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2原电池
专题:
化学能转化为电能---电池
一、原电池的工作原理
1.铜锌原电池
右图是装置,正极是,负极是。
外电路电子由通过导线流向;内电路离子向锌电极()移动,离子向铜电极()移动。
正极:
(反应)
负极:
(反应)
总反应方程式:
2.原电池的构成条件
(1);
(2);
(3);(4)。
3.原电池工作原理
原电池是把能转化为能的装置。
原电池原理是把反应和反应分别在上进行,还原剂在极上失去电子发生反应,电子通过导线流向极;氧化剂在极上得到电子发生反应。
【思考】如何判断原电池的正负极?
方法一:
根据原电池两极发生的变化来判断。
电子发生反应的是负极、电子发生反应是正极;
方法二:
根据电子移动方向来判断。
电子流出的为极、电子流入的为极或电流流出的极、电流流入的极;
方法三:
根据原电池里电解质溶液内离子的定向移动方向判断。
阴离子流向的为极、阳离子流向的为极;
方法四:
根据电极现象判断。
一般情况下,逐渐溶解的电极为极,电极增重可放出气体的为极;
方法五:
根据两极材料判断。
一般活泼金属为极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为极;
方法六:
根据电解质溶液来判断电极。
在一般情况下,能与电解质溶液反应的电极往往为极,不能与电解质溶液反应的为极。
例如:
镁、铝为电极,氢氧化钠溶液为电解质溶液,虽然镁比铝活泼,但是由于镁不与氢氧化钠溶液反应,铝能与氢氧化钠溶液反应,所以铝为负极、镁为正极。
例题1、下列说法正确的是()
A.原电池是把电能转化为化学能的装置B.原电池中电子流出的一极是正极,发生氧化反应
C.原电池的两极发生的反应均为氧化还原反应D.形成原电池后,原电池中的阳离子向正极移动
例题2、右图装置中,反应开始后的一段时间内,电流计G的指针发生偏转,且a棒会变细,b棒会变粗,图中a、b、c可能的组成是()
A.a为Cu,b为Fe,c为稀盐酸B.a为Ag,b为Zn,c为AgNO3溶液
C.a为Zn,b为碳,c为稀硫酸D.a为Fe,b为Pt,c为CuSO4溶液
例题3、某原电池总反应离子方程式为2Fe3++Fe=3Fe2+,能实现该反应的原电池是()
A.正极为铜,负极为铁,电解质溶液为FeCl3溶液
B.正极为铜,负极为铁,电解质溶液为Fe(NO3)2溶液
C.正极为铁,负极为锌,电解质溶液为Fe2(SO4)3
D.正极为银,负极为铁,电解质溶液为CuSO4
例题4、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.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
C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成
D.原电池的负极发生氧化反应
例题4、下列示意图中能构成原电池的是( )
【思考】如何根据电池反应设计简单的原电池?
二、化学电源
化学电源主要包括、和等几大类。
常见的锌-锰干电池属于,常见的蓄电池属于,又叫。
1.锌锰干电池
目前常见的一次锌锰干电池分为和两种,其中锌锰电池的性能更加优越,其电池反应为,负极电极反应是,正极电极反应是,电解质是。
例题1、锌锰干电池在放电时,电池总反应方程式可以表示为:
Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O
在此电池放电时,正极(碳棒)上发生反应的物质是()
A.ZnB.碳棒C.MnO2和NH4+D.Zn2+和NH4+
例题2.碱性锌锰电池的总反应为:
Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnO(OH),下列说法不正确的是()
A.该电池Zn为负极,MnO2为正极,电解质是KOH
B.放电时外电路电流由Zn流向MnO2
C.电池工作时OH-向锌电极移动
D.该电池的正极反应为:
MnO2+e-+H2O=MnO(OH)+OH-
2.铅蓄电池
铅蓄电池是一种,正极是,负极是,电解质溶液是。
其放电时:
负极:
正极:
总反应式:
其充电时:
阴极:
阳极:
总反应式:
例题1、铅蓄电池的工作原理为:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O研读下图,下列判断不正确的是( )
A.K闭合时,d电极反应式:
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO
B.当电路中转移0.2mol电子时,I中消耗的H2SO4为0.2mol
C.K闭合时,Ⅱ中SO
向c电极迁移
D.K闭合一段时间后,Ⅱ可单独作为原电池,d电极为正极
例题2、铅蓄电池是典型的可充电型电池,它的正负极极板是惰性材料,
电池总反应式为:
Pb+PbO2+4H++2SO42-
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浓度将变;电流方向从极流向极。
当外电路通过2mol电子时,理论上负极板的增重g。
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时,若按上图连接,电解一段时间后,则在A电极上电极反应式是、B电极上电极反应式是,此时铅蓄电池的正负极的极性将。
3、燃料电池
(1)氢氧燃料电池氢氧燃料电池在不同的介质中发生的电极反应有何异同?
介质
电池反应:
酸性(H+)
负极
正极
中性(Na2SO4)
负极
正极
碱性(OH-)
负极
正极
燃料电池的特点是电极的正负极反应物分别储存在电池之外的容器中,两种气体不断的输入电池的,通过燃料气体在极发生反应和氧气在极发生反应,实现一个相当于燃烧反应的电池反应。
例题1.据报道,某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液。
下列有关电池的叙述不正确的是( )(双选)
A.正极反应式为:
O2+2H2O+4e=4OH-
B.工作一段时间后,电解液中的KOH的物质的量浓度不变
C.用该电池电解CuCl2溶液,产生4.48LCl2(标况)时,有0.2mol电子转移
D.该燃料电池的总反应方程式为:
2H2+O2==2H2O
例题2、下图为氢氧燃料电池原理示意图,按照此图的提示,下列叙述不正确的是()
A.a电极是负极B.b电极的电极反应为:
4OH-4e=2H2O+O2
C.氢氧燃料电池是极具应用前景的绿色电源
D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
(2)甲烷燃料电池
甲烷
酸性(H2SO4)
负极
正极
总反应
碱性(OH-)
负极
正极
总反应
例题、甲烷燃料电池的一极通入甲烷;电解质是质子交换膜,它能传导氢离子(H+)。
电池工作时,甲烷被氧化为二氧化碳和水,氧气在电极上的反应是:
O2+4H++4e-=2H2O。
下列叙述中不正确的是( )
A.电池工作时,H+由正极移向负极
B.电池的总反应式是:
CH4+2O2===CO2+2H2O
C.负极的反应式为:
CH4—8e-+2H2O=CO2↑+8H+
D.电池工作时,电子从通入甲烷的一极流出,经外电路再从通入氧气的一极流入
(3)甲醇燃料电池
甲醇
酸性(H2SO4)
负极
正极
总反应
碱性(OH-)
负极
正极
总反应
例题1、右图是一个化学过程的示意图。
已知甲池的总反应式为:
2CH3OH+3O2+4KOH
2K2CO3+6H2O
(1)请回答图中甲电池是装置。
(2)请回答下列电极的名称:
A(石墨)电极的名称是。
(3)写出通入CH3OH的电极的电极反应式是。
(4)乙池中反应的化学方程式为。
(5)当乙池中B(Ag)极的质量增加10.8g时,甲池中理论上消耗O2mL(标准状况下);此时丙池某电池析出1.2g某金属,则丙中的某盐溶液可能是(填序号)
A.MgSO4B.CuSO4C.NaClD.Al(NO3)3
例题2、电池总反应为:
C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O,电池示意如右图,下列说法不正确的是:
A.b极为电池的正极
B.电池正极的电极反应为:
4H++O2+4e-=2H2O
C.电子由b极沿导线经灯泡再到a极
D.电池工作时,1mol乙醇被氧化时就有12mol电子转移
(4)熔融盐碳酸盐电池
例题1、熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。
可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物做电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混合气体为正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池。
完成上述有关的电池反应式:
正极反应:
________________________;负极反应:
___________________________;
总反应:
___________________________________
例题2、熔融碳酸盐燃料电池是未来的绿色电站。
某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时,该电池工作原理见下图。
下列说法正确的是()
A.相同条件下通入气体B与气体C的体积比为2∶1
B.外电路中电子由右侧电极移向左侧电极
C.通入1mol气体A时,左侧电极上生成5molCO2
D.Li+、K+移向左侧电极
(5)熔融氧化物电池
例题
1、固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。
它以固体氧化锆—氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。
该电池的工作原理如图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。
下列判断正确的是( )
A.电子通过外电路从a极流向b极
B.每转移0.2mol电子,a极消耗1.12L的O2
C.b极对应的电极反应为:
H2+2OH--2e-===2H2O
D.a极反应式为:
O2+4e-===2O2-
【思考】面对不同种类的原电池,该如何书写电极反应方程式呢?
(1)可充电电池电极反应式的书写:
在书写可充电电池的电极反应式时,由于电极都参加反应,且正方向、逆方向反应都能进行,所以要明确电池和电极,放电时为,充电时为。
原电池的负极反应为放电方向的反应;原电池的正极反应为放电方向的反应。
(2)燃料电池电极反应式的书写:
书写燃料电池的电极反应式时,首先要明确电解质是性还是性。
在酸性电解质溶液中,电极反应式不要出现;在碱性电解质溶液中,电极反应式不要出现。
同时还要分清燃料是还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),但无论是哪一种燃料,在碱性条件下,正极反应式都是一样的,即,若是酸性条件下,则正极反应式为。
如果是含碳燃料时,负极反应式的书写方式同甲烷燃料电池的书写,只是需要考虑用电荷守恒来配不同的计量数。
(3)根据给出电极反应式书写总反应式:
根据给出的两个电极反应式,书写总反应式时,首先要使两个电极反应式的得失电子数,再将两式,然后消去反应物和生成物中相同的物质即可。
注意,若反应式同侧出现不能大量共存的离子,如H+和OH-、Pb2+和SO
,要写成反应后的物质,即H2O和PbSO4。
练习题:
1.在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片,下列叙述正确的是( )
A.正极附近的SO
浓度逐渐增大
B.电子通过导线由铜片流向锌片
C.正极有O2逸出
D.铜片上有H2逸出
2.有A、B、C、D四块金属片,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,A为负极;②C、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,电流由D→导线→C;③A、C相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,C极产生大量气泡;④B、D用导线相连后,同时浸入稀硫酸溶液中,D极发生氧化反应。
判断四种金属的活动性顺序是( )
A.A>B>C>DB.A>C>D>BC.C>A>B>DD.B>D>C>A
3.下列关于实验现象的描述不正确的是( )
A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中,铜片表面出现气泡
B.用铜片作阳极,铁片作阴极,电解氯化铜溶液,铁片表面出现一层铜
C.把铜片插入三氯化铁溶液中,在铜片表面出现一层铁
D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴氯化铜溶液,放出气泡速率加快
4.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.反应开始时,电子由乙烧杯中的石墨电极流出
D.反应开始后,盐桥中的阴离子移向甲烧杯
5.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
6.依据甲、乙、丙三图回答下列问题:
(1)甲装置为_________,乙装置为_____________,丙装置为________________。
(2)甲、乙装置中,锌极上分别发生_____________反应、________反应,电极反应分别为________________________________、_______________________。
(3)乙装置中,Cu2+浓度________,原因__________________________________________
________________________________________________________________________。
7.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。
请完成下列问题:
(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。
8.(2010年调研试题)甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等,它的一极通入甲醇;电解质是质子交换膜,它能传导氢离子(H+)。
电池工作时,甲醇被氧化为二氧化碳和水,氧气在电极上的反应是:
O2+4H++4e-=2H2O。
下列叙述中不正确的是( )
A.负极的反应式为:
CH3OH+H2O=CO2↑+6H++6e-
B.电池的总反应式是:
2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
C.电池工作时,H+由正极移向负极
D.电池工作时,电子从通入甲醇的一极流出,经外电路再从通入氧气的一极流入
9.(2011·安徽,12)研究人员最近发明了一种“水”电池,这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电,在海水中电池总反应可表示为:
5MnO2+2Ag+2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl。
下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是( )
A.正极反应式:
Ag+Cl--e-===AgClB.每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动D.AgCl是还原产物
10.可用于电动汽车的铝—空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。
下列说法正确的是( )
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:
O2+2H2O+4e-=4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:
Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
11.(2011·新课标,11)铁镍蓄电池又称爱迪生电池,放电时的总反应为:
Fe+Ni2O3+3H2O===Fe(OH)2+2Ni(OH)2。
下列有关该电池的说法不正确的是( )
A.电池的电解液为碱性溶液,正极为Ni2O3、负极为Fe
B.电池放电时,负极反应为Fe+2OH--2e-===Fe(OH)2
C.电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低
D.电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH--2e-===Ni2O3+3H2O
12.(2012·北京,12)人工光合作用能够借助太阳能,用CO2和H2O制备化学原料。
右图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图,下列说法不正确的是( )
A.该过程是将太阳能转化为化学能的过程
B.催化剂a表面发生氧化反应,有O2产生
C.催化剂a附近酸性减弱,催化剂b附近酸性增强
D.催化剂b表面的反应是CO2+2H++2e-===HCOOH
13.化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)目前常用的镍镉(NiCd)电池,其电池总反应可以表示为:
Cd+2NiO(OH)+2H2O
2Ni(OH)2+Cd(OH)2
已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸,以下说法中正确的是( )。
①以上反应是可逆反应 ②以上反应不是可逆反应
③充电时化学能转变为电能 ④放电时化学能转变为电能
A.①③B.②④C.①④D.②③
(2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物,有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。
在酸性土壤中这种污染尤为严重。
这是因为 。
14.
(1)直接以甲醇为燃料的燃料电池中,电解质溶液为酸性,负极反应式为________________________________、正极反应式为________________________________。
(2)熔融盐电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混合气为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,完成有关电池反应式。
阳极反应式:
2CO+2CO
-4e-===4CO2,阴极反应式:
_____________________,
电池总反应式:
________________________。
15.银锌电池可用作电子仪器的电源,它的充电和放电过程可以表示为:
2Ag+Zn(OH)2
Ag2O+Zn+H2O,在此电池放电时,负极上发生反应的物质是()
A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.Zn
四、金属的腐蚀和防护
称为金属腐蚀,
金属腐蚀可分为和。
铜在高温下被空气中的氧气氧化而变黑,纯银器表面在空气中因电化学腐蚀渐渐变暗这种腐蚀就是。
电化学腐蚀过程存在,产生。
1.金属电化学腐蚀的原理
化学腐蚀与电化学腐蚀有何异同?
析氢腐蚀与吸氧腐蚀有何异同?
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟接触
金属或合金跟接触
现象
电流产生
电流产生
本质
金属被
较活泼金属被
联系
两者往往同时发生,腐蚀更普遍
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较pH≤4.3)
水膜酸性或呈性
电极反应
负极
正极
总反应式
联系
更普遍
2.金属的防护
金属发生电化学腐蚀的原因是在金属表面形成了原电池,反过来,人们也可以利用原电池原理来保护金属,使它们不被腐蚀。
常用的方法有以下四种。
(1)加保护层法:
在金属表面采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与电解质溶液等隔离,无法构成原电池,从而防止金属腐蚀。
(2)牺牲阳极的阴极保护法(利用原电池的原理):
在原电池工作时,作为负极(因发生氧化反应又称为阳极)的金属被腐蚀,而作为正极(因发生还原反应又称阴极)的金属不被腐蚀。
如果利用原电池的原理在被保护的金属上连接活泼金属,让活泼金属做负极,而被保护的金属成为正极(阴极),则该金属就不会被腐蚀。
例如,为了防止锅炉、船体、铁塔、地下铁管道、暖气管道、阐门等钢铁制品被锈蚀,常常在它们的上面连接一些锌块(片)。
(3)外加电流的阴极保护法(利用电解的原理)例如,为防止钢铁闸门被腐蚀,可以将闸门与直流电源的负极连接,使闸门做阴极。
阳极材料采用惰性电极,接通直流电源后,可以保护钢铁闸门不被腐蚀。
(4)电镀—镀层与被保护金属镀锌铁(俗称白铁)的锌镀层被破坏时,锌发生氧化反应逐渐溶解,而铁仍受到保护;当镀锡铁(俗称马口铁)的锡镀层被破坏时,由于铁的活动性比锡强,铁发生氧化反应,而受到腐蚀。
因此,镀锌铁比镀锡铁更耐腐蚀。
例题1、金属及其制品在腐蚀介质中很容易被腐蚀,其使用寿命大为降低。
因此只有对腐蚀介质中的金属及其制品采取防护措施,才能保证金属工艺设备的安全性和工农业生产的顺利进行。
下面对金属及其制品的防护措施中错误的是()
A.铁锅用完后,用水刷去其表面的油污,置潮湿处保存
B.通过特殊工艺,增加铝制品表面的氧化膜
C.对于易生锈的铁制品(如防护网)要定期涂刷防护漆
D.把Cr、Ni等金属加入到普通钢里制成不锈钢
例题2、下图所示各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为( )
A.⑤②①③④⑥ B.④③①②⑤⑥C.⑤④②①③⑥D.③②④①⑤⑥
金属腐蚀的快慢有何规律?
练习题:
1.如右图所示,将紧紧缠绕不同金属的铁钉放入培养皿中,再加入含有适量酚酞和NaCl的琼脂热溶液,冷却后形成琼胶(离子在琼胶内可以移动)。
下列叙述正确的是()
A.a中铁钉附近呈现红色B.b中铁钉上发生还原反应
C.a中铜丝上发生氧化反应D.b中铝条附近有气泡产生
2.在铜制品上的铝质铆钉,在潮湿的空气中容易被腐蚀的现象可说明( )
A.形成原电池时,铝作负极B.形成原电池时,铜作负极
C.形成原电池时,电流由铝经导线流向铜D.铝铆钉上发生了化学腐蚀
3.(2008年高考广东卷)下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是( )
A.纯银器表面在空气中因电化学腐蚀渐渐变暗
B.当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用
C.在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法
D.可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀
4.右图装置中,U型管内为红墨水,a、b试管内分别盛有食盐水和氯化氢溶液,各加入生铁块,放置一段时间。
下列有关描述错误的是
A.生铁块中的碳是原电池的正极
B.红墨水柱两边的液面变为左低右高
C.两试管中相同的电极反应式是:
Fe-2e-===Fe2+
D.a试管中发生了吸氧腐蚀,b试管中发生了析氢腐蚀
5.下列关于金属腐蚀的说法正确的是( )
A.金属在潮湿空气中腐蚀的实质是M+nH2O===M(OH)n+
H2↑
B.金属化学腐蚀的实质是M-ne-→Mn+,电子直接转移给氧化剂
C.金属的化学
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