高考化学一轮复习第六章化学反应与能量第二讲原电池化学电源学案新人教版

这是一份高考化学一轮复习第六章化学反应与能量第二讲原电池化学电源学案新人教版，共24页。学案主要包含了思维升级·母题延伸，备选例题，知识拓展，加固训练—拔高，讲台挥洒一刻等内容，欢迎下载使用。
1.原电池的概念、构成及反应本质:
(1)把化学能转化为电能的装置,其本质是发生了氧化还原反应。
(2)构成条件。
①有两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)。
②将电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
③两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
④能自发发生氧化还原反应。
2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例):
3.原电池原理的应用:
(1)设计制作化学电源。
(2)加快化学反应速率。
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量 CuSO4 溶液构成原电池,反应速率增大。
(3)比较金属的活动性强弱。
原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或非金属导体)作正极。
(4)用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如:要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。( )
提示:√。氧化反应是失去电子的反应,因此在原电池中一定为负极上的反应。
(2)在锌铜原电池中,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。( )
提示:×。电子不经过电解质溶液。
(3)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。( )
提示:×。阳离子向正极移动,阴离子移向负极。
(4)某原电池反应为Cu+2AgNO3Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含琼脂的KCl饱和溶液。( )
提示:×。琼脂中少量的Cl-会进入AgNO3溶液和银离子反应。
(5)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。( )
提示:×。活泼金属不一定作负极,铝-NaOH溶液-镁电池中铝作负极。
(6)把锌片和铜片用导线连起来,浸入食盐水中,不能形成原电池。( )
提示:×。发生了吸氧腐蚀形成原电池。
2.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式: _____________。
(2)若要将上述反应设计成原电池,电极反应式分别是
①负极: _____________。
②正极: _____________。
(3)在表中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
答案:(1)2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+
(2)①Cu-2e-Cu2+ ②2Fe3++2e-2Fe2+
(3)
命题角度1:原电池的工作原理
【典例1】(2020·全国Ⅲ卷)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)-空气电池如图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-V+2B(OH+4H2O。该电池工作时,下列说法错误的是( )
A.负载通过0.04 ml电子时,有0.224 L(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+4V
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
【解析】选B。该电池中O2在正极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH- ,所以负载通过0.04 ml电子时,有0.224 L(标准状况)O2参与反应,A正确;根据正负极电极反应式可知使用过程中负极区溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高,B错误;根据两极电极反应式可知电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH+4V,C正确;VB2电极和复合碳电极分别为电池的负极、正极,根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极,D正确。
【思维升级·母题延伸】(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断装置中的离子交换膜是阳离子交换膜还是阴离子交换膜?
提示:阴离子交换膜。该电池中复合碳电极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-,产生OH-,而VB2电极上发生的反应消耗OH-,因此离子交换膜应为阴离子交换膜。
(2)(宏观辨识与微观探析)有同学认为:本电池工作时电子从VB2电极出发沿导线到达复合碳电极,再经KOH溶液回到VB2电极,从而构成闭合回路的。此同学的认识是否正确?为什么?
提示:不正确。电子不能经过电解质溶液,在电解质溶液中是阴阳离子的定向移动构成闭合回路的。
【备选例题】
下图中四种电池装置是依据原电池原理设计的,下列有关叙述错误的是( )
A.①中锌电极发生氧化反应
B.②中电子由a电极经导线流向b电极
C.③中外电路中电流由A电极流向B电极
D.④中LixC6作负极
【解析】选C。在原电池中阴离子移向负极,所以③中A电极为负极,则外电路中电流应由B电极流向A电极。
命题角度2:原电池的工作原理应用
【典例2】选择合适的图象,将序号填在相应横线上:
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是
_____________。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是_____________。
(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图象是_____________。
【以图析题·培养关键能力】
【解析】(1)当加入少量CuSO4溶液,Zn可以置换Cu,构成原电池,速率加快,但由于部分Zn参与置换Cu的反应,H2的量减少,故选A。
(2)Zn与CuSO4溶液反应置换Cu,Zn、Cu、H2SO4构成原电池,加快反应速率,但由于Zn足量,n(H+)不变,H2的量不变,故选B。
(3)加入CH3COONa,c(H+)减少,但n(H+)不变,故速率减慢,产生H2的量一样多,故选C。
答案:(1)A (2)B (3)C
【备选例题】
(2021·淮安模拟)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液、KI溶液;其他用品任选。回答下列问题:
(1)画出设计的原电池装置图,并标出电极材料、电极名称及电解质溶液________________________________________________。
(2)发生氧化反应的电极反应式为____________________。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中 (填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中的电极变为 (填“正”或“负”)极。
【解析】(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定电极材料和正、负极区的电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,负极上I-失电子变成I2。(3)反应达到平衡时,无电子移动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,该溶液中的电极变成负极。
答案:(1)如下图(答案合理即可)
(2)2I--2e-I2 (3)无 (4)负
1.原电池的工作原理简图:
注意:①若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
②若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
2.判断原电池正、负极的五种方法:
命题点1:原电池的工作原理分析(基础性考点)
1.(2021·广州模拟)某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是( )
A.若X为Fe,Y为Cu,铁为正极
B.若X为Fe,Y为Cu,电子由铜片流向铁片
C.若X为Fe,Y为C,碳棒上有红色固体析出
D.若X为Cu,Y为Zn,锌片发生还原反应
【解析】选C。Fe比Cu活泼,Fe作负极,电子从Fe流向Cu,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极C上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,发生氧化反应,故D错误。
2.(2021·福州模拟)原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是( )
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选B。①中Mg作负极;②中Al作负极;③中铜作负极;④是铁的吸氧腐蚀,Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
命题点2:原电池原理的应用(综合性考点)
3.(2021·成都模拟)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顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
【解析】选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,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,活动性:d>a。综上所述可知活动性:d>a>b>c。
命题点3:聚焦“盐桥”原电池(应用性考点)
4.将镉(Cd)浸在氯化钴(CCl2)溶液中,发生反应的离子方程式为C2+(aq)+Cd(s)C(s)+Cd2+(aq),如将该反应设计为如图的原电池,则下列说法一定错误的是( )
A.Cd作负极,C作正极
B.原电池工作时,电子从负极沿导线流向正极
C.根据阴阳相吸原理,盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动
D.甲池中盛放的是CdCl2溶液,乙池中盛放的是CCl2溶液
【解析】选C。将该反应设计为原电池时,Cd作负极,电极反应为Cd-2e-Cd2+;C作正极,电极反应为C2++2e-C,盐桥中的阳离子向正极(乙池)移动。
【知识拓展】盐桥
1.制作方法:在烧杯中加入2 g琼脂和60 mL饱和KCl溶液,使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解,然后趁热将此混合溶液加入U形玻璃管中,静置待琼脂凝固后便可使用。
2.作用:盐桥在原电池中起导电作用,使整个装置形成闭合回路,盐桥导电利用的是阴、阳离子的定向移动,使电解质溶液保持电中性,从而使原电池能相对持续、稳定产生电流。盐桥不能用导线代替。
【加固训练—拔高】
1.根据下图,判断下列说法正确的是( )
A.装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-Fe2+
B.装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+4e-4OH-
C.装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D.放电过程中,装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
【解析】选D。装置Ⅰ中,由于Zn比Fe活泼,所以Zn作原电池的负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+;Fe作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,由于正极有OH-生成,因此溶液的pH增大。装置Ⅱ中,Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-H2↑,正极由于不断消耗H+,所以溶液的pH逐渐增大,据此可知A、B均错误,D正确。在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,所以C错误。
2.全钒电池以惰性材料作电极,在电解质溶液中发生的原电池反应为V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)。
下列说法正确的是( )
A.正极反应为V+2H++e-VO2++H2O
B.负极附近的溶液由紫色逐渐变为蓝色
C.反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为0.5 ml
D.原电池使用过程中溶液的pH逐渐减小
【解析】选A。由电池总反应V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)可得,V为正极的活性物质,V2+为负极的活性物质,所以左室为正极室,右室为负极室。正极反应为V+2H++e-VO2++H2O,A项正确;负极反应为V2+-e-V3+,所以负极附近溶液的颜色由紫色逐渐变为绿色,B项错误;由电极反应V+2H++e-VO2++H2O可知,反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为1 ml,C项错误;由原电池总反应可知,反应过程中H+被不断消耗,所以溶液的pH逐渐增大,D项错误。
3.根据下图,下列判断中正确的是( )
A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
【解析】选B。由题给原电池装置可知,电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:O2+2H2O+4e-4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;烧杯b中,Zn发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+。
考点二 常见的化学电源(命题指数★★★★★)
1.一次电池:只能使用一次,不能充电复原继续使用
(1)碱性锌锰电池。
碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:2MnO2+2H2O+2e-2MnO(OH)+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。
(2)银锌电池。
银锌电池的负极是Zn,正极是Ag2O,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。
(3)锂电池。
锂电池是用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下:
负极:8Li-8e-8Li+;
正极:3SOCl2+8e-6Cl-+S+2S;
总反应:8Li+3SOCl26LiCl+Li2SO3+2S。
2.二次电池:放电后能充电复原继续使用
铅蓄电池是最常见的二次电池,总反应为
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
3.燃料电池:
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO等,燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)碱性锌锰电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。( )
提示:×。碱性锌锰电池MnO2是氧化剂参与电极反应。
(2)二次电池充电时,充电器的正极连接二次电池的正极。( )
提示:√。充电时正极连接电源的正极,作阳极发生氧化反应。
(3)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后将热能转化为电能。( )
提示:×。燃料电池直接将化学能转化为电能。
(4)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。( )
提示:√。铅蓄电池放电时,负极铅、正极二氧化铅均转变为硫酸铅,质量均增加。
(5)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移。( )
提示:×。在原电池中阳离子在电解质溶液中移向正极。
2.电子表和电子计算器中所用的是纽扣式的微型银锌电池,其电极分别为Ag2O和Zn,电解液为KOH溶液。工作时电池总反应为Ag2O+Zn+H2O2Ag+Zn(OH)2
(1)工作时电流从 极流向 极(两空均选填“Ag2O”或“Zn”)。
(2)负极的电极反应式为 。
(3)工作时电池正极区的pH (选填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)外电路中每通过0.2 ml电子,锌的质量理论上减少 g。
提示:(1)Ag2O Zn
(2)Zn+2OH--2e-Zn(OH)2 (3)增大 (4)6.5
命题角度1:新型二次电池
【典例1】科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图,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
B.放电时,1 ml CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 ml
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
【解析】选D。由题可知,放电时,CO2转化为HCOOH,即CO2发生还原反应,故放电时右侧电极为正极,左侧电极为负极,Zn发生氧化反应生成Zn(OH;充电时,右侧为阳极,H2O发生氧化反应生成O2,左侧为阴极,Zn(OH发生还原反应生成Zn。放电时,负极上Zn发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,故A正确,不选;放电时,CO2转化为HCOOH,C元素化合价降低2,则1 ml CO2转化为HCOOH时,转移电子数为2 ml,故B正确,不选;充电时,阳极上H2O转化为O2,负极上Zn(OH转化为Zn,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,故C正确,不选;充电时,正极即为阳极,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,溶液中H+浓度增大,溶液中c(H+)·c(OH-)=Kw,温度不变时,Kw不变,因此溶液中OH-浓度降低,故D错误,符合题意。
在题干条件不变的情况下,下列说法正确的是( )
A.电解质溶液1和电解质溶液2可以同为KOH溶液
B.放电时,CO2在电极上的反应可能为CO2-2e-+2H+HCOOH
C.充电时,Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-
D.充电时,外接电源的负极接右侧电极
【解析】选C。从题目给出的图示中可知左侧电极生成Zn(OH,故电解质溶液1应为碱溶液,而右侧电极上CO2生成的HCOOH为一种酸,因此电解质溶液2不可能为碱性溶液,故A项错误;放电时CO2在正极反应为得电子的反应,故B项错误;根据图示可以判断充电时Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-,故C项正确;充电时,电池的正极要接外接电源的正极,负极接外接电源的负极,故D项错误。
【讲台挥洒一刻】
命题角度2:新型燃料电池
【典例2】(2019·全国Ⅰ卷)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【解析】选B。相比现有工业合成氨,该方法选用酶作催化剂,条件温和,同时利用MV+和MV2+的相互转化,化学能转化为电能,故可提供电能,故A正确;左室为负极区,MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+,电极反应式为MV+-e-MV2+,放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+,反应的方程式为H2+2MV2+2H++2MV+,故B错误;右室为正极区,MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+,电极反应式为MV2++e-MV+,放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+,故C正确;电池工作时,氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断电池中间的交换膜是何种类?
提示:质子交换膜或阳离子交换膜。因为在负极区H2通过氢化酶的作用生成H+,而在正极区N2通过固氮酶生成NH3需要H+,因此需要将负极区生成的H+移动至正极区。
(2)(证据推理与模型认知)写出正极区在固氮酶作用下N2发生反应的电极方程式。
提示:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+。
(3)(宏观辨识与微观探析)当电路中通过3 ml电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为 L;正极区中n(H+) (填“增加”“减少”或“不变”)。
提示:22.4;不变。负极区氢气在氢化酶作用下发生氧化反应,反应式为H2+2MV2+2H++2MV+,正极区得电子发生还原反应,生成NH3,发生反应:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+,根据反应可知转移6 ml电子时生成2 ml NH3,负极区产生6 ml H+进入正极区,同时正极区消耗6 ml H+,故正极区H+总量不变,当电路中通过3 ml电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为22.4 L,正极区n(H+)不变。
【备选例题】
某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCO2+LixC6LiCO2+C6(x