第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第1课时 原电池的工作原理
基础过关练
题组一 原电池的形成条件
1.下列装置中,电流表指针不能发生偏转的是 ( )
A B
C D
2.(经典题)如图所示装置,电流表指针发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则下列各项中符合的是( )
A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸
B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸
C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液
D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液
题组二 原电池的工作原理
3.(易错题)将镁条、铝条平行插入盛有一定浓度的NaOH溶液的烧杯中,用导线和电流表连接成原电池,装置如图所示。此电池工作时,下列叙述正确的是 ( )
A.Mg比Al活泼,Mg失去电子被氧化成Mg2+
B.若铝条表面有氧化膜,也不必处理
C.该电池的内外电路中,电流均是由电子定向移动形成的
D.Al是电池负极,开始工作时溶液中会立即有白色沉淀析出
4.某原电池装置如图所示,下列说法错误的是 ( )
A.电池工作时,石墨棒上始终无气泡产生
B.电池工作时,溶液中的Cu2+向铁棒移动
C.电池工作一段时间后,溶液中的溶质质量逐渐减轻
D.电池工作时,外电路中的电流方向为石墨棒→灯泡→铁棒
5.某原电池装置如图所示,盐桥中装有用饱和氯化钾溶液浸泡过的琼脂。下列叙述正确的是 ( )
A.原电池工作一段时间后,FeCl2溶液中c(Cl-)增大
B.此电池工作原理与硅太阳能电池工作原理相同
C.Fe为正极,石墨电极上发生的反应为2H++2e- H2↑
D.该装置中的盐桥可用金属丝代替,原理不变
6.某原电池装置如图所示,盐桥中装有琼脂-KNO3。
①在外电路中,电流由铜电极流向银电极
②正极反应为Ag++e- Ag
③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应相同
⑤盐桥中的K+移向Cu(NO3)2溶液
⑥电子的移动方向:Cu电极→导线→Ag电极→AgNO3溶液→盐桥→Cu(NO3)2溶液
上述①~⑥中正确的有 ( )
A.4个 B.3个 C.2个 D.1个
题组三 原电池工作原理的应用
7.(经典题)用A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验,下列叙述中正确的是 ( )
实验 装置 甲 乙 丙
实验 现象 A不断溶解 C的表面有红色固体析出 A上有气泡产生
A.装置甲中的B金属是原电池的负极
B.装置乙中,外电路中电流的流向为B→C
C.装置丙中溶液里的S移向A
D.四种金属的活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C
8.已知氧化性:Au3+>Ag+>Cu2+>Pb2+>Cr3+>Zn2+>Ti2+。现有如图所示的电化学装置,下列叙述中正确的是 ( )
A.若X为Ti,则Y极的电极反应式可能是Zn-2e- Zn2+
B.若X为Cr,则Y可以选Zn或Ti
C.若Y为Cu,则X极的电极反应式可能是Cr-3e- Cr3+
D.若X为Zn、Y为Pb,形成原电池,则盐桥中阴离子移向右侧烧杯
9.(1)利用反应Cu+2FeCl3 CuCl2+2FeCl2设计成如图所示的原电池,回答下列问题:
①正极电极反应式为 ;负极电极反应式为 。
②图中X是 ,Y是 。
③原电池工作时,盐桥中的 (填“阳”或“阴”)离子向X溶液方向移动。
(2)利用反应2Cu+O2+2H2SO4 2CuSO4+2H2O可制备CuSO4,若将该反应设计成原电池,其正极反应式为 。
10.(易错题)根据下列图像,将字母填在相应横线上:
A B C D
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是 。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入等量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是 。
(3)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CH3COONa溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是 。
能力提升练
题组一 原电池正、负极的判断与电极反应式的书写
1.按如图所示装置进行实验,观察到图1装置中铜电极上产生大量无色气泡;图2装置中铜电极上无气泡产生,铬电极上产生大量有色气泡。下列叙述不正确的是 ( )
图1 图2
A.图1装置中Cu电极上电极反应式为2H++2e- H2↑
B.图2装置中Cu电极上电极反应式为Cu-2e- Cu2+
C.图2装置中Cr电极上电极反应式为N+e-+2H+ NO2↑+H2O
D.两个装置中,电子均由Cr电极经导线流向Cu电极
2.我国在太阳能光电催化电池处理H2S研究中获得新进展,相关装置如图所示。
下列说法错误的是 ( )
A.该装置中能量转化形式只有化学能转化为电能
B.该装置工作时,b极为正极
C.a极的电极反应式为Fe2+-e- Fe3+
D.电路中每通过1 mol e-,可处理17 g H2S
题组二 与原电池相关的实验探究
3.某实验小组依据反应As氧化性的影响,测得输出电压与pH的关系如图2。下列有关叙述错误的是 ( )
图1
图2
A.c点时,正极的电极反应为As+H2O
B.b点时,反应处于化学平衡状态
C.a点时,盐桥中的K+向左移动
D.pH>0.68时,氧化性I2>As
4.现有FeSO4溶液、Fe2(SO4)3溶液、AgNO3溶液,采用如图装置验证Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓为可逆反应。
回答下列问题:
(1)按照装置图,组装好仪器后,分别在两烧杯中加入一定浓度的a、b,闭合开关K,观察到的现象为:Ag电极上有银白色固体析出,检流计指针向右偏转,一段时间后指针归零,说明此时反应达到平衡状态。则a为 溶液;b为 溶液。
(2)再向左侧烧杯中滴加较浓的 溶液,产生的现象为 ,表明Ag++Fe2+ Fe3++Ag↓为可逆反应。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.D 3.B 4.B 5.A 6.C 7.D 8.C
1.A A项,锌插入CuCl2溶液中,锌置换出铜,电子不经过导线(易错点),没有电流产生,则电流表指针不发生偏转;B项,可构成原电池,镁为负极,铝为正极,电流表指针发生偏转;C项,可构成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转;D项,可构成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转。
2.D A极逐渐变粗,说明A极发生还原反应,有金属析出,A极为正极;B极逐渐变细,说明B极失电子发生氧化反应,B极为负极,D符合题意。
3.B Mg虽然比Al活泼,但铝能与NaOH溶液发生氧化还原反应,镁与NaOH溶液不反应,所以在题述装置中铝失电子,为原电池的负极,A错误;铝条表面的氧化膜能与NaOH溶液反应,故不必处理,B正确;该装置外电路的电流是由电子的定向移动形成的,而内电路的电流则是由溶液中离子的定向移动形成的,C错误;在该反应中,铝失电子,为原电池的负极,由于电池开始工作时,生成的铝离子的量较少,NaOH过量,此时不会有Al(OH)3白色沉淀析出,D错误。
4.B 铁棒为负极,石墨棒为正极,正极上铜离子得电子生成单质铜,硫酸铜溶液足量,石墨棒上始终无气泡产生,A正确;石墨棒为正极,正极上铜离子得电子生成单质铜,溶液中的铜离子向石墨棒移动,B错误;电池总反应为Fe+Cu2+ Fe2++Cu,当溶液中有1 mol Cu2+变成单质铜时,会有1 mol Fe2+进入溶液中,电池工作一段时间后,溶液中的溶质质量逐渐减轻,C正确;铁棒作负极,石墨棒作正极,外电路中的电流方向为石墨棒→灯泡→铁棒,D正确。
5.A Fe为负极,失去电子生成Fe2+,盐桥中Cl-向负极移动,则FeCl2溶液中c(Cl-)会增大,A正确;原电池是将化学能转化为电能的装置,硅太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置,B错误;Fe为负极,石墨为正极,正极上电极反应为2H++2e- H2↑,C错误;若装置中的盐桥用金属丝代替,则此装置原理会发生变化,D错误。
6.C 根据金属活动性和图示装置可知,Cu为负极,Ag为正极。外电路中,电流由正极(Ag电极)流向负极(Cu电极),①错误;正极Ag+得电子生成Ag,②正确;取出盐桥,不能构成闭合回路,无法形成原电池,③错误;铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应相同,均为Cu+2Ag+ Cu2++2Ag,④正确;盐桥中的K+向正极移动,即移向AgNO3溶液,⑤错误;电子只能在外电路中移动,不能通过电解质溶液,⑥错误;综上,正确的只有②④,故选C。
7.D 装置甲中A不断溶解,则A为负极,B为正极,A错误;装置乙中C的表面有红色固体析出,则C为正极,B为负极,外电路中电流方向:C→B,B错误;装置丙中A上有气泡产生,则A为正极,D为负极,溶液中S向D移动,C错误;根据实验现象可知金属活动性:A>B、B>C、D>A,故金属活动性:D>A>B>C,D正确。
8.C 根据装置图可知,X电极是负极,失去电子发生氧化反应,Y电极是正极,得到电子发生还原反应。若X为Ti,由于Y电极是正极,应得到电子发生还原反应,A不正确;若X为Cr,则Y的金属性要弱于Cr的金属性,Zn和Ti的金属性均强于Cr的金属性,则Y不能选Zn或Ti,可以选择Cu或Pb等,B不正确;若Y为Cu,由于X是负极,则X的金属性要强于Cu,所以可以选择Cr,负极反应式可能是Cr-3e- Cr3+,C正确;X电极是负极,盐桥中阴离子移向负极,故盐桥中阴离子移向左侧烧杯,D不正确。
9.答案 (1)①2Fe3++2e- 2Fe2+ Cu-2e- Cu2+ ②FeCl3 CuCl2 ③阳
(2)O2+4e-+4H+ 2H2O
解析 (1)①该原电池中Cu为负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+;石墨为正极,电极反应式为2Fe3++2e- 2Fe2+。②X溶液应为FeCl3溶液,Y溶液应为CuCl2溶液。③原电池工作时,盐桥中的阳离子向正极移动。
(2)Cu为负极,O2在正极上得电子,电极反应为O2+4e-+4H+ 2H2O。
10.答案 (1)A (2)B (3)C
解析 以图析题:
A B C D
(1)向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,Zn可以置换出Cu,在溶液中构成原电池,生成氢气的速率加快,但由于部分Zn参与置换Cu的反应,产生H2的量减少,选A。
(2)向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,Zn与CuSO4反应置换出Cu,在溶液中构成原电池,加快反应速率,但由于Zn足量,n(H+)相同,产生H2的量相同(易错点),选B。
(3)向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CH3COONa溶液,CH3COO-与H+反应生成弱电解质CH3COOH,溶液中c(H+)减小,但n(H+)不变,故反应速率减慢,产生H2的量一样多(易错点),选C。
能力提升练
1.D 2.A 3.A
1.D 图1装置中铜电极上产生大量无色气泡,说明Cu为正极,电极反应式为2H++2e- H2↑,A正确;图2装置中铜电极上无气泡产生,铬电极上产生大量有色气泡,则铜被氧化,为负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+,Cr为正极,正极上是HNO3被还原生成NO2,电极反应式为N+e-+2H+ NO2↑+H2O,B、C正确;图1装置中,电子由Cr电极(负极)经导线流向Cu电极(正极),图2装置中电子由Cu电极(负极)经导线流向Cr电极(正极),D错误。
2.A 根据“太阳能光电催化电池”可知该装置中存在的能量转化形式还有光能转化为化学能,A错误;在b极上H+得到电子被还原产生H2,故b极为原电池的正极,B正确;根据题图可知在a极上Fe2+失去电子生成Fe3+,a极的电极反应式为Fe2+-e- Fe3+,C正确;由H2S~2e-~S及得失电子守恒(解题技法)可知,电路中每通过2 mol e-,可处理34 g H2S,则电路中每通过1 mol e-,可处理17 g H2S,D正确。
3.A c点时,输出电压小于0,反应逆向进行,As在负极失电子,I2在正极得电子,正极的电极反应式为I2+2e- 2I-,A错误;b点时,输出电压为0,反应处于平衡状态,B正确;a点时,输出电压大于0,反应正向进行,乙中I-失电子,则乙中石墨电极为负极,甲中石墨电极为正极,原电池中阳离子向正极移动,所以盐桥中的K+向左移动,C正确;pH>0.68时,电压小于0,反应逆向进行,I2作氧化剂,所以氧化性I2>As,D正确。
4.答案 (1)FeSO4或FeSO4与Fe2(SO4)3的混合
AgNO3
(2)Fe2(SO4)3 Ag电极上固体逐渐减少,指针向左偏转,一段时间后指针归零
解析 (1)题图中原电池工作时,Ag电极上有银白色固体(Ag)析出,检流计指针向右偏转,Ag电极为正极,电极反应式为Ag++e- Ag,则石墨电极为负极,电极反应式为Fe2+-e- Fe3+,所以a溶液为FeSO4溶液或FeSO4与Fe2(SO4)3的混合溶液;b为AgNO3溶液。
(2)再向左侧烧杯中滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液,此时正极电极反应式为Fe3++e- Fe2+,负极电极反应式为Ag-e- Ag+,Ag电极为负极,石墨电极为正极,则产生的现象为Ag电极上固体逐渐减少,指针向左偏转,一段时间后指针归零。
知识拓展 (1)带盐桥的原电池中,通常在同侧烧杯内电解质溶液中的金属离子与金属电极的材料相同。
(2)对于可逆的氧化还原反应,当改变条件,平衡移动的方向改变时,电池的正、负极改变,电流方向相反,当达到平衡时,输出电压为0。
13第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第2课时 化学电源
基础过关练
题组一 一次电池
1.锌锰电池是生活中常用的电池,普通锌锰电池和碱性锌锰电池的结构分别如图所示,下列说法错误的是 ( )
A.锌锰电池属于一次电池,用完不可随意丢弃
B.普通锌锰电池和碱性锌锰电池放电过程中锌均发生氧化反应
C.放电时,普通锌锰电池的石墨电极上反应为2N+2e- N2↑+4H2↑
D.放电时,碱性锌锰电池正极反应式为MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-
2.(经典题)微型银—锌电池可用作电子仪器的电源,其电极分别是Ag/Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电池总反应为Ag2O+Zn+H2O 2Ag+Zn(OH)2。下列说法正确的是 ( )
A.电池工作过程中,负极发生还原反应
B.电池工作过程中,电解液中OH-向正极移动
C.负极电极反应为Zn+2OH--2e- Zn(OH)2
D.正极电极反应为Ag2O+2H+-2e- 2Ag+H2O
题组二 二次电池
3.铅酸蓄电池构造如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.铅酸蓄电池是二次电池,充电时电能转化为化学能
B.放电时,外电路中电子由Pb流向PbO2
C.放电时,负极反应为Pb-2e- Pb2+
D.放电时,H+移向PbO2
4.镍镉电池是一种新型的封闭式体积小的可充电电池,其放电时的工作原理如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.放电时,OH-向b极移动
B.放电时,a极发生还原反应
C.充电时电流的方向:外电源正极→b极,a极→外电源负极
D.充电时,a极的电极反应为Cd-2e-+2OH- Cd(OH)2
5.如图为铁镍电池,具有优良的耐过充和过放电性能。下列说法正确的是 ( )
A.放电时,a极电势比b极电势高
B.放电时,b极电极反应为Ni(OH)2+2e- Ni+2OH-
C.充电时,a极附近pH减小
D.充电时,每消耗1 mol Fe3O4·4H2O,有4 mol Ni(OH)2被氧化
6.高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池放电时的总反应式为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题:
(1)高铁电池的负极材料是 ,放电时负极反应式为 。
(2)放电时,正极发生 (填“氧化”或“还原”)反应;正极反应式为 。放电时, (填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
题组三 燃料电池
7.一种铝—空气电池工作原理如图,下列说法正确的是( )
A.a极为负极,发生氧化反应
B.工作时OH-向b极迁移
C.外电路中,电流从a极流向b极
D.该电池正极电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O
8.氨气是一种重要的化工原料,工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1,将上述合成氨反应设计成燃料电池,工作原理如图所示,其中溶有HCl的稀的A溶液为电解质溶液。下列说法错误的是 ( )
A.a电极为正极,发生还原反应
B.A溶液中所含溶质为NH4Cl,可用蒸发结晶的方法分离出A
C.a电极发生的反应为N2+8H++6e- 2N
D.导线中电流方向为a→b
9.在石油化工生产中,丁烷(C4H10)是一种重要的化工原料。丁烷的燃料电池工作原理如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.M电极上发生氧化反应
B.R电极上的电极反应为C4H10-26e-+13O2- 4CO2+5H2O
C.该电池工作时,每转移0.4 mol电子,此时消耗O2的质量为1.6 g
D.该电池工作时,外电路中电子的移动方向为M电极→灯泡→R电极
10.一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂,在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇,同时向一个电极通入空气。回答下列问题:
(1)这种电池放电时的总反应式为 。
(2)此电池的正极反应式: ;负极反应式: 。
(3)电解液中H+向 (填“正”或“负”,下同)极移动,向外电路释放电子的电极是 极。
能力提升练
题组一 非水系电池
1.我国报道了一种新型Li-NO2电池,为NO2的治理和利用提供了新的研究思路,其工作原理如图所示,电池放电时的总反应为2Li+NO2 Li2O+NO。下列有关该电池工作时的说法不正确的是 ( )
A.外电路电流的方向:b极→电流表→a极
B.b极的电极反应:NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO
C.电解液中Li+向b极附近迁移
D.当外电路通过1 mol e-时,b极质量增加7 g
2.一种锂离子电池的结构如图所示,电池反应为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2(x<1)。下列说法正确的是 ( )
A.充电时a极接外电源的负极
B.放电时Li+在电解质中向b极迁移
C.充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将减少0.14 g
D.该电池进行“放电处理”有利于锂在LiCoO2极回收
3.以Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池,其放电时工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6]
B.充电时,Mo箔接电源的正极
C.放电时,Na+通过离子交换膜从右室移向左室
D.外电路通过0.2 mol电子时,Mg箔质量变化为1.2 g
题组二 化学电源的应用
4.一种液态肼(N2H4)燃料电池被广泛应用于发射通信卫星、战略导弹等的运载火箭中。该燃料电池以固体氧化物为电解质,生成物为无毒无害的物质。下列有关该电池的说法正确的是 ( )
A.电子沿电极a→用电器→电极b→电解质→电极a流动
B.电极a上的电极反应式为N2H4+2O2-+4e- N2↑+2H2O
C.当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上被氧化的O2在标准状况下的体积约为22.4 L
D.该电池常温下不能工作
5.Hg-Hg2SO4标准电极在生活中常用于测定其他电极的电势,测知Hg-Hg2SO4电极的电势高于Cu电极的电势。以下说法正确的是 ( )
A.K2SO4溶液可用CCl4代替
B.Hg-Hg2SO4电极反应为Hg2SO4-2e- 2Hg+S
C.微孔瓷片起到阻隔离子通过的作用
D.若把Cu-CuSO4体系换作Zn-ZnSO4体系,电压表的示数变大
6.某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2催化还原,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.电池工作时外电路电流由b极流向a极
B.b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O
C.电池工作过程中,a极区有H+生成
D.每处理0.5 mol Cr2,可生成16.8 L CO2
7.我国科研人员研发出一种Zn-NO电池系统,该电池同时具备合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示。已知双极膜可将水解离为H+和OH-,并实现其定向通过。下列说法错误的是 ( )
A.Zn/ZnO电极电势比MoS2电极电势低
B.电池工作时,NaOH和Na2SO4的浓度均变小
C.Zn/ZnO电极表面发生的反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O
D.当电路通过1 mol e-时,整个电池系统质量会增大3.0 g
8.我国科学家发明了一种Zn-PbO2电池,可广泛应用于汽车启动、照明和电力系统等领域。电解质分别为K2SO4、H2SO4和KOH,由a和b两种离子交换膜隔开,形成A、B、C三个电解质溶液区域,结构示意图如图所示:
(1)电池中,Zn为 极,B区域的电解质为 (填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池总反应的离子方程式为 。
(3)阳离子交换膜为图中的 (填“a”或“b”)。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 2.C 3.C 4.C 5.B 7.A 8.B 9.B
1.C 锌锰电池属于一次电池,含有重金属离子,用完不可随意丢弃,A正确;普通锌锰电池和碱性锌锰电池都是锌为负极,放电过程中锌均发生氧化反应,B正确;放电时,普通锌锰电池的石墨电极上MnO2得电子,被还原,C错误;放电时,碱性锌锰电池正极反应式为MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-,D正确。
2.C 电池工作过程中,Zn失电子作负极,发生氧化反应,电极反应为Zn+2OH--2e- Zn(OH)2,A错误、C正确;电池工作过程中,电解液中的OH-向负极移动,B错误;正极Ag2O得电子,发生还原反应,碱性环境下,电极反应为Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-,D错误。
3.C 铅酸蓄电池是典型的二次电池,充电时把电能转化成化学能,A正确;放电时,Pb作负极,PbO2作正极,外电路中电子由Pb流向PbO2,B正确;放电时,负极Pb发生氧化反应生成PbSO4,电极反应为Pb+S-2e- PbSO4,C错误;放电时,H+向正极移动,D正确。
4.C 由题图中电子移动方向可知放电时Cd为负极,NiO(OH)为正极(破题关键)。放电时,a极失电子,发生氧化反应,OH-向a极移动,A、B错误;放电时a极为负极,b极为正极,充电时a与电源负极相连,b与电源正极相连,电流的方向:电源正极→b极,a极→电源负极,C正确;充电时,a极的电极反应为Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-,D错误。
5.B 根据题图可知,放电时a为负极,Fe转化为Fe3O4·4H2O,b为正极,Ni(OH)2转化为Ni。放电时,a为负极,a极电势比b极电势低,A错误;放电时b为正极,Ni(OH)2转化为Ni,b极电极反应为Ni(OH)2+2e- Ni+2OH-,B正确;充电时,a极Fe3O4·4H2O转化为Fe,电极反应为Fe3O4·4H2O+8e- 3Fe+8OH-,故a极附近pH增大,C错误;充电时,每消耗1 mol Fe3O4·4H2O,转移8 mol e-,有4 mol Ni被氧化,D错误。
6.答案 (1)Zn Zn+2OH--2e- Zn(OH)2
(2)还原 Fe+3e-+4H2O Fe(OH)3+5OH- 正
解析 放电时,电池的负极上发生氧化反应,负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,正极上发生还原反应,正极反应式为Fe+3e-+4H2O Fe(OH)3+5OH-,正极附近溶液的碱性增强。
7.A 由题图可知,a极为负极,铝失去电子在碱性条件下转化为[Al(OH)4]-,电极反应式为Al-3e-+4OH- [Al(OH)4]-,A正确;工作时OH-向负极(a极)迁移,B错误;放电时,外电路中电流从正极(b极)流向负极(a极),C错误;在碱性条件下,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,D错误。
8.B 由题图可知,通入氮气的a电极为燃料电池的正极,酸性条件下氮气在正极得到电子发生还原反应,通入氢气的b电极为负极,氢气在负极失去电子发生氧化反应生成氢离子,A溶液为氯化铵溶液,浓溶液经冷却结晶、过滤得到氯化铵和可以循环使用的氯化铵的稀溶液,A正确、B错误;正极电极反应为N2+8H++6e- 2N,C正确;导线中电流方向为正极流向负极,即a→b,D正确。
9.B 燃料电池中,通入空气的一端为正极,即M电极为正极,发生还原反应,丁烷燃料通入的R电极为负极,发生氧化反应,A错误;1 mol C4H10参加反应失去26 mol电子,发生氧化反应生成CO2和H2O,B正确;O2~4e-,当有0.4 mol电子发生转移时,消耗0.1 mol O2,质量为3.2 g,C错误;外电路中电子的移动方向为R电极→灯泡→M电极,D错误。
10.答案 (1)2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O
(2)3O2+12H++12e- 6H2O 2CH3OH+2H2O-12e- 2CO2↑+12H+
(3)正 负
解析 (1)甲醇燃料电池的反应原理为甲醇的氧化反应,电解质溶液为稀硫酸,电池放电时的总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O。
(2)电池正极上O2得电子,由于是酸性环境,所以会生成H2O;用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。
反思升华 (1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3等均可作为燃料电池的燃料。(2)电解质可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH),也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。(3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系,一般酸性溶液中电极反应式产物中不能出现OH-,碱性溶液中电极反应式产物中不能出现H+。
能力提升练
1.D 2.D 3.D 4.D 5.D 6.D 7.D
1.D 根据电池放电时的总反应2Li+NO2 Li2O+NO可知,Li失电子发生氧化反应,a极为负极,b极为正极,电流方向:b极(正极)→电流表→a极(负极),A正确;b极为正极,正极反应式为NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO,由2e-~Li2O可知,电路中通过1 mol e-时,b极生成0.5 mol Li2O,质量增加0.5 mol×30 g·mol-1=15 g,B正确、D错误;原电池工作时,阳离子移向正极,即电解液中Li+向b极附近迁移,C正确。
2.D 放电时a极为正极,得电子,充电时a极为阳极,失电子,故充电时a极接外电源的正极,A错误;放电时b极为负极,a极为正极,阳离子移向正极,阴离子移向负极,则Li+在电解质中向a极迁移,B错误;充电时,阴极、阳极反应式与放电时负极、正极反应式正好相反,放电时负极反应式为LixC6-xe- C6+xLi+,则充电时阴极反应式为C6+xLi++xe- LixC6,所以充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将增重0.02 mol×7 g/mol=0.14 g,C错误;放电时,阳离子移向正极,即“放电处理”有利于Li+移向正极并嵌入正极材料,有利于锂在LiCoO2极回收,D正确。
3.D 放电时,Mg箔为负极,Mo箔为正极,Fe[Fe(CN)6]在正极得电子,电极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],故A正确;放电时,Mo箔为正极,所以充电时,Mo箔电极为阳极,接电源的正极,故B正确;放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],为了维持溶液呈电中性,Na+通过离子交换膜从右室移向左室,故C正确;外电路通过0.2 mol电子时,负极0.1 mol Mg失去电子生成[Mg2Cl2]2+,Mg箔质量变化为2.4 g,故D错误。
4.D 燃料电池工作时,电子不能经过电解质(易错点),A错误;由题给示意图可知,通入N2H4的一极为负极,在氧离子参与下,N2H4在负极上失去电子发生氧化反应生成氮气和水,B错误;通入O2的一极为正极,O2在正极得到电子发生还原反应生成氧离子,电极反应式为O2+4e- 2O2-,电池总反应为N2H4+O2 N2+2H2O,当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上有1 mol O2被还原,在标准状况下的体积约为22.4 L,C错误;该燃料电池以固体氧化物为电解质,需要高温条件,该电池在常温下不能工作,D正确。
5.D
6.D 由题图可知,在b极,Cr2在微生物作用下被还原生成Cr3+,在a极,CH3COOH在微生物作用下被氧化生成CO2,所以a极为负极,b极为正极。电池工作时电流由b极(正极)流向a极(负极),A正确;Cr2在正极得电子发生还原反应生成Cr3+,b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O,B正确;CH3COOH在微生物作用下在负极失电子发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e- 2CO2↑+8H+,则a极区有H+生成,C正确;处理0.5 mol Cr2时,转移3 mol e-,由得失电子守恒可知,负极上生成CO2为3 mol×=0.75 mol,所以标准状况下的体积为0.75 mol×22.4 L·mol-1=16.8 L,D错误。
7.D 结合图示装置可知Zn/ZnO电极为负极,MoS2电极为正极,正极电势高于负极电势,A正确;负极上Zn被氧化,电极反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O,正极反应为NO+5e-+4H2O NH3+5OH-,双极膜中水解离出的OH-和H+分别向负极、正极移动,H+与正极生成的OH-反应生成H2O,负极有水生成,正极生成的水比消耗的水多,则NaOH和Na2SO4浓度均变小,B、C正确;由正极反应式可知1 mol NO反应生成NH3时转移5 mol电子,整个电池系统质量会增大30 g-17 g=13 g,则当电路中通过1 mol电子时,整个电池系统质量会增大2.6 g,D错误。
8.答案 (1)负 K2SO4
(2)PbO2+S+Zn+2H2O PbSO4+[Zn(OH)4]2-
(3)a
解析 (1)根据Zn失去电子生成[Zn(OH)4]2-,可知Zn为负极(破题关键),则A区域电解质是KOH,正极上PbO2放电转化为PbSO4,C区域电解质是H2SO4,故B区域电解质是K2SO4。
(2)负极的电极反应式为Zn-2e-+4OH- [Zn(OH)4]2-,正极的电极反应式为PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O,则电池总反应为PbO2+S+Zn+2H2O PbSO4+[Zn(OH)4]2-。
(3)A区域电解质是KOH,OH-参与电极反应生成[Zn(OH)4]2-,负电荷减少,为了维持溶液呈电中性,K+通过离子交换膜a进入B区域,因此a为阳离子交换膜(易错点)。
16(共27张PPT)
第一节 原电池
知识点 1 原电池的工作原理
必备知识 清单破
1.原电池的形成条件
2.工作原理
(1)单液原电池与双液原电池的比较
①单液锌铜原电池(如图Ⅰ所示)在工作过程中,锌直接和CuSO4溶液接触,会有化学反应发生,
使部分化学能转化为热能,导致电池供电能力减弱。
②双液锌铜原电池(如图Ⅱ所示)中,锌插入ZnSO4溶液、铜插入CuSO4溶液,避免了锌和CuSO4
溶液直接接触,提高了原电池的供电能力。
特别提醒 (1)盐桥作用:使溶液保持电中性,起导电作用,形成闭合回路;完全隔离两电极反
应,使原电池能持续、稳定地产生电流。(2)原电池输出电能的能力,取决于形成原电池的反
应物的氧化、还原能力。
(2)原电池工作原理(以双液锌铜原电池为例)
特别提醒 原电池工作时形成外电路与内电路,外电路通过电子的定向移动形成电流,内电
路通过离子的定向移动形成电流。电子只能在导线中移动而不能在溶液中移动,离子只能在
溶液中移动而不能在导线中移动,可形象地描述为“电子不下水,离子不上岸”。
(3)原电池中正极、负极的判断
3.原电池工作原理的应用
(1)比较金属活动性强弱:原电池中,负极一般是活泼性较强的金属,正极一般是活泼性较弱的金属。
(2)加快化学反应速率:形成原电池时,氧化还原反应速率加快。
(3)设计制作化学电源
(4)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的正极。(详见第三节 金属的腐蚀与
防护)
4.原电池电极反应式的书写规律和方法【详见定点1】
知识点 2 化学电源
1.一次电池
(1)碱性锌锰电池
负极反应:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2;
正极反应:2MnO2+2H2O+2e- 2MnO(OH)+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2。
负极反应:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2;
正极反应:Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2O Zn(OH)2+2Ag。
(3)锂电池
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碳,电解液是LiAlCl4-
SOCl2,电池总反应可表示为4Li+2SOCl2 4LiCl+SO2↑+S。其中负极材料是Li,负极反应式
为4Li-4e- 4Li+,正极反应式为2SOCl2+4e- SO2↑+S+4Cl-。
(2)锌银电池
2.二次电池
(1)铅酸蓄电池
①充电时电极的连接:“负接负”后作阴极,“正接正”后作阳极。
②工作时的电极反应式:
特别提醒 放电时负极生成的Pb2+和电解质溶液中的S 不能共存,Pb2+与S 结合生成PbSO4。
(2)锂离子电池
一种锂离子电池放电时的原理示意图如下:
负极:LixCy-xe- xLi++Cy;
正极:Li1-xCoO2+xLi++xe- LiCoO2;
总反应:LixCy+Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池工作原理
电解质溶液 H2SO4溶液 KOH溶液
负极反应 2H2-4e- 4H+ 2H2+4OH--4e- 4H2O
正极反应 O2+4H++4e- 2H2O O2+2H2O+4e- 4OH-
总反应 2H2+O2 2H2O (2)燃料电池与一般电池的不同之处
①一般电池的容量受限制;燃料电池的燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断反应,
生成物不断地被排出,可以连续不断地提供电能。
②燃料电池的两电极可使用同种材料。
(3)在燃料电池中燃料并不燃烧,燃料电池的总反应方程式与燃烧反应的化学方程式相似,但
二者条件不同。理论上,所有的燃烧反应均可设计成燃料电池,燃料电池的燃料除氢气外,还
有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。燃料电池的能量转化率较高,能源利用率也较高。
4.突破新型化学电池【详见定点2】
知识辨析
1.利用原电池的正、负极判断金属活动性,一定是作负极的金属更活泼,这种说法对吗
2.原电池工作时,电子从负极流出经导线流入正极,然后通过电解质溶液流回负极,这种说法
对吗
3.一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高,这种说法对吗
4.二次电池的放电反应和充电反应互为可逆反应,这种说法对吗
5.燃料电池的正、负两极必须是两种活泼性不同的金属,这种说法对吗
一语破的
1.不对。利用原电池的正、负极判断金属活动性时,还要结合电解质溶液,如Mg-NaOH溶液-
Al构成的原电池中,Al作负极,Mg作正极,但Mg比Al活泼。
2.不对。电子不进入溶液,溶液中阴、阳离子定向移动形成电流。
3.对。盐桥中通常装有琼脂凝胶,内含氯化钾或硝酸铵等,盐桥中的离子能够定向移动。盐桥
可隔离两电极反应,使原电池能持续、稳定地产生电流。
4.不对。二次电池的充电与放电不是在相同条件下发生的,不能理解为可逆反应。
5.不对。如氢氧燃料电池的正、负极可以均为Pt。
关键能力 定点破
定点 1 原电池电极反应式的书写规律和方法
1.根据装置书写电极反应式
(1)确定氧化剂和还原剂
先分析题目给定的图示装置,确定原电池正、负极,找出正、负极上的反应物(即氧化剂和还
原剂)。
(2)负极反应式的书写
规律:活泼金属或H2(或其他还原剂)失去电子生成金属阳离子或H+(或其他氧化产物)。
特例:若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H+能反应,则该阴离子应写入电
极反应式,如铅酸蓄电池的负极反应式为Pb-2e-+S PbSO4。
(3)正极反应式的书写
规律:一般为阳离子得电子生成单质或氧气得电子。
特例:若是氧气得电子,要考虑电解质溶液的情况。电解质溶液呈碱性或中性时,正极反
应式为O2+2H2O+4e- 4OH-;电解质溶液呈酸性时,正极反应式为O2+4H++4e- 2H2O。
(4)电池总反应式的书写
正、负极反应式相加(注意两电极得失电子数相等)得到电池的总反应式。
2.根据总反应式书写电极反应式
(1)如果题目给定的是总反应式,分析有关元素的化合价变化情况,找出氧化剂及其对应的还
原产物,氧化剂发生的反应(还原反应)为正极反应;找出还原剂及其对应的氧化产物,还原剂
发生的反应(氧化反应)为负极反应。
(2)先写出较简单的电极反应式,然后利用总反应式减去该电极反应式,即得另一电极反应式。
知识拓展 燃料电池的总反应通常为燃料的燃烧反应,但还需要关注燃料燃烧后的产物与介
质中的物质是否反应。以CH3OH气体-O2燃料电池为例,分析不同介质中的电极反应。
介质一:K2SO4溶液(中性)
总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O;负极反应为2CH3OH-12e-+2H2O 2CO2+12H+;正极
反应为3O2+12e-+6H2O 12OH-。
介质二:KOH溶液(碱性)
总反应为2CH3OH+3O2+4OH- 2C +6H2O;负极反应为2CH3OH-12e-+16OH- 2C +
12H2O;正极反应为3O2+12e-+6H2O 12OH-。
介质三:H2SO4溶液(酸性)
总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O;负极反应为2CH3OH-12e-+2H2O 2CO2+12H+;正极
反应为3O2+12e-+12H+ 6H2O。
介质四:熔融盐(如熔融的K2CO3)
总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O;负极反应为2CH3OH-12e-+6C 8CO2+4H2O;正
极反应为3O2+12e-+6CO2 6C 。
介质五:掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质(在高温下能传导O2-)
总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O;负极反应为2CH3OH-12e-+6O2- 2CO2+4H2O;正极
反应为3O2+12e- 6O2-。
典例 如图所示是一个燃料电池的示意图,a、b两极均为Pt,当此燃料电池工作时,下列分析
正确的是 ( )
A.如果a极通入H2,b极通入O2,NaOH溶液作电解质溶液,则a极上的
电极反应式为H2-2e- 2H+
B.如果a极通入H2,b极通入O2,H2SO4溶液作电解质溶液,则b极上的
电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-
C.如果a极通入CH4,b极通入O2,NaOH溶液作电解质溶液,则a极上的电极反应式为CH4-8e-+10
OH- C +7H2O
D.如果a极通入H2,b极通入O2,NaOH溶液作电解质溶液,则溶液中的OH-向b极移动
C
思路点拨 燃料电池中,一般燃料(H2、CO、CH4、CH3OH、C2H5OH等)是负极反应物,氧化
剂(如O2)是正极反应物。写电极反应式时,注意介质类型对产物的影响。
解析 如果a极通入H2,b极通入O2,NaOH溶液作电解质溶液,则a极是负极,电极反应式为H2-2e
-+2OH- 2H2O,故A项错误;如果a极通入H2,b极通入O2,H2SO4溶液作电解质溶液,则b极是正
极,电极反应式为O2+4H++4e- 2H2O,故B项错误;如果a极通入CH4,b极通入O2,NaOH溶液作
电解质溶液,则a极是负极,电极反应式为CH4-8e-+10OH- C +7H2O,故C项正确;如果a极
通入H2,b极通入O2,NaOH溶液作电解质溶液,则溶液中的OH-向负极(a极)移动,D项错误。
定点 2 突破新型化学电池
1.突破新型燃料电池
(1)燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源,基本工作
原理与原电池相同。
(2)解答新型燃料电池题目的几个关键点:
①通入负极的物质为燃料,通入正极的物质一般为氧气。
②通过介质中离子的移动方向,可判断电池的正、负极,同时考虑该离子是否参与靠近一极
的电极反应。
③若正极通入的是O2,正极反应的本质都是O2+4e- 2O2-,但在不同电解质环境中,其正极反
应式的书写形式有所不同。
④书写燃料电池的电极反应式时,若是酸性电解质溶液则不能出现OH-,若是碱性电解质溶液
则不能出现H+,若是水溶液则不能出现O2-,若是能传导O2-的固体电解质则O2被还原为O2-。
2.突破二次电池
二次电池放电时遵循原电池原理,充电时遵循电解原理,其工作原理特点如下:
如果已知二次电池的总反应式,可先写出较易写的电极反应式,然后用总反应式减去较
易写的电极反应式,即可得出较难写的电极反应式。
典例 钠电池具有性能稳定、安全性好等优点。某钠离子二次电池工作原理如图所示,电池
总反应为NaC6+Na1-xMO2 NaMO2+Na1-xC6(0≤x≤0.55,M为过渡元素)。
下列说法正确的是 ( )
A.铝箔是原电池的负极
B.放电时,导线中每通过1 mol电子,理论上石墨烯纳米片质量
减轻23 g
C.充电时,阳极上发生的电极反应为NaMO2+xe- Na1-xMO2+xNa+
D.放电时,Na+在铝箔电极上得电子被还原
B
思路点拨 根据图示信息分析电池的工作原理,需明确二次电池工作时,充电时阳极发生氧
化反应。
解析 放电时钠失去电子被氧化,铜箔作负极,铝箔是原电池的正极,A错误;放电时负极反应
为NaC6-xe- xNa++Na1-xC6,即放电时,导线中每通过1 mol电子,理论上石墨烯纳米片释放出
1 mol Na+,其质量减轻23 g,B正确;充电时铝箔与电源的正极相连,作阳极,失电子,发生氧化反
应,阳极反应为NaMO2-xe- Na1-xMO2+xNa+,C错误;放电时,Na+镶嵌在铝箔电极上,M元素得
电子被还原,D错误。
解题模板
