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2021届高三化学二轮复习——原电池原理及化学电源学案及训练
高考核心知识梳理
1．构建原电池模型，类比分析原电池工作原理
2．原电池正、负极判断的“五个角度”
3．化学电源中电极反应式书写的思维模板
(1)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(2)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。
(3)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意　①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境中结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得较难写出的另一极的电极反应式。
4．燃料电池中氧气得电子的思维模型
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，O2得到电子后化合价降低，首先变成O2－，O2－能否稳定存在要看电解质环境。由于电解质溶液(酸、碱、盐)的不同，其电极反应也有所不同，下表为四种不同电解质环境中，氧气得电子后O2－的存在形式：
电解质环境
从电极反应式判断氧元素的存在形式
酸性电解质溶液
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
碱性电解质溶液
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
固体电解质(高温下能传导O2－)
O2＋4e－===2O2－
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
O2＋2CO2＋4e－===2CO
高考真题训练
1．[2020·新高考全国卷Ⅰ(山东)，10]微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)
A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1
mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5
g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
答案　B
解析　由装置示意图可知，负极区CH3COO－发生氧化反应生成CO2和H＋，A项正确；隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，才能使模拟海水中的氯离子移向负极，钠离子移向正极，达到海水淡化的目的，B项错误；电路中有1
mol
电子通过，则电解质溶液中有1
mol钠离子移向正极，1
mol氯离子移向负极，C项正确；负极产生CO2：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋，正极产生H2：2H＋＋2e－===H2↑，根据电荷守恒，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D项正确。
2．(2020·全国卷Ⅲ，12)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：
VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O
该电池工作时，下列说法错误的是(　　)
A．负载通过0.04
mol电子时，有0.224
L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
答案　B
解析　根据VB2电极发生的反应VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O，判断得出VB2电极为负极，复合碳电极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，所以电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO，C正确；负载通过0.04
mol电子时，有0.01
mol氧气参与反应，即标准状况下有0.224
L氧气参与反应，A正确；负极区消耗OH－，溶液的pH降低，正极区生成OH－，溶液的pH升高，B错误。
3．(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＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，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。
4．(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。
典型题目组训练
题组一　原电池工作原理
1．Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb电池装置如图，下列说法错误的是(　　)
A．SO从右向左迁移
B．电池的正极反应为Pb2＋＋2e－===Pb
C．左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变
D．若有6.5
g锌溶解，有0.1
mol
SO通过离子交换膜
答案　B
解析　装置左侧电极为负极，右侧电极为正极，阴离子移向负极，即SO从右向左迁移，A项正确；电池的正极反应式为PbSO4＋2e－===Pb＋SO，B项错误；负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，产生ZnSO4，左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变，C项正确；6.5
g锌溶解，转移0.2
mol
e－，电解液中有0.2
mol负电荷通过离子交换膜，即有0.1
mol
SO通过离子交换膜，D项正确。
2．下面是利用盐桥电池从某些含碘盐中提取碘的两个装置，下列说法中正确的是(　　)
A．两个装置中石墨Ⅰ和石墨Ⅱ均作负极
B．碘元素在装置①中被还原，在装置②中被氧化
C．①中MnO2极的电极反应式为MnO2＋2H2O＋2e－===Mn2＋＋4OH－
D．装置①、②中生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为1∶5
答案　D
解析　装置①中碘离子失去电子，石墨Ⅰ是负极，装置②中碘酸钠得到电子，石墨Ⅱ作正极，A项错误；根据A项分析可知，碘元素在装置①中被氧化，在装置②中被还原，B项错误；①中MnO2得到电子，溶液呈酸性，则电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，C项错误；①中1
mol碘化钠失去1
mol电子，②中1
mol碘酸钠得到5
mol电子，则装置①、②中生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为1∶5，D项正确。
3．甲醇燃料电池是目前应用比较广泛的一种燃料电池，其工作原理如下图所示：
下列说法正确的是(　　)
A．N为正极，发生氧化反应
B．a气体为氧气，b气体为甲醇
C．甲池溶液pH增大，乙池溶液pH减小
D．若有1
mol
CO2生成，则有6
mol
H＋从甲池通过交换膜进入乙池
答案　D
解析　燃料电池工作时，燃料发生氧化反应，失去电子，故M电极为负极，a气体为甲醇，电极反应式为：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，甲醇在负极被氧化生成CO2。有1
mol
CO2生成，则有6
mol
H＋生成，甲池溶液pH减小。N电极为正极，在其表面发生还原反应；电池中，阳离子从负极移向正极，H＋从甲池通过质子交换膜进入乙池。
题组二　新型化学电源的分析(不定项选择题)
4．如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度在700～900
℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应产物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　　)
A．电池内的O2－由电极乙移向电极甲
B．电池总反应为N2H4＋2O2===2NO＋2H2O
C．当电极甲上有1
mol
N2H4消耗时，电极乙上有22.4
L
O2参与反应
D．电池外电路的电子由电极乙移向电极甲
答案　A
解析　该装置中电极甲为负极，电极乙为正极，所以O2－由电极乙移向电极甲，A项正确；电池的总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，B项错误；当电极甲上消耗1
mol
N2H4时，电极乙上就有1
mol
O2参与反应，在标准状况下O2的体积为22.4
L，但题目没有指明该过程是否处于标准状况，C项错误；在外电路中，电子由负极(甲)移向正极(乙)，D项错误。
5．(2020·衡水中学四调)2019年3月，我国科学家研发出一种新型的锌碘单液流电池，其原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．放电时B电极反应式为：I2＋2e－===2I－
B．放电时电解质储罐中离子总浓度减小
C．M为阳离子交换膜，N为阴离子交换膜
D．充电时，A极增重65
g时，C区增加的离子数为4NA
答案　BC
解析　放电时，B电极为正极，I2得到电子生成I－，电极反应式为I2＋2e－===2I－，A正确；放电时，左侧即负极，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，所以储罐中的离子总浓度增大，B错误；离子交换膜是防止正负极I2、Zn接触发生反应，负极区生成Zn2＋、正电荷增加，正极区生成I－、负电荷增加，所以Cl－通过M膜进入负极区，K＋通过N膜进入正极区，所以M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜，C错误；充电时，A极反应式Zn2＋＋2e－===Zn，A极增重65
g转移2
mol电子，所以C区增加2
mol
K＋、2
mol
Cl－，增加的离子总数为4NA，D正确。
6．(2020·湖北省名师联盟高三4月月考)“太阳水”电池装置如图所示，该电池由三个电极组成，其中a为TiO2电极，b为Pt电极，c为WO3电极，电解质溶液为pH＝3的Li2SO4－H2SO4溶液。锂离子交换膜将电池分为A、B两个区，A区与大气相通，B区为封闭体系并有N2保护。下列关于该电池的说法错误的是(　　)
A．若用导线连接a、c，则a为负极，该电极附近pH减小
B．若用导线连接a、c，则c电极的电极反应式为HxWO3－xe－===WO3＋xH＋
C．若用导线先连接a、c，再连接b、c，可实现太阳能向电能转化
D．若用导线连接b、c，b电极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
答案　B
解析　用导线连接a、c，a极发生氧化反应，为负极，发生的电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，a电极周围H＋浓度增大，溶液pH减小，故A正确；用导线连接a、c，c极为正极，发生还原反应，电极反应为WO3＋xH＋＋xe－===HxWO3，故B错误；用导线先连接a、c，再连接b、c，由光电池转化为原电池，实现太阳能向电能转化，故C正确；用导线连接b、c，b电极为正极，电极表面氧气得电子，发生还原反应，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故D正确。
7．一种钌(Ru)配合物光敏太阳能电池的工作原理及电池中发生的反应如下图所示：
下列说法正确的是(　　)
A．电极X为电池的负极
B．电池工作时，电能转变为光能
C．电池工作时，电极Y上发生还原反应
D．电池的电解质溶液中I－和I的浓度不断减小
答案　AC
解析　电子由负极流向正极，故X为电池的负极，A项正确；电池工作时，光能转变为电能，B项错误；电极Y为正极，发生还原反应，C项正确；通过信息③、④可知，电池的电解质溶液中I－和I的浓度不变，D项错误。
反思归纳：解答新型化学电源的步骤
(1)判断电池类型→确认电池原理→核实电子、离子移动方向。
(2)确定电池两极→判断电子、离子移动方向→书写电极反应和电池反应。
(3)充电电池→放电时为原电池→失去电子的一极为负极。
(4)电极反应→总反应离子方程式减去较简单一极的电极反应式→另一电极反应式。

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