选择性必修1专题1 化学反应与能量第二单元 化学能与电能的转化第1课时习题

第二单元　化学能与电能的转化

第1课时　原电池的工作原理

基础巩固

1.下列说法正确的是(　　)。

A.构成原电池正极和负极的材料必须是金属

B.在原电池中,电子流出的一极是正极,该电极上发生还原反应

C.原电池是将化学能转变为电能的装置

D.原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能

答案:C

2.根据原电池的有关知识,下列反应不能用于设计成原电池的是(　　)。

A.2FeCl3+Fe3FeCl2

B.2CH3OH+3O22CO2+4H2O

C.Zn+2HClZnCl2+H2↑

D.NaCl+AgNO3NaNO3+AgCl↓

答案:D

解析:原电池反应必须是放出能量的自发的氧化还原反应,D项是非氧化还原反应,故它不可以用于设计原电池。

3.实验发现在氯化铁酸性溶液中加少量锌粒后,Fe3+立即被还原成Fe2+。某夏令营兴趣小组根据该实验事实设计了如图所示原电池装置。下列有关说法正确的是(　　)。

A.盐桥中的阴离子往左边烧杯中移动

B.左边烧杯中溶液的血红色逐渐褪去

C.该电池铂电极上立即有气泡出现

D.该电池总反应为3Zn+2Fe3+2Fe+3Zn2+

答案:B

解析:Zn为负极,失去电子,Zn2+进入溶液,根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的原则,盐桥中的阴离子会往正电荷较多的右边烧杯中移动,A项错误;左边烧杯中溶液中的Fe3+在Pt电极上得到电子生成Fe2+,由于消耗了Fe3+,所以左边烧杯中溶液的血红色逐渐褪去,B项正确;铂电极上Fe3+被还原为Fe2+,没有气体生成,所以没有气泡出现,C项错误;该电池总反应为Zn+2Fe3+2Fe2++Zn2+,没有Fe单质生成,D项错误。

4.某原电池装置如图所示。下列有关叙述中正确的是 (　　)。

(盐桥中装有含KCl

饱和溶液的琼脂)

A.Fe作正极,发生氧化反应

B.工作一段时间后,右边烧杯中溶液pH不变

C.负极反应:2H++2e-H2↑

D.工作一段时间后,NaCl溶液中c(Cl-)增大

答案:D

解析:该装置是原电池。在该原电池中Fe作负极,发生氧化反应,A项错误。工作一段时间后,右边烧杯中的H+不断放电产生氢气,因此烧杯中溶液pH会逐渐增大,B项错误。负极反应是Fe-2e-Fe2+,C项错误。工作一段时间后,左侧烧杯中由于Fe2+不断进入溶液,根据溶液呈电中性原则,盐桥中的Cl-会进入该烧杯溶液中,则该烧杯溶液中c(Cl-)增大,D项正确。

5.下列装置中,电流表指针能发生偏转的是(　　)。

答案:D

解析:A项中锌电极和乙烧杯中的电解质溶液不能发生氧化还原反应,不能构成原电池。B项中冰醋酸不导电,不构成原电池。C项中装置符合构成原电池的条件,但两极直接接触,相当于短路,因此电路中无电流。

6.100 mL浓度为1 mol·L-1的盐酸与过量的铁片反应,为加快反应速率,又不影响生成H2的总量,可采用的方法是(　　)。

A.加入适量3 mol·L-1的盐酸

B.加入几滴CuCl2溶液

C.加入适量蒸馏水

D.加入适量的NaCl溶液

答案:B

解析:Fe置换出CuCl2中的Cu,Cu、Fe、稀盐酸构成原电池,加快了反应速率,同时也不影响产生H2的量。

7.铜锌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.原电池工作一段时间后,甲池的c(S)减小

C.原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

解析:由铜锌原电池原理可知,锌电极为负极,锌失电子,发生氧化反应,铜电极为正极,铜电极上得电子,发生还原反应,A项错误。阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,两池中c(S)不变,B项错误。原电池工作过程中Zn2+由甲池通过阳离子交换膜进入乙池,乙池中Cu2++2e-Cu,其溶液中的离子转换为Cu2+Zn2+,M(Cu2+)<M(Zn2+),乙池溶液的总质量增加,C项正确。阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,电解过程中Zn2+由甲池通过阳离子交换膜进入乙池保持溶液的电荷平衡,阴离子并不能通过阳离子交换膜,D项错误。

8.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

解析:由甲装置中a极质量减小,可知a极是负极,金属活动性a>b;对于乙装置,依据还原性规律知,金属活动性b>c;由丙装置中d极溶解,可知d为负极,金属活动性d>c;由丁装置中电流从a→d,可知电子从d→a,故金属活动性d>a。综上所述,金属活动性d>a>b>c,C项正确。

9.为了探究原电池的工作原理,某化学学习小组设计了一组实验,其装置如图所示:

回答下列问题。

(1)根据原电池原理填写下表:

(2)电极类型除与电极材料的性质有关外,还与　　　　　　　　　　　　有关。 

(3)上述电池放电过程中,电解质溶液酸碱性的变化:甲　　　　　　　,丙　　　　　　。(填“酸性减弱”或“碱性减弱”) 

答案:(1)

(2)电解质溶液的性质

(3)酸性减弱　碱性减弱

解析:(1)甲电池:在稀硫酸中,镁比铝活泼,镁为负极,发生氧化反应,铝为正极,H+在铝极上发生还原反应;乙电池:铁比铂活泼,铁为负极,发生氧化反应,铂为正极,Cu2+在铂极上被还原;丙电池:在氢氧化钠溶液中,铝与NaOH溶液反应,铝为负极,铝失去电子,发生氧化反应,与OH-反应生成偏铝酸根离子和水,镁为正极,正极上产生H2;丁电池:常温下,铝遇浓硝酸钝化,铜溶解,故铜为负极,发生氧化反应,Al为正极。(2)通过比较甲、丙电池可知,电极材料都是铝、镁,由于电解质溶液不同,故电极反应不同,即电极类型与电解质溶液的性质也有关。(3)根据电解质溶液中的反应情况判断溶液酸碱性的变化。

能力提升

1.(双选)某小组设计如图装置(盐桥中盛有浸泡了KNO3溶液的琼脂)研究电化学原理。下列叙述正确的是              (　　)。

A.银片为正极,发生的反应为Ag++e-Ag

B.进行实验时,琼脂中K+移向Mg(NO3)2溶液

C.用稀盐酸代替AgNO3溶液,可形成原电池

D.取出盐桥,电流表指针依然有偏转

答案:AC

解析:Mg比Ag活泼,Mg片为负极,Ag片为正极,A项正确。进行实验时,琼脂中的阳离子移向正极,即K+移向AgNO3溶液,B项错误。用稀盐酸代替AgNO3溶液,也可形成原电池,电池总反应为Mg+2H+Mg2++H2↑,C项正确。取出盐桥,电路断开,电流表指针不能偏转,D项错误。

2.(双选)有关下图装置的说法中正确的是(　　)。

A.氧化剂与还原剂必须直接接触,才能发生反应

B.乙池中电极反应式为N+2H++e-NO2↑+H2O

C.当铜棒质量减少6.4 g时,甲池溶液质量增加6.4 g

D.当铜棒质量减少6.4 g时,向乙池密封管中通入标准状况下1.12 L O2,将使气体全部溶于水

答案:BD

解析:该原电池中氧化反应与还原反应是在两个不同的烧杯中完成的,因此氧化剂与还原剂没有直接接触,A项错误。乙池中石墨是正极,溶液中的N得到电子,电极反应式为N+2H++e-NO2↑+H2O,B项正确。当铜棒质量减少6.4g(即0.1mol)时,甲池溶液中Cu2+增加0.1mol,但由于盐桥中Cl-向甲池中移动,所以甲池溶液增加的质量大于6.4g,C项错误。当铜棒质量减少6.4g(即0.1mol)时,转移电子的物质的量是0.2mol,所以根据电极反应式N+2H++e-NO2↑+H2O可知,生成NO2的物质的量是0.2mol,则根据反应式4NO2+O2+2H2O4HNO3可知需要氧气的物质的量是0.05mol,其在标准状况下的体积是1.12L,D项正确。

3.(双选)某兴趣小组同学利用氧化还原反应2KMnO4+10FeSO4+8H2SO42MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O设计如图原电池,盐桥中装有含饱和K2SO4溶液的琼脂。下列说法正确的是(　　)。

A.石墨b电极上发生还原反应

B.外电路电子的流向是从石墨a到石墨b

C.电池工作时,盐桥中S移向乙烧杯

D.石墨a电极上发生的反应为Mn+8H++5e-Mn2++4H2O

答案:CD

解析:依据总反应可知:MnMn2+,Mn的化合价降低,发生还原反应,石墨a电极为原电池正极;Fe2+Fe3+,Fe的化合价升高,发生氧化反应,石墨b电极为负极,外电路中电子的流向是从石墨b到石墨a,盐桥中S移向乙烧杯,K+移向甲烧杯,故A、B项错误,C、D项正确。

4.(双选)图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是(　　)。

A.甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)+Co2+(aq)Co(s)+Cd2+(aq)

B.反应2Ag(s)+Cd2+(aq)Cd(s)+2Ag+(aq)能够发生

C.盐桥的作用是形成闭合回路,并使两边溶液保持电中性

D.乙中有1 mol电子通过外电路时,正极有54 g Ag析出

答案:BD

解析:由甲可知Cd的活动性强于Co,由乙可知Co的活动性强于Ag,即Cd的活动性强于Ag,可以判断出三种金属的活动性关系为Cd>Co>Ag,则氧化性关系为Cd2+<Co2+<Ag+,故Ag不能置换出Cd,A项正确,B项错误。盐桥的作用是形成闭合回路,并使两边溶液保持电中性,C项正确。由Ag+~Ag~e-可知,乙中有1mol电子通过外电路时,正极有1molAg析出,即有108gAg析出,D项错误。

5.如图所示,烧杯内盛有浓硝酸,在烧杯中放入用铜线相连的铁、铅两个电极,甲、乙两同学在确定电池的正、负极时发生了争执,甲认为Fe比Pb活泼,Fe应为负极;乙认为Fe在浓硝酸中钝化,Pb应为负极。

(1)丙同学认为将浓硝酸换成另一种溶液,根据电流表指针偏转的情况可判断甲与乙谁的观点对。则换成的另一种溶液可以是　　　　　　　　　　　　　　　,若指针偏转方向与浓硝酸作电解液时的偏转方向　　　　(填“相同”或“不相同”),则证明甲同学的观点对。 

(2)若在Fe、Pb足量的情况下,观察到后来电流表指针反方向偏转,该现象支持　　　　(填“甲”或“乙”)同学的观点,电流表指针反方向偏转的原因是　  　。 

(3)丁同学设计成如图所示的装置获得了稳定的电流:

实验过程中发现左侧烧杯中Fe电极逐渐溶解,而溶液没有变红,请你写出Fe电极上发生反应的电极反应式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

答案:(1)稀硫酸或稀盐酸(合理即可)　相同

(2)乙　开始时,Pb作负极失电子,电子经导线流向Fe极;随着反应的进行,浓硝酸变成稀硝酸,Fe作负极失电子,电子经导线流向Pb极

(3)Fe-2e-Fe2+

解析:将设计的对比实验中电流表指针的偏转方向与图示原电池中电流表指针的偏转方向对照,来确定图示原电池的正、负极。若证明甲同学的观点正确,则需将浓硝酸换成能与铁和铅都反应的酸溶液,但不能使铁发生钝化,因此该酸溶液可以是稀硫酸或稀盐酸。丁同学获得了稳定的电流,实验过程中发现Fe电极逐渐溶解,而溶液没有变红,则Fe失去电子生成了Fe2+。

6.某校化学兴趣小组为了探究原电池工作原理,进行如下系列实验。

请分析实验结果并回答相应问题。

(1)实验一中,铜片、锌片表面均有红色物质析出,电流表指针偏转,但较短时间内电流明显减小。实验结束时测得锌片质量减少了3.94 g,铜片质量增加了3.84 g,则该原电池的工作效率是　　　　　　(指参加原电池反应的锌占反应总量的百分数)。 

(2)实验二中,刚将铜片、锌片插入溶液中时电流表指针偏转,但立即就归零了。请解释为什么锌的电子不能持续通过导线流向铜极给Cu2+: 　　　　　　　　。 

(3)实验三中,盐桥中K+移向　　　　(填“ZnSO4”或“CuSO4”)溶液,如果Zn的消耗速率为1×10-3 mol·s-1,则K+的迁移速率为　　 mol·s-1。与实验一比较,实验三中原电池的工作效率大大提高,原因是　　　　　　　　 　。 

(4)根据实验一、二、三可得出的结论是  　　　　　　　　(写出两点即可)。 

答案:(1)60%

(2)未形成闭合回路

(3)CuSO4　2×10-3　氧化剂和还原剂互不接触,电子只能通过导线发生转移

(4)Zn的活动性比Cu的强、原电池的两极和电解质溶液需要形成闭合回路才能产生电流、有盐桥的原电池可以提高工作效率(其他答案合理也可)

解析:(1)铜片、锌片表面均有红色物质铜析出,固体减小的质量为3.94g-3.84g=0.1g,

根据反应关系式:Zn　~　Cu　Δm(减小)

 65 64 1

 6.5g 0.1g

参加反应的锌的质量为6.5g,根据电子守恒得,参加原电池反应的锌的物质的量为n(Zn)=n(Cu)==0.06mol,该原电池的工作效率为×100%=60%。

(2)由于锌失电子形成Zn2+进入溶液,使溶液显正电性,Cu2+得电子使溶液显负电性,这两个因素均阻碍电子流向铜极,未形成闭合回路。

(3)实验三中,铜为正极,锌为负极,电解质溶液中阳离子向正极区移动,阴离子向负极区移动,所以K+移向CuSO4 溶液,Cl-移向ZnSO4溶液;根据电荷守恒可知,如果Zn的消耗速率为1×10-3mol·s-1,则K+的迁移速率为2×10-3mol·s-1;实验一中Zn直接和CuSO4溶液接触,有少量的Cu2+在Zn的表面得电子发生反应,而实验三中氧化剂和还原剂互不接触,电子只能通过导线发生转移,所以工作效率大大提高。

(4)根据实验一、二、三可得出的结论是Zn的活动性比Cu的强、原电池的两极和电解质溶液需要形成闭合回路才能产生电流、有盐桥的原电池可以提高工作效率。