浙江专版版高考化学大一轮复习专题七化学反应与能量变化课时2原电池化学电源学案.docx
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浙江专版版高考化学大一轮复习专题七化学反应与能量变化课时2原电池化学电源学案
课时2 原电池 化学电源
[考纲导航]
知识条目
必考要求
加试要求
选考分布
2015
2016
2017
9月
10月
4月
10月
4月
(1)原电池的概念
a
a
(2)铜锌原电池的原理及电极反应式
b
b
16
17
(3)原电池的构成条件
a
b
17
(4)常见化学电源
b
c
17
17
(5)原电池的构造与工作原理,盐桥的作用
b
17
(6)判断与设计简单的原电池
c
(7)原电池的电极反应式及电池反应方程式
b
17
(8)原电池的正、负极和电子流向的判断
c
(9)银锌电池、铅蓄电池、燃料电池的工作原理与应用价值
b
17
考点一 原电池的工作原理
[主干精讲]
1.概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置,其反应本质是氧化还原反应。
2.工作原理
以铜锌原电池为例
(1)反应原理
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极
(2)两个装置的比较
装置Ⅰ中还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,易造成能量损耗;装置Ⅱ盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区,能避免能量损耗。
3.原电池的构成条件
(1)一看反应:
看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极:
一般是活泼性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:
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。
4.原电池中的三个方向
(1)电子方向:
电子从电源负极流出经外电路流入电源正极。
(2)电流方向:
电流从电源正极流出经外电路流入电源负极。
(3)离子的迁移方向:
电解质溶液中,阴离子向负极区迁移,阳离子向正极区迁移。
[典例剖析]
【例】 (2015·10月浙江选考)如图所示进行实验,下列说法不正确的是( )
A.装置甲的锌片上和装置乙的铜片上均可观察到有气泡产生
B.甲、乙装置中的能量变化均为化学能转化为电能
C.装置乙中的锌、铜之间用导线连接电流计,可观察到电流计指针发生偏转
D.装置乙中负极的电极反应式:
Zn-2e-===Zn2+
解析 A项,装置甲的锌片与稀硫酸反应生成氢气,装置乙的锌、铜和稀硫酸构成原电池,在铜片产生气泡,正确;B项,甲装置把化学能转化为热能,乙装置把化学能转化为电能,不正确;C项,装置乙形成原电池,正确;D项,装置乙形成原电池,锌为负极,电极反应式Zn-2e-===Zn2+,正确。
答案 B
[考点精练]
1.(2016·温州市3月选考模拟)将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,下列叙述正确的是( )
A.装置甲中铜片表面产生气泡
B.装置乙溶液中SO
向铜片做定向移动
C.装置乙中电子从铜片经导线流向锌片
D.装置乙中正极的电极反应式:
2H++2e-===H2↑
解析 A项,甲没有形成原电池,铜为金属活动性顺序表H元素之后的金属,不能与稀硫酸反应,甲烧杯中铜片表面没有气泡产生,故A错误;B项,原电池工作时阴离子向负极移动,故B错误;C项,锌为负极,电子从锌经导线流向铜,故C错误;D项,铜片为正极,正极上氢离子得到电子被还原生成氢气,故D正确。
答案 D
2.(2016·浙江金华、温州、台州部分学校高一下3月联考)对原电池的电极名称,下列叙述中错误的是( )
A.电子流入的一极为正极
B.较不活泼的一极一般为正极
C.电子流出的一极为负极
D.发生氧化反应的一极为正极
解析 A项,电子流入的一极为正极,A正确;B项,较不活泼的一极一般为正极,B正确;C项,电子流出的一极为负极,C正确;D项,发生氧化反应的一极为负极,D错误。
答案 D
3.(2015·浙江省桐乡一中联盟学校高一下期末)某学生用锌片、铜片、发光二极管、滤纸、导线等在玻璃片制成如图所示的原电池,当滤纸用醋酸溶液润湿时,二极管发光。
下列有关该电池的说法正确的是( )
A.铜片上的电极反应:
Cu2++2e-===Cu
B.外电路中电子由铜片经导线流向锌片
C.电池工作时电能直接转化为化学能
D.该电池工作时,若有13克锌被溶解,则铜片上产生标况下4.48LH2
解析 A项,在该装置图中,Zn、Cu及电解质溶液构成原电池。
由于金属活动性:
Zn>Cu,所以Zn为负极,失去电子,Cu为正极,在正极上溶液中的H+得到电子,变为H2,错误;B项,外电路中电子由负极Zn片经导线流向Cu片,错误;C项,电池工作时,将化学能转化为电能,错误;D项,该电池工作时,若有13克锌被溶解,n(Zn)=m÷M=13g÷65g/mol=0.2mol,则由于在整个闭合回路中电子转移数目相等,所以铜片上产生标况下V(H2)=nVm=0.2mol×22.4L/mol=4.48L,正确。
答案 D
【归纳总结】
原电池正、负极判断的七种方法
(1)由组成原电池的两极材料判断。
一般相对较活泼的金属为负极,相对不活泼的金属或能导电的非金属为正极。
(但也有一些并不与活泼性一致,如Mg、Al在酸性介质中,Mg作负极,而在碱性介质中,Al作负极)
(2)根据电流方向或电子流动方向判断。
在外电路,电流由正极流向负极;电子由负极流向正极。
(3)根据原电池里电解质溶液中离子的定向移动方向判断。
在原电池的电解质溶液内,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
(4)根据原电池两极发生的变化来判断。
原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
(5)X极增重或减轻。
工作后,X极质量增加,说明X极有物质析出,X极为正极;反之,X极质量减少,说明X极金属溶解,X极为负极。
(6)X极有气体产生。
工作后,X极上有气体产生,一般若发生了析出H2的电极反应,说明X极为正极。
(7)根据X极附近pH的变化来判断。
析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而工作后,X极附近pH增大了,说明X极为正极。
考点二 化学电源
[主干精讲]
1.锌银电池(一次电池)
锌银电池负极是Zn,正极是Ag2O,电解质溶液是KOH溶液,其电极反应如下:
负极:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极:
Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-;
电池总反应式:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
2.碱性锌锰电池(一次电池)
碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2,电解质溶液是KOH溶液,其电极反应为:
负极:
Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;
正极:
2MnO2+2e-+2H2O===2MnOOH+2OH-;
电池总反应式:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
3.铅蓄电池(二次电池)
(1)组成:
正极:
PbO2;负极:
Pb;电解质:
H2SO4溶液。
(2)工作原理:
铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应分为放电和充电两个过程。
①放电过程的电极反应、总反应:
负极:
Pb-2e-+SO
===PbSO4;
正极:
PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O;
总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。
②充电过程的电极反应、总反应:
阴极:
PbSO4+2e-===Pb+SO
(还原反应);
阳极:
PbSO4-2e-+2H2O===PbO2+4H++SO
(氧化反应)。
总反应:
2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4。
③铅蓄电池的充、放电过程:
Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。
4.氢氧燃料电池
(1)两个惰性电极(铂碳电极),负极上通H2,正极上通O2,电解质溶液是KOH溶液。
(2)电极反应:
负极:
2H2-4e-+4OH-===2H2O;
正极:
O2+4e-+2H2O===4OH-;
总反应式:
2H2+O2===2H2O。
5.新型燃料电池—甲醇/空气燃料电池
(1)负极是钯碳/甲醇,正极是铂烧结镍/空气,电解质溶液是KOH溶液。
(2)电极反应:
负极:
2CH3OH-12e-+16OH-===2CO
+12H2O;
正极:
3O2+12e-+6H2O===12OH-;
总反应式:
2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O。
[典例剖析]
【例1】 (2017·4月浙江选考)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,其工作示意图如下。
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 根据给出原电池原理反应,从化合价角度分析,Zn化合价升高失去电子为负极,电解质为KOH,电极方程式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,A、C正确;Ag2O化合价降低为正极,被还原,B正确;总反应显示反应过程中消耗水,原溶液显碱性,所以碱性减弱,pH增大。
答案 D
【例2】 (2016·浙江4月学考)Mg-H2O2电池是一种化学电源,以Mg和石墨为电极,海水为电解质溶液,示意图如下。
下列说法不正确的是( )
A.石墨电极是该电池的正极
B.石墨电极上发生还原反应
C.Mg电极的电极反应式:
Mg-2e-===Mg2+
D.电池工作时,电子从Mg电极经导线流向石墨电极,再由石墨电极经电解质溶液流向Mg电极
解析 根据Mg-H2O2电池示意图得出,镁为负极,石墨为正极。
A项,石墨电极是该电池的正极,A项正确;B项,石墨为正极,电极上发生还原反应,B项正确;C项,Mg电极为负极,电极反应式:
Mg-2e-===Mg2+,C项正确;D项,电子不能通过电解质溶液,溶液中为离子导电,D项不正确。
答案 D
[考点精练]
1.[2017·义乌市群星外国语高三(上)期中]爱迪生电池在充电和放电时发生的反应:
Fe+NiO2+2H2O
Fe(OH)2+Ni(OH)2,下列该蓄电池推断不正确的是( )
A.放电时,Fe参与负极反应,NiO2参与正极反应
B.充电时,阴极上的电极反应式为:
Fe(OH)2+2e-===Fe+2OH-
C.该蓄电池的电极必须浸入某种碱性电解质溶液中
D.放电时,电解质溶液中的阴离子向正极方向移动
解析 A.放电是原电池,由电池总反应式可知放电时Fe元素的化合价升高,被氧化,应为原电池的负极,NiO2参与正极反应,故A正确;B.充电是电解池,由方程式可知此电池为碱性电池,反应方程式中不能出现H+,所以充电时阴极和阳极的电极反应式就分别为:
Fe(OH)2+2e-===Fe+2OH-、Ni(OH)2+2OH--2e-===NiO2+2H2O,故B正确;C.由方程式可知此电池为碱性电池,反应方程式中不能出现H+,只能浸在碱性电解质溶液中,故C正确;D.放电时是原电池,负极:
Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2,正极:
NiO2+2e-+2H2O===Ni(OH)2+2OH-。
电解质溶液中的阴离子向负极方向移动,故D错误。
答案 D
2.以甲烷燃料电池为例来分析不同的环境下电极反应式的书写。
(1)酸性介质(如H2SO4)
负极:
___________________________________________________________;
正极:
___________________________________________________________;
总反应式:
_______________________________________________________。
(2)碱性介质(如KOH)
负极:
_________________________________________________________;
正极:
__________________________________________________________;
总反应式:
______________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
负极:
_________________________________________________________;
正极:
_________________________________________________________;
总反应式:
_____________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3环境下)
负极:
_________________________________________________________;
正极:
_________________________________________________________;
总反应式:
_____________________________________________________。
答案
(1)CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
2O2+8e-+8H+===4H2O
CH4+2O2===CO2+2H2O
(2)CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O
2O2+8e-+4H2O===8OH-
CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O
(3)CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O
2O2+8e-===4O2-
CH4+2O2===CO2+2H2O
(4)CH4-8e-+4CO
===5CO2+2H2O
2O2+8e-+4CO2===4CO
CH4+2O2===CO2+2H2O
【方法技巧】
电极反应式书写方法和步骤
1.利用共存原则,确定电极产物
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。
碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应;当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应。
2.利用化合价变化确定得失电子数
依据负极(或正极)反应物和产物化合价的变化,计算出负极反应失电子数和正极反应得电子数。
3.利用电解质中的微粒调整电极反应两侧电荷相等,用电解质中的阳离子或阴离子调整电荷守恒的关键有三点。
第一:
选准离子、酸性溶液选H+、碱性溶液选OH-、熔融氧化物选O2-、熔融碳酸盐选CO
、锂电池选Li+。
第二:
确定离子在电极反应式中的位置。
第三:
确定离子的数目。
4.利用守恒配平其它物质系数。
课后限时训练
(时间:
45分钟)
一、选择题
1.(2016·桐乡一中高一下期中)干电池原理示意图如下,电池总反应为:
Zn+2NH
===Zn2++2NH3↑+H2↑,下列说法正确的是( )
A.碳为电池的正极
B.Zn极上发生还原反应
C.Zn2+移向该电池的负极
D.反应2NH
+2e-===2NH3↑+H2↑在负极上发生
解析 根据题意可知,C为正极,A项正确;Zn为负极,发生氧化反应,B项错误;溶液中Zn2+向电池的正极移动,C项错误;正极(C)上发生的反应为2NH
+2e-===2NH3↑+H2↑,D项错。
答案 A
2.(2017·杭州长河高中高三月考)如图所示装置中,观察到电流计指针偏转;M棒变粗;N棒变细,由此判断表中所列M、N、P物质,其中与实验现象相符的是( )
M
N
P
A
Zn
Cu
NaOH溶液
B
Cu
Fe
稀盐酸
C
Ag
Zn
AgNO3溶液
D
Al
Fe
CuSO4溶液
解析 A.锌是负极溶解变细,故A错误;B.铁是负极失电子溶解变细,M电极生成氢气不会变粗,故B错误;C.锌是负极溶解N电极变细,银是正极溶液中银离子得到电子析出银M变粗,故C正确;D.铝是负极失电子发生氧化反应变细,铁是正极溶液中铜离子析出铜N极变粗,故D错误。
答案 C
3.[2017·嘉兴当湖中学高二(上)期中]如图所示,铜片和锌片用导线连接后插入番茄里,锌片是( )
A.阳极B.正极
C.阴极D.负极
解析 铜片和锌片用导线连接后插入番茄里,构成了原电池,活泼金属作负极,金属Zn的活泼性大于Cu,所以锌片为负极,
答案 D
4.2017·宁波选考适应性考试)锌空气电池(原理如图)适宜用作城市电动车的动力电源。
该电池放电时Zn转化为ZnO。
该电池工作时,下列说法正确的是( )
A.Zn电极是该电池的正极
B.Zn电极的电极反应:
Zn+H2O-2e-===ZnO+2H+
C.OH-向石墨电极移动
D.氧气在石墨电极上发生还原反应
解析 A项:
放电时Zn转化为ZnO,发生氧化反应,故Zn电极为该电池的负极,错误;B项:
根据图片可知,电解液为碱性,故Zn电极的电极反应式为:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O,错误;C项:
放电时,阴离子移向负极,即OH-向Zn电极移动,错误;D项:
电池工作时,正极发生还原反应,正确。
答案 D
5.[2017·绍兴市嵊州高中高二(上)期末]某种氢氧燃料电池的电解质溶液为KOH溶液。
下列有关该电池的叙述不正确的是( )
A.正极反应式为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
B.工作一段时间后,电解质溶液中KOH的物质的量不变
C.该燃料电池的总反应式为:
2H2+O2===2H2O
D.该电池工作时每消耗1molO2,有2mol电子转移
解析 A.正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,故A正确;B.负极电极反应式为H2+2OH--2e-===2H2O,正极电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,KOH不参加反应,所以氢氧化钾的物质的量不变,故B正确;C.电池反应式与氢气燃烧方程式相同,为2H2+O2===2H2O,故C正确;D.正极电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,所以该电池工作时每消耗1molO2,有4mol电子转移,故D错误。
答案 D
6.(2016·金华武义市高二期中)电池是人类生产和生活中的重要的能量来源,各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。
下列有关电池的叙述正确的是( )
A.构成电池的两极必须是活泼性不同的金属
B.锌锰干电池工作时,电池内部的电流方向由碳棒流向锌筒
C.甲醇燃料电池工作时,甲醇在负极发生氧化反应
D.银锌钮扣电池工作时,电子由锌极流出经过溶液后流向银极
解析 A.构成原电池的两个电极可能都是金属,也可能是金属和导电的非金属,故A错误;B.锌锰干电池中,锌是负极,石墨棒是正极,电流方向是由正极石墨棒流向负极锌筒,故B错误;C.负极发生气氧化反应,所以甲醇在负极发生氧化反应,故C正确;D.电子沿导线流动,而不在溶液中流动,所以电子由锌极流出经过导线后流向银极,故D错误。
答案 C
7.(2016·湖州市高二期中)银锌电池广泛用做各种电子仪器的电源,它的电池反应是:
Zn+Ag2O+H2O===2Ag+Zn(OH)2,则负极上发生反应的物质是( )
A.AgB.Zn(OH)2
C.Ag2OD.Zn
解析 银锌电池其放电过程可表示为Ag2O+Zn+H2O===Zn(OH)2+2Ag,锌失电子发生氧化反应,做原电池负极。
答案 D
8.(2016·温州十校高二联考)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电池。
一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质为无水LiCl—KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。
该电池的总反应方程式为:
PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb。
下列有关说法正确的是( )
A.正极反应式:
Ca+2Cl--2e-===CaCl2
B.放电过程中,Li+向钙电极移动
C.外电路中,电子由硫酸铅电极经导线流向钙电极
D.常温时,在正负极间接上电流表或检流计,指针不偏转
解析 该电池的负极为钙电极,正极为硫酸铅正极,电解质为无水LiCl—KCl混合物,电池工作时,负极Ca+2Cl--2e-===CaCl2,外电路中,电子由钙电极经导线流向硫酸铅电极,电解质中的Li+向正极(硫酸铅电极)移动,常温下LiCl—KCl混合物未熔融,电池不工作。
答案 D
9.(2016·嘉兴市高二期末)普通锌锰干电池的简图(如图所示),它是用锌皮制成的锌筒作电极兼做容器,中央插一根碳棒,碳棒顶端加一铜帽。
在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物,并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜,隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液;该电池工作时的总反应为:
Zn+2NH
+2MnO2===[Zn(NH3)2]2++Mn2O3+H2O,关于锌锰干电池的下列说法中正确的是( )
A.当该电池电压逐渐下降后,利用电解原理能重新充电复原
B.电池负极的电极反应式为:
2MnO2+2NH
+2e-===Mn2O3+2NH3+H2O
C.该电池碳棒可用铜棒代替,但是工作电压会下降
D.外电路中每通过0.1mol电子,锌的质量理论上减小6.5g
解析 A.普通锌锰干电池是一次电池,不能充电,故错误;B.根据原电池工作原理,负极应失电子,Zn+2NH
-2e-===[Zn(NH3)2]2++2H+,故错误;C.两极金属性差别越大,电压越大,铜是金属,碳是非金属,因此碳棒换成铜棒,电压会降低,故正确;D.根据选项B的电极反应式,每通过0.1mol电子消耗锌的质量是65×0.1/2g=3.25g,故错误。
答案 C
10.(2016·浙江省金华一中高二下期中)美国G-TEC燃料电池以利用民用燃气为原料气,其结构如下图,有关该电池的说法不正确的是( )
A.电池工作时,电流由负荷的a流向b
B.电池工作一段时间后,电解质物质的量理论上保持不变
C.通入空气的一极的电极反应式是:
O2+2H2O+4e-===4OH-
D.外电路中每通过0.2mol电子,所消耗的燃料体积不小于2.24L(标况下)
解析 外电路中电流由电池的正极流向负极,A项正确;电解质仅为传导作用,没有变化,B项正确;通入空气的一极是O2得到电子生成O2-,电极反应式为O2+4e-===2O2-,C项错误;因2H2+O2===2H2O,2CO+O2===2CO,故外电路中每通过0.2mol电子时,需消耗的氢气或一氧化碳均为2.24L,D项正确。
答案 C
11.(2015·浙江绍兴柯桥中学月考)如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是( )
解析 构成原电池的条件:
(1)具有活泼性不同的两个电极,且形成闭合回路,
(2)插入到电解质溶液中,(3)构成闭合回路。
答案 B
二、非选择题
12.(2016·江西省丰城九中期末)原电池是化学对人类的一项重大贡献。
(1