第21讲原电池化学电源.docx
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第21讲原电池化学电源
第2讲 原电池 化学电源
考纲要求
1.了解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
考点一 原电池及其工作原理
1.概念
原电池是把化学能转化为电能的装置。
2.工作原理
以铜锌原电池为例
(1)原理分析
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
(2)两种装置比较
①盐桥作用:
a.连接内电路形成闭合回路。
b.维持两电极电势差(中和电荷),使电池能持续提供电流。
②装置Ⅰ中有部分Zn与Cu2+直接反应,使电池效率降低;装置Ⅱ中使Zn与Cu2+隔离,电池效率提高,电流稳定。
3.原电池的构成条件
(1)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。
①负极:
活泼性较强的金属。
②正极:
活泼性较弱的金属或能导电的非金属。
(2)电极均插入电解质溶液中。
(3)构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。
(4)能自发地发生氧化还原反应。
【感悟测评】
1.下列示意图中能构成原电池的是( )
答案:
B
2.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)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强。
( )
(3)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应。
( )
(4)相同情况下,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。
( )
(5)原电池电解质溶液中,阴离子一定移向负极。
( )
答案:
(1)√
(2)× (3)× (4)√ (5)√
1.原电池正、负极的判断
2.原电池电极反应式的书写
(1)一般电极反应式的书写
(2)复杂电极反应式的书写
=
-
如CH4酸性燃料电池中
CH4+2O2===CO2+2H2O……总反应式
2O2+8H++8e-===4H2O……正极反应式
CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+……负极反应式
考向一 原电池的工作原理
1.如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
M
N
P
A
Zn
Cu
稀H2SO4
B
Cu
Fe
稀HCl
C
Ag
Zn
AgNO3溶液
D
Zn
Fe
Fe(NO3)3溶液
解析:
在装置中电流计指针发生偏转,说明该装置构成了原电池,根据正负极的判断方法,溶解的一极为负极,增重的一极为正极,所以M棒为正极,N棒为负极,且电解质溶液能析出固体,则只有C项正确。
答案:
C
2.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
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↑
答案:
B
【速记卡片】 原电池正、负极判断方法
说明:
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。
考向二 盐桥原电池
3.如图所示,杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球,调节杠杆并使其在水中保持平衡,然后小心地向水槽中滴入浓CuSO4溶液,一段时间后,下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中,不考虑两球的浮力变化)( )
A.杠杆为导体或绝缘体时,均为A端高B端低
B.杠杆为导体或绝缘体时,均为A端低B端高
C.当杠杆为导体时,A端低B端高
D.当杠杆为导体时,A端高B端低
解析:
当杠杆为导体时,构成原电池,Fe作负极,Cu作正极,电极反应式分别为负极Fe-2e-===Fe2+,正极Cu2++2e-===Cu,铜球增重,铁球质量减轻,杠杆A低B高。
答案:
C
4.控制适合的条件,将反应2Fe3++I-
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
解析:
由图示结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子变成Fe2+被还原,I-失去电子变成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,C正确;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,D不正确。
答案:
D
【速记卡片】
当氧化剂得电子速率与还原剂失电子速率相等时,可逆反应达到化学平衡状态,电流表指针示数为零;当电流表指针往相反方向偏转,暗示电路中电子流向相反,说明化学平衡移动方向相反。
考点二 原电池原理的应用
1.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。
如有两种金属A和B,用导线将A和B连接后,插入到稀硫酸中,一段时间后,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,则说明A作负极,B作正极,则可以推出金属活动性A>B。
2.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。
例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
3.用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。
例如,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。
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:
【多维思考】
1.A、B两种金属用导线连接后,插入烧碱溶液中,若观察到A极溶解,而B极上有气体放出,该现象能否说明活动性A>B?
请举例说明。
提示:
不能。
如Mg、Al、NaOH溶液组成原电池时,Al极溶解、Mg极上有H2生成,但活动性:
Mg>Al。
2.镀锌铁桶破损后,铁桶仍能长时间使用,但镀锡铁桶破损后,破损处很快会出现小孔,其原因是什么呢?
提示:
镀锌铁桶破损后,形成原电池锌作负极,Fe得到保护;镀锡铁桶破损后,形成原电池,铁作负极,加速了铁的腐蚀。
(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。
(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率,但可能影响生成氢气的量。
需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。
(3)设计原电池时,负极材料确定之后,正极材料的选择范围较广,只要合理都可以。
考向一 判断金属的活泼性及反应速率
1.有a、b、c、d四种金属,将a与b用导线连接起来,浸入稀硫酸中,电极反应式之一为a-2e-===a2+;将a、d分别投入等浓度的盐酸中,d比a反应激烈;又知一定条件下能发生如下离子反应:
c2++b===b2++c,则四种金属的活动性由强到弱的顺序是( )
A.dcab B.dabc
C.dbacD.badc
解析:
a、b两金属连接后在稀H2SO4溶液中,a失电子,活泼性:
a>b;与酸反应d反应剧烈,活泼性:
d>a;根据离子反应,还原性:
还原剂大于还原产物,则活泼性:
b>c,综合以上有金属活泼性由强到弱顺序:
dabc。
答案:
B
2.(2018·揭阳二模)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:
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,发生:
Zn+Cu2+===Zn2++Cu,形成原电池,反应速率增大,反应用时少于b,但生成的氢气也少于b,图象应为D。
答案:
D
【题后悟道】 改变Zn与H+反应速率的方法
(1)加入Cu或CuSO4,形成原电池,加快反应速率,加入Cu不影响Zn的量,但加入CuSO4,Zn的量减少,是否影响产生H2的量,应根据Zn、H+的相对量多少判断。
(2)加入CH3COONa,由于CH3COO-与H+反应,使c(H+)减小,反应速率减小,但不影响生成H2的量。
考向二 设计原电池
3.将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中,发生反应的离子方程式为:
Co2+(aq)+Cd(s)===Co(s)+Cd2+(aq)(aq表示溶液),若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,Co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CoCl2溶液
解析:
在电池反应中,Co2+得电子发生还原反应,则Co作正极、Cd作负极;放电时,电子从负极Cd沿导线流向正极Co;盐桥中阳离子向正极区域乙移动、阴离子向负极区域甲移动;甲中失电子发生氧化反应,电解质溶液为CdCl2溶液,乙池中盛放的是CoCl2溶液。
答案:
C
4.电子工业常用30%的FeCl3溶液腐蚀绝缘板上的铜箔,制造印刷电路板。
某工程师为了从废液中回收铜,重新获得FeCl3溶液,设计了下列实验步骤:
写出一个能证明还原性Fe比Cu强的离子方程式:
__________
_______________________________________。
该反应在上图步骤________中发生。
请根据上述反应设计一个原电池,在方框中画出简易装置图(标出电极名称、电极材料、电解质溶液)。
解析:
a是Fe,发生的反应有Fe+Cu2+===Fe2++Cu和Fe+2Fe3+===3Fe2+,试剂b是盐酸。
将Fe+Cu2+===Fe2++Cu设计成原电池,Fe作负极,比Fe不活泼的Cu作正极,电解质溶液是含Cu2+的溶液。
答案:
Fe+Cu2+===Fe2++Cu ①
【题后悟道】 “装置图”常见失分点提示
(1)未用虚线画出烧杯中所盛放的电解质溶液。
(2)未用导线将两电极连接起来。
(3)未指明:
①正、负极及其材料;②电解质溶液。
考点三 化学电源
1.一次电池(以碱性锌锰干电池为例)
负极(Zn),电极反应式:
Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2
正极(MnO2),电极反应式:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnOOH
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)负极反应:
Pb-2e-+SO
===PbSO4(逆向为充电时阴极反应)。
(2)正极反应:
PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O;(逆向为充电时阳极反应)。
(3)总反应:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)(逆向为充电时总反应)。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。
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
2H2+O2===2H2O
(2)燃料电池的电极本身不参与反应,燃料和氧化剂连续地由外部供给。
【多维思考】
可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接?
提示:
【感悟测评】
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)太阳能电池不属于原电池。
( )
(2)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。
( )
(3)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.2mol电子时,消耗的H2SO4为0.1mol。
( )
(4)铅蓄电池工作时,当电路中转换0.1mol电子时,负极增加48g。
( )
答案:
(1)√
(2)√ (3)× (4)√
燃料电池电极反应式的书写
第一步:
写出电池总反应式:
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都是O2,电解质溶液不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下四种情况:
a.酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O。
b.碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-。
c.固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-===2O2-。
d.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电池的负极反应式:
电池的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式,注意在将两个反应式相减时,要约去正极的反应物O2。
考向一 电极、电池反应式的书写
1.(2018·潍坊模拟)镁—过氧化氢燃料电池具有比能量高、安全方便等优点,其总反应为Mg+H2O2+H2SO4===MgSO4+2H2O,结构示意图如图所示。
下列关于该电池的叙述正确的是( )
A.电池内部可以使用MnO2作填料
B.电池工作时,H+向Mg电极移动
C.电池工作时,正极的电极反应式为Mg-2e-===Mg2+
D.电池工作时,电解质溶液的pH将不断变大
解析:
MnO2可催化H2O2分解;电解质溶液中的阳离子向正极(石墨)移动;Mg-2e-===Mg2+为负极反应;硫酸参与正极反应,则电解质溶液的酸性减弱,pH增大。
答案:
D
2.Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。
该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4-SOCl2。
电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为________,发生的电极反应为_________
___________________________________。
(2)电池正极发生的电极反应为_________________________。
解析:
分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为负极,电极反应为:
4Li-4e-===4Li+;正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到。
答案:
(1)Li 4Li-4e-===4Li+
(2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2
【技法归纳】 电极反应式的书写方法
(1)拆分法:
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应,并注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个半反应,正极:
2Fe3++2e-===2Fe2+ 负极:
Cu-2e-===Cu2+。
(2)加减法:
①写出总反应,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)。
考向二 燃料电池
3.(2018·河南二模)甲醇燃料电池体积小巧、洁净环保、比能量高,已在便携式通讯设备、汽车等领域应用。
某型甲醇燃料电池的总反应式为2CH4O+3O2===2CO2+4H2O,如图是该燃料电池的示意图。
下列说法错误的是( )
A.a是甲醇,b是氧气
B.燃料电池将化学能转化为电能
C.质子从M电极区穿过交换膜移向N电极区
D.负极反应:
CH4O-6e-+H2O===CO2↑+6H+
解析:
由质子交换膜知,电解质溶液呈酸性,N极上生成水,则a为氧气,N为正极,M为负极,负极反应式为CH4O-6e-+H2O===CO2↑+6H+,正极反应式为O2+4H++4e-===H2O,b是甲醇、c是二氧化碳,质子从M电极区通过质子交换膜到N电极区,通过以上分析知,B、C、D正确。
答案:
A
【技法归纳】 根据电极产物判断燃料电池正、负极的方法
(1)在酸性燃料电池中,有H2O生成的是正极,有CO2生成的是负极。
(2)在碱性燃料电池中有H2O生成的是负极,其另一极为正极。
(3)在熔盐电池,能传导O2-的固体电解质电池,生成H2O或CO2的是负极,其另一极为正极。
4.某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定CO的浓度,其装置如图所示,该电池中电解质为氧化钇—氧化钠,其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动。
(1)其反应式为负极____________________________________;
正极:
_____________________________________________。
电池反应为:
________________________________________。
(2)如果将上述电池中电解质“氧化钇—氧化钠,其中O2-可以在固体介质NASICON中自由移动”改为熔融的K2CO3,b极通入的气体为氧气和CO2,负极______________________________;
正极:
______________________________________________。
电池反应为__________________________________。
解析:
(1)该装置是原电池,通入一氧化碳的电极a是负极,负极上一氧化碳失电子发生氧化反应,电极反应式为:
CO+O2--2e-===CO2,b为正极,O2+4e-===2O2-,总方程式为2CO+O2===2CO2。
(2)该电池的总反应为2CO+O2===2CO2。
正极反应式为O2+4e-+2CO2===2CO
。
负极反应式=总反应-正极反应式:
2CO-4e-+2CO
===4CO2。
答案:
(1)CO+O2--2e-===CO2 O2+4e-===2O2- 2CO+O2===2CO2
(2)2CO-4e-+2CO
===4CO2 O2+4e-+2CO2===2CO
2CO+O2===2CO2
考向三 新型电池
5.(2018·大庆二模)光电池是发展性能源。
一种光化学电池的结构如图,当光照在表面涂有氯化银的银片上时AgCl(s)
Ag(s)+Cl(AgCl),[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着Cl(AgCl)+e-===Cl-(aq),若将光源移除,电池会立即恢复至初始状态。
下列说法不正确的是( )
A.光照时,电流由X流向Y
B.光照时,Pt电极发生的反应为:
2Cl-+2e-===Cl2
C.光照时,Cl-向Pt电极移动
D.光照时,电池总反应为:
AgCl(s)+Cu+(aq)
Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)
解析:
该装置中氯原子在银电极上得电子发生还原反应,所以银作正极、铂作负极,光照时,电流从正极银X流向负极铂Y;光照时,Pt电极作负极,负极上亚铜离子失电子发生氧化反应,电极反应式为Cu+(aq)-e-===Cu2+(aq);光照时,该装置是原电池,银作正极,铂作负极,电解质中氯离子向负极铂移动;光照时,正极上氯原子得电子发生还原反应,负极上亚铜离子失电子,所以电池反应式为AgCl(s)+Cu+(aq)
Ag(s)+Cu2+(aq)+Cl-(aq)。
答案:
B
6.(2018·甘肃一诊)电动汽车具有绿色、环保等优点,镍氢电池(NiMH)是电动汽车的一种主要电池类型。
NiMH中的M表示储氢金属或合金,电池中主要以KOH溶液作电解液,该电池在充电过程中的总反应方程式是:
Ni(OH)2+M===NiOOH+MH。
下列有关镍氢电池的说法中正确的是( )
A.充电过程中OH-离子从阳极向阴极迁移
B.充电过程中阴极的电极反应式:
H2O+M+e-===MH+OH-,H2O中的H被M还原
C.电池放电过程中,正极的电极反应式为:
NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
D.电池放电过程中,负极附近的溶液pH增大
解析:
充电过程中OH-离子从阴极向阳极迁移,A项错误;阴极上H2O得电子生成MH,则充电过程中阴极的电极反应式:
H2O+M+e-===MH+OH-,H2O中的H被还原,M的化合价不变,B错误;电池放电过程中,正极上NiOOH得电子生成Ni(OH)2,则正极的电极方程式为:
NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-,C项正确;电池放电过程中,负极的电极方程式为:
MH+OH--e-===H2O+M,则负极上消耗氢氧根离子,所以负极附近的溶液pH减小,D项错误。
答案:
C
1.(2017·高考全国卷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
解析:
A.原电池工作时,Li+向正极移动,则a为正极,正极上发生还原反应,随放电的多少可能发生多种反应,其中可能为2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4,故A正确;B.原电池工作时,转移0.02mol电子时,金属锂的物质的量减少为0.02mol,质量为0.14g,故B正确;C.石墨能导电,利用石墨烯作电极,可提高电极a的导电性,故C正确;D.电池充电时间越长,转移电子数越多,生成的Li和S8越多,即电池中Li2S2的量越少,故D错误。
答案:
D
2.(2016·高考全国卷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( )
A.负极反应式为Mg-2e-===Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-===Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2
解析:
根据题意,电池总反应式为:
Mg+2AgCl===MgCl2+2Ag,正极反应为:
2AgCl+2e-===2Cl-+2Ag,负极反应为:
Mg-2e-===Mg2+,A项正确,B项错误;对原电池来说,阴离子由正极移向负极,C项正确;由于镁是活泼金属,则负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑,D项正确;答案选B。
答案:
B
3.(2016·高考全国卷Ⅲ)锌空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液
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