原电池 化学电源学案练习.docx

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原电池化学电源学案练习

第二讲　原电池　化学电源

教学目标

1．了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

2．了解常见的化学电源及其工作原理

教学过程

一、原电池

1．装置特点：

把转化成。

2．构成条件

（1）两个的电极（或一种金属和一种可以导电的非金属）。

（2）将电极插入中。

（3）用导线连接电极（或直接接触）。

（4）能自发进行反应。

3．工作原理（以铜锌原电池为例）

盐桥的作用

（1）使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。

（2）平衡电荷。

如在Zn/ZnSO4—Cu/CuSO4原电池中Zn失去电子变成Zn2＋进入ZnSO4溶液，ZnSO4溶液中因Zn2＋增多而带正电荷。

同时，CuSO4溶液则由于Cu2＋变成Cu，使得SO

相对较多而带负电荷。

通过盐桥中阴阳离子定向移动而使两极电解质溶液中正负电荷守恒而保持电中性。

4．原电池的正负极的判断

5.原电池电极反应和电池反应方程式的书写

（1）如果题目给定的是图示装置，先分析正、负极和溶液中的电解质离子，再根据正、负极反应规律和离子放电规律正确地判断出电极反应产物，然后结合质量守恒、电荷守恒书写电极反应式；依据两极电子得失守恒，由两电极反应式加和得总反应方程式。

（2）如果题目给定的是总反应方程式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况），再选择一个简单的变化情况去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写出或用总反应方程式减去已写出的电极反应式得出。

（3）对于二次电池的反应，需要看清楚“充电、放电”的方向，放电的过程应用原电池原理，充电的过程应用电解池原理。

（4）书写原电池电极反应式要特别注意介质与电极生成物的反应：

①负极生成的金属离子与电解质溶液中的某些阴离子如OH－、Cl－或SO

反应生成难溶物；②在碱性条件下负极生成的CO2或H＋等与OH－反应生成CO

或H2O；在酸性条件下正极生成的OH－与H＋反应生成H2O。

③Al在酸性条件下氧化产物是Al3＋，在碱性条件下的氧化产物是AlO

。

巩固练习

1．（2013·台州模拟）为探究原电池的形成条件和反应原理，某同学设计了如下实验，并记录了实验现象：

①向一定浓度的稀硫酸中插入锌片，看到有气泡生成；

②向上述浓度的稀硫酸中插入铜片，没有气泡生成；

③将锌片与铜片上端接触并捏住，一起插入上述浓度的稀硫酸中，看到铜片上有气泡生成，且生成气泡的速率比实验①中快；

④在锌片和铜片中间接上电流计，再将锌片和铜片插入上述浓度的稀硫酸中，发现电流计指针偏转。

下列关于以上实验设计及现象的分析，不正确的是（　　）。

A．实验①、②说明锌能与稀硫酸反应而铜不能

B．实验③说明发生原电池反应时会加快化学反应速率

C．实验③说明在该条件下铜可以与稀硫酸反应生成氢气

D．实验③、④说明该原电池中铜为正极、锌为负极

解析　③中看到铜片上有气泡生成，实质上是Zn失去的电子传到了铜片上，由H＋得到电子生成了H2，而铜并没有参加反应。

答案　C

2．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是（　　）。

A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池

B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏

C．铅蓄电池工作过程中，每通过2mol电子，负极质量减轻207g

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

解析　选项A正确。

在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确。

氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。

C项忽略了硫酸铅在该极上析出，该极质量应该增加而非减小。

答案　C

3．如图，在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y，外电路中电子流向如图所示，关于该装置的下列说法正确的是（　　）。

A．外电路的电流方向为：

X→外电路→Y

B．若两电极分别为铁和碳棒，则X为碳棒，Y为铁

C．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应

D．若两电极都是金属，则它们的活动性顺序为X＞Y

解析　外电路电子流向为X→外电路→Y，电流方向与其相反，X极失电子，作负极，X极发生的是氧化反应，Y极发生的是还原反应。

若两电极分别为铁和碳棒，则Y为碳棒，X为铁。

答案　D

4．右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。

下列说法不正确的是（　　）。

A．该电池的负极反应式为：

CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

B．该电池的正极反应式为：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

C．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极

D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量

解析　本题的关键是读图。

由图示可知，呼气时进去的是CH3CH2OH出来的是CH3COOH，负极的电极反应为：

CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋，A错误；氧气为正极，酸性条件下生成H2O，B正确；电流由正极流向负极，C正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D正确。

答案　A

5．（2013·宁波统考）镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。

研究的燃料电池可分为镁—空气燃料电池，镁—海水燃料电池，镁—过氧化氢燃料电池，镁—次氯酸盐燃料电池。

如图为镁—次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是（　　）。

A．放电过程中OH－移向正极

B．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋H2O===Mg（OH）2↓＋Cl－

C．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应

D．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：

H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O

解析　根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。

镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液，生成Mg2＋，碱性溶液生成Mg（OH）2。

ClO－在正极反应，由图可知有Cl－和OH－生成，OH－向负极移动，生成Mg（OH）2。

答案　A

6．如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是（　　）。

A．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端高B端低

B．杠杆为导体或绝缘体时，均为A端低B端高

C．当杠杆为导体时，A端低B端高；杠杆为绝缘体时，A端高B端低

D．当杠杆为导体时，A端高B端低；杠杆为绝缘体时，A端低B端高

解析　当杠杆为导体时，构成了原电池，A端Cu球上会析出铜增重，A端低；当杠杆为绝缘体时，加CuSO4溶液后溶液密度增大，对Cu球的浮力增大，所以A端上升。

答案　C

7．（2013·金华模拟）据报道，以硼氢化合物NaBH4（B元素的化合价为＋3价）和H2O2作原料的燃料电池，负极材料采用Pt/C，正极材料采用MnO2，可用作空军通信卫星电源，其工作原理如图所示。

下列说法错误的是（　　）。

A．电池放电时Na＋从a极区移向b极区

B．电极b采用MnO2，MnO2既作电极材料又有催化作用

C．该电池的负极反应为：

BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O

D．每消耗3molH2O2，转移的电子为3mol

解析　BH

中H显－1价，被氧化，电极a为负极，由图电解质溶液为OH－，负极的电极反应式为：

BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O，C正确；正极反应为H2O2生成OH－，电极反应式为：

H2O2＋2e－===2OH－，生成OH－，Na＋移向正极，A正确。

燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用，B正确；由正极的电极反应式可知消耗3molH2O2，转移的电子为6mol。

答案　D

二、非选择题（本题共4个小题，共58分）

8．（12分）（2013·绍兴名校联考）

（1）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。

高铁电池的总反应为：

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________。

②放电时，正极发生________（填“氧化”或“还原”）

反应：

已知负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，则正极反应为____________________________________________________。

③放电时，________（填“正”或“负”）极附近溶液的碱性增强。

（2）某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b均为惰性电极。

①使用时，空气从________口通入（填“A”或“B”）；

②假设使用的“燃料”是甲醇，a极的电极反应式为____________；

③假设使用的“燃料”是水煤气（成分为CO、H2），如用这种电池电镀铜，待镀金属的质量增加6.4g，则至少消耗标准状况下水煤气的体积为________。

解析　

（1）电池的负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应。

由高铁电池放电时总反应化学方程式可知，负极材料应为作还原剂的Zn。

由电池的总反应化学方程式－负极反应式＝正极反应式可知，正极反应式为FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－，正极生成了OH－，碱性增强。

（2）①从图上可以看出，电子由a流向b，因而a为负极，b为正极，空气应该通入正极区。

②甲醇失去电子，生成的CO2与OH－反应转化为CO

。

③待镀金属的质量增加6.4g，即析出0.1molCu，电子转移0.2mol，则消耗水煤气0.1mol，标准状况下体积为2.24L。

答案　

（1）①Zn　②还原　FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－　③正

（2）①B　②CH3OH－6e－＋8OH－===CO

＋6H2O③2.24L

9．（16分）（2013·丽水调研）

（1）分析如图所示的四个装置，回答下列问题：

①装置a和b中铝电极上的电极反应式分别为________________、________________。

②装置c中产生气泡的电极为________电极（填“铁”或“铜”），装置d中铜电极上的电极反应式为__________________________________________。

（2）观察如图所示的两个装置，图1装置中铜电极上产生大量的无色气泡，图2装置中铜电极上无气体产生，而铬电极上产生大量的有色气体。

根据上述现象试推测金属铬具有的两种重要化学性质为________________、__________________。

（3）如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：

①电池的负极是________（填“a”或“b”）电极，该极的电极反应式为：

____________________________________________________。

②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________（填“增大”“减小”或“不变”）。

解析　

（1）在稀H2SO4溶液中，镁比铝活泼，铝电极作正极，正极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。

在NaOH溶液中，铝比镁活泼，铝电极作负极，负极的电极反应式为Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O。

在浓硝酸中，铁被钝化，铁电极作正极，正极上发生NO

的还原反应，产生气泡。

装置d相当于金属铁发生吸氧腐蚀，铜电极作正极，正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

（2）由图1可知还原性Cr＞Cu，但在稀硝酸中却出现了反常，结合稀硝酸的氧化性，不难推测铬被稀硝酸钝化，导致活性降低。

（3）CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。

电极反应式可由总反应式CH4＋2OH－＋2O2===CO

＋3H2O减去正极反应式O2＋2H2O＋4e－===4OH－，求得。

由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。

答案　

（1）①2H＋＋2e－===H2↑　Al－3e－＋4OH－===AlO

＋2H2O　②铁　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）金属铬的活泼性比铜的强且能和稀硫酸反应生成H2　金属铬易被稀硝酸钝化（3）①a　CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O②减小

10．（16分）金属铜不溶于稀硫酸，可溶于铁盐溶液生成铜盐与亚铁盐。

现将一定量的铜片加入到100mL稀硫酸和硫酸铁的混合液中，铜片完全溶解（不考虑盐的水解及溶液体积的变化）

（1）写出铜溶解于上述混合液的离子方程式___________________________。

（2）若铜完全溶解时，溶液中的Fe3＋、Cu2＋、H＋三种离子的物质的量浓度相等，且测得溶液的pH＝1，则溶解铜的质量是________g，溶液中的c（SO

）＝________mol·L－1。

（3）若欲在如图所示的装置中发生反应，请判断图中的正、负极，并选出适当的物质作电极，写出电极反应式，填在相应的表格中。

正、负极判断

电极材料

电极反应式

X极

Y极

解析　

（1）Cu与Fe2（SO4）3反应生成CuSO4和FeSO4，可知离子方程式为Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋；

（2）溶液中的Fe3＋、Cu2＋、H＋三种离子的物质的量浓度相等，且测得溶液的pH＝1，故c（H＋）＝c（Cu2＋）＝0.1mol·L－1，故n（Cu2＋）＝0.1mol·L－1×0.1L＝0.01mol，溶解铜的质量为0.01mol×64g·mol－1＝0.64g；反应后溶液中的阳离子为：

Fe3＋、Fe2＋、Cu2＋、H＋，而Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋，可见Fe2＋的物质的量浓度为Cu2＋的两倍，依据溶液中的电荷守恒规律，故0.1mol·L－1×3＋0.2mol·L－1×2＋0.1mol·L－1×2＋0.1mol·L－1×1＝c（SO

）×2，解得c（SO

）＝0.5mol·L－1。

答案　

（1）Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋

（2）0.64　0.5

（3）

正、负极判断

电极材料

电极反应式

X极

负极

铜

Cu－2e－===Cu2＋

Y极

正极

碳

2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋

11.（14分）化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。

（1）下列相关说法正确的是________（填序号）。

A．通过某种电池单位质量或单位体积所能输出能量的多少，可以判断该电池的优劣

B．二次电池又称充电电池或蓄电池，这类电池可无限次重复使用

C．除氢气外，甲醇、汽油、氧气等都可用作燃料电池的燃料

D．近年来，废电池必须进行集中处理的问题被提上日程，其首要原因是电池外壳的金属材料需要回收

（2）目前常用的镍（Ni）镉（Cd）电池，其电池总反应式可表示为2Ni（OH）2＋Cd（OH）2

Cd＋2NiO（OH）＋2H2O

已知Ni（OH）2和Cd（OH）2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法正确的是________（填序号）。

A．以上反应是可逆反应B．反应环境为碱性

C．电池放电时Cd作负极D．该电池是一种二次电池

（3）在宇宙飞船和其他航天器上经常使用的氢氧燃料电池是一种新型电源，其构造如图所示：

a、b两个电极均由多孔的碳块组成，通入的氢气和氧气由孔隙中逸入，并在电极表面发生反应而放电。

①a电极是电源的________极；

②若该电池为飞行员提供了360kg的水，则电路中通过了________mol电子。

（4）请运用原电池原理设计实验，验证Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱，请画出实验装置图并写出电极反应式。

解析　

（1）B项二次电池可以多次使用，但不可能无限次重复使用。

C项氧气可用作燃料电池的氧化剂，而不是燃料。

D项废旧电池进行集中处理的主要原因是电池中含有汞、镉和铅等金属离子，它们会对土壤、水源造成污染。

（2）两个方向的反应条件不同，不能称为可逆反应。

（3）电路中通过的电子的物质的量为（360000g÷18g·mol－1）×2＝40000mol。

（4）三价铁离子能够氧化单质铜生成铜离子，从而设计成原电池证明该结论。

答案　

（1）A　

（2）BCD　（3）负　40000

（4）装置如右图。

正极的电极反应式：

2Fe3＋＋2e－

===2Fe2＋

负极的电极反应式：

Cu－2e－===Cu2＋