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原电池工作原理及其应用(一)


原电池原理及其应用(一)

【考纲点击】 1. 了解原电池的工作原理,能写出电极反应 式和电池总反应式 2. 了解常见化学电源的种类及其工作原理 3. 了解金属发生电化学腐蚀的原因以及防护 措施

知识回顾
一?原电池的工作原理

1.定义
化学能 电能 把_____转化为____的装置?

2.构成条件
活泼性 (1)具有两个_______不同的电极(金属和金属或金属

和非金属)?
(2)具有______溶液? 电解质

闭合回路 接触 (3)形成________(或在溶液中相互____)?

3.原电池的两极
较强 氧化 负极:活泼性____的金属,发生____反应? 较弱 还原 正极:活泼性____的金属或导体,发生____反应? 4.电极反应式的书写和电荷移动方向

(1)电极反应式的书写
Zn-2e =Zn 负极:___,电极反应式:____________ Zn 2H +2e =H2↑ 正极:___,电极反应式:____________ Cu Zn+2H =Zn +H2↑ 电池反应:________________
+ 2+ + 2+

(2)电荷移动方向
电子由____释放,经_____沿导线流入____,电解 负极 外电路 正极

质溶液中的_____移向正极,在其表面得电子被 阳离子
____,形成一个闭合回路? 还原

二?化学电源 1.干电池
锌片 石墨 锌-锰干电池的负极材料是___,正极材料是____ Zn MnO2 ?在负极上,___失e-被氧化,在正极上,____得e-被 还原。

2.铅蓄电池
如铅蓄电池:H2SO4作电解液 (1)放电时 2Pb+SO4 -2e =PbSO4 负极:__________________
2PbO2+4H +SO4 +2e =PbSO4+2H 正极:____________________________ 2O +

Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2 总反应:_____________________________O (2)充电反应为电解过程,是放电反应的逆过程 PbSO4+2e =Pb 阴极:_______________
2+ + 2-

PbSO4+2H2O-2e =PbO2+4H + SO 阳极:______________________________ 4

2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO 总反应:____________________________ 4

3.燃料电池 (1)a.氢氧液体燃料电池

介质 酸 性 中 性 碱 性

电池反应: 2H2 +O2 = 2H2O 负极

2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e-= 4H2O

正极
负极

正极
负极

2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

正极

3.燃料电池 b.氢氧固体燃料电池

固体电解质介质

电池反应: 2H2 +O2 = 2H2O 负 极 正 极 负 极 2H2 - 4e- +2O2-= 2H2O

O2 + 4e-= 2O2-
2H2 - 4e- = 4H+

正 O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O 极

(2)CH4燃料电池:电解质为KOH CH4+10OH -8e = CO3 +7H2O 负极:__________________________
2O2+4H2O+8e =8OH 正极:_____________________ CH4+2O2+2OH = CO3 +3H2O 总反应:__________________________
22-

(3)CH3OH燃料电池:电解质为KOH 2CH3OH+16OH -12e =2 CO3 +12H2O 负极:________________________________
正极:______________________ 3O2+6H2O+12e =12OH 2-

2CH3OH+3O2+4OH =2CO3 +6H2O 总反应:_______________________________

-

2-

三?金属的腐蚀与防护 1.金属的腐蚀

(1)概念
氧化还原 金属与周围的空气或液体物质发生_______反应

而引起损耗的现象?
(2)分类 电化学 化学 一般分为____腐蚀和______腐蚀两种?

(3)化学腐蚀 氧化性 金属跟接触到的_______气体或液体等直接发生化学 反应而引起的腐蚀? (4)电化学腐蚀
电解质溶液 ①概念:___的金属跟________接触时,因为发生 不纯 原电池 ____反应而引起的腐蚀?

②分类

a. 析氢腐蚀 在金属外面的水膜呈 较强酸 性时发生析氢腐蚀? _____

以钢铁为例: Fe-2e =Fe 负极(Fe):___________
+ -

-

2+

2H +2e =H2↑ 正极(C):_____________

b.吸氧腐蚀 酸性 碱性 在金属外面的水膜____很弱或呈____或中性,溶解一定量

O2 __时发生吸氧腐蚀?
以钢铁为例: 2Fe-4e-=2Fe2+ 负极(Fe):______________ O2+2H2O+4e-=4OH正极(C):________________ 2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2 总反应:_____________________

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH) 氧化过程:__________________________3
2Fe(OH)3=Fe2O3· 2O+(3-n)H2O nH 脱水过程:___________________________

2.金属的防护 (1)改变金属的内部结构,使其成为防腐蚀金属,如制
不锈钢 成______等? 喷油漆?涂油脂?电镀?喷镀 (2)加防护层,如在金属表面___________________

或表面钝化等方法?

(3)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法——_____原理 原电池

正 a.__极(阴极):被保护的金属设备
b.__极(阳极):比被保护的金属活泼的金属 负 ②外加电流的阴极保护法——电解原理 a.阴极:被保护的金属设备 b.阳极:惰性电极

【例1】 一种燃料电池中发生的化学反应为:在酸性
溶液中甲醇与氧气作用生成水和二氧化碳?该电池

负极发生的反应是(

)

A.CH3OH(g)+O2(g)-2e-=H2O(l)+CO2(g)+2H+(aq)

B.O2(g)+4H+(aq)+4e-=2H2O(l)
C.CH3OH(g)+H2O(l)-6e-=CO2(g)+6H+(aq)

D.O2(g)+2H2O(l)+4e-=4OH[答案] C

[解析] 正极发生还原反应,负极发生氧化反应,首先根
据题意写出电池总反应式和正极反应式,用总反应

式减正极反应式即得负极反应式?
总反应式:2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l)

正极反应式:O2(g)+4H+(aq)+4e-=2H2O(l)
负极反应式:CH3OH(g)+H2O(l)-6e-=CO2(g)+6H+(aq)

变式1:某固体氧化物燃料电池(SOFC)以固体氧化物 作为电解质,其中O2-可以在其内部自由通过?其工 作原理如图所示,下列关于固体燃料电池的有关说 法正确的是( )

A.电极b为电池负极,电极反应式为O2+4e-=2O2B.固体氧化物的作用是让电子在电池内通过 C.若H2作为燃料气,则接触面上发生的反应为 : H2+2OH--4e-=2H++H2O D.若C2H4作为燃料气,则接触面上发生的反应为: C2H4+8O2--12e-=2CO2 +2H2O
答案: D

解析:A项,电极b上通入的空气或氧气,是得电子的物 质,故b应为电池的正极? B项,电子无法通过电解质溶液(即电子只能通过外 电路)? C项,由于该固体氧化物燃料电池中没有H2O,更没 有H+和OH-,H2失电子后,与O2-结合起来生成H2O, 电极反应式应为H2+O2--2e-=H2O? D项,C2H4作为燃料气,失去e-后,再与O2-结合,会生 成 CO2和H2O两种物质?即:C2H4+8O2--12e-=2 CO2 +2H2O?

【例2】 下列有关电池的说法不正确的是(
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池

)

B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌
电极

C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D.锌锰干电池中,锌电极是负极

[答案] B

[解析] 本题考查实用电池的有关知识?手机用电池
是可充电电池,A对?铜锌原电池,Cu为正极,Zn为 负极,外电路中电子由负极流向正极,B错?燃料电

池将化学能转化为电能,C对?锌锰干电池,Zn为负
极,D对?

变式2:新型高能钠硫电池以熔融的钠?硫为电极,以钠离 子导电的陶瓷为固体电解质?该电池放电时为原电池, 充电时为电解池?反应原理为:2Na+xS = Na2Sx? 请回答下列问题:
还原 负 (1)放电时S发生________反应,Na为______极?

(2)充电时Na所在电极与直流电源________极相连? 负 Xs+2e-= Sx2(3)充电时阳极反应为_________________;放电时负 极反应为_______________? 2Na-2e-=2Na+
(4)用此电池电解饱和NaCl溶液,当阳极产生11.2 L(标

准状况)气体时,消耗金属钠________g? 23

[解析]作为原电池(放电)时,金属Na为电池的负极,失 电子,发生氧化反应:2Na-2e-=2Na+;S作为正极, 得电子,发生还原反应:xS+2e-= Sx2- ;电池充电时 是作为电解池,Na+在Na所在电极得电子,发生还原 反应,该电极为阴极,与直流电源的负极相连, Sx2在阳极失电子,发生氧化反应: Sx2- -2e-=xS?用此 电池电解饱和NaCl溶液,阳极有11.2 L气体(Cl2)生 成时,即有1 mol e-转移,所以消耗1 mol,即23 g金 属钠?

【例3】 (2010·北京卷)下列有关钢铁腐蚀与防护 的说法正确的是( )

A.钢管与电源正极连接,钢管可被保护
B.铁遇冷浓硝酸表面钝化,可保护内部不被腐蚀

C.钢管与铜管露天堆放在一起时,钢管不易被腐蚀
D.钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应是Fe-3e-=Fe3+

[答案] B

[解析] 本题考查金属的腐蚀和防护,意在考查考生对
金属腐蚀原理的理解和防护措施的应用?钢管与电

源正极相连,则钢管作阳极,发生氧化反应而被腐
蚀,A项错误;铁遇冷浓硝酸表面钝化,在表面生成 一层致密的氧化膜保护内部不被腐蚀,B项正确;钢 管与铜管露天堆放在一起,形成原电池时钢管作负 极,发生氧化反应而被腐蚀,C项错误;钢铁发生析 氢腐蚀时,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,D项错误?

变式3:钢铁生锈过程发生如下反应:①2Fe+O2+2H2O=
2Fe(OH)2;②4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3;③2Fe(OH)3=

Fe2O3+3H2O?下列说法正确的是(

)

A.反应①?②中电子转移数目相等

B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀

D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
答案: A

[解析]本题综合考查“电化学腐蚀”与氧化还原反 应的基本概念?由①②知,均转移4 mol电子,A正确 ?由①知,Fe是还原剂,O2是氧化剂,H2O在反应前后 化合价不变,B错?Fe?Cu构成原电池,Fe为负极,加 速腐蚀,C错?钢铁在潮湿的空气中能形成原电池, 发生电化学腐蚀,D错?


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