专题四 第2讲.docx
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专题四第2讲
第2讲 原电池 化学电源
【2019·备考】
最新考纲:
1.理解原电池和电解池的工作原理,能写出简单电极反应式和电池反应方程式。
2.了解常见的化学电源,认识化学能与电能相互转化的重要应用。
最新考情:
原电池、化学电源的考查,一是在选择题中单独设题,考查新型电池的分析,涉及正负极判断、离子电子流向、两极反应,如2019年碳酸盐燃料电池,2019年Mg-H2O2电池等;二是在填空题中考查,主要涉及电极方程式的书写,如2019年T20
(1)、2019年T20(3)Al-Ag2O电池总反应等。
预测2019年高考延续这一命题特点,一是在选择题考查新型电池的分析,二是在填空题中考查电极反应方程式的书写,特别关注新型电池的分析。
考点一 原电池的工作原理
[知识梳理]
1.原电池的概念:
将化学能转化为电能的装置。
2.原电池的构成条件
(1)能自发地发生氧化还原反应。
(2)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。
①负极:
活泼性较强的金属。
②正极:
活泼性较弱的金属或能导电的非金属。
(3)电极均插入电解质溶液中。
(4)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
3.工作原理
示例:
铜锌原电池
电极反应
负极(锌):
Zn-2e-===Zn2+(氧化反应)
正极(铜):
Cu2++2e-===Cu(还原反应)
总反应式:
Zn+Cu2+===Cu+Zn2+
名师助学:
①辨明三个移动方向:
电子从负极流出沿导线流入正极;电流从正极沿导线流向负极;电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。
②在原电池中活泼性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。
如Mg-Al-NaOH溶液组成的原电池,Al作负极。
③盐桥的组成和作用:
盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。
盐桥的作用:
a.连接内电路,形成闭合回路;b.平衡电荷,使原电池不断产生电流。
4.原电池原理的三大应用
(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,设计成原电池时反应速率增大。
例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(2)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
(3)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如:
根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
设计的原电池为:
[题组诊断]
原电池的工作原理
1.基础知识判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极(√)
(2)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强(×)
(3)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应(×)
(4)其他条件均相同,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长(√)
(5)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生(×)
(6)CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能(×)
(7)在内电路中,电子由正极流向负极(×)
(8)某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液(×)
2.如图所示,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Fe和碳棒,则X为碳棒,Y为Fe
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 外电路的电子流向为X→外电路→Y,电流方向与其相反,A项错误;若两电极分别为Fe和碳棒,则Y为碳棒,X为Fe,B项错误;X极失电子,作负极,Y极上发生的是还原反应,X极上发生的是氧化反应,C项错误;电解质溶液为稀硫酸,两金属作电极,谁活泼谁作负极,D项正确。
答案 D
3.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
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 ②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子作负极;③中Fe在浓HNO3中钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子作负极,则Fe作正极,A、C错误;②中电池总反应为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-===2AlO
+4H2O,二者相减得到正极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B正确;④中Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错误。
答案 B
【归纳总结】
1.原电池正、负极判断方法
2.原电池正、负极判断的注意点
(1)原电池正、负极的判断基础是自发进行的氧化还原反应,如果给出一个化学反应方程式判断正、负极,可以直接根据化合价的升降来判断,发生氧化反应的一极为负极,发生还原反应的一极为正极。
(2)判断电极时,不能简单地依据金属的活泼性来判断,要看反应的具体情况,如题3图②③。
原电池工作原理的应用
4.①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池,①②相连时,外电路电流从②流向①;①③相连时,③为正极;②④相连时,②上有气泡逸出;③④相连时,③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是( )
A.①③②④B.①③④②
C.③④②①D.③①②④
解析 ①②相连,电流从②流出,金属活动性:
①>②;①③相连,③为正极,金属活动性:
①>③;②④相连,②上有气泡逸出,则②上为H+放电,②为正极,金属活动性:
④>②;③④相连,③的质量减少,则③为负极,金属活动性:
③>④。
故金属活动性:
①>③>④>②,B项正确。
答案 B
5.把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)。
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是。
(3)将
(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图像是。
解析 加入CuSO4溶液,Zn置换出Cu,形成原电池,加快反应速率。
(1)a中Zn减少,H2体积减小;
(2)中由于H2SO4定量,产生H2的体积一样多;(3)当把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液时,由于CH3COO-+H+
CH3COOH,a中c(H+)减少,反应速率减小,但产生H2的体积不变,所以C项正确。
答案
(1)A
(2)B (3)C
6.依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是;电解质溶液Y是;
(2)银电极为电池的极,发生的电极反;
X电极上发生的电极反应为;
(3)外电路中的电子是从电极流向电极。
解析 原电池中负极发生氧化反应,正极发生还原反应,盐桥起到平衡电荷的作用。
由总反应方程式可知电极X的材料是铜,发生氧化反应,电解质溶液Y是可溶性银盐,常用硝酸银。
电极反应式表示为,负极:
Cu-2e-===Cu2+,正极Ag++e-===Ag,电子由负极流出,经外电路流向正极。
答案
(1)铜(或Cu) AgNO3溶液
(2)正 2Ag++2e-===2Ag Cu-2e-===Cu2+ (3)负(Cu) 正(Ag)
考点二 化学电源
[知识梳理]
1.一次电池
碱性锌锰干电池
负极材料:
Zn
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极材料:
碳棒
电极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2
锌银电池
负极材料:
Zn
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极材料:
Ag2O
电极反应:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-
总反应:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag
2.二次电池
铅蓄电池是最常见的二次电池,总反应为
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
3.燃料电池
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池:
总反应式:
2H2+O2===2H2O
(1)酸性介质
负极:
2H2-4e-===4H+
正极:
O2+4H++4e-===2H2O
(2)碱性介质
负极:
2H2+4OH--4e-===4H2O
正极:
O2+2H2O+4e-===4OH-
(3)熔融的金属氧化物作介质
负极:
2H2-4e-+2O2-===2H2O
正极:
O2+4e-===2O2-
(4)碳酸盐作介质
负极:
2H2-4e-+2CO
===2H2O+2CO2
正极:
O2+4e-+2CO2===2CO
提醒:
①原电池反应中,两极材料本身不一定发生反应。
②燃料电池燃料一般在负极发生氧化反应,O2在正极发生还原反应。
③书写燃料电池的电极反应式时,一定要注意介质的影响(溶液的酸碱性、传导离子)。
传导离子一般在一极生成,另一极消耗。
[题组诊断]
“常考不衰”的燃料电池
1.如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.电子由O2所在的铂电极流出
B.O2所在的铂电极处发生还原反应
C.该电池的负极反应式为:
CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2↑+12H+
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 燃料电池,燃料在负极反应,氧气在正极反应。
氧气在正极发生还原反应,电流由正极流向负极,A错误、B正确;由图可知负极反应物为CH3CH2OH(碳元素的化合价平均显-2价),生成物为CH3COOH(碳元素的化合价平均显0价),由质子交换膜可知溶液呈酸性,负极的电极反应式为:
CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+,C项错误。
答案 AC
2.(2019·南京学情调研)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液,反应为:
2Zn+O2+4OH-+2H2O===2Zn(OH)
,下列说法正确的是( )
A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动
B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小
C.放电时,负极的电极反应式为Zn+4OH--2e-===Zn(OH)
D.放电时,电路中通过2mol电子,消耗氧气22.4L(标准状况)
解析 放电时,Zn为负极,发生反应:
Zn+4OH--2e-===2Zn(OH)
,O2在正极反应:
O2+4e-+2H2O===4OH-;充电时,阴极反应:
Zn(OH)
+2e-===Zn+4OH-,阳极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O。
A项,充电时,OH-移向阳极,错误;B项,充电时,总反应为:
2Zn(OH)
===2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,c(OH-)增大,错误;D项,电路中通过2mol电子时,消耗0.5molO2,错误。
答案 C
3.(2019·江苏化学,10)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。
下列有关该电池的说法正确的是( )
A.反应CH4+H2O
3H2+CO,每消耗1molCH4转移12mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为:
H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO
向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为:
O2+2CO2+4e-===2CO
解析 A项,
H4→
O,则该反应中每消耗1molCH4转移6mol电子,错误;该电池的传导介质为熔融的碳酸盐,所以A电极即负极上H2参与的电极反应为:
H2-2e-+CO
===CO2+H2O,错误;C项,原电池工作时,阴离子移向负极,而B极是正极,错误;D项,B电极即正极上O2参与的电极反应为:
O2+4e-+2CO2===2CO
,正确。
答案 D
【方法技巧】
新型充电电池
4.(2019·南京盐城一模)最近我国科学家发明“可充电钠-二氧化碳电池”(如下图),放电时电池总反应为:
4Na+3CO2===2Na2CO3+C。
下列说法错误的是( )
A.充电时,钠箔与外接电源的负极相连
B.电池工作温度可能在200℃以上
C.放电时,Na+向正极移动
D.放电时,正极的电极反应为:
4Na++3CO2+4e-===2Na2CO3+C
解析 从电池的总反应可知,钠单质为电源的负极,充电时接电源的负极,A项正确;钠的熔点低,高温下会熔化,B项错误;放电时,发生原电池反应,负极:
Na-e-===Na+,正极:
3CO2+4e-+4Na+===2Na2CO3+C,Na+在负极生成,正极消耗,移向正极,C、D正确。
答案 B
5.(2019·通扬泰淮三调)一种钒-多卤化物电池结构示意图如图所示,电池和储液罐均存储有反应物和酸性电解质溶液。
电池中发生的反应为2VCl2+BrCl
2VCl3+Br-。
下列说法正确的是( )
A.VCl2存储在正极储液罐内
B.放电时H+从负极区移至正极区
C.充电时电池的负极与电源的正极相连
D.充电时阳极反应为Br-+2Cl--2e-===BrCl
解析 放电时原电池反应,V由+2价升高到+3价,发生氧化反应:
V2+-e-===V3+,作负极;正极发生还原反应:
BrCl
+2e-===Br-+2Cl-。
VCl2存储在负极储液罐内,A错误;正极区,阴离子数增多,H+移向正极平衡电荷,B项正确;充电时负极接电源的负极,C错误;充电时阳极反应为正极的逆反应,正确。
答案 BD
【归纳总结】
可充电电池原理示意图
1.判断正、负极反应物,正确推断生成物
(1)金属单质参加反应一般作负极参加反应。
(2)还可以从电子流向、反应类型(负氧正还)等判断。
(3)燃料电池燃料在负极反应,O2在正极反应。
推断生成物一是要注意溶液的性质,如碱性条件下,不能生成CO2,应生成CO
;二是注意题给图示或信息,如Zn作负极反应,在不同的条件下产物可能是Zn2+、ZnO、Zn(OH)2等。
2.根据化合价升降配平得失电子数目。
3.根据溶液的性质及电荷守恒补项平衡电荷。
注意利用传导离子(碱性溶液中的OH-、酸性溶液中的H+、熔融金属氧化物中的O2-、熔融碳酸盐中的CO
)平衡电荷,传导离子往往在一极生成,另一极消耗。
选择题中经常考查离子的移动方向,判断的前提依然是正、负两极电极反应式的书写。
例如乙醇—氧气燃料电池在酸性、熔融金属氧化物、熔融碳酸盐作介质下负极反应式,C2H6O-12e-→2CO2,反应物总带12个正电荷,生成物无负电荷,利用传导离子平衡电荷分别有:
C2H6O-12e-→2CO2+12H+、C2H6O-12e-+6CO
→8CO2、C2H6O-12e-+6O2-→2CO2,再根据原子守恒配平。
4.根据原子守恒补H2O等配平,检查三大守恒。
电极方程式的书写
1.按要求完成下列填空
(1)化学家正在研究尿素动力燃料电池,用这种电池直接去除城市废水中的尿素,既能产生净化的水又能发电。
尿素燃料电池结构如图1所示,写出该电池的负极反应式:
。
(2)甲醇燃料电池的工作原理如图2所示,则该电池负极的电极反应式为。
(3)“镁-次氯酸盐”燃料电池的装置如图3所示,该电池的正极反应式为。
(4)图4是直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池示意图。
该电池工作时,正极附近的pH将(填“增大”“减小”或“不变”),负极的电极反应式为。
(5)(2019·无锡一模)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如下图5所示,在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y,则该电极反应式为。
(6)(2019·江苏化学)铁炭混合物在水溶液中可形成许多微电池。
将含有Cr2O
的酸性废水通过铁炭混合物,在微电池正极上Cr2O
转化为Cr3+,其电极反应式为
解析
(1)由图1可知O2在正极反应,则H2NCONH2在负极和H2O反应生成CO2和N2:
H2NCONH2+H2O→N2+CO2,N的化合价从-3升高到0价,由电子守恒有:
H2NCONH2+H2O+6e-→N2+CO2,利用H+平衡电荷:
H2NCONH2+H2O+6e-===N2↑+CO2↑+6H+。
(2)同理CH3OH在负极反应生成CO2。
(3)ClO-在正极发生还原反应生成Cl-。
(4)正极:
H2O2+2e-===2OH-,pH增大。
负极BH
(H显-1价)→BO
。
(5)NO2和O2生成一种氧化物(N2O5)。
电极Ⅱ上O2发生还原反应,电极Ⅰ上NO2发生氧化反应生成N2O5:
NO2-e-→N2O5,利用传导离子NO
平衡电荷:
NO2+NO
-e-===N2O5。
(6)Cr2O
得6e-生成Cr3+,溶液呈酸性,有:
Cr2O
+6e-+14H+===2Cr3++7H2O。
答案
(1)CO(NH2)2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+
(2)CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+
(3)ClO-+2e-+H2O===Cl-+2OH-
(4)增大 BH
-8e-+8OH-===BO
+6H2O
(5)NO2+NO
-e-===N2O5
(6)Cr2O
+6e-+14H+===2Cr3++7H2O
新型电池分析
2.(2019·徐宿连三模)以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制成能固氮的新型燃料电池,原理如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.b电极为负极,发生氧化反应
B.a电极发生的反应为N2+8H++6e-===2NH
C.A溶液中所含溶质为NH4Cl
D.当反应消耗1molN2时,则消耗的H2为67.2L
解析 A项,b极H2发生氧化反应,为负极,正确;B项,a极N2发生还原反应,由于溶液呈酸性,生成NH
,正确;C项,N2和H2生成氨气,由于加入盐酸,生成NH4Cl,所以A为NH4Cl,正确;D项,没有状态,无法计算H2的体积,错误。
答案 D
3.(2019·苏锡常镇一调)“碳呼吸电池”是一种新型能源装置,其工作原理如下图。
下列说法正确的是( )
A.该装置是将电能转变为化学能
B.正极的电极反应为:
C2O
-2e-===2CO2
C.每得到1mol草酸铝,电路中转移3mol电子
D.利用该技术可捕捉大气中的CO2
解析 原电池将化学能转化为电能,A项错误;正极发生得电子的还原反应:
2CO2+4e-===C2O
,B项错误;得到1molAl2(C2O4)3转移6mol电子,C项错误。
答案 D
4.(2019·南京三模)锂空气电池充放电基本原理如图所示,下列说法不正确的是( )
A.充电时,锂离子向阴极移动
B.充电时阴极电极反应式为Li++e-===Li
C.放电时正极电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-
D.负极区的有机电解液可以换成水性电解液
解析 A项,放电时,负极:
Li-e-===Li+,正极:
O2+4e-+2H2O===4OH-。
因此充电时,阴极:
Li++e-===Li,阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,充电时,锂离子向阴极移动,A、B、C正确。
D项,若换成水性电解质,锂能与水反应生成LiOH和H2,错误。
答案 D
【知识网络回顾】
1.(2019·天津理综,4)锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,下列有关叙述正确的是( )
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后,甲池的c(SO
)减小
C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加
D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动,保持溶液中电荷平衡
解析 A项,由锌的活泼性大于铜,可知铜电极为正极,在正极上Cu2+得电子发生还原反应生成Cu,错误;B项,由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,故甲池的c(SO
)不变,错误;C项,在乙池中Cu2++2e-===Cu,同时甲池中的Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池中,则有Cu2+→Zn2+,由于M(Zn2+)>M(Cu2+),故乙池溶液的总质量增加,正确;D项,阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,电解过程中Zn2+通过交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡,阴离子是不能通过交换膜的,错误。
答案 C
2.(2019·苏州期中)NO2是大气的主要污染物之一,某研究小组设计如图所示的装置对NO2进行回收利用,装置中a、b均为多孔石墨电极。
下列说法正确的是( )
A.a为电池的负极,发生还原反应
B.电子流向a电极→用电器→b电极→溶液→a电极
C.一段时间后,b极附近HNO3浓度增大
D.电池总反应为4NO2+O2+2H2O===4HNO3
解析 A项,燃烧电池,O2在正极发生还原反应,NO2在负极发生氧化反应,错误;B项,“电子不入水”,溶液中是离子的定向移动,错误;C项,b极区发生反应:
O2+4H++4e-===2H2O,负极区发生反应:
4NO2-4e-+4H2O===
8H++4NO
,错误。
答案 D
3.(2019·盐城质检)快速充电电池的电解液为LiAlCl4-SOCl2,电池的总反应为4LiCl+S+SO2
4Li+2SOCl2。
下列说法正确的是( )
A.该电池的电解质可为LiCl水溶液
B.该电池放电时,负极发生还原反应
C.充电时阳极反应式为4Cl-+S+SO2-4e-===2SOCl2
D.放电时电子从负极经外电路流向正极,再从正极经电解质溶液流向负极
解析 A项,该电池的电解质溶液不能是LiCl的水溶液,因为Li能和水发生反应,错误;B项,电池放电时,负极发生氧化反应,错误;D项,放电时,电子从负极经外电路流向正极,电解质溶液中移动的是阴、阳离子而不是电子,错误。
答案 C
4.
(1)H2S是一种无色、有毒且有恶臭味的气体。
煤的低温焦化,含硫石油开采、提炼,橡胶、制革、染料、制糖等工业中都有H2S产生。
有人研究设计了一种硫化氢-空气燃料电池,总反应式为2H2S+O2===2S↓+2H2O,简易结构如图1所示。
①硫化氢应通入到电极(填“a”或“b”)。
②b极发生的电极反应为。
(2)(2019·苏北四市一模)天然气是一种重要的清洁能源和化工原料,其主要成分为甲烷。
科学家用氮化镓材料与铜组装如图2的人工光合系统,利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。
①写出铜电极表面的电极反应式。
②为提高该人工光合系统的工作效率,可向装置中加入少量(填“盐酸”或“硫酸”)。
(3)GET公司开发的Li-SO2Cl2军用电池,其示意图如图3所示,已知电池总反应为2Li+SO2Cl2===2LiCl+SO2↑,则电池工作时,正极的电极反应式为。
(4)(2019·泰州一模)利用固体氧化物电解池(SOEC)通过电解方式分解氮氧化物如图4