原电池原理的全面突破Word格式.docx
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还原反应
电子流向
由Zn沿导线流向Cu
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
盐桥
的作用
(1)平衡电荷;
(2)避免断路时发生化学腐蚀(隔离作用)
说明
(1)无论是装置Ⅰ还是装置Ⅱ,电子均不能通过电解质溶液。
(2)在装置Ⅰ中,由于不可避免会直接发生Zn+Cu2+===Cu+Zn2+而使化学能转化为热能,所以装置Ⅱ的能量转化率高。
题组一 对比设计两类原电池
1.[2013·
广东理综,33
(2)(3)]
(2)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(见上图),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以铜片为电极之一,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、乙两种原电池可更有效地将化学能转化为电能的是________,其原因是_______________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)根据牺牲阳极的阴极保护法原理,为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀,在
(2)的材料中应选__________作阳极。
答案
(2)①
(或其他合理答案)
②电极逐渐溶解,表面有红色固体析出
③甲 在甲装置中,负极不和Cu2+接触,避免了Cu2+直接与负极发生反应而使化学能转化为热能
(3)锌片
解析
(2)①根据题给条件和原电池的构成条件可得:
a.若用Zn、Cu、CuSO4(aq)、ZnSO4(aq)组成原电池,Zn作负极,Cu作正极,Zn插入到ZnSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
b.若用Fe、Cu、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)组成原电池,Fe作负极,Cu作正极,Fe插入到FeSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
c.注意,画图时要注意电极名称、电极材料、电解质溶液名称(或化学式),并形成闭合回路。
②由于金属活动性Zn>
Fe>
Cu,锌片或铁片作负极,由于Zn或Fe直接与CuSO4溶液接触,工作一段时间后,负极逐渐溶解,表面有红色固体析出。
③带有盐桥的甲原电池中负极没有和CuSO4溶液直接接触,二者不会直接发生置换反应,化学能不会转化为热能,几乎全部转化为电能;
而原电池乙中的负极与CuSO4溶液直接接触,两者会发生置换反应,部分化学能转化为热能,化学能不可能全部转化为电能。
(3)由牺牲阳极的阴极保护法可得,铁片作正极(阴极)时被保护,作负极(阳极)时被腐蚀,所以应选择比铁片更活泼的锌作负极(阳极)才能有效地保护铁不被腐蚀。
方法归纳
原电池的设计思路
首先根据离子方程式判断出氧化剂、还原剂,明确电极反应。
然后再分析两剂状态确定电极材料,若为固态时可作电极,若为溶液时则只能作电解质溶液。
然后补充缺少的电极材料及电解质溶液。
电极材料一般添加与电解质溶液中阳离子相同的金属作电极(使用惰性电极也可),电解质溶液则是一般含有与电极材料形成的阳离子相同的物质。
最后再插入盐桥即可。
题组二 “盐桥”的作用与化学平衡的移动
2.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。
下列判断不正确的是( )
A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原
C.电流表读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流表读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子生成Fe2+被还原,I-失去电子生成I2被氧化,所以A、B正确;
电流表读数为零时Fe3+得电子速率等于Fe2+失电子速率,反应达到平衡状态;
D项在甲中溶入FeCl2固体,平衡2Fe3++2I-2Fe2++I2向左移动,I2被还原为I-,乙中石墨为正极,不正确。
3.某同学为探究Ag+和Fe2+的反应,按下图连接装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应),发现电压表指针偏移。
电子由石墨经导线流向银。
放置一段时间后,向甲烧杯中逐渐加入浓Fe2(SO4)3溶液,发现电压表指针的变化依次为偏移减小―→回到零点―→逆向偏移。
则电压表指针逆向偏移后,银为________极(填“正”或“负”)。
由实验得出Ag+和Fe2+反应的离子方程式是__________________________________________________________________。
答案 负 Fe2++Ag+Fe3++Ag
1.把氧化剂、还原剂均为溶液状态的氧化还原反应设计成原电池时,必须使用盐桥才能实现氧化剂与还原剂的分离,否则不会有明显的电流出现。
2.电子流向的分析方法
(1)改变条件,平衡移动;
(2)平衡移动,电子转移;
(3)电子转移,判断区域;
(4)根据区域,判断流向;
(5)根据流向,判断电极。
考点二 几种重要的化学电池
高考中常见的新型电池有“氢镍电池”、“高铁电池”、“碱性锌锰电池”、“海洋电池”、“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池)、“锂离子电池”、“锌银电池”、“纽扣电池”、“Mg—AgCl电池”、“Mg—H2O2电池”等。
新型电池是对电化学原理的综合考查,在高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。
1.判断电极
(1)“放电”时正、负极的判断
①负极:
元素化合价升高或发生氧化反应的物质;
②正极:
元素化合价降低或发生还原反应的物质。
(2)“充电”时阴、阳极的判断
①阴极:
“放电”时的负极在“充电”时为阴极;
②阳极:
“放电”时的正极在“充电”时为阳极。
2.微粒流向
(1)电子流向
①电解池:
电源负极→阴极,阳极→电源正极;
②原电池:
负极→正极。
提示:
无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。
(2)离子流向
阳离子移向阴极,阴离子移向阳极;
阳离子移向正极,阴离子移向负极。
3.书写电极反应式
(1)“放电”时电极反应式的书写
①依据条件,指出参与负极和正极反应的物质,根据化合价的变化,判断转移电子的数目;
②根据守恒书写负极(或正极)反应式,特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。
(2)“充电”时电极反应式的书写
充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。
特别提醒 在书写“放电”时电极反应式时,要注意:
(1)阳离子在正极上参与反应,在负极上就必须生成;
(2)阴离子在负极上参与反应,在正极上就必须生成。
题组一 “一池多变”的燃料电池
1.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+。
下列有关说法正确的是( )
A.检测时,电解质溶液中的H+向负极移动
B.若有0.4mol电子转移,则在标准状况下消耗4.48L氧气
C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O
D.正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
答案 C
解析 解答本题时审题是关键,反应是在酸性电解质溶液中进行的。
在原电池中,阳离子要往正极移动,故A错;
因电解质溶液是酸性的,不可能存在OH-,故正极的反应式为O2+4H++4e-===2H2O,转移4mol电子时消耗1molO2,则转移0.4mol电子时消耗2.24LO2,故B、D错;
电池反应式即正、负极反应式之和,将两极的反应式相加可知C正确。
2.(2015·
江苏,10)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。
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
解析 A项,
H4→
O,则该反应中每消耗1molCH4转移6mol电子,错误;
该电池的传导介质为熔融的碳酸盐,所以A电极即负极上H2参与的电极反应为H2-2e-+CO
===CO2+H2O,错误;
C项,原电池工作时,阴离子移向负极,而B极是正极,错误;
D项,B电极即正极上O2参与的电极反应为O2+4e-+2CO2===2CO
,正确。
类型“全”归纳
不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写,大多数学生感到较难。
主要集中在:
一是得失电子数目的判断,二是电极产物的判断。
下面以CH3OH、O2燃料电池为例,分析电极反应式的书写。
(1)酸性介质,如H2SO4。
CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在H+作用下生成H2O。
电极反应式为
负极:
CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+
正极:
O2+6e-+6H+===3H2O
(2)碱性介质,如KOH溶液。
CH3OH在负极上失去电子,在碱性条件下生成CO
,1molCH3OH失去6mole-,O2在正极上得到电子生成OH-,电极反应式为
CH3OH-6e-+8OH-===CO
+6H2O
O2+6e-+3H2O===6OH-
(3)熔融盐介质,如K2CO3。
在电池工作时,CO
移向负极。
CH3OH在负极上失去电子,在CO
的作用下生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在CO2的作用下生成CO
,其电极反应式为
CH3OH-6e-+3CO
===4CO2↑+2H2O
O2+6e-+3CO2===3CO
(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质,在高温下能传导正极生成的O2-。
根据O2-移向负极,在负极上CH3OH失电子生成CO2气体,而O2在正极上得电子生成O2-,电极反应式为
CH3OH-6e-+3O2-===CO2↑+2H2O
O2+6e-===3O2-
题组二 “久考不衰”的可逆电池
(一)“传统”可逆电池的考查
3.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+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2。
有关该电池的说法正确的是( )
A.放电时负极得电子,质量减轻
B.放电
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