2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第2讲　原电池　化学电源学案

这是一份2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第2讲 原电池 化学电源学案，共26页。学案主要包含了原电池的工作原理及其应用，化学电源等内容，欢迎下载使用。


一、原电池的工作原理及其应用
1.概念和反应本质
原电池是将化学能转化为电能的装置,其反应本质是① 氧化还原反应 。
2.构成条件
3.工作原理
及时提醒 a.盐桥的组成:盐桥中装有KCl等溶液和琼胶制成的胶冻。
b.盐桥的作用:连接内电路,形成闭合回路;平衡电荷,使原电池不断产生电流。
4.原电池原理的应用
(1)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作 负极 的金属比作 正极 的金属活泼。
(2)加快氧化还原反应的速率
一个 自发 进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率 加快 。例如,在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池的 正极 而得到保护。例如,要保护铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与锌块相连,使锌作原电池的负极。
(4)设计制作化学电源
a.首先将氧化还原反应分成两个半反应。
b.根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
二、化学电源
1.一次电池
(1)碱性锌锰干电池
正极反应:2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-;
负极反应: Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2 ;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)锌银电池
负极反应:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极反应:Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-;
总反应: Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag 。
2.二次电池
(1)二次电池工作原理模型
(2)铅蓄电池总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
a.放电时——原电池
负极反应: Pb(s)+SO42-(aq)-2e-PbSO4(s) ;
正极反应: PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-PbSO4(s)+2H2O(l) 。
b.充电时——电解池
阴极反应: PbSO4(s)+2e-Pb(s)+SO42-(aq) ;
阳极反应: PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq) 。
放电时原电池的负极作充电时电解池的 阴 极。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池
a.总反应: 2H2+O22H2O
b.电极反应
负极
正极
(2)甲烷—氧气燃料电池(负极反应式)
a.CH4-8e-+10OH-CO32-+7H2O(碱性介质);
b.CH4-8e-+2H2OCO2+8H+(酸性介质);
c.CH4-8e-+4CO32-5CO2+2H2O(熔融碳酸盐作介质);
d.CH4-8e-+4O2-CO2+2H2O(熔融的金属氧化物作介质高温下能传导O2-)。
1.易错易混辨析(正确的画“√”,错误的画“✕”)。
(1)原电池装置可以把化学能全部转化为电能( )
(2)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应( )
(3)实验室制备H2时,用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳( )
(4)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动( )
(5)锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液,形成闭合回路,所以有电流产生( )
(6)在原电池中失去电子的一极是负极,发生的是还原反应( )
(7)将铝片和镁片用导线连接后,插入盛有NaOH溶液,铝作负极( )
(8)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池( )
(9)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能( )
(10)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H2-4e-4H+( )
答案 (1)✕ (2)✕ (3)√ (4)✕ (5)✕ (6)✕ (7)√ (8)✕ (9)✕ (10)✕
2.如何判断原电池的正、负极?
(1)由组成原电池的电极材料判断。一般活动性较强的金属为 极,活动性较弱的金属或能导电的非金属为 极。
(2)根据电流方向或电子流动方向判断。外电路:电流由 极流向 极;电子由 极流向 极。
(3)根据原电池的电解质溶液中离子的移动方向判断。在原电池的电解质溶液中,阳离子移向 极,阴离子移向 极。
(4)根据原电池两极发生的反应类型判断。原电池的 极失电子发生氧化反应, 极得电子发生还原反应。
(5)根据现象判断。一般情况下,溶解的一极为 极,增重或有气体逸出的一极为 极。
答案 (1)负 正 (2)正 负 负 正 (3)正 负 (4)负 正 (5)负 正
考点一 原电池工作原理及其应用
◆核心整合
构建原电池思维模型
◆典例探究
例 (2020江西抚州周测)下图是某同学设计的原电池装置,下列叙述中正确的是( )
A.电极Ⅰ上发生还原反应,作原电池的负极
B.电极Ⅱ上的电极反应式为Cu2++2e-Cu
C.该原电池的总反应为2Fe3++CuCu2++2Fe2+
D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递电子
答案 C A项,电极Ⅰ上发生还原反应,作原电池的正极,电极反应式为2Fe3++2e-2Fe2+,错误;B项,电极Ⅱ为原电池的负极,发生氧化反应,电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误;C项,该原电池的总反应为2Fe3++CuCu2++2Fe2+,正确;D项,盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是平衡正、负极两池的电荷,盐桥中离子的定向移动形成电流,电子不能通过电解质溶液,错误。
◆题组训练
题组一 原电池的工作原理
1.(2020重庆检测)如图所示,X为单质硅,Y为金属铁,a为NaOH溶液,组装成一个原电池,下列说法正确的是( )
A.X为负极,电极反应式为Si-4e-Si4+
B.X为正极,电极反应式为4H2O+4e-4OH-+2H2↑
C.X为负极,电极反应式为Si+6OH--4e-SiO32-+3H2O
D.Y为负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+
答案 C 先由氧化还原反应确定正极和负极,再根据反应物和产物确定电极反应式。硅、铁、NaOH溶液组成原电池时,硅为负极:Si-4e-+6OH-SiO32-+3H2O;铁为正极:4H2O+4e-4OH-+2H2↑;电池总反应方程式为Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑。
2.在如图所示的8个装置中,属于原电池的是 。
答案 ②④⑥⑦
解析 ①中缺1个电极,且无闭合回路;③不能形成闭合回路;⑤酒精为非电解质;⑧电极相同,且不能形成闭合回路。
题组二 原电池原理的应用
3.课堂学习中,同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是( )
A.原电池是将化学能转化成电能的装置
B.原电池可由电极、电解质溶液和导线等组成
C.图中电极a为铝条、电极b为锌片时,导线中会产生电流
D.图中电极a为锌片、电极b为铜片时,电子由铜片通过导线流向锌片
答案 D 原电池是将化学能转化成电能的装置,A项正确;原电池可由电极、电解质溶液和导线等组成,B项正确;题图中电极a为铝条、电极b为锌片时,构成原电池,导线中会产生电流,C项正确;题图中电极a为锌片、电极b为铜片时,锌片作负极,电子由锌片通过导线流向铜片,D项错误。
4.有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
由此可判断这四种金属的金属活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a C.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 C 把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④,则由实验①可知,a作原电池负极,b作原电池正极,金属活动性:a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则金属活动性:b>c;由实验③可知,d极溶解,则d作原电池负极,c作正极,金属活动性:d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,金属活动性:d>a。综上所述可知四种金属的金属活动性:d>a>b>c。
考点二 化学电源
◆典例探究
例 (2020福建南平七模)我国成功研制的新型可充电AGDIB电池(铝—石墨双离子电池)采用石墨、铝锂合金作为电极材料,以常规锂盐和碳酸酯溶剂为电解液。电池反应为CxPF6+LiyAlCx+LiPF6+Liy-1Al。放电过程如图所示,下列说法正确的是( )
A.B为负极,放电时铝失电子
B.充电时,与外加电源负极相连一端电极反应式为LiyAl-e-Li++Liy-1Al
C.充电时,A电极反应式为Cx+PF6--e-CxPF6
D.废旧AGDIB电池进行“放电处理”时,若转移1ml电子,石墨电极上可回收7gLi
答案 C 根据装置图可知放电时锂离子定向移动到A极,则A极为正极,B极为负极,放电时锂失电子,故A错误;充电时,与外加电源负极相连一端为阴极,电极反应式为Li++Liy-1Al+e-LiyAl,故B错误;充电时,A电极为阳极,电极反应式为Cx+PF6--e-CxPF6,故C正确;废旧AGDIB电池进行“放电处理”时,若转移1ml电子,消耗1mlLi,即7gLi失电子,铝电极减少7g,但石墨电极上未生成Li,故D错误。
名师点拨
突破二次电池的四个角度
◆题组训练
题组一 一次电池
1.Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )
A.负极反应式为Mg-2e-Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应:Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
答案 B A项,Mg-AgCl电池中,Mg为负极,失去电子,正确;B项,AgCl为正极,故正极反应式为AgCl+e-Ag+Cl-,错误;C项,电池放电时,阴离子移向负极,正确;D项,镁是活泼金属,能与水发生反应,故电池负极会发生副反应,正确。
2.(2020甘肃兰州月考)Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液,示意图如下。该电池工作时,下列说法正确的是 ( )
A.Mg电极是该电池的正极
B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应
C.石墨电极附近溶液的pH增大
D.溶液中Cl-向正极移动
答案 C 题给电池中,Mg电极为负极,A项错误;石墨电极为正极,H2O2得电子发生还原反应,电极反应式为H2O2+2e-2OH-,电极附近溶液的pH增大,B项错误、C项正确;溶液中Cl-移向Mg电极,即Cl-向负极移动,D项错误。
题组二 二次电池
3.用Li和石墨的复合材料以及纳米Fe2O3材料作电极的锂离子电池,在循环充放电过程中可实现对磁性的可逆调控(如图)。
下列有关说法一定错误的是( )
A.该电池的电解质溶液可以是硫酸溶液
B.放电时,总反应式是6Li+Fe2O33Li2O+2Fe
C.充电时,阳极的电极反应是2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+
D.充放电过程中,电池可在被磁铁不吸引和吸引之间循环调控
答案 A 题给电池中含有Li和Fe2O3,都可以与硫酸反应,故A错误;放电时,Li作为负极,失电子被氧化,阳极Fe2O3得电子被还原,故放电时,总反应式是6Li+Fe2O33Li2O+2Fe,故B正确;充电时,阳极与正极相反,阳极的电极反应是2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+,故C正确;根据题图中的充电过程可以看到电池没有被磁铁吸引,因为充电过程的物质转化是由Fe和Li2O转化为Li和Fe2O3,因此充电时电池不能被磁铁吸引,放电过程的物质转化是由Li和Fe2O3转化为Fe和Li2O,有铁生成,因此放电时电池被磁铁吸引,故D正确。
4.“ZEBRA”绿色电池是新型电动汽车的理想电源,结构如图所示(隔开两极的陶瓷管作钠离子导体):
下列关于该电池的叙述错误的是( )
A.放电时,Na+、Al3+均向负极移动
B.放电时,Na元素被氧化
C.充电时的阳极反应式为Ni+2Cl--2e-NiCl2
D.该电池具有可快充、高比功率、放电持久等优点
答案 A 放电时为原电池,根据原电池的工作原理,阳离子向正极移动,故A错误;根据装置图,金属钠为活泼金属,金属钠作负极,Na失电子,被氧化,故B正确;充电时为电解池,根据装置图,阳极反应式为Ni+2Cl--2e-NiCl2,故C正确;根据题中信息可知,该电池具有可快充、高比功率、放电持久等特点,故D正确。
题组三 新型燃料电池
5.金属(M)—空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.金属M作电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应:O2+4e-+2H2O4OH-
D.电池反应:2M+O2+2H2O2M(OH)2
答案 B 由题给金属(M)—空气电池的工作原理示意图可知,金属M作电池负极,负极反应为2M-4e-2M2+,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,两电极反应相加可得电池反应:2M+O2+2H2O2M(OH)2,电解质显然不是熔融的MO(因体系中有H2O和OH-),故A、C、D正确,B错误。
6.(2020河北秦皇岛摸底考)一种三室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示,图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示,咸水中的主要溶质为NaCl。
下列有关说法正确的是( )
A.a为原电池的负极
B.b电极附近溶液的pH减小
C.a电极反应式为C6H10O5+24e-+7H2O6CO2↑+24H+
D.中间室:Na+移向左室,Cl-移向右室
答案 A 由题图知,a电极上有机物C6H10O5失去电子转化为CO2等,故a电极为负极,A正确;b电极上NO3-得到电子转化为N2,故b电极是正极,电极反应式为2NO3-+10e-+12H+N2↑+6H2O,反应中消耗H+,溶液pH增大,B错误;a电极上是有机物失去电子转化为CO2等物质,C错误;阳离子移向正极,阴离子移向负极,D错误。
1.(2020课标Ⅰ,12,6分)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH)42-
B.放电时,1mlCO2转化为HCOOH,转移的电子数为2ml
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH)42-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
答案 D A项,放电时Zn极为负极,负极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH)42-,正确;B项,放电时,正极反应为CO2+2e-+2H+HCOOH,每转化1mlCO2,转移2ml电子,正确;C项,充电时,阳极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极反应式为2Zn(OH)42-+4e-2Zn+8OH-,将两极电极反应式相加得总反应,正确;D项,充电时,正极溶液中OH-浓度降低,错误。
2.(2020课标Ⅲ,12,6分)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-VO43-+2B(OH)4-+4H2O
该电池工作时,下列说法错误的是( )
A.负载通过0.04ml电子时,有0.224L(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-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-
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 正极发生的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,因此当负载通过0.04ml电子时,消耗O20.01ml,即标准状况下0.224L,A项正确;正极O2发生反应产生OH-,c(OH-)增大,正极区溶液pH升高,负极VB2发生反应消耗OH-,c(OH-)减小,负极区溶液pH降低,B项错误;正极反应×11即11O2+22H2O+44e-44OH-,负极反应×4即4VB2+64OH--44e-4VO43-+8B(OH)4-+16H2O,相加可得电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-,C项正确;外电路中,电流由电池正极(复合碳电极)经负载流到负极(VB2电极),电池内部,电流由电池负极经电解质溶液(KOH溶液)流回正极,D项正确。
3.(2020山东,10,2分)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1ml电子时,模拟海水理论上除盐58.5g
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 A项,结合题给微生物脱盐电池装置可知,a极的电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,故a极为负极,b极为正极,正确。B项,a极区有H+产生,阳离子增多,为保证溶液呈电中性,Cl-需定向迁移到a极区,隔膜1为阴离子交换膜;同理,b极的电极反应式为2H++2e-H2↑,需Na+定向迁移到b极区,隔膜2为阳离子交换膜,错误。C项,当电路中转移1ml电子时,有1mlNa+和1mlCl-发生定向迁移,故理论上除盐58.5g,正确。D项,结合电极反应式,得8e-~2CO2~4H2,故电池工作一段时间后,正、负极产生的气体的物质的量之比为2∶1,正确。
4.(2020天津,11,3分)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na+xSNa2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是( )
A.Na2S4的电子式为
B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx
C.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极
D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
答案 C A项,Na2S4中有类似Na2O2中O原子间形成的非极性键,正确;B项,由电池的总反应方程式可知,x个S原子得到2个电子,故放电时正极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx(因Na2Sx难溶于熔融硫,故不拆),正确;C项,由电池的总反应方程式可知,放电时,钠失去电子是负极反应物,硫得到电子是正极反应物,故Na和S分别作电池的负极和正极,错误;D项,由题图可知Na-β-Al2O3是隔膜,且电池可以充电,属于二次电池,正确。
5.(2020课标Ⅰ,27,15分)为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题:
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10ml·L-1FeSO4溶液,需要的仪器有药匙、玻璃棒、 (从下列图中选择,写出名称)。
(2)电池装置中,盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据,盐桥中应选择 作为电解质。
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入 电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02ml·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)= 。
(5)根据(3)、(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为 ,铁电极的电极反应式为 。因此,验证了Fe2+氧化性小于 、还原性小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。
答案 (1)烧杯、量筒、托盘天平 (2)KCl (3)石墨 (4)0.09ml·L-1 (5)Fe3++e-Fe2+ Fe-2e-Fe2+ Fe3+ Fe (6)取少量溶液,滴入KSCN溶液,不出现血红色
解析 (1)配制0.10ml·L-1FeSO4溶液,需要用托盘天平称取FeSO4·7H2O晶体,在烧杯中加一定量的蒸馏水将其溶解,一般用量筒量取溶解和洗涤所用的蒸馏水;(2)Fe2+和Fe3+都能水解使溶液显酸性,NO3-在酸性条件下能氧化Fe或Fe2+,K+和Cl-都不与溶液中的物质发生反应,且电迁移率更为接近,故盐桥中选择KCl作为电解质;(3)电子由铁电极流向石墨电极,即石墨电极得电子,溶液中负电荷增多,为平衡电荷使溶液保持电中性,盐桥中的阳离子应进入石墨电极溶液中;(4)两电极转移电子数相等,负极铁被氧化,正极Fe3+被还原,故正极(石墨电极)的电极反应式为Fe3++e-Fe2+,负极(铁电极)的电极反应式为Fe-2e-Fe2+,故石墨电极溶液中c(Fe2+)增加0.04ml·L-1,变为0.04ml·L-1+0.05ml·L-1=0.09ml·L-1;(5)总反应式为2Fe3++Fe3Fe2+,故氧化性:Fe2+(氧化产物)A组 基础达标
1.(2020湖南株洲月考)下列选项描述的过程能实现化学能转化为电能的是( )
答案 C 电池充电是将电能转化为化学能,故A错误;光合作用是将太阳能转化为化学能,故B错误;手机电池工作是将化学能转化为电能,故C正确;太阳能板充电是将光能转化为电能,故D错误。
2.在理论上不能用于设计原电池的化学反应是( )
A.HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)
B.2CH3OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+4H2O(l)
C.Zn(s)+CuSO4(aq)ZnSO4(aq)+Cu(s)
D.2H2(g)+O2(g)2H2O(l)
答案 A 理论上能用于设计原电池的化学反应,必须是自发的氧化还原反应。HCl(aq)+NaOH(aq)NaCl(aq)+H2O(l)是酸碱中和反应,不是氧化还原反应,故不能用于设计原电池,A项符合题意。
3.(2020宁夏月考)下图为原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为:X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和碳棒,则X为碳棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的金属活动性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
答案 C 由题图可知,电子的流动方向是X→外电路→Y,则电流的方向为Y→外电路→X;X为原电池的负极,Y为正极,X的金属活动性比Y的强,X极应发生氧化反应,Y极应发生还原反应。所以A、B、D三项错误,C项正确。
4.(2020湖南长沙模拟)如图所示装置,电流表G发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列各组中的( )
A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸
B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸
C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液
D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液
答案 D 该原电池中,A极逐渐变粗,B极逐渐变细,所以B作负极,A作正极,B的金属活动性大于A的,A、C两项错误;A极逐渐变粗,说明有金属析出,B选项析出氢气,D选项析出金属,故B项错误,D项正确。
5.(2020湖北黄冈周测)某兴趣小组设计了如图所示的原电池装置(盐桥中吸附有饱和K2SO4溶液)。下列说法正确的是( )
A.该原电池的正极反应式为Cu2++2e-Cu
B.甲烧杯中溶液的红色逐渐变深
C.盐桥中的SO42-移向乙烧杯
D.若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸,电流表指针反向偏转
答案 C 正极Fe3+得电子,发生还原反应,电极反应式为Fe3++e-Fe2+,A项错误;甲烧杯中发生反应Fe3++e-Fe2+,则甲烧杯中溶液的红色逐渐变浅,B项错误;阴离子向负极移动,乙烧杯中Cu为负极,C项正确;若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸,稀硝酸可氧化Cu,Cu仍为负极,电流表指针偏转方向不变,D项错。
6.(2020江苏徐州月考)锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。下列有关叙述正确的是( )
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后,甲池的c(SO42-)减小
C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加
D.阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动,保持溶液中电荷平衡
答案 C 题中所述锌铜原电池中,Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+;Cu为正极,电极反应式为Cu2++2e-Cu,发生还原反应。阴离子SO42-不能通过阳离子交换膜,故甲、乙两池中c(SO42-)不变,溶液中的阴离子无法通过阳离子交换膜。故选C。
7.下列关于实验现象的描述不正确的是( )
A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中,铜片表面出现气泡
B.用锌片作负极,铜片作正极,在CuSO4溶液中,铜片质量增加
C.把铜片插入三氯化铁溶液中,在铜片表面出现一层铁
D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴氯化铜溶液,气泡放出速率加快
答案 C 铜片和铁片紧靠并浸入稀H2SO4中,形成原电池,铜片为正极,发生反应:2H++2e-H2↑,所以可观察到铜片表面出现气泡,A项正确;锌片作负极,铜片作正极,发生反应:Zn+Cu2+Zn2++Cu,生成的Cu在铜片上析出使其质量增加,B项正确;铜片插入FeCl3溶液,发生的反应是Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+,并没有单质铁的析出,C项错误;向盛有锌粒和盐酸的试管中,滴入几滴CuCl2溶液,发生反应:Zn+Cu2+Zn2++Cu,置换出的Cu与剩余的Zn接触,置于盐酸中,构成了原电池,加快了2H++2e-H2↑的反应,可观察到气泡放出速率加快,D项正确。
8.某甲烷熔融燃料电池的工作原理如图所示,下列有关该电池的说法正确的是( )
A.放电中,Li+、Na+移向负极
B.负极反应式为CH4-8e-+4CO32-5CO2+2H2O
C.随着放电的进行,熔融盐中CO32-不断减少
D.从理论上讲,X电极上生成的CO2应有一半转移到Y电极上
答案 B 原电池工作时,阳离子移向正极,A项错误;还原剂CH4在负极上失去电子转化为CO2、H2O,B项正确;正极上有O2与CO2两种物质参与反应生成CO32-,CO32-保持不变,C项错误;根据碳原子守恒知,X电极上生成的CO2有大部分转移到Y电极上,D项错误。
9.一种微生物脱盐池的装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.该装置可以在高温下工作
B.X、Y依次为阳离子、阴离子选择性交换膜
C.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+
D.该装置工作时,电能转化为化学能
答案 C 高温能使微生物蛋白质变性,导致电池工作失效,A项错误;原电池内电路中:阳离子移向正极、阴离子移向负极,从而达到脱盐目的,所以Y为阳离子交换膜、X为阴离子交换膜,B项错误;由题图可知,负极为有机废水CH3COO-的电极,失电子发生氧化反应,电极反应为CH3COO+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,C项正确;该装置工作时为原电池,是将化学能转化为电能的装置,D项错误。
10.(2020安徽蚌埠二检)继电器在控制电路中应用非常广泛,有一种新型继电器是以对电池的循环充放电实现自动离合(如图所示)。
已知电极材料一极为纳米Fe2O3,另一极为金属锂和石墨的复合材料。
以下关于该继电器的说法中错误的是( )
A.充电完成时,电池能被磁铁吸引
B.该电池电解液一般由高纯度的有机溶剂、锂盐等原料组成
C.充电时,该电池正极的电极反应式为2Fe-6e-+3O2-Fe2O3
D.放电时,Li作电池的负极,Fe2O3作电池的正极
答案 A 由题给信息可知,放电时Fe2O3转化为Fe,则充电时Fe 转化为Fe2O3,充电完成时,电池不能被磁铁吸引,A不正确。金属锂能与水直接发生反应,故电解液一般由高纯度的有机溶剂、锂盐等原料组成,B正确。充电时电池正极为电解池的阳极,发生氧化反应:2Fe-6e-+3O2-Fe2O3,C正确。放电时,Li作电池的负极,转化为Li2O;Fe2O3作电池的正极,转化为Fe,D正确。
11.(2020河北邯郸月考)(1)CO与H2反应可制备CH3OH,CH3OH可作为燃料使用,用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下:
电池总反应为2CH3OH+3O22CO2+4H2O,则电极c是 (填“正极”或“负极”),电极c的电极反应式为 。若线路中转移2ml电子,则上述CH3OH燃料电池消耗的O2在标准状况下的体积为 L。
(2)下图是甲烷燃料电池的原理示意图,回答下列问题:
①电池的负极是 (填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为 。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)负极 CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+ 11.2
(2)①a CH4+10OH--8e-CO32-+7H2O ②减小
解析 (1)根据题图中的电子流向知电极c是负极,甲醇发生氧化反应:CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+;线路中转移2ml电子时,消耗氧气0.5ml,标准状况下体积为11.2L。
(2)①CH4在反应时失去电子,故a电极是电池的负极。负极反应式可由总反应式CH4+2OH-+2O2CO32-+3H2O减去正极反应式O2+2H2O+4e-4OH-得到。②由于电池工作过程中会消耗OH-,故一段时间后,电解质溶液的pH会减小。
B组 综合提升
12.(2020安徽马鞍山一模)科研人员研发出一种新型铝—石墨双离子电池,电池结构如图所示。电池总反应为AlLi+Cx(PF6)xC+Al+PF6-+Li+,则下列有关说法不正确的是( )
A.放电时,a极的电极反应式:AlLi-e-Li++Al
B.充电时,b极与外接电源的正极相连
C.充电时,PF6-向b极移动
D.电池中电解质溶液可能是LiPF6的水溶液
答案 D 电池工作时的总反应为AlLi+Cx(PF6)xC+Al+PF6-+Li+,则放电时AlLi被氧化,a为原电池的负极,电极反应式为AlLi-e-Al+Li+,b为正极,Cx(PF6)得电子被还原,电极反应式为Cx(PF6)+e-xC+PF6-,充电时,电极反应与放电时的反应相反。放电时是原电池,a极是负极,负极上发生氧化反应,电极反应式为AlLi-e-Li++Al,故A正确;放电时b为正极,充电时,b极与外接电源的正极相连,作阳极,故B正确;充电时,b为阳极,阴离子向阳极移动,PF6-向b极移动,故C正确;电池中电解质溶液若是LiPF6的水溶液,溶液中有水,会与AlLi电极反应,不能构成原电池,故D错误。
13.(2020天津南开月考)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌—碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是( )
A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e-2I-+Br-
B.放电时,溶液中离子的数目增大
C.充电时,b电极每增重0.65g,溶液中有0.02mlI-被氧化
D.充电时,a电极接外电源负极
答案 D 由工作原理示意图中Zn2+迁移的方向可判断放电时a为正极,b为负极。放电时,a极得到电子,发生还原反应,使溶液中离子数目增大,A、B项正确;充电时,a极接外接电源的正极,D项错误;充电时,b极为阴极,电极反应式为Zn2++2e-Zn,每增重0.65g,转移0.02ml电子,a极为阳极,电极反应式为2I-+Br--2e-I2Br-,转移0.02ml电子,有0.02mlI-被氧化,C项正确。
14.(2020黑龙江哈尔滨模拟节选)利用反应6NO2+8NH37N2+12H2O构成电池的方法,既能实现有效消除氮氧化物的排放,减轻环境污染,又能充分利用化学能,装置如图所示。
(1)电极A的电极反应式为 。
(2)下列关于该电池的说法正确的是 。
A.电子从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B.为使电池持续放电,离子交换膜需选用阴离子交换膜
C.当有4.48LNO2被处理时,转移电子的物质的量为0.8ml
答案 (1)2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O (2)B
解析 (1)根据电池反应的化学方程式可知氨气中氮元素的化合价升高,被氧化,所以通入氨气的一极为负极,发生的反应是氨气失去电子生成氮气,因为电解质溶液为KOH溶液,所以氨气失去电子与氢氧根离子结合为水,电极反应式是2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O。(2)A项,电子从负极(左侧)流出经过负载后流向正极(右侧),错误;B项,溶液中的OH-从右侧移动到左侧,参与负极的电极反应,为使电池持续放电,则需选用阴离子交换膜,同时可防止二氧化氮与碱反应,生成硝酸盐与亚硝酸盐,导致原电池不能正常工作,正确;C项,没说明4.48LNO2是否为标准状况下测得的数据,无法利用标准状况下气体摩尔体积计算,错误。
考试要点
核心素养
1.理解原电池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
1.变化观念与平衡思想:认识原电池的本质是氧化还原反应。能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。
2.证据推理与模型认知:能利用典型的原电池装置,分析原电池原理,建立解答原电池问题的思维模型,并利用模型揭示其本质及规律。
3.科学态度与社会责任:具有可持续发展意识和绿色化学观念,能对与原电池有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
反应
能发生② 自发进行 的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两个电极
闭合回路
形成需三个条件:电解质溶液;两电极直接或间接接触;两电极插入电解质溶液中
装置图
电极名称
负极
正极
电极材料
Zn片
Cu片
电极反应
③ Zn-2e-Zn2+
④ Cu2++2e-Cu
反应类型
⑤ 氧化 反应
⑥ 还原 反应
电子流向
由⑦ 锌 片沿导线流向⑧ 铜 片
电流方向
Cu→导线→Zn→电解液→Cu
离子流向
阴离子向⑨ 负极 迁移;阳离子向⑩ 正极 迁移
电池反应
Zn+Cu2+Cu+Zn2+
两类装置的
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,化学能既转化为电能,又转化为热能,造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触,化学能仅转化为电能,避免能量损耗,故电流稳定,持续时间长
实验
装置
部分实
验现象
a极质量减小;b极质量增加
b极有气体产生;c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
阳离子
u∞×108/(m2·s-1·V-1)
阴离子
u∞×108/(m2·s-1·V-1)
Li+
4.07
HCO3-
4.61
Na+
5.19
NO3-
7.40
Ca2+
6.59
Cl-
7.91
K+
7.62
SO42-
8.27
A.电池充电
B.光合作用
C.手机电池工作
D.太阳能板充电