高考化学一轮复习第六章化学反应与能量第二讲原电池化学电源学案

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1.原电池的概念、构成及反应本质:
(1)把化学能转化为电能的装置,其本质是发生了氧化还原反应。
(2)构成条件。
①有两个活泼性不同的电极(常见为金属或石墨)。
②将电极插入电解质溶液或熔融电解质中。
③两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
④能自发发生氧化还原反应。
2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例):
3.原电池原理的应用:
(1)设计制作化学电源。
(2)加快化学反应速率。
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率增大。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量 CuSO4 溶液构成原电池,反应速率增大。
(3)比较金属的活动性强弱。
原电池中,一般活动性强的金属作负极,而活动性弱的金属(或非金属导体)作正极。
(4)用于金属的防护。
使需要保护的金属制品作原电池正极而受到保护。例如:要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
1.判断下列说法是否正确,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。( )
提示:√。氧化反应是失去电子的反应,因此在原电池中一定为负极上的反应。
(2)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。( )
提示:×。电子不经过电解质溶液。
(3)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。( )
提示:×。阳离子向正极移动,阴离子移向负极。
(4)某原电池反应为Cu+2AgNO3Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含琼脂的KCl饱和溶液。( )
提示:×。琼脂中少量的Cl-会进入AgNO3溶液和银离子反应。
(5)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定作负极。( )
提示:×。活泼金属不一定作负极,铝-NaOH溶液-镁电池中铝作负极。
(6)把锌片和铜片用导线连起来,浸入食盐水中,不能形成原电池。( )
提示:×。发生了吸氧腐蚀形成原电池。
2.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式: _____________。
(2)若要将上述反应设计成原电池,电极反应式分别是
①负极: _____________。
②正极: _____________。
(3)在表中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
答案:(1)2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+
(2)①Cu-2e-Cu2+ ②2Fe3++2e-2Fe2+
(3)
命题角度1:原电池的工作原理
【典例1】(2020·全国Ⅲ卷)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)-空气电池如图所示,其中在VB2电极发生反应:VB2+16OH--11e-V+2B(OH+4H2O。该电池工作时,下列说法错误的是( )
A.负载通过0.04 ml电子时,有0.224 L(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+4V
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
【解析】选B。该电池中O2在正极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH- ,所以负载通过0.04 ml电子时,有0.224 L(标准状况)O2参与反应,A正确;根据正负极电极反应式可知使用过程中负极区溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高,B错误;根据两极电极反应式可知电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O8B(OH+4V,C正确;VB2电极和复合碳电极分别为电池的负极、正极,根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极,D正确。
【思维升级·母题延伸】(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断装置中的离子交换膜是阳离子交换膜还是阴离子交换膜?
提示:阴离子交换膜。该电池中复合碳电极发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-,产生OH-,而VB2电极上发生的反应消耗OH-,因此离子交换膜应为阴离子交换膜。
(2)(宏观辨识与微观探析)有同学认为:本电池工作时电子从VB2电极出发沿导线到达复合碳电极,再经KOH溶液回到VB2电极,从而构成闭合回路的。此同学的认识是否正确?为什么?
提示:不正确。电子不能经过电解质溶液,在电解质溶液中是阴阳离子的定向移动构成闭合回路的。
【备选例题】
下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( )
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】选C。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。
命题角度2:原电池的工作原理应用
【典例2】选择合适的图象,将序号填在相应横线上:
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,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,则图象是_____________。
【以图析题·培养关键能力】
【解析】(1)当加入少量CuSO4溶液,Zn可以置换Cu,构成原电池,速率加快,但由于部分Zn参与置换Cu的反应,H2的量减少,故选A。
(2)Zn与CuSO4溶液反应置换Cu,Zn、Cu、H2SO4构成原电池,加快反应速率,但由于Zn足量,n(H+)不变,H2的量不变,故选B。
(3)加入CH3COONa,c(H+)减少,但n(H+)不变,故速率减慢,产生H2的量一样多,故选C。
答案:(1)A (2)B (3)C
【备选例题】
(2021·淮安模拟)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液、KI溶液;其他用品任选。回答下列问题:
(1)画出设计的原电池装置图,并标出电极材料、电极名称及电解质溶液________________________________________________。
(2)发生氧化反应的电极反应式为____________________。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中 (填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中的电极变为 (填“正”或“负”)极。
【解析】(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定电极材料和正、负极区的电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,负极上I-失电子变成I2。(3)反应达到平衡时,无电子移动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,该溶液中的电极变成负极。
答案:(1)如下图(答案合理即可)
(2)2I--2e-I2 (3)无 (4)负
1.原电池的工作原理简图:
注意:①若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
②若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
2.判断原电池正、负极的五种方法:
命题点1:原电池的工作原理分析(基础性考点)
1.(2021·广州模拟)某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是( )
A.若X为Fe,Y为Cu,铁为正极
B.若X为Fe,Y为Cu,电子由铜片流向铁片
C.若X为Fe,Y为C,碳棒上有红色固体析出
D.若X为Cu,Y为Zn,锌片发生还原反应
【解析】选C。Fe比Cu活泼,Fe作负极,电子从Fe流向Cu,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极C上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn作负极,发生氧化反应,故D错误。
2.(2021·福州模拟)原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是( )
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】选B。①中Mg作负极;②中Al作负极;③中铜作负极;④是铁的吸氧腐蚀,Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
命题点2:原电池原理的应用(综合性考点)
3.(2021·成都模拟)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活动顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
【解析】选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,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,活动性:d>a。综上所述可知活动性:d>a>b>c。
命题点3:聚焦“盐桥”原电池(应用性考点)
4.将镉(Cd)浸在氯化钴(CCl2)溶液中,发生反应的离子方程式为C2+(aq)+Cd(s)C(s)+Cd2+(aq),如将该反应设计为如图的原电池,则下列说法一定错误的是( )
A.Cd作负极,C作正极
B.原电池工作时,电子从负极沿导线流向正极
C.根据阴阳相吸原理,盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动
D.甲池中盛放的是CdCl2溶液,乙池中盛放的是CCl2溶液
【解析】选C。将该反应设计为原电池时,Cd作负极,电极反应为Cd-2e-Cd2+;C作正极,电极反应为C2++2e-C,盐桥中的阳离子向正极(乙池)移动。
【知识拓展】盐桥
1.制作方法:在烧杯中加入2 g琼脂和60 mL饱和KCl溶液,使用水浴加热法将琼脂加热至完全溶解,然后趁热将此混合溶液加入U形玻璃管中,静置待琼脂凝固后便可使用。
2.作用:盐桥在原电池中起导电作用,使整个装置形成闭合回路,盐桥导电利用的是阴、阳离子的定向移动,使电解质溶液保持电中性,从而使原电池能相对持续、稳定产生电流。盐桥不能用导线代替。
【加固训练—拔高】
1.根据下图,判断下列说法正确的是( )
A.装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-Fe2+
B.装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+4e-4OH-
C.装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动
D.放电过程中,装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大
【解析】选D。装置Ⅰ中,由于Zn比Fe活泼,所以Zn作原电池的负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+;Fe作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,由于正极有OH-生成,因此溶液的pH增大。装置Ⅱ中,Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-Fe2+;Cu作正极,电极反应式为2H++2e-H2↑,正极由于不断消耗H+,所以溶液的pH逐渐增大,据此可知A、B均错误,D正确。在原电池的电解质溶液中,阳离子移向正极,所以C错误。
2.全钒电池以惰性材料作电极,在电解质溶液中发生的原电池反应为V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)。
下列说法正确的是( )
A.正极反应为V+2H++e-VO2++H2O
B.负极附近的溶液由紫色逐渐变为蓝色
C.反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为0.5 ml
D.原电池使用过程中溶液的pH逐渐减小
【解析】选A。由电池总反应V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)可得,V为正极的活性物质,V2+为负极的活性物质,所以左室为正极室,右室为负极室。正极反应为V+2H++e-VO2++H2O,A项正确;负极反应为V2+-e-V3+,所以负极附近溶液的颜色由紫色逐渐变为绿色,B项错误;由电极反应V+2H++e-VO2++H2O可知,反应每生成1 ml H2O时转移电子的物质的量为1 ml,C项错误;由原电池总反应可知,反应过程中H+被不断消耗,所以溶液的pH逐渐增大,D项错误。
3.根据下图,下列判断中正确的是( )
A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
【解析】选B。由题给原电池装置可知,电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:O2+2H2O+4e-4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;烧杯b中,Zn发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+。
考点二 常见的化学电源(命题指数★★★★★)
1.一次电池:只能使用一次,不能充电复原继续使用
(1)碱性锌锰电池。
碱性锌锰电池的负极是Zn,正极是MnO2,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:2MnO2+2H2O+2e-2MnO(OH)+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。
(2)银锌电池。
银锌电池的负极是Zn,正极是Ag2O,电解质是KOH,其电极反应如下:
负极:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2;
正极:Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-;
总反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。
(3)锂电池。
锂电池是用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下:
负极:8Li-8e-8Li+;
正极:3SOCl2+8e-6Cl-+S+2S;
总反应:8Li+3SOCl26LiCl+Li2SO3+2S。
2.二次电池:放电后能充电复原继续使用
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:
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO等,燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)碱性锌锰电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。( )
提示:×。碱性锌锰电池MnO2是氧化剂参与电极反应。
(2)二次电池充电时,充电器的正极连接二次电池的正极。( )
提示:√。充电时正极连接电源的正极,作阳极发生氧化反应。
(3)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后将热能转化为电能。( )
提示:×。燃料电池直接将化学能转化为电能。
(4)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。( )
提示:√。铅蓄电池放电时,负极铅、正极二氧化铅均转变为硫酸铅,质量均增加。
(5)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移。( )
提示:×。在原电池中阳离子在电解质溶液中移向正极。
2.电子表和电子计算器中所用的是纽扣式的微型银锌电池,其电极分别为Ag2O和Zn,电解液为KOH溶液。工作时电池总反应为Ag2O+Zn+H2O2Ag+Zn(OH)2
(1)工作时电流从 极流向 极(两空均选填“Ag2O”或“Zn”)。
(2)负极的电极反应式为 。
(3)工作时电池正极区的pH (选填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)外电路中每通过0.2 ml电子,锌的质量理论上减少 g。
提示:(1)Ag2O Zn
(2)Zn+2OH--2e-Zn(OH)2 (3)增大 (4)6.5
命题角度1:新型二次电池
【典例1】科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如图,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
B.放电时,1 ml CO2转化为HCOOH,转移的电子数为2 ml
C.充电时,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O
D.充电时,正极溶液中OH-浓度升高
【解析】选D。由题可知,放电时,CO2转化为HCOOH,即CO2发生还原反应,故放电时右侧电极为正极,左侧电极为负极,Zn发生氧化反应生成Zn(OH;充电时,右侧为阳极,H2O发生氧化反应生成O2,左侧为阴极,Zn(OH发生还原反应生成Zn。放电时,负极上Zn发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,故A正确,不选;放电时,CO2转化为HCOOH,C元素化合价降低2,则1 ml CO2转化为HCOOH时,转移电子数为2 ml,故B正确,不选;充电时,阳极上H2O转化为O2,负极上Zn(OH转化为Zn,电池总反应为2Zn(OH2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,故C正确,不选;充电时,正极即为阳极,电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,溶液中H+浓度增大,溶液中c(H+)·c(OH-)=Kw,温度不变时,Kw不变,因此溶液中OH-浓度降低,故D错误,符合题意。
在题干条件不变的情况下,下列说法正确的是( )
A.电解质溶液1和电解质溶液2可以同为KOH溶液
B.放电时,CO2在电极上的反应可能为CO2-2e-+2H+HCOOH
C.充电时,Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-
D.充电时,外接电源的负极接右侧电极
【解析】选C。从题目给出的图示中可知左侧电极生成Zn(OH,故电解质溶液1应为碱溶液,而右侧电极上CO2生成的HCOOH为一种酸,因此电解质溶液2不可能为碱性溶液,故A项错误;放电时CO2在正极反应为得电子的反应,故B项错误;根据图示可以判断充电时Zn电极的电极反应式为Zn(OH+2e-Zn+4OH-,故C项正确;充电时,电池的正极要接外接电源的正极,负极接外接电源的负极,故D项错误。
【讲台挥洒一刻】
命题角度2:新型燃料电池
【典例2】(2019·全国Ⅰ卷)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能
B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+2H++2MV+
C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3
D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【解析】选B。相比现有工业合成氨,该方法选用酶作催化剂,条件温和,同时利用MV+和MV2+的相互转化,化学能转化为电能,故可提供电能,故A正确;左室为负极区,MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+,电极反应式为MV+-e-MV2+,放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+,反应的方程式为H2+2MV2+2H++2MV+,故B错误;右室为正极区,MV2+在正极得电子发生还原反应生成MV+,电极反应式为MV2++e-MV+,放电生成的MV+与N2在固氮酶的作用下反应生成NH3和MV2+,故C正确;电池工作时,氢离子(即质子)通过交换膜由负极向正极移动,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)分析电池工作原理,判断电池中间的交换膜是何种类?
提示:质子交换膜或阳离子交换膜。因为在负极区H2通过氢化酶的作用生成H+,而在正极区N2通过固氮酶生成NH3需要H+,因此需要将负极区生成的H+移动至正极区。
(2)(证据推理与模型认知)写出正极区在固氮酶作用下N2发生反应的电极方程式。
提示:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+。
(3)(宏观辨识与微观探析)当电路中通过3 ml电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为 L;正极区中n(H+) (填“增加”“减少”或“不变”)。
提示:22.4;不变。负极区氢气在氢化酶作用下发生氧化反应,反应式为H2+2MV2+2H++2MV+,正极区得电子发生还原反应,生成NH3,发生反应:N2+6H++6MV+2NH3+6MV2+,根据反应可知转移6 ml电子时生成2 ml NH3,负极区产生6 ml H+进入正极区,同时正极区消耗6 ml H+,故正极区H+总量不变,当电路中通过3 ml电子时,可产生氨气的体积(标准状况下)为22.4 L,正极区n(H+)不变。
【备选例题】
某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCO2+LixC6LiCO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是( )
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-xLi++C6
C.充电时,若转移1 ml e-,石墨(C6)电极将增重7x g
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCO2-xe-Li1-xCO2+xLi+
【解析】选C。放电时,负极反应为LixC6-xe-xLi++C6,正极反应为Li1-xCO2+xe-+xLi+LiCO2,A、B正确;充电时,阴极反应为xLi++C6+xe-LixC6,转移1 ml e-时,石墨C6电极将增重 7 g,C项错误;充电时,阳极反应为放电时正极反应的逆反应:
LiCO2-xe-Li1-xCO2+xLi+,D项正确。
1.二次电池的充电:
(1)充电时电极的连接:充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为负接负后作阴极,正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式:同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
2.燃料电池题目的一般分析思路:
3.化学电源中电极反应式书写的一般方法:
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物:根据负极氧化、正极还原,明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物:根据介质环境和共存原则,找出参与的介质粒子,确定最终产物。
(4)配平:根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意:①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境中结合H2O,生成OH-;③若已知总反应式时,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。
命题点1:一次电池与二次电池的工作原理分析(基础性考点)
1.纸电池是一种有广泛应用的“软电池”,某种碱性纸电池采用薄层纸片作为载体和传导体,纸的两面分别附着锌和二氧化锰。下列有关该纸电池的说法不合理的是( )
A.Zn为负极,发生氧化反应
B.电池工作时,电子由MnO2流向Zn
C.正极反应:MnO2+e-+H2OMnO(OH)+OH-
D.电池总反应:Zn+2MnO2+2H2OZn(OH)2+2MnO(OH)
【解析】选B。类似于碱性锌锰电池,MnO2在正极上得电子被还原生成MnO(OH),则正极的电极反应式为MnO2+H2O+e-MnO(OH)+OH-,C正确;负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,结合正、负极反应式及得失电子守恒可知,该电池的总反应式为Zn+2MnO2+2H2OZn(OH)2+2MnO(OH),D正确。
2.镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是( )
A.充电时阳极反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
【解析】选A。放电时Cd的化合价升高,Cd作负极,Ni的化合价降低,NiOOH作正极,则充电时Cd(OH)2作阴极,Ni(OH)2作阳极,阳极电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O,A项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-Cd(OH)2,Cd电极周围OH-的浓度减小,C项错误;放电时OH-向负极移动,D项错误。
命题点2:各类燃料电池的工作原理分析(综合性考点)
3.(2021年湖北适应性测试)研究发现,在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸,可使电池持续大电流放电,其工作原理如下图所示。
下列说法错误的是( )
A.加入HNO3降低了正极反应的活化能
B.电池工作时正极区溶液的pH降低
C.1 ml CH3CH2OH被完全氧化时有3 ml O2被还原
D.负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2+12H+
【解析】选B。该电池的负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+,H+向右移动通过质子交换膜,正极反应为O2+4e-+4H+2H2O。硝酸作正极反应的催化剂,加入催化剂可以降低正极反应的活化能,故A正确;正极反应虽然消耗H+,但负极区生成的H+移向正极区,负极区H+的物质的量不变,由于生成了水,电池工作时正极区溶液的pH升高,故B错误;根据正负极电极反应式可知,1 ml CH3CH2OH被完全氧化时有3 ml O2被还原,故C正确;负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+,故D正确。
4.(2021·长沙模拟)中科院科学家设计出一套利用SO2和太阳能综合制氢的方案,其基本工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.该电化学装置中,Pt电极的电势高于BiVO4电极的电势
B.该装置中的能量转化形式为光能→化学能→电能
C.电子流向:BiVO4电极→外电路→Pt电极
D.BiVO4电极上的反应式为S-2e-+2OH-S+H2O
【解析】选B。该电化学装置中,Pt电极为正极,BiVO4为负极,故Pt电势高于BiVO4电极的电势,A正确;该装置中的能量转化形式为化学能→电能,B错误;据分析,电子流向:BiVO4电极→外电路→Pt电极,C正确;BiVO4为负极,电极上发生氧化反应,则电极反应式为S-2e-+2OH-S+H2O,D正确。
命题点3:原电池原理在实际生活中的应用(应用性考点)
5.十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.该电池放电时质子从电极b移向电极a
B.电极a附近发生的电极反应为SO2+2H2O-2e-H2SO4+2H+
C.电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+2H2O4OH-
D.相同条件下,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
【解析】选D。A项,放电时为原电池,质子向正极移动,电极a为负极,则该电池放电时质子从电极a移向电极b,错误;B项,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应为SO2+2H2O-2e-S+4H+,硫酸应当拆为离子形式,错误;C项,酸性条件下,氧气得电子与氢离子反应生成水,电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+4H+2H2O,错误;D项,由总反应式2SO2+O2+2H2O2S+4H+可知,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1,正确。
【加固训练—拔高】
1.某新型可充电电池构造如图所示,工作时(需先引发铁和氯酸钾的反应,从而使LiCl-KCl共晶盐熔化)某电极(记为X)的反应式之一为xLi++xe-+LiV3O8Li1+xV3O8。下列说法正确的是( )
A.放电时,正极上的电极反应式为Li-e-Li+
B.放电时,总反应式为xLi+LiV3O8Li1+xV3O8
C.充电时,X电极与电源负极相连
D.充电时,X电极的质量增加
【解析】选B。由题干所给电极反应式可知X电极发生得电子的还原反应,故X电极是正极,结合题图知,X电极是LiV3O8,则Li-Si合金是负极,负极的电极反应式为Li-e-Li+,结合X电极的电极反应式可知放电时总反应式为xLi+LiV3O8Li1+xV3O8,A项错误,B项正确;充电时,X电极应与电源正极相连,C项错误;充电时,X电极的电极反应是放电时X电极的电极反应的逆过程,则充电时X电极的质量减轻,D项错误。
2.环境监察局常用“定电位”NOx传感器来监测化工厂的氮氧化物气体是否达到排放标准,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A.对电极是负极
B.工作电极上发生的电极反应为NO2+2e-+2H+NO+H2O
C.对电极的材料可能为锌
D.传感器工作时H+由工作电极移向对电极
【解析】选D。A.由NO2NO知,工作电极发生还原反应,作正极,则对电极是负极,正确;B.工作电极是正极,电极反应式为NO2+2e-+2H+NO+H2O,正
确;C.对电极是负极,发生氧化反应,则对电极的材料可能为活泼金属锌,正确;D.阳离子向正极移动,所以传感器工作时H+由对电极移向工作电极,错误。
3.车用尿素的学名是柴油机尾气处理液,是一种无色、透明、清澈的液体,用于还原氮氧化合物。目前使用的车用尿素溶液一般由32.5%高纯尿素和67.5%的去离子水组成。某学习小组利用图示装置探究车用尿素对尾气中氮的氧化物的转化,下列说法正确的是( )
A.a极为电源的正极
B.电子从a极经固体电解质流向b极
C.该装置工作时,NO2 在 b 电极上的电极反应式为2NO2+8e-4O2-+N2
D.若反应中转移1 ml电子,则生成5.6 L(标准状况) N2
【解析】选C。电池a极发生氧化反应,b极发生还原反应,则a为负极,b为正极,故A错误;电子从负极经导线流向正极,故B错误;根据图中信息得出NO2在b电极变为氮气,其电极反应式为2NO2+8e- 4O2-+N2,故C正确;反应中转移1 ml电子时,若全为NO2参与电极反应,根据2NO2+8e-4O2-+N2知,生成N2的体积为2.8 L(标准状况),若全为NO参与电极反应,则生成N2的体积为5.6 L(标准状况),故D错误。
1.(2020·天津等级考)熔融钠-硫电池性能优良,是具有应用前景的储能电池。如图中的电池反应为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Na+]2-Na+
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
【解析】选C。Na2S4为离子化合物,构成离子为Na+、,电子式为Na+]2-Na+,A项正确;根据电池总反应,放电时正极上S发生还原反应,且Na+向正极移动参与反应,电极反应为xS+2Na++2e-Na2Sx,B项正确;Na为电池的负极,S为电池的正极,C项错误;根据电池总反应及示意图,可知该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池,D项正确。
2.(2019·全国Ⅲ卷)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l)
D. 放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区
【解析】选D。Zn作负极被氧化生成ZnO,三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,沉积的ZnO分散度高,A正确。充电时阳极发生氧化反应,根据电池反应的充电过程可知,阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l),B正确。放电时负极发生氧化反应,根据电池反应的放电过程可知,负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l),C正确。放电时,电池内部阳离子由负极移向正极,阴离子由正极移向负极,D错误。
【加固训练—拔高】
1.(2019·天津高考)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池,其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液,提高电池的容量。下列叙述不正确的是( )
A.放电时,a电极反应为I2Br-+2e-2I-+Br-
B.放电时,溶液中离子的数目增大
C.充电时,b电极每增重0.65 g,溶液中有0.02 ml I-被氧化
D.充电时,a电极接外电源负极
【解析】选D。Zn2+移向左侧,a极是正极,充电时,接外电源的正极,放电时电极反应式为I2Br-+2e-2I-+Br-,A正确、D错误;放电时,负极Zn-2e-Zn2+,负极、正极的离子数目都增多,B正确;充电时,b极的电极反应式为Zn2++2e-Zn,每增重0.65 g,转移电子0.02 ml,则有0.02 ml I-被氧化,C正确。
2.(2018·全国Ⅲ卷)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2(x=0或1)。下列说法正确的是( )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li22Li+(1-)O2
【解析】选D。结合题中所给信息及装置图,可知放电时Li作负极,负极反应为2Li-2e-2Li+,多孔碳材料作正极,正极反应为(1-)O2+2Li++2e-Li2O2-x,故A错误;B项电子从Li电极流向多孔碳材料,故B错误;C项充电时多孔碳材料作阳极,Li+应移向锂电极,故C错误;D项结合放电时的正负极反应式可知正确。
3.(2018·全国Ⅱ卷)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将 NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为:3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是( )
A.放电时,向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为:3CO2+4e-2C+C
D.充电时,正极反应为:Na++e-Na
【解析】选D。放电时为原电池,而溶液中的阴离子移向电池的负极,故A项正确;由题干中的信息可以得出Na为电池的负极材料,因电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C,则电池放电时吸收CO2,充电时放出CO2,故B项正确;放电时CO2在正极放电,而充电时会在正极生成CO2,Na在电池的负极参与反应,在充电时又会在电池的负极生成,故C项正确,D项错误。
1.原电池实质的2个方面:
(1)反应本质:氧化还原反应。
(2)能量转化:化学能转化为电能。
2.原电池中应注意的 3个“方向”:
(1)外电路中电子移动方向:负极→正极,电流方向:正极→负极。
(2)电池内部离子移动方向:阴离子移向负极,阳离子移向正极。
(3)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+移向正极,Cl-移向负极。
3.原电池电极判断的6种方法:
(1)负极:较活泼金属、氧化反应、电子流出、电流流入、阴离子移向的一极、不断溶解。
(2)正极:不活泼金属或非金属、还原反应、电子流入、电流流出、阳离子移向的一极、电极增重。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
电子流向
由Zn片沿导线流向Cu片
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
①不含盐桥
②含盐桥
①不含盐桥
②含盐桥
实验
装置
部分实
验现象
a极质量减少;b极质量增加
b极有气体产生;
c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
介质
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-4H+
2H2+4OH--4e-4H2O
正极反应式
O2+4H++4e-2H2O
O2+2H2O+4e-4OH-
电池总反应式
2H2+O22H2O