原电池 化学电源.docx

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原电池化学电源

原电池　化学电源

一、选择题（本题包括4小题,每题6分,共24分）

1.课堂学习中,同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流表、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。

下列结论错误的是（　　）

A.原电池是将化学能转化成电能的装置

B.原电池由电极、电解质溶液和导线等组成

C.图中a极为铝条、b极为锌片时,导线中会产生电流

D.图中a极为锌片、b极为铜片时,电子由铜片通过导线流向锌片

【解析】选D。

D项,a极为负极,电子由负极（锌片）流出。

2.（2020·北京海淀模拟）锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。

电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率,称为自放电现象。

下列关于原电池和干电池的说法不正确的是（　　）

A.两者正极材料不同

B.MnO2的放电产物可能是KMnO4

C.两者负极反应式均为Zn失电子

D.原电池中Zn与稀硫酸存在自放电现象

【解析】选B。

题中左图为干电池,干电池的正极材料是碳棒,题中右图为原电池,正极材料是铜单质,两者正极材料不同,A正确;干电池中MnO2应作氧化剂,Mn的化合价降低,B错误;所给装置中Zn为负极,Zn失去电子,C正确;根据自放电现象的定义,Zn与稀硫酸能够发生反应,即原电池中Zn与稀硫酸存在自放电现象,D正确。

　【加固训练】

（2020·长沙模拟）如图所示装置,电流表G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A、B、C应是下列各组中的（　　）

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

【解析】选D。

该原电池中,A极逐渐变粗,B极逐渐变细,所以B作负极,A作正极,B的活泼性大于A的活泼性,所以排除A、C选项;A极逐渐变粗,说明有金属析出,B选项析出氢气不是金属,D选项析出金属。

3.（2020·衡阳模拟）《JournalofEnergyChemistry》杂志曾报道我国科学家设计的CO2熔盐捕获与转化装置,其示意图如图所示,下列有关说法正确的是（　　）

A.b为负极

B.①②中,捕获CO2时碳元素的化合价发生了变化

C.a极电极反应式为2C2

-4e-

4CO2+O2

D.转移1mol电子可捕获CO2气体22.4L

【解析】选C。

根据图片可知C2

→O2,则a电极发生失去电子的氧化反应,为阳极,与电源正极相接,所以b为原电池正极,A错误;CO2→C2

或C

时碳元素的化合价均为+4,没有变化,B错误;根据图片可知C2

→O2,电极上发生失去电子的氧化反应,所以a极的电极反应式为2C2

-4e-

4CO2+O2,C正确;由a极的电极反应式为2C2

-4e-

4CO2+O2可知,转移1mol的电子生成1mol的二氧化碳,转移1mol电子可捕获CO2气体在标准状况下的体积为22.4L,该选项未指明气体的条件,D错误。

【加固训练】

　　某小组为了探究电化学原理,设计了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为锌,其他电极均为石墨,盐桥是浸泡了饱和氯化钾溶液的琼脂,丙池是滴加了酚酞的氯化钠溶液,下列叙述正确的是（　　）

A.电子由电极Ⅳ通过外电路流向电极Ⅰ

B.装置工作过程中Ⅲ电极周围出现红色

C.电极Ⅱ发生还原反应

D.盐桥中Cl-向乙池移动

【解析】选C。

Ⅰ是锌、其余电极都是石墨,锌易失电子作负极,Ⅱ是正极,甲、乙构成原电池,丙有外接电源,属于电解池,Ⅲ为阳极、Ⅳ为阴极。

电子从负极Ⅰ沿导线流向阴极Ⅳ,故A错误;Ⅲ电极是阳极,阳极上氯离子放电生成氯气,Ⅳ为阴极,阴极上氢离子放电生成氢气,同时电极附近生成氢氧根离子,导致溶液变红色,故B错误;电极Ⅱ上铜离子得电子发生还原反应而析出Cu单质,故C正确;盐桥中氯离子向负极甲池区域移动,故D错误。

4.氨硼烷（NH3·BH3）作为一种非常有前景的储氢材料,近年来日益受到人们的重视。

氨硼烷（NH3·BH3）电池可在常温下工作,装置如图所示。

该电池的总反应为NH3·BH3+3H2O2

NH4BO2+4H2O。

下列说法正确的是（　　）

A.右侧电极发生氧化反应

B.电池工作时,H+通过质子交换膜向左侧移动

C.负极的电极反应式为H2O2+2H++2e-

2H2O

D.每消耗31g氨硼烷,理论上应转移6mol电子

【解析】选D。

A项,根据总反应NH3·BH3+3H2O2

NH4BO2+4H2O,H2O2是氧化剂发生还原反应,A错误;NH3·BH3发生氧化反应,左侧电极是电池负极,H2O2一侧电极是电池正极,电池工作时,H+通过质子交换膜向右侧移动,选项B错误;C项,正极发生还原反应,电极反应式为H2O2+2H++2e-

2H2O,选项C错误;D项,根据总反应知,每消耗31g氨硼烷即1mol,理论上应转移6mol电子,D正确。

二、非选择题（本题包括2小题,共26分）

5.（14分）

（1）锌锰（Zn-MnO2）干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl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ZnCl2-NH4Cl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,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变为+2,发生氧化反应:

Pb-2e-+S

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+S

+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

　　　ymol　　　　　　　0.1mol

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-+S

PbSO4　②0.1

（3）H2-2e-+2OH-

2H2O　11.2

6.（12分）

（1）CO与H2反应还可制备CH3OH,CH3OH可作为燃料使用,用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下:

电池总反应为2CH3OH+3O2

2CO2+4H2O,则电极c是　　　　（填“正极”或“负极”）,电极c的反应式为　　　　　　　　　　　　　。

若线路中转移2mol电子,则上述CH3OH燃料电池消耗的O2在标准状况下的体积为　　　　　　　L。

（2）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）根据图中的电子流向知c是负极,是甲醇发生氧化反应:

CH3OH-6e-+H2O

CO2+6H+,线路中转移2mol电子时,消耗氧气0.5mol,标准状况下体积为11.2L。

（2）CH4在反应时失去电子,故a电极是电池的负极。

负极反应式可由总反应式CH4+2OH-+2O2

C

+3H2O减去正极反应式O2+2H2O+4e-

4OH-得到。

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）负极　CH3OH-6e-+H2O

CO2+6H+　11.2

（2）①a　CH4+10OH--8e-

C

+7H2O　②减小

一、选择题（本题包括3小题,每题6分,共18分）

1.（2020·北京朝阳区模拟）我国科研人员借助太阳能,将光解水制H2与脱硫结合起来,既能大幅度提高光解水制H2的效率,又能脱除SO2,工作原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A.该装置可将太阳能转化为化学能

B.催化剂a表面发生还原反应,产生H2

C.催化剂b附近的溶液pH增大

D.吸收1molSO2,理论上能产生1molH2

【解析】选C。

在光解水的过程中,存在将太阳能转化为化学能的过程,A项正确;根据示意图,a为得到电子的一极,发生还原反应,电解水时2H2O

2H2↑+O2↑,得到电子的一极产生氢气,B项正确;b为电子流出的一极,发生氧化反应,2H2O-4e-

O2↑+4H+,产生H+,pH减小,C项错误;在b附近,氧气、二氧化硫,以及水生成硫酸,1molSO2生成H2SO4,转移2mol电子,根据得失电子守恒,2H2O+2e-

H2↑+2OH-,将产生1mol氢气,D项正确。

2.我国最近在太阳能光电催化——化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展,相关装置如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A.该制氢工艺中光能最终转化为化学能

B.该装置工作时,H+由b极区流向a极区

C.a极上发生的电极反应为Fe3++e-

Fe2+

D.a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液

【解析】选D。

A项,该制氢工艺中光能转化为化学能,最终转化为电能,A错误;B项,该装置工作时,根据离子移动“正正负负”原则,H+由a极区流向b极区,在b极区放电生成氢气,B错误;C项,a极是负极,发生氧化反应,其电极反应为Fe2+-e-

Fe3+,选项C错误;D项,该过程涉及两个反应步骤,第一步利用Fe3+/Fe2+电对的氧化态高效捕获H2S得到硫和还原态,所以a极区需不断补充含Fe3+和Fe2+的溶液,D项正确。

【加固训练】

　　锌-空气燃料电池可作电动车的动力电源,电解质溶液为KOH溶液,反应为2Zn+O2+2H2O+4OH-

2Zn（OH

。

下列说法正确的是（　　）

A.放电时,电解质溶液中K+移向负极

B.放电时,电解质溶液的pH不变

C.充电时,阴极的反应为Zn（OH

+2e-

Zn+4OH-

D.充电时,当有4.48L氧气（标准状况下）释放出来时,则析出固体Zn为13g

【解析】选C。

放电时,为原电池,溶液中阳离子向正极移动,即K+向正极移动,故A错误;放电时,消耗氢氧根离子,碱性减弱,pH减小,故B错误;充电时,阴极上发生得电子的还原反应,则阴极反应为Zn（OH

+2e-

Zn+4OH-,故C正确;产生

1mol氧气,转移电子为4mol,充电时,当有4.48L氧气（标准状况下）释放出来

时,转移电子的物质的量为

×4=0.8mol,根据Zn～2e-,则析出固体

Zn:

×65g·mol-1=26g,故D错误。

3.（2020·开封模拟）某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池（另一极为金属锂和石墨的复合材料）,通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电,成功地实现了对磁性的可逆调控（如图）。

下列说法错误的是（　　）

A.放电时,负极的电极反应式为Li-e-

Li+

B.放电时,电子通过电解质从Li流向Fe2O3

C.充电时,Fe作阳极,电池逐渐摆脱磁铁吸引

D.充电时,阳极的电极反应式为2Fe+3Li2O-6e-

Fe2O3+6Li+

【解析】选B。

该电池在充、放电时的反应为6Li+Fe2O3

3Li2O+2Fe;放电时,Li为负极,失去电子,发生氧化反应,电极反应式是Li-e-

Li+,选项A正确;放电时,电子通过外电路从负极Li流向正极Fe2O3,不能经过电解质,选项B错误;充电时,Fe作阳极,失去电子,发生氧化反应,被氧化为Fe2O3,Fe2O3不能被磁铁吸引,故电池逐渐摆脱磁铁吸引,选项C正确;充电时,阳极失去电子,发生氧化反应,该电极反应式为2Fe-6e-+3Li2O

Fe2O3+6Li+,选项D正确。

二、非选择题（本题包括2小题,共32分）

4.（12分）（2020·石家庄模拟）金属铬和氢气在工业上都有重要的用途。

已知:

铬能与稀硫酸反应,生成氢气和硫酸亚铬（CrSO4）。

（1）铜、铬构成的原电池如图甲,其中盛稀硫酸的烧杯中的现象为　　　　　　　　　　　　　。

盐桥中装的是饱和KCl琼脂溶液,下列关于此电池的说法正确的是　　　　（填选项字母）。

A.盐桥的作用是使整个装置构成通路、保持溶液呈电中性,凡是有盐桥的原电池,盐桥中均可以用饱和KCl琼脂溶液

B.理论上1molCr溶解,盐桥中将有2molCl-进入左池,2molK+进入右池

C.此过程中H+得电子,发生氧化反应

D.电子从铬极通过导线到铜极,又通过盐桥转移到左烧杯中

（2）如果构成图乙电池,发现铜电极上不再有图甲的现象,铬电池上产生大量气泡,遇空气呈红棕色。

写出正极的电极反应式:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

（3）某同学把已去掉氧化膜的铬片直接投入氯化铜溶液时,观察到了预料之外的现象:

①铬片表面上的铜没有紧密吸附在铬片的表面而是呈蓬松的海绵状;②反应一段时间后有大量气泡逸出,且在一段时间内气泡越来越多,经点燃能发出爆鸣声,证明是氢气。

请解释这两种现象的原因:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

【解析】

（1）由于铬能与稀硫酸反应,生成氢气和硫酸亚铬（CrSO4）,说明铬电极是负极,铜电极是正极,氢离子在正极放电,所以盛稀硫酸的烧杯中的现象为铜电极上有气泡产生。

A项,盐桥的作用是使整个装置构成通路、保持溶液呈电中性,若电解质溶液中有与KCl发生反应的离子,如当电解质溶液是AgNO3溶液时,盐桥中的电解质溶液就不能用KCl琼脂溶液,错误;B项,理论上1molCr溶解,Cr-2e-

Cr2+,转移2mol电子,同时正极消耗2molH+,2H++2e-

H2↑,根据溶液呈电中性可知,盐桥中将有2molCl-进入左池,2molK+进入右池,正确;C项,此过程中H+得电子,发生还原反应,错误;D项,电子不能在溶液中传递,溶液导电是通过离子的定向移动形成电流的,错误。

（2）稀硝酸作电解液时,铬电极上产生大量气泡,遇空气呈红棕色,说明溶液中的硝酸根离子得到电子,产生NO,NO被氧化生成NO2,因此铜是负极,铬是正极,则正极的电极反应式为4H++N

+3e-

NO↑+2H2O。

（3）Cr比铜活泼,既能与铜盐发生置换反应生成Cu,又能与酸反应生成氢气,由于Cu2+水解使溶液呈酸性,铬与酸性溶液反应生成氢气,气泡使生成的铜疏松;生成的铜和铬形成原电池,因此使产生氢气的速率加快。

答案:

（1）铜电极上有气泡产生　B

（2）4H++N

+3e-

NO↑+2H2O

（3）Cu2+水解使溶液呈酸性,铬既能与Cu2+发生置换反应生成Cu,又能与酸性溶液反应生成氢气,气泡使生成的铜疏松;生成的铜和铬形成原电池,使产生氢气的速率加快

5.（20分）

（1）（2020·哈尔滨模拟节选）利用反应6NO2+8NH3

7N2+12H2O构成电池的方法,既能实现有效消除氮氧化物的排放,减轻环境污染,又能充分利用化学能,装置如图所示。

①电极A的电极反应式为　　　　　　　　。

②下列关于该电池的说法正确的是　　　　。

A.电子从右侧电极经过负载后流向左侧电极

B.为使电池持续放电,离子交换膜需选用阴离子交换膜

C.电池工作一段时间,溶液的pH不变

D.当有4.48LNO2被处理时,转移电子物质的量为0.8mol

（2）（2020·揭阳模拟节选）以甲烷为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池,目前得到广泛研究。

如图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池工作原理示意图。

回答下列问题:

①B极上的电极反应式为　　　　　　　　。

②若用该燃料电池作电源,用石墨作电极电解硫酸铜溶液,当阳极收集到5.6L（标准状况）气体时,消耗甲烷的体积为　　　　L（标准状况下）。

【解析】

（1）①根据电池反应的化学方程式可知氨气中氮元素的化合价升高,被氧化,所以通入氨气的一极为负极,发生的反应是氨气失去电子生成氮气,因为电解质溶液为KOH溶液,所以氨气失去电子与氢氧根离子结合为水,电极反应式是2NH3-6e-+6OH-

N2+6H2O。

②A项,电子从负极（左侧）流出经过负载后流向正极（右侧）,故A错误;B项,溶液中的OH-从右侧移动到左侧,参与负极的电极反应,为使电池持续放电,则必须用阴离子交换膜,同时防止二氧化氮与碱反应,生成硝酸盐与亚硝酸盐,导致原电池不能正常工作,故B正确;C项,负极区消耗OH-,生成水,溶液pH减小,正极区消耗水,生成OH-,溶液pH增大,故C项错误;D项,没说明4.48LNO2是否为标准状况下测得的数据,无法利用标准状况下气体摩尔体积计算,故D错误。

综上,选B。

（2）①由阴离子移动方向可知B为负极,负极发生氧化反应,甲烷被氧化生成二氧化碳和水,电极方程式为CH4+4O2--8e-

CO2+2H2O。

②若用该燃料电池作电源,用石墨作电极电解硫酸铜溶液,当阳极收集到5.6L（标准状况）氧气时,反应转移1mol电子,由得失电子数目守恒可知消耗甲烷的物质的量为0.125mol,则甲烷的体积为0.125mol×

22.4L·mol-1=2.8L。

答案:

（1）①2NH3-6e-+6OH-

N2+6H2O　②B

（2）①CH4-8e-+4O2-

CO2+2H2O　②2.8