学案32-原电池化学电源

学案32原电池化学电源[考纲要求]1.了解原电池的工作原理，能写出电极反响和电池反响方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。知识点一原电池1．概念把________能转化为____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电极反响反响类型电子流向由Zn沿导线流向Cu3.原电池构成条件(1)两个____________的电极。(2)将电极插入______________中。(3)用导线连接电极构成____________。(4)能自发进行的____________________。总之原电池的工作原理和电子流向可用以下图示表示：问题思考1．在原电池中是否较活泼金属一定作负极？2．原电池内部阴、阳离子如何移动？3．怎样判断原电池的正负极？知识点二化学电源1．一次电池(1)碱性锌锰干电池负极反响：____________________________________________________________；正极反响：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；总反响式：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)锌银电池负极反响：_____________________________________________________________；正极反响：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；总反响式：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。2．二次电池(可充电，可屡次重复使用)如铅蓄电池：H2SO4作电解质溶液负极反响：____________________________________________________________；正极反响：PbO2＋2e－＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4＋2H2O；总反响式：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。问题思考4．可充电电池充电时，电极与外接电源的正负极如何连接？发生什么变化？3．燃料电池(1)氢氧燃料电池①用酸性电解质时：负极：_________________________________________________________________；正极：_________________________________________________________________；总反响：H2＋eq\f(1,2)O2=H2O。②用NaOH等碱性溶液时：负极：__________________________________________________________________；正极：_________________________________________________________________；总反响：H2＋eq\f(1,2)O2=H2O。(2)CH4燃料电池：电解质为KOH负极：______________________________________________________________；正极：_______________________________________________________________；总反响：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O。问题思考5．氢氧燃料电池在碱性介质中如何反响？反响后溶液的碱性有何变化？一、原电池电极反响式的书写1．一般电极反响式的书写步骤eq\x(\a\al(列物质,标得失))—eq\a\vs4\al\co1(按照负极发生，正极发生，,判断出电极反响产物，找出得失电子的数量)eq\x(\a\al(看环境,配守恒))—eq\a\vs4\al\co1(电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，,如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。,电极反响式要根据守恒、守恒和,守恒等加以配平)eq\x(\a\al(两式加,验总式))—eq\a\vs4\al\co1(两电极反响式相加，与总反响离子方程式对照,验证)2．复杂电极反响式的书写eq\x(复杂电极反响式)＝eq\x()－如CH4酸性燃料电池中，负极反响式为CH4＋2O2→CO2＋2H2O……总反响式①________________________________________________________________________……正极反响式②________________________________________________________________________……负极反响式(①－②)典例导悟1科学工作者为心脏病人设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体内液体中含有一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作。答复以下问题：(1)正极材料是________，电极反响是_______________________________________。(2)负极材料是________，电极反响是_______________________________________。典例导悟2(2023·广东，16)LiFePO4电池具有稳定性高、平安、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反响为FePO4＋LiLiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解质。以下有关LiFePO4电池说法正确的选项是()A．可参加硫酸以提高电解质的导电性B．放电时电池内部Li＋向负极移动C．充电过程中，电池正极材料的质量减少D．放电时电池正极反响为FePO4＋Li＋＋e－=LiFePO4听课记录：二、原电池原理的应用1．加快氧化复原反响速率一个自发进行的氧化复原反响，设计成原电池时反响速率________。例如，在Zn与稀H2SO4反响时参加少量CuSO4溶液能使产生H2的速率________。典例导悟3将等质量的两份锌粉a、b分别参加过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，以下图中产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系，其中正确的选项是()听课记录：2．比拟金属活动性强弱两种金属作原电池的两极时，其活泼性与正极、负极有什么关系？典例导悟4有A、B、C、D四种金属。将A与B用导线连接起来，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反响剧烈。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、BB．D、A、B、CC．D、B、A、CD．B、A、D、C听课记录：3．设计化学电源(1)设计原电池的一般思维方法是什么？(2)设计原电池时，对电解质溶液有何要求？假设有盐桥时两个半电池中的电解质溶液是否相同？(3)在电极材料的选择使用方面有何要求？电极材料必须参与化学反响吗？典例导悟5根据以下氧化复原反响设计一个原电池：2FeCl3＋Fe=3FeCl2。要求：(1)画出此原电池的装置图，装置可采用烧杯。(2)注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。(3)写出两个电极上发生的电极反响。题组一原电池正、负极的判断与电极反响式的书写1．(2023·福建理综，11)研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储藏电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时参加水即可放电。关于该电池的以下说法不正确的选项是()A．水既是氧化剂又是溶剂B．放电时正极上有氢气生成C．放电时OH－向正极移动D．总反响为2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑2．(2023·安徽理综，12)研究人员最近创造了一种“水〞电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差异进行发电，在海水中电池总反响可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl=Na2Mn5O10＋2AgCl以下“水〞电池在海水中放电时的有关说法正确的选项是()A．正极反响式：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是复原产物3．(2023·广东理综，12)某小组为研究电化学原理，设计如图装置。以下表达不正确的选项是()A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反响为Cu2＋＋2e－=CuC．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色D．a和b分别连接直流电流正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动4．(2023·福建理综，11)铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，研读以下图，以下判断不正确的选项是()A．K闭合时，d电极反响式：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)B．当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2molC．K闭合时，Ⅱ中SOeq\o\al(2－,4)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5．(2023·广东理综，23)铜锌原电池(如图)工作时，以下表达正确的选项是()A．正极反响为Zn－2e－=Zn2＋B．电池反响为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋CuC．在外电路中，电子从负极流向正极D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液题组二原电池原理的应用6．(2023·江苏，18)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，可通过以下方法制备：在KOH溶液中参加适量AgNO3溶液，生成Ag2O沉淀，保持反响温度为80℃，边搅拌边将一定量K2S2O8溶液缓慢加到上述混合物中，反响完全后，过滤、洗涤、真空枯燥得固体样品。反响方程式为2AgNO3＋4KOH＋K2S2O8eq\o(=,\s\up7(△))Ag2O2↓＋2KNO3＋2K2SO4＋2H2O答复以下问题：(1)上述制备过程中，检验洗涤是否完全的方法是_____________________________。(2)银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池反响方程式：______________________________。(3)准确称取上述制备的样品(设仅含Ag2O2和Ag2O)2.588g，在一定条件下完全分解为Ag和O2，得到224.0mLO2(标准状况下)。计算样品中Ag2O2的质量分数(计算结果精确到小数点后两位)。7．(2023·天津理综，10)氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，该电池电极外表镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请答复：(1)氢氧燃料电池的能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子流动方向为________(用a、b表示)。(2)负极反响式为________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)电极外表镀铂粉的原因是_______________________________________________________________________________________________________________________。(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供应，电池可连续不断提供电能。因此，大量平安储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：Ⅰ.2Li＋H2eq\o(=,\s\up7(△))2LiHⅡ.LiH＋H2O=LiOH＋H2↑①反响Ⅰ中的复原剂是________________，反响Ⅱ中的氧化剂是________________。②LiH固体密度为0.82g·cm－3，用锂吸收224L(标准状况)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，假设能量转化率为80%，那么导线中通过电子的物质的量为________mol。题组一原电池原理及其应用1．理论上不能用于设计成原电池的反响是()A．HCl＋NaOH=NaCl＋H2OΔH＜0B．2CH3OH(l)＋3O2(g)eq\o(→,\s\up7(点燃))2CO2(g)＋4H2O(l)ΔH＜0C．4Fe(OH)2(s)＋2H2O(l)＋O2(g)=4Fe(OH)3(s)ΔH＜0D．2H2(g)＋O2(g)=2H2O(l)ΔH＜02．X、Y、Z都是金属，把X投入Z的硝酸盐溶液中，X的外表有Z析出，X与Y组成原电池时，Y为电池的负极，X、Y、Z三种金属的活泼性顺序为()A．X>Y>ZB．X>Z>YC．Y>X>ZD．Y>Z>X3．(2023·吉林模拟)依据氧化复原反响：2Ag＋(aq)＋Cu(s)=Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如以下图所示。请答复以下问题：(1)电极X的材料是______；电解质溶液Y是______________________________；(2)银电极为电池的________极，发生的电极反响为__________________________________________________________________________________________________；X电极上发生的电极反响为_______________________________________________；(3)外电路中的电子是从________电极流向________电极。题组二原电池正、负极的判断和电极反响式的书写4．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。，通入CH4的一极，其电极反响式是CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O；通入O2的另一极，其电极反响式是2O2＋4H2O＋8e－=8OH－。以下表达不正确的选项是()A．通入CH4的电极为负极B．正极发生氧化反响C．燃料电池工作时，溶液中的OH－向正极移动D．该电池使用一段时间后应补充KOH5．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。以下对该燃料电池的说法不正确的选项是()A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极B．该电池的总反响是C3H8＋5O2=3CO2＋4H2OC．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙烷被完全氧化D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反响为C3H8－20e－＋10O2－=3CO2＋4H2O6．(2023·宁波质检)一种燃料电池中发生的化学反响为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反响是()A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－=H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－=2H2O(l)C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－=CO2(g)＋6H＋(aq)D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－=4OH－7.(1)将Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中组成原电池，写出电极名称及电极反响式：Al片()___________________________________________，Cu片()______________________________________________。(2)假设将Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中能否组成原电池？________(填“能〞或“不能〞)，假设能组成原电池，写出电极名称及电极反响式：Al片()_____________________________________________，Cu片()________________________________________________________。题组三综合探究8．Li­SOCl2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。电池的总反响可表示为4Li＋2SOCl2=4LiCl＋S＋SO2↑。请答复以下问题：(1)电池的负极材料为________________，发生的电极反响为____________________；(2)电池正极发生的电极反响为___________________________________________；(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是___________________________________________，反响的化学方程式为____________________________________________________；(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。学案32原电池化学电源【课前准备区】知识点一1．化学电2.电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反响Zn－2e－=Zn2＋Cu2＋＋2e－=Cu反响类型氧化反响复原反响电子流向由Zn沿导线流向Cu3.(1)活泼性不同(2)电解质溶液(3)闭合回路(4)氧化复原反响知识点二1．(1)Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2(2)Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)22．Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO43．(1)①H2－2e－=2H＋eq\f(1,2)O2＋2H＋＋2e－=H2O②H2＋2OH－－2e－=2H2Oeq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－(2)CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O2O2＋4H2O＋8e－=8OH－问题思考1．不一定，例如将Mg和Al用导线连接插入NaOH溶液中，Al作负极，Mg作正极。2．根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原理可知，在电解质溶液中，阴离子移向负极，阳离子移向正极。3．(1)根据电子流动方向判断。在原电池中，电子流出的一极是负极；电子流入的一极是正极。(2)根据两极材料判断。一般活泼性较强金属为负极；活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(3)根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。(4)根据原电池两极发生的变化来判断。负极总是失去电子，发生氧化反响，正极总是得到电子，发生复原反响。(5)根据现象判断。溶解的一极为负极，质量增加或放出气体的一极为正极。4.5．负极反响：2H2＋4OH－－4e－=4H2O正极反响：O2＋2H2O＋4e－=4OH－总反响式：2H2＋O2=2H2O从上述反响可以看出，虽然OH－反响前后的量不变，但有水生成，介质溶液的碱性减弱。【课堂活动区】一、1.氧化反响复原反响电荷质量得失电子2．总反响式较简单一极的电极反响式2O2＋8H＋＋8e－=4H2OCH4＋2H2O－8e－=CO2＋8H＋二、1.加快加快2．一般作负极的金属比作正极的金属活泼。3．(1)一般思维方法：①首先将氧化复原反响拆分为两个半反响；②根据原电池的电极反响特点，结合两个半反响找出正负极材料(负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨)及电解质溶液。③按要求画出原电池装置图。(2)电解质溶液的要求：电解质是使负极放电的物质。因此电解质溶液一般要能够与负极发生反响，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反响(如空气中的氧气)。但如果两个半反响分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，那么左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。如在锌铜原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的溶液中。但H2—KOH—O2构成的电池中两个半电池中可都用KOH溶液。(3)电极材料的选择在原电池中，选择复原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。并且，原电池的电极必须导电。电池中的负极必须能够与电解质溶液反响，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料(也可以是复原性较强的非金属材料如H2、CH4等)。典例导悟1．(1)PtO2＋2H2O＋4e－=4OH－(2)Zn2Zn－4e－=2Zn2＋解析Zn比Pt活泼，Zn作为原电池的负极，Zn失去电子，Pt作为原电池的正极，因人的体内液体不可能呈较强酸性，故正极上O2得到电子，发生复原反响。2．CD[由于Li能和稀H2SO4、H2O反响，因此电解质不能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动；充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电子，即LiFePO4－e－=Li＋＋FePO4，因此阳极材料(LiFePO4)质量会减少；将电解池阳极反响倒过来就是原电池的正极反响。综合上述分析可知C、D正确。]3．A[a中参加CuSO4溶液，被置换出的铜覆盖在Zn的外表，形成原电池，产生H2的速率加快，反响所需时间缩短，但置换铜时消耗了一局部锌，故与稀硫酸反响的锌的质量减少，完全反响后生成的H2的量比b少，答案为A。]4．B[A、B形成原电池，B不易腐蚀，那么A为负极，B为正极，活泼性：A>B；A、D放入HCl中，D比A反响剧烈，那么活泼性：D>A；Cu不能置换B而Cu能置换C，那么活泼性：B>Cu>C。总的活泼性：D>A>B>C。]5．(1)装置图如下：(2)电池的正、负极及外电路中电子的流向如下图。(3)负极(Fe)：Fe－2e－=Fe2＋；正极(C)：2Fe3＋＋2e－=2Fe2＋。解析根据原电池的构成条件——发生复原反响的物质作正极(或在正极上发生复原反响)，发生氧化反响的物质作负极(或在负极上发生氧化反响)。在上述反响里，固体铁中铁元素的化合价升高，发生氧化反响，应作原电池的负极；FeCl3中铁元素的化合价降低，发生复原反响，但因FeCl3易溶于水，不能直接作电极，所以要选用一种活动性比铁弱且与FeCl3溶液不反响的固体作辅助电极，这里可以采用石墨棒等。【课后练习区】高考集训1．C[根据题给信息知锂水电池的总反响为2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑，D正确；在反响中氢元素的化合价降低，因此H2O作氧化剂，同时又起到溶剂的作用，A正确；放电时正极反响为2H2O＋2e－=2OH－＋H2↑，B正确；正极周围聚集大量OH－，因此溶液中的阳离子Li＋向正极移动，负极周围聚集大量Li＋，因此溶液中的阴离子OH－向负极移动，C错误。]2．B[由电池总反响式可知，Ag在负极失去电子，生成氧化产物AgCl，每生成2molAgCl，即生成1molNa2Mn5O10时，转移2mol电子，故A、D错误，B正确；Na＋应向电池的正极移动，C错误。]3．D[铁的活泼性强于铜，故铁能置换出铜且附着在铁棒上，A正确；B项构成原电池，铜片为正极，B正确；C项中无论a和b是否连接，都有铁被氧化生成亚铁离子，故C正确；D项中铜离子应移向铁电极，故D错误。]4．C[由图示关系可知，Ⅰ池为原电池，Ⅱ池为电解池，a极为正极，b极为负极，K闭合后，c极为阴极，d极为阳极，因电极材料为PbSO4，结合铅蓄电池的工作原理，可判断d极发生的电极反响式为PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)，A项正确；由题给方程式可判断，当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2mol，B项正确；电解池工作时，阴离子移向阳极，即d电极，故C项错误；因Ⅱ池反响为2PbSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(充电))Pb＋PbO2＋2H2SO4，因此K闭合一段时间后，Ⅱ池可作为原电池对外供电，其中析出的铅附着在c极上作负极，析出的PbO2附着在d极上作正极，D项正确。]5．BC[铜锌原电池工作时，负极反响为Zn－2e－=Zn2＋，正极反响为Cu2＋＋2e－=Cu，电池总反响为Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu，故A项错误，B项正确；原电池工作时，电子从负极由外电路流向正极，由于左池阳离子增多，右池阳离子减少，为平衡电荷，那么盐桥中的K＋移向CuSO4溶液，而Cl－那么移向ZnSO4溶液，故C项正确，D项错误。]6．(1)取少许最后一次洗涤滤液，滴入1～2滴Ba(NO3)2溶液，假设不出现白色浑浊，表示已洗涤完全(或取少许最后一次洗涤滤液，滴入1～2滴酚酞溶液，假设溶液不显红色，表示已洗涤完全)(2)Ag2O2＋2Zn＋4KOH＋2H2O=2K2Zn(OH)4＋2Ag(3)0.91或(91%)解析(1)解题出发点有二：其一从沉淀外表附着硫酸钾，可用硝酸钡溶液检验；其二沉淀外表附着(过量的)氢氧化钾，可用酚酞溶液检验。(2)根据原电池反响和氧化复原反响的对应关系，初步确定氧化剂是过氧化银，复原产物是银；复原剂是金属锌，氧化产物是四羟基合锌酸钾；同时注意所用的介质是氢氧化钾溶液。(3)n(O2)＝eq\f(224.0mL,22.4L·mol－1×1000mL·L－1)＝1.000×10－2mol设样品中Ag2O2的物质的量为x，Ag2O的物质的量为y。eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(248g·mol－1×x＋232g·mol－1×y＝2.588g,x＋\f(1,2)y＝1.000×10－2mol))x＝9.500×10－3moly＝1.000×10－3molw(Ag2O2)＝eq\f(mAg2O2,m样品)＝eq\f(9.500×10－3mol×248g·mol－1,2.588g)≈0.91。7．(1)由化学能转变为电能由a到b(2)2H2＋4OH－－4e－=4H2O或H2＋2OH－－2e－=2H2O(3)增大电极单位面积吸附H2、O2分子数，加快电极反响速率(4)①LiH2O②1/1148或8.71×10－4③32解析(1)氢氧燃料电池中，负极通H2，正极通O2，所以导线中电子由a到b。(2)负极H2被氧化，写反响式时要注意电解质溶液的组成。(3)此题考查读题能力，铂粉作用在题设中有说明，在学习中要注意自学能力的培养。(4)②2Li＋H2eq\o(=,\s\up7(△))2LiH22.4L16g吸收224LH2时，生成的LiH的质量为160g，LiH体积与被吸收的H2体积比为eq\f(160g,820g·L－1)∶224L＝1∶1148③LiH＋H2O=LiOH＋H2↑8g1mol160gLiH