新教材适用2024版高考化学一轮总复习练案18第六章化学反应与能量第18讲原电池化学电源

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练案[18]　第18讲　原电池　化学电源一、选择题：本题共10小题，每小题只有一个选项符合题目要求。1.(2023·山东济南检测)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( D )A．原电池是将化学能转化成电能的装置B．原电池由电极、离子导体和导线等组成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]　原电池是把化学能转变为电能的装置，故A正确；根据图片可知，原电池由电极、电解质溶液和导线等组成，故B正确；该装置符合原电池的构成条件，所以该装置是原电池，放电时能产生电流，故C正确；该装置是原电池，锌是负极，铜是正极，原电池放电时电子从锌片通过导线流向铜片，故D错误。2．(2022·广东珠海摸底)肼(N2H4)燃料电池是一种理想的电池，产物无污染，其工作原理如图所示，下列叙述正确的是( A )A．当消耗1 mol O2时，负极生成1 mol气体B．电池工作时，负极的pH升高C．正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2OD．X最好用阳离子交换膜[解析]　由题意可知，肼燃料电池的总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，由此可知负极N2H4失电子生成N2，当消耗1 mol O2时转移4 mol电子，根据得失电子守恒，负极生成1 mol N2，故A正确；电池工作时，负极反应式是N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O，负极的pH降低，故B错误；根据题图，正极生成氢氧化钠，正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故C错误；负极消耗OH－，正极生成OH－，溶液维持电中性且正极生成NaOH，Na＋向正极移动，故X最好用阳离子交换膜，故D错误。3．(2022·湖南宁乡调研)二氧化碳(CO2)的捕获和储存对于应对全球气候变化的巨大挑战具有重要意义。最近，南京航空航天大学的学者设计出了一种以CO2为动力源，HCOOH为放电产物的水基锂—二氧化碳新型电池，工作原理如图所示，下列说法正确的是( C )A．吸收CO2的一极为负极B．电子从Li电极流出，经过溶液流回Li电极C．放电时，CO2发生还原反应D．该新型电池中Li电极可直接与溶液接触[解析]　由题可知，放电时CO2得电子，发生还原反应生成HCOOH，吸收CO2的一极为正极，故A错误、C正确；电子不能在溶液中移动，在电解质溶液中是通过离子移动导电，电子从Li电极流出，经外电路流入多孔Pd电极，故B错误；锂与水能反应，电池中Li电极不能直接与溶液接触，故D错误。4．(2023·河北衡水检测)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛的应用。下列说法不正确的是( A )A．甲：Zn2＋向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H＋浓度增加B．乙：正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－C．丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄D．丁：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降[解析]　Zn比Cu活泼，作负极，Zn失电子变成Zn2＋，电子经导线转移到铜电极，铜电极负电荷变多，吸引了溶液中的阳离子，因而Zn2＋和H＋迁移至铜电极，H＋氧化性较强，得电子变成H2，因而c(H＋)减小，A项不正确；Ag2O作正极，得到来自Zn失去的电子，被还原成Ag，KOH溶液作电解液，故电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，B项正确；Zn为较活泼电极，作负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，锌溶解，因而锌筒会变薄，C项正确；铅蓄电池总反应式为PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)，可知放电一段时间后，H2SO4不断被消耗，因而电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，D项正确。5.如图是课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法错误的是( C )A．铜片表面有气泡生成B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换C．如果将稀硫酸换成柠檬汁，导线中不会有电子流动D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变[解析]　柠檬汁显酸性，也能作电解质溶液，所以将稀硫酸换成柠檬汁，仍然构成原电池，所以导线中有电子流动，C错误；金属性Cu比Zn、Fe弱，Cu作正极，所以电路中的电流方向不变，D正确。6．如图中四种电池装置是依据原电池原理设计的，下列有关叙述错误的是( C )A．①中锌电极发生氧化反应B．②中电子由a电极经导线流向b电极C．③中外电路中电流由A电极流向B电极D．④中LixC6作负极[解析]　在原电池中阴离子移向负极，所以③中A电极为负极，则外电路中电流应由B电极流向A电极。7．(2023·重庆育才中学入学考试)2020年6月，清华大学发现了一种新型的钾离子电池正极材料，比过去使用的任何材料都更加稳定。电池示意图如图，总反应为FeC2O4F＋KC6C6＋KFeC2O4F。下列有关说法错误的是( D )A．放电时，负极反应为KC6－e－===K＋＋C6B．充电时，阳极反应为KFeC2O4F－e－===FeC2O4F＋K＋C．充电时，当电路中通过的电子为0.02 mol时，碳电极增加的质量为0.78 gD．用该电池电解饱和食盐水，阴极产生4.48 L气体时，通过隔膜的K＋为0.2 mol[解析]　由总反应知，放电时，负极KC6失去电子生成C6，负极反应为KC6－e－===K＋＋C6，A正确；由总反应知，充电时，C6得电子在阴极反应，则KFeC2O4F在阳极反应，阳极反应为KFeC2O4F－e－===FeC2O4F＋K＋，B正确；充电时，碳电极为阴极，电极反应式为C6＋e－＋K＋===KC6，碳电极增加的质量即K＋的质量，当电路中通过的电子为0.02 mol时，K＋的物质的量也为0.02 mol，质量为0.02 mol×39 g/mol＝0.78 g，C正确；未提到标准状况下，无法用n＝计算，D错误。8．(2023·山东淄博模拟)以Na3Ti2(PO4)3为负极材料的新型可充电钠离子电池的工作原理如图。下列说法错误的是( C )A．放电时，正极的反应为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]B．充电时，a端接电源正极C．充电时，每生成1 mol Fe[Fe(CN)6]消耗2 mol NaTi2(PO4)3D．充电时，Na＋通过离子交换膜从左室移向右室[解析]　Na3Ti2(PO4)3为负极材料，所以放电时Na3Ti2(PO4)3被氧化为NaTi2(PO4)3，Mo箔为正极，Fe[Fe(CN)6]被还原为Na2Fe[Fe(CN)6]，电极反应为Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋＋2e－===Na2Fe[Fe(CN)6]，A正确；放电时Mo箔为正极，则充电时Mo箔为阳极，a端连接电源正极，B正确；充电时右侧为阴极，电极反应为NaTi2(PO4)3＋2e－＋2Na＋===Na3Ti2(PO4)3，阳极的电极反应为Na2Fe[Fe(CN)6]－2e－===Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋，根据电极反应可知每生成1 mol Fe[Fe(CN)6]转移2 mol电子，消耗1 mol NaTi2(PO4)3，C错误；充电时为电解池，电解池中阳离子由阳极流向阴极，即Na＋通过离子交换膜从左室移向右室，D正确。9．(2023·湖南湘潭第一次质检)《Science》杂志报道了王浩天教授团队发明的制取H2O2的绿色方法，原理如图所示(已知：H2O2H＋＋HO，Ka＝2.4×10－12)。下列说法正确的是( C )A．X膜为阴离子交换膜B．每生成1 mol H2O2外电路通过4 mol e－C．催化剂可加快单位时间内反应中电子的转移数目D．a极上发生还原反应[解析]　由图可知，通入氢气的a极为原电池的负极，氢气在负极失去电子发生氧化反应生成氢离子，氢离子通过阳离子交换膜进入反应室，通入氧气的b极为正极，氧气在正极得到电子发生还原反应生成HO，HO离子通过阴离子交换膜进入反应室，反应室中HO离子与氢离子反应，最终生成过氧化氢。X膜应为阳离子交换膜，允许氢离子通过，A错误；总方程式应为H2＋O2H2O2，由总方程式可知，生成1 mol过氧化氢，外电路通过2 mol电子，B错误；催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率，使单位时间内反应中转移电子的数目增大，C正确；通入氢气的a极为原电池的负极，氢气在负极失去电子发生氧化反应生成氢离子，D错误。10．(2023·山东济南检测)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( C )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]　Cu作正极，电极上发生还原反应，A错误；电池工作过程中，SO不参加电极反应，故甲池的c(SO)基本不变，B错误；电池工作时，甲池反应为Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应为Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由电极反应式可知，乙池中每有64 g Cu析出，则进入乙池的Zn2＋为65 g，溶液总质量略有增加，C正确；由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜，D错误。二、非选择题：本题共4小题。11.(2023·河北衡水检测)能量之间可相互转化：电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)；铜片，铁片，锌片和导线。(1)完成原电池甲的装置示意图，并作相应标注。要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属元素。[答案]　如图所示(2)铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观察到负极 电极逐渐溶解　。(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是 甲　，其原因是 电池乙的负极可与CuSO4溶液直接发生反应，导致部分化学能转化为热能；电池甲的负极不与所接触的电解质溶液反应，化学能在转化为电能时损耗较小　。[解析]　以Zn和Cu作电极为例分析，如果不用盐桥，则除了发生电化学反应外还发生Zn和Cu2＋的置换反应，反应放热，会使部分化学能以热能形式散失，使其不能完全转化为电能，而盐桥的使用，可以避免Zn和Cu2＋的直接接触，从而避免能量损失，提供稳定电流。12．(2023·经典习题汇编)(1)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，而且高铁电池的研制也在进行中。如图是高铁电池的模拟实验装置：①该电池放电时正极的电极反应为 FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－　。②盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向 右　(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向 左　(填“左”或“右”)移动。③下图为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有 使用时间长、工作电压稳定　。(2)有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能固氮的新型燃料电池，装置如图所示，电池正极的电极反应是 N2＋6H＋＋6e－===2NH3　；A是 氯化铵(或NH4Cl)　。(3)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如图所示。该电池中O2－可以在固体介质NASICON内自由移动，工作时O2－的移动方向 从b到a　(填“从a到b”或“从b到a”)；负极发生的电极反应为 CO＋O2－－2e－===CO2　。13．人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。电池发挥着越来越重要的作用，如宇宙飞船、人造卫星、电脑、照相机等，都离不开各式各样的电池，同时废弃的电池随便丢弃也会对环境造成污染。请根据题中提供的信息，回答7下列问题：(1)研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl。①该电池的负极反应是 Ag－e－＋Cl－===AgCl　。②在电池中，Na＋不断移动到“水”电池的 正　(填“正”或“负”)极。③外电路中每通过4 mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是 2 mol　。(2)中国科学院应用化学研究所在甲醇(CH3OH是一种可燃物)燃料电池技术方面获得新突破。甲醇燃料电池的工作原理如图所示。①该电池工作时，b口通入的物质为 CH3OH　。②该电池负极的电极反应为 CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋　。③工作一段时间后，当6.4 g甲醇完全反应生成CO2时，有 1.2　NA个电子转移(设NA为阿伏加德罗常数的值)。(3)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，当银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液时，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池的总反应： Ag2O2＋2Zn＋4KOH＋2H2O===2K2Zn(OH)4＋2Ag　。[解析]　(1)①根据电池总反应：5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，可判断出Ag应为原电池的负极，负极发生反应的电极反应为Ag＋Cl－－e－===AgCl。②在原电池中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。③根据电池总反应可知，每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子，则外电路中每通过4 mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是2 mol。(2)①据氢离子移动方向可知，右侧电极为正极，左侧电极为负极，负极上通入燃料甲醇。②负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子，电极反应为CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋。③根据负极的电极反应可知，当6.4 g即0.2 mol甲醇完全反应生成CO2时，转移电子的物质的量为1.2 mol，则转移电子的个数为1.2NA。(3)电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2[Zn(OH)4]，正极的电极反应为Ag2O2＋4e－＋2H2O===2Ag＋4OH－，负极的电极反应为2Zn－4e－＋8OH－===2[Zn(OH)4]2－，总反应为Ag2O2＋2Zn＋4KOH＋2H2O===2K2Zn(OH)4＋2Ag。14．能源是现代文明的原动力，通过化学方法可以使能量按人们所期望的形式转化，从而开辟新能源和提高能源的利用率。(1)通过氢气的燃烧反应，可以把氢气中蕴含的化学能转化为热能，如果将该氧化还原反应设计成原电池装置，就可以把氢气中蕴含的化学能转化为电能，如图就是能够实现该转化的装置，被称为氢氧燃料电池。该电池的正极是 b电极　(填“a电极”或“b电极”)，在负极发生的电极反应是 H2－2e－===2H＋　。(2)能源是当今社会发展的三大支柱之一。有专家指出：如果对燃烧产物如CO2、H2O、N2等能够实现利用太阳能让它们重新组合(如图)，可以节约燃料，缓解能源危机。在此构想的物质循环中太阳能最终转化为 A　(填选项字母)。A．热能  B．电能C．化学能  D．生物质能(3)锂硒电池具有优异的循环稳定性。①正极材料Se可由SO2通入亚硒酸(H2SeO3)溶液反应制得，则该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为 12　。②一种锂硒电池放电时的工作原理如图1所示，正极的电极反应式为 2Li＋＋xSe＋2e－===Li2Sex　。③Li2Sex与正极碳基体结合时的能量变化如图2所示，图中3种Li2Sex与碳基体的结合能力由大到小的顺序是 Li2Se6>Li2Se4>Li2Se　。[解析]　(1)氢氧燃料电池中氢气在负极放电，氧气在正极放电，则该电池的正极是b电极，在负极氢气失去电子，发生的电极反应是H2－2e－===2H＋。(2)由图可知，太阳能首先转化为化学能，然后燃料燃烧，化学能转化为热能，故选A。(3)①正极材料Se可由SO2通入亚硒酸(H2SeO3)溶液反应制得，反应的化学方程式为H2SeO3＋2SO2＋H2O===Se＋2H2SO4，其中H2SeO3是氧化剂，SO2是还原剂，两者物质的量之比为12。②由图可知，Se发生得到电子的还原反应生成Li2Sex，作正极，正极反应式为2Li＋＋xSe＋2e－===Li2Sex。③由Li2Sex与正极碳基体结合时的能量变化分析可知，结合碳基体过程中放出的能量越多，形成的物质越稳定，越易形成，则3种Li2Sex与碳基体的结合能力由大到小的顺序是Li2Se6>Li2Se4>Li2Se。