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新教材(广西专版)高考化学一轮复习第6章化学反应与能量第2讲原电池化学电源课件
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这是一份新教材(广西专版)高考化学一轮复习第6章化学反应与能量第2讲原电池化学电源课件，共60页。PPT课件主要包含了内容索引，强基础增分策略，增素能精准突破，研专项前沿命题，明考向真题演练，课程标准，答案C，考向2新型二次电池，答案B，考向3浓差电池等内容，欢迎下载使用。
1.能分析、解释原电池的工作原理,能设计简单的原电池。2.能列举常见的化学电源,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。3.能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发等。
一、原电池的工作原理1.原电池定义及本质原电池是把 化学 能转化为 电 能的装置。其反应本质是 自发进行 的 氧化还原 反应。 2.原电池的装置模型
3.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
4.原电池的应用(1)设计制作化学电源
(2)比较金属的活泼性强弱:原电池中,负极一般是活泼性 较强 的金属,正极一般是活泼性 较弱 的金属(或非金属)。 氧化反应和还原反应分别在两个电极进行 (3)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。(4)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的 正极 而受到保护。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)理论上,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池。( √ )(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。( √ )(3)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。( × )(4)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定为负极。( × )(5)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。( × )(6)某原电池反应为Cu+2AgNO3 === Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含KCl饱和溶液的琼脂。( × )
应用提升 (1)“活泼”是指相对活泼而不是绝对活泼。(2)在大部分原电池反应中,金属活泼性较强的作负极,另一电极作正极。但在某些特殊条件下例外,如:①冷的浓硝酸作电解质溶液,金属铁或铝与金属铜作电极时,铁或铝在冷的浓硝酸中钝化,金属活动性弱的铜与浓硝酸发生反应,作负极。②NaOH溶液作电解质溶液,金属镁与金属铝作电极时,因铝能与NaOH溶液反应,作负极,而金属活泼性强的镁只能作正极。
二、化学电源1.一次电池
2.二次电池两个电极均参与电极反应;“放电”为原电池原理,“充电”为电解原理铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,总反应为
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
3.燃料电池 燃料为负极反应物;将化学能直接转化为电能(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
(2)以CO为燃料气,请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应或总反应。
(3)铝—空气—海水电池负极材料为铝片,正极材料为铂片,电解质溶液为海水。负极反应: 4Al-12e- === 4Al3+ 。 正极反应: 3O2+12e-+6H2O === 12OH- 。 总反应: 4Al+3O2+6H2O === 4Al(OH)3 。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)碱性锌锰干电池是一次电池,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。( × )(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( × )(3)铅酸蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。( √ )(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。( × )
应用提升 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。碱性介质中,不可能释放CO2气体,也不可能有H+的参与或生成,而酸性溶液中不可能有OH-的参与或生成。
考向1.原电池的工作原理
典例突破某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl-+Ag+ === AgCl↓。下列说法正确的是( )
A.放电时,X电极发生还原反应B.放电时,Y电极反应式为Ag++e- === AgC.放电时,盐桥中K+向盛有NaCl溶液的烧杯中移动D.外电路中每通过0.1 ml e-,X电极质量增加14.35 g
答案 B解析 该原电池X电极反应式为Ag-e-+Cl- === AgCl,发生氧化反应,A错误;Y电极为原电池正极,电极反应式为Ag++e- === Ag,B正确;放电时,盐桥中的钾离子向正极移动,X电极为负极,故C错误;放电时,当电路中转移0.1 ml e-时,X电极会有0.1 ml Ag失去0.1 ml电子生成银离子,银离子会与氯离子反应生成氯化银沉淀,故X电极质量增加3.55 g,D错误。
针对训练1.根据化学反应设计原电池(选用相同的盐桥)时,下列各项合理的是( )
答案 B解析 原电池中,负极材料的活动性一般强于正极材料,Zn比Fe活泼,形成原电池时Zn作负极,A、C项均错误;使用盐桥,形成双液原电池时,为得到稳定电流,正极、负极半电池中的电解质溶液一般是电极金属材料形成的盐溶液,D项错误,B项正确。
2.火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极,碳纳米管为正极,放电时( )A.负极上发生还原反应B.CO2在正极上得电子C.阳离子由正极移向负极D.将电能转化为化学能
答案 B解析 电池的负极发生氧化反应,A项错误;CO2在正极上得电子发生还原反应,B项正确;放电时阳离子移向正极,C项错误;原电池是把化学能转化为电能的装置,D项错误。
3. 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+xS Na2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是( )
归纳总结判断原电池正、负极的五种方法
考向2.原电池原理的应用典例突破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。
答案 (1)如下图(答案合理即可)(2)2I--2e- === I2 (3)无 (4)负解析 (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。
针对训练1.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泼性顺序是( )A.a>b>c>dB.b>c>d>a C.d>a>b>cD.a>b>d>c
答案 C解析 把四个实验依次编号为①②③④,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。综上所述可知活动性:d>a>b>c。
2.某原电池总反应为Cu+2Fe3+ === Cu2++2Fe2+,下列能实现该反应的原电池是( )
答案 D解析 由题意知,Cu为负极材料,正极材料的金属活动性必须弱于Cu,其中B、D项符合该条件;由Fe3+得电子生成Fe2+知,电解质溶液中必须含有Fe3+,同时符合上述两个条件的只有D项。
3.(1)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如下图所示:
①HS-在硫氧化菌作用下转化为 的电极反应式是 。 ②若维持该微生物电池中两种细菌的存在,则电池可以持续供电,原因是 。
(2)PbSO4热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca ══ CaCl2+Li2SO4+Pb。
①放电过程中,Li+向 (填“负极”或“正极”)移动。 ②负极反应式为 。 ③电路中每转移0.2 ml电子,理论上生成 g Pb。
(3)氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。①a电极的电极反应式是 ; ②一段时间后,需向装置中补充KOH,请依据反应原理解释原因: 。
考向1.一次电池典例突破K-O2电池结构如图,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。关于该电池,下列说法错误的是( )A.隔膜允许K+通过,不允许O2通过
B.放电时,电流由b电极沿导线流向a电极;充电时,b电极为阳极C.产生1 Ah电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D.用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗0.9 g水
答案 D解析 O2在正极得电子后结合K+生成KO2,所以K+通过隔膜,A项正确;放电时,电子从负极通过外电路流向正极,而电流方向与电子流向相反,即电流由b电极流向a电极,充电时b电极作阳极,B项正确;每生成1 ml KO2需要消耗1 ml O2,即生成KO2的质量与消耗O2的质量比为71 g∶32 g≈2.22,C项正确;消耗3.9 g钾时,转移电子的物质的量为0.1 ml,依据铅酸蓄电池反应式Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,此时消耗0.1 ml水,即1.8 g水,D项错误。
针对训练1.碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O === 2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )A.Zn作负极,电极反应为Zn-2e-+2OH- === Zn(OH)2B.MnO2作正极,发生还原反应C.电池工作时,电流由MnO2经外电路流向ZnD.电池工作时,KOH没有发挥作用
答案 D解析 Zn作负极,被氧化生成Zn(OH)2,电极反应为Zn-2e-+2OH- === Zn(OH)2,A项正确;MnO2作正极,被还原生成MnO(OH),B项正确;电池工作时,电流由正极流向负极,则电流由MnO2经外电路流向Zn,C项正确;电池工作时,KOH未参与电池总反应,但起到导电作用,D项错误。
2.(2022湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是( )
A.海水起电解质溶液作用B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e- ══ 2OH-+H2↑C.玻璃陶瓷具有传递离子和防水的功能D.该锂-海水电池属于一次电池
答案 B解析 海水中存在NaCl、MgCl2等电解质,海水在该电池中起电解质溶液的作用,A项说法正确;N极为电池的正极,正极上水放电生成氢气,同时,海水中溶解的O2也可在N极放电,电极反应为O2+4e-+2H2O ══ 4OH-,B项说法错误;Li为活泼金属,能够与水反应,玻璃陶瓷起到隔绝水的作用,同时传导离子形成闭合回路,C项说法正确;该电池将化学能转化为电能后,H2在N极不具有充电后发生失电子反应的条件,故该锂-海水电池属于一次电池,D项说法正确。
3.(2023广西桂林模拟)由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池,以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质溶液,铝和二氧化锰-石墨为两极,其电池反应为Al+3MnO2+3H2O === 3MnO(OH)+Al(OH)3。下列有关该电池放电时的说法不正确的是( )A.二氧化锰-石墨为电池正极B.负极反应式为Al-3e-+3NH3·H2O === Al(OH)3+3C.OH-不断由负极向正极移动D.每生成1 ml MnOOH,就转移1 ml电子
答案 C解析 由电池反应方程式知,铝为电池负极,铝失去电子转化为Al(OH)3,A、B正确;阴离子移向负极,C错误;由反应中锰元素价态变化知,D正确。
归纳总结 化学电源中电极反应的书写方法
典例突破(2023全国乙卷)室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极,表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时,在硫电极发生反应:
下列叙述错误的是( )A.充电时Na+从钠电极向硫电极迁移B.放电时外电路电子流动的方向是a→bC.放电时正极反应为2Na++ S8+2e- === Na2SxD.炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能
答案 A解析 钠-硫电池负极为Na,正极为S。充电时钠电极为阴极,Na+应由硫电极向钠电极迁移,A错误;放电时,外电路中电子由负极移向正极(a→b),B正确;放电时正极为硫放电,电极反应式为2Na++ S8+2e- === Na2Sx,C正确;利用炭化纤维素纸易导电的性质,可增强电极的导电性能,D正确。
针对训练1.(2022广东卷)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质,发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池,可作储能设备所示。充电时电极a的反应为NaTi2(PO4)3+2Na++2e- ══ Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是( )
A.充电时电极b是阴极B.放电时NaCl溶液的pH减小C.放电时NaCl溶液的浓度增大D.每生成1 ml Cl2,电极a质量理论上增加23 g
答案 C解析 根据题干给的方程式知:充电时电极a上发生得电子的反应,为阴极,放电时电极a失电子,为负极,则充电时电极b为阳极,A项错误;放电时正极的电极反应式为Cl2+2e- ══ 2Cl-,NaCl溶液中氢离子和氢氧根离子的浓度无变化,pH不变,B项错误;放电时正极反应生成氯离子,负极反应生成钠离子,放电时NaCl溶液的浓度增大,C项正确;充电时电极b的反应为2Cl--2e- ══ Cl2↑,每生成1 ml氯气转移2 ml电子,电极a理论上有2 ml Na+转化为Na3Ti2(PO4)3,增重46 g,D项错误。
2.(2023广西三模)一种Al-PbO2电池通过x和y两种离子交换膜隔成M、R、N三个区域,三个区域的电解质分别为Na2SO4、H2SO4、NaOH中的一种,结构如图。下列说法错误的是( )
A.a>bB.放电时,R区域的电解质溶液浓度逐渐增大C.M区电解质为NaOH,放电时Na+通过x膜移向R区D.放电时,PbO2电极反应为PbO2+2e-+4H+ === Pb2++2H2O
答案 D解析 由题图可知,铝极上铝失去电子发生氧化反应为负极,则PbO2极为正极;铝极生成四羟基合铝酸根离子,则M区电解质为氢氧化钠,那么R区电解质为硫酸钠,N区电解质为硫酸;放电时铝极反应为Al-3e-+4OH- ══[Al(OH)4]-,PbO2电极反应为PbO2+2e-+4H++ ══ PbSO4+2H2O,正极反应消耗硫酸,硫酸浓度减小,a>b,A正确、D错误;放电时,M区钠离子、N区硫酸根离子均向R区域迁移,电解质溶液浓度逐渐增大,B正确;M区电解质为NaOH,放电时Na+通过x膜移向R区,C正确。
归纳总结充电电池类题目的解答方法(1)电池放电时发生原电池反应,充电时发生电解池反应,在充电时电池的负极接电源的负极后为阴极,电池的正极接电源的正极后为阳极。(2)充电时的阴极反应与放电时的负极反应、充电时的阳极反应与放电时的正极反应分别互为逆反应。(3)阳极和负极都发生氧化反应,阴极和正极都发生还原反应。(4)电池放电时,电解质溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子从负极经导线流向正极;电池充电时,电解质溶液中的阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。(5)电极附近溶液的pH的变化,根据电极反应进行分析。
考向3.燃料电池典例突破以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池,下列说法正确的是( )A.放电过程中,K+均向负极移动B.放电过程中,KOH物质的量均减小C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大D.消耗1 ml O2时,理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
答案 C解析 碱性环境下,甲醇燃料电池总反应为2CH3OH+3O2+4KOH === 2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清洁燃料电池总反应为N2H4+O2 === N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C元素和N元素的化合价均为-2价,H元素的化合价为+1价,所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2+4O2+4KOH === 2K2CO3+N2+6H2O。
放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A错误;N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B错误;理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是:通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C正确;根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 ml O2生成的氮气的物质的量为1 ml,在标准状况下的体积为22.4 L,D错误。
针对训练1. HCOOH燃料电池的装置如下图,两电极间用允许K+和H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是( )
2. 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+
答案 B解析 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。
3.研究微生物燃料电池不仅可以获得高效能源,还能对工业污水等进行处理。利用微生物燃料电池处理含硫废水并电解制备KIO3
的原理如图所示,下列说法正确的是( )A.光照强度大小不影响KIO3的制备速率B.右侧电池中K+通过阳离子交换膜从P极移向Q极D.不考虑损耗,电路中每消耗1 ml O2,理论上Q极可制得342.4 g KIO3
答案 C解析 光照强度大小影响单位时间内生成氧气的量,即影响电流强度,会影响KIO3的制备速率,故A项错误;铂电极P为阴极,铂电极Q为阳极,当转移相同物质的量的e-时,阳极消耗的OH-的物质的量少,溶液中K+通过阳离子交换膜从Q极移向P极,故B项错误;N极为负极,硫氧化菌将FeSx氧化为S, S再
归纳总结书写燃料电池电极反应的技巧(1)首先写出正极反应(一般参加反应的是O2)(2)根据电池总反应减去正极反应确定负极反应。注意要消去总反应和正极反应中的O2。
形色各异的新型化学电源
考向1双液(或多液)电池
例1.(2023辽宁卷)某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是( )
A.放电时负极质量减小B.储能过程中电能转变为化学能C.放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧D.充电总反应:Pb+ +2Fe3+ === PbSO4+2Fe2+
思路指导双液电池分析的步骤第一步:分析两极材料和两液的成分或两极区域中粒子的转化关系等,确定正负极。第二步:根据确定的两极,分析电极反应,离子移向和电子、电流方向等。第三步:明确问题,分析出正确答案。解析 电池放电时,负极反应式为Pb-2e-+ ══ PbSO4,可知负极质量增大,A项错误;储能过程为充电过程,将电能转化为化学能,充电时总反应为PbSO4+2Fe2+ ══ Pb+ +2Fe3+,B项正确、D项错误;放电时,H+向正极移动,通过质子交换膜移向电池右侧,C项错误。答案 B
突破方法燃料电池是利用燃料与氧气或空气或其他氧化剂进行反应,将化学能直接转化成电能的一类化学电源,基本工作原理与原电池相同:
解题的关键是正确分析书写电极反应。书写方法与信息型氧化还原反应方程式的书写相似:
针对训练1.某微生物燃料电池以对氯苯酚(分子式: C6H5OCl,用RCl表示)和醋酸钠为原料,其工作原理如下图所示。下列说法错误的是( )
A.工作时H+通过质子交换膜向左侧电极迁移B.左侧电极反应式为C6H5OCl+2e-+H+ ══ C6H5OH+Cl-C.反应中1 ml CH3COO-参与放电可生成8 ml H+D.放电后体系的pH降低
答案 C解析 该装置为原电池装置,根据图示可知醋酸根失去电子生成碳酸氢根,故右侧为负极,左侧为正极。工作时H+从负极移向正极,即通过质子交换膜向左侧电极迁移,A项正确;左侧电极上C6H5OCl得电子生成C6H5OH,反应式为C6H5OCl+2e-+H+ ══ C6H5OH+Cl-,B项正确;反应中CH3COO-参与放电的电极反应式为CH3COO--8e-+4H2O ══ 2 +9H+,1 ml CH3COO-可生成9 ml H+,C项错误;1 ml CH3COO-参与反应生成9 ml H+,转移8 ml电子,故有8 ml H+通过质子交换膜移向正极;转移8 ml电子,正极4 ml C6H5OCl反应消耗4 ml H+,体系中正极和负极的H+浓度增大,放电后体系的pH降低,D项正确。
2.(2023安徽宣城二模)甲酸燃料电池工作原理如下图所示,已知该半透膜只允许K+通过。下列有关说法错误的是( )
A.物质A是H2SO4B.K+经过半透膜自a极向b极迁移C.a极电极半反应为HCOO-+2e-+2OH- === +H2OD.Fe3+可以看作该反应的催化剂,可以循环利用
答案 C解析 由题图可知电池左侧电极发生HCOO-失去电子的反应生成 ,所在电极是负极,发生氧化反应;右边b为O2是正极,发生还原反应。铁的两种离子存在环境为酸性,且生成物为K2SO4,故物质A为H2SO4,A正确;阳离子K+由负极流向正极,B正确;a极电极发生氧化反应,半反应为HCOO-+2OH--2e- === +H2O,C错误;Fe3+与Fe2+可以进行循环,可看作该反应的催化剂,D正确。
考向2物质循环转化型电池
例2.(2023辽宁沈阳二模)上海交通大学利用光电催化脱除SO2与制备H2O2相耦合,高效协同转化过程如图。(BPM膜可将水解离为H+和OH-,向两极移动)
已知:①2H2O(l)+O2(g) === 2H2O2(aq) ΔGΘ=+233.6 kJ·ml-1②2OH-(aq)+SO2(g)+ O2(g) === (aq)+H2O(l) ΔGΘ=-374.4 kJ·ml-1下列分析正确的是( )A.α-Fe2O3是负极,电势更高B.正极区每消耗22.4 L氧气,转移2 ml e-C.当生成0.1 ml H2O2时,负极区溶液增加6.4 gD.总反应为SO2(g)+O2(g)+2OH-(aq) === (aq)+H2O2(aq),该过程为自发过程
思路指导由图示信息可知α-Fe2O3上二氧化硫失电子生成 ,α-Fe2O3为负极,负极电势低于正极电势,A错误;题中未指明是否为标准状况,不能根据气体体积确定气体的物质的量,B错误;正极反应:2H++O2+2e- === H2O2,生成0.1 ml H2O2时,转移0.2 ml电子,结合负极反应:4OH-+SO2-2e- === +2H2O,转移0.2 ml电子时,有0.1 ml (6.4 g) SO2转化为 进入溶液,同时BPM膜中解离出的OH-进入负极区,所以负极区溶液增重大于6.4 g,C错误;根据盖斯定律可知,总反应可由 ①+②得到,总反应的答案 D
突破方法可充电电池放电时遵循原电池原理,充电时遵循电解原理,其工作原理特点如下:如果已知可充电电池的总反应,书写较难写的电极反应时,可先写出较易写的电极反应,然后用总反应减去较易写的电极反应,即可得出较难写的电极反应。
针对训练3.微生物电池是在微生物作用下将化学能转化为电能的装置。利用微生物电池处理含铬废水可以回收铬,其工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.a电极为电池负极B.b极的电极反应为Cr3++3H2O === Cr(OH)3+3H+C.每处理1 ml ,a电极上会生成1.5 ml CO2D.反应完毕后溶液的pH会升高
4.(2023辽宁模拟)双盐Mg-CS2电池由Li+替代了Mg2+在正极材料中的嵌入,解决了Mg2+扩散缓慢、锂离子电池锂枝晶生长等问题,其充、放电过程如图所示。下列说法错误的是( )
A.放电时,CS2电极的电势高于Mg电极B.放电时,每转移2 ml e-,正极质量减少14 gC.充电时,若充电电压为2.0 V,可能造成电池性能衰减D.充电时,充电电压为2.75 V时,阳极反应为C+2Li2S-4e- === CS2+4Li+
答案 B解析 放电时,Mg作负极,CS2电极为正极,正极的电势高于负极,则CS2电极的电势高于Mg电极,A正确;放电时,右侧电极为正极,电极反应式为CS2+4Li++4e- ===C+2Li2S,每转移2 ml e-,正极质量增加2 ml×7 g·ml-1 =14 g,B错误;若充电电压为2.0 V,充电过程中C会转化为C3S4,放电时C3S4不能参与反应,故会造成电池性能衰减,C正确;若充电电压为2.75 V,右侧电极为阳极,电极反应式为C+2Li2S-4e- === CS2+4Li+,D正确。
例3.(2023河北张家口一模)利用同种气体在两极浓度不同而产生电势差可设计成气体浓差电池,利用浓差电池可测定混合气体中某气体含量。实验室通过氧气浓差电池测定空气中氧气含量的工作原理如图所示,其中在参比电极上通入纯氧气,测量电极上通入空气。下列说法错误的是( )
A.熔融ZrO2、CaO混合物可用于传递O2-B.工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极C.工作时,用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确D.相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越高
思路指导氧气在反应中得到电子发生还原反应,则参比电极作正极,氧气得电子转化为O2-,负极O2-失电子生成氧气,电子由负极经外电路流向正极,熔融金属氧化物电离出的氧离子向负极定向移动可用于传递O2-,A正确;电子由负极经外电路流向正极,故工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极,B正确;负极氧离子失去电子发生氧化反应会不断生成氧气,混合气体氧气浓度增大,故用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确,C正确;两极氧气浓度差越大,两极电势差越大,则相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越低,D错误。答案 D
突破方法 浓差电池的分析方法浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质具有浓度差,离子均由“高浓度”移向“低浓度”,依据阴离子移向负极区域,阳离子移向正极区域判断电池的正极、负极,这是解答问题的关键。例如:
①a极:Ag-e- === Ag+(负极);b极:Ag++e- === Ag(正极)。② 通过交换膜移向a极。
针对训练5.如图是一种浓差电池,阴、阳离子交换膜交替放置,中间的间隔交替充以河水和海水,选择性透过Cl-和Na+,在两电极板形成电势差,进而在外部产生电流。下列关于该电池的说法正确的是( )
A.a电极为电池的正极,电极反应式为2H++2e- === H2↑B.C为阴离子交换膜,A为阳离子交换膜C.负极隔室的电中性溶液通过阳极表面的还原作用维持D.该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵,电极产物也没有经济价值
答案 A解析 依据电子的移动方向判断b电极为负极,a电极为正极,氢离子得到电子在正极放电,电极反应式:2H++2e- === H2↑,A正确;阳离子移向负极,Na+移向a极,C为阳离子交换膜,Cl-移向b极,A为阴离子交换膜,B错误;负极隔室中Na+透过C(阳离子交换膜)移入河水,维持负极隔室溶液的电中性,C错误;离子交换膜价格昂贵,但两极产物氢气、氯气是工业制盐酸等的原料,D错误。
1.(2023广东卷)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图。下列说法正确的是( )
A.Ag作原电池正极B.电子由Ag经活性炭流向PtC.Pt表面发生的电极反应:O2+2H2O+4e- === 4OH-D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,最多去除1 ml Cl-
答案 B解析 O2在Pt极得电子发生还原反应,Pt为正极,Ag为负极,A错误;电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt,B正确;溶液为酸性,故Pt表面发生的电极反应为O2+4H++4e- === 2H2O,C错误;负极反应为Ag-e-+Cl- === AgCl,每消耗标准状况下11.2 L的O2,转移电子2 ml,故最多去除2 ml Cl-,D错误。
2.(2023新课标卷)一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质溶液的电池,其示意图如下所示。放电时,Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是( )
A.放电时V2O5为正极B.放电时Zn2+由负极向正极迁移C.充电总反应:xZn+V2O5+nH2O === ZnxV2O5·nH2OD.充电阳极反应:ZnxV2O5·nH2O-2xe- === xZn2++V2O5+nH2O
1.能分析、解释原电池的工作原理,能设计简单的原电池。2.能列举常见的化学电源,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。3.能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题,如新型电池的开发等。
一、原电池的工作原理1.原电池定义及本质原电池是把 化学 能转化为 电 能的装置。其反应本质是 自发进行 的 氧化还原 反应。 2.原电池的装置模型
3.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
4.原电池的应用(1)设计制作化学电源
(2)比较金属的活泼性强弱:原电池中,负极一般是活泼性 较强 的金属,正极一般是活泼性 较弱 的金属(或非金属)。 氧化反应和还原反应分别在两个电极进行 (3)加快化学反应速率:氧化还原反应形成原电池时,反应速率加快。(4)用于金属的防护:将需要保护的金属制品作原电池的 正极 而受到保护。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)理论上,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池。( √ )(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极。( √ )(3)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。( × )(4)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定为负极。( × )(5)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。( × )(6)某原电池反应为Cu+2AgNO3 === Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥内可以是含KCl饱和溶液的琼脂。( × )
应用提升 (1)“活泼”是指相对活泼而不是绝对活泼。(2)在大部分原电池反应中,金属活泼性较强的作负极,另一电极作正极。但在某些特殊条件下例外,如:①冷的浓硝酸作电解质溶液,金属铁或铝与金属铜作电极时,铁或铝在冷的浓硝酸中钝化,金属活动性弱的铜与浓硝酸发生反应,作负极。②NaOH溶液作电解质溶液,金属镁与金属铝作电极时,因铝能与NaOH溶液反应,作负极,而金属活泼性强的镁只能作正极。
二、化学电源1.一次电池
2.二次电池两个电极均参与电极反应;“放电”为原电池原理,“充电”为电解原理铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,总反应为
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
3.燃料电池 燃料为负极反应物;将化学能直接转化为电能(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
(2)以CO为燃料气,请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应或总反应。
(3)铝—空气—海水电池负极材料为铝片,正极材料为铂片,电解质溶液为海水。负极反应: 4Al-12e- === 4Al3+ 。 正极反应: 3O2+12e-+6H2O === 12OH- 。 总反应: 4Al+3O2+6H2O === 4Al(OH)3 。
易错辨析 判断正误:正确的画“√”,错误的画“×”。(1)碱性锌锰干电池是一次电池,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。( × )(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( × )(3)铅酸蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。( √ )(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。( × )
应用提升 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。碱性介质中,不可能释放CO2气体,也不可能有H+的参与或生成,而酸性溶液中不可能有OH-的参与或生成。
考向1.原电池的工作原理
典例突破某学习小组设计如图所示原电池装置。该电池总反应为Cl-+Ag+ === AgCl↓。下列说法正确的是( )
A.放电时,X电极发生还原反应B.放电时,Y电极反应式为Ag++e- === AgC.放电时,盐桥中K+向盛有NaCl溶液的烧杯中移动D.外电路中每通过0.1 ml e-,X电极质量增加14.35 g
答案 B解析 该原电池X电极反应式为Ag-e-+Cl- === AgCl,发生氧化反应,A错误;Y电极为原电池正极,电极反应式为Ag++e- === Ag,B正确;放电时,盐桥中的钾离子向正极移动,X电极为负极,故C错误;放电时,当电路中转移0.1 ml e-时,X电极会有0.1 ml Ag失去0.1 ml电子生成银离子,银离子会与氯离子反应生成氯化银沉淀,故X电极质量增加3.55 g,D错误。
针对训练1.根据化学反应设计原电池(选用相同的盐桥)时,下列各项合理的是( )
答案 B解析 原电池中,负极材料的活动性一般强于正极材料,Zn比Fe活泼,形成原电池时Zn作负极,A、C项均错误;使用盐桥,形成双液原电池时,为得到稳定电流,正极、负极半电池中的电解质溶液一般是电极金属材料形成的盐溶液,D项错误,B项正确。
2.火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极,碳纳米管为正极,放电时( )A.负极上发生还原反应B.CO2在正极上得电子C.阳离子由正极移向负极D.将电能转化为化学能
答案 B解析 电池的负极发生氧化反应,A项错误;CO2在正极上得电子发生还原反应,B项正确;放电时阳离子移向正极,C项错误;原电池是把化学能转化为电能的装置,D项错误。
3. 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+xS Na2Sx(x=5~3,难溶于熔融硫)。下列说法错误的是( )
归纳总结判断原电池正、负极的五种方法
考向2.原电池原理的应用典例突破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。
答案 (1)如下图(答案合理即可)(2)2I--2e- === I2 (3)无 (4)负解析 (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。
针对训练1.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泼性顺序是( )A.a>b>c>dB.b>c>d>a C.d>a>b>cD.a>b>d>c
答案 C解析 把四个实验依次编号为①②③④,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。综上所述可知活动性:d>a>b>c。
2.某原电池总反应为Cu+2Fe3+ === Cu2++2Fe2+,下列能实现该反应的原电池是( )
答案 D解析 由题意知,Cu为负极材料,正极材料的金属活动性必须弱于Cu,其中B、D项符合该条件;由Fe3+得电子生成Fe2+知,电解质溶液中必须含有Fe3+,同时符合上述两个条件的只有D项。
3.(1)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如下图所示:
①HS-在硫氧化菌作用下转化为 的电极反应式是 。 ②若维持该微生物电池中两种细菌的存在,则电池可以持续供电,原因是 。
(2)PbSO4热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca ══ CaCl2+Li2SO4+Pb。
①放电过程中,Li+向 (填“负极”或“正极”)移动。 ②负极反应式为 。 ③电路中每转移0.2 ml电子,理论上生成 g Pb。
(3)氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。①a电极的电极反应式是 ; ②一段时间后,需向装置中补充KOH,请依据反应原理解释原因: 。
考向1.一次电池典例突破K-O2电池结构如图,a和b为两个电极,其中之一为单质钾片。关于该电池,下列说法错误的是( )A.隔膜允许K+通过,不允许O2通过
B.放电时,电流由b电极沿导线流向a电极;充电时,b电极为阳极C.产生1 Ah电量时,生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22D.用此电池为铅酸蓄电池充电,消耗3.9 g钾时,铅酸蓄电池消耗0.9 g水
答案 D解析 O2在正极得电子后结合K+生成KO2,所以K+通过隔膜,A项正确;放电时,电子从负极通过外电路流向正极,而电流方向与电子流向相反,即电流由b电极流向a电极,充电时b电极作阳极,B项正确;每生成1 ml KO2需要消耗1 ml O2,即生成KO2的质量与消耗O2的质量比为71 g∶32 g≈2.22,C项正确;消耗3.9 g钾时,转移电子的物质的量为0.1 ml,依据铅酸蓄电池反应式Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O,此时消耗0.1 ml水,即1.8 g水,D项错误。
针对训练1.碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O === 2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )A.Zn作负极,电极反应为Zn-2e-+2OH- === Zn(OH)2B.MnO2作正极,发生还原反应C.电池工作时,电流由MnO2经外电路流向ZnD.电池工作时,KOH没有发挥作用
答案 D解析 Zn作负极,被氧化生成Zn(OH)2,电极反应为Zn-2e-+2OH- === Zn(OH)2,A项正确;MnO2作正极,被还原生成MnO(OH),B项正确;电池工作时,电流由正极流向负极,则电流由MnO2经外电路流向Zn,C项正确;电池工作时,KOH未参与电池总反应,但起到导电作用,D项错误。
2.(2022湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是( )
A.海水起电解质溶液作用B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e- ══ 2OH-+H2↑C.玻璃陶瓷具有传递离子和防水的功能D.该锂-海水电池属于一次电池
答案 B解析 海水中存在NaCl、MgCl2等电解质,海水在该电池中起电解质溶液的作用,A项说法正确;N极为电池的正极,正极上水放电生成氢气,同时,海水中溶解的O2也可在N极放电,电极反应为O2+4e-+2H2O ══ 4OH-,B项说法错误;Li为活泼金属,能够与水反应,玻璃陶瓷起到隔绝水的作用,同时传导离子形成闭合回路,C项说法正确;该电池将化学能转化为电能后,H2在N极不具有充电后发生失电子反应的条件,故该锂-海水电池属于一次电池,D项说法正确。
3.(2023广西桂林模拟)由我国科学家研发成功的铝锰电池是一种比能量很高的新型干电池,以氯化钠和稀氨水混合溶液为电解质溶液,铝和二氧化锰-石墨为两极,其电池反应为Al+3MnO2+3H2O === 3MnO(OH)+Al(OH)3。下列有关该电池放电时的说法不正确的是( )A.二氧化锰-石墨为电池正极B.负极反应式为Al-3e-+3NH3·H2O === Al(OH)3+3C.OH-不断由负极向正极移动D.每生成1 ml MnOOH,就转移1 ml电子
答案 C解析 由电池反应方程式知,铝为电池负极,铝失去电子转化为Al(OH)3,A、B正确;阴离子移向负极,C错误;由反应中锰元素价态变化知,D正确。
归纳总结 化学电源中电极反应的书写方法
典例突破(2023全国乙卷)室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极,表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时,在硫电极发生反应:
下列叙述错误的是( )A.充电时Na+从钠电极向硫电极迁移B.放电时外电路电子流动的方向是a→bC.放电时正极反应为2Na++ S8+2e- === Na2SxD.炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能
答案 A解析 钠-硫电池负极为Na,正极为S。充电时钠电极为阴极,Na+应由硫电极向钠电极迁移,A错误;放电时,外电路中电子由负极移向正极(a→b),B正确;放电时正极为硫放电,电极反应式为2Na++ S8+2e- === Na2Sx,C正确;利用炭化纤维素纸易导电的性质,可增强电极的导电性能,D正确。
针对训练1.(2022广东卷)科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质,发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池,可作储能设备所示。充电时电极a的反应为NaTi2(PO4)3+2Na++2e- ══ Na3Ti2(PO4)3。下列说法正确的是( )
A.充电时电极b是阴极B.放电时NaCl溶液的pH减小C.放电时NaCl溶液的浓度增大D.每生成1 ml Cl2,电极a质量理论上增加23 g
答案 C解析 根据题干给的方程式知:充电时电极a上发生得电子的反应,为阴极,放电时电极a失电子,为负极,则充电时电极b为阳极,A项错误;放电时正极的电极反应式为Cl2+2e- ══ 2Cl-,NaCl溶液中氢离子和氢氧根离子的浓度无变化,pH不变,B项错误;放电时正极反应生成氯离子,负极反应生成钠离子,放电时NaCl溶液的浓度增大,C项正确;充电时电极b的反应为2Cl--2e- ══ Cl2↑,每生成1 ml氯气转移2 ml电子,电极a理论上有2 ml Na+转化为Na3Ti2(PO4)3,增重46 g,D项错误。
2.(2023广西三模)一种Al-PbO2电池通过x和y两种离子交换膜隔成M、R、N三个区域,三个区域的电解质分别为Na2SO4、H2SO4、NaOH中的一种,结构如图。下列说法错误的是( )
A.a>bB.放电时,R区域的电解质溶液浓度逐渐增大C.M区电解质为NaOH,放电时Na+通过x膜移向R区D.放电时,PbO2电极反应为PbO2+2e-+4H+ === Pb2++2H2O
答案 D解析 由题图可知,铝极上铝失去电子发生氧化反应为负极,则PbO2极为正极;铝极生成四羟基合铝酸根离子,则M区电解质为氢氧化钠,那么R区电解质为硫酸钠,N区电解质为硫酸;放电时铝极反应为Al-3e-+4OH- ══[Al(OH)4]-,PbO2电极反应为PbO2+2e-+4H++ ══ PbSO4+2H2O,正极反应消耗硫酸,硫酸浓度减小,a>b,A正确、D错误;放电时,M区钠离子、N区硫酸根离子均向R区域迁移,电解质溶液浓度逐渐增大,B正确;M区电解质为NaOH,放电时Na+通过x膜移向R区,C正确。
归纳总结充电电池类题目的解答方法(1)电池放电时发生原电池反应,充电时发生电解池反应,在充电时电池的负极接电源的负极后为阴极,电池的正极接电源的正极后为阳极。(2)充电时的阴极反应与放电时的负极反应、充电时的阳极反应与放电时的正极反应分别互为逆反应。(3)阳极和负极都发生氧化反应,阴极和正极都发生还原反应。(4)电池放电时,电解质溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子从负极经导线流向正极;电池充电时,电解质溶液中的阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。(5)电极附近溶液的pH的变化,根据电极反应进行分析。
考向3.燃料电池典例突破以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池,下列说法正确的是( )A.放电过程中,K+均向负极移动B.放电过程中,KOH物质的量均减小C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大D.消耗1 ml O2时,理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
答案 C解析 碱性环境下,甲醇燃料电池总反应为2CH3OH+3O2+4KOH === 2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清洁燃料电池总反应为N2H4+O2 === N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C元素和N元素的化合价均为-2价,H元素的化合价为+1价,所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2+4O2+4KOH === 2K2CO3+N2+6H2O。
放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A错误;N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B错误;理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是:通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C正确;根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 ml O2生成的氮气的物质的量为1 ml,在标准状况下的体积为22.4 L,D错误。
针对训练1. HCOOH燃料电池的装置如下图,两电极间用允许K+和H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是( )
2. 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+
答案 B解析 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。
3.研究微生物燃料电池不仅可以获得高效能源,还能对工业污水等进行处理。利用微生物燃料电池处理含硫废水并电解制备KIO3
的原理如图所示,下列说法正确的是( )A.光照强度大小不影响KIO3的制备速率B.右侧电池中K+通过阳离子交换膜从P极移向Q极D.不考虑损耗,电路中每消耗1 ml O2,理论上Q极可制得342.4 g KIO3
答案 C解析 光照强度大小影响单位时间内生成氧气的量,即影响电流强度,会影响KIO3的制备速率,故A项错误;铂电极P为阴极,铂电极Q为阳极,当转移相同物质的量的e-时,阳极消耗的OH-的物质的量少,溶液中K+通过阳离子交换膜从Q极移向P极,故B项错误;N极为负极,硫氧化菌将FeSx氧化为S, S再
归纳总结书写燃料电池电极反应的技巧(1)首先写出正极反应(一般参加反应的是O2)(2)根据电池总反应减去正极反应确定负极反应。注意要消去总反应和正极反应中的O2。
形色各异的新型化学电源
考向1双液(或多液)电池
例1.(2023辽宁卷)某低成本储能电池原理如下图所示。下列说法正确的是( )
A.放电时负极质量减小B.储能过程中电能转变为化学能C.放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧D.充电总反应:Pb+ +2Fe3+ === PbSO4+2Fe2+
思路指导双液电池分析的步骤第一步:分析两极材料和两液的成分或两极区域中粒子的转化关系等,确定正负极。第二步:根据确定的两极,分析电极反应,离子移向和电子、电流方向等。第三步:明确问题,分析出正确答案。解析 电池放电时,负极反应式为Pb-2e-+ ══ PbSO4,可知负极质量增大,A项错误;储能过程为充电过程,将电能转化为化学能,充电时总反应为PbSO4+2Fe2+ ══ Pb+ +2Fe3+,B项正确、D项错误;放电时,H+向正极移动,通过质子交换膜移向电池右侧,C项错误。答案 B
突破方法燃料电池是利用燃料与氧气或空气或其他氧化剂进行反应,将化学能直接转化成电能的一类化学电源,基本工作原理与原电池相同:
解题的关键是正确分析书写电极反应。书写方法与信息型氧化还原反应方程式的书写相似:
针对训练1.某微生物燃料电池以对氯苯酚(分子式: C6H5OCl,用RCl表示)和醋酸钠为原料,其工作原理如下图所示。下列说法错误的是( )
A.工作时H+通过质子交换膜向左侧电极迁移B.左侧电极反应式为C6H5OCl+2e-+H+ ══ C6H5OH+Cl-C.反应中1 ml CH3COO-参与放电可生成8 ml H+D.放电后体系的pH降低
答案 C解析 该装置为原电池装置,根据图示可知醋酸根失去电子生成碳酸氢根,故右侧为负极,左侧为正极。工作时H+从负极移向正极,即通过质子交换膜向左侧电极迁移,A项正确;左侧电极上C6H5OCl得电子生成C6H5OH,反应式为C6H5OCl+2e-+H+ ══ C6H5OH+Cl-,B项正确;反应中CH3COO-参与放电的电极反应式为CH3COO--8e-+4H2O ══ 2 +9H+,1 ml CH3COO-可生成9 ml H+,C项错误;1 ml CH3COO-参与反应生成9 ml H+,转移8 ml电子,故有8 ml H+通过质子交换膜移向正极;转移8 ml电子,正极4 ml C6H5OCl反应消耗4 ml H+,体系中正极和负极的H+浓度增大,放电后体系的pH降低,D项正确。
2.(2023安徽宣城二模)甲酸燃料电池工作原理如下图所示,已知该半透膜只允许K+通过。下列有关说法错误的是( )
A.物质A是H2SO4B.K+经过半透膜自a极向b极迁移C.a极电极半反应为HCOO-+2e-+2OH- === +H2OD.Fe3+可以看作该反应的催化剂,可以循环利用
答案 C解析 由题图可知电池左侧电极发生HCOO-失去电子的反应生成 ,所在电极是负极,发生氧化反应;右边b为O2是正极,发生还原反应。铁的两种离子存在环境为酸性,且生成物为K2SO4,故物质A为H2SO4,A正确;阳离子K+由负极流向正极,B正确;a极电极发生氧化反应,半反应为HCOO-+2OH--2e- === +H2O,C错误;Fe3+与Fe2+可以进行循环,可看作该反应的催化剂,D正确。
考向2物质循环转化型电池
例2.(2023辽宁沈阳二模)上海交通大学利用光电催化脱除SO2与制备H2O2相耦合,高效协同转化过程如图。(BPM膜可将水解离为H+和OH-,向两极移动)
已知:①2H2O(l)+O2(g) === 2H2O2(aq) ΔGΘ=+233.6 kJ·ml-1②2OH-(aq)+SO2(g)+ O2(g) === (aq)+H2O(l) ΔGΘ=-374.4 kJ·ml-1下列分析正确的是( )A.α-Fe2O3是负极,电势更高B.正极区每消耗22.4 L氧气,转移2 ml e-C.当生成0.1 ml H2O2时,负极区溶液增加6.4 gD.总反应为SO2(g)+O2(g)+2OH-(aq) === (aq)+H2O2(aq),该过程为自发过程
思路指导由图示信息可知α-Fe2O3上二氧化硫失电子生成 ,α-Fe2O3为负极,负极电势低于正极电势,A错误;题中未指明是否为标准状况,不能根据气体体积确定气体的物质的量,B错误;正极反应:2H++O2+2e- === H2O2,生成0.1 ml H2O2时,转移0.2 ml电子,结合负极反应:4OH-+SO2-2e- === +2H2O,转移0.2 ml电子时,有0.1 ml (6.4 g) SO2转化为 进入溶液,同时BPM膜中解离出的OH-进入负极区,所以负极区溶液增重大于6.4 g,C错误;根据盖斯定律可知,总反应可由 ①+②得到,总反应的答案 D
突破方法可充电电池放电时遵循原电池原理,充电时遵循电解原理,其工作原理特点如下:如果已知可充电电池的总反应,书写较难写的电极反应时,可先写出较易写的电极反应,然后用总反应减去较易写的电极反应,即可得出较难写的电极反应。
针对训练3.微生物电池是在微生物作用下将化学能转化为电能的装置。利用微生物电池处理含铬废水可以回收铬,其工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A.a电极为电池负极B.b极的电极反应为Cr3++3H2O === Cr(OH)3+3H+C.每处理1 ml ,a电极上会生成1.5 ml CO2D.反应完毕后溶液的pH会升高
4.(2023辽宁模拟)双盐Mg-CS2电池由Li+替代了Mg2+在正极材料中的嵌入,解决了Mg2+扩散缓慢、锂离子电池锂枝晶生长等问题,其充、放电过程如图所示。下列说法错误的是( )
A.放电时,CS2电极的电势高于Mg电极B.放电时,每转移2 ml e-,正极质量减少14 gC.充电时,若充电电压为2.0 V,可能造成电池性能衰减D.充电时,充电电压为2.75 V时,阳极反应为C+2Li2S-4e- === CS2+4Li+
答案 B解析 放电时,Mg作负极,CS2电极为正极,正极的电势高于负极,则CS2电极的电势高于Mg电极,A正确;放电时,右侧电极为正极,电极反应式为CS2+4Li++4e- ===C+2Li2S,每转移2 ml e-,正极质量增加2 ml×7 g·ml-1 =14 g,B错误;若充电电压为2.0 V,充电过程中C会转化为C3S4,放电时C3S4不能参与反应,故会造成电池性能衰减,C正确;若充电电压为2.75 V,右侧电极为阳极,电极反应式为C+2Li2S-4e- === CS2+4Li+,D正确。
例3.(2023河北张家口一模)利用同种气体在两极浓度不同而产生电势差可设计成气体浓差电池,利用浓差电池可测定混合气体中某气体含量。实验室通过氧气浓差电池测定空气中氧气含量的工作原理如图所示,其中在参比电极上通入纯氧气,测量电极上通入空气。下列说法错误的是( )
A.熔融ZrO2、CaO混合物可用于传递O2-B.工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极C.工作时,用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确D.相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越高
思路指导氧气在反应中得到电子发生还原反应,则参比电极作正极,氧气得电子转化为O2-,负极O2-失电子生成氧气,电子由负极经外电路流向正极,熔融金属氧化物电离出的氧离子向负极定向移动可用于传递O2-,A正确;电子由负极经外电路流向正极,故工作时,电子由测量电极经外电路流向参比电极,B正确;负极氧离子失去电子发生氧化反应会不断生成氧气,混合气体氧气浓度增大,故用初期读数计算所得空气中氧气含量更准确,C正确;两极氧气浓度差越大,两极电势差越大,则相同压强下,电势差越大,空气中氧气含量越低,D错误。答案 D
突破方法 浓差电池的分析方法浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质具有浓度差,离子均由“高浓度”移向“低浓度”,依据阴离子移向负极区域,阳离子移向正极区域判断电池的正极、负极,这是解答问题的关键。例如:
①a极:Ag-e- === Ag+(负极);b极:Ag++e- === Ag(正极)。② 通过交换膜移向a极。
针对训练5.如图是一种浓差电池,阴、阳离子交换膜交替放置,中间的间隔交替充以河水和海水,选择性透过Cl-和Na+,在两电极板形成电势差,进而在外部产生电流。下列关于该电池的说法正确的是( )
A.a电极为电池的正极,电极反应式为2H++2e- === H2↑B.C为阴离子交换膜,A为阳离子交换膜C.负极隔室的电中性溶液通过阳极表面的还原作用维持D.该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵,电极产物也没有经济价值
答案 A解析 依据电子的移动方向判断b电极为负极,a电极为正极,氢离子得到电子在正极放电,电极反应式:2H++2e- === H2↑,A正确;阳离子移向负极,Na+移向a极,C为阳离子交换膜,Cl-移向b极,A为阴离子交换膜,B错误;负极隔室中Na+透过C(阳离子交换膜)移入河水,维持负极隔室溶液的电中性,C错误;离子交换膜价格昂贵,但两极产物氢气、氯气是工业制盐酸等的原料,D错误。
1.(2023广东卷)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图。下列说法正确的是( )
A.Ag作原电池正极B.电子由Ag经活性炭流向PtC.Pt表面发生的电极反应:O2+2H2O+4e- === 4OH-D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,最多去除1 ml Cl-
答案 B解析 O2在Pt极得电子发生还原反应,Pt为正极,Ag为负极,A错误;电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt,B正确;溶液为酸性,故Pt表面发生的电极反应为O2+4H++4e- === 2H2O,C错误;负极反应为Ag-e-+Cl- === AgCl,每消耗标准状况下11.2 L的O2,转移电子2 ml,故最多去除2 ml Cl-,D错误。
2.(2023新课标卷)一种以V2O5和Zn为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质溶液的电池,其示意图如下所示。放电时,Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是( )
A.放电时V2O5为正极B.放电时Zn2+由负极向正极迁移C.充电总反应:xZn+V2O5+nH2O === ZnxV2O5·nH2OD.充电阳极反应:ZnxV2O5·nH2O-2xe- === xZn2++V2O5+nH2O
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