2026届高考化学一轮复习 第8章 化学反应与电能 第1节 原电池与化学电源 课件（76张PPT）

(共76张PPT)
第1节　原电池与化学电源
第8章
课标要求
1.能举出化学能转化为电能的实例,能辨识简单原电池的构成要素,能分析、解释原电池的工作原理,能设计简单的原电池。
2.能列举常见的化学电源,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。能利用电化学原理解释金属腐蚀现象,选择并设计防腐措施。
3.能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用,能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响。能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发等。
备考指导
1.本部分主要考查:
(1)以新型能源电池或燃料电池为载体,考查原电池正负极的判断、电极反应式的书写、电子的移动方向或电流的方向及溶液pH的变化等。
(2)原电池原理的应用主要考查原电池的设计等。题型有选择题、填空题。
2.对原电池原理的复习应该针对以下几点:(1)理解原电池的基本原理;(2)正、负电极的判断;(3)电极反应类型;(4)电极反应式;(5)电子的移动方向或电流的方向;(6)陌生电极反应式的书写。
内容索引
01
02
03
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
04
实验探源
第一环节　必备知识落实
知识点1
原电池原理及其应用
知识筛查
1.定义
原电池是把化学能转化为电能的装置。
2.构成条件
3.工作原理
以锌铜原电池为例:
(1)原理分析。
(2)两种装置比较。
①盐桥的作用:a.连接内电路形成闭合回路。b.维持两电极电势差(中和电荷),使电池能持续提供电流。
②装置Ⅰ中有部分Zn与Cu2+直接反应,使电池效率降低;装置Ⅱ中使Zn与Cu2+隔离,电池效率提高,电流稳定。
4.三个移动方向
5.原电池在化工、农业生产及科学研究中的应用
(1)增大氧化还原反应速率。
一个自发的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大,例如Zn与稀硫酸反应时加入少量的CuSO4溶液能使产生氢气的速率增大。
(2)比较金属活动性强弱。
金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属活动性比作正极的强。
(3)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,保护铁制输水管或钢铁桥梁,可用导线将其和一块锌块相连,使Zn作原电池的负极。
(4)设计制作化学电源。
①必须是能自发进行且放热的氧化还原反应。
②正、负极材料的选择:一般选择活泼性较强的金属作为负极;活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极。
③电解质溶液的选择: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(如溶解于溶液中的空气)。如果设计含有盐桥的原电池,则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属阳离子,如在锌铜原电池中,负极Zn浸在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极Cu浸在含有Cu2+的电解质溶液中。
实例:根据Cu+2Ag+══Cu2++2Ag设计原电池如下。
特别提醒(1)判断原电池的正负极
需抓住闭合回路和氧化还原反应
进行分析,如图。
注意:原电池的正负极与电极材
料的性质有关,也与电解质溶液有
关,不要形成思维定式——活泼金
属一定是负极。如Al、Mg和NaOH
溶液构成的原电池中,Al为负极,Mg为正极。
(2)活泼性强的金属不一定作负极,但负极上一定发生氧化反应。
(3)电子不能通过电解质溶液,溶液中的离子不能通过盐桥。
(4)负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数。
(5)原电池的反应速率一定比直接发生的氧化还原反应的速率大。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。(　　)
(2)在原电池中,负极材料一定比正极材料活泼。(　　)
(3)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。(　　)
(4)电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,是因为铜导线价格高,尽量节省成本。(　　)
(5)原电池内部阳离子移向负极。(　　)
(6)带盐桥的原电池中,可用金属代替盐桥。(　　)
√
×
×
×
×
×
2.(双选)分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是(　　)。
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O2+2H2O+4e-══4OH-
BD
解析:②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能与NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu与浓硝酸反应,Cu失去电子作负极,A、C项错误;②中电池总反应为2Al+2NaOH+2H2O══2NaAlO2+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-══2 +4H2O,两者相减得到正极反应式为6H2O+6e-══6OH-+3H2↑,B项正确。
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↑
B
解析: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+。
知识点2
三大类型的常见化学电源实例分析
知识筛查
特别提醒可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极连接方式:
概括为“正接正,负接负”。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)铅酸蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。(　　)
(2)铅酸蓄电池工作时,当电路中转移0.2 mol电子时,消耗的H2SO4为0.1 mol。(　　)
(3)铅酸蓄电池工作时,当电路中转移0.1 mol电子时,负极增重4.8 g。(　　)
√
×
√
2.浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示,该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是(　　)。
A.电池工作时,Li+通过离子导体移向b区
B.电流由X极通过外电路流向Y极
C.正极发生的反应为2H++2e-══H2↑
D.Y极每生成1 mol Cl2,a区得到2 mol LiCl
A
解析:加入稀盐酸,在X极(正极)上生成氢气,发生还原反应,电极反应式为2H++2e-══H2↑;Y极(负极)上生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-══Cl2↑,原电池中电流从正极流向负极,阳离子向正极移动,则电池工作时,Li+向正极a区移动,A项错误,C项正确。电流由正极X极通过外电路流向负极Y极,B项正确。Y极上每生成1 mol Cl2,则转移2 mol电子,有2 mol Li+向正极移动,则a区得到2 mol LiCl,D项正确。
3.(2022全国甲)一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中,Zn2+以 存在]。电池放电时,下列叙述错误的是(　　)。
A.Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
A
解析:根据电池装置图可知,Zn电极为负极,MnO2电极为正极。根据原电池电解质溶液中阴、阳离子的移动方向(阴离子向负极定向移动,阳离子向正极定向移动)的规律可知,A项叙述错误,B项叙述正确;电池放电时的正极反应为MnO2+4H++2e-══Mn2++2H2O,C项叙述正确;放电时的负极反应为
4.如图为利用电化学方法处理有机废水的原理示意图。下列说法正确的是(　　)。
A.a、b极不能使用同种电极材料
B.工作时,a极的电势低于b极的电势
C.工作一段时间之后,a极区溶液的
pH增大
D
5.(双选)(2021山东潍坊高三检测)某大学科学家构建了一种新型的非碱性锌-空气电池,具有长循环寿命、安全稳定等优点,以三氟甲磺酸锌[Zn(OTf)2]为电解液,电池总反应为Zn+O2 ZnO2,构造原理如下图。下列说法正确的是(　　)。
A.含催化剂的多孔电极为电池的负极
B.放电时正极的电极反应式为
O2+Zn2++2e-══ZnO2
C.放电时Zn电极电势高
D.充电时每生成1 mol锌,理论上产生
气体体积为22.4 L(标准状况)
BD
解析:由图可知,通入空气的含催化剂的多孔电极为电池的正极,Zn为负极,A项错误;放电时,空气中的氧气在含催化剂的多孔电极(正极)上得电子发生还原反应生成ZnO2,正极反应式为O2+Zn2++2e-══ZnO2,B项正确;放电时Zn电极为负极,电势低,C项错误;充电时为电解池,总反应为ZnO2 Zn+O2↑,则生成1 mol Zn,理论上生成1 mol O2,标准状况下的体积为1 mol×22.4 L·mol-1=22.4 L,D项正确。
6.(双选)科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)。
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应:O2+4H++4e-══2H2O
C.电路中每通过4 mol电子,在正极消耗44.8 L H2S
D.每17 g H2S参与反应,有2 mol H+经质子膜进入正极区
CD
解析:根据题目可知,该电池为燃料电池,根据燃料电池的特点,通氧气的一极为正极,故电极b为正极,电极a为负极,A项正确;电极b为正极,正极上氧气得电子,B项正确;从装置图可以看出,电池总反应为2H2S+O2══ S2+2H2O,电路中每通过4 mol电子,正极上应该消耗1 mol O2,负极上应该有2 mol H2S反应,但是题目中没有给定标准状况下,所以不一定是44.8 L,C项错误;17 g H2S即0.5 mol H2S,0.5 mol H2S参与反应会消耗0.25 mol O2,根据正极反应式O2+4H++4e-══2H2O,可知有1 mol H+经质子膜进入正极区,D项错误。
第二环节　关键能力形成
能力点1
运用电极反应式或总反应式表征电化学装置工作原理的能力
整合建构
1.原电池电极反应式的书写
书写电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有:
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu══2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应:
正极:2Fe3++2e-══2Fe2+
负极:Cu-2e-══Cu2+
(2)加减法。
①写出总反应,如Li+LiMn2O4══Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极),如Li-e-══Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-══Li2Mn2O4(正极)。
2.燃料电池电极反应式的书写
第一步:写出燃料电池反应的总反应式。
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2══CO2+2H2O①
CO2+2NaOH══Na2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOH══Na2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
(1)酸性电解质溶液环境下的电极反应式:
O2+4H++4e-══2H2O;
(2)碱性电解质溶液环境下的电极反应式:
O2+2H2O+4e-══4OH-;
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下的电极反应式:
O2+4e-══2O2-;
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下的电极反应式:
第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式。
问题引领
如何从氧化还原反应的视角理解化学电源的结构及其工作原理
点拨化学电源就是一个实现氧化还原反应自发进行,让电子定向移动起来,形成电流对外做功的装置。其作用是让还原剂失电子发生氧化反应和氧化剂得电子发生还原反应在不同的地方(负极和正极)发生。电子通过导线定向移动进而形成电流,失去电子的一极叫负极,还原剂在此发生氧化反应;得到电子的一极叫正极,氧化剂在此发生还原反应;内电路中带电粒子在正负极间电势差的作用下定向移动,阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,从而保证形成闭合回路,同时又保证正负极间存在电势差,使化学电源能较长时间地对外供电。
训练突破
1.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LixC6+Li1-xCoO2══LiCoO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是(　　)。
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-══xLi++C6
C.充电时,若转移1 mol e-,石墨(C6)电极质量将增加7x g
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-══Li1-xCoO2+xLi+
C
解析:电池放电时,阳离子由负极移向正极,A项正确。由放电时的总反应看出,LixC6在负极发生失电子的氧化反应,B项正确。充电反应是放电反应的逆反应,充电时阳极发生失电子的氧化反应:LiCoO2-xe-══Li1-xCoO2 +xLi+,D项正确。充电时,阴极发生得电子的还原反应:xLi++C6+xe-══ LixC6,当转移1 mol电子时,阴极(C6电极)析出 mol LixC6,质量将增加7 g,C项错误。
2.我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为3CO2+4Na 2Na2CO3+C,下列说法错误的是(　　)。
D
解析:放电时装置为原电池,阴离子向负极移动,A项正确;根据总反应可知,放电时二氧化碳在正极得电子被吸收,充电时又被释放出来,B项正确;放电时,负极上Na失电子,正极上CO2得电子,正极电极反应式为3CO2+4e-══ 2 +C,C项正确;充电时阴极反应式为Na++e-══Na,D项错误。
能力点2
熟练运用原电池原理分析新型化学电源的能力
整合建构
问题引领
分析新型电池的基本思路是什么
点拨用不变的原电池原理知识,应对万变的新型化学电源,万变不离其宗,只要抓住原电池原理不放,无论多么新的化学电源,最终就是一个氧化还原反应而已。
训练突破
1.(2024吉林卷)“绿色零碳”氢能前景广阔。为解决传统电解水制“绿氢”阳极电势高、反应缓慢的问题,科技工作者设计耦合HCHO高效制H2的方法,装置如图所示。
下列说法错误的是(　　)。
A.相同电量下H2理论产量是传统电解水的1.5倍
B.阴极反应:2H2O+2e-══2OH-+H2↑
C.电解时OH-通过阴离子交换膜向b极方向移动
D.阳极反应:2HCHO-2e-+4OH-══2HCOO-+2H2O+H2↑
A
解析:由题中反应机理分析可知,HCHO在阳极发生反应,阳极总反应为2HCHO-2e-+4OH-══2HCOO-+H2↑+2H2O。而阴极水中的H+放电得H2,电极反应式为2H2O+2e-══H2↑+2OH-。B、D两项正确。传统电解水时每转移2 mol电子可生成1 mol H2,而此原理中两电极均生成H2,每转移2 mol电子共可得到2 mol H2,所以相同电量下H2理论产量是传统电解水的2倍,A项错误。根据电解原理可知,阴离子向阳极移动,则OH-通过阴离子交换膜向阳极(b极)移动,C项正确。
2.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电极质量每增加0.65 g,
溶液中有0.02 mol I-被氧化
D.充电时,a电极接外电源的负极
D
解析:根据离子和电子的移动方向可知,a电极是正极,b电极是负极。放电时,负极电极反应为Zn-2e-══Zn2+,正极电极反应为I2Br-+2e-══2I-+Br-,显然A、B两项正确;充电时,b电极电极反应为Zn2++2e-══Zn,质量每增加0.65 g转移0.02 mol e-,根据以上分析,可知溶液中有0.02 mol I-被氧化,C项正确;充电时,阳极接电源正极,D项错误。
3.(1)将燃煤产生的二氧化碳回收利用,可达到低碳排放的目的。下图是通过人工光合作用,以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。电极b作　　　　极,表面发生的电极反应为　　　　　　　　　　。
(2)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂,KOH作电解质。
负极反应式为　 ;
正极反应式为　 。
(3)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的
一次性贮备电池,电池反应方程式为
2AgCl+Mg══Mg2++2Ag+2Cl-。
①负极反应式为　 ;
②正极反应式为　 。
答案:(1)正　2H++CO2+2e-══HCOOH
(2)4OH-+N2H4-4e-══N2↑+4H2O　2H2O+O2+4e-══4OH-
(3)①Mg-2e-══Mg2+
②2AgCl+2e-══2Ag+2Cl-
解析:(1)从图示可以看出,左侧H2O转变成O2,O元素被氧化,电极a为负极,电极反应式为2H2O-4e-══4H++O2↑,H+通过质子交换膜进入右侧发生反应,右侧通入的CO2转变成HCOOH,CO2被还原,电极b为正极,电极反应式为2H++CO2+2e-══HCOOH。(2)根据装置可知N2H4→N2为氧化反应,在负极上发生该反应。
第三环节　核心素养提升
【高考真题剖析】
【例题】 (2024新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是(　　)。
A.电池总反应为2C6H12O6+O2══2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
C
解析:由题图知,O2在a电极上得电子生成OH-,则a电极为电池正极,b电极为电池负极。在负极区,Cu2O在b电极上失电子转化成CuO,葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸,CuO被还原为Cu2O,CuO与Cu2O的相互转变实际是CuO起催化作用,则电池总反应为2C6H12O6+O2══2C6H12O7,A、B两项正确;根据总反应可知,1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子,18 mg C6H12O6的物质的量为0.1 mmol,则消耗18 mg葡萄糖时,理论上a电极有0.2 mmol电子流入,C项错误;原电池中阳离子从负极移向正极,故Na+迁移方向为b→a,D项正确。
【核心素养考查点剖析】本题是以新型化学电源为情境命制的,考查考生利用原电池原理分析解决有关新型化学电源的问题的能力,较好地考查了考生的“变化观念和平衡思想”。本题在解答时要结合题图判断出正、负极;注意理解题目中给出“CuO催化消耗血糖”;明确原电池中阴、阳离子的移动方向。
【典题训练】
1.(2023新课标卷)一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质溶液的电池,其示意图如下所示。放电时,Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是(　　)。
A.放电时V2O5为正极
B.放电时Zn2+由负极向正极迁移
C.充电总反应:
xZn+V2O5+nH2O══ZnxV2O5·nH2O
D.充电阳极反应:
ZnxV2O5·nH2O-2xe-══xZn2++V2O5+nH2O
C
解析:Zn为活泼金属,放电时发生氧化反应为电源的负极,A项正确;放电时,阳离子(Zn2+)由负极向正极迁移,B项正确;xZn+V2O5+nH2O══ ZnxV2O5·nH2O反应中Zn发生氧化反应,为放电总反应方程式,C项错误;充电时阳极(原电池正极)重新生成V2O5,D项正确。
2.(2023辽宁卷)某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是
(　　)。
A.放电时负极质量减小
B.储能过程中电能转变为化学能
C.放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧
B
3.(2021浙江卷)某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示,电极A为非晶硅薄膜,充电时Li+得电子成为Li嵌入该薄膜材料中;电极B为LiCoO2薄膜;集流体起导电作用。下列说法不正确的是(　　)。
A.充电时,集流体A与外接电源的负极相连
B.放电时,外电路通过a mol电子时,LiPON薄膜电解质损失a mol Li+
C.放电时,电极B为正极,反应可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe-══LiCoO2
D.电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2 Si+LiCoO2
B
解析:由题中信息可知,该电池充电时Li+得电子成为Li嵌入电极A中,可知电极A在充电时作阴极,故其在放电时作电池的负极,而电极B是电池的正极。由图可知,集流体A与电极A相连,充电时电极A作阴极,故充电时集流体A与外接电源的负极相连,A项说法正确;放电时,外电路通过a mol电子时,内电路中有a mol Li+通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极,但是LiPON薄膜电解质没有损失Li+,B项说法不正确;放电时,电极B为正极,发生还原反应,反应可表示为Li1-xCoO2+xLi++xe-══LiCoO2,C项说法正确;电池放电时,嵌入在非晶硅薄膜中的Li失去电子变成Li+,正极上Li1-xCoO2得到电子转化为LiCoO2,故电池总反应可表示为LixSi+Li1-xCoO2 Si+LiCoO2,D项说法正确。
【新情境模拟训练】
(双选)(2023山东卷)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法正确的是(　　)。
A.甲室Cu电极为正极
B.隔膜为阳离子膜
C.电池总反应为
Cu2++4NH3══[Cu(NH3)4]2+
D.NH3扩散到乙室将对电池
电动势产生影响
CD
解析:装置左侧回收CuSO4溶液,则甲池Cu电极发生氧化反应产生[Cu(NH3)4]2+,通过低温热解释放NH3,所以甲室Cu电极为负极,乙室Cu电极为正极,电极反应分别为
负极　Cu+4NH3-2e-══[Cu(NH3)4]2+
正极　Cu2++2e-══Cu
因此总反应为Cu2++4NH3══[Cu(NH3)4]2+,C项正确,A项错误;乙池中Cu2+减少,则乙池中的 通过隔膜进入甲池,因此隔膜为阴离子膜,B项错误;NH3扩散到乙室,NH3也会与Cu2+发生反应,D项正确。
实验探源
【必备知识归纳】
化学能转化成电能　制作简单的燃料电池
实验1.化学能转化成电能
【实验用品】
铜片,锌片,1 mol·L-1 CuSO4溶液,1 mol·L-1 ZnSO4溶液;烧杯,导线,盐桥,电流表。
【实验方案实施】
组装装置,进行实验,观察并记录现象。
实验2. 制作简单的燃料电池
【实验目的】
(1)理解燃料电池的工作原理。
(2)设计制作一个氢氧燃料电池。
【实验用品】
U形管、石墨棒(石墨棒使用前应该经过烘干活化处理)、3~6 V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)。
1 mol·L-1 Na2SO4溶液、酚酞溶液。
【实验步骤】
(1)电解水。
在U形管中注入1 mol·L-1 Na2SO4溶液,然后向其中滴加1~2滴酚酞溶液。在U形管的两边分别插入一根石墨棒,并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1,接通直流电源开始电解,观察现象。
(2)制作一个氢氧燃料电池。
当上述电解过程进行1~2 min后,打开K1,断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连,闭合K2,观察现象。
【实验现象】
【注意事项】
电解水实验时直流电源电压应控制在6 V以下。
【易错细节筛查】
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)某原电池反应为Cu+2AgNO3══Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含KCl饱和溶液的琼脂。(　　)
(2)因为铁比铜活泼,所以将铁、铜用导线连接后放入浓硝酸中组成原电池,一定是铁作负极、铜作正极。(　　)
(3)C+H2O(g) CO+H2可设计成原电池。(　　)
(4)将氧化还原反应设计成原电池,可以把物质内部的能量全部转化为电能。(　　)
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,将热能转化为电能。(　　)
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(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,将热能转化为电能。(　　)
(6)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中的负极反应为2H2-4e-══4H+。(　　)
(7)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下,甲烷燃料电池的正极电极反应式为6CO2+3O2+12e-══6 。(　　)
×
×
√
【实验能力形成】
1.有关下图所示原电池的叙述不正确的是(　　)。
A.电子沿导线由Cu片流向Ag片
B.正极的电极反应式是Ag++e-══Ag
C.Cu片上发生氧化反应,Ag片上发生
还原反应
D.反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液
D
解析:题述装置是原电池,铜作负极,银作正极,电子从铜片沿导线流向银片,A项正确。正极电极反应式为Ag++e-══Ag,B项正确。Cu失电子,发生氧化反应,银片上Ag+得电子,发生还原反应,C项正确。原电池工作时,电解质溶液以及盐桥中的阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以反应时盐桥中的阳离子移向AgNO3溶液,D项错误。
2.燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的
化学能直接转化为电能的发电装置,燃料和空气
分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。常
见的燃料电池有氢氧燃料电池、烷氧燃料电池、
醇氧燃料电池等,如图是氢氧燃料电池示意图:
(1)若电解质溶液为KOH溶液,则电池工作时负极的电极反应式为　　　　　　　;正极的电极反应式为　　　　　　　　　　。
(2)若电解质溶液为H2SO4溶液,则电池工作时正极的电极反应式为　 。
(3)若将上述燃料电池中的氢气改为CH4,以硫酸作电解质溶液,则负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案:(1)4OH-+2H2-4e-══4H2O
2H2O+O2+4e-══4OH-
(2)O2+4H++4e-══2H2O
(3)2H2O+CH4-8e-══CO2+8H+
解析:(1)燃料电池中,通入燃料的电极是负极,通入氧化剂的电极是正极,所以通入氢气的电极是负极,通入氧气的电极是正极,负极上电极反应式为4OH-+2H2-4e-══4H2O,正极上电极反应式为2H2O+O2+4e-══4OH-。(2)若电解质溶液为H2SO4溶液,负极上氢气失电子生成氢离子,正极上氧气得电子,正极电极反应式为4H++O2+4e-══2H2O。(3)若把H2改为CH4,以硫酸作电解质溶液,负极上甲烷失电子生成二氧化碳和氢离子,电极反应式为2H2O+CH4-8e-══CO2+8H+。