优化方案版高考化学大一轮复习 第六章 化学反应与能量 第二讲 原电池新型化学电源讲义Word格式文档下载.docx
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Cu2++2e-===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
电池反应
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
2.原电池中的三个方向
(1)电子流动方向:
从负极流出沿导线流入正极;
(2)电流流动方向:
从正极沿导线流向负极;
(3)离子迁移方向:
电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。
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)带有盐桥的原电池比不带盐桥的原电池电流持续时间长。
答案:
(1)√
(2)×
(3)×
(4)√
2.下列示意图中能构成原电池的是( )
解析:
选B。
Cu与稀硫酸不反应,A装置不能构成原电池;
Al与氢氧化钠溶液发生氧化还原反应,B装置能构成原电池;
C装置中的“导线”不是盐桥,不能构成原电池;
D装置中缺少盐桥。
(2015·
高考全国卷Ⅰ,11,6分)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。
下列有关微生物电池的说法错误的是( )
A.正极反应中有CO2生成
B.微生物促进了反应中电子的转移
C.质子通过交换膜从负极区移向正极区
D.电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O
[解析] 图示所给出的是原电池装置。
A.有氧气反应的一极为正极,发生还原反应,因为有质子通过,故正极电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;
在负极,C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应,电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2↑+24H+,则负极上有CO2产生,故A不正确。
B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置,所以微生物促进了反应中电子的转移,故B正确。
C.质子是阳离子,阳离子由负极区移向正极区,故C正确。
D.正极的电极反应式为6O2+24e-+24H+===12H2O,负极的电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2↑+24H+,两式相加得电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O,故D正确。
[答案] A
在下列原电池图示中,依据电子流向和离子移动方向画出形成闭合回路的原理。
原电池正、负极的判断方法
题组一 原电池构成及原理考查
1.(教材改编)判断正误(正确的打“√”,错误的打“×
(1)所有的氧化还原反应都能设计成原电池。
(2)只有金属才能作原电池的电极。
(3)原电池的两极中较活泼的金属一定为负极。
(4)锌铜原电池工作时,外电路电子由负极流向正极。
(5)在原电池中,电子流出的一极是负极,被还原。
(6)原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能。
(1)×
(2)×
(4)√ (5)×
(6)×
2.(2015·
高考天津卷)
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
选C。
A.Cu作正极,电极上发生还原反应,错误;
B.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.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.由题干信息可知,阴离子不能通过阳离子交换膜,错误。
题组二 原电池正、负极的判断
3.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( )
选项
M
N
P
A
Zn
Cu
稀H2SO4
B
Fe
稀HCl
C
Ag
AgNO3溶液
D
Fe(NO3)3溶液
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。
4.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↑
②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;
③中Fe在浓硝酸中易钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子作负极,A、C均错。
②中电池总反应为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,负极电极反应式为2Al+8OH--6e-===2AlO
+4H2O,二者相减得到正极电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B正确。
④中Cu是正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错。
原电池工作原理中四个常见失分点的规避
(1)只有自发进行的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。
(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)无论在原电池还是电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
(4)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。
考点二 盐桥原电池的应用[学生用书P140]
一、盐桥的组成和作用
1.盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
2.盐桥的作用
(1)连接内电路,形成闭合回路;
(2)平衡电荷,使原电池不断产生电流。
二、单池原电池和盐桥原电池的对比
1.相同点
正负极、电极反应、总反应、反应现象均相同。
负极:
Zn-2e-===Zn2+,
正极:
Cu2++2e-===Cu,
总反应:
Zn+Cu2+===Cu+Zn2+。
2.不同点
图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2+,会有一部分Zn与Cu2+直接反应,该装置中既有化学能和电能的转化,又有一部分化学能转化成了热能,装置的温度会升高。
图2中Zn和CuSO4溶液在两个池子中,Zn与Cu2+不直接接触,不存在Zn与Cu2+直接反应的过程,所以仅是化学能转化成了电能,电流稳定,且持续时间长。
3.关键点:
盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区。
1.(2016·
北京丰台区高三模拟)有关下图所示原电池的叙述不正确的是( )
A.电子沿导线由Cu片流向Ag片
B.正极的电极反应式是Ag++e-===Ag
C.Cu片上发生氧化反应,Ag片上发生还原反应
D.反应时盐桥中的阳离子移向Cu(NO3)2溶液
选D。
A项,该装置是原电池装置,其中Cu为负极,失电子发生氧化反应:
Cu-2e-===Cu2+,Ag为正极,得电子发生还原反应:
Ag++e-===Ag,原电池中,负极(Cu)失去的电子沿导线流向正极(Ag),盐桥中的阳离子移向正极,即移向AgNO3溶液,综上所述,D错误。
2.如图所示,杠杆A、B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
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
Fe-2e-===Fe2+,
铜球增重,铁球质量减轻,杠杆A端低B端高。
名师点拨
盐桥原电池中半电池的构成条件:
电极金属和其对应的盐溶液。
一般不要任意替换成其他阳离子盐溶液,否则可能影响效果。
(2016·
龙岩检测)某学习小组的同学查阅相关资料知,氧化性:
Cr2O
>Fe3+,设计了如图所示的盐桥原电池。
盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。
下列叙述中正确的是( )
A.甲烧杯的溶液中发生还原反应
B.乙烧杯中发生的电极反应为2Cr3++7H2O-6e-===Cr2O
+14H+
C.外电路的电流方向是从b到a
D.电池工作时,盐桥中的SO
移向乙烧杯
[解析] 氧化性:
>Fe3+,所以该原电池反应中,Fe2+是还原剂,Cr2O
是氧化剂,即甲烧杯中发生氧化反应,电极反应式为Fe2+-e-===Fe3+,乙烧杯中发生还原反应,电极反应式为Cr2O
+6e-+14H+===2Cr3++7H2O,A、B均错误;
外电路的电流是由正极流向负极,即由b流向a,C正确;
电池工作时,盐桥中的阴离子移向负极,即SO
移向甲烧杯,D错误。
[答案] C
两个半电池构成的原电池中,盐桥的作用是什么?
使两个烧杯中的溶液形成一个闭合回路;
使溶液保持电中性,使氧化还原反应能顺利进行并产生持续的电流。
题组一 对盐桥原电池原理的考查
1.(教材改编)根据下图,下列判断中正确的是( )
A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-===H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-===Cl2↑
据图示锌电极失去电子,该极上发生氧化反应,故B正确;
烧杯a中O2得到电子,发生反应:
O2+4e-+2H2O===4OH-,使pH升高,故A、C错;
锌为负极,失去电子,发生反应:
Zn-2e-===Zn2+,故D错。
题组二 平衡移动与盐桥作用
2.(2016·
浙江六校联考)将反应IO
+5I-+6H+
3I2+3H2O设计成如下图所示的原电池。
开始时向甲烧杯中加入少量浓硫酸,电流计指针发生偏转,一段时间后,电流计指针回到零,再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液,电流计指针再次发生偏转。
下列判断不正确的是( )
A.开始加入少量浓硫酸时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.开始加入少量浓硫酸时,同时在甲、乙烧杯中都加入淀粉溶液,只有乙烧杯中溶液变蓝
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.两次电流计指针偏转方向相反
开始加入少量浓硫酸时,由氧化还原反应方程式可知,反应正向进行,KI是还原剂,KIO3是氧化剂,故甲为正极区,甲中石墨作正极,得电子发生还原反应,电极反应式为2IO
+10e-+12H+===I2+6H2O,乙为负极区,乙中石墨作负极,失电子发生氧化反应,电极反应式为10I--10e-===5I2,两烧杯中均有I2生成,在甲、乙两烧杯中都加入淀粉溶液,两烧杯中的溶液均变蓝,A正确,B错误;
电流计读数为零时,表明反应达到化学平衡状态,C正确;
由氧化还原反应方程式可知,电流计指针读数为零,反应达到平衡状态,此时再向甲烧杯中滴入几滴浓NaOH溶液,则消耗了H+,原氧化还原反应的平衡逆向移动,电流计指针的偏转方向相反,D正确。
3.已知在酸性条件下发生的反应为AsO
+2I-+2H+===AsO
+I2+H2O,在碱性条件下发生的反应为AsO
+I2+2OH-===AsO
+H2O+2I-。
设计如图装置(C1、C2均为石墨电极),分别进行下述操作:
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸;
Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液。
结果发现检流计指针均发生偏转,且偏转方向相反。
试回答下列问题:
(1)两次操作中指针为什么都发生偏转?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反?
试用化学平衡移动原理解释:
(3)操作Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为__________________________________。
(4)操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为__________________________________。
(5)操作Ⅱ过程中,盐桥中的K+移向______烧杯溶液(填“A”或“B”)。
由于酸性条件下发生的反应为AsO
+I2+H2O,碱性条件下发生的反应为AsO
+H2O+2I-,两反应都是氧化还原反应,而且满足构成原电池的三大要素:
①不同环境中的两电极(连接);
②电解质溶液(电极插入其中,并能自发发生氧化还原反应);
③形成闭合回路。
当加酸时,c(H+)增大,C1:
2I--2e-===I2,为负极;
C2:
AsO
+2H++2e-===AsO
+H2O,为正极。
当加碱时,c(OH-)增大,C1:
I2+2e-===2I-,为正极;
+2OH--2e-===AsO
+H2O,为负极。
(1)两次操作均能形成原电池,将化学能转变成电能
(2)①加酸时,c(H+)增大,AsO
得电子,I-失电子,所以C1极是负极,C2极是正极;
②加碱时,c(OH-)增大,AsO
失电子,I2得电子,此时,C1极是正极,C2极是负极。
故加入浓盐酸和NaOH溶液时发生不同方向的反应,电子转移方向不同,即检流计指针偏转方向不同
(3)2I--2e-===I2 (4)AsO
+H2O (5)A
(1)盐桥中的离子不断释放到两个池中,逐渐失去导电作用,需定期更换盐桥。
(2)要明确盐桥中离子的移动方向;
明确其与可逆反应平衡移动方向的关系。
考点三 原电池原理的应用[学生用书P141]
1.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。
2.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。
3.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加快。
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。
4.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。
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。
1.①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。
①②相连时,外电路电流从②流向①;
①③相连时,③为正极;
②④相连时,②上有气泡逸出;
③④相连时,③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是( )
A.①③②④ B.①③④②
C.③④②①D.③①②④
本题考查原电池原理的应用。
电流方向与电子流向相反,①②相连时,电流由②流向①,则金属活动性①>
②;
①③相连时,③为正极,则金属活动性①>
③;
②④相连时,②上有气泡,则金属活动性④>
③④相连时,③的质量减少,则金属活动性③>
④。
综上分析,可得金属活动性顺序为①>
③>
④>
②。
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( )
电极
材料
Cu、Zn
Cu、C
Fe、Zn
Cu、Ag
电解液
FeCl3
Fe(NO3)2
CuSO4
Fe2(SO4)3
比较金属活动性强弱的三种方法
(1)根据原电池:
一般情况下,负极大于正极。
(2)根据电解池:
易得电子的金属阳离子,相应金属的活动性较弱。
(3)根据金属活动性顺序表。
等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量同浓度的稀硫酸,同时向a中加入少量饱和CuSO4溶液,发生反应生成氢气。
用下列各图表示生成氢气的体积(V)与时间(t)的关系,其中最合理的是____________,作出选择的理由是________________________________________________________________________
[解析] a中加入CuSO4溶液,被锌置换出的铜覆盖在锌表面,形成原电池,使产生H2的速率加快,反应所需的时间缩短。
同时,由于置换铜时消耗了一部分锌,与稀H2SO4反应的锌的质量减小,完全反应放出的H2体积比b少。
[答案] D Zn置换出Cu,Zn、Cu在酸中发生原电池反应,生成H2的速率加快;
Zn与Cu2+反应导致与H+反应的Zn减少,a生成的H2比b少
上题中若改作“两份同浓度的稀硫酸,分别加入过量等质量的两份锌粉a、b,同时向a中加入少量饱和CuSO4溶液,发生反应生成氢气”,则哪个图合理?
为什么?
A图合理。
a中加入CuSO4溶液,被锌置换出的铜覆盖在锌表面,形成原电池,使产生H2的速率加快,反应所需的时间缩短。
同时,由于锌过量而硫酸不足,置换铜时消耗的一部分锌不影响氢气的生成量,故A图合理。
改变Zn与H+反应速率的方法
(1)加入Cu粉或CuSO4,使Cu与Zn接触形成原电池,加快反应速率。
加入Cu,不影响Zn的量,即不影响产生H2的量;
而加入CuSO4,会消耗一部分Zn,但是否影响产生H2的量,应根据Zn、H+的相对量多少判断。
(2)加入强碱弱酸盐,由于弱酸根与H+反应,使c(H+)减小,反应速率减小,但不影响产生H2的量。
(3)加水稀释,使c(H+)减小,反应速率减小,但不影响产生H2的量。
(4)改变反应的温度,也会影响Zn与H+的反应速率。
(5)把锌粒换成锌粉,加快Zn与H+的反应速率。
题组一 原电池工作原理
1.(2015·
高考安徽卷)常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入浓HNO3中组成原电池(图1),测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示,反应过程中有红棕色气体产生。
图1 图2
0~t1时,原电池的负极是Al片,此时,正极的电极反应式是____________________________________,溶液中的H+向________极移动。
t1时,原电池中电子流动方向发生改变,其原因是________________________________________________________________________。
在0~t1时,正极上NO
得电子后结合H+生成NO2和H2O;
在原电池中,阳离子向正极移动,故H+向正极移动;
由于Al在浓硝酸中发生了钝化,生成的氧化膜阻止了反应的进行,此时Cu与浓硝酸反应而导致Cu作负极,电子流动方向发生了改变。
NO
+e-+2H+===NO2↑+H2O 正 Al在浓硝酸中发生钝化,生成的氧化膜阻止了Al的进一步反应
开封高三调研)如图,在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y,外电路中电子流向如图所示,关于该装置的下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为X→外电路→Y
B.若两电极分别为铁和碳棒,则X为碳棒,Y为铁
C.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
D.若两电极都是金属,则它们的活动性顺序为X>
Y
外电路电子流向为X→外电路→Y,电流方向与其相反,X极失电子,作负极,发生的是氧化反应,Y极发生的是还原反应。
若两电极分别为铁和碳棒,则Y为碳棒,X为铁。
题组二 原电池设计问题
3.请运用原电池原理设计实验,验证Cu2+、Fe3+的氧化性强弱。
请写出电极反应式:
负极________________________________________________________________________,
正极________________________________________________________________________,
并在方框内画出实验装置图,要求用烧杯和盐桥,并标出外电路电子流向。
据题意要求,应按照反应2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+进行设计,Cu作负极,Fe3+作正极反应物即可。
Cu-2e-===Cu2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
(合理即可)
4.(2016·
遵义高三模拟)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)请画出设计的原电池装置图,并标出电极材料、电极名称及电
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