2 第二讲 原电池 化学电源.docx
- 文档编号:25823470
- 上传时间:2023-06-15
- 格式:DOCX
- 页数:38
- 大小:421.19KB
2 第二讲 原电池 化学电源.docx
《2 第二讲 原电池 化学电源.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2 第二讲 原电池 化学电源.docx(38页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
2第二讲原电池化学电源
第二讲 原电池 化学电源
1.理解原电池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
原电池及其工作原理
[知识梳理]
1.定义
原电池是把化学能转化为电能的装置。
2.工作原理
以锌铜原电池为例:
电极名称
负极
正极
电极材料
Zn
Cu
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
由负极沿导线流向正极
离子移向(内电路)
阴离子向负极移动,阳离子向正极移动;盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极
装置区别
装置Ⅰ:
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,易造成能量损耗,装置效率很低。
装置Ⅱ:
还原剂在负极区,而氧化剂在正极区,能避免能量损耗
3.构成条件
电极
两极为导体,且存在活动性差异,一般活泼性较强的金属作负极,活泼性较弱的金属或非金属导体作正极
溶液
两极插入电解质溶液中
回路
形成闭合回路或两极直接接触
本质
自发地发生氧化还原反应
构成条件可概括为“两极一液一线一反应”。
4.盐桥原电池的组成和作用
(1)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。
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。
5.三个方向
电子移动方向
从负极流出沿导线流入正极
电流方向
从正极沿导线流向负极
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
[自我检测]
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)活泼性强的金属一定为负极。
( )
(2)电解质溶液中的离子通过盐桥移向两极。
( )
(3)由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池中,负极反应式为Cu-2e-===Cu2+。
( )
(4)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。
( )
(5)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。
( )
(6)反应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。
( )
(7)在内电路中,电子由正极流向负极。
( )
(8)某原电池反应为Cu+2AgNO3===Cu(NO3)2+2Ag,装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)× (6)× (7)× (8)×
2.(教材改编题)如图所示是一位同学在测试水果电池,下列有关说法错误的是( )
A.若金属片A是正极,则该金属片上会产生H2
B.水果电池的化学能转化为电能
C.此水果发电的原理是电磁感应
D.金属片A、B可以一个是铜片,另一个是铁片
答案:
C
规避原电池基础中的五个失分点
(1)原电池电解质溶液中阴、阳离子的定向移动与导线中电子的定向移动共同组成一个完整的闭合回路,电子由负极沿导线移向正极,电解质溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极。
原电池的闭合回路有多种形式,如两电极相接触也是一种闭合。
(2)盐桥使两半电池相连接,构成闭合回路,但不能用导线替换。
(3)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池,把化学能转化成电能。
(4)无论在原电池还是电解池中,电子均不能通过电解质溶液。
(5)两个电极即使都是石墨,也可构成原电池,如一些燃料电池。
(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
[解析] 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。
[答案] C
某兴趣小组设计了如图所示原电池装置(盐桥中吸附有饱和K2SO4溶液)。
下列说法正确的是( )
A.该原电池的正极反应式为Cu2++2e-===Cu
B.甲烧杯中溶液的红色逐渐变浅
C.盐桥中的SO
移向甲烧杯
D.若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸,电流表指针反向偏转
解析:
选B。
A项,正极Fe3+得电子,发生还原反应,电极反应式为Fe3++e-===Fe2+,故A错;B项,左边烧杯中发生Fe3++e-===Fe2+,则左边烧杯中溶液的红色逐渐变浅,故B正确;C项,阴离子向负极移动,故C错;D项,若将甲烧杯中的溶液换成稀硝酸,可氧化Cu,Cu为负极,电流表指针偏转方向不变,故D错。
1.图解原电池工作原理
2.原电池中正、负极的判断
判断原电池的正、负极需抓住闭合回路和氧化还原反应进行分析,如图:
注意) 原电池的正负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成思维定式——活泼金属一定是负极。
如Al、Mg和NaOH溶液构成的原电池中,Al为负极,Mg为正极。
题组一 原电池及其工作原理
1.在如图所示的8个装置中,属于原电池的是________。
解析:
①中缺1个电极,且无闭合回路;③不能形成闭合回路;⑤酒精为非电解质;⑧电极相同,且不能形成闭合回路。
答案:
②④⑥⑦
2.
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,则它们的活动性强弱为X>Y
解析:
选D。
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,发生氧化反应,Y极得电子,作正极,发生还原反应。
若两电极分别为铁和碳棒,则Y为碳棒,X为铁。
题组二 带盐桥的原电池
3.(2018·广东粤西四校联考)锌铜原电池(如图)工作时,下列叙述正确的是( )
A.一段时间后,铜棒上有红色物质析出
B.正极反应为Zn-2e-===Zn2+
C.在外电路中,电流从负极流向正极
D.盐桥中的K+移向ZnSO4溶液
解析:
选A。
Cu为正极,电极反应为Cu2++2e-===Cu,铜棒上有红色物质析出,A项正确,B项错误;在外电路中,电流从正极流向负极,C项错误;CuSO4溶液中c(Cu2+)降低,正电荷减少,故盐桥中的K+移向CuSO4溶液,D项错误。
4.控制合适的条件,将反应Fe3++AgFe2++Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂硝酸钾溶液;灵敏电流计的0刻度居中,左右均有刻度)。
已知接通后观察到电流计指针向右偏转。
下列判断正确的是( )
A.盐桥中的K+移向乙烧杯
B.一段时间后,电流计指针反向偏转,越过0刻度,向左偏转
C.在外电路中,电子从石墨电极流向银电极
D.电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,电流计指针将向左偏转
解析:
选D。
该原电池中,Ag失电子作负极,石墨作正极,盐桥中K+移向正极(甲烧杯);一段时间后,原电池反应结束,电流计指针指向0;原电池外电路电子由负极流向正极,所以电子从银电极流向石墨电极;电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,由2Fe3++Fe===3Fe2+,c(Fe3+)降低,c(Fe2+)增大,该平衡向左移动,故电流计指针向左偏转。
(1)盐桥中的离子不断移动到两个池中,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;明确原电池中电流与可逆反应平衡移动方向的关系,当v正=v逆时可逆反应达平衡,此时电流表读数为零。
(3)带盐桥的原电池中有关电极的判断:
同一般原电池电极的判断一致,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区。
对于活泼金属和不活泼金属,则是活泼金属作负极,不活泼金属作正极;对于金属与非金属,则是金属作负极,非金属作正极;对于还原性不同的物质,则是还原性强的作负极,还原性弱的作正极。
原电池原理的应用
[知识梳理]
1.加快氧化还原反应速率
一个自发的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率加快。
例如:
Zn与稀硫酸反应时,加入少量的CuSO4溶液能使产生氢气的速率加快。
2.比较金属活动性强弱
金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属活动性比正极的强。
3.金属的防护
使被保护的金属制品作原电池的正极而得到保护。
例如:
保护铁制输水管或钢铁桥梁,可用导线将其和一块锌块相连,使Zn作原电池的负极。
4.设计制作化学电源
[自我检测]
1.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>N>M>P
C.P>N>M>ED.E>P>M>N
解析:
选A。
金属的活动性越强,其还原性越强。
由①知,金属活动性:
M>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:
P>M;N、E构成的原电池中,N作负极,故金属活动性:
N>E,故金属的还原性:
P>M>N>E。
2.(2018·衡水模拟)一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的合理组成是( )
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
Cu
Zn
H2SO4
C
Cu
Zn
CuSO4
D
Zn
Fe
CuCl2
解析:
选C。
原电池中,相对活泼的金属作负极,发生氧化反应;不活泼金属作正极,发生还原反应。
所以根据原电池的总反应的离子方程式Zn+Cu2+===Zn2++Cu知,该原电池中,锌为负极,活泼性比Zn弱的金属或非金属导体为正极,铜盐溶液作电解质溶液,则选项C正确。
(2018·阳泉模拟)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,电极名称及电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为_______________________________________。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中________(填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为________(填“正”或“负”)极。
[解析]
(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定正、负极区的电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子变成I2。
(3)反应达到平衡时,无电子流动,故无电流产生。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。
[答案]
(1)如下图
(2)2I--2e-===I2 (3)无 (4)负
上述例题中:
(1)外电路电流为零时,反应是否停止?
________(填“是”或“否”)。
(2)该盐桥原电池反应达到平衡时,若向两个半电池中加入淀粉溶液,________(填“正极区”或“负极区”)溶液变蓝。
解析:
(1)反应达到平衡时,电流为零,该平衡是动态平衡,反应仍在进行。
(2)2I--2e-===I2,碘在负极区生成,负极区溶液变蓝。
答案:
(1)否
(2)负极区
原电池装置图常见失分点
(1)没有注明电极材料名称或元素符号。
(2)没有画出电解质溶液或画出但不标注。
(3)误把盐桥画成导线。
(4)不能连成闭合回路。
题组一 利用原电池原理比较金属的活动性
1.(2018·晋城模拟)有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
解析:
选C。
由实验1可知,a极为负极,b极为正极,活动性a>b;由实验2可知活动性b>c;由实验3可知d极为负极,c极为正极,活动性d>c;实验4,由电流方向可知a为正极,d为负极,活动性d>a,综上所述,活动性顺序为d>a>b>c。
2.①②③④四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.①③②④B.①③④②
C.③④②①D.③①②④
解析:
选B。
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上有气泡逸出,则金属活动性④>②;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。
题组二 原电池原理对反应速率的影响
3.(2015·高考海南卷改编)10mL浓度为1mol·L-1的盐酸与过量的锌粉反应,若加入适量的下列溶液,能减慢反应速率且氢气生成量减少的是( )
A.K2SO4B.CH3COONa
C.CuSO4D.Na2CO3
解析:
选D。
Zn与盐酸反应,若减慢反应速率,则c(H+)减小,加入K2SO4溶液,相当于稀释,氢气生成量不变,A错误;CH3COONa与HCl反应生成CH3COOH,使溶液中c(H+)减小,反应速率减慢,因发生2CH3COOH+Zn===(CH3COO)2Zn+H2↑,氢气生成量不变,B错误;加入CuSO4溶液与Zn反应CuSO4+Zn===Cu+ZnSO4,生成的Cu与Zn和盐酸构成原电池,加快反应速率,C错误;加入Na2CO3溶液与盐酸反应消耗了HCl,c(H+)减小,反应速率减慢,氢气生成量减少,D正确。
4.选择合适的图像填空:
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,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中,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的量不发生变化。
答案:
(1)A
(2)B (3)C
题组三 原电池的设计
5.理论上任何一个自发的氧化还原反应均可以设计成原电池。
(1)根据氧化还原反应:
Fe+2Fe3+===3Fe2+设计的原电池如图所示,其中盐桥内装琼脂饱和KNO3溶液。
请回答下列问题:
①电解质溶液X是______;电解质溶液Y是______。
②写出两电极的电极反应式。
铁电极:
_____________________________________;
碳电极:
____________________________________________________________。
③外电路中的电子是从________电极流向________电极。
(填“Fe”或“C”)
④盐桥中向X溶液中迁移的离子是________(填字母)。
A.K+ B.NO
C.Ag+D.SO
(2)请将氧化还原反应3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O设计成原电池,在装置图中的横线上写出相应的电极材料及电解质溶液,并写出相应的电极反应式。
正极:
_____________________________________;
负极:
_______________________________________。
解析:
(1)①根据反应,Fe作负极,C作正极,负极电解质溶液中应含有亚铁离子,正极反应为Fe3++e-===Fe2+,因而X为含Fe2+的溶液,Y为含Fe3+的溶液。
②电极反应:
负极Fe-2e-===Fe2+;正极2Fe3++2e-===2Fe2+。
③外电路电子由负极流向正极。
④Fe是负极,因而盐桥中向X溶液中迁移的是阴离子即为NO
。
(2)由反应可知,Cu发生氧化反应,作负极,其电极反应式为3Cu-6e-===3Cu2+;正极应选用碳棒或其他惰性电极,其电极反应式为2NO
+6e-+8H+===2NO↑+4H2O,参照其装置图可知其正、负极的电解质分别为HNO3、Cu(NO3)2。
答案:
(1)①FeCl2(或FeSO4) FeCl3[或Fe2(SO4)3]
②Fe-2e-===Fe2+ 2Fe3++2e-===2Fe2+
③Fe C ④B
(2)
(答案合理即可)
2NO
+6e-+8H+===2NO↑+4H2O
3Cu-6e-===3Cu2+
(1)能设计成原电池的反应一定是放热的氧化还原反应,吸热反应不可能将化学能转化为电能。
在原电池中还原性强的物质作为负极,氧化性强的物质作为正极,正极材料只起导电作用,一般用“万能电极”——石墨。
(2)利用原电池原理可加快制氢气的速率,但可能影响生成氢气的量。
需注意生成氢气的总量是取决于金属的量还是取决于酸的量。
(3)离子不上导线,电子不进溶液,即电子在导线中移动而不能在溶液中通过,自由离子在溶液中迁移而不能在导线中通过。
化学电源及电极反应式的书写
[知识梳理]
一.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-===2MnO(OH)+2OH-;
负极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+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,总反应为
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
二次电池的充、放电不能理解为可逆反应。
二、燃料电池
1.定义:
将燃料燃烧的化学能直接转化为电能的装置。
2.正极反应式
碱性电解质:
O2+4e-+2H2O===4OH-;
酸性电解质:
O2+4e-+4H+===2H2O;
固体熔融电解质:
O2+4e-===2O2-(固体电解质在熔融状态传导O2-);
熔融碳酸盐:
O2+4e-+2CO2===2CO
。
3.负极反应式
可将总反应式减去正极反应式后,再将两边相同的项删去,做适当调整即为负极反应式(正极反应式与上述不同介质的正极反应式相同,下面只写对应的负极反应式和总反应式)。
(1)氢氧燃料电池
总反应:
2H2+O2===2H2O;
碱性电解质:
H2-2e-+2OH-===2H2O;
酸性电解质:
H2-2e-===2H+;
固体熔融电解质:
H2-2e-+O2-===H2O(固体电解质在熔融状态传导O2-);
熔融碳酸盐:
H2-2e-+CO
===CO2+H2O。
(2)甲醇、空气(含CO2)、碳酸锂熔融盐燃料电池
总反应:
2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O;
负极:
CH3OH-6e-+3CO
===4CO2+2H2O。
(3)甲烷、空气、KOH燃料电池
总反应:
CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O;
负极:
CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O。
(4)丁烷、空气燃料电池,其电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体,在熔融状态能传导O2-。
总反应:
2C4H10+13O2===8CO2+10H2O;
负极:
C4H10-26e-+13O2-===4CO2+5H2O。
三、电极反应式书写步骤及原则
1.书写步骤
首先明确电极反应式属于以离子反应表达的氧化还原半反应,要遵循离子方程式的物质拆分的规则。
(1)先写出电极反应式的主要框架(待配平)
①酸性电解质
负极:
还原剂-xe-―→氧化产物+H+
正极:
氧化剂+xe-+H+―→还原产物
②非酸性电解质(包括碱溶液、熔融碳酸盐及氧化物)
负极:
还原剂-xe-+阴离子―→氧化产物
正极:
氧化剂+xe-―→阴离子+还原产物
(2)依据化合价变化分别标出氧化剂与电子的比例、还原剂与电子的比例,也就是配平氧化剂、还原剂和电子的系数。
(3)根据电荷守恒配平离子,注意要把得电子看作负电荷,失电子看作正电荷处理。
(4)最后根据元素守恒配平其余物质。
2.书写原则
(1)共存原则:
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。
碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应;当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应。
(2)得氧失氧原则:
得氧时,在反应物中加H2O(电解质为酸性时)或OH-(电解质为碱性或中性时);失氧时,在反应物中加H2O(电解质为碱性或中性时)或H+(电解质为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则:
在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的最后产物是碱。
[自我检测]
1.(教材改编题)镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行:
Cd+2NiO(OH)+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2,由此判断错误的是( )
A.放电时,Cd作负极
B.放电时,NiO(OH)作负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2
解析:
选B。
放电时,NiO(OH)中的Ni化合价降低应作正极。
2.(2016·高考全国卷Ⅱ,11,6分)MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。
下列叙述错误的是( )
A.负极反应式为Mg-2e-===Mg2+
B.正极反应式为Ag++e-===Ag
C.电池放电时
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二讲 原电池 化学电源 第二 化学 电源