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第2课时 化学反应与电能
一、化学能转化为电能
1.燃煤发电的能量转化。
(2) 燃烧 (氧化还原反应)是使化学能间接转换为电能的关键。
微训练1下列关于各种形式的能量相互转化途径的叙述错误的是( )。
A.家庭液化气灶将化学能转变为热能
B.灯泡将电能全部转变为光能
C.光合作用将光能转变为化学能
D.太阳能电池将太阳能转变为电能
答案:B
解析:灯泡除了将电能转变为光能之外,还转变为热能等其他形式的能量。
2.原电池。
(1)实验探究。
(2)原电池的定义:把 化学 能转化为 电 能的装置。
(3)锌铜原电池的工作原理。
电池总反应:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(4)反应本质:原电池反应的本质是 氧化还原反应 。
(5)原电池的构成要素。
理论上,自发的 氧化还原反应 均可设计成原电池。
①两个 活动性不同的金属 (或一个为金属,一个为能 导电 的非金属)电极。
②具有 电解质 溶液。
③形成 闭合回路 。
微判断(1)原电池中电子从负极经过溶液移向正极。( )
(2)负极失去电子发生氧化反应。( )
(3)盐酸与氢氧化钠溶液混合放热,故可以设计成原电池。
( )
(4)锌-铜-稀硫酸原电池中,将铜换成石墨棒也能产生电流。
( )
(5)原电池中阳离子移向正极。( )
×
√
×
√
√
二、发展中的化学电池
1.一次电池。
电池放电后 不能 再充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),这种电池属于一次电池。
锌锰电池—
电子由锌筒(填电极材料,下同)流向石墨棒。
锌逐渐消耗,二氧化锰不断被还原。
2.二次电池。
(1)定义:电池放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以 逆向 进行,使电池恢复到放电前的状态,从而实现放电(化学能转化为电能)与充电(电能转化为化学能)的循环。这种充电电池属于二次电池。
(2)常见的充电电池:①铅酸蓄电池;②镍氢电池;③锂离子电池。
3.燃料电池。
(1)定义:将 燃料 (如氢气、甲烷、乙醇)和 氧化剂 (如氧气)的 化学能 直接转化为 电能 的电化学反应装置。
(2)特点:①清洁、安全、高效;②反应物从外部提供;③能量转化率可以超过80%。
微训练2下列几种化学电池中,不属于可充电电池的是( )。
A.碱性锌锰电池 B.锂离子电池
C.铅酸蓄电池 D.镍氢电池
答案:A
解析:碱性锌锰电池属于一次电池,不属于可充电电池,A项符合题意;锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢电池属于可充电电池,B、C、D三项不符合题意。
问题探究
据报道,野外生存达人用柠檬、一排铜钉和一排锌钉制作的水果电池能引燃易燃物,该方法可用于野外生火。某同学受到启发自己动手制作了一个这样的“柠檬电池”。
(1)该“柠檬电池”的正、负极分别是什么 铜片、石墨棒、柠檬能不能形成原电池
提示:该电池的负极是锌片,正极是铜片。不可以。原电池的电极材料是活动性不同的金属或能导电的非金属,同时负极金属要与电解质溶液能发生自发的氧化还原反应。
(2)氧化还原反应的规律之一是得失电子守恒。原电池工作时,负极失去的电子总数与正极得到的电子总数有何关系 为什么
提示:相等。原电池中,负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,根据氧化还原反应中电子守恒规律知,正极上得电子总数与负极上失电子总数相等。
(3)观察该“柠檬电池”的反应现象,判断原电池工作时,电子和离子的移动方向。
提示:该“柠檬电池”中,负极锌片变薄,正极铜片上有气泡产生。原电池工作时,电子是由负极经过导线移向正极;在原电池内部电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
重难归纳
1.原电池的工作原理。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(1)两反应:正极发生还原反应;负极发生氧化反应。
(2)三方向。
①电流方向:正极→负极。
②电子流动方向(导线中):负极→正极。
③离子移动方向(电解质溶液中):阳离子→正极;阴离子→负极。
2.原电池的构成条件。
3.原电池正、负极的“常用”判断方法。
特别提醒
(1)在判断原电池正、负极时,既要考虑金属活动性的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如由镁、铝、稀盐酸构成的原电池中,负极为Mg;但是由镁、铝、氢氧化钠溶液构成的原电池中,负极为Al,正极为Mg。 (2)燃料电池放电时,正、负极的质量都不变;铅酸蓄电池放电时,正、负极的质量都增加,正极上PbO2→PbSO4,负极上Pb→PbSO4。
典例剖析
【例1】在如图所示装置中,观察到电流表指针发生偏转,M棒变粗,N棒变细,P为电解质溶液。由此判断下列M、N、P所代表的物质符合上述情况的是( )。
答案:C
解析:该装置是原电池,M棒变粗,则M棒作正极,有金属单质析出;N棒变细,则N棒作负极,失电子溶解。A项、B项中电解质是酸,M棒上无金属单质析出,不符合题意;C项,锌、银、硝酸银溶液构成原电池,锌是负极,M棒上有银析出,符合题意;D项,电解质溶液中的Fe3+得到电子转化为Fe2+,不能析出金属,不符合题意。
学以致用
1.如图所示电流表的指针发生偏转,同时A极的质量减小,B极上有气泡产生,C为电解质溶液,下列说法错误的是( )。
A.B极为原电池的正极
B.A、B、C可能分别为Zn、Cu和稀盐酸
C.C中阳离子向A极移动
D.A极发生氧化反应
答案:C
解析:原电池中,负极金属失去电子,发生氧化反应,溶解,质量减小,故A极为负极,B极为正极,A、D两项正确;A、B、C分别为Zn、Cu和稀盐酸时,可以构成原电池,且现象符合题意,B项正确;电解质溶液中阳离子移向正极,C项错误。
问题探究
印刷电路是把导体图形用印制手段蚀刻或感光在一块绝缘基板上,是使电子元件互相连接的一种电子电路。可以使用自动绘图仪迅速地把导体图形直接描绘在玻璃上制版,然后印刷出来。印刷电路使电子设备的批量生产变得简单易行。其中蚀刻反应原理是利用氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+溶解去除不需要的铜。
(1)能否将蚀刻反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计成原电池 若能,电极材料和电解质溶液可分别是什么 写出电极反应式。
提示:能。设计原电池时,注意电解质溶液一般要能够与负极发生反应(或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应,如空气中的氧气)。一般选择活动性较强的金属作负极,活动性较弱的金属或能导电的惰性电极材料(如石墨)作正极。负极材料或还原性物质在负极上失去电子被氧化,氧化性物质在正极上得到电子被还原。根据氧化还原反应2Fe3++Cu═2Fe2++Cu2+设计原电池时,应用铜片作负极,可以用石墨作正极,硫酸铁溶液作电解质溶液,负极反应式是Cu-2e-═Cu2+,正极反应式是2Fe3++2e-═2Fe2+。
(2)能否根据(1)设计的原电池比较金属铁和铜的活动性 如何根据原电池原理比较金属的活动性强弱
提示:不能,因为该电池的正极材料是石墨,负极材料铜与电解质溶液发生反应。在两极都是金属电极的原电池中,一般活动性强的金属为负极,活动性弱的金属为正极。如有两种金属A和B,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到A极溶解,B极上有气泡产生,由原电池原理可知,金属活动性A>B。
(3)现有如图所示装置。
甲、乙两个装置中,产生H2的位置有什么不同 能量转化形式有什么不同 哪个装置中产生H2的反应速率更大 为什么
提示:装置甲中Zn棒表面产生H2,化学能转化为热能。装置乙中Cu棒表面产生H2,化学能转化为电能。装置乙产生H2的反应速率更大。装置甲中,氧化反应和还原反应都在Zn表面进行,生成的Zn2+越来越多,使H+越来越难靠近Zn表面得电子。装置乙构成了原电池,氧化反应和还原反应分别在两个不同区域进行,Zn失去的电子沿导线聚集在Cu棒上,溶液中H+非常容易靠近Cu表面得电子生成H2,因此装置乙中反应速率更大。
重难归纳
1.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(或能导电的非金属)作正极。
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入酸溶液中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以断定金属活动性顺序A>B。
2.加快化学反应。
由于形成了原电池,导致反应加快。如Zn与稀硫酸反应制氢气时,可向溶液中滴加少量CuSO4溶液,形成锌铜原电池,加快反应进行。
3.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。
4.设计原电池。
(1)依据:已知一个自发的氧化还原反应,首先分析找出氧化剂、还原剂,一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化),氧化剂为电解质溶液中的阳离子(或在正极上被还原)。
(2)步骤:以Fe+CuSO4═FeSO4+Cu为例。
步骤 实例
将反应拆分
为电极反应 负极反应 Fe-2e-═Fe2+
正极反应 Cu2++2e-═Cu
选择电极
材料 负极:较活泼金属,一般为发生氧化反应的金属 Fe
正极:活动性弱于负极材料的金属或石墨 Cu或C
选择电解质 一般为与负极反应的电解质 CuSO4溶液
画出装置图
典例剖析
【例2】有a、b、c、d四个金属电极,有关的反应装置及部分实验现象如下表所示。
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:由装置①中a极质量减小,b极质量增加可知,a是负极,b是正极,活动性a>b;由装置②中c极有气体产生,b极质量减小可知,b是负极,c是正极,活动性b>c;由装置③中d极溶解,c极有气体产生,得d是负极,c是正极,活动性d>c;由装置④中电流从a极流向d极可知,a是正极,d是负极,活动性d>a;由上可得活动性:d>a>b>c,C项正确。
问题探究
铅酸蓄电池是由法国人普兰特在1859年发明的。1873年,直流发电机问世,铅酸蓄电池有了可靠的电源,逐步走向实用化。1882年,科学家发现了铅酸蓄电池充放电循环的基本原理和工艺路线。1883年,人们掌握了铅酸蓄电池充电、放电的反应:PbO2+Pb+2H2SO4═2PbSO4+2H2O。1886年,科学家发明了极板的制作方法。1970年以后,铅酸蓄电池得到广泛应用。
汽车用铅酸蓄电池和手机、笔记本电脑使用的锂离子电池都是二次电池,可以进行充电与放电的循环。
(1)二次电池在充电和放电时,能量是如何转化的
提示:放电时是化学能转化为电能,充电时是电能转化为化学能。
(2)碱性锌锰电池是二次电池吗 相对于普通锌锰电池来讲,碱性锌锰电池有什么优点
提示:不是。碱性锌锰电池是一次电池,将普通锌锰电池中的NH4Cl换成了湿的KOH,这样可延长电池的寿命和提高其性能。
(3)燃料电池是绿色清洁电池,其能量是如何转化的 写出氢氧燃料电池反应的化学方程式,由此分析两极反应物分别是什么 氢氧燃料电池是否属于二次电池
提示:燃料电池直接将化学能转化为电能。在反应2H2+O2═2H2O中,氢元素的化合价由0价升高为+1价,氧元素的化合价由0价降低为-2价,H2发生氧化反应,O2发生还原反应,H2为负极反应物,O2为正极反应物。氢氧燃料电池不属于二次电池。
重难归纳
几种电池的特点:
名称 干电池(一次电池) 充电电池(二次电池) 燃料电池
特点 ①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后,不能再使用 ①放电后可再充电使活性物质获得再生 ①电极本身不包含活性物质,只是一个催化转换元件
②电解质溶液为胶状,不流动 ②可以多次充电,重复使用 ②工作时,燃料和氧化剂连续由外部供给,在电极上不断进行反应,生成物不断被排出
名称 干电池(一次电池) 充电电池(二次电池) 燃料电池
举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等 铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等
典例剖析
【例3】下列有关电池的叙述不正确的是( )。
A.水果电池是方便实用的家用电池
B.铅酸蓄电池是一种常用的二次电池
C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置
D.锌锰干电池工作一段时间后,锌外壳可能会破损,漏出糊状物
答案:A
解析:水果电池产生的电流非常微弱且不能长时间连续放电,不能作为家用电池;铅酸蓄电池是一种常用的二次电池;氢氧燃料电池产物为水,无污染;锌锰干电池工作时,Zn放电被消耗,电池工作一段时间后锌外壳可能会破损而漏出NH4Cl糊。
学以致用
3.下列关于化学电源的说法正确的是( )。
A.干电池放电之后还能再充电
B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能
C.充电电池可以无限制地反复放电、充电
D.氢氧燃料电池是一种环境友好型电池
答案:D
解析:A项,干电池是一次电池,放电之后不能再充电,错误;B项,充电电池在放电时将化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,错误;C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,错误;D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好型电池,正确。
易错提醒
原电池中负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应,电解质溶液是通过阳离子向正极移动、阴离子向负极移动而导电,溶液中没有电子的移动。
问题探究
氢气被看作是理想的“绿色能源”。用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式(装置如图所示)。
(1)请写出氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的电极反应式。
负极:__________________________________;
正极:__________________________________。
提示:H2+2OH--2e-═2H2O
O2+2H2O+4e-═4OH-
(2)氢氧燃料电池往往以KOH溶液或硫酸溶液作电解质溶液,两种电解质溶液工作时溶液的pH如何变化
提示:以氢气为燃料时,产物为水,故碱性环境中pH减小,酸性环境中pH增大。
(3)若碱性锌锰电池总反应式为Zn+2MnO2+2H2O═ 2MnOOH+Zn(OH)2,则正极反应式是什么
提示:MnO2+H2O+e-═MnOOH+OH-。分析负极变化,写出负极电极反应式,总反应式减去负极反应式即得正极反应式。
重难归纳
1.电极反应式书写的一般步骤。
2.已知总反应式,书写电极反应式。
(1)书写步骤。
①步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
②步骤二:找出正、负极,发生失电子反应的电极为负极;确定溶液的酸碱性。
③步骤三:写电极反应式。
负极反应:还原剂-ne-══氧化产物
正极反应:氧化剂+ne-══还原产物
(2)复杂电极反应式的书写:
复杂电极的电极反应式=总反应式-较简单电极的电极反应式
(3)根据给出的两个电极反应式,写总反应式的方法。
已知两个电极反应式,使两个电极反应得、失电子数相等后,将两式相加,消去相同的化学式即可得出总反应式。
特别提醒
(1)电极反应式的书写:酸性条件下可用H+和H2O配平;碱性条件下可用OH-和H2O配平。
(2)书写电极反应式时,除了考虑反应前后粒子的得失电子情况,还必须考虑粒子在溶液中的主要存在形式。
(3)正、负极的电极反应式要保持电荷守恒。
3.氢氧燃料电池电极反应式。
项目 酸性 碱性
负极 2H2-4e-═4H+ 2H2+4OH--4e-═4H2O
正极 O2+4H++4e-═2H2O O2+2H2O+4e-═4OH-
总反应 2H2+O2═2H2O
典例剖析
【例4】 Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和石墨棒,电解质溶液是LiAlCl4-SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2═4LiCl+S+SO2↑。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为 ,发生的电极反应为 。
(2)电池正极发生的电极反应为 。
(3)SOCl2易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,生成Na2SO3和NaCl。如果把少量水滴到SOCl2中,实验现象是 ,反应的化学方程式为 。
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是 。
答案:(1)Li Li-e-═Li+
(2)2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑
(3)出现白雾,有刺激性气味的气体生成
SOCl2+H2O═SO2↑+2HCl↑
(4)电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应
解析:分析参加反应的物质的化合价变化,可得Li为还原剂,SOCl2为氧化剂。
(1)负极材料为Li,发生反应:Li-e-═Li+。
(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到: 2SOCl2+4e-═4Cl-+S+SO2↑。
(3)题中给出了用碱液吸收时的产物,则没有用碱液而改用滴加水时的产物应为SO2和HCl,所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。
(4)因为电极材料Li能与氧气、水反应,且SOCl2也能与水反应,因此该电池必须在无水、无氧的条件下进行。
学以致用
4.一种可穿戴电池的结构如图所示,其中凝胶电解质不易漏液,耐火性能良好。其电池的总反应为V2O5+xZn═ZnxV2O5。关于该电池工作原理,下列说法错误的是( )。
A.Zn为负极
B.正极反应式为V2O5+xZn2++2xe-═ZnxV2O5
C.电子由负极经隔离膜流向正极
D.凝胶电解质可提高电池的安全性和稳定性
C
解析:锌化合价升高为负极,V2O5为正极,A项正确;正极得电子,发生还原反应,该电池的总反应为V2O5+xZn═ZnxV2O5,负极反应为xZn-2xe-═xZn2+,正极反应=总反应-负极反应,得V2O5+xZn2++2xe-═ZnxV2O5,B项正确;电子只能通过导线由负极流向正极,不能在电解质体系中移动,C项错误;若电解质为水溶液则可能会腐蚀容器材料或者会泄漏,有安全隐患,因此凝胶电解质可提高电池的安全性和稳定性,D项正确。
1.下列装置中,能构成原电池的是( )。
A.只有甲 B.只有乙 C.只有丙 D.除乙均可以
答案:C
解析:甲装置没有构成闭合回路,乙装置两极材料相同,丁装置中酒精不是电解质,只有丙装置具备原电池的构成条件。
2.火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池放电时,以金属钠为负极,碳纳米管为正极,下列有关说法正确的是( )。
A.正极上发生氧化反应
B.金属钠在负极上失电子
C.阳离子由正极移向负极
D.该新型固态电池电解质可以选择水溶液环境
答案:B
解析:原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,故A项错误;金属钠为负极,负极失去电子,发生氧化反应,故B项正确;原电池工作时阳离子向正极移动,故C项错误;钠能与水反应,不可以选择水溶液环境,故D项错误。
3.选用下列试剂和电极:Fe2(SO4)3溶液、铁棒、铜棒、铂棒,组成如图所示的原电池装置,观察到电流表的指针明显偏转,则构成原电池的可能组合共有( )。
A.6种 B.5种
C.4种 D.3种
答案:D
解析:铁棒作负极时,正极可以是铜棒或铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有2种组合;铜棒作负极时,正极只能是铂棒,电解质溶液是Fe2(SO4)3溶液,有1种组合。因此,能构成原电池的组合有3种。
4.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转化为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )。
A.正极反应式:O2+2H2O+4e-═4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-═CO2+6H2O
C.放电时,溶液中的氢氧根离子浓度减小
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案:B
5.现有如下两个反应。
A.NaOH+HCl═NaCl+H2O B.Cu+2Ag+═2Ag+Cu2+
(1)根据以上两个反应的本质,判断能否用于设计成原电池
若不能,请说明原因: 。
(2)请利用能设计为原电池的反应设计一个原电池,写出正、负极材料,电极反应式,电极反应类型以及电解质溶液。
负极: , , 。
正极: , , 。
电解质溶液: 。
答案:(1)A不能,B能 A不是氧化还原反应,没有电子转移
(2)Cu Cu-2e-═Cu2+ 氧化反应 石墨棒(或Ag、铂、金) Ag++e-═Ag 还原反应 AgNO3溶液
解析:(1)只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池,B是氧化还原反应且能自发进行。
(2)根据电池反应式Cu+2Ag+═2Ag+Cu2+可知,Cu失电子作负极,负极材料是Cu,正极材料应是比铜不活泼的金属或能导电的非金属;Ag+得电子,所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。第2课时 化学反应与电能
课后·训练提升
合格考过关检验
1.下列设备工作时可以将化学能转化为电能的是( )。
A.手机电池 B.硅太阳能电池
C.水力发电 D.电烤箱
答案A
解析手机电池工作时可以将化学能转化为电能,A项正确;硅太阳能电池工作时可以将太阳能转化为电能,B项错误;水力发电是将水的机械能转化为电能,C项错误;电烤箱工作时可以将电能转化为热能等,D项错误。
2.下列四个化学反应不可用于设计原电池的是( )。
A.2Al+2NaOH+6H2O2Na[Al(OH)4]+3H2↑
B.2H2+O22H2O
C.Mg3N2+6H2O3Mg(OH)2+2NH3↑
D.CH4+2O2CO2+2H2O
答案C
解析只有自发的氧化还原反应才能用于设计原电池。A、B、D属于氧化还原反应,均可以设计为原电池。C不属于氧化还原反应,不能设计成原电池。
3.向等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是( )。
答案A
解析a中加入少量CuSO4溶液,Zn能置换出少量Cu,构成Zn-Cu-稀硫酸原电池,可加快反应速率,但a中有少量Zn与CuSO4反应置换出Cu,故产生的H2体积减小,A正确。
4.用如图所示装置进行实验,若下图中x轴表示流入正极的电子的物质的量,则y轴可以表示( )。
①c(Ag+) ②c(N) ③a棒的质量 ④b棒的质量
⑤溶液的质量
A.② B.②④
C.①③⑤ D.②⑤
答案A
解析N不参加反应,因此c(N)不变;根据电池总反应Fe+2Ag+Fe2++2Ag可知,a棒的质量减小,b棒的质量增大,每溶解56 g的铁转移2 mol电子,有216 g银从溶液中析出,c(Ag+)变小,随着反应的进行溶液的质量减小,但溶液质量不会变为0。综上,A项正确。
5.某同学设计了如图所示两个实验装置(图Ⅰ、图Ⅱ中除连接的铜棒不同外,其他均相同),下列有关说法正确的是 ( )。
A.图Ⅰ中锌棒溶解的速率比图Ⅱ的快
B.图Ⅰ中温度计的示数高于图Ⅱ的示数
C.图Ⅰ和图Ⅱ中温度计示数相等,且均高于室温
D.图Ⅰ和图Ⅱ的气泡均产生于锌棒表面
答案B
解析图Ⅰ中锌棒直接与稀硫酸接触,发生置换反应生成ZnSO4和H2;图Ⅱ中Zn、Cu、硫酸构成原电池,锌为原电池的负极,发生氧化反应,故图Ⅱ中锌溶解的速率比图Ⅰ的快,A项错误;图Ⅰ中锌与稀硫酸反应,为放热反应,图Ⅱ中构成原电池,化学能没有全部转化为热能,大多转化为电能,因此图Ⅰ中温度计的示数高于图Ⅱ的示数,B项正确,C项错误;图Ⅰ中锌棒直接与稀硫酸接触,Zn失去电子变为Zn2+进入溶液,H+在锌棒上得到电子发生还原反应产生H2,气泡产生于锌棒表面;而图Ⅱ构成了原电池,锌为负极,失去电子,电子由导线流向铜棒,在铜棒上H+得到电子被还原产生H2,可见图Ⅱ的气泡产生于铜棒表面,D项错误。
6.已知空气-锌电池的电极反应为
锌片:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2
石墨:O2+2H2O+4e-4OH-
根据此判断,锌片是( )。
A.负极,并被氧化
B.负极,并被还原
C.正极,并被氧化
D.正极,并被还原
答案A
解析由电极反应:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2可知,Zn失去电子被氧化,作电源的负极。
7.燃料电池是电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池,如图所示a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是( )。
A.a极是负极,该电极上发生氧化反应
B.b极反应是O2+4OH--4e-2H2O
C.总反应的化学方程式为2H2+O22H2O
D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
答案B
解析a极为负极,电极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O,即a极上发生氧化反应,A正确;b极为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,B不正确;正、负极的电极反应式相加得总反应为2H2+O22H2O,C正确;氢氧燃料电池的能量高,且产物为水,对环境无污染,故是具有应用前景的绿色电源,D正确。
8.氯铝电池是一种新型的燃料电池,电解质溶液是KOH溶液。请回答下列问题。
(1)通入Cl2(g)的电极是 (填“正”或“负”)极;
(2)投入Al(s)的电极是 (填“正”或“负”)极;
(3)外电路电子从 (填“Al”或“Cl2”)极流向 (填“正”或“负”)极;
(4)每消耗8.1 g Al(s),电路中通过的电子数目为 NA(设NA表示阿伏加德罗常数的值)。
答案(1)正 (2)负 (3)Al 正 (4)0.9
解析判断原电池的正、负极首先要分析题中所给信息,此题所给信息是具体反应物,根据反应的化学方程式:2Al+3Cl22AlCl3,可知Cl2得电子在正极发生还原反应,Al失电子在负极发生氧化反应,所以通入Cl2(g)的电极是正极,投入Al(s)的电极是负极,外电路电子由负极(Al)流向正极。8.1 g Al(s)的物质的量为=0.3 mol,1 mol Al反应转移3 mol电子,0.3 mol Al反应在电路中通过的电子数目为0.9NA。
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1.火星大气中CO2占96%,钠 CO2电池在火星探测中具有广泛的应用前景。电池总反应为4Na+3CO22Na2CO3+C,装置如图所示。设NA表示阿伏加德罗常数的值,下列说法正确的是( )。
A.该电池中的金属钠可用金属铁代替
B.图中有机溶剂可以用水代替
C.电子移动方向:A极用电器B极NaClO4的有机溶剂A极
D.若在标准状况下67.2 L CO2参与反应,电路中转移的电子数为4NA
答案D
解析金属铁性质与金属钠性质不相似,故该电池中的金属钠不可用金属铁代替,A项错误;钠能与水反应,故图中有机溶剂不可以用水代替,B项错误;放电时,钠被氧化,二氧化碳被还原,钠为负极,电子由负极经外电路流向正极,即电子移动方向:A极→用电器→B极,电子不能进入原电池内部,C项错误;电池的总反应为4Na+3CO22Na2CO3+C,反应过程中每消耗3 mol CO2转移4 mol电子,若在标准状况下67.2 L CO2参与反应,CO2的物质的量为=3 mol,则电路中转移的电子数为4NA,D项正确。
2.如图是某同学设计的锌铜原电池装置,实验时,观察到滤纸上紫色小点向a极移动。下列说法不正确的是( )。
A.电子由b经导线移向a
B.a极为Zn片,发生氧化反应
C.若将Cu片移出滤纸,锌片会继续溶解
D.b极的电极反应式为2H++2e-H2↑
答案A
解析由题意知,滤纸上紫色小点向a极移动,即Mn向a极移动,则a极为负极,b极为正极,由此分析解答。原电池中电子经导线由负极移向正极,即电子由a经导线移向b,故A项错误;a极为负极,则a极为Zn片,失电子发生氧化反应,故B项正确;若将Cu片移出滤纸,锌片与稀硫酸反应,继续溶解,故C项正确;b极为正极,电极反应式为2H++2e-H2↑,故D项正确。
3.根据下列实验事实:①X+Y2+X2++Y;②Z+2H2OZ(OH)2+H2↑;③Z2+的氧化性比X2+弱;④由Y、W电极组成原电池,电极反应为W2++2e-W,Y-2e-Y2+,可知X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是 ( )。
A.X>Z>Y>W
B.Z>W>X>Y
C.Z>X>Y>W
D.Z>Y>X>W
答案C
解析①中X能置换出Y,说明还原性X>Y;②中Z可与冷水反应,说明Z是极活泼金属;③说明还原性Z>X;④中Y、W形成原电池时,Y作负极,说明还原性Y>W。综上所述,金属的还原性由强到弱的顺序为Z>X>Y>W。
4.由质量均为10 g的铁片﹑铜片和足量的CuSO4溶液组成原电池装置,经过一段时间后,两电极的质量差变为12 g,则下列说法正确的是( )。
A.铁片溶解了6 g
B.导线中通过了0.2 mol电子
C.铜片上析出了6 g Cu
D.铜片溶解了6.4 g
答案B
解析负极反应式为Fe-2e-Fe2+,正极反应式为Cu2++2e-Cu,设有x mol Fe在负极上反应,则正极生成x mol Cu,(10+64x)-(10-56x)=12,x=0.1,则m(Fe)=0.1 mol×56 g·mol-1=5.6 g,A项错误;x=0.1,则转移电子的物质的量为0.2 mol,B项正确;在正极上析出的铜为m(Cu)=0.1 mol×64 g·mol-1=6.4 g,而不是铜片溶解,C、D两项错误。
5.我国科研人员研制出“Na-CO2”电池。以钠箔和多壁碳纳米管(MWCNT)为电极材料,放电时总反应的化学方程式为4Na+3CO22Na2CO3+C。其工作原理如图所示,下列说法不正确的是( )。
A.放电时,电子流向:钠箔→导线→MWCNT
B.放电时,Na+向正极移动
C.放电时,正极上CO2发生还原反应
D.该电池可用NaCl溶液作电解质溶液
答案D
解析放电时,Na为负极,碳纳米管为正极,电子的流向从负极到正极,故从钠箔→导线→MWCNT,A项正确;在原电池中,阳离子向正极移动,故Na+向正极移动,B项正确;放电时,正极上二氧化碳得电子和钠离子反应生成碳酸钠和C,故发生还原反应,C项正确;若NaCl溶液作电解质溶液,Na会与水反应,D项错误。
6.如下图所示装置可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式(当电解质溶液为NaOH溶液或KOH溶液时)两种。请回答下列问题。
氢氧燃料电池示意图
(1)酸式电池的电极反应,负极: ,正极: ;电池总反应: ;电解质溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)碱式电池的电极反应,负极: ,正极: ;电池总反应: ;电解质溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)若NA为阿伏加德罗常数的值,则该电池生成1 mol H2O时,外电路转移的电子数为 。
(4)室温下,若该电池消耗1 mol H2时可提供257.4 kJ的电能,则该燃料电池的能量转化率为 。(已知:室温下,1 mol H2完全燃烧生成液态水时,释放286.0 kJ的能量)
(5)北京冬奥会使用的是氢氧燃料电池为动力的汽车,利用铁酸锌(ZnFe2O4)循环制氢气的过程如图所示。下列说法不正确的是 (填字母)。
A.反应Ⅱ的生成物只有氢气
B.该反应过程中不需要额外补充铁酸锌
C.反应Ⅰ为分解反应
D.该反应可将太阳能转化为化学能
答案(1)2H2-4e-4H+ O2+4H++4e-2H2O 2H2+O22H2O 变大 (2)2H2+4OH--4e-4H2O O2+2H2O+4e-4OH- 2H2+O22H2O 变小 (3)2NA (4)90% (5)A
解析(1)正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,酸性条件下与H+结合生成H2O;负极上,H2失电子变为H+,H+进入电解质溶液。电池总反应为H2与O2反应生成H2O,由于有H2O生成,溶液逐渐变稀,故电解质溶液的pH增大。
(2)正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,碱性条件下与H2O分子结合生成OH-;负极上,H2失去电子变为H+,碱性条件下H+不能大量存在,与OH-结合生成水。电池总反应也是H2与O2反应生成水。由于有水生成,c(OH-)变小,电解质溶液的pH变小。
(3)该电池生成1 mol H2O时,根据总化学方程式2H2+O22H2O,有1 mol H2参加反应,故转移电子数为2NA。
(4)1 mol H2完全燃烧生成液态水时,释放286.0 kJ的能量,若该电池消耗1 mol H2时可提供257.4 kJ的电能,则该燃料电池的能量转化率为×100%=90%。
(5)根据流程图可知,反应Ⅱ的生成物有氢气和铁酸锌,故A错误;该反应不断消耗水生成氢气和氧气,铁酸锌在整个过程中可循环使用,该反应过程中不需要额外补充铁酸锌,故B正确;反应Ⅰ铁酸锌分解生成氧气、四氧化三铁和氧化锌,属于分解反应,故C正确;水在催化剂和太阳能条件下分解生成氢气和氧气,该反应可将太阳能转化为化学能,故D正确。
