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Cu2++2e-===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
(2)原电池中的三个方向
①电子方向:
从负极流出沿导线流入正极;
②电流方向:
从正极沿导线流向负极;
③离子的迁移方向:
电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。
(3)两种装置的比较
图Ⅰ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Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分别在两个池中,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。
(4)盐桥作用
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。
4.原电池原理的三个应用
(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。
[应用体验]
正误判断(正确的打“√”,错误的打“×
”)。
(1)在化学反应中,所有自发的放热反应均可以设计成原电池。
( )
(2)原电池中,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。
(3)MgAl形成的原电池,Mg一定作负极。
(4)Cu、Al、浓HNO3构成的原电池的负极反应为Al-3e-===Al3+。
(5)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。
(6)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。
( )
(7)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。
(8)化学电源工作时,内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。
(9)实验室制备H2时,用粗锌(含Cu、Fe等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。
(10)原电池反应时,电子从负极流出经导线流入正极,然后通过溶液流回负极。
【答案】
(1)×
(2)√ (3)×
(4)×
(5)×
(6)√ (7)×
(8)√ (9)√ (10)×
[高考命题点突破]
命题点1 原电池的构成和设计
1.在如图所示的8个装置中,不能形成原电池的是____________(填序号),并指出原因________________________________________________________
_______________________________________________________________。
【答案】 ①③⑤⑧ ①中不存在两极;
③两极金属相同;
⑤中酒精不是电解质溶液,不导电;
⑧中没有构成闭合回路
2.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)负极反应式:
_________________________________________________。
(2)正极反应式:
(3)电池总反应方程式:
___________________________________________。
(4)在框中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
①不含盐桥
②含盐桥
【答案】
(1)Cu-2e-===Cu2+
(2)2Fe3++2e-===2Fe2+
(3)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(4)①
②
(1)正、负极材料的选择:
根据氧化还原关系找出正、负极材料,一般选择活泼性较强的金属作为负极;
活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极。
(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(如溶解于溶液中的空气)。
但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥),则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。
(3)画装置图:
注明电极材料与电解质溶液。
但应注意盐桥不能画成导线,要形成闭合回路。
命题点2 原电池原理
3.(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
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;
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。
]
4.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( )
【导学号:
97500107】
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↑
B [②中Mg不与NaOH溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应,失去电子作负极;
③中Fe在浓HNO3中钝化,Cu和浓HNO3反应,失去电子作负极,则Fe作正极,A、C错误;
②中电池总反应式为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-===2AlO
+4H2O,二者相减得到正极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B正确;
④中Cu作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错误。
5.(2018·
厦门模拟)将反应2Fe3++2I-
2Fe2++I2设计成如图所示的原电池。
下列说法不正确的是( )
A.盐桥中的K+移向FeCl3溶液
B.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中石墨电极为负极
D [A项,甲池中石墨电极为正极,乙池中石墨电极为负极,盐桥中阳离子向正极移动,所以向FeCl3溶液迁移,正确;
B项,反应开始时,乙中I-失去电子,发生氧化反应,正确;
C项,当电流计读数为零时,说明没有电子发生转移,反应达到平衡,正确;
D项,当加入Fe2+,导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,作为负极,而乙中石墨成为正极,错误。
注:
①若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
②若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
③若反应为可逆反应,改变条件,平衡移动方向改变时电流方向也改变,正、负极颠倒。
命题点3 原电池原理的应用
6.M、N、P、E四种金属,已知:
①M+N2+===N+M2+;
②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中,M表面有大量气泡逸出;
③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中,电极反应为E2++2e-===E,N-2e-===N2+。
则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )
A.P>
M>
N>
E B.E>
P
C.P>
ED.E>
P>
N
A [由①知,金属活动性:
N;
M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中,M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属活动性:
M;
N、E构成的原电池中,N作负极,故金属活动性:
E。
7.把符合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系是________。
(3)将
(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图像是________。
【解析】
(1)a中加入CuSO4,消耗一部分Zn,Cu、Zn形成原电池,反应速率加快,所以a放出H2的量减少,但速率加快。
(2)a中加入CuSO4消耗Zn,但不影响产生H2的量,速率也加快。
(3)CH3COONa与H2SO4反应后生成弱酸CH3COOH,从而减慢反应速率,但产生H2的量没发生变化。
【答案】
(1)A
(2)B (3)C
考点2|常见化学电源及其工作原理
(对应学生用书第117页)
[方法思路突破]
1.化学电源中电极反应书写的一般方法思路
(1)明确两极的反应物;
(2)明确直接产物:
根据负极氧化、正极还原,明确两极的直接产物;
(3)确定最终产物:
根据介质环境和共存原则,找出参与的介质粒子,确定最终产物;
(4)配平:
根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意:
①H+在碱性环境中不存在;
②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境结合H2O,生成OH-;
③若已知总反应式时,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,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。
2.示例
与MnO2Zn电池类似,K2FeO4Zn也可以组成碱性电池,K2FeO4在电池中作为正极材料,其电极反应式为FeO
+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,Zn作负极材料的电极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,该电池总反应的离子方程式为2FeO
+8H2O+3Zn===2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-。
[电源分类突破]
一次电池
碱性锌锰干电池
负极材料:
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极材料:
碳棒
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2
锌银电池
Ag2O
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag
[对点训练]
1.(2018·
兰州模拟)被称为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片(在其一边镀锌,在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。
在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。
电池总反应为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH。
下列说法正确的是( )
A.该电池的正极为锌
B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C.当0.1molZn完全溶解时,流经电解液的电子个数约为1.204×
1023
D.电池正极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-
D [A项,由电池反应知,Zn元素化合价由0变为+2,Zn失电子作负极,错误;
B项,该电池中二氧化锰参加反应且作氧化剂,错误;
C项,电子不进入电解质溶液,电解质溶液导电是通过离子定向移动形成电流,错误;
D项,正极上二氧化锰得电子发生还原反应,电极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-,正确。
二次电池——充电电池
1.铅蓄电池是最常见的二次电池
总反应式为
2.二次电池充电时的电极连接
[典例导航]
(2016·
全国Ⅲ卷)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,反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2Zn(OH)
。
A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动
B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小
C.放电时,负极反应为:
Zn+4OH--2e-===Zn(OH)
D.放电时,电路中通过2mol电子,消耗氧气22.4L(标准状况)
[审题指导]
①2Zn + O2+4OH-+2H2O
2Zn(OH)
负极:
2Zn-4e-+8OH-===2Zn(OH)
阴极:
2Zn(OH)
+4e-===2Zn+
8OH-
正极:
O2+4e-+2H2O===4OH- 阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
②放电时阳离子向正极迁移,阴离子向负极迁移
充电时阳离子向阴极迁移,阴离子向阳极迁移
③消耗1molO2转移4mole-
【答案】 C
(1)充电时,OH-向________极移动。
(2)放电时,负极附近的溶液的pH变________(填“大”或“小”)。
(3)充电时,阳极反应式为__________________。
【答案】
(1)阳
(2)小 (3)4OH--4e-===O2↑+2H2O
2.(2018·
信阳市一模)某充电宝锂离子电池的总反应为xLi+Li1-xMn2O4
LiMn2O4,某手机镍氢电池总反应为NiOOH+MH
M+Ni(OH)2(M为储氢金属或合金),有关上述两种电池的说法不正确的是( )
A.锂离子电池放电时,Li+向正极迁移
B.镍氢电池放电时,正极的电极反应式:
NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+
OH-
C.如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电
D.锂离子电池充电时,阴极的电极反应式:
LiMn2O4-xe-===Li1-xMn2O4
+xLi+
D [A项,锂离子电池放电时阳离子移向正极,所以Li+向正极迁移,故A正确;
B项,放电时,正极发生还原反应,方程式为NiOOH+e-+H2O===Ni(OH)2+OH-,故B正确;
C项,题图表示用锂离子电池为放电过程,而镍氢电池为充电过程,故负极Li接M极发生M+H++e-===MH,故C正确;
D项,锂离子电池充电时,阴极的电极反应式:
Li++e-===Li,故D错误。
3.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:
请回答下列问题:
(1)放电时,负极反应式为________________________________________,
正极反应式为__________________________________________________。
(2)充电时,阴极反应式为________________________________________,
阳极反应式为__________________________________________________。
(3)放电时,K+向________极迁移,负极的溶液pH的变化为________。
(4)充电时,镍镉电池的阴极应与外接电源的________极相连。
【答案】
(1)Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2
2NiOOH+2e-+2H2O===2Ni(OH)2+2OH-
(2)Cd(OH)2+2e-===Cd+2OH-
2Ni(OH)2+2OH--2e-===2NiOOH+2H2O
(3)正 减小 (4)负
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。
需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。
(2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。
燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
介质
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-
电池总反应式
2H2+O2===2H2O
注:
①燃料电池的电极不参加电极反应,通入的燃料发生负极反应,O2发生正极反应。
②书写电极反应式时,注意介质参与的反应。
2.燃料电池中的常见燃料有烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等),燃料在电池中的负极反应。
3.以CO为燃料气,请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应式(填入表格中)。
电解质
电极反应式或总反应式
①酸性介质
总反应
②碱性介质
③固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
④熔融碳酸盐(CO
)
【答案】 ①O2+4e-+4H+===2H2O
2CO-4e-+2H2O===2CO2+4H+
2CO+O2===2CO2
②O2+4e-+2H2O===4OH-
2CO-4e-+8OH-===2CO
+4H2O
2CO+O2+4OH-===2CO
+2H2O
③O2+4e-===2O2-
2CO-4e-+2O2-===2CO2
④O2+4e-+2CO2===2CO
2CO-4e-+2CO
===4CO2
4.如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量侦测与控制的功能,非常适合进行现场酒精检测。
下列说法不正确的是( )
97500108】
A.电流由O2所在的铂电极流出
B.O2所在的铂电极处发生还原反应
C.该电池的负极反应式为CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2↑+12H+
D.微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量
C [燃料电池,燃料在负极反应,氧气在正极反应。
氧气在正极发生还原反应,电流由正极流向负极,A、B正确;
由图可知负极反应物为CH3CH2OH(碳元素的化合价平均显-2),生成物为CH3COOH(碳元素的化合价平均显0),由质子交换膜可知溶液呈酸性,负极的电极反应式为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+,C项错误。
5.
(1)燃料电池是一种高效低污染的新型电池。
燃料电池所用燃料可以是氢气,也可以是其他燃料,如甲烷、肼等。
如图是甲烷燃料电池原理示意图,回答下列问题:
①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为__________________________________。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)肼分子(H2N—NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水,利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池,请写出该电池的负极反应式:
_________,
正极反应式:
_________________________________________________,
总反应式:
____________________________________________________。
(3)以甲醇(CH3OH)为燃料,空气为氧化剂,以熔融K2CO3为电解质环境的燃料电池,负极反应式为__________________________________________
______________________________________________________________,
正极反应式为__________________________________________________
【解析】
(1)①甲烷失去电子,甲烷在负极通入,因此电池的负极是a电极,该极的电极反应式为CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O。
②由于反应后产生Na2CO3,即电池工作过程中消耗OH-,因此电池工作一段时间后电解质溶液的pH减小。
(2)肼在负极发生失去电子的氧化反应,该电池负极反应式为N2H4-4e-+4OH-===4H2O+N2↑。
(3)甲醇为燃料在负极发生氧化反应,空气中的O2在正极上发生还原反应,但注意电解质中CO
的参与。
【答案】
(1)①a CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O ②减小
(2)N2H4-4e-+4OH-===4H2O+N2↑
O2+4e-+2H2O===4OH-
N2H4+O2===N2+2H2O
(3)CH3OH-6e-+3CO
===4CO2↑+2H2O
O2+6e-+3CO2===3CO
(1)首先写出正极反应式
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固体氧化物电解质(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
(2)根据总反应式减去正极反应式确定负极反应式。
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