高考化学一轮复习 第六章 化学反应与能量 2 原电池 化学电源课件.ppt

第二节原电池化学电源 考点一原电池的工作原理 核心知识通关 1 概念及反应本质 把 转化为 的装置 其本质是发生了 反应 化学能 电能 氧化 还原 2 构成条件 自发进行 石墨 电解质溶液 电解质溶液 3 工作原理 可用简图表示如下 1 电子移动方向 锌 电子逐渐溶解变成zn2 进入溶液 电子从 极经导线流入 极 2 离子移动方向 阴离子向 极移动 如 阳离子向 极移动 如zn2 和h 溶液中h 在 极上得电子形成氢气在铜片上冒出 失 负 正 负 正 正 3 两极电极反应式 负极 锌极 氧化反应 正极 铜极 还原反应 总反应 zn 2h zn2 h2 zn 2e zn2 2h 2e h2 4 单液原电池和双液原电池对比 电能和热能 电能 特别提醒 1 只有氧化还原反应才能设计成原电池 2 活泼性强的金属不一定作负极 但负极一定发生氧化反应 3 电子不能通过电解质溶液 溶液中的离子不能通过盐桥 4 负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数 5 原电池反应速率一定比直接发生的氧化还原反应快 高考模拟精练 1 2016 玉溪模拟 下图各个装置中能组成原电池的是 解析 选b a中两极电极材料相同 错误 c中酒精是非电解质 不能构成闭合回路 错误 d中两个烧杯也不能构成闭合回路 错误 2 2015 天津高考 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 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 选c 由锌铜原电池原理可知 锌电极为负极 失电子 发生氧化反应 铜电极为正极 得电子 发生还原反应 a项错误 阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过 两池中c 不变 b项错误 电池工作过程中zn2 由甲池通过阳离子交换膜进入乙池 乙池中cu2 2e cu 其溶液中的离子转换为cu2 zn2 摩尔质量m cu2 m zn2 乙池溶液的总 质量增加 c项正确 阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过 电池工作过程中zn2 由甲池通过阳离子交换膜进入乙池保持溶液的电荷平衡 阴离子并不通过交换膜 d项错误 3 2015 安徽高考节选 常温下 将除去表面氧化膜的al cu片插入浓hno3中组成原电池 图1 测得原电池的电流强度 i 随时间 t 的变化如图2所示 反应过程中有红棕色气体产生 0 t1时 原电池的负极是al片 此时 正极的电极反应式是 溶液中的h 向 极移动 t1时 原电池中电子流动方向发生改变 其原因是 解析 原电池的正极是硝酸发生还原反应 2h e no2 h2o 原电池中的阳离子移向正极 t1时电子流动方向发生改变 则原电池的正 负极发生改变 原因是铝表面生成了氧化膜而不再参加反应 此时铜作负极 答案 2h e no2 h2o正铝在浓硝酸中发生钝化 表面生成了氧化膜阻止了al的进一步反应 加固训练 1 如图为锌铜原电池装置图 下列说法不正确的是 a 电子由zn极流向cu极b 该装置的总反应为zn cu2 zn2 cuc 一段时间后 a池带正电荷 b池带负电荷d 取出盐桥 电流计指针不再偏转 解析 选c 铜锌原电池中锌为负极 铜为正极 电子由zn极移向cu极 原电池总反应为zn cu2 zn2 cu 取出盐桥 原电池中闭合回路断开 不再存在电流 电流表指针不偏转 盐桥中阳离子移向b池 阴离子移向a池 a池和b池中溶液仍然保持电中性 2 2016 蚌埠模拟 流动电池的主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动 在电池外部调节电解质溶液 以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定 北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示 电池总反应为cu pbo2 2h2so4 cuso4 pbso4 2h2o 下列说法不正确的是 a a为负极 b为正极b 该电池工作时pbo2电极附近溶液的ph增大c a极的电极反应为cu 2e cu2 d 调节电解质溶液的方法是补充cuso4 解析 选d a项 根据电池总反应 cu pbo2 2h2so4 cuso4 pbso4 2h2o可得铜作负极 pbo2作正极 正确 b项 该电池工作时pbo2电极发生的反应为pbo2 4h 2e pbso4 2h2o 消耗了溶液中的h 故溶液的ph增大 正确 c项 铜电极的电极反应为cu 2e cu2 正确 d项 通过总反应可以看到h2so4参加了反应 故应补充h2so4 错误 3 某小组设计如图装置 盐桥中盛有浸泡了kno3溶液的琼脂 研究电化学原理 下列叙述正确的是 a 银片为负极 发生的反应为ag e agb 进行实验时 琼脂中k 移向mg no3 2溶液c 用稀硫酸代替agno3溶液 可形成原电池d 一段时间后 两电极的质量都减少 解析 选c 从图来看 该装置为mg ag的原电池 在该原电池中镁作负极 失电子形成镁离子 a错误 银电极一侧得到电子 析出银单质 所以盐桥中的k 往右侧硝酸银溶液迁移 b错误 若把硝酸银换成稀硫酸 h 在银电极处得到电子生成氢气 同样可以构成原电池 c正确 原电池工作一段时间后 负极质量减少 正极质量增加 d错误 4 2016 聊城模拟 so2 co co2 nox是对环境影响较大的几种气体 对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径 利用电化学原理将co so2转化为重要化工原料 装置如图所示 1 若a为co b为h2 c为ch3oh 则通入co的一极为 极 2 若a为so2 b为o2 c为h2so4 则负极的电极反应式为 3 若a为no2 b为o2 c为hno3 则正极的电极反应式为 解析 1 一氧化碳和氢气反应转化为甲醇的过程中氢元素的化合价升高 碳元素的化合价降低 因此氢气被氧化作负极 一氧化碳被还原作正极 2 二氧化硫 氧气和水反应生成硫酸过程中 硫元素化合价升高 二氧化硫被氧化作负极 3 二氧化氮 氧气和水反应生成硝酸过程中 氧元素的化合价降低 氧气被还原作正极 答案 1 正 2 so2 2e 2h2o 4h 3 o2 4e 4h 2h2o 考点二化学电源电极反应式的书写 核心知识通关 1 一次电池 碱性锌锰干电池 碱性锌锰干电池的工作原理如图 zn 2oh 2e zn oh 2 2 二次电池 以铅蓄电池为例 1 放电时的反应 负极反应 正极反应 pbo2 s 4h aq aq 2e pbso4 s 2h2o l 总反应 pb s pbo2 s 2h2so4 aq 2pbso4 s 2h2o l 2 充电时的反应 阴极反应 阳极反应 总反应 2pbso4 s 2h2o l pb s pbo2 s 2h2so4 aq 3 燃料电池 氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池 可分为酸性和碱性两种 2h2 4e 4h 2h2 4oh 4e 4h2o o2 4h 4e 2h2o o2 2h2o 4e 4oh 特别提醒 1 锂电池不能选用水作电解液 因为锂是比较活泼的金属 会和水发生反应 2 可充电电池的放电反应和充电反应因反应条件不同不互为可逆反应 其中充电时的阴极反应式为 放电 时负极的逆反应 阳极反应式为 放电 时正极的逆反应 3 原电池反应中负极材料本身不一定参加反应 如燃料电池中 作为负极的材料不参加反应 只起到了导电的作用 4 书写燃料电池的电极反应式时 一定要注意溶液的酸碱性对产物存在形式的影响 如甲烷燃料电池在酸性介质中生成co2 在碱性介质中生成 典题技法归纳 2015 全国卷 微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置 其工作原理如图所示 下列有关微生物电池的说法错误的是 a 正极反应中有co2生成b 微生物促进了反应中电子的转移c 质子通过交换膜从负极区移向正极区d 电池总反应为c6h12o6 6o2 6co2 6h2o 解析 选a 根据碳元素的化合价的变化 二氧化碳中碳元素的化合价为最高价 4价 所以生成二氧化碳的反应为氧化反应 应在负极生成 其电极反应式应为c6h12o6 6h2o 24e 24h 6co2 a错误 在微生物的作用下 该装置为原电池装置 反应速率比化学反应速率快 所以微生物促进了反应的发生 b正确 原电池中阳离子 质子 向正极移动 c正确 电池的总反应实质是葡萄糖的氧化反应 d正确 归纳总结 1 书写电极反应式时的3个原则 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 当电解质溶液呈酸性时 不可能有oh 参加反应 碱性溶液中co2不可能存在 也不可能有h 参加反应 水溶液中不能出现o2 2 得氧失氧原则 得氧 在反应物中加h2o 电解质为酸性时 或oh 电解质溶液为碱性或中性时 失氧 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 2 化学电源中电极反应式书写的一般步骤 1 先确定原电池的正 负极 列出正 负极上的反应物质 并标出相同数目电子的得失 2 注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存 若不共存 则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式 若正极上的反应物质是o2 且电解质溶液为中性或碱性 则水必须写入正极反应式中 且o2生成oh 若电解质溶液为酸性 则h 必须写入正极反应式中 o2生成水 3 正 负极反应式相加得到电池反应的总反应式 若已知电池反应的总反应式 可先写出较易书写的一极的电极反应式 然后在电子守恒的基础上 总反应式减去较易写出的一极的电极反应式 即得到较难写出的另一极的电极反应式 高考模拟精练 1 2015 江苏高考 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 h2o3h2 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 2h2oc 电池工作时 向电极b移动d 电极b上发生的电极反应为 o2 2co2 4e 2 解析 选d 根据化学反应方程式 每有1mol甲烷参与反应转移电子数为6mol a项错误 因为电解质为熔融态的碳酸盐 所以电极a上h2参与的电极反应式为h2 2e h2o co2 b项错误 根据原电池工作原理 电极a是负极 电极b是正极 阴离子向负极移动 碳酸根离子向负极移动 a电极 c项错误 电极b上氧气得电子与二氧化碳结合生成碳酸根离子 因此电极反应式为o2 4e 2co2 2 d项正确 2 2014 浙江高考 镍氢电池 nimh 目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型 nimh中的m表示储氢金属或合金 该电池在充电过程中的总反应方程式是 ni oh 2 m niooh mh已知 6niooh nh3 h2o oh 6ni oh 2 下列说法正确的是 a nimh电池放电过程中 正极的电极反应式为niooh h2o e ni oh 2 oh b 充电过程中oh 离子从阳极向阴极迁移c 充电过程中阴极的电极反应式 h2o m e mh oh h2o中的h被m还原d nimh电池中可以用koh溶液 氨水等作为电解质溶液 解析 选a 正极发生得电子的还原反应 结合充电时的方程式知a正确 电解时阴离子移向阳极 b错误 mh中m和氢化合价都是0价 充电时阴极发生水中的氢得电子被还原的反应 不是被m还原 c错误 根据已知信息6niooh nh3 h2o oh 6ni oh 2 电解质溶液若用氨水时会发生副反应 d错误 加固训练 1 某汽车尾气分析仪以燃料电池为工作原理测定co的浓度 其装置如图所示 该电池中电解质为氧化钇 氧化钠 其中o2 可以在固体介质nasicon中自由移动 下列说法不正确的是 a 工作时电极b作正极 o2 由电极b流向电极ab 负极的电极反应式为co o2 2e co2c 当传感器中通过2 10 3mol电子时 说明通过的尾气中含有2 24mlcod 传感器中通过的电流越大 尾气中co的含量越高 解析 选c 该电池为燃料电池 燃料为负极 空气为正极 a项 b为正极 阴离子向负极移动 正确 b项 负极发生氧化反应 正确 c项 通过2 10 3mol电子时 反应的co为0 001mol 在标准状况下 体积为22 4ml 错误 d项 co含量高 转移电子多 电流大 正确 2 2016 潍坊模拟 镁 过氧化氢燃料电池具有能量高 安全方便等优点 其总反应为mg h2o2 h2so4 mgso4 2h2o 结构示意图如图所示 下列关于该电池的叙述正确的是 a 电池内部可以使用mno2作填料b 电池工作时 h 向mg电极移动c 电池工作时 正极的电极反应式为mg 2e mg2 d 电池工作时 电解质溶液的ph将不断变大 解析 选d mno2可催化h2o2分解 a项错误 电解质溶液中的阳离子向正极移动 镁作负极 b项错误 此反应式为负极反应 c项错误 硫酸参与正极反应 则电解质溶液的酸性减弱 ph增大 d项正确 3 一种利用菌种生成的硫化物作为介体的微生物燃料电池 电池内部有质子通过 该系统不经任何维护可连续运行5年 该电池的负极反应式为s2 4h2o 8e 8h 下列有关该电池的说法中正确的是 a 若有1 12l氧气参与反应 则有0 2mol电子发生转移b 质子由正极移向负极c 该电池的总反应为s2 2o2 d 正极的电极反应式为2o2 8e 4h2o 8oh 解析 选c a项没有注明标准状况 错误 质子应由负极移向正极 b错误 正极的电极反应式为2o2 8h 8e 4h2o d错误 4 2016 衡水模拟 mcfc型燃料电池可同时供应电和水蒸气 其工作温度为600 700 所用燃料为h2 电解质为熔融的k2co3 已知该电池的总反应为2h2 o2 2h2o 则下列有关该电池的说法正确的是 a 该电池的正极反应式为4oh 4e o2 2h2ob 该电池的负极反应式为h2 2e h2o co2c 放电时向正极移动d 该燃料电池能量转化率很低 解析 选b 该燃料电池燃料为h2 电解质为熔融的k2co3 总反应为2h2 o2 2h2o 负极反应为2h2 2 4e 2h2o 2co2 用总反应减负极反应得正极反应 o2 2co2 4e 2 a错误 b正确 放电时向负极移动 c错误 该燃料电池能量转化率很高 d错误 5 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lialclx 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 解析 分析反应的化合价变化 可得li为还原剂 发生氧化反应 socl2为氧化剂 发生还原反应 1 负极材料为li 还原剂 li e li 2 正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到 答案 1 锂li e li 2 2socl2 4e 4cl s so2 考点三原电池原理的应用 核心知识通关 1 设计制作化学电源 负极 正极 电极材料 2 加快化学反应速率 一个自发进行的氧化还原反应 形成原电池时会使反应速率 如在zn与稀硫酸反应时加入少量cuso4溶液构成原电池 反应速率 增大 增大 3 金属的防护 使被保护的金属制品作原电池 而得到保护 如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等 可用导线将其与一块锌块相连 使锌作原电池的负极 4 比较金属活动性强弱 两种金属分别作原电池的两极时 一般作 的金属比作 的金属活泼 正极 负极 正极 特别提醒 1 依据原电池原理比较金属活动性的方法 根据原电池原理 一般负极大于正极 如a b为两块活动性不同的金属 若a b用导线相连后并浸入稀硫酸中 a溶解 b极产生大量气泡 电流由b 导线 a 说明a比b活泼 2 装置图 常见的错误 不注明电极材料名称 不画出电解质溶液 或画出但不标注 误把盐桥画成导线 不能连成闭合回路 典题技法归纳 考向1 设计原电池 2016 成都模拟 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 请补充下面原电池的装置图 在括号内填上正负极的材料 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 依据原电池原理分析 氧化还原反应中fe3 在正极得电子发生还原反应 i 在负极失电子发生氧化反应 负极所在的电解质溶液为ki 正极所在的电解质溶液为fecl3 电极材料可选取惰性电极 如石墨 碳棒 或其他不活泼性金属 2 发生氧化反应的电极是负极 i 失电子 3 反应达到平衡时 从左到右和从右到左移动的电子数目相同 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 如图 2 2i 2e i2 3 无 4 负 母题变式 1 外电路电流为零时 反应是否停止 填 是 或 否 提示 否 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 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 提示 负极区 2i 2e i2 碘在负极区生成 负极区溶液变蓝 考向2 加快化学反应速率 2015 海南高考改编 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 ch3coonac cuso4d na2co3 解析 选d zn与稀盐酸发生反应 zn 2hcl zncl2 h2 若加入物质使反应速率降低 则c h 减小 且影响生成氢气的物质的量 最终电离产生的n h 减少 a项 k2so4是强酸强碱盐 不发生水解 溶液显中性 溶液中的水对盐酸起稀释作用 使c h 减小 但没有消耗h 因此n h 不变 不符合题意 b项 ch3coona与hcl发生反应 ch3coona hcl ch3cooh nacl 使溶液中c h 减小 反应速率降低 当反应进行到一定程度 会发生反应 2ch3cooh zn ch3coo 2zn h2 因此最终不会影响生成氢气的物质的量 不符合题意 c项 加入cuso4溶液与zn发生置换反应 cuso4 zn cu znso4 生成的cu与zn和盐酸构成原电池 会加快反应速率 与题意不符合 d项 若加入na2co3溶液 会与盐酸发生反应 na2co3 2hcl 2nacl h2o co2 使溶液中的c h 减小 由于部分h 生成了h2o 因此使n h 也减小 生成氢气的物质的量减小 符合题意 母题变式 若10ml浓度为1mol l 1的盐酸与过量的锌粉反应产生h2的体积v l 与时间t min 的关系如图曲线a所示 请在图中画出加入几滴cuso4溶液的曲线b 提示 加入几滴cuso4溶液 zn置换出cu 形成原电池 加快反应速率 由于锌粉过量 盐酸的量是不变的 故产生h2的体积一样多 其图象为 高考模拟精练 1 2016 梧州模拟 下列叙述与原电池无关的是 a 黄铜 铜锌合金 制作的铜锣不易产生铜绿b 镀锌铁表面有破损时也能阻止铁被氧化c 红热的铁丝与水接触表面形成蓝黑色保护层d 铁与稀硫酸反应时 加少量cuso4反应明显变快 解析 选c 黄铜 cu zn合金 发生原电池反应时 zn为负极 cu为正极 zn首先被氧化溶解 与原电池有关 b项 锌比铁活泼 锌 铁与外部环境一起形成原电池 锌保护铁 与原电池有关 c项 红热的铁丝与水直接反应生成fe3o4 与原电池无关 d项 铁与硫酸铜反应生成铜 铁 铜 稀硫酸形成原电池 反应加快 与原电池有关 2 2016 兰州模拟 下图 分别是甲 乙两组同学将反应 2i 2h i2 h2o 设计成的原电池装置 其中c1 c2均为碳棒 甲组向图 烧杯中逐滴加入适量浓盐酸 乙组向图 b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 微安表 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 解析 选d 图 烧杯中逐滴加入适量浓盐酸 上述平衡向正反应方向移动 溶液颜色加深 b错 但是氧化反应和还原反应在溶液中发生 不能形成原电池 a错 向图 b烧杯中逐滴加入适量40 naoh溶液 上述平衡向逆反应方向移动 氧化反应和还原反应在两极发生 形成原电池 其中在c1上发生 i2 2e 2i 为原电池正极 在c2上发生 2e 2oh h2o 为原电池负极 c错 d对 加固训练 1 2016 潍坊模拟 某小组为研究电化学原理 设计如图装置 下列叙述错误的是 a a和b不连接时 铁片质量会增加b a和b用导线连接时 正极发生的电极反应为cu2 2e cuc 无论a和b是否连接 铁片均被腐蚀d a和b分别连接电源正 负极时 fe电极发生的电极反应为4oh 4e 2h2o o2 解析 选d a和b不连接时 fe与溶液中的cu2 发生置换反应 因fe的相对原子质量比cu的小 故铁片质量增加 a项正确 a和b用导线连接时 铁 铜 硫酸铜溶液构成原电池 正极反应为cu2 2e cu b项正确 a和b连接时 fe作负极而被腐蚀 a和b不连接时 fe与cu2 发生置换反应而被腐蚀 c项正确 a连接电源正极 b连接电源负极时 铁片作阳极 发生氧化反应 fe失电子 而不是oh 失电子 d项错误 2 银质器皿日久表面会逐渐变黑 这是生成了ag2s的缘故 根据电化学原理可进行如下处理 在铝质容器中加入食盐溶液 再将变黑的银器浸入该溶液中 一段时间后发现黑色会褪去 下列说法正确的是 a 处理过程中银器一直保持恒重b 银器为正极 ag2s被还原生成单质银c 该过程中总反应为2al 3ag2s 6ag al2s3d 黑色褪去的原因是黑色ag2s转化为白色agcl 解析 选b 处理过程ag2s变为单质银 质量减轻 a项错误 银器为正极 正极发生还原反应 b项正确 al2s3在溶液中不能稳定存在 发生水解相互促进的反应生成氢氧化铝沉淀和硫化氢气体 c项错误 黑色褪去的原因是ag2s变为单质银 不能转化为氯化银沉淀 3 2016 襄樊模拟 一个原电池反应的离子方程式是zn cu2 zn2 cu 该反应的原电池的正确组成是 解析 选d 分析反应zn cu2 zn2 cu可知 zn发生氧化反应 则zn为负极材料 cu2 发生还原反应 则电解质溶液中必须有cu2 4 2013 广东高考节选 设计两种类型的原电池 探究其能量转化效率 限选材料 znso4 aq feso4 aq cuso4 aq 铜片 铁片 锌片和导线 1 完成原电池甲的装置示意图 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 甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是 其原因是 解析 1 由题给材料及用品 结合原电池的形成条件可知可以组合的原电池有锌铜 锌铁 铁铜原电池 由图示所给电子移动方向可知左边为负极 活泼金属 右边为正极 不活泼金属 则组装的原电池可以如下 2 由所给的电极材料可知 当铜片作电极时 铜片一定是正极 则负极是活泼的金属 失电子发生氧化反应 反应的现象是电极逐渐溶解 3 以zn和cu作电