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(2)多池相连,但无外电源时,两极活泼性差异最大的一池为原电池,其他各池可看做电解池。
5.原电池的正负极的判断方法
判断依据
活泼性较强的金属
活泼性较弱的金属或能导电的非金属
电子流出极
电子流入极
电解质溶液中离子定向移动方向
阴离子移向的负极
阳离子移向的正极
发生的反应
反应现象
溶解的极
增重或有气泡放出的极
6.原电池中带电粒子的移动方向
在原电池构成的闭合电路中,有带电粒子的定向移动。
在外电路上电子从负极经导线上流入正极;
在内电路上即在电解质溶液中阴离子移向负极,阳离子移向正极。
具体情况见图:
考点二、原电池原理的应用
1.加快氧化还原反应的速率
例如:
在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。
2.比较金属活动性强弱
有两种金属a和b,用导线连接后插入到稀H2SO4中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生。
根据现象判断出a是负极,b是正极,由原电池原理可知,金属活动性a>b。
3.用于金属的防护
将要保护的金属设计成原电池的正极,得到保护。
在钢(铁)闸门上连接上锌块,由于锌比铁活泼,可使钢闸门受到保护。
4.原电池的设计
设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。
具体方法是:
(1)首先将已知的氧化还原反应拆分为两个半反应;
(2)根据原电池的电极反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料及电解质溶液。
①电极材料的选择
在原电池中,选择还原性较强的物质作为负极;
氧化性较强的物质作为正极。
并且,原电池的电极必须导电。
电池中的负极必须能够与电解质溶液或其中溶解的物质反应。
②电解质溶液的选择
电解质溶液一般要能够与负极发生反应,或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如空气中的氧气)。
但如果两个半反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则左右两个容器中的电解质溶液应选择与电极材料相同的阳离子。
如在铜—锌—硫酸铜构成的原电池中,负极金属锌浸泡在含有Zn2+的电解质溶液中,而正极铜浸泡在含有Cu2+的电解质溶液中。
(3)按要求画出原电池装置图。
考点三、几种常见的电池
(一)电池的评价
比能量:
电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。
比功率:
电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。
质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池,更适合使用者的需要。
(二)实用电池的特点
(1)能产生比较稳定而且较高电压的电流;
(2)安全、耐用且便于携带,易于维护;
(3)能够适用于各种环境;
(4)便于回收处理,不污染环境或对环境的污染影响较小;
(5)能量转换率高。
(三)几种常见的电池
1、一次电池:
放电之后不能充电,内部的氧化还原反应是不可逆的。
干电池:
一次电池中电解质溶液制成胶状,不流动。
碱性锌锰电池
构成:
负极是锌,正极是MnO2,电解质是KOH
负极:
Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2;
正极:
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
总反应式:
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
特点:
比能量较高,储存时间较长,可适用于大电流和连续放电。
2、二次电池
①铅蓄电池
放电电极反应:
Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s);
PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=PbSO4(s)+2H2O(l)
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)
充电电极反应:
阳极:
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq);
阴极:
PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq)
总反应:
2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
总反应方程式:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)
说明:
a负极
阴极正极
阳极
b
电池的正负极分别和电源的正负极相连
c各极的pH变化看各电极反应,电池的pH变化看电池总反应
②镍一镉碱性蓄电池
Cd+2OH--2e-=Cd(OH)2;
2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-
Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2
3、燃料电池
电池
反应
酸性电解质
碱性电解质
氢氧燃料电池
2H2-4e-=4H+
2H2+4OH--4e-=4H2O
O2+4H++4e-=2H2O
O2+2H2O+4e-=4OH-
总反应
2H2+O2=2H2O
甲烷燃料电池
CH4+2H2O-8e-=CO2+8H+
CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O
2O2+8H++8e-=4H2O
2O2+4H2O+8e-=8OH-
CH4+2O2=CO2+2H2O
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
甲醇燃料电池
2CH3OH+2H2O-12e-=2CO2+12H+
2CH3OH+16OH--12e-=2CO32-+12H2O
3O2+12H++12e-=6H2O
3O2+6H2O+12e-=12OH-
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O
除氢气外,烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体,均可作燃料电池的燃料;
除纯氧气外,空气中的氧气也可作氧化剂。
燃料电池的能量转化率高于80%,远高于燃烧过程(仅30%左右),有利于节约能源。
燃料电池有广阔的发展前途。
(四)正确书写电极反应式
(1)列出正、负电极上的反应物质,在等式的两边分别写出反应物和生成物。
(2)标明电子的得失。
(3)使质量守恒。
电极反应式书写时注意:
①负极反应生成物的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。
若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应该写入负极反应式;
②若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则H2O必须写入正极反应式,且生成物为OH-;
若电解液为酸性,则H+必须写入反应式中,生成物为H2O。
③电极反应式的书写必须遵循离子方程式的书写要求。
(4)正负极反应式相加得到电池反应的总的化学方程式。
若能写出总反应式,可以减去较易写出的电极反应式,从而写出较难书写的电极方程式。
注意相加减时电子得失数目要相等。
【典型例题】
类型一:
原电池原理
例1.(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(SO42-)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
【思路点拨】阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,不允许SO42-穿过。
【答案】C
【解析】由图像可知该原电池反应原理为Zn+Cu2+=Zn2++Cu。
A.Zn比Cu活泼,则Zn为负极,发生氧化反应,Cu为正极,发生还原反应,故A错误;
B.阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,则两池中c(SO42-)不会改变,故B错误;
C.甲池中电极反应式为Zn-2e-→Zn2+,乙池中电极反应式为Cu2++2e-→Cu,Zn2+通过阳离子交换膜进入乙池中,由于Zn的摩尔质量比Cu大,则乙池溶液的总质量增加,故C正确;
D.由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,则阴离子并不能通过交换膜,故D错误;
故选C。
【总结升华】原电池工作时,活泼金属作负极,在溶液中阴离子一般向负极移动,但本题例外,阴离子不能通过阳离子交换膜。
举一反三:
【变式1】用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U型管)构成一个原电池。
以下有关该原电池的叙述正确的是
①在外电路中,电流由铜电极流向银电极
②正极反应为:
Ag++e-=Ag
③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作
④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同
A.①②B.②③C.②④D.③④
【变式2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是()
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的pH均增大
D.产生气泡的速率甲比乙慢
【答案】C
【解析】图甲是一个原电池装置,负极:
Zn-2e-==Zn2+,正极(Cu):
2H++2e-==H2↑,形成的原电池能加快产生氢气的速率;
图乙中,Zn直接与稀硫酸反应生成H2:
Zn+2H+==Zn2++H2↑,甲、乙两烧杯中H2SO4均被消耗,溶液的pH均增大。
【高清课堂:
399158例2】
【变式3】右图是一种航天器能量储存系统原理示意图。
下列说法正确的是
A.该系统中只存在3种形式的能量转化
B.装置Y中负极的电极反应式为:
C.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放,并能实现化学能与电能间的完全转化
【解析】本题主要考查的是电化学知识。
A项,在该装置系统中,有四种能量转化的关系,即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化;
B项,装置Y为氢氧燃料电池,负极电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O;
C项,相当于用光能电解水,产生H2和O2,实现燃料(H2)和氧化剂(O2)的再生;
D项,在反应过程中,有能量的损耗和热效应的产生,不可能实现化学能和电能的完全转化。
综上分析可知,本题选C项。
例2.某同学根据离子反应方程式2Fe3++Fe==3Fe2+来设计原电池。
下列设计方案中可行的是()
A.电极材料为铁和锌,电解质溶液为FeCl3溶液
B.电极材料为铁和石墨,电解质溶液为Fe(NO3)3溶液
C.电极材料为铁和石墨,电解质溶液为FeCl2溶液
D.电极材料为石墨,电解质溶液为FeCl3溶液
【答案】B
【解析】由离子反应方程式可知,设计的原电池中Fe为负极,不与电解质溶液反应的导体为正极,含Fe3+的溶液为电解质溶液,故B项可行。
【变式1】依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)==Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是________;
电解质溶液Y是________;
(2)银电极为电池的________极,发生的电极反应为________;
X电极上发生的电极反应为________;
(3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。
【答案】
(1)CuAgNO3溶液
(2)正Ag++e-==AgCu-2e-==Cu2+(3)XAg
【解析】由氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)==Cu2+(aq)+2Ag(s)可知,可以选用Cu(s)—Ag(s)—AgNO3(aq)构成简易的原电池,因此上图中电极X的材料是Cu,电解质溶液Y是AgNO3溶液,正极为Ag,正极上发生的反应为Ag++e-==Ag,负极为Cu,负极上发生的反应为Cu-2e-==Cu2+,在外电路电子由负极流向正极,即从X电极流向Ag电极。
类型二:
金属活动性强弱比较
例3.X、Y、Z、W四块金属分别用导线两两相连浸入稀硫酸中,组成原电池。
X、Y相连时,X为负极;
Z、W相连时,电流方向是W→Z;
X、Z相连时,Z极上产生大量气泡;
W、Y相连时,W极发生氧化反应。
据此判断四种金属的活泼性顺序是()
A.X>Z>W>YB.Z>X>Y>WC.W>X>Y>ZD.Y>W>Z>X
【答案】A
【解析】在原电池中,活泼金属作为电池的负极,失去电子,发生氧化反应;
不活泼的金属作为电池的正极,得到电子,发生还原反应。
电子由负极经导线流向正极,与电流的方向相反(物理学中规定正电荷移动的方向为电流的方向)。
因此,X、Y相连时,X为负极,则活泼性X>Y;
Z、W相连时,电流方向是W→Z,则活泼性Z>W;
X、Z相连时,Z极上产生大量气泡,则活泼性X>Z;
W、Y相连时,W极发生氧化反应,则活泼性W>Y。
综上所述,可以得出金属的活泼性顺序是X>Z>W>Y。
【变式1】根据下列实验事实:
(1)X+Y2+=X2++Y
(2)Z+2H2O(冷水)=Z(OH)2+H2↑
(3)Z2+离子的氧化性比X2+弱
(4)由Y、W作电极组成的原电池负极反应为:
Y—2e-=Y2+,
由此可知,X、Y、Z、W的还原性由强到弱的顺序是
A.X>
Y>
Z>
WB.Y>
X>
W>
Z
C.Z>
WD.Z>
W
【解析】
(1)X能将Y2+还原说明X的还原性强于Y。
(2)Z能与冷水作用,说明Z一定为活泼性很强的金属。
(3)Z2+氧化性比X2+弱说明Z的金属性强于X。
(4)在原电池中Y做负极,故Y的活泼性强于W。
类型三:
干电池
例4.Zn-MnO2干电池应用广泛,其电解质溶液是ZnCl2-NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是 。
电池工作时,电子流向 (填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2+,会加速某电极的腐蚀,其主要原因是 。
欲除去Cu2+,最好选用下列试剂中的 (填代号)。
a.NaOHb.Zn c.Fed.NH3·
H2O
(3)MnO2的生产方法之一是以石墨为电极,电解酸化的MnSO4溶液。
阴极的电极反应式是 。
若电解电路中通过2mol电子,MnO2的理论产量为 。
【答案】
(1)Zn正极
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀b
(3)2H++2e-=H2↑,87g
(1)负极发生氧化反应,Zn失电子,做负极。
电子由负极经外电路流向正极。
(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。
除杂的基本要求是不能引入新杂质,所以应选Zn将Cu2+置换为单质而除去。
(3)阴极上得电子,发生还原反应,H+得电子生成氢气。
因为MnSO4~MnO2~2e-,通过2mol电子产生1molMnO2,质量为87g。
399158例5】
【变式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。
锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式为:
Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O
(1)==Zn(OH)2(s)+2MnOOH(s)
下列说法错误的是()
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:
2MnO2(s)+2H2O
(1)+2e-==2MnOOH(s)+2OH-(aq)
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0.2mol电子,锌的质量理论上减少6.5g
【解析】该电池工作时,Zn应为负极,失去电子,故A正确。
原电池正极发生得电子反应,即还原反应,故B正确。
电子应由原电池的负极流出,通过外电路流向正极,故C错误。
由于Zn失去2mol电子时,自身消耗的质量为65g,则失去0.2mol电子,理论上消耗6.5g,故D正确。
类型四:
蓄电池
例5.一种充电电池放电时的电极反应为:
H2+2OH--2e-=2H2O;
NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-
当
为电池充电时,与外电源正极连接的电极上发生的反应是
A.H2O的还原 B.NiO(OH)的还原
C.H2的氧化 D.NiO(OH)2的氧化
【答案】D
【解析】由题中给出的电极反应可判断出做原电池时,H2是还原剂被氧化、NiO(OH)是氧化剂被还原,则充电时H2是还原产物、NiO(OH)是氧化产物,与正极相连的是阳极发生氧化反应,所以D选项正确。
【总结升华】本题考查二次电池中的氧化还原问题。
原电池放电时,先要分析氧化剂与还原剂,氧化剂被还原、还原剂被氧化;
充电时(电解池),将原电池负极反应式反着写为还原过程,发生在阴极,原电池中的正极反应反着写为氧化过程,发生在阳极。
【变式1】生产铅蓄电池时,在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4,干燥后再安装,充电后即可使用,发生的反应是:
2PbSO4+2H2O
PbO2+Pb+2H2SO4
下列对铅蓄电池的说法中错误的是()
A.需要定期补充硫酸
B.工作时Pb是负极,PbO2是正极
c.工作时负极上发生的反应是Pb-2e-+SO42-==PbSO4
D.工作时电解质溶液的密度减小
【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池,发生氧化反应的物质是负极,发生还原反应的物质是正极,所以Pb是负极,PbO2是正极;
在工作时,负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+,而Pb2+又与溶液中的SO42-生成PbSO4沉淀;
放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等,说明H2SO4不用补充;
工作时(即放电时),H2SO4被消耗,溶液中H2SO4的物质的越浓度减小,所以溶液的密度也随之减小。
【变式2】高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池能长时间保持稳定的放电电压。
高铁电池的总反应为:
3Zn+2K2FeO4+8H2O
3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,下列叙述不正确的是
A.放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被氧化
B.充电时阳极反应为:
2Fe(OH)3-6e-+10OH-=2FeO42-+8H2O
C.放电时负极反应为:
3Zn-6e-+6OH-=3Zn(OH)2
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
【解析】A项中放电时正极应被还原,D项中放电时正极:
2FeO42-+6e-+8H2O=2Fe(OH)3+10OH-,故溶液的碱性增强。
启示:
分析问题要先定性后定量,注意关键字词。
【变式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.充电时阳极反应:
Ni(OH)2-e—+OH-==NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
【解析】由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知,Ni(OH)2作阳极,电解质溶液为KOH溶液,所以阳极电极反应式为:
Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O;
Cd(OH)2作阴极,Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-;
充电的过程是将电能转化为化学能,放电时,Cd作负极,Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2,Cd周围的c(OH-)下降,OH-向负极移动。
类型五:
燃料电池
399158例1】
例6.某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H+,其基本结构见下图,电池总反应可表示为:
2H2+O2=2H2O,下列有关说法正确的是
A.电子通过外电路从b极流向a极
B.b极上的电极反应式为:
O2+2H2O+4e-=4OH-
C.每转移0.1mol电子,消耗1.12L的H2
D.H+由a极通过固体酸电解质传递到b极
【答案】D
【解析】该氢氧燃料电池的a极通入H2,故为负极,b极通入O2,为正极。
这样电子通过外电路应由a极流向b极,故A选项错误;
酸性电解质存在下,B选项中b极上的电极反应为O2+4e-+4H+=2H2O;
C选项没有说明是标准状况下;
D选项是正确的,H2在a极失电子变成H+,由固体酸电解质传递至b极。
【变式1】用二根铂丝作电极插入KOH溶液中,分别向两极通入甲烷和氧气,可作为一种燃料电池的模拟装置。
试判断下列说法正确的是()
A.通氧气的铂极为负极B.此电池反应为CH4+2O2=CO2+2H2O
C.此电池放电时,KOH浓度减小D.此电池放电时,KOH浓度不变
【变式2】有人设计出利用CH4和O2反应,用铂电极在KOH溶液中构成原电池。
电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应,则下列说法中正确的是()
①每消耗lmolCH4可以向外电路提供8mole-
②负极上CH4失去电子,电极反应式为CH4+10OH--8e-==CO32-+7H2O
③负极上O2获得电子,电极反应式为O2+2H2O+4e-==4OH-
④电池放电时,溶液pH不断升高
A.①②B.①③C.①④D.③④
【解析】CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应,即CH4→CO2,严格地讲生成的CO2还与KOH溶液反应生成K2CO3,化合价升高,失去电子,作电池的负极,电极反应式为CH4+10OH--8e-==CO32-+7H2O,1molCH4参加反应有8mole-发生转移
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