通过隔膜，B错误；充电时，3D－Zn电极作阴极，应与外接直流电源的负极相连，C正确；由分析知，充电时，阳极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－=== NiOOH＋H2O，D正确。
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5 (1) [2024徐州一中、淮阴中学、姜堰中学联考]一种微生物电池可利用 K2Cr2O7有效处理废水中的苯酚，其工作原理如图所示。
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①写出该正极的电极反应式：_________________________________ __________________________。
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②电池工作一段时间后， 中间室中NaCl溶液的浓度减小，可能的原因是_________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________。
(2) [2024南航苏州附中阳光测试]液态肼也可以作为燃料电池，如图所示是一种肼燃料电池，写出负极的电极反应：_____________________ __________________。
1
负极产生的H＋通过阳离子交换膜进入中间室，正极产生的OH－通过阴离子交换膜也进入中间室，H＋和OH－中和生成水，溶液体积增大，NaCl溶液的浓度减小
N2H4－ 4e－ ＋ 4OH－
===N2↑＋4H2O
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(3) [2024苏锡常镇二调]丙烷燃料电池脱氢。一种质子导体燃料电池采用PSNT材料作阳极催化层，在阳极侧注入燃料气C3H8，阴极侧直接暴露于空气中，在650 ℃下可实现丙烷高效脱氢制丙烯，装置如图所示。电池工作时，负极发生主要反应的电极反应式为_________________ ______________。
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C3H8－2e－===
C3H6＋2H＋
2
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(4) [2020江苏卷]HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示，两电极区间用允许K＋、H＋通过的半透膜隔开。电池负极电极反应式为___________________________________________；放电过程中需补充的物质A为______________(填化学式)。
1
H2SO4
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