第6章 第20讲 能量转化 电池.docx
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第6章第20讲能量转化电池
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。
3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。
考点一 原电池的工作原理
1.概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置,其反应本质是氧化还原反应。
2.原电池的构成条件
(1)一看反应:
看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极:
一般是活泼性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:
①电解质溶液;②两电极直接或间接接触;③两电极插入电解质溶液中。
3.工作原理
以锌铜原电池为例
(1)反应原理
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片沿导线流向Cu片
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)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:
a.连接内电路,形成闭合回路;b.平衡电荷,使原电池不断产生电流。
深度思考
正误判断,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)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生( )
(5)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( )
(6)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定作负极( )
答案
(1)√
(2)× (3)× (4)× (5)× (6)×
题组一 原电池的形成条件及正负极的判断
1.有关电化学知识的描述正确的是( )
A.CaO+H2O===Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能
B.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成
C.从理论上讲,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池
D.原电池工作时,正极表面一定有气泡产生
答案 C
2.在如图所示的8个装置中,属于原电池的是________________。
答案 ②④⑥⑦
3.(2017·福州质检)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
解析 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在浓硝酸中钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子作负极,A、C错;②中电池总反应为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是正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错。
1.规避原电池工作原理的3个失分点
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。
(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)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
2.判断原电池正、负极的5种方法
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。
题组二 应用原电池原理比较金属活动性强弱
4.有A、B、C、D、E五块金属片,进行如下实验:
(1)A、B用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,A极为负极,活动性________;
(2)C、D用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,电流由D→导线→C,活动性________;
(3)A、C相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,C极产生大量气泡,活动性________;
(4)B、D相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,D极发生氧化反应,活动性________;
(5)用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液,E先析出,活动性________。
综上所述,这五种金属的活动性从强到弱的顺序为________________。
答案
(1)A>B
(2)C>D (3)A>C (4)D>B
(5)B>E A>C>D>B>E
5.(2016·襄阳一模)有A、B、C、D四种金属,做如下实验:
①将A与B用导线连接起来,浸入电解质溶液中,B不易腐蚀;②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;③将铜浸入B的盐溶液里,无明显变化,如果把铜浸入C的盐溶液里,有金属C析出。
据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是( )
A.A>B>C>DB.C>D>A>B
C.D>A>B>CD.A>B>D>C
答案 C
解析 ①A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池,B不易腐蚀,说明B为原电池的正极,说明金属活动性:
A>B;②A、D与等物质的量浓度的盐酸反应,D比A反应剧烈,说明金属活动性:
D>A;③根据置换反应规律,Cu不能置换出B,说明金属活动性:
B>Cu,Cu能置换出C,说明金属活动性:
Cu>C。
则四种金属活动性的排列顺序是D>A>B>C。
题组三 聚焦“盐桥”原电池
6.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↑
答案 B
解析 由题给原电池装置可知,电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:
O2+2H2O+4e-===4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;烧杯b中,Zn发生氧化反应:
Zn-2e-===Zn2+。
7.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.检流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.检流计读数为零后,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+得电子变成Fe2+被还原,I-失去电子变成I2被氧化,所以A、B正确;检流计读数为零时,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。
8.下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应“AsO
+2I-+2H+AsO
+I2+H2O”设计成的原电池装置,其中C1、C2均为碳棒。
甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸;乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40%NaOH溶液。
下列叙述中正确的是( )
A.甲组操作时,检流计(G)指针发生偏转
B.甲组操作时,溶液颜色变浅
C.乙组操作时,C2作正极
D.乙组操作时,C1上发生的电极反应为I2+2e-===2I-
答案 D
解析 装置Ⅰ中的反应,AsO
+2I-+2H+AsO
+I2+H2O,当加入适量浓盐酸时,平衡向右移动,有电子转移,但电子不会沿导线通过,所以甲组操作时,检流计(G)指针不会发生偏转,但由于I2浓度增大,所以溶液颜色变深;向装置ⅡB烧杯中加入NaOH溶液中,C2上发生:
AsO
-2e-+2OH-===AsO
+H2O,电子沿导线到C1棒,I2+2e-===2I-,所以C2为负极,C1为正极。
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 化学电源
1.日常生活中的三种电池
(1)碱性锌锰干电池——一次电池
正极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-;
负极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
(2)锌银电池——一次电池
负极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极反应:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-;
总反应:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
(3)二次电池(可充电电池)
铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是Pb,正极材料是PbO2。
①放电时的反应
a.负极反应:
Pb+SO
-2e-===PbSO4;
b.正极反应:
PbO2+4H++SO
+2e-===PbSO4+2H2O;
c.总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。
②充电时的反应
a.阴极反应:
PbSO4+2e-===Pb+SO
;
b.阳极反应:
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO
;
c.总反应:
2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4。
注 可逆电池的充、放电不能理解为可逆反应。
2.“高效、环境友好”的燃料电池
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分酸性和碱性两种。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-===4H2O
正极反应式
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
电池总反应式
2H2+O2===2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用
深度思考
1.可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接?
答案
2.
(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将________(填“减小”、“增大”或“不变”,下同),溶液的pH______________。
(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将________(填“减小”、“增大”或“不变”,下同),溶液的pH________。
答案
(1)减小 减小
(2)减小 增大
1.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+OH--e-===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
答案 A
解析 放电时Cd的化合价升高,Cd作负极,Ni的化合价降低,NiOOH作正极,则充电时Cd(OH)2作阴极,Ni(OH)2作阳极,电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,A项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2,Cd电极周围OH-的浓度减小,C项错误;放电时OH-向负极移动,D项错误。
2.有一种MCFC型燃料电池,该电池所用燃料为H2,电解质为熔融的K2CO3。
电池的总反应为2H2+O2===2H2O,负极反应:
H2+CO
-2e-===H2O+CO2。
下列说法正确的是( )
A.电路中的电子经正极、熔融的K2CO3、负极后再到正极,形成闭合回路
B.电池放电时,电池中CO
的物质的量将逐渐减少
C.正极反应为:
2H2O+O2+4e-===4OH-
D.放电时CO
向负极移动
答案 D
解析 电子不能通过熔融的K2CO3,故A项错误;该电池的正极反应为O2+4e-+2CO2===2CO
,根据电子守恒,放电时负极消耗CO
与正极生成CO
的物质的量相等,电池中CO
的物质的量不变,故B、C错误;放电时阴离子向负极移动,D项正确。
3.铅蓄电池是典型的可充电电池,它的正、负极板是惰性材料,电池总反应式为
Pb+PbO2+4H++2SO
2PbSO4+2H2O
请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原):
(1)放电时:
正极的电极反应式是___________________________________________________
________________________________________________________________________;
电解液中H2SO4的浓度将变________;当外电路通过1mol电子时,理论上负极板的质量增加________g。
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时,若按如图连接,电解一段时间后,则在A电极上生成________,B电极上生成________,此时铅蓄电池的正极、负极的极性将________________________________________________________________________。
答案
(1)PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O 小 48
(2)Pb PbO2 对换
解析
(1)原电池里正极上得电子,负极上失电子。
根据电池总反应式
负极反应为
Pb+SO
-2e-===PbSO4 质量增加
2mol96g
1molΔm
求得Δm=48g。
(2)电解池里与电源正极相连的电极(阳极)上失电子,与电源负极相连的电极(阴极)上得电子。
则阳极反应为PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO
;阴极反应为PbSO4+2e-===Pb+SO
。
根据图示,电解一段时
间后,原PbO2极变成Pb,原Pb极变成PbO2,即铅蓄电池的正负极的极性对换。
可充电电池常考查内容
(1)充、放电时电极的判断。
(2)充、放电时电极反应及反应类型的判断。
(3)充、放电时离子(外电路中电子的移动方向的判断)。
(4)充、放电时电解质溶液离子浓度的变化,特别是酸、碱性的变化。
近几年高考中的新型电池种类繁多,“储氢电池”、“高铁电池”、“海洋电池”、“燃料电池”、“锂离子电池”等,这些新型电源常以选择题的形式呈现。
解析这类考题,首先要理解常见的化学电源种类及原电池的工作原理,其次会判断正负电极或阴阳极,以及会书写电极反应式等。
1.电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的书写)
2.已知总方程式,书写电极反应式
(1)书写步骤
①步骤一:
写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
②步骤二:
找出正、负极,失电子的电极为负极;确定溶液的酸碱性。
③步骤三:
写电极反应式。
负极反应:
还原剂-ne-===氧化产物
正极反应:
氧化剂+ne-===还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写时,可先写出较易的电极反应式,用总反应式减去较易的电极反应式,即可得出较难写的电极反应式。
如:
CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中:
总反应式:
CH3OCH3+3O2===2CO2+3H2O
正极:
3O2+12H++12e-===6H2O
负极:
CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+
特别提醒 简单电极反应中转移的电子数,必须与总方程式中转移的电子数相同。
3.氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结
负极
正极
专题训练
题组一 判断正、负极,书写化学电源电极反应式
1.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_______________________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)锂 4Li-4e-===4Li+
(2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑
解析 分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。
(1)负极材料为Li(还原剂),4Li-4e-===4Li+。
(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:
2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑。
2.Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池,电池反应方程式为2AgCl+Mg===Mg2++2Ag+2Cl-
试书写该电池的正、负极电极反应式。
答案 负极:
Mg-2e-===Mg2+
正极:
2AgCl+2e-===2Ag+2Cl-
3.铝-空气海水电池:
以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流。
电池总反应为4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3;
负极:
________________________________________________________________________;
正极:
________________________________________________________________________。
答案 4Al-12e-===4Al3+ 3O2+6H2O+12e-===12OH-
题组二 “一池多变”的燃料电池
4.以甲烷燃料电池为例来分析不同的环境下电极反应式的书写。
(1)酸性介质(如H2SO4)
负极:
________________________________________________________________________;
正极:
________________________________________________________________________;
总反应式:
_________________________________________________________。
答案 CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
2O2+8e-+8H+===4H2O
CH4+2O2===CO2+2H2O
(2)碱性介质(如KOH)
负极:
________________________________________________________________________;
正极:
________________________________________________________________________;
总反应式:
_________________________________________________________________。
答案 CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O
2O2+8e-+4H2O===8OH-
CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
负极:
________________________________________________________________________;
正极:
________________________________________________________________________;
总反应式:
_______________________________________________________________。
答案 CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O
2O2+8e-===4O2-
CH4+2O2===CO2+2H2O
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
负极:
________________________________________________________________________;
正极:
________________________________________________________________________;
总反应式:
________________________________________________________________。
答案 CH4-8e-+4CO
===5CO2+2H2O
2O2+8e-+4CO2===4CO
CH4+2O2===CO2+2H2O
题组三 根据图示理解新型电源工作原理
5.热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。
一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。
该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb。
下列有关说法正确的是( )
A.正极反应式:
Ca+2Cl--2e-===CaCl2
B.放电过程中,Li+向负极移动
C.每转移0.1mol电子,理论上生成20.7gPb
D.常温时,在正负极间接上电流表,指针不偏转
答案 D
解析 正极发生还原反应,故为PbSO4+2e-===Pb+SO
,A项错误;放电过程为原电池,阳离子向正极移动,B项错误;每转移0.1mol电子,生成0.05molPb,质量为10.35g,C项错误;常温下,电解质不能熔化,不能形成原电池,故指针不偏转,D项正确。
6.一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B电极移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO
答案 D
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。
7.一种碳纳米管能够吸附氢气,可作二次电池(如下图所示)的碳电极。
该电池的电解质溶液为6mol·L-1的KOH溶液。
(1)写出放电时的正、负极电极反应式。
答案 负极:
H2-2e-+2OH-===2H2O;
正极:
2NiO(OH)+2H2O+2e-===2Ni(OH)2+2OH
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- 第6章 第20讲 能量转化 电池 20 能量 转化