資源簡介

2025屆高三化學一輪專題復習講義（09）
專題三 基本理論
3-2 原電池原理及應用（1課時）
【復習目標】
1．了解原電池及常見化學電源的工作原理。
2．通過生活中實例，認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用。
【重點突破】
1．原電池的工作原理。
2．常見化學電源在實際生產和生活中的應用。
【真題再現】
例題1．（2023·江蘇高考）下列物質結構與性質或物質性質與用途具有對應關系的是
A．H2具有還原性，可作為氫氧燃料電池的燃料
B．氨極易溶于水，液氨可用作制冷劑
C．H2O分子之間形成氫鍵，H2O(g)的熱穩定性比H2S(g)的高
D．N2H4中的N原子與H+形成配位鍵，N2H4具有還原性
解析：A項，燃料電池負極物質失電子，具有還原性，故A正確；B項，制冷劑是因為氨氣易液化，氣化時需要吸熱，B錯誤；C項，熱穩定性是化學性質范疇，與化學鍵有關與氫鍵無關，氫鍵只是影響物質的物理性質，C錯誤；D項，N2H4是共價分子，構成微粒是原子，原子間通過形成共用電子對，D錯誤。
答案：A
例題2．（2022·江蘇高考）周期表中ⅣA族元素及其化合物應用廣泛，甲烷具有較大的燃燒熱（890.3 kJ·mol-1 ），是常見燃料；Si、Ge是重要的半導體材料，硅晶體表面SiO2能與氫氟酸(HF，弱酸)反應生成H2SiF6(H2SiF6在水中完全電離為H+和SiF)；1885年德國化學家將硫化鍺（GeS2）與H2共熱制得了門捷列夫預言的類硅—鍺；下列化學反應表示正確的是
A. SiO2與HF溶液反應：SiO2+6HF===2H++SiF+2H2O
B. 高溫下H2還原GeS2：GeS2+H2===Ge+2H2S
C. 鉛蓄電池放電時的正極反應：Pb-2e-+SO===PbSO4
D. 甲烷的燃燒：CH4(g)+2O2(g) ===CO2(g)+2H2O(g) △H=890.3kJ·mol-1
解析：A項，由題意可知，二氧化硅與氫氟酸溶液反應生成強酸H2SiF6和水，反應的離子方程式為SiO2+6HF===2H++SiF+2H2O，正確；B項，硫化鍺與氫氣共熱反應時，氫氣與硫化鍺反應生成鍺和硫化氫，硫化氫高溫下分解生成硫和氫氣，則反應的總方程式為GeS2Ge+2S，故B錯誤；C項，鉛蓄電池放電時，二氧化鉛為正極，酸性條件下在硫酸根離子作用下二氧化鉛得到電子發生還原反應生成硫酸鉛和水，電極反應式為正極反應PbO2+2e-+SO+4H+===PbSO4+2H2O，錯誤；D項，由題意可知，1mol甲烷完全燃燒生成二氧化碳和液態水放出熱量為890.3kJ，熱化學方程式為CH4(g)+2O2(g) ===CO2(g)+2H2O(g) △H=-890.3kJ·mol-1，錯誤。
答案：A。
例題3．（2022·全國高考真題）一種水性電解液Zn-MnO2離子選擇雙隔膜電池如圖所示[KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)存在]。電池放電時，下列敘述錯誤的是
A．Ⅱ區的K+通過隔膜向Ⅲ區遷移
B．Ⅰ區的SO通過隔膜向Ⅱ區遷移
C．MnO2電極反應：MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O
D．電池總反應：Zn+4OH-+MnO2+4H+===Zn(OH)+Mn2++2H2O
解析：A項，根據分析，Ⅱ區的K+只能向Ⅰ區移動，錯誤；B項，根據分析，Ⅰ區的SO向Ⅱ區移動，B正確；C項，MnO2電極的電極反應式為MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正確；D項，電池的總反應為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O，正確。
答案：A
例題4．（2022·全國統考高考真題）Li—O2電池比能量高，在汽車、航天等領域具有良好的應用前景。近年來科學家研究了一種光照充電Li—O2電池（如圖所示）。光照時，光催化電極產生電子(e)和空穴(h)，驅動陰極反應（Li++ e=== Li）和陽極反應（Li2O2+ 2h=== 2Li++O2）對電池進行充電。下列敘述錯誤的是
A．充電時，電池的總反應Li2O2=== 2Li+O2
B．充電效率與光照產生的電子和空穴量有關
C．放電時，Li+從正極穿過離子交換膜向負極遷移
D．放電時，正極發生反應2Li++O2+ 2e=== Li2O2
解析：A項，光照時，光催化電極產生電子和空穴，驅動陰極反應和陽極反應對電池進行充電，結合陰極反應和陽極反應，充電時電池的總反應為Li2O2=2Li+O2，正確；B項，充電時，光照光催化電極產生電子和空穴，陰極反應與電子有關，陽極反應與空穴有關，故充電效率與光照產生的電子和空穴量有關，正確；C項，放電時，金屬Li電極為負極，光催化電極為正極，Li+從負極穿過離子交換膜向正極遷移，錯誤；D項，放電時總反應為2Li+O2===Li2O2，正極反應為O2+2Li++2e-===Li2O2，正確。
答案：C
例題5．（2020·江蘇高考）HCOOH燃料電池。研究 HCOOH燃料電池性能的裝置如圖所示，兩電極區間用允許K＋、H＋通過的半透膜隔開。電池負極電極反應式：_________________；放電過程中需補充的物質A為________（填化學式）。圖所示的 HCOOH燃料電池放電的本質是通過 HCOOH與O2的反應，將化學能轉化為電能，其反應的離子方程式：____________________。
解析：該裝置為原電池裝置，放電時HCOOˉ轉化為HCO被氧化，所以左側為負極，Fe3+轉化為Fe2+被還原，所以右側為正極。左側為負極，堿性環境中HCOOˉ失電子被氧化為HCO3-，根據電荷守恒和元素守恒可得電極反應式為HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO+H2O；電池放電過程中，鉀離子移向正極，即右側，根據圖示可知右側的陰離子為硫酸根，而隨著硫酸鉀不斷被排除，硫酸根逐漸減少，鐵離子和亞鐵離子進行循環，所以需要補充硫酸根，為增強氧氣的氧化性，溶液最好顯酸性，則物質A為H2SO4；根據裝置圖可知電池放電的本質是HCOOH在堿性環境中被氧氣氧化為HCO，根據電子守恒和電荷守恒可得離子方程式為2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2 HCO。
答案：HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ= HCO+H2O H2SO4
2HCOOH+O2+2OHˉ = 2 HCO+2H2O或2HCOOˉ+O2= 2HCO3-
例題6．（2020·江蘇高考）將金屬M連接在鋼鐵設施表面，可減緩水體中鋼鐵設施的腐蝕。在題圖所示的情境中，下列有關說法正確的是（ ）
A. 陰極的電極反應式為Fe－2e=== Fe2+
B. 金屬M的活動性比Fe的活動性弱
C. 鋼鐵設施表面因積累大量電子而被保護
D. 鋼鐵設施在河水中的腐蝕速率比在海水中的快
解析：該裝置為原電池原理的金屬防護措施，為犧牲陽極的陰極保護法，金屬M作負極，鋼鐵設備作正極，據此：A項，陰極鋼鐵設施實際作原電池的正極，正極金屬被保護不失電子，錯誤；B項， 陽極金屬M實際為原電池裝置的負極，電子流出，原電池中負極金屬比正極活潑，因此M活動性比Fe的活動性強，錯誤；C項，金屬M失電子，電子經導線流入鋼鐵設備，從而使鋼鐵設施表面積累大量電子，自身金屬不再失電子從而被保護，正確；D項，海水中的離子濃度大于河水中的離子濃度，離子濃度越大，溶液的導電性越強，因此鋼鐵設施在海水中的腐蝕速率比在河水中快，錯誤。
答案：C。
小結：主要考查的知識點有原電池的正負極判斷、電極反應式的書寫、根據氧化還原反應設計原電池、微粒（離子、電子）流向、微粒交換膜、鹽橋、化學電源的原理及應用原電池原理進行金屬的防護。
【知能整合】
1．原電池正、負極的判斷方法：
2．原電池電極反應式的書寫方法：
“加減法”：（1）定正負極，列反應式，標同數電子得失。
（2）注意電極生成物是否與電解質溶液中的某些微粒反應。
（3）總反應式減去其中一級反應式，即得另一級電極反應式。
3．根據原電池判斷金屬活潑性方法：
（1）首先依據電子流向、電流流向、反應現象確定正負極。
（2）對于酸性電解質，一般是作負極的金屬為較活潑金屬，正極的為相對較不活潑的金屬。
4．鹽橋的作用：
電化學裝置中都有兩個電極，分別發生氧化反應與還原反應。若兩個電極插在同一電解質溶液的容器內，則由于陰陽離子的移動速率不同而導致兩極之間出現濃度差，以及因電極本身直接與離子反應而導致兩極之間電勢差變小，影響了電流的穩定。為解決這個問題，人們使用了鹽橋。鹽橋主要出現在原電池中，有時也可在電解池中出現，其主要作用就是構建閉合的內電路，但不影響反應的實質。鹽橋內常為飽和氯化鉀、硝酸鉀等溶液。
5．化學電源
高考中常見的化學電源有“氫鎳電池”、“高鐵電池”、“堿性鋅錳電池”、“海洋電池”、“燃料電池”等新型電池，新型電池是對電化學原理的綜合考查，在高考中依托新型電池考查的電化學原理知識有：判斷電極、離子、電子的流向、書寫電極反應式等。不同“介質”下燃料電池電極反應式的書寫，大多數學生感到較難。主要集中在：一是得失電子數目的判斷，二是電極產物的判斷。下面以CH3OH、O2燃料電池為例，分析電極反應式的書寫。
（1）酸性介質
如稀H2SO4溶液：CH3OH在負極上失去電子生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在H＋作用下生成H2O。
電極反應：負極：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋
正極：3O2＋12e－＋12H＋===6H2O
（2）堿性介質
如KOH溶液：CH3OH在負極上失去電子，在堿性條件下生成CO， O2在正極上得到電子生成OH－。
電極反應：負極：2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O
正極：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－
（3）熔融鹽介質
如K2CO3：在電池工作時，CO移向負極。CH3OH在負極上失去電子，在CO的作用下生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在CO2的作用下生成CO。
電極反應：負極：2CH3OH－12e－＋6CO===8CO2↑＋4H2O
正極：3O2＋12e－＋6CO2===6CO
（4）其它介質
如摻雜Y2O3的ZrO3固體作電解質，在高溫下能傳導正極生成的O2－。根據O2－移向負極，在負極上CH3OH失電子生成CO2氣體，而O2在正極上得電子生成O2－。
電極反應：負極：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2↑＋4H2O
正極：3O2＋12e－===6O2－
6．思維方式：知識遷移
由陌生裝置圖遷移到課本熟悉的裝置圖
燃 料 電 池
【體系再構】
【隨堂反饋】
基礎訓練
1．微型銀—鋅電池可用作電子儀器的電源，其電極分別是Ag/Ag2O和Zn，電解質為KOH溶液，電池總反應為Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2，下列說法正確的是
A．電池工作過程中，KOH溶液濃度降低
B．電池工作過程中，電解液中OH－向正極遷移
C．負極發生反應Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
D．正極發生反應Ag2O＋2H＋＋2e－===Ag＋H2O
2．科學家基于易溶于的性質，發展了一種無需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲能設備（如圖）。充電時電極a的反應為： 。下列說法正確的是
A．充電時電極b是陰極
B．放電時溶液的減小
C．放電時溶液的濃度增大
D．每生成，電極a質量理論上增加
3．利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
題3圖 題4圖
A．相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能
B．陰極區，在氫化酶作用下發生反應H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正極區，固氮酶為催化劑，N2發生還原反應生成NH3
D．電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動
4．海水電池在海洋能源領域備受關注，一種鋰-海水電池構造如示意題4圖。下列說法錯誤的是
A．海水起電解質溶液作用
B．N極僅發生的電極反應：
C．玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D．該鋰-海水電池屬于一次電池
拓展訓練
5．鎳鎘電池是二次電池，其工作原理示意圖如題5圖（L為小燈泡，K1、K2為開關，a、b為直流電源的兩極）。下列說法不正確的是
A．斷開K2、合上K1，鎳鎘電池能量轉化形式：化學能→電能
B．斷開K1、合上K2，電極A為陰極，發生還原反應
C．電極B發生氧化反應過程中，溶液中KOH濃度不變
D．鎳鎘二次電池的總反應式：Cd+ 2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2
題5 題6
6．某全固態薄膜鋰離子電池截面結構如題6圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為LiCoO2薄膜；集流體起導電作用。下列說法不正確的是
A．充電時，集流體A與外接電源的負極相連
B．放電時，外電路通過amol電子時，LiPON薄膜電解質損失amolLi+
C．放電時，電極B為正極，反應可表示為
D．電池總反應可表示為
7．一種以和為電極、水溶液為電解質的電池，其示意圖如下所示。放電時，可插入層間形成。下列說法錯誤的是

A．放電時V2O5為正極
B．放電時Zn2+由負極向正極遷移
C．充電總反應：
D．充電陽極反應：
8. 科學家近年發明了一種新型Zn CO2水介質電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料，放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。下列說法錯誤的是
A．放電時，負極反應為
B．放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol
C．充電時，電池總反應為
D．充電時，正極溶液中OH 濃度升高
【隨堂反饋】答案：
1．C 2．C 3．B 4．B 5．C 6 ．B 7．C 8. D
【課后作業】
1．如圖是一種電解質溶液可以循環流動的新型電池。下列說法正確的是
A．Cu電極為正極
B．PbO2電極反應式：PbO2＋2e－＋4H＋===Pb2＋＋2H2O
C．放電后循環液中H2SO4與CuSO4物質的量之比變小
D．若將Cu換成Pb，則電路中電子轉移方向改變
2．一種可在較高溫下安全快充的鋁-硫電池的工作原理如圖，電解質為熔融氯鋁酸鹽(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔點為93℃的共熔物)，其中氯鋁酸根[AlnCl(n≥1)]起到結合或釋放Al3+的作用。電池總反應：。下列說法錯誤的是
A．AlnCl含4n個Al—Cl鍵
B．AlnCl中同時連接2個Al原子的Cl原子有(n-1)個
C．充電時，再生1molAl單質至少轉移3mol電子
D．放電時間越長，負極附近熔融鹽中n值小的AlnCl濃度越高
3．2019年度諾貝爾化學獎授予在鋰離子電池發展做出貢獻的三位科學家。某濃差電池的原理如下圖所示，可用該電池從濃縮海水中提取LiCl溶液。下列有關該電池的說法不正確的是
A．該裝置可在提取LiCl溶液的同時獲得電能
B．電子由Y極通過外電路移向X極
C．正極發生的反應：2H＋＋2e－===H2↑
D．Y極每生成22.4 L Cl2，有2 mol Li＋從b區移至a區
4．ZulemaBorjas等設計的一種微生物脫鹽池的裝置如下圖所示。下列說法正確的是
A. 該裝置可以在高溫下工作
B．X、Y依次為陽離子、陰離子選擇性交換膜
C．負極反應式：CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
D．該裝置工作時，電能轉化為化學能
5. 鋰－銅空氣燃料電池是低成本高效電池。該電池通過一種復雜的銅“腐蝕”現象產生電能，其中放電過程為2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－。下列說法不正確的是
A．放電時，Li＋透過固體電解質向Cu極移動
B．通空氣時，銅被腐蝕，產生Cu2O
C．放電時，正極的電極反應式：Cu2O＋2e－＋2H＋===2Cu＋H2O
D．整個反應過程中，氧化劑為O2
6．H2S廢氣資源化的原理：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l)　ΔH＝－632 kJ·mol-1。下圖為H2S燃料電池的示意圖。下列說法正確的是
A．電極b為電池的負極
B．電極b上發生的電極反應：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．電路中每流過4 mol電子，電池會產生632 kJ電能
D．每34 g H2S參與反應，有2 mol H＋經質子膜進入正極區
7．NO2、O2、熔融鹽NaNO3組成的燃料電池如下圖所示，在使用過程中石墨Ⅰ電極反應生成一種氧化物Y，下列有關說法正確的是
A．石墨Ⅰ極為正極，石墨Ⅱ極為負極
B．Y的化學式可能為NO
C．石墨Ⅱ極上的O2被氧化
D．石墨Ⅰ極的電極反應式：NO2＋NO－e－===N2O5
8. 二甲醚是一種綠色、可再生的新能源。下圖是綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖（a、b均為多孔性Pt電極）。該電池工作時，下列說法正確的是
A．a電極為該電池正極
B．O2在b電極上得電子，被氧化
C．電池工作時，燃料電池內部H＋從b電極移向a電極
D．電池工作時，a電極反應式：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2↑＋12H＋
9．執法交警最常用的一種酒精檢測儀的工作原理如下圖所示，其原理用化學方程式表示為：CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O，被測者呼出氣體中所含的酒精被輸送到電池中反應產生微小電流，該電流經電子放大器放大后在液晶顯示屏上顯示其酒精含量。下列說法錯誤的是
A．呼出氣體中酒精含量越高，微處理器中通過的電流越大
B．b為正極，電極反應式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．電解質溶液中的H＋移向b電極
D．a極上的電極反應式：CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋
10. 以甲烷為燃料的新型電池得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖。下列說法錯誤的是
A．以甲烷為燃料，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池
B．A極為電池正極，發生還原反應
C．B極的電極反應式為CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
D．該電池的總反應為CH4＋2O2 CO2＋2H2O
11．我國科學家發明了一種以和為電極材料的新型電池，其內部結構如下圖所示，其中①區、②區、③區電解質溶液的酸堿性不同。放電時，電極材料轉化為。下列說法錯誤的是

A．充電時，b電極上發生還原反應
B．充電時，外電源的正極連接b電極
C．放電時，①區溶液中的SO向②區遷移
D．放電時，a電極的電極反應式為MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2
【課后作業】答案
1．C 2．D 3．D 4．C 5．C 6．D 7．C 8．C 9．D 10．D 11．B
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