高考化学总复习备考练优选重难点课件第6章 第2节原电池 化学电源.docx
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高考化学总复习备考练优选重难点课件第6章第2节原电池化学电源
考点一 原电池的工作原理及应用
[思维流程]
原电池的工作原理
1.概念
原电池是把化学能转化为电能的装置。
2.构成条件
反应
能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合回路
①电解质溶液
②两电极直接或间接接触
③两电极插入电解质溶液中
3.工作原理(可用简图表示如下)
总反应离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑
(1)电极
①负极:
失去电子,发生氧化反应;
②正极:
得到电子,发生还原反应。
(2)电子定向移动方向和电流方向
①电子从负极流出经外电路流入正极;
②电流从正极流出经外电路流入负极;
故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
(3)离子移动方向
阴离子向负极移动(如SO
),阳离子向正极移动(如Zn2+和H+,溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
4.注意事项
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。
(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(3)无论在原电池中还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
5.单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)对比
名称
单液原电池
双液原电池
装置
相同点
正、负极电极反应,总反应式,电极现象
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,既有化学能转化为电能,又有化学能转化为热能,造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触,仅有化学能转化为电能,避免了能量损耗,故电流稳定,持续时间长
6.原电池正、负极的判断
[注意] 原电池的正极和负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
[对点训练]
1.判断正误(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(√)
(2)原电池放电时,电流方向由电源的负极流向正极(×)
(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(×)
(4)带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长(√)
2.如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的电极反应式为Cu2++2e-===Cu
C.该原电池的总反应为2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+
D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递电子
解析:
选C 该原电池的总反应为2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+。
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+,电极Ⅱ为原电池负极,发生氧化反应,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+。
盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递离子。
3.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-。
[规律方法]
原电池电极反应式的书写
原电池原理的四大应用
1.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加快。
如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池,反应速率加快。
2.金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。
如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
3.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。
4.设计制作化学电源
(1)首先将氧化还原反应分成两个半反应。
(2)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。
如:
根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
设计的原电池为:
[对点训练]
4.(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀H2SO4中,同时向a中放入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是( )
解析:
选D a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,Zn的量减少,产生H2的量减少,但ZnCu稀H2SO4形成原电池,加快反应速率,D项图示符合要求。
5.(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀,可采取的措施有( )
A.与石墨棒相连 B.与铜板相连
C.埋在潮湿、疏松的土壤中D.与锌板相连
解析:
选D A项,石墨棒与铁构成原电池,铁活泼,失电子作负极,被腐蚀;B项,铜板与铁构成原电池,铁比铜活泼,失电子作负极,被腐蚀;C项,在潮湿、疏松的土壤中,铁与铁中的碳、水、空气构成原电池,铁失电子作负极,被腐蚀;D项,锌板与铁构成原电池,锌比铁活泼,锌失电子作负极,锌被腐蚀,铁被保护。
6.(比较金属活动性)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:
实验装置
部分实验现象
a极质量减小;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
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
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。
综合所述可知活动性:
d>a>b>c。
7.(设计制作化学电源)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。
请回答下列问题:
(1)请补充下面原电池的装置图,在括号内填上正负极的材料、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,则此时该溶液中电极变为__________(填“正”或“负”)极。
解析:
(1)依据原电池原理分析,氧化还原反应中Fe3+在正极上得电子发生还原反应,I-在负极上发生氧化反应,负极所在的电解质溶液为KI溶液,正极所在的溶液为FeCl3溶液。
电极材料可选取惰性电极,如石墨或其他不活泼的金属。
(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。
(3)反应达到平衡时,从左到右和从右到左移动的电子数目相同,故无电流产生。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡2Fe3++2I-2Fe2++I2逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。
答案:
(1)如图
(2)2I--2e-===I2
(3)无 (4)负
[真题验收]
1.(2016·上海高考)图1是铜锌原电池示意图。
图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示( )
A.铜棒的质量 B.c(Zn2+)
C.c(H+)D.c(SO
)
解析:
选C 该装置构成原电池,Zn是负极,Cu是正极。
A项,在正极Cu上溶液中的H+获得电子变为氢气,Cu棒的质量不变,错误;B项,由于Zn是负极,不断发生反应Zn-2e-===Zn2+,所以溶液中c(Zn2+)增大,错误;C项,由于反应不断消耗H+,所以溶液的c(H+)逐渐降低,正确;D项,SO
不参加反应,其浓度不变,错误。
2.(2015·天津高考)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( )
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:
选C A项,Cu作正极,电极上发生还原反应,错误;B项,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,错误;C项,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64gCu析出,则进入乙池的Zn2+为65g,溶液总质量略有增加,正确;D项,由题干信息可知,阴离子不能通过阳离子交换膜,错误。
3.(2013·广东高考)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(见右图),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。
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__________________________________。
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________,其原因是________________________________________________。
解析:
③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。
答案:
①如右图所示
②有红色固体析出,负极被腐蚀
③甲 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
考点二 形形色色的化学电源
[思维流程]
一次电池
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-===2MnOOH+2OH-;
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+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+H2O===Zn(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-===SO
+2S↓+6Cl-;
总反应:
8Li+3SOCl2===6LiCl+Li2SO3+2S。
[典例1] 银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图。
下列说法不正确的是( )
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:
Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
[学审题析题]
第一步:
审题干信息
由反应原理Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag可得负极反应式:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;再由总反应式减负极反应式可得正极反应式:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-;由此可判断出C项正确。
第二步:
审装置图信息
第三步:
逐项分析定答案
由题干信息和装置图信息分析可知A、B、C三项均正确;再由总反应式可知:
放电前后n(OH-)的量不变,但n(H2O)减小,故放电前后c(OH-)增大,pH升高,由此可判断D项不正确,符合题意。
[答案] D
[对点训练]
1.(2018·长沙模拟)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。
某浓差电池的原理如图所示,该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。
下列有关该电池的说法错误的是( )
A.电池工作时,Li+通过离子导体移向b区
B.电流由X极通过外电路移向Y极
C.正极发生的反应为2H++2e-===H2↑
D.Y极每生成1molCl2,a区得到2molLiCl
解析:
选A 加入稀盐酸,在X极(正极)上生成氢气,发生还原反应,电极反应式为2H++2e-===H2↑,为正极反应,Y极生成Cl2,为负极反应,发生反应:
2Cl--2e-===Cl2↑,原电池中电流从正极流向负极,阳离子向正极移动,则电池工作时,Li+向正极a区移动,A错误;电流由正极X极通过外电路移向负极Y极,B正确;在X极(正极)上生成氢气,发生还原反应,电极反应式为2H++2e-===H2↑,C正确;Y极每生成1molCl2,则转移2mol电子,有2molLi+向正极移动,则a区得到2molLiCl,D正确。
2.某电池以K2FeO4和Zn为电极材料,KOH溶液为电解质溶液。
下列说法正确的是( )
A.Zn为电池的负极
B.正极反应式为2FeO
+10H++6e-===Fe2O3+5H2O
C.该电池放电过程中电解质溶液浓度不变
D.电池工作时OH-向正极迁移
解析:
选A A.根据化合价升降判断,Zn化合价只能上升,故为负极材料,K2FeO4为正极材料,正确;B.KOH溶液为电解质溶液,则正极电极反应式为2FeO
+6e-+8H2O===2Fe(OH)3+10OH-,错误;C.由电池总反应式3Zn+2K2FeO4+8H2O===3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH可得,电解质溶液浓度变大,错误;D.电池工作时阴离子OH-向负极迁移,错误。
可充电电池(二次电池)
铅蓄电池是最常见的二次电池,其正极材料为PbO2,负极材料为Pb,电解质溶液为30%的稀H2SO4。
总反应为
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
[典例2] (2017·全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。
下列说法错误的是( )
A.电池工作时,正极可发生反应:
2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4
B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多
[学审题析题]
第一步:
审题干信息
①由题干中的电池反应16Li+xS8===8Li2Sx可得,负极反应式:
16Li-16e-===16Li+,再由总反应式减负极反应式,可得正极反应式:
xS8+16Li++16e-===8Li2Sx;
②电极a常用掺有石墨烯的S8,其原因是增加电极a的导电性,故C项正确。
第二步:
审装置图信息
第三步:
逐项分析定答案
由题干信息可知C项正确;由装置图信息可知A项正确;当外电路流过0.02mol电子时,负极有0.02molLi(质量为0.14g)被氧化为Li+,则负极质量减少0.14g,故B项正确;由电池充电为电解原理可知,阳极发生氧化反应,是放电时正极反应的逆反应;阴极发生还原反应,是放电时负极反应的逆反应。
故充电过程中,Li2S2的量逐渐减少,当电池充满电时,相当于达到平衡状态,电池中Li2S2的量趋于不变,D项错误,符合题意。
[答案] D
[规律方法] “加减法”书写新型化学电源电极反应式
若已知电池反应的总反应式,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,由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。
示例:
(1)总反应,如Li+LiMn2O4===Li2Mn2O4。
(2)写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)。
如Li-e-===Li+(负极)。
(3)利用总反应与上述的一极反应相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-===Li2Mn2O4(正极)。
[对点训练]
3.如图所示的水溶液锂离子电池体系。
下列叙述错误的是( )
A.a为电池的正极
B.电池充电反应为
LiMn2O4===Li1-xMn2O4+xLi
C.放电时,a极锂的化合价发生变化
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
解析:
选C 图示所给出的是原电池装置。
A项,由图示分析,金属锂易失电子,由原电池原理可知,含有锂的一端为原电池的负极,即b为负极,a为正极,故正确。
B项,电池充电时为电解池,反应式为原电池反应的逆反应,故正确。
C项,放电时,a极为原电池的正极,发生还原反应的是Mn元素,锂元素的化合价没有变化,故不正确。
D项,放电时为原电池,Li+为阳离子,应向正极(a极)迁移,故正确。
4.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-xCoO2+LixC6===LiCoO2+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1mole-,石墨(C6)电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
解析:
选C A.原电池中阳离子由负极向正极迁移,正确;B.放电时,负极发生氧化反应,电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6,正确;C.充电时,若转移1mol电子,石墨电极质量将增重7g,错误;D.充电时阳极发生氧化反应,电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,正确。
燃料电池
燃料电池电极反应式的书写
第一步:
写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2===CO2+2H2O①
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
第二步:
写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O;
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-;
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-===2O2-;
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-===2CO
。
第三步:
根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式
电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。
因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
[典例3] (2015·江苏高考)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。
下列有关该电池的说法正确的是( )
A.反应CH4+H2O
3H2+CO,每消耗1molCH4转移12mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO
向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO
[学审题析题]
第一步:
审题获取解题信息
由题干信息可知此装置为燃料电池
第二步:
逐项分析定答案
在审题环节中可得出D项正确;甲烷中的C为-4价,一氧化碳中的C为+2价,每个碳原子失去6个电子,因此每消耗1mol甲烷失去6mol电子,故A项错误;由于熔融盐中没有氢氧根离子,因此氢氧根离子不能参与电极反应,再由审题中可知电极反应式为CO+H2+2CO
-4e-===3CO2+H2O,故B项错误;CO
为阴离子,电池反应时应向负极(电极A)移动,故C项错误。
[答案] D
[对点训练]
5.(2018·汕头模拟)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图所示,下列说法正确的是( )
A.电子从b流出,经外电路流向a
B.HS-在硫氧化菌作用下转化为SO
的反应是HS-+4H2O-8e-===SO
+9H+
C.如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化
D.若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,则有0.5molH+通过质子交换膜
解析:
选B b电极通入氧气,是正极,a电极是负极,电子从a流出,经外电路流向b,A错误;a电极是负极,发生失去电子的氧化反应,即HS-在硫氧化菌作用下转化为SO
,电极反应是HS-+4H2O-8e-===SO
+9H+,B正确;如果将反应物直接燃烧,会有部分化学能转化为光能,因此能量的利用率会变化,C错误;若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,根据电荷守恒可知有0.4molH+通过质子交换膜与0.1mol氧气结合转化为水,D错误。
6.
(2018·哈尔滨模拟)新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图所示,(已知硼氢化钠中氢为-1价),有关该电池的说法正确的是( )
A.电极B材料中含MnO2层,MnO2可增强导电性
B.电池负极区的电极反应:
BH
+8OH--8e-===BO
+6H2O
C.放电过程中,Na+从正极区向负极区迁移
D.在电池反应中,每消耗1L6mol·L-1H2O2溶液,理论上流过电路中的电子为6NA个
解析:
选B A项,电极B采用MnO2,为正极,H2O2发生还原反应,得到电子被还原生成OH-,MnO2既作电极材料又有催化作用,错误;B项,负极发生氧化反应,电极反应式为BH
+8OH--8e-===BO
+6H2O,正确;C项,放电时,Na+向正极移动,错误;D项,在电池反应中,每消耗1L6mol·L-1H2O2溶液,理论上流过电路中的电子数=6mol·L-1×1L×2×NA/mol=12NA,错误。
[真题验收]
1.(2016·全国卷Ⅱ)MgAgCl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( )
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