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选修4第四单元电化学基础
4.1---原电池Primarybattery
一、原电池primarybattery
1.concept:
将化学能转化为电能的装置;
【理论上,所有自发的氧化还原反应都可以设计成为原电池】
2.构造条件:
①两个活性不同的电极;②两电极插入电解质溶液;③两电极形成闭合回路;
3.工作原理
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
得失电子
失
得
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
由锌片沿导线流向铜片
盐桥中离子流向
阴离子流向负极,阳离子流向正极
电池反应方程式
Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu
4.盐桥saltbridge
①为了减小液接电位,通常在两种溶液之间连接一个高浓度的电解质溶液作“盐桥”.
②在两种溶液之间插入盐桥以代替原来的两种溶液的直接接触,减免和稳定液接电位[当组
成或活度不同的两种电解质接触时,在溶液接界处由于正负离子扩散通过界面的离子迁
移速度不同造成正负电荷分离而形成双电层,这样产生的电位差称为液体接界扩散电位,
简称液接电位],使液接电位减至最小以致接近消除.防止试液中的有害离子扩散到参比电
极的内盐桥溶液中影响其电极电位.
③饱和KCl溶液的浓度高达4.2mol/dm3,当盐桥插入到浓度不大的两电解质溶液之间的界
面时,产生了两个接界面,盐桥中K+和Cl-向外扩散就成为这两个接界面上离子扩散的
主流.由于K+和Cl-的扩散速率相近,使盐桥与两个溶液接触产生的液接电势均很小,且
两者方向相反,故相互抵消后降至1~2mV.选择盐桥中的电解质的原则是高浓度、正负离
子迁移速率接近相等,且不与电池中溶液发生化学反应.常采用KCl、NH4NO3和KNO3
的饱和溶液.
二、书写原电池的电极反应式或总反应式
1.根据两个电极反应式,写出总反应式,使两个电极反应式得失电子数相等后,将两式相加,
消去相同的化学式;
2.根据总反应式,写电极反应式一般分三步:
①列物质,标得失;
按照负极发生氧化反应,正极发生还原反应,判断出电极反应产物,标出得失电子数量;
②看环境,配守恒;
电极产物在电解质溶液的环境中应能稳定存在,如碱性介质中生成H+让其与OH-结合
生成水;电极反应式要遵守电荷守恒、电子守恒、原子守恒;
③两式加,验总式;
两电极反应式相加,与总反应式对照验证;
三、原电池正负极的判断方法
四、原电池分类
1.干电池(drycell):
(-)Zn‖NH4Cl‖C(+)
(-)Zn-2e-=Zn2+;(+)2NH4++2e-=2NH3↑+H2↑;
总反应式为:
Zn+2NH4+=Zn2++2NH3↑+H2↑;
2.铅蓄电池(storagecell):
(-)Pb‖H2SO4(aq)‖PbO2(+)
(-)Pb+SO42--2e-=PbSO4;(+)PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O;
总反应式为:
PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O;
3.燃料电池(fuelcell)
①氢氧燃料电池:
(-)H2‖H2SO4‖O2(+)
(-)2H2-4e-=4H+;(+)O2+4H++4e-=2H2O;
电池的电解质溶液也可以是碱溶液:
(-)H2‖NaOH‖O2(+);
(-)2H2+4OH--4e-=4H2O;(+)O2+2H2O+4e-=4OH-;
总反应式为:
2H2+O2=2H2O;
②甲烷、氧气燃料电池:
(-)CH4‖KOH(aq)‖O2(+);
(-)CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O;(+)2O2+4H2O+8e-=8OH-;
总反应式为:
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O;
4.锂电池(lithiumcell):
(-)Li‖LiI‖I2(+);
(-)2Li-2e-=2Li+;(+)I2+2e-=2I-;
总反应式为:
2Li+I2=2LiI;
5.海水电池:
1991年,我国首创以铝-空气-海水为能源的新型电池,用作水标志灯已研制
成功,这种海水电池的能量比干电池高20~50倍;
(-)4Al-12e-=4Al3+;(+)3O2+6H2O+12e-=12OH-;
总反应式为:
4Al+3O2+5H2O=4Al(OH)3;
※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※
Remark
【氧化性还原性强弱的判断】
方法1、在氧化还原反应中,氧化性---氧化剂>氧化产物;还原性---还原剂>还原产物;
方法2、根据活动性顺序判断:
非金属活动性顺序
←原子(单质)氧化性增强←
F、Cl、Br、I、S
F-、含氧酸根、OH-、Cl-、Br-、I-、S2-
→对应阴离子还原性增强→
练习4.1---原电池A
01.X、Y、Z、M、N代表五种金属,有如下化学反应,①水溶液中:
X+Y2+=X2++Y;
②Z+2H2O(冷)=Z(OH)2+H2↑;③M、N为电极,与N的盐酸溶液组成原电池,发生的电极
反应为:
M-2e-=M2+;④Y可以溶于稀H2SO4中,M不被稀H2SO4氧化;则金属性强弱顺
序正确的是()
A.M 02.把a、b、c、d四块金属浸入稀H2SO4中,用导线两两相连可以组成各种原电池,若a、b 相连时a溶解;c、d相连时c为负极;a、c相连时,c极上产生大量气泡;b、d相连时, b为正极,则四种金属活动性顺序由强到弱为() A.a>b>c>d;B.a>c>d>b;C.c>a>b>d;D.b>d>c>a; 03.一个原电池的总反应方程式为Zn+Cu2+=Zn2++Cu,该原电池可能为() A B C D 正极 Cu Al Zn Fe 负极 Zn Zn Cu Zn 电解质溶液 H2SO4 CuSO4 ZnCl2 CuCl2 04.在盛有稀H2SO4的烧杯中放入导线连接的锌片和铜片,下列叙述正确的是() A.正极附近的SO42—离子浓度逐渐增大; 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; 05.下列反应中,在原理上可以设计成原电池的是() A.Ba(OH)2·8H2O与NH4Cl的反应;B.铝片与浓硫酸的反应; C.甲烷与氧气的反应;D.石灰石的分解反应; 06.某金属能跟稀盐酸作用放出氢气,该金属与锌组成原电池时,锌为负极,此金属是() A.铁;B.铜;C.铝;D.镁; 07.对铜-锌-稀硫酸组成的原电池装置中,当导线中有1mol电子通过时,理论上的两极变化 是() ①锌片溶解了32.5g;②锌片增重了32.5g;③铜片上析出1gH2;④铜片上析出1molH2; A.①③;B.①④;C.②③;D.②④; 08.把一小块镁铝合金放入6mol/L的氢氧化钠溶液中,可以形成微型电池,则该电池负极的电极反应() A.Mg→Mg2++2e-;B.2Al+8OH-→2AlO2-+4H2O+6e-; C.4OH-→2H2O+O2↑+4e-;D.2H2O+2e-→2OH—+H2↑; 09.镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用,它的充放电反应按下式进行: Cd(OH)2+2Ni(OH)2 Cd+2NiO(OH)+2H2O由此可知,该电池放电时的负极材料是( ) A.Cd(OH)2;B.Ni(OH)2;C.Cd;D.NiO(OH); 10.某金属与稀盐酸作用无氢气产生,该金属与铜能组成原电池,此金属是() A.Mg;B.Fe;C.Ag;D.Cu; 11.下列叙述是小明做完铜、锌原电池的实验后得出的结论和认识,你认为正确的是() A.构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属; B.由铜、锌作电极与硫酸铜溶液组成的原电池中铜是负极; C.电子沿外导线由锌流向铜,通过硫酸溶液被氢离子得到而放出氢气; D.铜锌原电池工作时,若有13g锌被溶解,电路中就有0.4mol电子通过; 12.下列关于原电池的叙述正确的是() A.原电池是将化学能转变成电能的装置; B.在原电池中失去电子的一极是阴极; C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成; D.原电池的负极发生的是还原反应; 13.铜片和锌片用导线连接后插入稀硫酸中,构成原电池,电子经导线由锌片流向铜片.在这个 原电池中,锌片是() A.阴极;B.正极;C.阳极;D.负极; 14.X、Y、Z都是金属,把X浸入Z的硝酸盐溶液中,X的表面有Z析出,X与Y组成原电 池时,Y为电池的负极;X、Y、Z三种金属的活动性顺序为() A.X>Y>Z;B.X>Z>Y;C.Y>X>Z;D.Y>Z>X; 15.从理论上分析,关于Fe-CuSO4(aq)-Cu原电池的叙述正确的是() A.铜极为负极;B.电子从铜沿导线转移到铁; C.铁表面析出金属铜;D.总反应为Fe+CuSO4=FeSO4+Cu; 16.银锌纽扣电池放电时的反应为: Zn+Ag2O=ZnO+2Ag,下列有关说法中不正确的是() A.该反应属于置换反应;B . 做负极; C.Ag2O在正极上发生还原反应;D.可用稀硝酸做电解质溶液; 17.下列化学反应中,理论上不能用来设计原电池的是() A.2I-+2Fe3+=2Fe2++I2,ΔH<0;B.2CO+O2=2CO2,ΔH<0; C.BaCl2+H2SO4=BaSO4↓+2HCl,ΔH<0;D.Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2,ΔH<0; 18.银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的放电过程可以表示为 Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2.电池放电时,负极发生反应的物质是() A.Ag;B.Zn;C.Ag2O;D.Zn(OH)2; 19.对于锌、铜和稀硫酸组成的原电池,下列有关说法中,不正确的是() A.Zn是负极;B.电子由Zn经外电路流向Cu; C.溶液中H+向负极移动;D.Zn电极反应: Zn-2e-=Zn2+; 20.银锌蓄电池,电极反应式: Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O;Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-; 判断氧化银是() A.负极,并被氧化;B.正极,并被还原; C.负极,并被还原;D.正极,并被氧化; 21.原电池的反应通常是放热反应,在理论上可设计成原电池的化学反应的是() A.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g),ΔH>0; B.CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l),ΔH<0; C.Ba(OH)2•8H2O(s)+2NH4Cl(s)=BaCl2(aq)+2NH3•H2O(l)+8H2O(l),ΔH>0; D.CaC2(s)+2H2O(l)=Ca(OH)2(s)+C2H2(g),ΔH<0; 22.下列关于原电池的叙述正确的是() A.原电池将化学能转化为电能; B.原电池负极发生的反应是还原反应; C.原电池在工作时其正极不断产生电子并经过外电路流向负极; D.原电池的电极只能由两种不同的金属构成; 23.人们对废旧电池的处理的主要目的是() A.回收电池外壳的金属材料; B.回收电池中的二氧化锰; C.回收电池中的石墨电极; D.防止电池中的重金属汞、镉、铅对土壤、水源的污染. 练习4.1---原电池B 01.下列装置可以组成原电池的是( ) 02.某电池的总反应为: Fe+2Fe3+=3Fe2+,能实现该反应的原电池是( ) 正极 负极 电解质溶液 A Cu Fe FeCl3溶液 B C Fe Fe(NO3)2溶液 C Fe Zn Fe2(SO4)3溶液 D Ag Fe CuSO4溶液 03.下列关于原电池的叙述中,不正确的是( ) A.原电池的负极发生的反应是氧化反应;B.原电池的电极只能由两种不同的金属构成; C.原电池能将化学能转变为电能;D.原电池中电子流入的一极是正极; 04.有A、B、C、D四种金属.将A与B用导线连结起来浸入电解质溶液中,B不易腐蚀.将A、 D分别投入等浓度盐酸中,D比A反应剧烈.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.D>C>A>B; B.D>A>B>C;C.D>B>A>C;D.B>A>D>C; 05.锌铜原电池产生电流时,阴离子( ) A.移向Zn极,阳离子移向Cu极;B.移向Cu极,阳离子移向Zn极; C.和阳离子都移向Zn极;D.和阳离子都移向Cu极; 06.用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U型管)构成 一个原电池.以下有关该原电池的叙述正确的是( ) ①在外电路中,电流由铜电极流向银电极; ②正极反应为: Ag++e-=Ag; ③实验过程中取出盐桥,原电池仍继续工作; ④将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池反应相同; A.①②;B.②③;C.②④;D.③④; 07.根据下图,可判断出下列离子方程式中错误的是( ) A.2Ag(s)+Cd2+(aq)=2Ag+(aq)+Cd(s); B.Co2+(aq)+Cd(s)=Co(s)+Cd2+(aq); C.2Ag+(aq)+Cd(s)=2Ag(s)+Cd2+(aq); D.2Ag+(aq)+Co(s)=2Ag(s)+Co2+(aq); 08.将铁片和银片用导线连接置于同一稀盐酸溶液中,并经过一段时间后,下列叙述中正确的 是( ) A.负极有Cl2逸出,正极有H2逸出;B.负极附近Cl-的浓度减小; C.正极附近Cl-的浓度逐渐增大;D.溶液中Cl-的浓度基本不变; 09.理论上不能用于设计成原电池的反应是( ) A.HCl+NaOH=NaCl+H2O,ΔH<0; B.2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l),ΔH<0; C.4Fe(OH)2(s)+2H2O(l)+O2(g)=4Fe(OH)3(s),ΔH<0; D.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l),ΔH<0; 10.对于锌、铜和稀H2SO4构成的原电池装置中,当导线中有1mol电子通过时,理论上的两极 变化是( ) ①锌片溶解了32.5g;②锌片增重32.5g;③铜片上析出1gH2;④铜片上析出1molH2; A.①和③;B.①和④;C.②和③;D.②和④; 11.如图所示装置,电流表G发生偏转,同时A极逐渐变粗, B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列 各项中的( ) A.A是Zn,B是Cu,C为稀H2SO4; B.A是Cu,B是Zn,C为稀H2SO4; C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液; D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液; 12.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-=2Fe2++I2设计成下图所示的原电池,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, 乙中的石墨电极为负极; 13.锌银电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的放电过程可以表示为: Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2,在此电池放电时,负极上发生反应的物质是() A.Ag;B.Zn(OH)2;C.Ag2O;D.Zn; 14.在盛有稀硫酸的烧杯中放入导线连接的铜片和锌片,下列叙述正确的是() A.正极附近的SO42—离子浓度逐渐增大;B.电子通过导线由铜片流向锌片; C.正极有O2放出;D.铜片上有H2放出; 15.将两个铂电极插入KOH溶液中,向两极分别通入CH4和O2,构成甲烷燃料电池.已知,通 入CH4的一极,其电极反应式是: CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O;通入O2的另一极,其 电极反应式是: 2O2+4H2O+8e-=OH-.下列叙述不正确的是() A.通入CH4的电极为负极;B.正极发生氧化反应; C.燃料电池工作时,溶液中的OH-向负极移动;D.该电池使用一段时间后应补充KOH; 16.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中加少量CuSO4溶液,下图中 产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系,其中正确的是() 17.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. 请回答下列问题: (1)电极X的材料是________;电解质溶液Y是_________. (2)银电极为原电池的______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. 4.2---化学电源Chemicalpowersource 一、化学电源chemicalpowersource 1.concept: 将化学能转化为电能的装置;本质是氧化还原反应; 2.分类: 一次电池、二次电池、燃料电池; 3.衡量电池优劣的参数: 比能量[(W·h)/kg,(W·h)/L];比功率[W/kg,W/L];储存时间; 4.记忆效应: 不当的充、放电方式(如长期不彻底充电、放电等),会造成电池内容物产生 结晶或气泡,使电池容量降低,这种现象叫做记忆效应(memoryeffect); 二、一次电池(干电池drycell) 1.碱性锌锰电池: Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 (-)Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2;(+)2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-; [优点]它的比能量和可储存时间均比普通锌锰电池好,适用于大电流和连续放电; 2.锌银电池: Zn+Ag2O+H2O=2Ag+Zn(OH)2 (-)Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2;(+)Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-; [优点]比能量大,电压稳定,储存时间长,适宜小电流连续放电,常制成纽扣式微型电池, 广泛用于电子手表、照相机、计算机和其他微型电子仪器; 3.锂电池(lithiumcell): 2Li+I2=2LiI (-)2Li-2e-=2Li+;(+)I2+2e-=2I-; [优点]比能量高、电压高、工作温度宽,可储存时间长; 三、二次电池(蓄电池storagecell) 铅蓄电池(storagecell) [优点]电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,使用广泛; [缺点]比能量低、笨重、废弃电池污染环境; 1.放电(electricdischarge) (-)Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s); (+)PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=PbSO4(s)+2H2O(l); 总反应式为: PbO2(s)+2H2SO4(aq)+Pb(s)=2PbSO4(s)+2H2O(l); 2.充电(batterycharging) 阴极: PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq); 阳极: PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq); 总反应式为: 2PbSO4(s)+2H2O(l)=PbO2(s)+2H2SO4(aq)+Pb(s); 四、燃料电池fuelcell 1.氢氧燃料电池: 2H2+O2=2H2O ①电解质溶液为酸溶液 (-)2H2-4e-=4H+; (+)O2+4H++4e-=2H2O; ②电解质溶液为碱溶液 (-)2H2+4OH--4e-=4H2O; (+)O2+2H2O+4e-=4OH-; 2.甲烷、氧气燃料电池 ①电解质为碱性溶液: CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O; (-)CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O;(+)2O2+4H2O+8e-=8OH-; ②电解质为酸性溶液: CH4+2O2=CO2+2H2O; (-)CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+;(+)2O2+8H++8e-=4H2O; 3.燃料电池优点: 能量转换率超过80%,而普通燃烧转换率仅30%;排放废弃物远少于普通火力发电站. ※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※ 【Remark】 1.元电荷: e=1.602×10-19C;1eV=1.602×10-1J; 2.电子质量: me=9.109×10-31kg; 3.阿伏伽德罗常数: NA=6.02×1023mol-1; 4. ;W=UIt=Uq;1kw·h=1000w×3600s=3.6×106J; 5.能量密度(比能量): 单位kW·h/kg 【例题】二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池 (5.93kW·h·kg-1).若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为___________________, 一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生_______个电子的电量;该电池的理论输出电压为 1.20V,能量密度E=____________________(列式计算;能量密度=电池输出电能/燃料质量) 【答案】CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+;12; 1.2V× ×12×6.02×1023mol-1×1.602×10-19C÷(3.6×106J·kW-1·h-1)=8.39kW·h·kg-1 练习4.2---化学电源A 01.氢氧燃料电池是将H2和O2分别通入电池,穿过浸入20%~40%的KOH溶液的多孔碳电极, 其电极反应式为: H2+2OH--2e-=2H2O和 O2+H2O+2e-=2OH-; 则下列叙述正确的是() A.通H2的一极是正极,通O2的一极是负极;B.通O2的一极是正极,通H2的一极是负极; C.工作一段时间后电解质溶液pH增大;D.工作时负极区附近pH减小; 02.锂电池是新型高能电池
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