第2课时 化学电源
基础过关练
题组一 化学电源的分类
1.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,锌外壳逐渐变薄
2.(经典题)下列有关四个常用电化学装置的叙述中,正确的是 ( )
A.图1所示电池中,MnO2的作用是作为催化剂
B.图2所示电池充电过程中,硫酸浓度不断降低
C.图3所示氢氧燃料电池中,负极室的H+通过隔膜进入正极室
D.图4所示电池中,Ag2O是负极反应物,电池工作过程中被还原为Ag
题组二 一次电池
3.某电池原理如图所示,电池总反应为Zn+2N Zn2++2NH3↑+H2↑。下列有关该电池的说法中,错误的是( )
A.锌片上发生氧化反应
B.碳棒上反应为2N+2e- 2NH3↑+H2↑
C.该电池工作时Zn逐渐被消耗
D.断开导线,图示装置中不再发生任何反应
4.(经典题)银铝电池具有能量密度高的优点,其工作原理如图所示,电池放电时的反应为2Al+3Ag2O+2NaOH 2NaAlO2+6Ag+H2O。
下列说法错误的是( )
A.Al为电池负极
B.正极反应式为Ag2O+2e-+H2O 2Ag+2OH-
C.放电时负极区pH增大
D.放电时Na+通过交换膜向右侧移动
题组三 二次电池
5.(经典题)铁镍蓄电池又称爱迪生电池,充放电时的总反应为Fe+Ni2O3+3H2O Fe(OH)2+2Ni(OH)2,下列有关该电池的说法不正确的是( )
A.电池放电时阳离子向正极移动
B.电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低
C.电池的电解液为碱性溶液
D.电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH--2e- Ni2O3+3H2O
6.(经典题)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。电解质溶液为KOH溶液,电池反应为Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。下列有关镍镉电池的说法正确的是 ( )
A.充电过程是化学能转化为电能的过程
B.充电时阳极反应为Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-
C.放电时电池内部OH-向正极移动
D.充电时与直流电源正极相连的电极上发生Ni(OH)2转化为NiO(OH)的反应
7.近年来电池研究领域涌现出一类纸电池,其厚度仅0.5毫米,可以任意弯曲。组成与传统电池类似。某纸电池结构如图所示,其M极为嵌锂石墨(LixC6),N极为钴酸锂(LiCoO2),电解质溶液为六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯溶液(无水)。下列说法错误的是( )
A.放电时,M电极的电极反应式为LixC6-xe- xLi++6C
B.放电时,Li+由N极向M极迁移
C.充电时,M极连接直流电源负极
D.充电时,N极的电极反应式为LiCoO2-xe- xLi++Li1-xCoO2
题组四 燃料电池
8.二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池将化学能转变成电能的同时,实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,其原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.负极的电极反应式为SO2+2H2O-2e- S+4H+
B.总反应为2SO2+O2+2H2O 2H2SO4
C.质子的移动方向为从电极B到电极A
D.SO2气流速度的大小可能影响电池的电动势
9.微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。某污水处理厂利用微生物燃料电池处理含铬废水的工作原理如图所示,下列说法不正确的是( )
A.电池工作时b极发生还原反应
B.a极的电极反应式为CH3OH-6e-+H2O CO2↑+6H+
C.电池工作一段时间后,右边溶液的酸性增强
D.每处理1 mol Cr2,a极上会生成1 mol CO2
能力提升练
题组一 二次电池
1.可充电Na-CO2电池示意图如下,放电时电池总反应为4Na+3CO2 2Na2CO3+C。下列说法正确的是( )
A.该电池也可用水作溶剂
B.放电时,正极的电极反应为4Na++3CO2+4e- 2Na2CO3+C
C.充电时,钠箔与外接电源的正极相连
D.每吸收1 mol CO2,理论上电路中转移4 mol e-
2.一种新型全固态电解质氟离子电池工作时放电的示意图如下所示,下列判断正确的是( )
A.放电时,b极为该电池的正极
B.充电时,F-移向b极
C.充电时,阳极的电极反应式为MgF2+2e- Mg+2F-
D.电池总反应为3Mg+2BiF3 2Bi+3MgF2
3.(教材深研拓展)以Sn-Cu-C复合电极材料(锂单质镶嵌其中)为电极的一种锂离子电池,容量高、循环性能好,总反应为Li1-xNiaCobMncO2+yCu+LixSn LiNiaCobMncO2+SnCuy,其工作原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.电解质溶液可选用Li2SO4溶液
B.放电时M极的反应为yCu+LixSn-xe- SnCuy+xLi+
C.充电时N极的电极反应为Li1-xNiaCobMncO2+xLi++xe- LiNiaCobMncO2
D.放电时,当转移0.1 mol电子时,N电极增重1.4 g
题组二 带“膜”电池
4.科研人员设计的一种微生物脱盐电池的装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.该装置工作时,电能转化为化学能
B.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e- 2CO2↑+7H+
C.该装置可以在高温下工作
D.X为阳离子交换膜,Y为阴离子交换膜
5.(经典题)微生物燃料电池可用于净化含铬废水,其工作原理如图所示。该电池工作时,下列说法正确的是( )
A.M极是电池的正极
B.N极的电极反应式为Cr2+6e-+8H+ 2Cr(OH)3+H2O
C.电池工作时,电子由M极通过离子交换膜流向N极
D.电路中转移0.6 mol电子时,M极上有2.24 L CO2生成
6.《科学》杂志报道了王浩天教授团队发明的制取H2O2的绿色方法,原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.X膜为阳离子交换膜
B.a极为正极,发生还原反应
C.该装置可实现化学能与电能间的完全转化
D.当外电路通过2 mol e-时,消耗22.4 L O2
题组三 新型电池
7.Zn-NO电池系统同时具有合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示。下列说法中不正确的是( )
A.电池工作过程中,负极区溶液pH减小
B.电池的总反应式为5Zn+2NO+3H2O 5ZnO+2NH3
C.Zn/ZnO电极反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O
D.当电路中转移5 mol电子时,理论上可获得34 g NH3
8.非水系锂氧(Li-O2)电池因其高能量密度而成为一种有前景的电池,其放电示意图如下,隔膜a只允许Li+通过。
(1)放电时,电池的总反应为 ;电解液a不选用LiCl水溶液的原因可能是 。
(2)不考虑其他副反应,若放电前两电极质量完全相同,放电时,电路中转移1 mol e-,正、负电极的质量之差为 g(假设生成的不溶物全覆盖在电极表面,生成的可溶物全部扩散至电解液中,参与电极反应的物质均过量)。
答案与分层梯度式解析
第2课时 化学电源
基础过关练
1.A 水果电池不能作为稳定的电源使用,不是方便实用的家用电池,A项错误;铅蓄电池是一种常用的二次电池,B项正确;氢氧燃料电池的能量转换效率高且产物为水,是一种高效、无污染的化学电池,C项正确;锌锰干电池是一次电池,工作一段时间后,锌失电子,不断溶解,锌外壳逐渐变薄,D项正确。
2.C 图1中二氧化锰为原电池的正极,不是催化剂,A错误;铅蓄电池充、放电时原理可以用:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O表示,充电过程中硫酸浓度升高,B错误;原电池中,阳离子移向正极区,所以图3所示氢氧燃料电池中,负极室的H+通过隔膜进入正极室,C正确;银锌电池中,正极Ag2O得电子生成银,D错误。
3.D 放电时,Zn作为负极,发生氧化反应,A项正确;Zn作为负极,碳棒作为正极,正极上N得电子,电极反应为2N+2e- 2NH3↑+H2↑,B项正确;由电池总反应可知,该电池工作时Zn逐渐被消耗,C项正确;Zn+2N Zn2++2NH3↑+H2↑为自发的氧化还原反应,断开导线Zn也可与电解质溶液发生反应,D项错误。
4.C 放电时Al被氧化,因此Al为电池负极,A项正确;Ag2O为电池正极,放电时被还原成Ag,电极反应式为Ag2O+2e-+H2O 2Ag+2OH-, B项正确;负极的电极反应式为Al-3e-+4OH- Al+2H2O,反应时负极区c(OH-)减小,则pH减小,C项错误;电池放电时,阳离子移向正极,因此Na+通过交换膜向右侧移动,D项正确。
5.B 放电时,阳离子向正极移动,A项正确;充电时,阴极发生还原反应,电极反应为Fe(OH)2+2e- Fe+2OH-,生成OH-,阴极附近溶液的pH会升高,B项错误;由总反应可知,电池的电解液为碱性溶液,C项正确;电池充电时,阳极失去电子发生氧化反应,电极反应为2Ni(OH)2+2OH--2e- Ni2O3+3H2O,D项正确。
知识储备 负极和阳极发生氧化反应,正极和阴极发生还原反应。
6.D 充电过程是将电能转化为化学能的过程,A项错误;放电时,电解质溶液中OH-向负极移动,C项错误;充电时与直流电源正极相连的是阳极,而阳极上电极反应式为Ni(OH)2-e-+OH- NiO(OH)+H2O,发生Ni(OH)2转化为NiO(OH)的反应,B项错误,D项正确。
7.B 根据题意知,M极是原电池的负极,发生失电子的氧化反应,电极反应式为:LixC6-xe- xLi++6C,A正确;N极为原电池的正极,放电时,Li+由M极(负极)向正极N迁移,B错误;充电时,M极作阴极,连接直流电源的负极,C正确;放电时,N极发生得电子的还原反应:xLi++xe-+Li1-xCoO2 LiCoO2,则充电时,N极电极反应式为LiCoO2-xe- xLi++Li1-xCoO2解题技法,D正确。
方法点拨 放电时的负极反应式 充电时的阴极反应式
放电时的正极反应式充电时的阳极反应式
8.C A极通入SO2,SO2在负极失电子生成S,则电极反应式为SO2+2H2O-2e- S+4H+,故A项正确;该电池总反应为2SO2+O2+2H2O 2H2SO4,故B项正确;A为负极,B为正极,质子的移动方向为从电极A移到电极B,故C项错误;反应物的浓度大,反应速率快,SO2气流速度的大小可能影响电池的电动势,故D项正确。
9.C 原电池中,阳离子向正极移动,由H+的移动方向可知,a极为微生物燃料电池的负极,b极为正极,正极发生还原反应,A正确;甲醇在负极失去电子发生氧化反应生成CO2和H+,电极反应式为CH3OH-6e-+ H2O CO2↑+6H+,B正确;酸性条件下Cr2在正极得到电子发生还原反应生成Cr3+,电极反应式为Cr2+6e-+14H+ 2Cr3++7H2O,电池工作消耗1 mol Cr2时,消耗14 mol H+、生成2 mol Cr3+,2 mol Cr3+反应生成6 mol H+,负极CH3OH放电生成的6 mol H+进入右侧溶液,则右侧溶液中共消耗2 mol H+,溶液的酸性减弱,C错误;根据正、负极的电极反应式,结合得失电子守恒可得如下转化关系:Cr2~ 6e-~CO2,则处理1 mol Cr2时,负极会生成1 mol CO2气体,D正确。
能力提升练
1.B 钠与水反应生成NaOH和氢气,则该电池不能用水作溶剂,应选择有机溶剂,A错误;放电时,多壁碳纳米管为原电池的正极,CO2在正极上得到电子,电极反应式为4Na++3CO2+4e- 2Na2CO3+C,B正确;放电时,钠箔为原电池的负极,则充电时,钠箔与外接电源的负极相连,C错误;由电池总反应可知,每吸收3 mol CO2,理论上电路中转移4 mol e-,D错误。
2.D 根据电子的移动方向,知该电池放电时,Mg失去电子,即b极为负极,A错误;充电时,a极为阳极、b极为阴极,阴离子由阴极移向阳极,即F-从b极移向a极,B错误;充电时,电解池的阳极发生失去电子的氧化反应,阳极的电极反应式为Bi+3F--3e- BiF3,C错误;放电时,负极的电极反应式为Mg+2F--2e- MgF2,正极的电极反应式为BiF3+3e- Bi+3F-,因此该电池总反应为3Mg+2BiF3 2Bi+3MgF2,D正确。
3.B Li易与水反应,因此电解质溶液不能选用Li2SO4溶液,A错误;根据其工作原理分析得到M电极为负极,放电时M极的电极反应式为yCu+LixSn-xe- SnCuy+xLi+,B正确;根据总反应方程式得到充电时N极的电极反应为LiNiaCobMncO2-xe- Li1-xNiaCobMncO2+xLi+,C错误;放电时,当转移0.1 mol电子时,则有0.1 mol Li+转移到N电极,则N电极增重0.1 mol×7 g·mol-1=0.7 g,D错误。
总结提升 ①首先应分清电池是放电还是充电。②再判断出正、负极或阴、阳极。放电:阳离子→正极,阴离子→负极;充电:阳离子→阴极,阴离子→阳极;总之:阳离子→发生还原反应的电极;阴离子→发生氧化反应的电极。
4.B 该装置工作时为原电池,是将化学能转化为电能的装置,故A错误;由题图可知,负极发生失电子的氧化反应,电极反应式为CH3COO-+ 2H2O-8e- 2CO2↑+7H+,故B正确;高温能使微生物蛋白质变性,所以该装置不能在高温下工作,故C错误;原电池内电路中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,从而达到脱盐的目的,所以Y为阳离子交换膜,X为阴离子交换膜,故D错误。
5.B
思路 分析
根据化合价变化判断正负极 碳元素化合价升高,M极作负极,Cr元素化合价降低,N极作正极,A错误
正极发生还原反应 N极的电极反应式为Cr2+6e-+8H+ 2Cr(OH)3+H2O,B正确
电子从负极经外电路流向正极,阳离子从负极经阳离子交换膜移向正极 电子不能经过电解质溶液,C错误
M极电极反应式为CH3OH+H2O-6e- CO2↑+6H+ 转移0.6 mol电子时,生成0.1 mol CO2,CO2所处状况未知,无法计算其体积,D错误
6.A 通入H2的a极发生氧化反应,是原电池的负极,其电极反应式为H2-2e- 2H+,H+通过X膜向正极移动,进入多孔固体电解质中,通入O2的b极发生还原反应,是原电池的正极,电极反应式为O2+2e- ,能够通过Y膜向负极移动,进入多孔固体电解质中,与H+反应生成H2O2,总反应方程式为H2+O2 H2O2。a极生成的H+通过X膜向正极移动,X膜是阳离子交换膜,A项正确;a极发生氧化反应,是原电池的负极,B项错误;原电池不可能实现化学能与电能间的完全转化,还有一部分化学能转化为其他形式的能量,如热能,C项错误;当外电路流过2 mol e-时,根据b极的电极反应式可知需要消耗1 mol O2,但本题中未指明气体所处状况,不能确定O2体积易错点,D项错误。
知识储备 隔膜的作用
(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。
(2)能选择性地允许离子通过,起到平衡电荷的作用。
7.D Zn/ZnO电极作负极,Zn失电子发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O,双极膜中OH-向负极移动,补充消耗的OH-,但有H2O生成,溶液体积变大,pH变小,A、C正确;负极,Zn转化为ZnO,正极,NO转化为NH3,可得电池的总反应式为5Zn+2NO+3H2O 5ZnO+2NH3,B正确;根据电池的总反应式,知当电路中转移5 mol电子时,理论上可获得1 mol NH3,质量为17 g,D错误。
8.答案 (1)2Li+O2 Li2O2 Li能与水剧烈反应,产生易爆的H2,存在安全隐患(或其他合理答案)
(2)30
解析 (1)由题图可知,反应物为Li和O2,最终生成Li2O2,所以电池总反应为2Li+O2 Li2O2;Li可以与水剧烈反应,产生易爆的H2,所以不能选用水溶液。(2)负极反应为Li-e- Li+,正极反应为O2+2Li++2e- Li2O2,当电路中转移1 mol e-,负极减少Li的质量为7 g,正极增加Li2O2的质量为23 g,所以正、负电极的质量之差为 30 g。
2(共36张PPT)
1.原电池:将化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
①两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属);
②电解质;
③溶液、导线将两电极连接,形成闭合回路;
④有能自发进行的氧化还原反应。
第二单元 化学能与电能的转化
必备知识 清单破
知识点 1 原电池工作原理
装置 现象 锌片逐渐溶解,铜片上有红色物质析出,电流表指针发生偏转 电极名称 Zn电极——负极 Cu电极——正极
得失电子 失电子 得电子
反应类型 氧化反应 还原反应
电极反应 Zn-2e- Zn2+ Cu2++2e- Cu
3.原电池工作原理(以锌铜原电池为例)
1.加快氧化还原反应的速率
例如:在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液,能使产生H2的速率加快。
2.比较金属的活动性
知识点 2 原电池工作原理的应用
3.设计原电池
电解质溶液:一般能与负极反应,或者溶解在溶液中的物质(如O2)能与负极反应。
电极材料:一般较活泼的金属作负极,较不活泼的金属或石墨等惰性电极作正极。
1.一次电池
(1)碱性锌锰电池
负极:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2;
正极:2MnO2+2H2O+2e- 2MnOOH+2OH-;
电池反应:Zn+2MnO2+2H2O 2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)银锌纽扣电池
知识点 3 化学电源
负极:Zn+2OH--2e- Zn(OH)2;
正极:Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-;
电池反应:Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2。
2.二次电池
(1)铅蓄电池
①铅蓄电池的放电反应是原电池反应:
负极:Pb+S -2e- PbSO4;
正极:PbO2+S +4H++2e- PbSO4+2H2O;
电池反应:Pb+PbO2+4H++2S 2PbSO4+2H2O。
②铅蓄电池的充电反应是上述反应的逆过程:
阴极:PbSO4+2e- Pb+S ;
阳极:PbSO4+2H2O-2e- PbO2+4H++S ;
充电总反应:2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+4H++2S 。
(2)锂离子电池
正极材料采用磷酸铁锂或钴酸锂等,负极材料大多数是碳素材料,如人工石墨、碳纤维、天
然石墨等。以钴酸锂—石墨锂电池为例,放电时电极反应表示为:
负极:LixC6-xe- 6C+xLi+;
正极:Li(1-x)CoO2+xLi++xe- LiCoO2;
电池反应:LixC6+Li(1-x)CoO2 LiCoO2+6C。
氢氧燃料电池用Pt作电极,不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2),分别在两极发生氧化反应和还原
反应,电池总反应式是2H2+O2 2H2O。
3.燃料电池——氢氧燃料电池
(1)燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。
(2)燃料电池的工作原理
负极反应式 正极反应式
酸性 2H2-4e- 4H+ O2+4H++4e- 2H2O
中性 2H2-4e- 4H+ O2+2H2O+4e- 4OH-
碱性 2H2-4e-+4OH- 4H2O O2+2H2O+4e- 4OH-
(3)氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应式
1.基本概念
(1)电解:在直流电的作用下,在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
(2)电解池:把电能转化为化学能的装置。
(3)电极名称
阴极:与电源负极相连的电极,发生还原反应。
阳极:与电源正极相连的电极,发生氧化反应。
2.电解熔融氯化钠
阴极:2Na++2e- 2Na(还原反应),生成银白色金属;
阳极:2Cl--2e- Cl2↑(氧化反应),有气泡产生;
电解反应:2NaCl 2Na+Cl2↑。
知识点 4 电解与电解池
3.电解CuCl2溶液
阴极:Cu2++2e- Cu(还原反应),有红色物质析出;
阳极:2Cl--2e- Cl2↑(氧化反应),有黄绿色气体生成;
电解反应:CuCl2 Cu+Cl2↑。
阴极:2H2O+2e- H2↑+2OH-(还原反应);
阳极:2Cl--2e- Cl2↑(氧化反应);
4.电解饱和食盐水——氯碱工业基础
电解反应:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑(离子方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑)。
5.电镀
(1)定义:应用电解原理在某些金属或其他材料制品表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
(2)目的:a.增强材料的抗腐蚀能力;
b.提升美观或增加表面硬度。
(3)电镀装置
在餐具上镀银时,餐具作为阴极,银作为阳极,含有Ag+的溶液作为电解液,发生的反应如下:
阴极:Ag++e- Ag(还原反应);
阳极:Ag-e- Ag+(氧化反应)。
注意 电镀过程中电镀液浓度基本不变。
6.铜的电解精炼
(1)阳极:粗铜作电极,铜和比铜活泼的金属杂质失去电子,转化为阳离子进入溶液,金、银等活
动性较弱的金属沉积下来形成阳极泥。
(2)阴极:纯铜薄片作电极,溶液中铜离子得到电子成为金属铜析出,得到精铜。
知识辨析
1.原电池是将化学能转化为电能的装置,放热反应均可设计成原电池。这种说法对吗
2.活泼性不同的金属作原电池的两个电极,负极金属的活泼性一定比正极金属的活泼性强。
这种说法对吗
3.甲烷燃料电池的负极一定是甲烷参与电极反应,失去电子生成CO2。这种说法对吗
4.电解一定体积、一定浓度的硫酸铜溶液时,两极一定分别生成铜和氧气。这种说法对吗
一语破的
1.不对。一般情况下,放热的氧化还原反应可设计成原电池。
2.不对。负极金属不一定比正极金属活泼,需看哪种金属能发生自发的反应,如镁、铝与氢氧
化钠溶液形成原电池,铝可与氢氧化钠溶液反应,镁不能反应,所以相对不活泼的铝作负极。
3.不对。若为碱性电池,则甲烷失去电子与氢氧根离子结合生成碳酸根离子。
4.不对。阳极的电极反应与电极材料有关,若为铜电极则不生成氧气,若使用惰性电极电解,
电解的后期实质可能是电解水,不会生成铜。
1.原电池正、负极的判断
关键能力 定点破
定点 1 原电池正、负极及离子和电子移动方向的判断
2.原电池中阴、阳离子及电子的移动方向分析
(1)外电路:电子由负极流向正极,与电流方向相反。
(2)内电路:阴离子移向负极,阳离子移向正极。具体情况如图。
注意 电子在导线中定向移动而不能在溶液中通过,自由离子在溶液中移动而不能在导线中
通过。
典例 如图所示的双液原电池,下列叙述正确的是 ( )
A.负极的电极反应式是Ag++e- Ag
B.Cu电极上发生氧化反应
C.盐桥中的阳离子向左池移动
D.外电路中,电流从Cu电极流向Ag电极
B
思路点拨：根据原电池反应原理,铜电极为负极,铜失去电子发生氧化反应;银电极为正极,银
离子得电子发生还原反应。
解析：负极铜失去电子,发生氧化反应,A错误,B正确;原电池中,阳离子向正极移动,故盐桥中
的阳离子向右池移动,C错误;电子由Cu电极流向Ag电极,电流方向与电子移动方向相反,故电
流从Ag电极流向Cu电极,D错误。
1.一般步骤
书写电极反应式需遵守离子方程式的书写要求,如难溶物、难电离物、气体、单质、氧化物
定点 2 原电池电极反应式的书写
等均应写成化学式形式。电解质溶液中的离子若与电极反应生成的离子不能共存,则电解质
溶液中的离子参与电极反应,应写入电极反应式。
2.二次电池电极反应式的书写
(1)先标出电池总反应中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中
的各离子共存)。
(3)在得失电子守恒的基础上,用总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
(4)充电反应是放电反应的逆过程。
3.燃料电池电极反应式的书写
(1)先写出燃料电池总反应
一般都是可燃物在氧气中燃烧的反应方程式(反应条件不同)。若“燃烧产物”能与电解质
溶液反应,则“燃烧产物”与电解质溶液反应的方程式与其相加得总反应方程式。
(2)再写出燃料电池正极的电极反应式
燃料电池正极都是O2得到电子发生还原反应,基础反应为O2+4e- 2O2-。
①电解质为固体时,O2-可自由通过,正极的电极反应式为O2+4e- 2O2-;
②电解质为熔融的碳酸盐时,正极的电极反应式为O2+2CO2+4e- 2C ;
③电解质处于中性或碱性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-;
④电解质处于酸性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O。
(3)最后写出燃料电池负极的电极反应式
燃料电池负极的电极反应式=总反应式-正极的电极反应式。
方法技巧 根据题干信息找出放电物质→正确判断产物→根据元素化合价变化配电子→根
据电荷守恒配电荷(注意介质的环境,是酸性溶液、碱性溶液或非水体系等)→根据原子守恒
配原子。
典例 氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600~700 ℃),具有效率高、噪声低、无污
染、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该
电池的说法正确的是 ( )
A.电池工作时,熔融碳酸盐只起导电的作用
B.负极反应式为H2-2e-+C CO2+H2O
B
C.该电池可利用工厂中排出的CO2,减少温室气体的排放
D.电池工作时,外电路中通过0.2 mol电子,消耗3.2 g O2
思路点拨：本题中燃料电池与一般燃料电池不同的是电解质,电解质是熔融的碳酸盐。从图
示中可分析出,通入氢气的电极是负极,生成的氢离子与碳酸根离子反应生成二氧化碳气体
和水,正极氧气得到电子生成的氧离子与二氧化碳结合成碳酸根离子。
解析：根据题给图示可知,在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中,通入氢气的电极为负极,电极反应
式为H2-2e-+C CO2+H2O;通入氧气的电极为正极,电极反应式为O2+2CO2+4e- 2C ;
总反应式为2H2+O2 2H2O。根据上述分析可知,电池工作时,熔融碳酸盐参与了电极
反应,A项错误;负极反应式为H2-2e-+C CO2+H2O,B项正确;根据总反应式可知,该电池
工作时没有消耗二氧化碳,不能减少温室气体的排放,C项错误;电池工作时,外电路中通过
0.2 mol电子,消耗0.05 mol氧气,则消耗氧气的质量为1.6 g,D项错误。
1.电解池阴、阳极的判断方法
定点 3 电解原理和电解规律
2.电极产物的判断
3.用惰性电极电解电解质溶液的类型
典例 用惰性电极进行下列电解,有关说法正确的是 ( )
①电解稀硫酸 ②电解Cu(NO3)2溶液 ③电解KOH溶液 ④电解NaCl溶液
A.电解进行一段时间后,四份溶液的pH均增大
B.②中电解一段时间后,向溶液中加入适量的CuO固体可使溶液恢复到电解前的情况
C.③中阳极消耗OH-,故溶液浓度变小
D.④中阴、阳两极上产物的物质的量之比为2∶1
B
思路点拨：该题需分析各溶液中的电解对象,各电极的电极反应。恢复溶液,需考虑体系中
生成了什么物质,各多少,遵循的原则是“少多少加多少”。
解析： A项,①②电解后溶液酸性增强,pH减小;B项,②中反应为2Cu2++2H2O 2Cu+O2↑+4H+,
故加入适量CuO固体可使溶液恢复到电解前的情况;C项,③中反应为2H2O 2H2↑+O2↑,
故KOH溶液浓度增大;D项,④中反应为2Cl-+2H2O H2↑+Cl2↑+2OH-,阴极产生H2,阳极产生
Cl2,二者物质的量之比为1∶1。
特别提醒：(1)若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大;若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大;
若阴、阳极分别为H+、OH-放电,相当于电解水,电解质溶液浓度增大。(2)用惰性电极电解
时,若使电解后的溶液恢复原状态,应遵循“缺什么加什么,缺多少加多少”的原则,一般加入
阴极产物与阳极产物的化合物,例如电解CuSO4溶液,发生反应2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+
2H2SO4,若使溶液恢复原状态,可向溶液中加入CuO,若加入Cu(OH)2会使溶液中水量增多,
CuSO4溶液被稀释。
要多角度、动态地去分析电化学中的化学反应,既能从宏观上认识电化学装置(原电池和电
解池)中发生的变化,又能从微观的角度(电子的转移、离子的移动等)分析其反应的本质(氧
化还原反应)。利用典型的原电池装置和电解池装置,分析其原理,建立相关的思维模型,并能
运用模型分析解决问题。如:原电池及其正、负极的判定,电解问题的分析方法,电解规律的
应用等。常见解题模型有:
定点 4 建模思想在电化学中的应用
1.(2)几个关键点
①要注意介质是什么,是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧化剂。
③通过介质中离子的移动方向,可判断电池的正、负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电
极反应。
1.解答燃料电池的步骤
(1)思维模型
2.图解二次电池的充、放电
种类 允许通过的离子及移动方向 说明
阳离子交换膜 阳离子移向电解池的阴极或原电池的正极 阴离子和气体不能通过
阴离子交换膜 阴离子移向电解池的阳极或原电池的负极 阳离子和气体不能通过
质子交换膜 质子移向电解池的阴极或原电池的正极 不允许除H+外其他离子通过
双极膜 膜的一侧为阳膜,只允许阳离子通过,另一侧为阴膜,只允许阴离子通过 也称双极性膜
3.离子交换膜的类型
典例 某储能电池原理如图。下列说法正确的是 ( )
A.放电时负极反应:Na3Ti2(PO4)3-2e- NaTi2(PO4)3+2Na+
B.放电时Cl-透过多孔活性炭电极向左池迁移
C.放电时每转移1 mol电子,理论上CCl4吸收0.5 mol Cl2
D.充电过程中,NaCl溶液浓度增大
A
思路点拨：充电时,可充电电池的正极连接外接电源的正极,可充电电池的负极连接外接电
源的负极。
解析：放电时钛电极为负极,Na3Ti2(PO4)3失去电子,发生氧化反应,电极反应:Na3Ti2(PO4)3-2e-
NaTi2(PO4)3+2Na+,A正确;放电时,阴离子移向负极,所以Cl-透过多孔活性炭电极向右池
中迁移,B错误;正极:Cl2+2e- 2Cl-,每转移1 mol电子,理论上Cl2/CCl4释放0.5 mol Cl2,C错误;充电过程中,阳极反应:2Cl--2e- Cl2,消耗Cl-,NaCl溶液浓度减小,D错误。第3课时 电解池的工作原理及应用
基础过关练
题组一 电解池的工作原理
1.下列关于电解的说法正确的是( )
①电解过程将电能转化成化学能 ②电解过程将化学能转化成电能 ③某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现 ④任何水溶液被电解时,必然发生氧化还原反应
A.②③ B.①②③
C.①②④ D.①③④
2.某同学将电解池工作时电子、离子移动方向及电极种类等信息表示在下图中,下列有关分析完全正确的是( )
选项 A B C D
a电极 阳极 阴极 阳极 阴极
d电极 正极 正极 负极 负极
Q离子 阳离子 阳离子 阴离子 阴离子
题组二 电解规律
3.(经典题)图中X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加,b极板处有无色无臭气体放出,符合这一情况的是( )
a极板 b极板 X电极 Z
A 锌 石墨 负极 CuSO4
B 石墨 石墨 负极 NaOH
C 银 铁 正极 AgNO3
D 铜 石墨 正极 CuCl2
4.(经典题)某学习小组用如图所示装置进行相关电解实验,下列说法正确的是( )
A.该装置中电子移动方向:外接电源负极→石墨1→X溶液→石墨2 →外接电源正极
B.若X是Na2SO4,电解一段时间后,向U形管两端滴入酚酞溶液,只有石墨1电极附近的溶液呈红色
C.若X是AgNO3,电解一段时间后,电解液的氧化性减弱
D.若X是NaOH,石墨2的电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑
5.用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质(括号内物质),能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( )
A.AgNO3溶液(AgNO3) B.NaOH溶液(NaOH)
C.KCl溶液(KCl) D.CuSO4溶液(CuO)
题组三 电解原理的应用
6.(经典题)(教材习题改编)将“铜牌”变成“银牌”的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.铜牌连接电源的正极
B.反应前后,溶液a的浓度不变
C.溶液a可以为CuSO4溶液
D.反应一段时间后,电源反接,铜牌可恢复原状
7.电解原理具有广泛的应用。下列叙述不正确的是( )
A.用装置甲制取Cl2和NaOH溶液
B.用装置乙在金属制品表面镀银
C.用装置丙电解精炼粗铜
D.用装置丁制取Na
8.近年研究发现,电催化CO2和含氮物质(N等)在常温常压下合成尿素,有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液通CO2至饱和,在电极上反应生成CO(NH2)2,电解原理如图所示,下列说法不正确的是( )
A.电极b是阳极,电极表面发生氧化反应
B.电解过程中生成尿素的电极反应式是2N+16e-+CO2+18H+ CO(NH2)2+7H2O
C.电解时阴极区的pH增大
D.当电极a生成0.25 mol CO(NH2)2时,电极b生成22.4 L O2
题组四 电解相关计算
9.以铁为阳极、铜为阴极对足量的NaOH溶液进行电解。一段时间后得到2 mol Fe(OH)3沉淀,此过程中共消耗水的物质的量为( )
A.2 mol B.3 mol
C.4 mol D.5 mol
10.500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N)=6 mol/L,用石墨作为电极电解此溶液,通电一段时间后,两极均收集到气体22.4 L (标准状况),假定电解后溶液体积仍为500 mL。下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(Na+)=6 mol/L
B.电解后溶液中c(H+)=4 mol/L
C.上述电解过程中共转移8 mol电子
D.电解后得到的Cu的物质的量为2 mol
11.用石墨电极电解铬酸钠(Na2CrO4)溶液,可制取重铬酸钠(Na2Cr2O7),装置如图所示,已知:2Cr+2H+ Cr2+H2O,试回答下列问题。
(1)电极b连接电源的 (填“正”或“负”)极,b极发生的电极反应: 。
(2)电解一段时间后,测得阳极区溶液中Na+物质的量由a mol变为 b mol,则理论上生成重铬酸钠的物质的量是 mol。
能力提升练
题组一 电解规律及电极反应式的书写
1.如图所示装置中,试管A、B中电极为多孔石墨电极,C、D为铂夹。断开K1,闭合K2、K3一段时间后,A、B中气体的量之间的关系如图所示:
下列说法正确的是( )
A.a为正极,b为负极
B.滤纸上紫红色向C端移动
C.断开K2、K3,闭合K1,A极电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-
D.断开K2、K3,闭合K1,水槽中溶液的pH增大
2.已知铅蓄电池的工作原理为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l),现用如图1装置进行电解(电解液足量),测得当铅蓄电池中转移0.4 mol电子时,铁电极的质量减少11.2 g。请回答下列问题:
图1
图2
(1)A是铅蓄电池的 极,铅蓄电池正极反应式为 。
(2)Ag电极的电极反应式是 ,该电极的电极产物共 g。
(3)Cu电极的电极反应式是 ,CuSO4溶液的浓度 (填“减小”“增大”或“不变”)。
(4)如图2表示电解进行过程中某个量(纵坐标x)随时间的变化曲线,则x可表示 。
a.各U形管中产生的气体的体积
b.各U形管中阳极质量的减少量
c.各U形管中阴极质量的增加量
题组二 电解原理的应用
3.工业上用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的SO2,并通过电解方法实现吸收液的循环再生。其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示,下列有关说法正确的是( )
A.X应为直流电源的正极
B.电解过程中阴极区OH-浓度降低
C.图中的b%>a%
D.S在电极上发生的反应为S+2OH-+2e- S+H2O
4.如图所示装置,通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,下列判断正确的是( )
A.a是电源的正极
B.通电一段时间后,向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出现蓝色
C.当1.6 g Fe2O3完全溶解时,至少产生氧气0.336 L(标准状况下)
D.Cl-通过阴离子交换膜移动到石墨电极Ⅱ
题组三 电解池和原电池装置的综合应用
5.(经典题)用碱性丙烷燃料电池电解苦卤水(含Cl-、Br-、Na+、Mg2+)的装置如图所示(a、b均为石墨电极),下列说法正确的是( )
A.电池工作时,负极反应式为:C3H8+26OH--20e- 3C+17H2O
B.电解时,a电极周围首先放电的是Br-而不是Cl-,说明当其他条件相同时后者的还原性强于前者
C.电解时,电子流动的路径是:负极→外电路→阴极→溶液→阳极→正极
D.忽略能量损耗,当消耗0.16 g O2时,a极产生0.71 g Cl2
6.(经典题)某同学设置了如图所示装置(电解质溶液均过量),下列说法正确的是( )
A.a极的电极反应式为CH3OH-6e-+H2O CO2↑+6H+
B.N极试管收集到黄绿色的气体
C.电路中每转移2 mol电子,理论上乙池阴极区生成2 mol NaOH
D.相同条件下,甲池b极消耗的气体与乙池阴极产生的气体的体积比为2∶1
7.(易错题)用一种新型H2O2液态燃料电池(乙池)电解催化氮气制备铵盐和硝酸盐(甲池)的工作原理示意图如下(c、d均为石墨电极)。下列说法正确的是( )
A.乙池中若生成15 mol m气体,则甲池a、b两极共消耗8 mol N2
B.甲池中H+从b极区通过质子交换膜转移至a极区
C.一段时间后,乙池中c极区的pH增大
D.甲池a极反应式为N2+12OH-+10e- 2N+6H2O
题组四 电解池中的离子交换膜问题
8.隔膜电解法制备K2FeO4的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.隔膜为阴离子交换膜
B.该方法中KOH可以循环使用,但需另外补充
C.Fe电极上的反应为Fe-6e-+4H2O Fe+8H+
D.电路中每转移0.2 mol e-,Pt电极上理论上产生2.24 L气体
9.(经典题)电解制备钴(Co)的工作原理如图所示。下列关于该装置工作时的说法不正确的是( )
A.a为电源的正极
B.钴电极上的电极反应式为Co2++2e- Co
C.Ⅱ室中HCl的浓度减小
D.若不使用离子交换膜,石墨电极上会析出Cl2
10.采用电化学方法使Fe2+与H2O2反应,可生成非常活泼的·OH(羟基自由基)中间体用于降解废水中的有机污染物,原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.X电极上发生的电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+
B.可将X电极上产生的O2收集起来,输送到Y电极使用
C.根据装置推测,Y电极是阳极,·OH在该电极侧产生
D.起始时,在Y电极附近加入适量Fe2+或Fe3+,均能让装置正常工作
题组五 电化学计算
11.用惰性电极电解硫酸铜溶液,整个过程转移电子的物质的量与产生气体总体积的关系如图所示(气体体积均在相同状况下测定)。欲使溶液恢复到起始状态,可向溶液中加入( )
A.0.1 mol CuO
B.0.1 mol CuSO4
C.0.1 mol Cu(OH)2
D.0.05 mol Cu2(OH)2CO3
12.如图所示,通电5 min后,电极5的质量增加2.16 g,请回答下列问题。
(1)a为电源的 (填“正”或“负”)极。A池阳极的电极反应为 ,C池阴极的电极反应为 。
(2)如果B池中共收集到224 mL气体(标准状况)且溶液体积为 200 mL(设电解过程中溶液体积不变),则通电前溶液中Cu2+的物质的量浓度为 。
(3)如果A池溶液是200 mL足量的食盐水(设电解过程中溶液体积不变),则通电5 min后,c(NaOH)为 。
答案与分层梯度式解析
第3课时 电解池的工作原理及应用
基础过关练
1.D 电解过程将电能转化成化学能,①正确,②错误;某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现,③正确;在电解池中电解质溶液的导电过程就是电解过程,发生了电子的转移,一定发生了氧化还原反应,④正确。
2.B 电子由电源的负极流出,故a是阴极,d是正极,溶液中阳离子移向阴极,Q离子为阳离子,故选B。
3.A 电解CuSO4溶液,溶液中Cu2+在阴极得电子生成铜单质,若X电极为负极,则a极作阴极,a极板质量增加,在b极溶液中的OH-放电生成O2,A项符合题意;电解NaOH溶液的实质为电解水,产物为O2和 H2,B项不符合题意;电解AgNO3溶液,若X电极为正极,则a极作阳极,电极反应式为Ag-e- Ag+,a极板质量减小,C项不符合题意;电解CuCl2溶液,若X电极为正极,在b极板上Cu2+得到电子生成Cu,在 a极板上Cu失电子生成Cu2+,a极板质量减小,D项不符合题意。
4.B 电子不能经过电解质溶液,故该装置中电子移动方向为外接电源负极→石墨1、石墨2→外接电源正极,A项错误;若X是Na2SO4,则石墨1上的电极反应为2H2O+2e- H2↑+2OH-,石墨2上的电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,故电解一段时间后,向U形管两端滴入酚酞溶液,只有石墨1电极附近的溶液呈红色,B项正确;若X是AgNO3,则石墨1上电极反应为Ag++e- Ag,石墨2上电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,电解一段时间后,电解液由AgNO3变为HNO3和AgNO3的混合液,由于HNO3的氧化性强于AgNO3,则电解液的氧化性增强,C项错误;若X是NaOH,石墨2即阳极发生氧化反应,该电极反应式为 4OH--4e- 2H2O+O2↑,D项错误。
5.D 电解AgNO3溶液的反应式为4AgNO3+2H2O 4Ag+O2↑+4HNO3,所以应当加入适量Ag2O,A项不符合题意;电解NaOH溶液实质是电解水,应加水,B项不符合题意;电解KCl溶液的反应式为2KCl+2H2O 2KOH+H2↑+Cl2↑,应通入适量HCl气体,C项不符合题意;电解CuSO4溶液的反应式为2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4,故应加入适量CuO,D项符合题意。
6.B 该装置为电镀池,Ag作阳极,与电源正极相连,A项错误;溶液中含有镀层金属的阳离子,阳极Ag-e- Ag+,阴极Ag++e- Ag,反应前后,溶液a的浓度不变,B项正确;若溶液a为CuSO4溶液,c(Cu2+)较大,阴极主要反应为Cu2++2e- Cu,不能达到铜牌上镀银的效果,C项错误;当反应一段时间后,电源反接,阳极有Ag和Cu,Cu活泼性比Ag强,会优先失去电子变成Cu2+,铜牌不能恢复原状,D项错误。
7.A 氯碱工业中,NaCl溶液应通入阳极区,Cl-在阳极放电产生Cl2, Na+通过交换膜向阴极移动,则应选用阳离子交换膜,A项错误;在金属制品表面镀银,Ag作阳极,与电源正极相连,金属制品作阴极,与电源负极相连,B项正确;粗铜精炼时,粗铜作阳极,与电源正极相连,精铜作阴极,与电源负极相连,C项正确;制取金属钠,用惰性电极电解熔融的NaCl,D项正确。
8.D 电极b上H2O发生氧化反应生成O2,则电极b为阳极,A项正确;电极a为阴极,在酸性条件下N和CO2在阴极得到电子生成CO(NH2)2和水,电极反应式为2N+16e-+CO2+18H+ CO(NH2)2+7H2O,B项正确;电极b的电极反应式为2H2O-4e- 4H++O2↑,结合电极a的电极反应式可知,每转移16 mol e-,阴极区消耗18 mol H+,阳极区生成 16 mol H+,有16 mol H+从阳极区进入阴极区,故阴极区的pH增大,C项正确;生成0.25 mol CO(NH2)2时,转移电子数为4 mol,则电极b生成1 mol O2,但未指明是标准状况下,故生成O2的体积不一定是 22.4 L,D项错误。
9.D 阳极的电极反应为Fe-2e- Fe2+,阴极的电极反应为2H2O+2e- 2OH-+H2↑,则消耗4 mol水可生成2 mol Fe2+和4 mol OH-,Fe2+恰好与OH-结合成2 mol Fe(OH)2沉淀。由于Fe(OH)2沉淀不稳定,转化成Fe(OH)3沉淀,即4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3,又消耗1 mol水,故共消耗5 mol水。
10.B 通电一段时间后,两极均收集到气体22.4 L(标准状况), n(O2)=n(H2)==1 mol,根据阳极反应2H2O-4e- 4H++O2↑,转移的电子为4 mol,阴极发生反应Cu2++2e- Cu、2H++2e- H2↑,生成1 mol氢气转移2 mol电子,因此还生成了1 mol铜。 c(Cu2+)==2 mol/L,由电荷守恒可知,原混合溶液中c(Na+)为 6 mol/L-2 mol/L×2=2 mol/L,A项错误;电解后溶液中c(H+)==4 mol/L,B项正确;由上述分析可知,电解过程中共转移 4 mol电子,C项错误;电解后得到Cu的物质的量为1 mol,D项错误。
11.答案 (1)正 2H2O-4e- O2↑+4H+ (2)
解析 (1)根据2Cr+2H+ Cr2+H2O可知,电解过程中b极区溶液中c(H+)增大,则b极的电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,因此电极b是阳极,连接电源的正极。
(2)电解一段时间后,测得阳极区溶液中Na+物质的量由a mol变为 b mol,Na+通过Na+交换膜从阳极区移至阴极区,则阳极生成的氢离子的物质的量为(a-b)mol,根据2Cr+2H+ Cr2+H2O可知,理论上生成重铬酸钠的物质的量是 mol。
能力提升练
1.C 断开K1,闭合K2、K3,电源与左侧装置连接形成电解池,水槽中的电解质溶液为KOH溶液,总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,结合题图试管中气体的量之间的关系可知,A中的气体是氧气,A中多孔石墨作阳极,B中多孔石墨作阴极,阳极与电源正极相连,则a为负极,b为正极,A错误;滤纸上C与电源负极相连,作阴极,D与电源正极相连,作阳极,电解池中阴离子向阳极移动,则滤纸上紫红色向D端移动,B错误;断开K2、K3,闭合K1,构成氢氧燃料电池,A中的气体为氧气,A电极作正极,B中的气体为氢气,B电极作负极,A极电极反应式为O2+ 4e-+2H2O 4OH-,C正确;断开K2、K3,闭合K1,构成氢氧燃料电池,电池总反应为O2+2H2 2H2O,则溶液中c(OH-)减小,pH减小,D错误。
2.答案 (1)负 PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O (2)2H++2e- H2↑ 0.4 (3)Cu-2e- Cu2+ 不变 (4)b
解析 已知铅蓄电池中转移0.4 mol电子时,铁电极的质量减少 11.2 g,则左侧电解池中Fe为阳极,右侧电解池中Cu为阳极,铅蓄电池中B为正极,A为负极。(1)分析可知,A是铅蓄电池的负极;铅蓄电池正极二氧化铅得电子,与硫酸反应生成PbSO4和水,电极反应式为 PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O。(2)Ag电极为电解池的阴极,H+得电子生成氢气,电极反应式为2H++2e- H2↑;转移0.4 mol电子时,生成0.2 mol氢气,即0.4 g。(3)Cu电极为阳极,铜失电子生成Cu2+,电极反应式为Cu-2e- Cu2+;Cu2+在阴极得电子生成铜,则溶液中的Cu2+浓度不变。(4)该装置电解CuSO4溶液无气体生成,与图像不符,a错误;两U形管中阳极分别为Fe、Cu,随反应时间的增加,质量逐渐减少,符合图像,b正确;Ag电极上产生氢气,Ag电极的质量不变,与图像不符,c错误。
3.C 阳离子向Pt(Ⅰ)电极移动,阴离子向Pt(Ⅱ)电极移动,因此 Pt(Ⅰ)为阴极,Pt(Ⅱ)为阳极,所以X为直流电源的负极,Y为正极,A项错误;Pt(Ⅰ)为阴极,水电离产生的H+得电子生成H2,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,故阴极区OH-浓度增大,B项错误;阳极室中, S、HS放电产生S和H+,所以b%>a%,C项正确;阳极区显强酸性,电极反应式为S+H2O-2e- S+2H+,D项错误。
4.C 通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,则在石墨电极Ⅱ上氧元素化合价升高,发生氧化反应,故石墨电极Ⅱ为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,石墨电极Ⅰ为阴极,电极反应式为Cu2++2e- Cu。石墨电极Ⅰ为阴极,故a为电源负极,A错误;石墨电极Ⅱ为阳极,电极反应式为2H2O-4e- O2↑+4H+,向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液,不可能出现蓝色,B错误;1.6 g Fe2O3的物质的量为0.01 mol,又 Fe2O3+6H+ 2Fe3++3H2O说明阳极H2O放电产生了0.06 mol H+,结合阳极电极反应式:2H2O-4e- O2↑+4H+知产生的O2的物质的量为 0.015 mol,在标准状况下的体积为0.336 L,C正确;阴离子无法通过质子交换膜,D错误。
5.A 碱性介质中,燃料C3H8在负极上失电子发生氧化反应,电极反应式为C3H8+26OH--20e- 3C+17H2O,A正确;还原性强的离子在阳极先放电,电解时,a电极周围首先放电的是Br-而不是Cl-,说明还原性:Br->Cl-,B错误;电子不进入溶液,C错误;当消耗0.16 g O2时,转移电子0.02 mol,在a极Br-优先放电,故不可能产生0.71 g Cl2,D错误。
6.C 甲为燃料电池,通入O2的b极为正极,通入CH3OH的a极为负极,乙为电解池,M极为阳极,N极为阴极。甲中KOH溶液为电解液,则a极的电极反应式为CH3OH-6e-+8OH- C+6H2O,A项错误;N极为阴极,电极反应式为4H2O+4e- 2H2↑+4OH-,N极试管收集到的是H2,B项错误;根据阴极电极反应式可知,电路中每转移2 mol电子,阴极区生成2 mol NaOH,C项正确;相同条件下,根据得失电子守恒,甲池b极消耗的O2与乙池阴极产生的H2的体积比为1∶2,D项错误。
7.A 甲池为电解池,a极氮元素价态升高失电子,a极为阳极,b极为阴极,故乙池中,c极为负极,d极为正极破题关键。乙池中c极为H2O2失电子生成O2,电极反应式为H2O2-2e-+2OH- O2↑+2H2O,若生成15 mol O2,电路中转移30 mol电子,甲池中,a电极:N2~2N~10e-,b电极: N2~2N~6e-,甲池和乙池中转移电子数相等,则甲池a、b两极共消耗N2为(+) mol=8 mol,A项正确;甲池中a为阳极,b为阴极,故甲池中H+从a极区通过质子交换膜转移至b极区,B项错误;c极电极反应式为H2O2-2e-+2OH- O2↑+2H2O,c极区的pH减小,C项错误;甲池a极反应为N2失去电子被氧化为N,注意电解质溶液为酸性环境,正确的电极反应式为N2-10e-+6H2O 2N+12H+,D项错误。
易错提示 a极和b极转移的电子均为30 mol,若误认为a极和b极转移电子数之和为30 mol,则会导致解题错误。
8.B 该装置为电解池,与直流电源正极相连的铁电极为阳极,铁失去电子发生氧化反应生成Fe,铂电极为阴极,水电离产生的H+得到电子生成H2,电极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-。阴极区由稀KOH溶液得到浓KOH溶液,则需要补充K+破题关键,阳极区K+需要向阴极区移动,隔膜为阳离子交换膜,A项错误;该电解池的总反应为Fe+2H2O+2OH- Fe+3H2↑,反应中消耗OH-,需要补充KOH,B项正确;电解质溶液显强碱性,Fe电极反应式为Fe-6e-+8OH- Fe+4H2O,C项错误;根据阴极电极反应式可知,转移0.2 mol电子时,生成0.1 mol H2,但是未指明是标准状况下,不确定生成的气体的体积,D项错误。
方法点拨 根据题图找出离子的移动方向,进而判断隔膜的类型,阴极区:稀KOH溶液→浓KOH溶液,说明阳极区K+需向阴极区移动,则该隔膜为阳离子交换膜。
9.C 利用该装置电解制备Co,则钴作阴极,b为电源的负极,a为电源的正极,A正确;钴为阴极,在钴电极上发生还原反应,电极反应式为Co2++2e- Co,B正确;在石墨电极上发生的电极反应为2H2O-4e- 4H++O2↑,装置工作时Ⅰ室溶液中的H+通过阳离子交换膜向阴极移动,H+无法通过阴离子交换膜,从而H+留在Ⅱ室,同理Ⅲ室中的Cl-通过阴离子交换膜向阳极移动,Cl-无法通过阳离子交换膜,从而Cl-留在Ⅱ室,则Ⅱ室HCl的浓度增大,C错误;若不使用离子交换膜,Cl-在阳极上失电子,则石墨电极上会析出Cl2,D正确。
方法点拨 带“离子交换膜”的电解池的解题步骤
第一步,分清离子交换膜的类型,判断允许哪种离子通过离子交换膜。
第二步,写出电极反应式,判断离子交换膜两侧离子变化,推断电荷变化,根据电荷守恒判断离子迁移方向。
第三步,分析离子交换膜的作用。在产品制备中,离子交换膜的作用主要是提高产品纯度,避免某些反应的发生。
10.C 据题图可知,X电极上H2O失电子生成氧气,发生氧化反应,X电极为阳极,电极反应为2H2O-4e- O2↑+4H+,A正确;Y电极上的反应物有O2,而X电极产生O2,所以可将X电极上产生的O2收集起来,输送到Y电极使用,B正确;Y电极上Fe3+得电子转化为Fe2+,O2得电子结合氢离子生成H2O2,发生还原反应,所以Y电极为阴极,C错误;据题图可知该装置工作时Fe2+与Fe3+循环转化,所以起始时,在Y电极附近加入适量Fe2+或Fe3+,均能让装置正常工作,D正确。
11.D 观察图像中曲线的斜率可知,OP段和PQ段气体的成分不同。由于阳极始终是OH-放电,所以可以推断出,OP段只有阳极产生O2(阴极无气体生成),PQ段阴、阳两极都产生气体。因此,整个过程发生的反应为①2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2↑和②2H2O 2H2↑+ O2↑。结合图像中转移电子的物质的量,可计算出反应①析出0.1 mol Cu和0.05 mol O2,反应②消耗0.05 mol H2O。根据“出什么加什么,出多少加多少”,欲使溶液恢复到起始状态,应向溶液中加入 0.1 mol CuO和0.05 mol H2O。加入0.05 mol Cu2(OH)2CO3可使溶液恢复,故D正确。
12.答案 (1)负 2Cl--2e- Cl2↑ Ag++e- Ag
(2)0.025 mol/L
(3)0.1 mol/L
解析 (1)通电5 min后,电极5的质量增加,则电极5为阴极,a为电源的负极;A池中阳极上Cl-放电生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e- Cl2↑;C池中阴极上Ag+放电析出银,电极反应式为Ag++e- Ag。(2)电极5上析出的金属为Ag,通电5 min后,电极5质量增加 2.16 g,则析出的n(Ag)==0.02 mol,则转移电子的物质的量为0.02 mol,B中阳极上通过0.02 mol电子时生成氧气的体积=×22.4 L/mol=0.112 L=112 mL,B中共收集气体的体积是 224 mL,所以气体中还有氢气,氢气的体积是112 mL,生成112 mL氢气转移电子的物质的量=×2=0.01 mol,所以生成铜转移电子的物质的量为0.01 mol,n(Cu)==0.005 mol,n(Cu2+)=n(Cu), c(Cu2+)==0.025 mol/L。(3)A中总反应式为2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH,可知转移0.02 mol电子时生成0.02 mol NaOH,所以c(NaOH)==0.1 mol/L。
2第二单元 化学能与电能的转化
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.选用稀H2SO4、Fe2(SO4)3溶液、铁棒、铜棒、铂棒,组成下图所示的原电池装置(只有两个电极),观察到电流计的指针均明显偏转,则其可能的组合共有( )
A.6种 B.5种 C.4种 D.3种
2.(经典题)下列装置能产生电流的是( )
A. B.
C. D.
题组二 原电池的工作原理
3.(经典题)用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U形管)构成一个原电池。
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
4.在如图装置中,观察到图1装置中铜电极上产生大量无色气泡,而图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( )
A.图1装置中Cu电极上电极反应式是2H++2e- H2↑
B.图2装置中Cu电极上发生的电极反应为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
5.原电池的电极反应不仅与电极材料的性质有关,还与电解质溶液有关。下列说法中不正确的是( )
A.由Al、Cu、稀H2SO4组成原电池,其负极反应式为Al-3e- Al3+
B.由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池,其负极反应式为Al-3e-+4OH- Al+2H2O
C.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成原电池,其负极反应式为Cu-2e- Cu2+
D.由Al、Cu、浓硝酸组成原电池,其负极反应式为Cu-2e- Cu2+
6.某科学家将吸有食盐水的湿抹布夹在银板和锌板的圆形板中间,堆积成圆柱状,制造出最早的电池——伏打电池。下列叙述正确的是( )
A.该电池中电子由银极经导线流向锌极
B.银极上消耗2.24 L(标准状况下)氧气时,转移0.4 mol电子
C.若用稀硫酸替代食盐水,则在正极放电的物质不变
D.该电池负极的电极反应式为Zn+2OH-+2e- Zn(OH)2
题组三 原电池原理的应用
7.某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,部分实验结果记录如下:
编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针偏转方向
1 Mg、Al 稀硫酸 偏向Al
2 Cu、Al 稀硫酸 ……
3 Mg、Al NaOH溶液 偏向Mg
根据上表中记录的实验现象,推断下列说法不正确的是( )
A.实验1中Al为电池的负极,发生还原反应
B.实验2中H+在Cu极上得电子,电流表的指针偏向Cu
C.实验3中的Al电极反应式为Al-3e-+4OH- Al+2H2O
D.通过以上实验说明原电池的正负电极不仅与电极的性质有关,而且与电解质溶液有关
8.(经典题)现有A、B、C、D和Fe五种金属片,将其分别用导线连接后浸入稀硫酸中(如图),每次实验时,通过灵敏电流计测出电子流动方向如下。
实验分组 所用金属 电子流向
① A、Fe A→Fe
② C、D D→C
③ A、C C→A
④ B、Fe Fe→B
⑤ …… ……
根据上述情况,回答下列问题:
(1)上述五种金属的活动性顺序: 。
(2)在①中,Fe片上观察到的现象是 。
(3)在②中,溶液中H+向金属片 (填“C”或“D”)移动。
(4)如果实验⑤用B、D,则导线中电流方向为 (填“B→D”或“D→B”)。
(5)已知反应:Cu+2Fe3+ Cu2++2Fe2+。请用下列试剂和材料,用上图所示装置,将此反应设计成原电池。
试剂:CuCl2溶液、FeCl3溶液、FeCl2溶液、KSCN溶液、K3[Fe(CN)6]溶液、双氧水、NaOH溶液。
材料:Cu片、Fe片、石墨棒。
设计原电池应选用的试剂和材料是 。
答案与分层梯度式解析
第二单元 化学能与电能的转化
第1课时 原电池的工作原理
基础过关练
1.B 符合条件的原电池组合有:①铁棒、铜棒、稀H2SO4;②铁棒、铜棒、Fe2(SO4)3溶液;③铁棒、铂棒、稀H2SO4;④铁棒、铂棒、Fe2(SO4)3溶液;⑤铜棒、铂棒、Fe2(SO4)3溶液。
2.D A项,未构成闭合回路,错误;B项,无自发进行的氧化还原反应,错误;C项,乙醇不是电解质,不能导电,错误;D项,有活泼性不同的电极,有电解质溶液,形成闭合回路,形成原电池,能产生电流,正确。
方法点拨 原电池的判定方法
一看反应原理(能否自发地进行氧化还原反应);二看构成条件(两极一液成回路:两个活泼性不同的电极,插入电解质溶液中,装置形成闭合回路)。
3.C 金属活动性:Cu>Ag,故在该原电池中Cu为负极,Ag为正极。在外电路中电流由正极流向负极,①错误;正极上得电子发生还原反应,电极反应式为Ag++e- Ag,②正确;取出盐桥,则不能形成闭合回路,原电池不能继续工作,③错误;负极:Cu-2e- Cu2+,正极:Ag++e- Ag,故总反应为Cu+2Ag+ Cu2++2Ag,铜片与AgNO3反应的离子方程式为Cu+2Ag+ Cu2++2Ag,与原电池总反应相同,④正确;盐桥中的K+向正极区移动,即K+向AgNO3溶液移动,⑤错误;电子不能进入电解质溶液,⑥错误;选C。
知识拓展 盐桥作用:离子通道,形成闭合回路。避免电极与电解质溶液直接反应。
4.D 图1装置中铜电极上产生大量的无色气泡,说明铬为负极,铜为正极,正极上析出H2,电极反应式是2H++2e- H2↑,A项正确;图2装置中铜电极上无气体产生,铬电极上产生大量有色气泡,说明铜被氧化,应为负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+,B项正确;图2装置中铬电极上产生大量有色气泡,说明正极为硝酸被还原生成NO2,电极反应式为N+e-+2H+ NO2↑+H2O,C项正确;图1中电子由Cr电极经导线流向Cu电极,图2中电子由Cu电极经导线流向Cr电极,D项错误。
5.C A项,铝是负极,负极反应式为Al-3e- Al3+,正确;B项,铝和NaOH溶液反应,铝是负极,负极反应式为Al-3e-+4OH- Al+2H2O,正确;C项,铁是负极,负极反应式为Fe-2e- Fe2+,错误;D项,铝在浓硝酸中钝化,因此铜是负极,负极反应式为Cu-2e- Cu2+,正确。
6.B 锌比银活泼,锌极是电池的负极,银极是电池的正极,电子由负极流向正极,A错误;银是电池的正极,电极反应为O2+2H2O+4e- 4OH-,银极上消耗2.24 L(标准状况下)氧气时,消耗氧气的物质的量为0.1 mol,转移0.4 mol电子,B正确;若用稀硫酸替代食盐水,银是电池的正极,电极反应为2H++2e- 2H2↑,C错误;锌是电池的负极,在负极Zn失电子,D错误。
总结归纳 原电池的工作原理
7.A Mg和Al作两极,稀硫酸作电解质溶液,镁的活泼性比铝强,镁作负极,发生氧化反应,铝作正极,在正极上H+得到电子发生还原反应,A项错误;电流表指针偏向正极,Cu和Al作两极,稀硫酸作电解质溶液,铝比铜活泼,铝作负极,铜作正极,电流表指针偏向铜,B项正确;Mg和Al作两极,NaOH溶液作电解质溶液,Al能自发和NaOH溶液发生氧化还原反应,所以铝作负极,失去电子生成Al,电极反应式为Al-3e-+4OH- Al+2H2O,C项正确;通过实验1和实验2比较可知,原电池的正负电极与电极的性质有关,通过实验1和实验3比较可知,原电池的正负电极与电解质溶液也有关解题技法,D项正确。
8.答案 (1)D>C>A>Fe>B (2)有无色气泡生成 (3)C (4)B→D (5)FeCl3溶液、Cu片、石墨棒
解析 (1)原电池工作时,电子从负极经外电路流向正极,以稀硫酸为电解质溶液时较活泼的金属作负极,由电子流向可知金属活动性:A> Fe、D>C、C>A、Fe>B,则金属活动性:D>C>A>Fe>B。
(2)在①中,Fe为正极,氢离子得电子生成氢气,可观察到Fe片上有无色气泡生成。
(3)在②中,溶液中H+向正极移动,即向C移动。
(4)如果实验⑤用B、D,因活泼性B(5)根据反应Cu+2Fe3+ Cu2++2Fe2+设计原电池,Cu被氧化,应为负极,正极可为石墨棒,电解质溶液为氯化铁溶液。
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