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ZnSO4(aq)、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)、铜片、铁片、锌片和导线。
原电池甲
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
________________________________________________________________________。
(2)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
(1)的材料中应选_____________________________________________________________________作阳极。
答案
(1)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
(2)锌片
解析
(1)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.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带有盐桥的原电池甲中负极没有和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。
(2)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。
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,所以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,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________(填“正”或“负”)极。
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。
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。
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;
B项,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。
题组二 燃料电池中离子交换膜的应用
3.
(1)甲醇燃料电池(简称DMFC)由于其结构简单、能量转化率高、对环境无污染,可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。
DMFC的工作原理如下图所示:
通入a气体的电极是电池的________(填“正极”或“负极”),其电极反应为________________________________________________________________________。
(2)如将燃煤产生的二氧化碳回收利用,可达到低碳排放的目的。
如下图是通过人工光合作用,以CO2和H2O为原料制备HCOOH和O2的原理示意图。
电极a、b表面发生电极反应。
其中a极为________极,b电极反应式:
答案
(1)负极 CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+
(2)负 CO2+2H++2e-===HCOOH
解析
(1)根据图知,交换膜是质子交换膜,则电解质溶液呈酸性,根据氢离子移动方向知,通入a的电极为负极、通入b的电极为正极,负极上甲醇失去电子发生氧化反应,负极反应式为CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O。
(2)a极水发生反应生成氧气,氧元素化合价升高,失去电子,所以a为负极,b为正极,二氧化碳得到电子生成甲酸,电极反应:
CO2+2H++2e-===HCOOH。
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-
题组三 “久考不衰”的可逆电池
(一)“传统”可逆电池的考查
4.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.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
C.充电时阴极附近溶液的pH减小
D.充电时阳极反应:
Ni(OH)2-e-+OH-===NiOOH+H2O
解析 该可充电电池的放电过程的电极反应式为负极:
Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2;
2NiOOH+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH-,所以正确选项为D。
(二)“新型”可逆电池的考查
5.(2016·
全国卷Ⅲ,11)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)
。
下列说法正确的是( )
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)
解析 A项,充电时,电解质溶液中K+向阴极移动,错误;
B项,放电时总反应方程式为2Zn+O2+4OH-+2H2O===2Zn(OH)
,则充电时电解质溶液中c(OH-)逐渐增大,错误;
C项,在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2+将与OH-结合生成Zn(OH)
,正确;
D项,O2~4e-,故电路中通过2mol电子,消耗氧气0.5mol,标准状况下体积为11.2L,错误。
6.(2016·
四川理综,5)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+C6(x<1)。
下列关于该电池的说法不正确的是( )
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6
C.充电时,若转移1mole-,石墨(C6)电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
解析 放电时,负极反应为LixC6-xe-===xLi++C6,正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,A、B正确;
充电时,阴极反应为xLi++C6+xe-===LixC6,转移1mole-时,石墨C6电极将增重7g,C项错误;
充电时,阳极反应为放电时正极反应的逆反应:
LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
锂离子电池充放电分析
常见的锂离子电极材料
正极材料:
LiMO2(M:
Co、Ni、Mn等)
LiM2O4(M:
LiMPO4(M:
Fe等)
负极材料:
石墨(能吸附锂原子)
负极反应:
LixCn-xe-===xLi++nC
正极反应:
Li1-xMO2+xLi++xe-===LiMO2
总反应:
Li1-xMO2+LixCn
nC+LiMO2。
1.“六点”突破电解池
(1)分清阴、阳极,与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极,两极的反应为“阳氧阴还”。
(2)剖析离子移向,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
(3)注意放电顺序。
(4)书写电极反应式,注意得失电子守恒。
(5)正确判断产物。
①阳极产物的判断首先看电极,如果是活性电极作阳极,则电极材料失电子,电极溶解(注意:
铁作阳极溶解生成Fe2+,而不是Fe3+);
如果是惰性电极,则需看溶液中阴离子的失电子能力,阴离子放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH-(水)。
②阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)
(6)恢复原态措施。
电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。
一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物,但也有特殊情况,如用惰性电极电解CuSO4溶液,Cu2+完全放电之前,可加入CuO或CuCO3复原,而Cu2+完全放电之后,应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。
2.电解计算破题“3方法”
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等。
通常有下列三种方法:
(1)根据电子守恒计算
用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律关系建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
题组一 电解池的“不寻常”应用
类型一 电解原理在治理环境中的不寻常应用
1.[2016·
天津理综,10(5)]化工生产的副产氢也是氢气的来源。
电解法制取有广泛用途的Na2FeO4,同时获得氢气:
Fe+2H2O+2OH-
FeO
+3H2↑,工作原理如图1所示。
装置通电后,铁电极附近生成紫红色FeO
,镍电极有气泡产生。
若氢氧化钠溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质。
已知:
Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
①电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在________(填“阴极室”或“阳极室”)。
②电解过程中,须将阴极产生的气体及时排出,其原因:
③c(Na2FeO4)随初始c(NaOH)的变化如图2,任选M、N两点中的一点,分析c(Na2FeO4)低于最高值的原因:
___________________________________________________________。
答案 ①阳极室 ②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低 ③M点:
c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢[或N点:
c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3(或Fe2O3)生成,使Na2FeO4产率降低]
解析 ①根据题意,镍电极有气泡产生是H+得电子生成H2,发生还原反应,则铁电极上OH-被消耗且无补充,溶液中的OH-减少,因此电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在阳极室。
②H2具有还原性,根据题意:
因此,电解过程中,需将阴极产生的气体及时排出,防止Na2FeO4与H2反应使产率降低。
③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,在M点:
c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢;
在N点:
c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3生成,使Na2FeO4产率降低。
类型二 电解原理在“制备物质”中的不寻常应用
(一)“单膜”电解池
2.[2015·
山东理综,29
(1)]利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。
利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为________溶液(填化学式),阳极电极反应式为_______________________________________,
电解过程中Li+向________电极迁移(填“A”或“B”)。
答案 LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
解析 B极区生成H2,同时会生成LiOH,则B极区电解液为LiOH溶液;
电极A为阳极,在阳极区LiCl溶液中Cl-放电,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑;
在电解过程中Li+(阳离子)向B电极(阴极区)迁移。
(二)“双膜”电解池
3.用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如下图所示(电极材料为石墨)。
(1)图中a极要连接电源的________(填“正”或“负”)极,C口流出的物质是________。
(2)SO
放电的电极反应式为__________________________________________________。
(3)电解过程中阴极区碱性明显增强,用平衡移动原理解释原因:
答案
(1)负 硫酸
-2e-+H2O===SO
+2H+
(3)H2OH++OH-,在阴极H+放电生成H2,c(H+)减小,水的电离平衡正向移动,碱性增强
解析 根据Na+、SO
的移向判断阴、阳极。
Na+移向阴极区,a极应接电源负极,b极应接电源正极,其电极反应式分别为
阳极:
SO
阴极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
所以从C口流出的是H2SO4,在阴极区,由于H+放电,破坏水的电离平衡,c(H+)减小,c(OH-)增大,生成NaOH,碱性增强,从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。
4.(2016·
全国卷Ⅰ,11)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO
可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
A.通电后中间隔室的SO
离子向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-===O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成
答案 B
解析 电解池中阴离子向正极移动,阳离子向负极移动,即SO
离子向正极区移动,Na+向负极区移动,正极区水电离的OH-发生氧化反应生成氧气,H+留在正极区,该极得到H2SO4产品,溶液pH减小,负极区水电离的H+发生还原反应生成氢气,OH-留在负极区,该极得到NaOH产品,溶液pH增大,故A、C项错误,B正确;
该电解池相当于电解水,根据电解水的方程式可计算出当电路中通过1mol电子的电量时,会有0
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