化学选择性必修1第四章 化学反应与电能第一节 原电池导学案及答案

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1. 认识常见的化学电源。
2. 掌握一次电池和二次电池的工作原理，会书写电极反应式。
一、 能力打底 概念辨析
判断下列说法的正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。
(1) 锌银电池中负极是锌，工作时发生还原反应。( × )
(2) 二次电池的充电反应和放电反应互为可逆反应。( × )
(3) 镍镉电池的工作原理是Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up12(放电),\s\d10(充电))2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，所以电解质可以是硫酸。( × )
(4) 废旧电池中含汞、镉、铅、镍等重金属，随意丢弃会污染环境，应对废旧电池分类回收，集中处理。( √ )
[解析] (2) 二次电池的充电反应和放电反应条件不同，不是可逆反应。
二、 一次电池
1. 碱性锌锰干电池
负极反应： Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 。
正极反应： 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 。
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋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＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag 。
三、 二次电池(可充电电池)
铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是 Pb ，正极材料是 PbO2 。
总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up12(放电),\s\d10(充电))2PbSO4＋2H2O
1. 放电时的反应——原电池
负极： Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)－2e－===PbSO4(s)(氧化反应) 。
正极： PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)(还原反应) 。
2. 充电时的反应——电解池
阴极： PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)(还原反应) 。
阳极： PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)(氧化反应) 。
3. 充、放电时各电极上发生的反应
类型1 一次电池原理应用
(2022·南京一中)微型锌银电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。下列说法正确的是( C )
A. 电池工作过程中，KOH溶液的浓度减小
B. 电池工作过程中，电解液中的OH－向正极迁移
C. 负极发生反应Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
D. 正极发生反应Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2O
[解析] 由电池总反应Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2可知，反应中n(KOH)不变，但电池反应消耗了H2O，所以电池工作过程中，KOH溶液的浓度增大， A错误；电池工作过程中，电解质溶液中阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，所以电解液中的OH－向负极迁移， B错误；由电池总反应可知，Zn失电子、发生氧化反应作负极，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2, C正确；Ag2O得到电子、发生还原反应作正极，电极反应式为Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，D错误。
类型2 二次电池原理应用
铅蓄电池是一种典型的可充电电池，其放电时的电池总反应式为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SOeq \\al(2－,4)===2PbSO4＋2H2O。下列说法中错误的是( A )
A. 电池工作时，负极反应式为Pb－2e－===Pb2＋
B. 铅蓄电池是二次电池，充电时电能转化为化学能
C. 电池工作时，电子由Pb板通过导线流向PbO2板
D. 电池工作时，溶液中的H＋移向PbO2板
[解析] 电池工作时，负极反应式为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4，A错误；铅蓄电池是可充电电池、二次电池，充电时作为电解池，将电能转化为化学能储存，B正确；电池工作时，电子从负极Pb沿导线流向正极PbO2，C正确；电池工作时，内电路中阳离子H＋移向正极PbO2，阴离子SOeq \\al(2－,4)移向负极Pb，D正确。
类型3 浓差电池
某热再生浓差电池的工作原理如右下图所示，通入NH3时电池开始工作，左侧电极质量减少，右侧电极质量增加，中间A为阴离子交换膜，放电后可利用废热进行充电再生。已知：Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋。下列说法错误的是( B )
A. 放电时，左侧电极发生氧化反应：Cu＋4NH3－2e－===[Cu(NH3)4]2＋
B. 放电时，电池的总反应为Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋ ΔH＞0
C. 放电时，NOeq \\al(－,3)经离子交换膜由右侧向左侧迁移
D. 上述原电池的形成说明，相同条件下，[Cu(NH3)4]2＋的氧化性比Cu2＋的氧化性弱
[解析] 电池开始工作时，左侧电极质量减少，右侧电极质量增加，则左侧电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为Cu＋4NH3－2e－===[Cu(NH3)4]2＋，A正确；右侧电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，则电池的总反应为Cu2＋＋4NH3[Cu(NH3)4]2＋，ΔH＜0，B错误；A为阴离子交换膜，则放电时，NOeq \\al(－,3)经离子交换膜由右侧向左侧迁移，C正确；由原电池的总反应为氧化还原反应可知，氧化性：Cu2＋＞[Cu(NH3)4]2＋，D正确。
1. 碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以KOH溶液为电解质溶液，电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH。下列说法中错误的是( C )
A. 电池工作时，锌失去电子
B. 电池正极的电极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
C. 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D. 外电路中每通过0.2 ml电子，锌的质量理论上减少6.5 g
[解析] 由所给的电池总反应式可知，电池工作时，每有1 ml Zn参与反应，则会有2 ml 电子从负极Zn经外电路流向正极，Zn在负极失去电子，正极发生反应：2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(s)＋2OH－(aq)。外电路中每通过0.2 ml电子，Zn的质量减少6.5 g。故C错误。
2. (2023·泰州模拟)锂(Li)—空气电池的工作原理如右图所示，下列说法错误的是( C )
A. 金属锂作负极，发生氧化反应
B. Li＋通过有机电解质向水溶液处移动
C. 正极的反应式：O2＋4e－===2O2－
D. 电池总反应式：4Li＋O2＋2H2O===4LiOH
[解析] 在锂空气电池中，金属锂失去电子，发生氧化反应，为负极，A正确；Li在负极失去电子变成了Li＋，会通过有机电解质向水溶液处(正极)移动，B正确；正极处的氧气得到了电子后与氢结合形成氢氧根，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C错误；负极的反应式为Li－e－===Li＋，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，电池的总反应式为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，D正确。
3. 科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2，同时产生电能，其原理如右图所示。下列有关该电池的说法正确的是( D )
A. 氧化银电极上的反应为Ag2O＋2e－===2Ag＋O2－
B. 石墨电极上的反应为C6H12O6＋6H2O＋24e－===6CO2↑＋24H＋
C. 每转移4 ml电子，氧化银电极产生22.4 L CO2气体(标准状况)
D. 30 g C6H12O6参与反应，有4 ml H＋经质子交换膜进入正极区
[解析] C6H12O6在微生物作用下转化为CO2和H2O，C6H12O6被氧化，即石墨电极为负极，氧化银电极为正极，Ag2O发生还原反应，电极反应式为Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2O, A错误；石墨电极为负极，C6H12O6在负极发生氧化反应：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，B错误；根据负极的电极反应式可知，每转移4 ml电子，石墨电极产生22. 4 L CO2(标准状况), C错误；30 g C6H12O6的物质的量为eq \f(30 g,180 g/ml)＝eq \f(1,6)ml，根据负极的电极反应式可知，有4 ml H＋经质子交换膜进入正极区， D正确。
4. 铅蓄电池的主要构造如右下图所示，它是目前使用量最大的二次电池(设工作时固体生成物附集在电极板上)。
(1) 当某一电极反应式为PbO2＋2e－＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋===PbSO4＋2H2O时，电池中的能量转化形式为 化学能转化为电能 ，此时另一个电极发生反应的反应类型为 氧化反应 。
(2) 充电时PbO2(s)电极应与电源的 正 极相连，充电时总反应式为 2PbSO4＋2H2Oeq \(=====,\s\up12(通电))PbO2＋Pb＋2H2SO4 。
(3) 放电生成的固体会附集在电极表面，若工作中正极质量增加96 g时，理论上电路中转移的电子数为 3 ml，此过程中电池消耗 3 ml H2SO4。
[解析] (1) 由电池构造图知，Pb是负极，PbO2是正极，故当PbO2得到电子时，表明此时电池处于放电过程，化学能转化为电能；此过程中，负极发生氧化反应。(3) 放电时正极反应为PbO2＋2e－＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋===PbSO4＋2H2O，当有1 ml PbO2发生反应生成1 ml PbSO4时，正极质量增加64 g，同时电路中转移2 ml电子，当正极质量增加96 g时，表明有1.5 ml PbO2发生了反应，转移的电子数为3 ml，由电池总反应式知共消耗3 ml H2SO4。

1.(2023·苏州期中)下列有关原电池的说法错误的是( A )
A. 图甲所示装置中，盐桥中的K＋向盛有ZnSO4溶液的烧杯中移动
B. 图乙所示装置中，正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
C. 图丙所示装置中，使用一段时间后，锌筒会变薄
D. 图丁所示装置中，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] 甲装置构成原电池，锌作负极，铜作正极，钾离子移向正极，即装有硫酸铜溶液的烧杯，A错误；氧化银得电子发生还原反应，即Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，B正确；锌筒作负极被消耗，故使用一段时间后，锌筒会变薄，C正确；铅酸蓄电池总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up12(放电),\s\d10(充电))2PbSO4＋2H2O，消耗了硫酸同时生成水和难溶的硫酸铅，故电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，D正确。
2. 普通锌锰干电池在放电时电池总反应式可以表示为Zn＋2MnO2＋2NHeq \\al(＋,4)===Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O。该电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是( A )
A. MnO2和NHeq \\al(＋,4) B. Zn2＋和NHeq \\al(＋,4)
C. Zn D. 碳棒
3.(2023·淮安期末改编)下列为三个常用的电化学装置，关于它们的叙述正确的是( D )
A. 图(a)中，MnO2的作用是催化剂
B. 图(b)电池放电过程中，负极板的质量不断减小，正极板的质量不断增加
C. 图(b)装置工作过程中，电解质溶液的pH始终不变
D. 图(c)电池放电过程中，Ag2O是氧化剂，电池工作过程中还原为Ag
4. 右图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法中错误的是( A )
A. 该电池的负极反应式：CH3CH2OH ＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
B. 该电池的正极反应式：O2 ＋4e－＋4H＋===2H2O
C. 电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极
D. 微处理器通过检测电流的大小计算被测气体中酒精的含量
[解析] 由图示可知，呼气时进去的是 CH3CH2OH，出来的是CH3COOH，负极的电极反应式为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋，A错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成H2O，B正确；电流由正极流向负极，C正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D正确。
5. 浓差电池有多种：一种是利用物质的氧化性或还原性强弱与浓度的关系设计的原电池；一种是根据电池中存在浓度差会产生电动势而设计的原电池。图1所示原电池能在一段时间内形成稳定电流；图2所示原电池既能从浓缩海水中提取LiCl，又能获得电能。下列说法中错误的是( B )
A. 图1电流计指针不再偏转时，左右两侧溶液的浓度恰好相等
B. 图1电流计指针不再偏转时，向左侧加入NaCl或AgNO3或Fe粉，指针又会偏转且方向相同
C. 图2中Y极每生成1 ml Cl2，a极区得到2 ml LiCl
D. 两个原电池外电路中电子流动方向均为从右到左
[解析] 图1左边AgNO3溶液浓度大，为正极，右边浓度小，为负极。NOeq \\al(－,3)从左向右不断移动，当两边浓度相等时，则指针不再偏转，A正确；开始时图1左边为正极，右边为负极，图1电流计指针不再偏转时，向左侧加入NaCl或Fe，左侧Ag＋的浓度减小，则左边为负极，右边为正极，加入AgNO3，左侧Ag＋的浓度增加，则左边为正极，右边为负极，因此指针又会偏转但方向不同，B错误；图2中Y极每生成1 ml Cl2，转移2 ml电子，因此2 ml Li＋移向a极得到2 ml LiCl，C正确；两个电极左边都为正极，右边都为负极，因此两个原电池外电路中电子流动方向均为从右到左，D正确。
6. Mg－H2O2燃料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，原理如右图所示。该电池工作时，下列说法中正确的是( C )
A. Mg电极是该电池的正极
B. H2O2在Pt电极上发生氧化反应
C. Pt电极附近溶液的pH增大
D. 溶液中Cl－向正极移动
[解析] Mg易失电子发生氧化反应，作负极， A错误；H2O2在Pt电极上得电子发生还原反应， B错误；Pt电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，H＋的浓度减小，则溶液pH增大， C正确；放电时，Cl－向负极移动， D错误。
7.(2023·沭阳模拟)负载有Pt和Ag的活性炭，可选择性去除Cl－实现废酸的纯化，其工作原理如右图。下列说法正确的是( B )
A. Ag作原电池正极
B. 电子由Ag经活性炭流向Pt
C. 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 mlCl－
[解析] O2在Pt表面得电子发生还原反应，Pt为正极，Cl－在Ag极失去电子发生氧化反应，Ag为负极。由分析可知，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；每消耗标准状况下11.2 L的O2，转移电子2 ml，而2 mlCl－失去2 ml电子，故最多去除2 mlCl－，D错误。
8. (2022·栟茶中学)肼(N2H4)－空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池总反应式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时的说法中正确的是( D )
A. 溶液的pH保持不变
B. 溶液中的阴离子向正极移动
C. 正极的反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D. 负极的反应为N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑
[解析] 因为有水生成，溶液的pH会减小，A错误；原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，B错误；溶液介质为碱性，正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C错误；负极上发生燃料失电子的氧化反应，即N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑，D正确。
9. 利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如右图所示。下列说法中错误的是( C )
A. 电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B. 为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜
C. 电极A的反应为2NH3－6e－===N2＋6H＋
D. 当有4.48 L NO2(标准状况)被处理时，转移电子为0.8 ml
[解析] 电极A为负极，电极B为正极。负极电极反应式为8NH3－24e－＋24OH－===4N2＋24H2O，正极电极反应式为6NO2＋24e－＋12H2O===3N2＋24OH－。因为为碱性介质，所以应选用阴离子交换膜。根据正极反应式，转移电子为eq \f(0.2,6)×24 ml＝0.8 ml。故选C。
10.(2022·如皋期中)一种利用电化学方法处理弱酸性溶液中NOeq \\al(－,3)的原理如右图所示。下列说法错误的是( D )
A. Fe作负极、Fe3O4作正极
B. Fe所发生的电极反应为3Fe－8e－＋4H2O===Fe3O4＋8H＋
C. 溶液酸性不能过大，酸性过大可能会导致处理的NOeq \\al(－,3)偏少
D. 反应结束后溶液的pH降低
[解析] 据图可知Fe将溶液中的NOeq \\al(－,3)转化为NHeq \\al(＋,4)以消除污染，N元素的化合价由＋5转化为－3，被还原，则Fe被氧化，Fe作负极、Fe3O4作正极，A正确；Fe作还原剂，失去电子发生氧化反应，生成Fe3O4，负极反应式为3Fe－8e－＋4H2O===Fe3O4＋8H＋，B正确；Fe3O4能与酸反应，酸性过大可能会导致Fe3O4生成率降低，导致转移电子数减少，根据电子守恒，可能会导致处理的NOeq \\al(－,3)偏少，C正确；该装置中的总反应为3Fe＋NOeq \\al(－,3)＋2H＋＋H2O===Fe3O4＋NHeq \\al(＋,4)，消耗氢离子，氢离子的浓度减小，pH增大，D错误。
11. Mg-空气电池的工作原理如右图所示。下列说法中错误的是( C )
A. 电池工作时，电极N上会生成少量气体，该气体可能是H2
B. 电池工作时，电子由电极M经外电路流向电极N
C. 若采用阴离子交换膜，能防止负极区形成Mg(OH)2沉淀
D. 电池工作时的主要反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2
[解析] 分析题图，Mg－空气电池的电极N通入了空气，得到电子，则电极M为负极，N为正极。电池工作时，电极N上会生成少量气体，可能是溶液中的H＋得到电子产生的H2，A正确；电池工作时，电子由负极(电极M)经外电路流向正极(电极N)，B正确；若采用阴离子交换膜，则负极区形成Mg(OH)2沉淀，所以应采用阳离子交换膜，C错误；电池工作时的主要反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2，D正确。
12. 铅酸蓄电池是化学电源，其电极材料分别是Pb和PbO2，电解质溶液为稀硫酸，工作时该电池的总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。试根据上述情况判断：
(1) 蓄电池的负极材料是 Pb 。
(2) 工作时，正极反应式为 PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O 。
(3) 工作时，电解质溶液的pH 增大 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(4) 工作时，电解质溶液中阴离子移向 负 极。
(5) 电流方向从 正 极流向 负 极。
13. (2022·天一中学)(1) 近几年开发的甲醇燃料电池采用铂作电极，电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过，其工作原理示意图如图1。请回答下列问题：
①Pt(a)电极反应式为 CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋ 。
②如果该电池工作时，电路中通过2 ml电子，则消耗的CH3OH有 eq \f(1,3) ml。
(2) 某科研单位利用电化学原理用SO2制备硫酸，装置如图2所示。电极为多孔的材料，能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触。
①通入SO2的电极，其电极反应式为 SO2－2e－＋2H2O===SOeq \\al(2－,4)＋4H＋ 。
②电解质溶液中的H＋通过质子交换膜 向右 (填“向左”“向右”或“不”)移动。
③电池总反应式为 2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4(或2SO2＋O2＋2H2O===4H＋＋2SOeq \\al(2－,4)) 。
[解析] (1) ①燃料电池中通入燃料的一极为负极，通入氧气的一极为正极，电解质溶液为稀硫酸，则Pt(a)电极为负极，据此写出负极反应式；②根据负极反应式可知，如果该电池工作时，电路中通过2 ml电子，则消耗的 CH3OH 有eq \f(1,3) ml。 (2)①该装置为原电池装置，欲用SO2制备硫酸，根据S元素化合价的变化可知，通入SO2的一极为负极，则通入氧气的一极为正极，在负极上SO2中的S元素化合价升高，产物为SOeq \\al(2－,4)，电解质溶液呈酸性，则写出电极反应式；②原电池中，阳离子移向正极，则电解质溶液中的H＋通过质子交换膜向右移动；③正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，可写出电池总反应式。