2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第2讲　原电池　化学电源学案

这是一份2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第2讲 原电池 化学电源学案，共26页。学案主要包含了原电池的工作原理及其应用，化学电源等内容，欢迎下载使用。

一、原电池的工作原理及其应用
1.概念和反应本质
原电池是将化学能转化为电能的装置,其反应本质是① 氧化还原反应 。
2.构成条件
3.工作原理
及时提醒 a.盐桥的组成:盐桥中装有KCl等溶液和琼胶制成的胶冻。
b.盐桥的作用:连接内电路,形成闭合回路;平衡电荷,使原电池不断产生电流。
4.原电池原理的应用
(1)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。
(2)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 加快 。例如,在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池的 正极 而得到保护。例如,要保护铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与锌块相连,使锌作原电池的负极。
(4)设计制作化学电源
a.首先将氧化还原反应分成两个半反应。
b.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。
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-2e-+2OH-Zn(OH)2 ;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+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+H2OZn(OH)2+2Ag 。
2.二次电池
(1)二次电池工作原理模型
(2)铅蓄电池总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
a.放电时——原电池
负极反应: Pb(s)+SO42-(aq)-2e-PbSO4(s) ;
正极反应: PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-PbSO4(s)+2H2O(l) 。
b.充电时——电解池
阴极反应: PbSO4(s)+2e-Pb(s)+SO42-(aq) ;
阳极反应: PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq) 。
放电时原电池的负极作充电时电解池的 阴 极。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池
a.总反应: 2H2+O22H2O
b.电极反应
负极
正极
(2)甲烷—氧气燃料电池(负极反应式)
a.CH4-8e-+10OH-CO32-+7H2O(碱性介质);
b.CH4-8e-+2H2OCO2+8H+(酸性介质);
c.CH4-8e-+4CO32-5CO2+2H2O(熔融碳酸盐作介质);
d.CH4-8e-+4O2-CO2+2H2O(熔融的金属氧化物作介质高温下能传导O2-)。
1.易错易混辨析(正确的画“√”,错误的画“✕”)。
(1)原电池装置可以把化学能全部转化为电能( )
(2)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( )
(3)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( )
(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)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)在原电池中失去电子的一极是负极,发生的是还原反应( )
(7)将铝片和镁片用导线连接后,插入盛有NaOH溶液,铝作负极( )
(8)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池( )
(9)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能( )
(10)氢氧燃料电池在碱性电解质溶液中负极反应为2H2-4e-4H+( )
答案 (1)✕ (2)✕ (3)√ (4)✕ (5)✕ (6)✕ (7)√ (8)✕ (9)✕ (10)✕
2.如何判断原电池的正、负极?
(1)由组成原电池的电极材料判断。一般活动性较强的金属为 极,活动性较弱的金属或能导电的非金属为 极。
(2)根据电流方向或电子流动方向判断。外电路:电流由 极流向 极;电子由 极流向 极。
(3)根据原电池的电解质溶液中离子的移动方向判断。在原电池的电解质溶液中,阳离子移向 极,阴离子移向 极。
(4)根据原电池两极发生的反应类型判断。原电池的 极失电子发生氧化反应, 极得电子发生还原反应。
(5)根据现象判断。一般情况下,溶解的一极为 极,增重或有气体逸出的一极为 极。
答案 (1)负 正 (2)正 负 负 正 (3)正 负 (4)负 正 (5)负 正
考点一 原电池工作原理及其应用
◆核心整合
构建原电池思维模型
◆典例探究
例 (2020江西抚州周测)下图是某同学设计的原电池装置,下列叙述中正确的是( )
A.电极Ⅰ上发生还原反应,作原电池的负极
B.电极Ⅱ上的电极反应式为Cu2++2e-Cu
C.该原电池的总反应为2Fe3++CuCu2++2Fe2+
D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递电子
答案 C A项,电极Ⅰ上发生还原反应,作原电池的正极,电极反应式为2Fe3++2e-2Fe2+,错误;B项,电极Ⅱ为原电池的负极,发生氧化反应,电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误;C项,该原电池的总反应为2Fe3++CuCu2++2Fe2+,正确;D项,盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是平衡正、负极两池的电荷,盐桥中离子的定向移动形成电流,电子不能通过电解质溶液,错误。
◆题组训练
题组一 原电池的工作原理
1.(2020重庆检测)如图所示,X为单质硅,Y为金属铁,a为NaOH溶液,组装成一个原电池,下列说法正确的是( )
A.X为负极,电极反应式为Si-4e-Si4+
B.X为正极,电极反应式为4H2O+4e-4OH-+2H2↑
C.X为负极,电极反应式为Si+6OH--4e-SiO32-+3H2O
D.Y为负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+
答案 C 先由氧化还原反应确定正极和负极,再根据反应物和产物确定电极反应式。硅、铁、NaOH溶液组成原电池时,硅为负极:Si-4e-+6OH-SiO32-+3H2O;铁为正极:4H2O+4e-4OH-+2H2↑;电池总反应方程式为Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑。
2.在如图所示的8个装置中,属于原电池的是 。
答案 ②④⑥⑦
解析 ①中缺1个电极,且无闭合回路;③不能形成闭合回路;⑤酒精为非电解质;⑧电极相同,且不能形成闭合回路。
题组二 原电池原理的应用
3.课堂学习中,同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、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.原电池可由电极、电解质溶液和导线等组成
C.图中电极a为铝条、电极b为锌片时,导线中会产生电流
D.图中电极a为锌片、电极b为铜片时,电子由铜片通过导线流向锌片
答案 D 原电池是将化学能转化成电能的装置,A项正确;原电池可由电极、电解质溶液和导线等组成,B项正确;题图中电极a为铝条、电极b为锌片时,构成原电池,导线中会产生电流,C项正确;题图中电极a为锌片、电极b为铜片时,锌片作负极,电子由锌片通过导线流向铜片,D项错误。
4.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:
由此可判断这四种金属的金属活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a C.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 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,则金属活动性:b>c;由实验③可知,d极溶解,则d作原电池负极,c作正极,金属活动性: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,金属活动性:d>a。综上所述可知四种金属的金属活动性:d>a>b>c。
考点二 化学电源
◆典例探究
例 (2020福建南平七模)我国成功研制的新型可充电AGDIB电池(铝—石墨双离子电池)采用石墨、铝锂合金作为电极材料,以常规锂盐和碳酸酯溶剂为电解液。电池反应为CxPF6+LiyAlCx+LiPF6+Liy-1Al。放电过程如图所示,下列说法正确的是( )
A.B为负极,放电时铝失电子
B.充电时,与外加电源负极相连一端电极反应式为LiyAl-e-Li++Liy-1Al
C.充电时,A电极反应式为Cx+PF6--e-CxPF6
D.废旧AGDIB电池进行“放电处理”时,若转移1ml电子,石墨电极上可回收7gLi
答案 C 根据装置图可知放电时锂离子定向移动到A极,则A极为正极,B极为负极,放电时锂失电子,故A错误;充电时,与外加电源负极相连一端为阴极,电极反应式为Li++Liy-1Al+e-LiyAl,故B错误;充电时,A电极为阳极,电极反应式为Cx+PF6--e-CxPF6,故C正确;废旧AGDIB电池进行“放电处理”时,若转移1ml电子,消耗1mlLi,即7gLi失电子,铝电极减少7g,但石墨电极上未生成Li,故D错误。
名师点拨
突破二次电池的四个角度
◆题组训练
题组一 一次电池
1.Mg-AgCl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+2H2OMg(OH)2+H2↑
答案 B A项,Mg-AgCl电池中,Mg为负极,失去电子,正确;B项,AgCl为正极,故正极反应式为AgCl+e-Ag+Cl-,错误;C项,电池放电时,阴离子移向负极,正确;D项,镁是活泼金属,能与水发生反应,故电池负极会发生副反应,正确。
2.(2020甘肃兰州月考)Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液,示意图如下。该电池工作时,下列说法正确的是 ( )
A.Mg电极是该电池的正极
B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应
C.石墨电极附近溶液的pH增大
D.溶液中Cl-向正极移动
答案 C 题给电池中,Mg电极为负极,A项错误;石墨电极为正极,H2O2得电子发生还原反应,电极反应式为H2O2+2e-2OH-,电极附近溶液的pH增大,B项错误、C项正确;溶液中Cl-移向Mg电极,即Cl-向负极移动,D项错误。
题组二 二次电池
3.用Li和石墨的复合材料以及纳米Fe2O3材料作电极的锂离子电池,在循环充放电过程中可实现对磁性的可逆调控(如图)。
下列有关说法一定错误的是( )
A.该电池的电解质溶液可以是硫酸溶液
B.放电时,总反应式是6Li+Fe2O33Li2O+2Fe
C.充电时,阳极的电极反应是2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+
D.充放电过程中,电池可在被磁铁不吸引和吸引之间循环调控
答案 A 题给电池中含有Li和Fe2O3,都可以与硫酸反应,故A错误;放电时,Li作为负极,失电子被氧化,阳极Fe2O3得电子被还原,故放电时,总反应式是6Li+Fe2O33Li2O+2Fe,故B正确;充电时,阳极与正极相反,阳极的电极反应是2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+,故C正确;根据题图中的充电过程可以看到电池没有被磁铁吸引,因为充电过程的物质转化是由Fe和Li2O转化为Li和Fe2O3,因此充电时电池不能被磁铁吸引,放电过程的物质转化是由Li和Fe2O3转化为Fe和Li2O,有铁生成,因此放电时电池被磁铁吸引,故D正确。
4.“ZEBRA”绿色电池是新型电动汽车的理想电源,结构如图所示(隔开两极的陶瓷管作钠离子导体):
下列关于该电池的叙述错误的是( )
A.放电时,Na+、Al3+均向负极移动
B.放电时,Na元素被氧化
C.充电时的阳极反应式为Ni+2Cl--2e-NiCl2
D.该电池具有可快充、高比功率、放电持久等优点
答案 A 放电时为原电池,根据原电池的工作原理,阳离子向正极移动,故A错误;根据装置图,金属钠为活泼金属,金属钠作负极,Na失电子,被氧化,故B正确;充电时为电解池,根据装置图,阳极反应式为Ni+2Cl--2e-NiCl2,故C正确;根据题中信息可知,该电池具有可快充、高比功率、放电持久等特点,故D正确。
题组三 新型燃料电池
5.金属(M)—空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.金属M作电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应:O2+4e-+2H2O4OH-
D.电池反应:2M+O2+2H2O2M(OH)2
答案 B 由题给金属(M)—空气电池的工作原理示意图可知,金属M作电池负极,负极反应为2M-4e-2M2+,正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,两电极反应相加可得电池反应:2M+O2+2H2O2M(OH)2,电解质显然不是熔融的MO(因体系中有H2O和OH-),故A、C、D正确,B错误。
6.(2020河北秦皇岛摸底考)一种三室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示,图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示,咸水中的主要溶质为NaCl。
下列有关说法正确的是( )
A.a为原电池的负极
B.b电极附近溶液的pH减小
C.a电极反应式为C6H10O5+24e-+7H2O6CO2↑+24H+
D.中间室:Na+移向左室,Cl-移向右室
答案 A 由题图知,a电极上有机物C6H10O5失去电子转化为CO2等,故a电极为负极,A正确;b电极上NO3-得到电子转化为N2,故b电极是正极,电极反应式为2NO3-+10e-+12H+N2↑+6H2O,反应中消耗H+,溶液pH增大,B错误;a电极上是有机物失去电子转化为CO2等物质,C错误;阳离子移向正极,阴离子移向负极,D错误。
1.(2020课标Ⅰ,12,6分)科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下,电极为金属锌和选择性催化材料。放电时,温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等,为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A.放电时,负极反应为Zn-2e-+4OH-Zn(OH)42-
B.放电时,1mlCO2转化为HCOOH,转移的电子数为2ml
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH)42-2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
答案 D A项,放电时Zn极为负极,负极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH)42-,正确;B项,放电时,正极反应为CO2+2e-+2H+HCOOH,每转化1mlCO2,转移2ml电子,正确;C项,充电时,阳极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极反应式为2Zn(OH)42-+4e-2Zn+8OH-,将两极电极反应式相加得总反应,正确;D项,充电时,正极溶液中OH-浓度降低,错误。
2.(2020课标Ⅲ,12,6分)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-VO43-+2B(OH)4-+4H2O
该电池工作时,下列说法错误的是( )
A.负载通过0.04ml电子时,有0.224L(标准状况)O2参与反应
B.正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C.电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-
D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
答案 B 正极发生的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,因此当负载通过0.04ml电子时,消耗O20.01ml,即标准状况下0.224L,A项正确;正极O2发生反应产生OH-,c(OH-)增大,正极区溶液pH升高,负极VB2发生反应消耗OH-,c(OH-)减小,负极区溶液pH降低,B项错误;正极反应×11即11O2+22H2O+44e-44OH-,负极反应×4即4VB2+64OH--44e-4VO43-+8B(OH)4-+16H2O,相加可得电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH)4-+4VO43-,C项正确;外电路中,电流由电池正极(复合碳电极)经负载流到负极(VB2电极),电池内部,电流由电池负极经电解质溶液(KOH溶液)流回正极,D项正确。
3.(2020山东,10,2分)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是( )
A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+
B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜
C.当电路中转移1ml电子时,模拟海水理论上除盐58.5g
D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
答案 B A项,结合题给微生物脱盐电池装置可知,a极的电极反应式为CH3COO-+2H2O-8e-2CO2↑+7H+,故a极为负极,b极为正极,正确。B项,a极区有H+产生,阳离子增多,为保证溶液呈电中性,Cl-需定向迁移到a极区,隔膜1为阴离子交换膜;同理,b极的电极反应式为2H++2e-H2↑,需Na+定向迁移到b极区,隔膜2为阳离子交换膜,错误。C项,当电路中转移1ml电子时,有1mlNa+和1mlCl-发生定向迁移,故理论上除盐58.5g,正确。D项,结合电极反应式,得8e-~2CO2~4H2,故电池工作一段时间后,正、负极产生的气体的物质的量之比为2∶1,正确。
4.(2020天津,11,3分)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na+xSNa2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是( )
A.Na2S4的电子式为
B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx
C.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极
D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池
答案 C A项,Na2S4中有类似Na2O2中O原子间形成的非极性键,正确;B项,由电池的总反应方程式可知,x个S原子得到2个电子,故放电时正极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx(因Na2Sx难溶于熔融硫,故不拆),正确;C项,由电池的总反应方程式可知,放电时,钠失去电子是负极反应物,硫得到电子是正极反应物,故Na和S分别作电池的负极和正极,错误;D项,由题图可知Na-β-Al2O3是隔膜,且电池可以充电,属于二次电池,正确。
5.(2020课标Ⅰ,27,15分)为验证不同化合价铁的氧化还原能力,利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题:
(1)由FeSO4·7H2O固体配制0.10ml·L-1FeSO4溶液,需要的仪器有药匙、玻璃棒、 (从下列图中选择,写出名称)。
(2)电池装置中,盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应,并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据,盐桥中应选择 作为电解质。
(3)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知,盐桥中的阳离子进入 电极溶液中。
(4)电池反应一段时间后,测得铁电极溶液中c(Fe2+)增加了0.02ml·L-1。石墨电极上未见Fe析出。可知,石墨电极溶液中c(Fe2+)= 。
(5)根据(3)、(4)实验结果,可知石墨电极的电极反应式为 ,铁电极的电极反应式为 。因此,验证了Fe2+氧化性小于 、还原性小于 。
(6)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,将铁电极浸泡一段时间,铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是 。
答案 (1)烧杯、量筒、托盘天平 (2)KCl (3)石墨 (4)0.09ml·L-1 (5)Fe3++e-Fe2+ Fe-2e-Fe2+ Fe3+ Fe (6)取少量溶液,滴入KSCN溶液,不出现血红色
解析 (1)配制0.10ml·L-1FeSO4溶液,需要用托盘天平称取FeSO4·7H2O晶体,在烧杯中加一定量的蒸馏水将其溶解,一般用量筒量取溶解和洗涤所用的蒸馏水;(2)Fe2+和Fe3+都能水解使溶液显酸性,NO3-在酸性条件下能氧化Fe或Fe2+,K+和Cl-都不与溶液中的物质发生反应,且电迁移率更为接近,故盐桥中选择KCl作为电解质;(3)电子由铁电极流向石墨电极,即石墨电极得电子,溶液中负电荷增多,为平衡电荷使溶液保持电中性,盐桥中的阳离子应进入石墨电极溶液中;(4)两电极转移电子数相等,负极铁被氧化,正极Fe3+被还原,故正极(石墨电极)的电极反应式为Fe3++e-Fe2+,负极(铁电极)的电极反应式为Fe-2e-Fe2+,故石墨电极溶液中c(Fe2+)增加0.04ml·L-1,变为0.04ml·L-1+0.05ml·L-1=0.09ml·L-1;(5)总反应式为2Fe3++Fe3Fe2+,故氧化性:Fe2+(氧化产物)