化学基本理论原电池化学电源新型化学电源.docx
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化学基本理论原电池化学电源新型化学电源
化学基本理论
——原电池、化学电源、新型化学电源
【考情调研】电化学在高考中属于必考内容,在选择题和非选择题中均会涉及,主要以新型电池或电解池为载体,考查考生在新情境中对电化学原理的应用能力,近三年全国卷所涉及的原电池或电解池如表所示:
考点
考查情况
原电池
2019全国ⅠT12利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成;全国ⅢT13考查采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池
2018全国ⅡT12考查室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池;全国ⅢT11考查可充
电锂一空气电池
高考中的电化学命题比较关注新科技及电化学原理的实际应用,涉及的常规考点有电极名称的判断、电极反应式的书写、电子和电流方向的判断及溶液pH的变化等,今后可能会通过考查电化学的相关计算来提升试题综合性和难度。
知识点一 原电池工作原理及应用
1.概念
原电池是把化学能转化为
能的装置。
2.构成条件
反应
能自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合
回路
①电解质溶液
②两电极直接或间接接触
③两电极插入电解质溶液中
3.工作原理(如锌铜原电池可用简图表示)
总反应离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑
(1)电极
①负极:
失去电子,发生氧化反应;
②正极:
得到电子,发生还原反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向
①电子从负极流出经外电路流入正极;
②电流从正极流出经外电路流入负极;
故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
(3)离子移动方向
阴离子向负极移动(如SO
),阳离子向正极移动(如Zn2+和H+,溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
[提醒] ①电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
②无论在原电池中还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
4.原电池正、负极的判断
[提醒] 原电池的正极和负极既与电极材料的性质有关,又与电解质溶液有关,不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
5.单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比
名称
单液原电池
双液原电池
装置
相同点
正、负极电极反应,总反应式,电极现象
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,既有化学能转化为电能,又有化学能转化为热能,造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触,仅有化学能转化为电能,避免了能量损耗,故电流稳定,持续时间长
[提醒] 盐桥的作用:
使整个装置构成通路,代替两溶液直接接触;平衡电荷;提高电池效率。
6.原电池原理的应用
(1)加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率加快。
例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液置换出的Cu能与Zn形成原电池使产生H2的反应速率加快。
(2)比较金属活动性强弱
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A溶解,而B上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,即可以断定金属活动性:
A
B。
(3)设计制作化学电源
实例:
根据Cu+2Ag+===Cu2++2Ag设计电池:
【即时巩固】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)理论上说,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√)
(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极(√)
(3)用Mg、Al分别作电极,用NaOH溶液作电解液构成的原电池,Mg为正极(√)
(4)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动(×)
(5)一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(√)
(6)原电池放电时,电流方向由电源的负极流向正极(×)
(7)实验室制备H2时,用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳(√)
(8)由于CaO+H2O===Ca(OH)2,可以自发进行,且放出大量的热,故可以设计成原电池(×)
2.有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验
装置
部分实验现象
a极质量减小;b极质量增加
b极有气体产生;c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
解析:
选C 把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④,则由实验①可知,a作原电池负极,b作原电池正极,金属活动性:
a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则活动性:
b>c;由实验③可知,d极溶解,则d作原电池负极,c作正极,活动性:
d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,活动性:
d>a。
综合所述可知活动性:
d>a>b>c。
3.利用反应Cu+2Fe3+===2Fe2++Cu2+设计了如图所示的原电池。
回答下列问题:
(1)该原电池的负极材料是________,发生________(填“氧化”或“还原”)反应。
(2)X是____________,图中“→”表示________的方向。
(3)盐桥中的SO
移向________溶液。
答案:
(1)Cu 氧化
(2)Fe2(SO4)3(或FeCl3)溶液 电子移动
(3)CuSO4
知识点二 化学电源
1.一次电池
(1)碱性锌锰干电池
正极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-;
负极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)锌银电池
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。
2.二次电池(可充电电池)
铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是
,正极材料是PbO2。
(1)放电时的反应
①负极:
Pb(s)+SO
(aq)-2e-===PbSO4(s)(氧化反应)。
②正极:
PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)(还原反应)。
③总反应:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)。
(2)充电时的反应
①阴极:
PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO
(aq)(还原反应)。
②阳极:
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)(氧化反应)。
③总反应:
2PbSO4(s)+2H2O(l)===Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。
3.燃料电池
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分成酸性和碱性两种。
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-
===4H2O
正极反应式
O2+4H++4e-
===2H2O
O2+2H2O+4e-
===4OH-
电池总反应式
2H2+O2===2H2O
[提醒] ①燃料电池中通入O2的一极为正极,通入可燃物的一极为负极。
②书写燃料电池的电极反应时,要注意溶液的酸碱性,介质的酸碱性对电极反应和总反应都会产生影响。
【即时巩固】
1.镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行:
Cd+2NiO(OH)+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2,由此判断错误的是( )
A.放电时,Cd作负极
B.放电时,NiO(OH)作负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2
解析:
选B 镉镍电池放电时,Cd作负极,电板反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2;NiO(OH)作正极,电解质溶液为KOH等碱性溶液,B项错误。
2.由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池,以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质,铝和二氧化锰石墨为两极,其电池反应为Al+3MnO2+3H2O===3MnO(OH)+Al(OH)3。
下列有关该电池放电时的说法不正确的是( )
A.二氧化锰石墨为电池正极
B.负极反应式为Al-3e-+3NH3·H2O===Al(OH)3+3NH
C.OH-不断由负极向正极移动
D.每生成1molMnO(OH)转移1mol电子
解析:
选C 由电池反应方程式知,铝为电池负极,铝失去电子转化为Al(OH)3,A、B正确;阴离子移向负极,OH-应不断由正极向负极移动,C错误;由反应中锰元素价态变化知D正确。
3.银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
其工作示意图如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:
Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
解析:
选D 由电池的总反应Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag知,Zn从0价变为+2价,化合价升高,失去电子,故Zn电极为负极,A正确;Ag2O中Ag从+1价变为0价,化合价降低,得到电子,发生还原反应,B正确;在碱性条件下,Zn2+与OH-结合生成Zn(OH)2,故Zn电极的电极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,C正确;根据总反应可知,反应中H2O被不断地消耗,电解质溶液中OH-浓度增大,所以放电后电解质溶液的pH增大,D错误。
[课时检测]
1.某兴趣小组设计的简易原电池装置如图所示。
该电池工作时,下列说法正确的是( )
A.锌片作正极
B.铜片上有气泡产生
C.将电能转化为化学能
D.电子由铜片经导线流向锌片
解析:
选B 根据原电池的工作原理,活泼金属作负极,锌比铜活泼,锌片作负极,A错误;铜片作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,铜片上有气泡冒出,B正确;该装置为原电池装置,是将化学能转化成电能的装置,C错误;根据原电池的工作原理,电子从负极经导线流向正极,即电子从锌片经导线流向铜片,D错误。
2.图1是铜锌原电池示意图。
图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示( )
A.铜棒的质量 B.c(Zn2+)
C.c(H+)D.c(SO
)
解析:
选C 该装置构成原电池,Zn是负极,Cu是正极。
A项,在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,Cu棒的质量不变,错误;B项,由于Zn是负极,不断发生反应Zn-2e-===Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)增大,错误;C项,由于反应不断消耗H+,所以溶液的c(H+)逐渐降低,正确;D项,SO
不参加反应,其浓度不变,错误。
3.原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。
下列说法中正确的是( )
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2H++2e-===H2↑
解析:
选B ①中Mg作负极;②中Al作负极;③中铜作负极;④是铁的吸氧腐蚀,Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。
4.如图所示为锌铜原电池。
下列叙述中,正确的是( )
A.盐桥的作用是传导离子
B.外电路电子由铜片流向锌片
C.锌片上的电极反应式为Zn2++2e-===Zn
D.外电路中有0.2mol电子通过时,铜片表面质量增加约3.2g
解析:
选A “双液”原电池中,盐桥连接左、右两个烧杯中的溶液,传导离子,起到导电作用,A正确;锌的活泼性强于铜,则锌片作负极,铜片作正极;在外电路中,电子由负极流向正极,则电子由锌片流向铜片,B错误;锌片是负极,发生失去电子的氧化反应,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,C错误;铜片是正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,外电路中通过0.2mol电子时,铜片上析出0.1molCu,其质量为0.1mol×64g·mol-1=6.4g,D错误。
5.MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
下列叙述错误的是( )
A.负极反应式为Mg-2e-===Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-===Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑
解析:
选B MgAgCl电池的电极反应:
负极Mg-2e-===Mg2+,正极2AgCl+2e-===2Ag+2Cl-,A项正确,B项错误;在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极,C项正确;Mg是活泼金属,能和H2O发生反应生成Mg(OH)2和H2,D项正确。
6.电子计算机所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银,电解质溶液为KOH溶液,其电极反应式:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O;Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。
下列判断正确的是( )
A.锌为正极,Ag2O为负极
B.锌为负极,Ag2O为正极
C.原电池工作时,将电能转化成化学能
D.原电池工作时,负极区溶液的pH增大
解析:
选B 根据化合价变化可知Zn被氧化,应为原电池的负极,则正极为Ag2O,故A错误,B正确;原电池是将化学能转化为电能的装置,故C错误;原电池工作时,负极发生反应Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,溶液的pH减小,故D错误。
7.等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀H2SO4中,同时向a中放入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是( )
解析:
选D a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,Zn的量减少,产生H2的量减少,但ZnCu稀H2SO4形成原电池,加快反应速率,D项图示符合要求。
8.近年,科学家们发明了一种能够给电子设备提供动力的生物燃料电池。
该电池包括两个涂覆着酶的电极,它们处于充满空气和少量氢气的玻璃槽中。
由于气体可以混合从而省去了昂贵的燃料隔离膜,其工作原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.左边为该电池的负极
B.该电池可在高温环境下使用
C.该电池负极反应为H2-2e-===2H+
D.该电池正极反应为O2+4e-===2O2-
解析:
选C 由电池示意图可知,H2→H+,是H2被氧化的过程,通入H2的一极为原电池的负极,发生反应:
H2-2e-===2H+;O2→H2O,是O2被还原的过程,通入O2的一极为原电池的正极,发生反应:
O2+4e-+4H+===2H2O,故A、D错误,C正确;该电池包括两个涂覆着酶的电极,高温下会使酶变性,不能在高温下使用,B错误。
9.某校化学兴趣小组进行探究性活动:
将氧化还原反应2Fe3++2I-2Fe2++I2,设计成带盐桥的原电池。
提供的试剂:
FeCl3溶液,KI溶液;其他用品任选。
请回答下列问题:
(1)请补充下面原电池的装置图,在括号内填上正负极的材料、电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为_______________________________________。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中__________(填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为__________(填“正”或“负”)极。
解析:
(1)依据原电池原理分析,氧化还原反应中Fe3+在正极上得电子发生还原反应,I-在负极上发生氧化反应,负极所在的电解质溶液为KI溶液,正极所在的电解质溶液为FeCl3溶液。
电极材料可选取惰性电极,如石墨或其他不活泼的金属。
(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。
(3)反应达到平衡时,从左到右和从右到左移动的电子数目相等,故无电流产生。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,反应2Fe3++2I-2Fe2++I2的平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。
答案:
(1)如图
(2)2I--2e-===I2
(3)无 (4)负
10.
(1)锌锰(ZnMnO2)干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl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ZnCl2NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速某电极的腐蚀,其主要原因是________________________________________________________________________。
(2)铅蓄电池是常用的化学电源,其电极材料分别是Pb和PbO2,电解液为硫酸。
该电池总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。
①该蓄电池放电时,电解质溶液中阴离子移向________(填“正极”或“负极”);正极附近溶液的酸性__________(填“增强”“减弱”或“不变”),负极的电极反应式为______________________。
(已知:
硫酸铅为不溶于水的白色沉淀,生成时附着在电极上)
②实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,今若制得0.050molCl2,这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是________mol。
(3)氢氧燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于铅蓄电池。
若电解液为KOH溶液,则氢氧燃料电池的负极反应式为_________________________________。
该电池工作时,外电路每流过2mole-,消耗标准状况下氧气________L。
解析:
(1)①负极上失电子发生氧化反应,则Zn失电子为负极,电子由负极流向正极。
②电化学腐蚀较化学腐蚀更快,锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。
(2)①在铅蓄电池中,根据原电池反应式中元素化合价变化知,在Pb电极上Pb元素化合价由0价变为+2价,发生氧化反应:
Pb-2e-+SO
===PbSO4,所以Pb作负极,PbO2作正极,电解质溶液中阴离子移向负极。
工作时,该铅蓄电池正极上PbO2得电子发生还原反应,电极反应为PbO2+SO
+2e-+4H+===PbSO4+2H2O,正极附近溶液的酸性减弱。
②设生成0.05molCl2需转移的电子为xmol。
2Cl--2e-===Cl2↑
2mol 1mol
xmol 0.050mol
解得x=0.1,
设转移0.1mole-时,消耗硫酸的物质的量为ymol,放电时,铅蓄电池的电池反应式为
PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O 转移电子
2mol 2mol
ymol0.1mol
y=0.1,所以消耗硫酸的物质的量为0.1mol。
(3)燃料与氧气反应的总化学方程式为2H2+O2===2H2O,电解质溶液呈碱性,负极上氢气失电子生成水,则负极的电极反应式为H2+2OH--2e-===2H2O或2H2+4OH--4e-===4H2O;该电池中正极上是氧气发生得电子的还原反应,其电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,则外电路每流过2mole-,消耗氧气为0.5mol,所以消耗标准状况下氧气的体积为0.5mol×22.4L·mol-1=11.2L。
答案:
(1)①Zn 正极 ②Zn与Cu2+反应生成Cu,Zn与Cu构成原电池,加快反应速率
(2)①负极 减弱 Pb-2e-+SO
===PbSO4 ②0.1
(3)H2-2e-+2OH-===2H2O 11.2
新型化学电源
题型一 燃料电池
燃料电池是利用氢气、甲烷、甲醇、硼氢化物等为燃料与氧气或空气进行反应,将化学能直接转化为电能的一类原电池。
其特点一是有两个相同的多孔电极,同时两个电极不参与电极反应;二是不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内;三是能量的转化率高,燃料电池具有高能环保、电压稳定、经久耐用等优点。
因此,这类电池正成为科学研究、高考命题的重点。
其主要命题角度有燃料电池正负极的判断,电池反应式的书写,电子、离子的移动及电解质溶液的组成变化情况分析等。
[重难点拨]
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电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O;
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-;
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-===2O2-;
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-===2CO
。
第三步:
根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式
电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。
因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
[典例] 十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。
二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.该电池放电时质子从电极b移向电极a
B.电极a附近发生的电极反应为SO2+2H2O-2e-===H2SO4+2H+
C.电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
D.相同条件下,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
[解析] A项,放电时为原电池,质子向正极移动,电极a为负极,则该电池放电时质子从电极a移向电极b,错误;B项,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应为SO2+2H2O-2e-===SO
+4H+,硫酸应当拆为离子形式,错误;C项,酸性条件下,氧气得电子与氢离子反应生成水,电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,错误;D项,由总反应式2SO2+O2+2H2O===2SO
+4H+可知,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1,正确。
[答案] D
[备考方略] 新型燃料电池的分析模板
[综合训练]
1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量监测与控制的功能,下列有关说法正确的是( )
A.电流由呼气所在的铂电极流出
B.H+通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极
C.电路中流过2mol电子时,消耗11.2LO2
D.该电池的负极反应为
CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2↑+12H+
解析:
选B 呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸