2023-2024学年高二化学2019选择性必修1试题1.2.1化学能与电能的转化（原电池的工作原理）

1.2.1化学能与电能的转化（原电池的工作原理）基础知识清单基础知识清单一、原电池工作原理1．原电池的构成条件(1)定义：能把化学能转化为电能的装置。(2)构成条件：2．实验探究：（1）锌和硫酸铜溶液反应中的能量转化向一只烧杯中加入1.0mol•L－1CuSO4溶液约30mL，再加入适量锌粉，现象是Zn逐渐溶解，溶液颜色变浅，有红色物质生成，用温度计测量溶液的温度，温度升高，能量变化的主要形式是化学能转化为热能。（2）铜锌原电池的构造与工作原理电池名称单液电池双液电池(盐桥电池)实验装置实验现象电流表指针偏转电极变化锌片逐渐溶解，铜片质量增加电流变化一段时间后，电流逐渐衰减产生的电流持续、稳定微观探析锌片的Zn失去电子形成Zn2＋进入溶液，质量减轻；电子通过导线传递到铜片上形成电流，电流表指针偏转；溶液中的Cu2＋在铜片获得电子变成Cu沉积在铜片上，质量增加符号表征电极反应式Zn片：Zn－2e－=Zn2＋(氧化反应)Cu片：Cu2＋＋2e－=Cu(还原反应)电池总反应Zn＋Cu2＋=Zn2＋＋Cu能量转换化学能转化为电能盐桥①盐桥成分：含有KCl饱和溶液的琼脂。作用：使两个半电池形成闭合回路；②平衡两侧溶液的电荷，使溶液保持电中性；离子移动方向：Cl－移向ZnSO4溶液(负极区)，K＋移向CuSO4溶液(正极区)。③避免电极与电解质溶液直接反应，相比单液原电池有利于最大程度地将化学能转化为电能3.原电池的工作原理(以锌铜原电池为例)溶液中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，电子只能在导线中流动而不能在溶液中流动，离子只能在溶液中移动而不能在导线中移动，原电池的内电路和外电路分别通过离子的移动和电子的流动而形成闭合回路，可形象地描述为“电子不下水，离子不上岸”。4.一般是负极金属的活动性(还原性)强于正极金属，原电池中正、负极的判断方法如下：二、原电池原理的应用1．比较金属活动性强弱对于酸性电解质，一般是负极金属的活动性较强，正极金属的活动性较弱。例如：有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。根据电极现象判断出a是负极，b是正极，由原电池原理可知，金属活动性a＞b。2．加快氧化还原反应的速率构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。例如：在锌与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率加快。3．设计原电池(1)理论上，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。(2)外电路：还原性较强的物质在负极上失去电子，氧化性较强的物质在正极上得到电子。(3)内电路：将两电极浸入电解质溶液中，阴、阳离子作定向移动。Ⅰ.原电池装置的设计思路是“两极一液一连线”第一步：将电池总反应拆成两个半反应，即原电池的负极反应和正极反应。第二步：确定负极材料、正极材料和电解质溶液。第三步：画出装置图，并注明电极材料和电解质溶液，以Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu反应为例，如图。Ⅱ.设计原电池时电解质溶液和电极材料的选择(1)电解质溶液一般要能够与负极材料发生反应。若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，则电解质溶液应作正极电解液。(2)电池的电极材料必须能导电。①活动性不同的两种金属。如锌铜原电池，锌作负极，铜作正极。②金属和非金属。如锌作负极，石墨棒作正极。③金属和化合物。如铅蓄电池，铅块作负极，PbO2作正极。④惰性电极。如氢氧燃料电池中，两电极均可用Pt。三、电极反应式的书写1．电极反应式书写要求电极反应式符合离子方程式书写要求，用“=”表示，注意分子、离子形式及电子、电荷、元素守恒。2.一般电极反应式的书写方法(1)定电极，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，找出得失电子的数量。(2)看环境，配守恒。电极产物在电解质溶液中应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要依据电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等加以配平。(3)两式加，验总式。两电极反应式相加，与总反应方程式对照验证。3．题目给定原电池的装置图，未给总反应式(1)结合介质和装置图中表示物质转化的箭头指向找出原电池的正、负极，即分别找出还原剂和氧化剂。判断出反应物和生成物。(2)写出电极反应式(注意两极得失电子数相等)，将两极反应式相加可得总反应式。4．已知总反应式，书写电极反应式(1)分析化合价，确定正极、负极的反应物与反应产物。(2)在电极反应式的左边写出得失电子数，使得失电子守恒。(3)根据质量守恒配平电极反应式。(4)复杂电极反应式＝总反应式－简单的电极反应式。课后分层练课后分层练1．下列装置能构成原电池的是()[答案]D2.下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是()A．均发生了化学能转化为电能的过程B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物C．工作过程中，电子均由Zn电极经导线流向Cu电极D．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高[答案]B[解析]两个装置都为原电池装置，均发生化学能转化为电能的过程，故A正确；根据原电池的工作原理，锌比铜活泼，锌作负极、铜作正极，铜本身不是反应物，故B错误；锌作负极，电子从负极经外电路流向正极，故C正确；图乙装置产生的电流在一段时间内变化不大，但图甲装置产生的电流在较短时间内就会衰减，故D正确。3．某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4=2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列叙述正确的是()A．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小B．乙烧杯中发生还原反应C．外电路的电流方向是从a到bD．电池工作时，盐桥中的SOeq\o\al(2－,4)移向甲烧杯[答案]C[解析]甲烧杯中发生的电极反应为MnOeq\o\al(－,4)＋8H＋＋5e－=Mn2＋＋4H2O，氢离子浓度减小，导致溶液的pH增大，A项错误；乙烧杯中亚铁离子失去电子发生氧化反应：Fe2＋－e－=Fe3＋，B项错误；由上述分析可知，a为正极，b为负极，则电流方向为从a到b，C项正确；阴离子向负极移动，则盐桥中的SOeq\o\al(2－,4)移4．分析如图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是()①②③④A．①②中Mg作为负极，③④中Fe作为负极B．②中Mg作为正极，电极反应式为6H2O＋6e－=6OH－＋3H2↑C．③中Fe作为负极，电极反应式为Fe－2e－=Fe2＋D．④中Cu作为正极，电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑[答案]B[解析]Mg比Al活泼，在①中Mg作负极，但在NaOH溶液中，Mg不反应，而Al可以反应，故②中Al是负极。在浓硝酸中铁会钝化，故Cu为负极，Fe为正极。在④中由于不断向Cu极附近通入空气，而O2比溶液中的H＋得电子能力强，故Fe失去电子，在Cu极O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－。5．氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是()A．电池工作时，熔融碳酸盐只起导电的作用B．负极反应式为H2－2e－＋COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))=CO2＋H2OC．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放D．电池工作时，外电路中通过0.2mol电子，消耗3.2gO2[答案]B[解析]根据题图可知，在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中，通入氢气的电极为负极，电极反应式为H2－2e－＋COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))=CO2＋H2O；通入氧气的电极为正极，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))；总反应为2H2＋O2=2H2O。根据上述分析可知，电池工作时，熔融碳酸盐参与了电极反应，A项错误；负极反应式为H2－2e－＋COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))=CO2＋H2O，B项正确；根据总反应可知，该电池工作时没有消耗二氧化碳，不能减少温室气体的排放，C项错误；电池工作时，外电路中通过0.2mol电子，消耗0.05mol氧气，则消耗的氧气质量为1.6g，D项错误。6．下列关于原电池的叙述正确的是()A．在外电路中，电流由铜电极流向银电极B．正极反应为Cu2＋＋2e－=CuC．实验过程中取出盐桥，原电池仍继续工作D．将铜片直接浸入硝酸银溶液中发生的化学反应与该原电池化学反应相同[答案]D[解析]该原电池中铜片作负极，银片作正极，电极反应为Cu－2e－=Cu2＋(负极)，2Ag＋＋2e－=2Ag(正极)，盐桥起到了传递离子、形成闭合回路的作用，电子是由负极流向正极，电流的方向和电子的流向相反。D选项正确。7．原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法错误的是()A．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋B．由金属Al、Cu和稀硫酸组成的原电池，负极反应式为Al－3e－=Al3＋C．由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(\s\up11(－),\s\do4(2))＋2H2OD．由金属Al、Cu和浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋[答案]A[解析]铁比铜活泼，铁作负极，负极反应式为Fe－2e－=Fe2＋，故A错误；铝比铜活泼，铝作负极，负极反应式为Al－3e－=Al3＋，故B正确；虽然镁比铝活泼，但镁不与氢氧化钠溶液反应，因此铝作负极，负极反应式为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(\s\up11(－),\s\do4(2))＋2H2O，故C正确；Al与浓硝酸发生钝化反应，则铜作负极，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，故D正确。8．控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列判断不正确的是()甲乙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．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流表读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极[答案]D[解析]由题图并结合原电池原理分析可知，Fe3＋得到电子变为Fe2＋，被还原，I－失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，对于2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，平衡向逆反应方向移动，此时Fe2＋被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。9．下列烧杯中盛放的都是稀硫酸，在铜电极上能产生气泡的是()[答案]A[解析]装置B、C中无化学反应发生；D不能形成闭合回路；只有A能形成原电池，铜电极上有氢气产生。10．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KCl饱和溶液的琼胶C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成D．从理论上讲，任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池[答案]D[解析]CaO＋H2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应；KCl和AgNO3发生反应生成AgCl沉淀，会阻止原电池反应的发生；作电极的不一定是金属，如石墨棒也可作电极。11.如图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球，调节杠杆并使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入M的浓溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑两球的浮力变化)()A．当M为CuSO4、杠杆为导体时，A端低，B端高B．当M为AgNO3、杠杆为导体时，A端高，B端低C．当M为盐酸、杠杆为导体时，A端高，B端低D．当M为CuSO4、杠杆为绝缘体时，A端低、B端高[答案]A[解析]杠杆为导体时，该装置形成原电池，Fe为负极、Cu为正极，A、B、C三个选项中Fe均会溶解，质量减轻，所以B端高；杠杆为绝缘体时，不形成原电池，D选项中只在铁球上发生反应：Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu，铁球质量增加，B端低。12．火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时()A．负极上发生还原反应B．CO2在正极上得电子C．阳离子由正极移向负极D．将电能转化为化学能[答案]B[解析]根据题干信息可知，放电时总反应为4Na＋3CO2=2Na2CO3＋C。放电时负极上的Na失去电子发生氧化反应生成Na＋，故A错误；放电时正极上的CO2得到电子生成C，故B正确；放电时阳离子移向正极，故C错误；放电时该装置为原电池，将化学能转化为电能，故D错误。13．图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是()A．甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)＋Co2＋(aq)=Co(s)＋Cd2＋(aq)B．反应2Ag(s)＋Cd2＋(aq)=Cd(s)＋2Ag＋(aq)能够发生C．盐桥的作用是形成闭合回路，并使两边溶液保持电中性D．乙中有1mol电子通过外电路时，正极有108gAg析出[答案]B[解析]由甲可知Cd的活动性强于Co，由乙可知Co的活动性强于Ag，即Cd的活动性强于Ag，故Ag不能置换出Cd，B项错误。14．分别按图所示甲、乙装置进行实验，图中两个烧杯中的溶液为相同浓度的稀硫酸，甲中A为电流表。甲乙(1)下列叙述正确的是________(填字母)。A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生B．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极C．两烧杯中溶液中的H＋浓度均减小D．产生气泡的速率甲中的比乙中的慢(2)甲装置中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，原因可能是____________________。(3)甲装置中，若把稀硫酸换成CuSO4溶液，试写出铜电极的电极反应_________________________。[答案](1)C(2)锌片不纯，锌与杂质构成原电池(3)Cu2＋＋2e－=Cu[解析](1)铜为金属活动性顺序表氢元素之后的金属，不能与稀硫酸反应，甲烧杯中铜片表面有气泡产生，故A错误；乙没有形成闭合回路，不能形成原电池，故B错误；两烧杯中硫酸都参加反应，氢离子浓度减小，故C正确；甲能形成原电池反应，较一般化学反应速率更大，所以产生气泡的速率甲中比乙中快，故D错误；故选C。(2)在甲实验中，某同学发现不仅铜片上有气泡产生，锌片上也产生了气体，是由于锌片不纯，在锌片上形成原电池。(3)在甲实验装置中，如果把硫酸换成硫酸铜溶液，Cu2＋在正极上得电子被还原产生Cu，电极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu。由A、B、C、D四种金属按下表中装置图进行实验。装置现象金属A不断溶解形成二价金属离子C极质量增加A极有气泡产生根据实验现象回答下列问题：(1)装置甲中负极的电极反应式是______________________________。(2)装置乙中正极的电极反应式是______________________________。(3)装置丙中溶液的pH______(填“变大”“变小”或“不变”)。(4)四种金属的活动性由强到弱是_____________________________。[答案](1)A－2e－=A2＋(2)Cu2＋＋2e－=Cu(3)变大(4)D＞A＞B＞C[解析]甲、乙、丙均为原电池装置。依据原电池原理，甲中A不断溶解，则A为负极、B为正极，活动性：A＞B；乙中C极增重，即析出Cu，则B为负极，活动性：B＞C；丙中A上有气泡即H2产生，则A为正极，活动性：D＞A，且随着H＋的消耗，pH变大。1．a、b两个烧杯中均盛有100mL等浓度的稀H2SO4，将足量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是()ABCD[答案]B[解析]H2SO4的物质的量相等、Zn粉过量，H2的量由H2SO4的物质的量决定。a中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu并形成“Zn|H2SO4|Cu”原电池，反应速率加快，但产生H2的体积相等。2．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验，据此判断四种金属的活动性顺序是()①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。A．A＞C＞D＞B B．A＞B＞C＞DC．C＞A＞B＞D D．B＞D＞C＞A[答案]A[解析]①活泼性较强的金属作原电池的负极，A、B用导线相连后，同时插入稀H2SO4中，A极为负极，则活动性：A＞B；②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电子由负极→导线→正极，电流方向与电子方向相反，电流由正极D→导线→负极C，则活动性：C＞D；③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡，说明C为原电池的正极，较不活泼，则活动性：A＞C；④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应，说明D为原电池的负极，则活动性：D＞B；所以有：A＞C＞D＞B，故A项正确。3．10mL浓度为1mol·L－1的硫酸溶液与过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是()A．加入适量的3mol·L－1的硫酸溶液B．加入适量的蒸馏水C．加入数滴硫酸铜溶液D．加入适量的硫酸钠溶液[答案]C[解析]加入适量的3mol·L－1的硫酸，增大了氢离子的浓度，也增大了氢离子的物质的量，故A错误；加入适量蒸馏水，氢离子的浓度减小，不改变氢离子的物质的量，化学反应速率减小，故B错误；加入数滴硫酸铜溶液，Zn足量，构成锌铜原电池，加快反应速率，且没有改变氢离子的物质的量，不影响生成的氢气的总量，故C正确；加入适量的硫酸钠溶液，氢离子的浓度减小，不改变氢离子的物质的量，化学反应速率减小，故D错误。4．有M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用导线连接后放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡产生；③N、E用导线连接后放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－=E、N－2e－=N2＋。则四种金属的还原性由强到弱为()A．P、M、N、E B．E、N、M、PC．P、N、M、E D．E、P、M、N[答案]A[解析]由①知，还原性：M>N；由②知，M为原电池的正极，故还原性：P>M；由③知，N为原电池的负极，故还原性：N>E。5.如图所示的原电池工作时，右池中Y2Oeq\o\al(2－,7)转化为Y3＋，下列叙述正确的是()A．左池中阴离子数目增加B．每消耗1molY2Oeq\o\al(2－,7)，转移3mol电子C．正极的电极反应为2Y3＋＋7H2O－6e－=Y2Oeq\o\al(2－,7)＋14H＋D．左池中石墨电极上发生的电极反应为X4＋＋2e－=X2＋[答案]A[解析]已知右池中Y2Oeq\o\al(2－,7)转化为Y3＋，则右池发生还原反应，右池中的石墨作正极，左池中的石墨作负极，发生氧化反应。左池中石墨电极上发生的电极反应为X2＋－2e－=X4＋，正电荷数增加，要保持溶液呈电中性，盐桥中的阴离子移向左池，则左池中阴离子数目增加，A项正确、D项错误；正极的电极反应为Y2Oeq\o\al(2－,7)＋14H＋＋6e－=2Y3＋＋7H2O，每消耗1molY2Oeq\o\al(2－,7)，转移6mol电子，B、C项错误。6.控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。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．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流表读数为零后，向甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极[答案]D[解析]由题图并结合原电池原理分析可知，Fe3＋得到电子变为Fe2＋，被还原，I－失去电子变为I2，被氧化，A、B项正确；电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态，C项正确；向甲中加入FeCl2固体，平衡向逆反应方向移动，此时Fe2＋被氧化，I2被还原，故甲中石墨电极为负极，乙中石墨电极为正极，D项错误。7．原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法错误的是()A．由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋B．由金属Al、Cu和稀硫酸组成的原电池，负极反应式为Al－3e－=Al3＋C．由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池，负极反应式为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2OD．由金属Al、Cu和浓硝酸组成的原电池，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋[答案]A[解析]铁比铜活泼，则铁作负极，负极反应式为Fe－2e－=Fe2＋，故A错误；铝比铜活泼，铝作负极，负极反应式为Al－3e－=Al3＋，故B正确；虽然镁比铝活泼，但镁不与氢氧化钠溶液反应，因此铝作负极，负极反应式为Al＋4OH－－3e－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O，故C正确；Al遇浓硝酸钝化，则铜作负极，负极反应式为Cu－2e－=Cu2＋，故D正确。8.电动势法检测溶液中c(OH－)的原理如图所示，总反应化学方程式为Cu＋Ag2O=CuO＋2Ag。下列有关说法正确的是()A．电池工作时Cu电极附近的c(OH－)增大B．由该电池反应可知，氧化性：Ag2O>CuOC．负极的电极反应式为Ag2O＋2e－=2Ag＋O2－D．该电池也可以检测盐酸中c(H＋)[答案]B[解析]电池负极的电极反应式为Cu＋2OH－－2e－=CuO＋H2O，由该电极反应式可知，电池工作时Cu电极附近的c(OH－)减小，故A、C项错误；盐酸能与Ag2O发生反应，电池将不能正常工作，故D项错误。9．a、b两个烧杯中均盛有100mL等浓度的稀H2SO4，将足量的两份锌粉分别加入两个烧杯中，同时向a中加入少量CuSO4溶液，下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是()[答案]B[解析]H2SO4的物质的量相等、Zn粉过量，生成的H2的量由H2SO4的物质的量决定。