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2013高三一轮复习 6.2原电池原理及应用


第2讲

原电池原理及其应用

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考纲要求
1.了解原电池的工作原理,能写出电 极反应和电池反应方程式。 2.了解常见化学电源的种类及其工 作原理。 3. 理 解 金 属 发 生 电 化 学 腐 蚀 的 原 因、金属腐蚀的危害、防止金属腐 蚀的措施。

师解读
本部分知识常见的考查要点为:① 原电池的工作原理及电极反应的书写、 正误判断;②金属腐蚀的类型判断与防 护;③以新信息为载体,考查新型电池的 工作原理及电极反应式的书写。

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K 考点 1 原电池的工作原理
1.原电池的构成

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2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
单池原电池 盐桥原电池

装置图

负极及 负极反应

负极:锌

负极反应:Zn-2e-

Zn2+

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正极及 正极反应 总反应

正极:铜 Zn+Cu2+

正极反应:Cu2++2eCu+Zn2+

Cu

Zn 在 CuSO4 溶液中直接接触 Cu2+,会有一部分 Zn 与 Cu2+直 不同点 接反应,该装置中既有化学能 和电能的转化,又有一部分化 学能转化成了热能,装置的温 度会升高

Zn 和 CuSO4 溶液在两个 池子中,Zn 与 Cu2+不直接 接触,不存在 Zn 与 Cu2+直 接反应的过程,所以仅是 化学能转化成了电能,电 流稳定,且持续时间长

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1.凡是放热的反应都能通过设计成原电池将其化学能转 化为电能吗? 【提示】不是。只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化 学能转化为电能。

2.两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定 作负极吗? 【提示】不一定。如金属铝 镁 氢氧化钠溶液组成原电池时,铝作负 极。

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高考选择题选项正误判断 1.(2012·浙江卷)在“镀锌铁皮锌镀层厚度的测定”实验中,将镀锌铁皮 放入稀硫酸,待产生氢气的速率突然减小,可以判断锌镀层已反应完全。 【提示】 因为锌的活动性比铁强,所以镀锌铁皮放入稀硫酸中构成铁锌 原电池,反应速率较大,待锌完全反应后,只有铁与稀硫酸反应,反应速率会 突然减小。 【答案】√

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2.(2012·江苏卷)镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比受损前更容易生锈。 【提示】铁铜构成原电池,铁作负极,加快了铁的腐蚀。 【答案】√

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K 考点 2 化学电源
1.铅蓄电池 铅蓄电池是一种用途极广的二次电池,其放电时的电极反应为:

总反应式:Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O

2.燃料电池 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。
酸性 负极反应 正极反应 电池总反应 2H2-4eO2+4H++4e2H2+O2 4H+ 2H2O 2H2O 碱性 2H2+4OH--4eO2+2H2O+4e4H2O 4OH-

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3.原电池中,电极材料一定参加反应吗? 【提示】 不一定。 如氢氧燃料电池中,参加反应的是通入到两极上的气 体,电极本身没有参与反应。

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高考选择题选项正误判断 1.(2012·江苏卷)Zn 具有还原性和导电性,可用作锌锰干电池的负极 材料。 【提示】 Zn 较活泼,易失去电子而作原电池的负极材料。 【答案】√ 2.(2011·江苏卷)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原 反应。 【提示】 铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均失电子,发生氧化反 应。 【答案】 ×

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K 考点 3 金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀 (1)定义:金属与周围的气体(或液体)发生氧化还原反应而引起损耗的 现象。 (2)本质:金属原子失电子而被氧化。

(3) —

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4.钢铁在潮湿的空气中生锈的原理是什么?请结合化学方程 式予以说明。 【提示】首先发生吸氧腐蚀,电极反应为:2Fe-4eO2+2H2O+4e水生成铁锈。 4OH-,生成的 Fe2+与 OH-反应:Fe2++2OHFe(OH)2 易被空气氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O 2Fe2+和 Fe(OH)2,而

4Fe(OH)3,最后 Fe(OH)3 失

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2.金属的防护 (1)电化学防护 ①牺牲阳极的阴极保护法——利用原电池原理 正极(阴极):被保护的金属设备; 负极(阳极):比被保护的金属活泼的金属。 ②外加电源的阴极保护法——利用电解池原理 阴极:被保护的金属设备; 阳极:惰性电极。 (2)其他 ①改变金属内部结构,如制成合金; ②使金属与空气、水等物质隔离,如电镀、喷油漆等。

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高考选择题选项正误判断 1.(2012·广东卷)自行车钢架生锈主要是电化学腐蚀所致。 【提示】钢是铁碳合金,钢铁里的铁、碳在潮湿空气中易形成原电池, 导致钢铁发生电化学腐蚀而生锈。 【答案】√ 2.(2011·山东卷)镀锌层破损后即对铁制品失去保护作用。 【提示】镀锌层破损后易与铁构成原电池,锌作负极被腐蚀,铁受到保 护。 【答案】 ×

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3.(2011·江苏卷)铜的金属活泼性比铁的弱,可在海轮外壳上装若干铜 块以减缓其腐蚀。 【提示】铜的金属活泼性比铁的弱,与铁构成原电池时作正极,铁作负 极被腐蚀。 【答案】 × 4.(2010·北京卷)钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是:Fe-3e【提示】钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是:Fe-2e【答案】 × Fe2+。 Fe3+。

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Z 重点 1 原电池原理
1.原电池原理图解

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2.原电池电极判断

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3.原电池电解质溶液中离子的移动方向判断 原电池的负极发生失电子的氧化反应,生成阳离子或消耗阴离子,故负 极附近“阳盛阴衰”,为了保持溶液的电中性,阳离子移向正极,而阴离子移向 负极。

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4.原电池电极反应的书写 (1)一般电极反应的书写 列物质 标得失 —负极发生氧化反应,正极发生还原反应 ↓ 看环境 配守恒 电极产物在电解质溶液的环境中应稳定存 — 在,电极反应要遵守电荷守恒和质量守恒、 电子守恒等并加以配平 ↓ —两电极反应相加,与总反应对照验证

两式加 验总式

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(2)复杂电极反应的书写 复杂电极反应=总反应-较简单一极 的电极反应 如 CH4 酸性燃料电池中 CH4+2O2 CO2+2H2O……总反应 2O2+8H++8eCH4+2H2O-8e4H2O……正极反应 CO2+8H+……负极反应

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例 1(2012·福建卷)将下图所示实验装置的 K 闭合,下列判断
正确的是( )

A.Cu 电极上发生还原反应 B.电子沿 Zn→a→b→Cu 路径流动 C.片刻后甲池中 c(SO4 )增大 D.片刻后可观察到滤纸 b 点变红色
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2-

【解析】将装置中 K 闭合,该装置构成原电池,其中 Zn 电极上发生氧 化反应,为负极,Cu 电极上发生还原反应,为正极,故 A 正确;电子沿 Zn→a, 在 a 上溶液中的 H+得到电子,在 b 上溶液中的 OH-失去电子,电子不能直接 由 a→b,故 B 错误;该装置工作过程中,甲乙两烧杯中的 SO4 的浓度都不改变, 只是盐桥中的 Cl-和 K+分别向甲、 乙两烧杯中移动,故 C 错误;b 接电源正极 为阳极,此极附近溶液中的 OH-失去电子,c(OH-)减小,c(H+)增大,b 处滤纸不 能变红色,故 D 错误。 【答案】 A
2-

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在原电池中电子由负极沿外电路流向正极,而在原电池内部,没有电子 的流动,而是离子的移动;在电解池中,电子由电源负极流向阴极,由阳极流 向电源正极,而在电解池内部,没有电子的流动,而是离子的移动。 即“电子走 陆路,离子走水路”。

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有关如图所示装置的叙述不正确的是(

)

A.这是电解 NaOH 溶液的装置 B.该装置中 Pt 为正极,电极反应为:O2+2H2O+4eC.该装置中 Fe 为负极,电极反应为:Fe-2e-+2OHD.这是一个原电池装置

4OHFe(OH)2

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【解析】装置中没有外接直流电源,所以不是电解池,而是原电池,A 项 错误,D 项正确;该电池发生铁的吸氧腐蚀,在反应中 Fe 作负极,Fe 失去电子 形成的 Fe2+与溶液中的 OH-反应生成 Fe(OH)2 沉淀,故电极反应为 Fe-2e-+2OHO2+2H2O+4e【答案】 A Fe(OH)2,C 项正确;Pt 作正极,O2 是正极反应物,电极反应为 4OH-,B 项正确。

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Z 重点 2 新型电池的分析
以新型电池的研制开发为素材对原电池原理进行考查是高考命题的 热点题型,涉及的主要问题有: 1.正、负极的判断:一般来说,题目都会给出电池的总反应,可直接根据 化合价的变化来判断,所含元素化合价升高的物质必为负极材料或在负极 发生反应,反之则为正极材料或在正极发生反应。 2.电子的流向和电解质溶液中离子的移动方向:电流方向为“外电路中 从正极流向负极;电源内电路中从负极流向正极。”原电池装置中,外电路电 子流向与电流相反,从负极流向正极;电源内电路即电解质溶液中,阳离子移 动方向与电流相同,移向正极,阴离子移动方向与电流方向相反,移向负极。 3.电极反应的书写:(1)负极失去电子发生氧化反应;正极上溶液中阳离 子(或氧化性强的离子)得到电子,发生还原反应。 (2)两电极转移电子数守恒, 符合正极反应加负极反应等于电池总反应的原则。 (3)注意电极产物是否与 电解质溶液反应,若反应,一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生 的反应合并。
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例 2(2013·河北唐山一中第一次质检)零排放燃料电池曾被美
国《时代》杂志列为 21 世纪改变人类生活的十大新科技之首。其中最具 代表意义的质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示,其中电极 a、b 均为 多孔活性铂电极。下列说法中不正确的是( )

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A.a 极为该电池的负极 B.该电池的正极反应为 O2+4H++4e-

2H2O

C.该电池的能量转化主要形式是化学能转化为电能 D.H+(质子)由正极移动至负极 【解析】燃料电池的能量转化为化学能转化为电能,C 项正确;由图中 看出,从 a 极通入燃料 H2,则 a 极必为负极,负极反应为 H2-2e2H+,生成 的质子(H+)从负极移向正极,A 项正确,D 项错误;从 b 极通入氧化剂 O2,b 极 必为正极,O2 在 b 极发生得电子反应,与负极迁移来的 H+生成 H2O,正极反应 为 O2+4H++4e【答案】 D 2H2O,B 项正确。

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新型电池虽然陌生度高,但考查原理还是原电池原理,一般考查方向为: 正负极的判断,电子的移动方向,溶液中离子的移动方向以及充、放电时的 电极反应的书写或判断等。

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2011 年 3 月 27 日,美国麻省理工学院的丹尼尔· 诺切拉博士公布了自己 团队研发的“人造树叶”,它可以与燃料电池共同构成一种新的发电装置 ——太阳能燃料电池,它们的工作原理如下图 1、2 所示。下列有关叙述正 确的是( )

图1

人造树叶工作原理示意图

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图2

太阳能燃料电池工作示意图

A.“人造树叶”的工作反应为:6CO2+6H2O B.图 1 中塑料薄膜上部的反应为:2H++2eC.图 2 燃料电池工作时的负极反应物为 O2

C6H12O6+6O2 H2↑

D.太阳能燃料电池的优点:无论天气如何,均能持续供应电能和氢能源, 并且实现对环境的“零排放”
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【解析】由工作原理示意图看出,“人造树叶”是光解水,将太阳能储存 在氢气中,A 项错误;图 1 中塑料薄膜下部为 H+得电子生成 H2,B 项错误;太 阳能燃料电池是利用人造树叶光解产生的氢气与氧气形成燃料电池,故不 管白天还是黑天都可提供电能,D 项正确;燃料电池的正极反应物为 O2,C 项 错误。 【答案】 D

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Z 重点 3 金属的腐蚀与防护
1.金属的化学腐蚀与电化学腐蚀
金属腐蚀 条件 本质 现象 区别 实例 相互关系 化学腐蚀 金属与接触到的物质直 接反应 M-ne无电流 工厂里铁制品被腐蚀,铁 在高温下形成 Fe3O4 等 Mn+ 金属被腐蚀 电化学腐蚀 不纯金属接触到电解质溶液发生原电 池反应 M-ne有电流 钢铁在酸性介质中的腐蚀以及在潮湿 空气中或海水中的腐蚀 Mn+ 较活泼金属被腐蚀

化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害 更严重

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2.吸氧腐蚀与析氢腐蚀
析氢腐蚀 条件 电极 反应 发生 情况 联系 金属在较强的酸性溶液中 负极(Fe):Fe-2e正极(C):2H++2e相对较少, 腐蚀速率一般较快 Fe2+ H2↑ 吸氧腐蚀 金属在中性或酸性很弱的溶液中 负极(Fe):2Fe-4e2Fe2+ 4OH正极(C):2H2O+O2+4e非常普遍, 腐蚀速率一般较慢

两种腐蚀常相继发生,但以吸氧腐蚀为主

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3.金属腐蚀快慢的判断规律 (1)电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护 措施的腐蚀。 (2)对同一种金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液>弱电解质溶液>非 电解质溶液。 (3)活泼性不同的两金属,活泼性差别越大,腐蚀越快。 (4)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。

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例 3(2012·山东卷)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是
( )

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A.图 a 中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重 B.图 b 中,开关由 M 改置于 N 时,Cu Zn 合金的腐蚀速率减小 C.图 c 中,接通开关时 Zn 腐蚀速率增大,Zn 上放出气体的速率也增大 D.图 d 中,Zn MnO2 干电池自放电腐蚀主要是由 MnO2 的氧化作用引 起的 【解析】图 a 中,烧杯底端的海水中含氧量比较少,故铁棒发生吸氧腐 蚀的速率比液面处小,A 项错误;图 b 中,当开关置于 N 时,左边的锌与合金形 成了原电池,并且合金作正极,合金的腐蚀速率减小,B 项正确;图 c 中,接通开 关后,形成原电池,生成氢气的速率增大,但是氢气是在 Pt 电极上放出的,C 项错误;图 d 中放电时应该是 MnO2 发生还原反应,D 项错误。 【答案】 B

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下列叙述错误的是(

)

A.生铁中含有碳,抗腐蚀能力比纯铁弱 B.用锡焊接的铁制器件,焊接处易生锈 C.铝制品不易腐蚀,是因为在形成原电池时铝作正极,受到保护 D.铁管上镶嵌锌块,铁管不易被腐蚀 【解析】生铁中含有碳,构成原电池加快了铁的腐蚀速率,A 项正确;用 锡焊接的铁制器件,焊接处易生锈,是因为构成的原电池中 Fe 作负极,加快 了腐蚀速率,B 项正确;铝制品不易腐蚀,是因为其表面形成致密的氧化膜, 起到了保护作用,C 项错误;铁管上镶嵌锌块,构成的原电池中 Fe 作正极,受 到保护,D 项正确。 【答案】 C

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忽视介质对电极反应的影响
原电池的电极名称和电极反应不仅与电极材料有关,也与 电解质溶液有关。下列说法中正确的是( ) Cu2+ Al3+ Al3+ Al3+

A.由 Fe、Cu、FeCl3 溶液组成原电池,其负极反应为 Cu-2eB.由 Mg、Al、NaOH 溶液组成电池,其负极反应为 Al-3eC.由 Al、Cu、稀硫酸组成的原电池,其负极反应为 Al-3eD.由 Al、Cu、浓硝酸组成原电池,其负极反应为 Al-3e【易错剖析】本题容易忽视 Al 在浓硝酸中易钝化而选 D。

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【正确解析】 A 中铁的还原性强于铜的还原性,优先与氯化铁反应, 故铁作负极,该项错误;B 中镁金属性虽比铝活泼但不与氢氧化钠溶液,故铝 作负极,失去电子,但形成的铝离子与氢氧化钠溶液反应,故电极反应为 Al+4OH--3e【答案】 C AlO2 +2H2O,B 项错误;D 中铝虽比铜活泼,但铝在浓硝酸中
-

钝化,故铜作负极,错误;正确答案为 C。

书写电极反应时,应注意介质的影响,注意电极产物是否与电解质溶液 反应,若反应,一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生的反应合 并。如在碱性介质中不会生成 CO2、H+、Al3+[应生成 Al(OH)3 或 AlO2 ]等, 而在酸性介质中,不会生成 CO3 、OH-(应生成 CO2、H2O)等。
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2-

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1.下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是(

)

A.金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质相同,但电化学腐蚀伴有电流产生 B.钢铁腐蚀最普遍的是吸氧腐蚀,负极吸收氧气最终转化为铁锈 C.钢铁发生析氢腐蚀时,正极发生的电极反应为:Fe-2eFe2+ D.埋在地下的钢管与电源正极连接可以减缓腐蚀 【解析】 金属的电化学腐蚀和化学腐蚀本质上都是金属被氧化而变质,A 项 正确;钢铁腐蚀的负极反应是金属失电子发生氧化反应,正极反应得电子发 生还原反应,B、 项错误;埋在地下的钢管与电源正极连接可以加快其腐蚀 C 速率,D 项错误。 【答案】 A

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2.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机酸转化成 氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池负极反应为( A.H2+2OH--2e2H2O B.O2+4H++4eC.H2-2e2H+ 4OHD.O2+2H2O+4e2H2O )

【解析】 以酸为电解质,电极反应中无 OH-参加反应或生成,A、 两项错误;B D 为还原反应,是正极反应;C 为氧化反应,是负极反应。 【答案】 C

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3.下图实验为研究金属腐蚀的实验。下列相关说法正确的是(

)

A.食盐水中有气泡逸出 B.铁表面的反应为 Fe-3e-

Fe3+

C.红色首先在食盐水滴的中心出现 D.该实验研究的是金属的吸氧腐蚀 【解析】由于电解质溶液为中性,因此属于吸氧腐蚀,D 项正确;图中铁为负 极,发生的反应为 Fe-2eO2+4e-+2H2O 【答案】 D
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Fe2+,B 项错误;铁板中的碳作正极,电极反应为

4OH-,因正极反应需要氧气参加,故溶液周边接触空气处

首先变红,C 项错误;反应整个过程中没有气体生成,因此 A 项错误。

4.下图是铅蓄电池充、放电时的工作示意图,已知放电时电池反应 为:PbO2+Pb+4H++2SO4
2-

2PbSO4+2H2O。下列有关说法正确的是(

)

A.K 与 N 相接时,能量由电能转化为化学能 B.K 与 N 相接时,H+向负极区迁移 C.K 与 M 连接时,所用电源的 a 极为负极 D.K 与 M 相接时,电子流向为 Pb→a→b→PbO2→Pb
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【解析】 K 与 N 相接时,实际上是铅蓄电池的工作过程,能量由化学能转化 为电能,负极发生失电子氧化反应,阳离子移向正极,A、 项错误;K 与 M 连 B 接时,实际上为电池的充电过程,电池正极与外接电源正极相接,电池负极必 须与外接电源负极相接,Pb 电极为负极,故电源 a 极为负极,C 项正确;在原电 池内部或电解池内部的电解质溶液中,只有阴、阳离子的定向移动,没有电 子的流动,D 项错误。 【答案】 C

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