第二课时 化学电源
学习目标 1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2.认识研制新型电池的重要性。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。
一、化学电源
1.分类
类别 一次电池 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; (2)电解质溶液为胶体,不流动 (1)放电后可以充电,使活性物质获得再生; (2)可以多次充电重复使用 (1)电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件; (2)工作时,燃料和氧化剂由外部连续供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出
举例 锌锰干电池等 铅蓄电池、镍氢电池、锂电池等 氢氧燃料电池、甲醇-空气燃料电池等
2.常见的化学电源
电池名称 电池组成 电池反应
锌锰干电池 锌筒为 极,石墨棒为 极,ZnCl2和NH4Cl作 Zn+2NH4Cl+2MnO2Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
银锌纽扣电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是 溶液 Zn+Ag2O+H2O Zn(OH)2+2Ag
铅蓄电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是 溶液 Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
镍氢电池 负极是 ,正极是 ,电解质溶液是 溶液 NiO(OH)+MHNiO+M+H2O(MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢)
氢氧燃料电池 负极通 ,正极通 , 溶液为电解质溶液
甲醇-空气燃料电池 负极通 ,正极通入 ,电解质溶液是 溶液 2CH3OH+3O2+4OH-2C+6H2O
3.化学电源电极反应式的书写
(1)电极反应式的书写步骤
(2)充电电池电极反应式的书写
①先标出放电时电池总反应式电子转移的方向和数目,指出参与负极和正极反应的物质。
②写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)。
③在电子守恒的基础上,总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
4.燃料电池
(1)燃料电池中产物的判断:
碱性介质:CC,其余介质:CCO2;
酸性介质:HH+,其余介质:HH2O。
(2)解答燃料电池题目的几个关键点
①通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧气。
②注意介质的成分,是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
③通过介质中离子的移动方向,可以判断电池的正负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
1.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是 ( )
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的氢氧根浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
2.氢氧燃料固体电池(含传导H+的固体电解质)的工作原理如图所示,回答下列问题:
(1)负极反应物为 ,负极反应式为
。
(2)正极反应式为
,
电池总反应为
。
3.镍镉可充电电池在现代生活中有着广泛的应用,它的充、放电反应为Cd+2NiO(OH)+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2。镍镉电池示意图如下:
(1)放电时,还原反应在 (填“a”或“b”)极进行,负极的电极反应式为
。
(2)放电时,正极反应式为
。
K+移向 极(填“a”或“b”)。
二、电解在物质制备中的应用
1.电解池
将 能转化为 能的装置。
2.电解在物质制备中的应用
(1)电解水制氢气和氧气
化学方程式为2H2O2H2↑+O2↑。
(2)电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气
化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(3)电解制取金属
①电解熔融的氧化铝制备铝
阴极反应式:
,
阳极反应式:
,
总反应式:
。
②电解制备其他活泼金属
电解熔融的 、 、 可分别得到钠、镁、钙的单质。
(4)通常条件下无法自发进行的化学反应可通过电解的方法实现。
3.电解原理
(1)电解原理图示
(2)电解池阴、阳极的判断方法
判断方法 阳极 阴极
与电源 连接方式 与电源正极 相连的电极 与电源负极 相连的电极
电子或电流 流动方向 电子流出,电 流流入的电极 电子流入,电流 流出的电极
离子迁 移方向 阴离子移 向的电极 阳离子移 向的电极
反应类型 发生氧化 反应的电极 发生还原 反应的电极
1.下列关于电解池的叙述正确的是 ( )
A.电解池中的闭合回路仅是由电子的定向移动形成的
B.金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阳极,从电解池的阴极流向电源的正极
C.在电解质溶液中,阴离子向阴极移动,阳离子向阳极移动
D.相同时间内,阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等
2.下列说法正确的是 ( )
A.电解熔融氧化铝制取金属铝,氧化铝只被还原
B.电解熔融NaCl制取Na,在阴极得到Na
C.电解水时,在相同条件下,阴极和阳极产生的气体体积之比为1∶2
D.电解食盐水也可以得到Na单质
1.有关下列四个常用电化学装置的叙述中,正确的是 ( )
图Ⅰ 图Ⅱ 图Ⅲ 图Ⅳ
碱性锌 锰电池 铅-硫 酸蓄电池 原电池 银锌纽 扣电池
A.图Ⅰ所示电池中,MnO2的作用是作催化剂
B.图Ⅱ所示电池放电过程中,硫酸浓度不断增大
C.图Ⅲ所示装置工作过程中,电解质溶液中Cu2+浓度始终不变
D.图Ⅳ所示电池中,Ag2O是氧化剂,电池工作过程中被还原为Ag
2.18世纪末,伏打电池的发明开创了电池发展新纪元。如图所示的电池工作时,下列说法正确的是 ( )
A.将电能转化为化学能
B.电子由银电极流向锌电极
C.正极反应:Zn2++2e-Zn
D.电池总反应:Zn+2H+Zn2++H2↑
3.银锌纽扣电池,其电池的总反应式为Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag
下列说法不正确的是 ( )
A.锌作负极
B.正极发生还原反应
C.电池工作时,电流从Ag2O经导线流向Zn
D.负极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+
4.燃料电池是目前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.电池总反应为2H2+O22H2O
C.b极反应式为O2+4OH--4e-2H2O
D.氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
5.(1)如图为氢氧燃料电池的构造示意图,根据电子运动方向可知,氧气从 (填“a”或“b”)口通入,X极为电池的 (填“正”或“负”)极。
(2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,两极上发生的电极反应分别为
A极:2H2+2O2--4e-2H2O
B极:O2+4e-2O2-
则A极是电池的 极;电子从该极 (填“流入”或“流出”)。
(3)若将(1)中燃料电池改为甲烷—空气燃料电池,该电池工作时,负极反应式为
,
电池总反应式为 。
第二课时 化学电源
一、
2.负 正 电解质 锌 氧化银 氢氧化钾 Pb PbO2 硫酸 贮氢合金 泡沫氧化镍 KOH 氢气 氧气 KOH 2H2+O22H2O 甲醇 空气 KOH
对点训练
1.D [甲烷在负极失电子,发生氧化反应,结合电解质溶液、得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒可写出负极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O,A、B项错误;氧气在正极得电子,发生还原反应,结合电解质溶液、得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒可写出正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-;总反应为CH4+2O2+2OH-C+3H2O,故随着放电的进行,溶液的氢氧根离子浓度减小,C项错误;放电时,阴离子向负极移动,D项正确。]
2.(1)H2 H2-2e-2H+
(2)O2+4e-+4H+2H2O 2H2+O22H2O
解析 (1)H2为还原剂,是负极反应物,负极反应式为H2-2e-2H+,产生的H+移向正极。(2)O2为氧化剂,是正极反应物,正极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,电池总反应为2H2+O22H2O。
3.(1)b Cd-2e-+2OH-Cd(OH)2
(2)2NiO(OH)+2e-+2H2O2Ni(OH)2+2OH- b
二、
1.电 化学 2.(3)①Al3++3e-Al 2O2--4e-O2↑ 2Al2O34Al+3O2↑ ②氯化钠 氯化镁 氯化钙
对点训练
1.D [在电解质溶液中,闭合回路是由离子的定向移动形成的,A项错误;金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阴极,从电解池的阳极流向电源的正极,B项错误;在电解质溶液中,阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,C项错误。]
2.B [电解熔融氧化铝时,Al2O3中Al元素化合价降低,O元素化合价升高,Al2O3既被氧化又被还原,A项错误;电解熔融NaCl时,Na+在阴极得到电子, 被还原为钠,B项正确;电解水时阳极上产生O2,阴极上产生H2,相同条件下,V(O2)∶V(H2)=1∶2,C项错误;电解饱和食盐水的产物是NaOH溶液和H2、Cl2,不能得到Na单质,D项错误。]
课堂达标训练
1.D [MnO2的作用是作氧化剂,A错误;Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,H2SO4被消耗,浓度减小,B错误;正极析出铜,Cu2+浓度减小,C错误;正极Ag2O→Ag,发生还原反应,Ag2O是氧化剂被还原为Ag,D正确。]
2.D [原电池是将化学能转化为电能的装置,A项错误;锌比银活泼,则锌电极失去电子,银电极得到电子,即电子由锌电极通过导线流向银电极,B项错误;锌作负极,失去电子,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,银作正极,H+在银电极上得到电子,电极反应式为2H++2e-H2↑,电池总反应为Zn+2H+Zn2++H2↑,C项错误,D项正确。]
3.D [Zn失电子发生氧化反应而作负极,A项正确;正极上Ag2O得电子发生还原反应,B项正确;原电池中电流从正极沿导线流向负极,该原电池中Zn是负极、Ag2O是正极,所以放电时电流从Ag2O经导线流向Zn,C项正确;碱性条件下锌离子生成Zn(OH)2,所以负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,故D项错误。]
4.C [该装置为氢氧燃料电池,电池总反应为2H2+O22H2O。通H2的一极为负极,发生氧化反应,通O2的一极为正极,发生还原反应,考虑到碱性环境,正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-。氢氧燃料电池能量转化率较高,对环境友好,是一种具有广阔应用前景的绿色电源。]
5.(1)b 负 (2)负 流出 (3)CH4-8e-+10OH-C+7H2O CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O
解析 (1)氢氧燃料电池中,电子从负极向正极移动,X是负极,Y是正极,氧气应通入正极。(2)根据电极反应可知,A极发生氧化反应,应该是电池的负极,电子从该极流出。(3)甲烷-空气燃料电池,通甲烷的一极(X)为负极,通空气的一极(Y)为正极,电池总反应式为CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O,负极反应式为CH4-8e-+10OH-C+7H2O。(共78张PPT)
第三单元 化学能与电能的转化
专题 化学反应与能量变化
第二课时 化学电源
6
1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2.认识研制新型电池的重要性。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。
学习目标
一、化学电源
二、电解在物质制备中的应用
目
录
CONTENTS
课堂达标训练
课后巩固训练
一、化学电源
对点训练
1.分类
类别 一次电池 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; (2)电解质溶液为胶体,不流动 (1)放电后可以充电,使活性物质获得再生; (2)可以多次充电重复使用 (1)电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件;
(2)工作时,燃料和氧化剂由外部连续供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出
举例 锌锰干电池等 铅蓄电池、镍氢电池、锂电池等 氢氧燃料电池、甲醇-空气燃料电池等
2.常见的化学电源
负
正
电解质
锌
氧化银
氢氧化钾
Pb
PbO2
硫酸
贮氢合金
泡沫氧化镍
KOH
氢气
氧气
KOH
2H2+O2===2H2O
甲醇
空气
KOH
3.化学电源电极反应式的书写
(1)电极反应式的书写步骤
(2)充电电池电极反应式的书写
①先标出放电时电池总反应式电子转移的方向和数目,指出参与负极和正极反应的物质。
②写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)。
③在电子守恒的基础上,总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
4.燃料电池
(1)燃料电池中产物的判断:
碱性介质:C――→C,其余介质:C――→CO2;
酸性介质:H――→H+,其余介质:H――→H2O。
(2)解答燃料电池题目的几个关键点
①通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧气。
②注意介质的成分,是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
③通过介质中离子的移动方向,可以判断电池的正负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
1.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的氢氧根浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
D
解析 甲烷在负极失电子,发生氧化反应,结合电解质溶液、得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒可写出负极反应式为CH4+10OH--8e-===C+7H2O,A、B项错误;氧气在正极得电子,发生还原反应,结合电解质溶液、得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒可写出正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-;总反应为CH4+2O2 +2OH-===C+3H2O,故随着放电的进行,溶液的氢氧根离子浓度减小,C项错误;放电时,阴离子向负极移动,D项正确。
2.氢氧燃料固体电池(含传导H+的固体电解质)的工作原理如图所示,回答下列问题:
(1)负极反应物为 ,负极反应式为
。
(2)正极反应式为 ,
电池总反应为 。
解析 (1)H2为还原剂,是负极反应物,负极反应式为H2-2e-===2H+,产生的H+移向正极。(2)O2为氧化剂,是正极反应物,正极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O,电池总反应为2H2+O2===2H2O。
H2
H2-2e-===2H+
O2+4e-+4H+===2H2O
2H2+O2===2H2O
(1)放电时,还原反应在 (填“a”或“b”)极进行,负极的电极反应式为
。
(2)放电时,正极反应式为
。
K+移向 极(填“a”或“b”)。
b
Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2
2NiO(OH)+2e-+2H2O===2Ni(OH)2+2OH-
b
二、电解在物质制备中的应用
对点训练
1.电解池
将 能转化为 能的装置。
2.电解在物质制备中的应用
电
化学
(3)电解制取金属
①电解熔融的氧化铝制备铝
阴极反应式: ,
阳极反应式: ,
总反应式: 。
②电解制备其他活泼金属
电解熔融的 、 、 可分别得到钠、镁、钙的单质。
(4)通常条件下无法自发进行的化学反应可通过电解的方法实现。
Al3++3e-===Al
2O2--4e-===O2↑
氯化钠
氯化镁
氯化钙
3.电解原理
(1)电解原理图示
(2)电解池阴、阳极的判断方法
判断方法 阳极 阴极
与电源连接方式 与电源正极相连的电极 与电源负极相连的电极
电子或电流流动方向 电子流出,电流流入的电极 电子流入,电流流出的电极
离子迁移方向 阴离子移向的电极 阳离子移向的电极
反应类型 发生氧化反应的电极 发生还原反应的电极
1.下列关于电解池的叙述正确的是( )
A.电解池中的闭合回路仅是由电子的定向移动形成的
B.金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阳极,从电解池的阴极流向电源的正极
C.在电解质溶液中,阴离子向阴极移动,阳离子向阳极移动
D.相同时间内,阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等
解析 在电解质溶液中,闭合回路是由离子的定向移动形成的,A项错误;金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阴极,从电解池的阳极流向电源的正极,B项错误;在电解质溶液中,阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,C项错误。
D
2.下列说法正确的是( )
A.电解熔融氧化铝制取金属铝,氧化铝只被还原
B.电解熔融NaCl制取Na,在阴极得到Na
C.电解水时,在相同条件下,阴极和阳极产生的气体体积之比为1∶2
D.电解食盐水也可以得到Na单质
解析 电解熔融氧化铝时,Al2O3中Al元素化合价降低,O元素化合价升高,Al2O3既被氧化又被还原,A项错误;电解熔融NaCl时,Na+在阴极得到电子, 被还原为钠,B项正确;电解水时阳极上产生O2,阴极上产生H2,相同条件下,V(O2)∶V(H2)= 1∶2,C项错误;电解饱和食盐水的产物是NaOH溶液和H2、Cl2,不能得到Na单质,D项错误。
B
课堂达标训练
1.有关下列四个常用电化学装置的叙述中,正确的是( )
A.图Ⅰ所示电池中,MnO2的作用是作催化剂
B.图Ⅱ所示电池放电过程中,硫酸浓度不断增大
C.图Ⅲ所示装置工作过程中,电解质溶液中Cu2+浓度始终不变
D.图Ⅳ所示电池中,Ag2O是氧化剂,电池工作过程中被还原为Ag
答案 D
解析 MnO2的作用是作氧化剂,A错误;Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O, H2SO4被消耗,浓度减小,B错误;正极析出铜,Cu2+浓度减小,C错误;正极Ag2O→Ag,发生还原反应,Ag2O是氧化剂被还原为Ag,D正确。
2.18世纪末,伏打电池的发明开创了电池发展新纪元。如图所示的电池工作时,下列说法正确的是( )
A.将电能转化为化学能
B.电子由银电极流向锌电极
C.正极反应:Zn2++2e-===Zn
D.电池总反应:Zn+2H+===Zn2++H2↑
D
解析 原电池是将化学能转化为电能的装置,A项错误;锌比银活泼,则锌电极失去电子,银电极得到电子,即电子由锌电极通过导线流向银电极,B项错误;锌作负极,失去电子,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,银作正极,H+在银电极上得到电子,电极反应式为2H++2e-===H2↑,电池总反应为Zn+2H+===Zn2++H2↑,C项错误,D项正确。
3.银锌纽扣电池,其电池的总反应式为Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag
下列说法不正确的是( )
A.锌作负极
B.正极发生还原反应
C.电池工作时,电流从Ag2O经导线流向Zn
D.负极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
解析 Zn失电子发生氧化反应而作负极,A项正确;正极上Ag2O得电子发生还原反应,B项正确;原电池中电流从正极沿导线流向负极,该原电池中Zn是负极、Ag2O是正极,所以放电时电流从Ag2O经导线流向Zn,C项正确;碱性条件下锌离子生成Zn(OH)2,所以负极反应式为Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,故D项错误。
D
4.燃料电池是目前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.电池总反应为2H2+O2===2H2O
C.b极反应式为O2+4OH--4e-===2H2O
D.氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
解析 该装置为氢氧燃料电池,电池总反应为2H2+O2===2H2O。通H2的一极为负极,发生氧化反应,通O2的一极为正极,发生还原反应,考虑到碱性环境,正极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-。氢氧燃料电池能量转化率较高,对环境友好,是一种具有广阔应用前景的绿色电源。
C
5.(1)如图为氢氧燃料电池的构造示意图,根据电子运动方向可知,氧气从 (填“a”或“b”)口通入,X极为电池的 (填“正”或“负”)极。
(2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电
解质,两极上发生的电极反应分别为
A极:2H2+2O2--4e-===2H2O B极:O2+4e-===2O2-
则A极是电池的 极;电子从该极 (填“流入”或“流出”)。
(3)若将(1)中燃料电池改为甲烷—空气燃料电池,该电池工作时,负极反应式为 ,
电池总反应式为 。
b
负
负
流出
CH4-8e-+10OH-===C+7H2O
CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O
解析 (1)氢氧燃料电池中,电子从负极向正极移动,X是负极,Y是正极,氧气应通入正极。(2)根据电极反应可知,A极发生氧化反应,应该是电池的负极,电子从该极流出。(3)甲烷-空气燃料电池,通甲烷的一极(X)为负极,通空气的一极(Y)为正极,电池总反应式为CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O,负极反应式为CH4-8e-+10OH-===C+7H2O。
课后巩固训练
A级 合格过关练
选择题只有一个选项符合题目要求
1.下列说法不正确的是( )
A.二次电池不能无限制地反复充、放电
B.燃料电池是一种高效且对环境友好的新型电池
C.化学电源的反应原理是能发生氧化还原反应
D.铅蓄电池和锌锰干电池都是二次电池
D
解析 二次电池是有一定寿命的,不能无限制地反复充、放电,A项正确;燃料电池的能量转化率较高,反应产物不污染环境,故其是一种高效且对环境友好的新型电池,B项正确;化学电源的反应原理是能发生氧化还原反应,其中还原剂在负极上发生氧化反应,氧化剂在正极上发生还原反应,C项正确;铅蓄电池是二次电池,锌锰干电池是一次电池,D项错误。
2.Li SO2电池具有输出功率高且低温性能好的特点,其电解质为LiBr,溶剂是碳酸丙烯酯和乙腈,Li+可在其中移动。电池放电时的总反应式为2Li+2SO2=== Li2S2O4。下列有关该电池的说法正确的是( )
A.放电时Li+向正极移动
B.该电池溶剂可用水替代
C.该电池放电时,1 mol SO2参与反应,转移2 mol e-
D.放电时,负极发生还原反应
解析 在原电池内部的电解质溶液中,阳离子向正极移动,A正确;Li能与水反应,不能用水作溶剂,B错误;根据化合价变化分析可知,该电池放电时,1 mol SO2参与反应转移1 mol e-,C错误;放电时,负极发生氧化反应,D错误。
A
3.锌-空气电池可用作电动车的动力电源,其工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.该装置将化学能转化为电能
B.Zn为负极
C.电子由石墨经外电路流向Zn
D.石墨电极的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
C
解析 该装置为原电池,原电池可将化学能转化为电能,A正确;原电池中负极失电子,正极得电子,锌-空气电池中,锌失电子作负极,B正确;锌-空气电池中,锌电极作负极,石墨电极作正极,电子由负极经外电路流向正极,即由锌经外电路流向石墨,C错误;锌-空气电池中,空气中氧气得电子生成氧离子,氧离子在水溶液中不能稳定存在,与水结合生成氢氧根离子,因此石墨电极的反应为O2+4e-+2H2O=== 4OH-,D正确。
4.汽车的启动电源常用铅蓄电池。放电时的电池总反应为PbO2+Pb+2H2SO4=== 2PbSO4+2H2O。根据此反应判断下列说法正确的是( )
A.PbO2是电池的负极
B.电池放电时,电子由负极(Pb)经外电路流向正极(PbO2)
C.PbO2得到电子,被氧化
D.电池放电时,电解质溶液的酸性增强
解析 由放电时的电池总反应可知,PbO2得到电子,被还原,为电池的正极,A、C项错误;电池放电时,电子从负极经外电路流向正极,B项正确;由于电池放电过程中消耗了硫酸,电解质溶液中H+浓度逐渐减小,电解质溶液的酸性减弱,D项错误。
B
5.若某电能与化学能的转化装置(电解池或原电池)中发生的总反应的离子方程式为Cu+2H+===Cu2++H2↑,则下列关于该装置的说法正确的是( )
A.该装置可能是原电池,也可能是电解池
B.该装置只能是原电池,且电解质溶液为硝酸
C.该装置只能是电解池,且金属铜为该装置的阳极
D.该装置只能是原电池,电解质溶液不可能是盐酸
解析 该反应不能自发进行,因此该反应必须在电解池中发生,使电能转化为化学能。Cu被氧化,故金属铜作阳极。
C
6.(2024·江苏高一月考)某电池的工作原理如图所示,阴离子交换膜只允许阴离子通过,总反应为Zn+H2O2+2H+===Zn2++2H2O,下列说法正确的是( )
A.石墨为电池的负极
B.电子由Zn电极经外电路流向石墨电极
C.Zn极发生还原反应
D.电池工作时,H2O2被氧化
B
解析 从图中可以看出,右侧Zn电极为负极,左侧石墨电极为正极。由分析可知,左侧石墨电极为原电池的正极,A不正确;原电池工作时,电子由负极沿导线流入正极,则电子由Zn电极经外电路流向石墨电极,B正确;Zn极为负极,Zn失电子发生氧化反应,C不正确;电池工作时,正极发生反应H2O2+2H++2e-===2H2O,H2O2得电子被还原,D不正确。
7.一种新型绿色燃料电池是把H2、CO、CH4的混合气体和空气不断输入,将化学能转化为电能,被称为“21世纪的绿色发电站”。下列关于这种燃料电池的说法不正确的是( )
A.通入空气的一极为正极
B.H2、CO、CH4的混合气体在电池内部燃烧,放出大量的热,然后电池将热能转化为电能
C.电池实际运行时的电解液应选择碱性溶液
D.电池的正极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-
B
解析 正极上得电子发生还原反应,元素的化合价降低,所以通入氧化剂空气的电极为正极,A项正确;燃料电池将化学能转化为电能,燃料在负极失电子发生氧化反应,氧气在正极得电子发生还原反应,发生的总反应与燃烧反应相同,但能量的转化与燃烧反应不同,B项错误;该反应中有二氧化碳生成,如果用非碱性溶液作电解液,生成的二氧化碳气体会造成内部的压强增大,有安全隐患,所以用碱性溶液作电解质溶液,C项正确;用碱液作电解液,正极上氧气得电子并和水反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,D项正确。
8.(2022·湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是( )
A.海水起电解质溶液作用
B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e-===2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D.该锂-海水电池属于一次电池
B
解析 海水中含有丰富的电解质,如氯化钠、氯化镁等,可作为电解质溶液,故A正确;N为正极,电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,故B错误;Li为活泼金属,易与水反应,玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应,并能传导离子,故C正确;该电池不可充电,属于一次电池,故D正确。
9.一种直接铁燃料电池(电池反应:3Fe+2O2===Fe3O4)的装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.Fe极作正极
B.KOH溶液为电池的电解质溶液
C.电子由多孔碳极沿导线流向Fe极
D.5.6 g Fe参与反应时,导线中流过1.204×1023个电子
B
解析 直接铁燃料电池中铁失去电子,发生氧化反应,作负极,A错误;KOH溶液为电解质溶液,B正确;电子由负极(Fe极)沿导线流向正极(多孔碳极),C错误;根据电池反应:3Fe+2O2===Fe3O4可知,3 mol铁参与反应时转移8 mol e-,故5.6 g Fe参与反应时,导线中流过约1.605×1023个电子,D错误。
10.某种氢氧燃料电池的内部结构如图所示,下列有关该装置的说法不正确的是( )
A.将化学能转化为电能
B.电极a为电池的负极
C.电极b上发生的反应为O2-4e-+4H+
===2H2O
D.工作时,电子由电极a通过导线流向电极b
C
解析 该装置为氢氧燃料电池,工作时将化学能转化为电能,A项正确;电极a通入H2(燃料),电极b通入O2(氧化剂),H+向电极b移动,则电极b为电池的正极,电极a为电池的负极,B项正确;电极b为电池的正极,发生的反应为O2+4e-+4H+===2H2O,C项错误;工作时,电子由电极a(负极)通过导线流向电极b(正极),D项正确。
11.“碳呼吸”电池工作原理如图所示,电解质溶液为含C2的盐溶液,电池总反应为2Al+6CO2===Al2(C2O4)3,下列有关说法正确的是( )
A.Al作正极
B.C2由正极向负极迁移
C.该装置将电能转化为化学能
D.每生成1 mol Al2(C2O4)3,需要消耗
134.4 L CO2
B
解析 根据电池总反应2Al+6CO2===Al2(C2O4)3可知,Al的化合价升高,被氧化,故Al作负极,C的化合价降低,被还原,故通CO2的一极为正极,A项错误;原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,故C2由正极向负极迁移,B项正确;该装置是原电池,将化学能转化为电能,C项错误;通过电池总反应2Al+6CO2===Al2(C2O4)3可知,每生成1 mol Al2(C2O4)3,需要消耗6 mol CO2,其在标准状况下的体积为6 mol ×22.4 L·mol-1=134.4 L,但题干未指明标准状况下,故无法求算消耗CO2的体积,D项错误。
12.新型电池的开发与使用在现代社会中已很普遍,一种水煤气(主要成分为CO和H2)燃料电池的能量转化率可达90%以上,其工作原理如图。下列说法正确的是( )
A.若电池的能量利用率为90%,则通入224 L水煤气
(CO∶H2=1∶1),电路中转移9 mol电子
B.有机固体中的H+在放电时向正极移动,使正极的pH减小
C.电路中通过4 mol电子,正极消耗22.4 L(标准状况下)空气
D.负极反应式为H2-2e-===2H+、CO-2e-+H2O===CO2+2H+
D
解析 CO和H2失电子发生氧化反应,通入水煤气的一极为负极;氧气得电子发生还原反应,通入空气的一极为正极。没有明确是否为标准状况, 224 L水煤气的物质的量不一定是10 mol,不能计算电路中转移电子的物质的量,故A错误; 原电池工作时,阳离子向正极移动,有机固体中的H+在放电时向正极移动,正极发生反应4H++O2+4e-===2H2O,正极消耗氢离子,正极的pH不能减小,故B错误; 正极发生反应4H++O2+4e-===2H2O,电路中通过4mol电子,正极消耗22.4 L(标准状况下)的氧气,故C错误; 负极CO和H2失电子发生氧化反应,负极反应式为H2-2e-===2H+、CO-2e-+H2O===CO2+2H+,故D正确。
13.(1)Zn MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2 NH4Cl混合溶液。
①该电池的负极材料是 。电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
②若ZnCl2 NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速其电极的腐蚀,其主要原因是 。
欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的 (填字母)。
A.NaOH B.Zn C.Fe D.NH3·H2O
Zn(或锌)
正极
锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀
B
解析 (1)①Zn MnO2干电池,Zn失电子、电子由负极经外电路流向正极。②锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质,所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。
(2)目前已经使用的乙醇(CH3CH2OH)燃料电池X极电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,则
①X是 (填“正极”或“负极”),发生 (填“氧化”或“还原”)反应。
②若将电解质换成酸性介质,则正极反应为 ,
通入乙醇的一极是 (填“正”或“负”)极。
③标准状况下,有44.8 L O2完全反应,则电路中转移 mol 电子。
解析 (2)X极是O2得电子,是正极,发生还原反应;在标准状况下,有44.8 L(2 mol)O2完全反应,1 mol O2得4 mol 电子,则电路上转移电子为8 mol。
正极
还原
O2+4H++4e-===2H2O
负
8
14.如图所示是原电池的装置图。请回答:
(1)若C为稀H2SO4溶液,电流表指针发生偏转,B电极材
料为Fe且作负极,则A电极上发生的电极反应式为
;
反应进行一段时间后溶液C的pH将 (填“升高”“降低”或“基本不变”)。
(2)若A、B分别是Cu、Zn,C为CuCl2溶液,Zn是 极,Cu极发生 反应,电极反应为 。
反应过程溶液中c(Cu2+) (填“变大”“变小”或“不变”)。
2H++2e-===H2↑
升高
负
还原
Cu2++2e-===Cu
变小
解析 (1)铁作负极,则该原电池反应是铁与稀硫酸置换氢气的反应,所以正极反应是氢离子得电子生成氢气,电极反应式为2H++2e-===H2↑;溶液中氢离子放电,导致溶液中氢离子浓度减小,pH升高。(2)Zn比较活泼,在原电池中作负极,Cu作正极,正极发生还原反应,Cu2+在正极得到电子变成Cu,电极反应为Cu2++2e-===Cu,则c(Cu2+)变小。
(3)CO与H2反应还可制备CH3OH,CH3OH可作燃料使用,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+3O2===2CO2+4H2O,则c电极是 (填“正极”或“负极”),c电极的反应方程式为 。
若线路中转移2 mol 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。
负极
CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+
11.2
解析 (3)根据图中的电子流向可知c电极是负极,是甲醇发生氧化反应,CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+,线路中转移2 mol电子时消耗氧气0.5 mol,标准状况下体积为11.2 L。
B级 素养培优练
15.某高能电池以磷酸溶液作为电解质溶液,利用乙烯(CH2=CH2)直接氧化法制乙酸(CH3COOH),其总反应式为CH2=CH2+O2===CH3COOH。有兴趣小组将该反应设计成如图所示的燃料电池,下列有关说法正确的是( )
A.在电池工作过程中,溶液中的P向b极移动
B.电子移动方向:电极a→磷酸溶液→电极b
C.负极的电极反应式为CH2=CH2-4e-+2H2O===
CH3COOH+4H+
D.当电路中通过0.04 mol 电子时,参加反应的
CH2=CH2为224 mL
C
解析 A.原电池工作时,阴离子移向负极a电极,即溶液中的P向a极移动,故A错误;B.原电池工作时,电子由负极a电极经过负载流向正极b电极,电子不能通过溶液,故B错误;C.通入CH2=CH2 的a电极为负极,电极反应式为CH2=CH2-4e-+2H2O ===CH3COOH+4H+,故C正确;D.负极的电极反应式为CH2=CH2-4e-+2H2O=== CH3COOH+4H+,电路中通过0.04 mol电子时,有0.01 mol CH2=CH2参加反应,标准状况下的体积为224 mL,但气体的状态未知,所以参加反应的CH2=CH2体积不一定为224 mL,故D错误。
A.放电时电池的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-===LiMnO4
B.放电过程中,内电路电流方向是从负极到正极
C.该电池也能在KOH溶液的环境中正常工作
D.放电时Li+向电池正极方向定向迁移
C
解析 根据总反应式可知Li失去电子,电池负极反应式为xLi-xe-===xLi+,由总反应式减去负极反应式可得放电时的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-===LiMnO4,故A正确;放电过程中,外电路电流方向是从正极到负极,内电路电流方向是从负极到正极,故B正确;Li能与KOH溶液中的H2O反应,导致电池无法正常工作,故C错误;Li+为阳离子,放电时Li+向电池正极方向定向迁移,故D正确。
17.(2023·河南焦作高一期中)PbCl2是一种难溶于冷水和稀盐酸的白色固体。某化学兴趣小组根据反应Pb+Cl2===PbCl2设计的原电池的工作原理如图所示,下列说法错误的是( )
A.该装置主要是将化学能转化为电能
B.Pb电极为原电池的负极
C.电池工作时,Pb电极上有白色沉淀生成
D.电池工作时,溶液中H+向Pb电极区域移动
D
解析 该装置为原电池装置,主要是将化学能转化为电能,A正确;Pb电极为原电池的负极,失电子发生氧化反应,B正确;电池工作时,Pb电极作负极,电极反应式为Pb-2e-+2Cl-===PbCl2,则Pb电极上有白色沉淀PbCl2生成,C正确;Pb电极作负极,Pt电极作正极,溶液中 H+向正极移动,即向Pt电极区域移动,D错误。
18.如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700~900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是( )
A.电极甲发生还原反应
B.电池内的O2-由电极乙移向电极甲
C.电池总反应为N2H4+2O2===2NO+2H2O
D.当甲电极上有1 mol N2H4消耗时,乙电极上有22.4 L O2参与反应
B
解析 通氧气一极为正极,通N2H4的一极为负极,即电极甲为负极,依据原电池的工作原理,电极甲上发生氧化反应,A项错误;根据原电池的工作原理,O2-从正极移向负极,B项正确;因为反应生成无毒无害物质,即N2H4转化成N2和H2O,C项错误;题目中没有说明条件是否为标准状况,因此无法计算气体的体积,D项错误。
19.人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要,广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面,请根据题中提供的信息,填写空格。
(1)为了验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,设计一个实验装置,下列装置既能产生电流又能达到实验目的的是 (填字母序号)。
B
解析 (1)Zn与Fe3+反应,不能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,A项错误;Fe3+与Cu发生反应2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,B项正确;铁与稀硫酸反应生成FeSO4和H2,不能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,C项错误;两电极相同,不能形成原电池,D项错误。
(2)某学习小组依据氧化还原反应2Ag++Cu===Cu2++2Ag设计原电池,则负极发生的电极反应为 , 当反应进行一段时间后取出电极材料,测得某一电极增重了5.4 g,则该原电池反应过程中共转移电子的物质的量是 。
(3)燃料电池是一种高效、环境友好的供电装置,如图所示
是电解质溶液为稀硫酸的氢氧燃料电池的原理示意图。
①该电池的正极反应式为 。
②若该电池的效率为80%,则当外电路通过0.2 mol电子时,消耗O2的体积为
L(标准状况)。
Cu-2e-===Cu2+
0.05 mol
O2+4e-+4H+===2H2O
1.4
解析 (2)在反应2Ag++Cu===Cu2++2Ag中,Cu元素的化合价升高,发生氧化反应,作负极,电极反应为Cu-2e-===Cu2+;该原电池工作时,负极Cu失去电子被氧化成Cu2+,Cu的质量逐渐减少,溶液中的Ag+在正极上得电子发生还原反应生成Ag,所以正极增重的质量就是析出银的质量,当质量增加5.4 g时,n(Ag)==0.05 mol,根据电极反应Ag++e-===Ag可知,该原电池反应过程中共转移电子的物质的量为0.05 mol。(3)①氢氧燃料电池中,通入O2的一极为正极,发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O。②设参与反应的O2的体积为V(标准状况),则×80%×4=0.2 mol,解得V=1.4 L。
(4)铅蓄电池是常见的化学电源之一,其放电时的总反应是Pb+PbO2+2H2SO4=== 2PbSO4+2H2O。铅蓄电池放电时正极是 (填化学式),该电极质量 (填“增加”或“减少”)。若电解质溶液体积为2 L(反应过程中溶液体积变化忽略不计),放电过程中外电路中通过3 mol 电子,则硫酸浓度由5 mol·L-1下降到 mol·L-1。
PbO2
增加
3.5
解析 (4)PbO2是氧化剂,铅蓄电池放电时正极是PbO2,放电后变成PbSO4,该电极质量增加。由放电时的总反应知,每转移2 mol电子,消耗2 mol硫酸,放电过程中外电路中通过3 mol电子,消耗3 mol硫酸,则硫酸浓度由5 mol·L-1下降到=3.5 mol·L-1。
回答下列问题:
(1)1 mol N原子和3 mol H原子生成1 mol
NH3(g)的过程 (填“吸收”或“放出”)
kJ能量。
(2)0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)生成1 mol
NH3(g)过程 (填“吸收”或“放出”) kJ能量。
放出
b
放出
b-a
解析 (1)根据图示可知,1 mol N原子和3 mol H原子的总能量高于1 mol NH3(g)的能量,故该过程放出b kJ的热量;(2)从图中可知,0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出(b-a) kJ的热量;
(3)常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池(图1),测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示。反应过程中有红棕色气体产生。
0~t1时,原电池的负极是Al片,此时,正极的电极
反应式是 ,
溶液中的H+向 移动(填“正极”或
“负极”);t1时,原电池中电子流动方向发生
改变,其原因是 。
2H++N+e-===NO2↑+H2O
正极
Al在浓硝酸中发生钝化,形成的氧化膜阻止了Al进一步反应
解析 (3)0~t1时,原电池的负极为Al,则Cu为正极,正极上硝酸根离子得电子生成NO2,电极反应式为2H++N+e-===NO2↑+H2O。电解质溶液中的阳离子向正极移动,因此H+向正极移动。0~t1时Al与浓硝酸反应,在Al表面生成一层致密的氧化膜,阻止了浓硝酸与Al的进一步反应,故此时Cu为负极,Al为正极,电子流向发生变化;
(4)燃料电池是目前电池研究的热点之一,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。
①负极是 (填“a”或“b”)。
②b极发生的电极反应式是 。
③标准状况下,消耗11.2 L H2时,转移的电子数为 。
a
O2+2H2O+4e-===4OH-
6.02×1023(或NA)
解析 (4)①氢氧燃料电池中,通入氢气的一极为负极,则a为负极;②b电极上,O2得电子结合水生成氢氧根离子,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-;③该原电池负极反应为2H2-4e-+4OH-===4H2O,标准状况下消耗11.2 L H2,则转移电子数为1 mol。专题6 作业6 化学电源
A级 合格过关练
选择题只有一个选项符合题目要求(1~12题,每题4分)
1.下列说法不正确的是 ( )
二次电池不能无限制地反复充、放电
燃料电池是一种高效且对环境友好的新型电池
化学电源的反应原理是能发生氧化还原反应
铅蓄电池和锌锰干电池都是二次电池
2.Li-SO2电池具有输出功率高且低温性能好的特点,其电解质为LiBr,溶剂是碳酸丙烯酯和乙腈,Li+可在其中移动。电池放电时的总反应式为2Li+2SO2Li2S2O4。下列有关该电池的说法正确的是 ( )
放电时Li+向正极移动
该电池溶剂可用水替代
该电池放电时,1 mol SO2参与反应,转移2 mol e-
放电时,负极发生还原反应
3.锌-空气电池可用作电动车的动力电源,其工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
该装置将化学能转化为电能
Zn为负极
电子由石墨经外电路流向Zn
石墨电极的反应为O2+4e-+2H2O4OH-
4.汽车的启动电源常用铅蓄电池。放电时的电池总反应为PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O。根据此反应判断下列说法正确的是 ( )
PbO2是电池的负极
电池放电时,电子由负极(Pb)经外电路流向正极(PbO2)
PbO2得到电子,被氧化
电池放电时,电解质溶液的酸性增强
5.若某电能与化学能的转化装置(电解池或原电池)中发生的总反应的离子方程式为Cu+2H+Cu2++H2↑,则下列关于该装置的说法正确的是 ( )
该装置可能是原电池,也可能是电解池
该装置只能是原电池,且电解质溶液为硝酸
该装置只能是电解池,且金属铜为该装置的阳极
该装置只能是原电池,电解质溶液不可能是盐酸
6.(2024·江苏高一月考)某电池的工作原理如图所示,阴离子交换膜只允许阴离子通过,总反应为Zn+H2O2+2H+Zn2++2H2O,下列说法正确的是 ( )
石墨为电池的负极
电子由Zn电极经外电路流向石墨电极
Zn极发生还原反应
电池工作时,H2O2被氧化
7.一种新型绿色燃料电池是把H2、CO、CH4的混合气体和空气不断输入,将化学能转化为电能,被称为“21世纪的绿色发电站”。下列关于这种燃料电池的说法不正确的是 ( )
通入空气的一极为正极
H2、CO、CH4的混合气体在电池内部燃烧,放出大量的热,然后电池将热能转化为电能
电池实际运行时的电解液应选择碱性溶液
电池的正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-
8.(2022·湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂-海水电池构造示意图如图。下列说法错误的是 ( )
海水起电解质溶液作用
N极仅发生的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
该锂-海水电池属于一次电池
9.一种直接铁燃料电池(电池反应:3Fe+2O2Fe3O4)的装置如图所示,下列说法正确的是 ( )
Fe极作正极
KOH溶液为电池的电解质溶液
电子由多孔碳极沿导线流向Fe极
5.6 g Fe参与反应时,导线中流过1.204×1023个电子
10.某种氢氧燃料电池的内部结构如图所示,下列有关该装置的说法不正确的是 ( )
将化学能转化为电能
电极a为电池的负极
电极b上发生的反应为O2-4e-+4H+2H2O
工作时,电子由电极a通过导线流向电极b
11.“碳呼吸”电池工作原理如图所示,电解质溶液为含C2的盐溶液,电池总反应为2Al+6CO2Al2(C2O4)3,下列有关说法正确的是 ( )
Al作正极
C2由正极向负极迁移
该装置将电能转化为化学能
每生成1 mol Al2(C2O4)3,需要消耗134.4 L CO2
12.新型电池的开发与使用在现代社会中已很普遍,一种水煤气(主要成分为CO和H2)燃料电池的能量转化率可达90%以上,其工作原理如图。下列说法正确的是 ( )
若电池的能量利用率为90%,则通入224 L水煤气(CO∶H2=1∶1),电路中转移9 mol电子
有机固体中的H+在放电时向正极移动,使正极的pH减小
电路中通过4 mol电子,正极消耗22.4 L(标准状况下)空气
负极反应式为H2-2e-2H+、CO-2e-+H2OCO2+2H+
13.(9分)(1)(4分)Zn-MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl混合溶液。
①该电池的负极材料是 。电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
②若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速其电极的腐蚀,其主要原因是
。
欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的 (填字母)。
A.NaOH B.Zn
C.Fe D.NH3·H2O
(2)(5分)目前已经使用的乙醇(CH3CH2OH)燃料电池X极电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,则
①X是 (填“正极”或“负极”),发生 (填“氧化”或“还原”)反应。
②若将电解质换成酸性介质,则正极反应为
,
通入乙醇的一极是 (填“正”或“负”)极。
③标准状况下,有44.8 L O2完全反应,则电路中转移 mol 电子。
14.(9分)如图所示是原电池的装置图。请回答:
(1)(2分)若C为稀H2SO4溶液,电流表指针发生偏转,B电极材料为Fe且作负极,则A电极上发生的电极反应式为
;
反应进行一段时间后溶液C的pH将 (填“升高”“降低”或“基本不变”)。
(2)(4分)若A、B分别是Cu、Zn,C为CuCl2溶液,Zn是 极,Cu极发生 反应,电极反应为 。
反应过程溶液中c(Cu2+) (填“变大”“变小”或“不变”)。
(3)(3分)CO与H2反应还可制备CH3OH,CH3OH可作燃料使用,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c电极是 (填“正极”或“负极”),c电极的反应方程式为 。
若线路中转移2 mol 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。
B级 素养培优练
(15~18题,每题4分)
15.某高能电池以磷酸溶液作为电解质溶液,利用乙烯(CH2CH2)直接氧化法制乙酸(CH3COOH),其总反应式为CH2CH2+O2CH3COOH。有兴趣小组将该反应设计成如图所示的燃料电池,下列有关说法正确的是 ( )
在电池工作过程中,溶液中的P向b极移动
电子移动方向:电极a→磷酸溶液→电极b
负极的电极反应式为CH2CH2-4e-+2H2OCH3COOH+4H+
当电路中通过0.04 mol 电子时,参加反应的CH2CH2为224 mL
16.(2023·湖北武汉外国语学校高一期中)锰酸锂离子电池在混合动力车等大型蓄电池应用领域占据主导地位。电池反应式为Li1-xMnO4+xLiLiMnO4,下列有关说法不正确的是 ( )
放电时电池的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-LiMnO4
放电过程中,内电路电流方向是从负极到正极
该电池也能在KOH溶液的环境中正常工作
放电时Li+向电池正极方向定向迁移
17.(2023·河南焦作高一期中)PbCl2是一种难溶于冷水和稀盐酸的白色固体。某化学兴趣小组根据反应Pb+Cl2PbCl2设计的原电池的工作原理如图所示,下列说法错误的是 ( )
该装置主要是将化学能转化为电能
Pb电极为原电池的负极
电池工作时,Pb电极上有白色沉淀生成
电池工作时,溶液中H+向Pb电极区域移动
18.如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700~900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是 ( )
电极甲发生还原反应
电池内的O2-由电极乙移向电极甲
电池总反应为N2H4+2O22NO+2H2O
当甲电极上有1 mol N2H4消耗时,乙电极上有22.4 L O2参与反应
19.(8分)人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要,广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面,请根据题中提供的信息,填写空格。
(1)(1分)为了验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,设计一个实验装置,下列装置既能产生电流又能达到实验目的的是 (填字母序号)。
(2)(2分)某学习小组依据氧化还原反应2Ag++CuCu2++2Ag设计原电池,则负极发生的电极反应为 ,
当反应进行一段时间后取出电极材料,测得某一电极增重了5.4 g,则该原电池反应过程中共转移电子的物质的量是 。
(3)(2分)燃料电池是一种高效、环境友好的供电装置,如图所示是电解质溶液为稀硫酸的氢氧燃料电池的原理示意图。
①该电池的正极反应式为 。
②若该电池的效率为80%,则当外电路通过0.2 mol电子时,消耗O2的体积为 L(标准状况)。
(4)(3分)铅蓄电池是常见的化学电源之一,其放电时的总反应是Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。铅蓄电池放电时正极是 (填化学式),该电极质量 (填“增加”或“减少”)。若电解质溶液体积为2 L(反应过程中溶液体积变化忽略不计),放电过程中外电路中通过3 mol 电子,则硫酸浓度由5 mol·L-1下降到 mol·L-1。
20.(10分)(2023·河北邯郸永年二中高一月考)已知化学反应N2+3H22NH3的能量变化如图所示:
回答下列问题:
(1)(2分)1 mol N原子和3 mol H原子生成1 mol NH3(g)的过程 (填“吸收”或“放出”) kJ能量。
(2)(2分)0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)生成1 mol NH3(g)过程 (填“吸收”或“放出”) kJ能量。
(3)(3分)常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池(图1),测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示。反应过程中有红棕色气体产生。
0~t1时,原电池的负极是Al片,此时,正极的电极反应式是 ,
溶液中的H+向 移动(填“正极”或“负极”);t1时,原电池中电子流动方向发生改变,其原因是 。
(4)(3分)燃料电池是目前电池研究的热点之一,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。
①负极是 (填“a”或“b”)。
②b极发生的电极反应式是
。
③标准状况下,消耗11.2 L H2时,转移的电子数为 。
作业6 化学电源
1.D [二次电池是有一定寿命的,不能无限制地反复充、放电,A项正确;燃料电池的能量转化率较高,反应产物不污染环境,故其是一种高效且对环境友好的新型电池,B项正确;化学电源的反应原理是能发生氧化还原反应,其中还原剂在负极上发生氧化反应,氧化剂在正极上发生还原反应,C项正确;铅蓄电池是二次电池,锌锰干电池是一次电池,D项错误。]
2.A [在原电池内部的电解质溶液中,阳离子向正极移动,A正确;Li能与水反应,不能用水作溶剂,B错误;根据化合价变化分析可知,该电池放电时,1 mol SO2参与反应转移1 mol e-,C错误;放电时,负极发生氧化反应,D错误。]
3.C [该装置为原电池,原电池可将化学能转化为电能,A正确;原电池中负极失电子,正极得电子,锌-空气电池中,锌失电子作负极,B正确;锌-空气电池中,锌电极作负极,石墨电极作正极,电子由负极经外电路流向正极,即由锌经外电路流向石墨,C错误;锌-空气电池中,空气中氧气得电子生成氧离子,氧离子在水溶液中不能稳定存在,与水结合生成氢氧根离子,因此石墨电极的反应为O2+4e-+2H2O4OH-,D正确。]
4.B [由放电时的电池总反应可知,PbO2得到电子,被还原,为电池的正极,A、C项错误;电池放电时,电子从负极经外电路流向正极,B项正确;由于电池放电过程中消耗了硫酸,电解质溶液中H+浓度逐渐减小,电解质溶液的酸性减弱,D项错误。]
5.C [该反应不能自发进行,因此该反应必须在电解池中发生,使电能转化为化学能。Cu被氧化,故金属铜作阳极。]
6.B [从图中可以看出,右侧Zn电极为负极,左侧石墨电极为正极。由分析可知,左侧石墨电极为原电池的正极,A不正确;原电池工作时,电子由负极沿导线流入正极,则电子由Zn电极经外电路流向石墨电极,B正确;Zn极为负极,Zn失电子发生氧化反应,C不正确;电池工作时,正极发生反应H2O2+2H++2e-2H2O,H2O2得电子被还原,D不正确。]
7.B [正极上得电子发生还原反应,元素的化合价降低,所以通入氧化剂空气的电极为正极,A项正确;燃料电池将化学能转化为电能,燃料在负极失电子发生氧化反应,氧气在正极得电子发生还原反应,发生的总反应与燃烧反应相同,但能量的转化与燃烧反应不同,B项错误;该反应中有二氧化碳生成,如果用非碱性溶液作电解液,生成的二氧化碳气体会造成内部的压强增大,有安全隐患,所以用碱性溶液作电解质溶液,C项正确;用碱液作电解液,正极上氧气得电子并和水反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-,D项正确。]
8.B [海水中含有丰富的电解质,如氯化钠、氯化镁等,可作为电解质溶液,故A正确;N为正极,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,故B错误;Li为活泼金属,易与水反应,玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应,并能传导离子,故C正确;该电池不可充电,属于一次电池,故D正确。]
9.B [直接铁燃料电池中铁失去电子,发生氧化反应,作负极,A错误;KOH溶液为电解质溶液,B正确;电子由负极(Fe极)沿导线流向正极(多孔碳极),C错误;根据电池反应:3Fe+2O2Fe3O4可知,3 mol铁参与反应时转移8 mol e-,故5.6 g Fe参与反应时,导线中流过约1.605×1023个电子,D错误。]
10.C [该装置为氢氧燃料电池,工作时将化学能转化为电能,A项正确;电极a通入H2(燃料),电极b通入O2(氧化剂),H+向电极b移动,则电极b为电池的正极,电极a为电池的负极,B项正确;电极b为电池的正极,发生的反应为O2+4e-+4H+2H2O,C项错误;工作时,电子由电极a(负极)通过导线流向电极b(正极),D项正确。]
11.B [根据电池总反应2Al+6CO2Al2(C2O4)3可知,Al的化合价升高,被氧化,故Al作负极,C的化合价降低,被还原,故通CO2的一极为正极,A项错误;原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,故C2由正极向负极迁移,B项正确;该装置是原电池,将化学能转化为电能,C项错误;通过电池总反应2Al+6CO2Al2(C2O4)3可知,每生成1 mol Al2(C2O4)3,需要消耗6 mol CO2,其在标准状况下的体积为6 mol×22.4 L·mol-1=134.4 L,但题干未指明标准状况下,故无法求算消耗CO2的体积,D项错误。]
12.D [CO和H2失电子发生氧化反应,通入水煤气的一极为负极;氧气得电子发生还原反应,通入空气的一极为正极。没有明确是否为标准状况, 224 L水煤气的物质的量不一定是10 mol,不能计算电路中转移电子的物质的量,故A错误; 原电池工作时,阳离子向正极移动,有机固体中的H+在放电时向正极移动,正极发生反应4H++O2+4e-2H2O,正极消耗氢离子,正极的pH不能减小,故B错误; 正极发生反应4H++O2+4e-2H2O,电路中通过4mol电子,正极消耗22.4 L(标准状况下)的氧气,故C错误; 负极CO和H2失电子发生氧化反应,负极反应式为H2-2e-2H+、CO-2e-+H2OCO2+2H+,故D正确。]
13.(1)①Zn(或锌) 正极 ②锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 B
(2)①正极 还原 ②O2+4H++4e-2H2O 负 ③8
解析 (1)①Zn MnO2干电池,Zn失电子、电子由负极经外电路流向正极。②锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质,所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。(2)X极是O2得电子,是正极,发生还原反应;在标准状况下,有44.8 L(2 mol)O2完全反应,1 mol O2得4 mol 电子,则电路上转移电子为8 mol。
14.(1)2H++2e-H2↑ 升高
(2)负 还原 Cu2++2e-Cu 变小
(3)负极 CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+ 11.2
解析 (1)铁作负极,则该原电池反应是铁与稀硫酸置换氢气的反应,所以正极反应是氢离子得电子生成氢气,电极反应式为2H++2e-H2↑;溶液中氢离子放电,导致溶液中氢离子浓度减小,pH升高。(2)Zn比较活泼,在原电池中作负极,Cu作正极,正极发生还原反应,Cu2+在正极得到电子变成Cu,电极反应为Cu2++2e-Cu,则c(Cu2+)变小。(3)根据图中的电子流向可知c电极是负极,是甲醇发生氧化反应,CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+,线路中转移2 mol电子时消耗氧气0.5 mol,标准状况下体积为11.2 L。
15.C [A.原电池工作时,阴离子移向负极a电极,即溶液中的P向a极移动,故A错误;B.原电池工作时,电子由负极a电极经过负载流向正极b电极,电子不能通过溶液,故B错误;C.通入CH2CH2 的a电极为负极,电极反应式为CH2CH2-4e-+2H2OCH3COOH+4H+,故C正确;D.负极的电极反应式为CH2CH2-4e-+2H2OCH3COOH+4H+,电路中通过0.04 mol电子时,有0.01 mol CH2CH2参加反应,标准状况下的体积为224 mL,但气体的状态未知,所以参加反应的CH2CH2体积不一定为224 mL,故D错误。]
16.C [根据总反应式可知Li失去电子,电池负极反应式为xLi-xe-xLi+,由总反应式减去负极反应式可得放电时的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-LiMnO4,故A正确;放电过程中,外电路电流方向是从正极到负极,内电路电流方向是从负极到正极,故B正确;Li能与KOH溶液中的H2O反应,导致电池无法正常工作,故C错误;Li+为阳离子,放电时Li+向电池正极方向定向迁移,故D正确。]
17.D [该装置为原电池装置,主要是将化学能转化为电能,A正确;Pb电极为原电池的负极,失电子发生氧化反应,B正确;电池工作时,Pb电极作负极,电极反应式为Pb-2e-+2Cl-PbCl2,则Pb电极上有白色沉淀PbCl2生成,C正确;Pb电极作负极,Pt电极作正极,溶液中 H+向正极移动,即向Pt电极区域移动,D错误。]
18.B [通氧气一极为正极,通N2H4的一极为负极,即电极甲为负极,依据原电池的工作原理,电极甲上发生氧化反应,A项错误;根据原电池的工作原理,O2-从正极移向负极,B项正确;因为反应生成无毒无害物质,即N2H4转化成N2和H2O,C项错误;题目中没有说明条件是否为标准状况,因此无法计算气体的体积,D项错误。]
19.(1)B (2)Cu-2e-Cu2+ 0.05 mol
(3)①O2+4e-+4H+2H2O ②1.4
(4)PbO2 增加 3.5
解析 (1)Zn与Fe3+反应,不能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,A项错误;Fe3+与Cu发生反应2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+,能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,B项正确;铁与稀硫酸反应生成FeSO4和H2,不能验证Fe3+与Cu2+的氧化性强弱,C项错误;两电极相同,不能形成原电池,D项错误。(2)在反应2Ag++CuCu2++2Ag中,Cu元素的化合价升高,发生氧化反应,作负极,电极反应为Cu-2e-Cu2+;该原电池工作时,负极Cu失去电子被氧化成Cu2+,Cu的质量逐渐减少,溶液中的Ag+在正极上得电子发生还原反应生成Ag,所以正极增重的质量就是析出银的质量,当质量增加5.4 g时,n(Ag)==0.05 mol,根据电极反应Ag++e-Ag可知,该原电池反应过程中共转移电子的物质的量为0.05 mol。(3)①氢氧燃料电池中,通入O2的一极为正极,发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O。②设参与反应的O2的体积为V(标准状况),则×80%×4=0.2 mol,解得V=1.4 L。(4)PbO2是氧化剂,铅蓄电池放电时正极是PbO2,放电后变成PbSO4,该电极质量增加。由放电时的总反应知,每转移2 mol电子,消耗2 mol硫酸,放电过程中外电路中通过3 mol电子,消耗3 mol硫酸,则硫酸浓度由5 mol·L-1下降到=3.5 mol·L-1。
20.(1)放出 b (2)放出 b-a
(3)2H++N+e-NO2↑+H2O 正极 Al在浓硝酸中发生钝化,形成的氧化膜阻止了Al进一步反应
(4)①a ②O2+2H2O+4e-4OH- ③6.02×1023(或NA)
解析 (1)根据图示可知,1 mol N原子和3 mol H原子的总能量高于1 mol NH3(g)的能量,故该过程放出b kJ的热量;(2)从图中可知,0.5 mol N2(g)和1.5 mol H2(g)反应生成1 mol NH3(g)放出(b-a) kJ的热量;(3)0~t1时,原电池的负极为Al,则Cu为正极,正极上硝酸根离子得电子生成NO2,电极反应式为2H++N+e-NO2↑+H2O。电解质溶液中的阳离子向正极移动,因此H+向正极移动。0~t1时Al与浓硝酸反应,在Al表面生成一层致密的氧化膜,阻止了浓硝酸与Al的进一步反应,故此时Cu为负极,Al为正极,电子流向发生变化;(4)①氢氧燃料电池中,通入氢气的一极为负极,则a为负极;②b电极上,O2得电子结合水生成氢氧根离子,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-;③该原电池负极反应为2H2-4e-+4OH-4H2O,标准状况下消耗11.2 L H2,则转移电子数为1 mol。
