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文档简介

第2讲原电池化学电源【2019·备考】最新考纲:1.理解原电池的构成、工作原理及应用。2.能书写电极反应和总反应方程式。3.了解常见化学电源的种类及其工作原理。考点一原电池的工作原理及其应用(频数:★★☆难度:★☆☆)氧化还原反应3.工作原理以锌铜原电池为例(1)反应原理电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应________________________________________反应类型________________________电子流向由Zn片沿导线流向Cu片自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应,也可能是电极与溶解的氧气等发生反应,如将铁与石墨相连插入食盐水中。Zn-2e-===Zn2+Cu2++2e-===Cu氧化反应还原反应负极正极1.(RJ必修2·P42“实践活动”改编)如图所示是一位同学在测试水果电池,下列有关说法错误的是(

)A.若金属片A是正极,则该金属片上会产生H2B.水果电池的化学能转化为电能C.此水果发电的原理是电磁感应D.金属片A、B可以一个是铜片,另一个是铁片答案C2.(溯源题)(2016·上海化学,8)图1是铜锌原电池示意图。图2中,x轴表示实验时流入正极的电子的物质的量,y轴表示________。答案③探源:本考题源于教材SJ必修2P40“图2-6锌铜原电池装置”,对原电池的工作原理进行了考查。题组一原电池基础1.基础知识判断,正确的打“√”,错误的打“×”(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极(

)(2)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强(

)(3)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应(

)(4)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生(

)(5)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(

)(6)在内电路中,电子由正极流向负极(

)(7)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(

)答案(1)√

(2)×

(3)×

(4)×

(5)×

(6)×

(7)×2.课堂学习中,同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、电流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。下列结论错误的是(

)A.原电池是将化学能转化成电能的装置B.原电池由电极、电解质溶液和导线等组成C.图中电极a为铝条、电极b为锌片时,导线中会产生电流D.图中电极a为锌片、电极b为铜片时,电子由铜片通过导线流向锌片解析D项,电极a为负极,电子由负极(锌片)流出。答案D【反思归纳】规避原电池工作原理的3个失分点(1)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。(3)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。题组二原电池原理的应用3.用a、b、c、d四种金属按表中所示的装置进行实验,下列叙述中正确的是(

)A.装置甲中的b金属是原电池的负极B.装置乙中的c金属是原电池的阴极C.装置丙中的d金属是原电池的正极D.四种金属的活泼性顺序:d>a>b>c解析甲中a溶解说明a是负极,活泼性a>b,A错误;原电池用正极或负极命名电极,B错误,由乙中现象知活泼性b>c;丙中d是负极,活泼性d>a,C错误;综上可知D正确。答案D4.某学校研究性学习小组欲以镁条、铝片为电极,以稀NaOH溶液为电解质溶液设计原电池。解析铝能够与NaOH溶液反应,所以作原电池的负极,而镁与NaOH溶液不反应,故作原电池的正极。【规律总结】原电池设计程序在设计原电池装置时,首先要书写出总氧化还原反应的离子方程式,确定原电池的正、负极,再把总反应的离子方程式拆写成氧化反应(负极反应)和还原反应(正极反应)。热点说明:相对于常规原电池,盐桥原电池能减少副反应,提高电池的供电效率。一些原电池装置考查题,常带有盐桥,正确理解盐桥作用,注意盐桥中的离子移向是解题关键。1.盐桥的构成

盐桥里的物质一般是强电解质而且不与两池中电解质反应,教材中常使用装有饱和KCl琼脂溶胶的U形管,离子可以在其中自由移动,这样溶液是不致流出来的。2.盐桥的作用 (1)连接内电路,形成闭合回路;(2)平衡电荷,使原电池不断产生电流。3.单池原电池和盐桥原电池的对比图1和图2两装置的比较相同点正负极、电极反应、总反应、反应现象负极:Zn-2e-===Zn2+正极:Cu2++2e-===Cu总反应:Zn+Cu2+===Cu+Zn2+不同点图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2+,会有一部分Zn与Cu2+直接反应,该装置中既有化学能和电能的转化,又有一部分化学能转化成了热能,装置的温度会升高。图2中Zn和CuSO4溶液在两个池子中,Zn与Cu2+不直接接触,不存在Zn与Cu2+直接反应的过程,所以仅是化学能转化成了电能,电流稳定,且持续时间长关键点盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区盐桥原电池装置分析[模型解题]1.一定条件下,实验室利用如图所示装置,通过测电压求算Ksp(AgCl)。工作一段时间后,两电极质量均增大。下列说法正确的是(

)答案C2.事实证明,能设计成原电池的反应通常是放热反应,下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是________(填序号,下同)。a.C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g)

ΔH>0b.2H2(g)+O2(g)===2H2O(l)

ΔH<0c.NaOH(aq)+HCl(aq)===NaCl(aq)+H2O(l)

ΔH<0若以KOH溶液为电解质溶液,依据所选反应设计一个原电池,其正极的电极反应为____________________________________________________________。某同学用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂-KNO3的U形管)设计成一个原电池,如图所示,下列判断中正确的是________。a.实验过程中,左侧烧杯中NO浓度不变b.实验过程中取出盐桥,原电池能继续工作c.若开始时用U形铜代替盐桥,装置中无电流产生d.若开始时用U形铜代替盐桥,U形铜的质量不变答案b

O2+4e-+2H2O===4OH-

d可逆反应中的“盐桥”答案DⅠ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液结果发现电流表指针均发生偏转。试回答下列问题:(1)两次操作过程中指针为什么发生偏转?___________________________。(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反?试用化学平衡移动原理解释之。_______________________________________________________________。(3)操作Ⅱ过程中,盐桥中的K+移向________烧杯溶液(填“A”或“B”)。(4)Ⅰ操作过程中,C1棒上发生的反应为___________________________。考点二化学电源(频数:★★★难度:★★★)1.一次电池(1)碱性锌锰干电池(图一)图一图二Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2Zn+2OH--2e-===Zn(OH)22e-===PbSO4(s)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)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:探源:书写燃料电池的电极反应时,要注意溶液的酸碱性,介质的酸碱性对半反应及总反应书写的影响。2H2+4OH--4e-===4H2OO2+2H2O+4e-===4OH-1.教材知识思考(SJ选修4P16“资料卡”微型燃料电池)微型燃料电池是采用甲醇(质子交换膜)取代氢作燃料设计而成的,性能良好,有望取代传统电池,说出此微型燃料电池的优点,并写出电池的负极反应。提示优点①电池设计简单;②和传统充电电池比电池的能量密度高。负极反应:CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+答案B3.(溯源题)(2017·课标全国Ⅲ,11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低,其工作原理如图所示,其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料,电池反应为:16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。判断下列说法是否正确(1)电池工作时,正极可发生反应:2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4(

)(2)电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g(

)(3)石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性(

)(4)电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多(

)答案(1)√

(2)√

(3)√

(4)×探源:本考题源于SJ选修4P17“二次电池”及其知识拓展,对常见及新型电源的工作原理及电极反应进行了考查。题组教材常见传统电池的分析判断与拓展1.铅蓄电池的工作原理为:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,研读下图,下列判断正确的是(

)答案B解析由电池反应方程式知,铝为电池负极,铝失去电子转化为Al(OH)3,A、B正确;阴离子移向负极,C错误;由反应中锰元素价态变化知D正确。答案C3.电池在现代社会中具有极其广泛的应用。(1)银锌蓄电池是人造卫星所使用的高能电池之一,其放电时的反应是Zn+Ag2O===ZnO+2Ag。则该电池的负极材料是________,放电时正极的电极反应式为______________________________________________________________,放电时负极区的pH________(填“增大”、“减小”或“不变”)。(2)某氢氧燃料电池用固体金属化合物陶瓷作电解质(可电离出金属离子和O2-),两极上发生的反应为A极:2H2+2O2--4e-===2H2O;B极:_____________。电子流动的方向是________;假设该燃料电池工作时,每生成1molH2O(l)时产生的最大电能为240kJ,则该电池的能量转化效率为________(H2的燃烧热为285kJ·mol-1,最大电能与所能释放出的全部热量之比)。答案(1)锌Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-减小(2)O2+4e-===2O2-由A极流向B极84.2%热点说明:随着全球能源逐渐枯竭,研发、推广新型能源迫在眉睫,因此,化学中的新型电源,成为科学家研究的重点方向之一,也成了高考的高频考点。高考中的新型化学电源,一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。由于该类试题题材广、信息新、陌生度大,因此许多考生感觉难度大。但应用的解题原理仍然还是原电池的基础知识,只要细心分析,实际上得分相对比较容易。1.新型燃料电池(FuelCell)燃料电池是利用氢气、碳、甲醇、硼氢化物、天然气等为燃料与氧气或空气进行反应,将化学能直接转化成电能的一类原电池。其特点是:(1)有两个相同的多孔电极,同时电极不参与反应(掺杂适当的催化剂)。(2)不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内。(3)能量转换率较高,超过80%(普通燃烧能量转换率30%多)。【解题模板】2.可充电电池对于一般的电池而言,充电电池具有一定的可逆性,在放电时,它是原电池装置;在充电时,它是电解过程,是一种经济、环保、电量足、适合大功率、长时间使用的电器。【解题模板】答案C3.电极反应式书写与判断的三个步骤步骤一:负极失去电子发生氧化反应;正极上,溶液中阳离子(或氧化性强的离子)得到电子,发生还原反应,充电时则正好相反。步骤二:两电极转移电子数守恒,符合正极反应加负极反应等于电池反应的原则;步骤三:注意电极产物是否与电解质溶液反应,若反应,一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生的反应合并。“常考不衰”的燃料电池[模型解题]1.科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法不正确的是(

)A.电极a为电池的负极B.电极b上发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2OC.电路中每流过4mol电子,在正极消耗44.8LH2SD.每17gH2S参与反应,有1molH+经质子膜进入正极区解析电极a上H2S转化为S2,发生氧化反应,则电极a为电池的负极,A项正确;电极b上O2转化为H2O,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,B项正确;负极反应式为2H2S-4e-===S2+4H+,电路中每流过4mol电子,在负极消耗2molH2S,而不是正极,且题中未指明H2S所处的状态,C项错误;根据2H2S-4e-===S2+4H+知,17g(0.5mol)H2S参与反应,生成1molH+经质子膜进入正极区,D项正确。答案C2.(2018·保定模拟)液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示,该电池用空气中的氧气作为氧化剂,KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是(

)A.b电极发生氧化反应B.a电极的电极反应式:N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2OC.放电时,电流从a电极经过负载流向b电极D.其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜解析燃料电池燃料(N2H4)在负极(a电极)发生氧化反应:N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O,O2在正极发生还原反应:O2+4e-+2H2O===4OH-,总反应为N2H4+O2===N2+2H2O,A项错误,B项正确;放电时电流由正极流向负极,C项错误;OH-在正极生成,移向负极,所以离子交换膜应让OH-通过,故选用阴离子交换膜,D项错误。答案B“起点高、落点低”的压轴选择题:可逆电池解析锂离子电池放电时Li+(阳离子)向正极迁移,A项错误;锂硫电池放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子,发生氧化反应,则充电时,锂电极发生还原反应,B项正确;比能量是指参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小,二者的比能量不同,C项错误;题中装置是锂硫电池给锂离子电池充电,D项错误。答案B4.科技工作者设计出的新型可充电锂—空气电池如图所示,该电池使用了两种电解质溶液,a极一侧使用含有锂盐的有机电解液,b极一侧使用水性电解液。下列有关这种电池的判断正确的是(

)A.放电时,a为负极,充电时,a为阴极B.放电时,正极反应式为4OH-+4e-===2H2O+O2↑C.充电时,Li+通过离子交换膜的方向是从左到右D.充电后,水性电解液的pH增大解析放电时,Li失电子,发生氧化反应,Li+进入有机电解液,a为负极,充电时,有机电解液中的Li+得电子变为Li,发生还原反应,a为阴极,A项正确;放电时,负极Li失电子,正极O2得电子与水生成OH-,故正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,B项错误;充电时,Li+通过离子交换膜的方向是从右到左,C项错误;放电后,水性电解液的pH增大,充电后pH减小,D项错误。答案A其它新型、高效环保电池5.环保、安全的铝—空气电池的工作原理如图所示,下列有关叙述错误的是(

)解析由图示可知Al电极为负极,电极反应式为:Al-3e-+3OH-===Al(OH)3,O2在正极反应:O2+4e-+2H2O===4OH-,总反应方程式为:4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3↓,pH基本不变,A、B正确,C项错误;D项,1molKI制得1molKIO3转移6mol电子,消耗2molAl,即54g铝,正确。答案CA.NaCl的作用是增强溶液的导电性B.正极的电极反应式为:O2+4e-+2H2O===4OH-C.电池工作过程中,电解质溶液的pH不断增大D.用该电池做电源电解KI溶液制取1molKIO3,消耗铝电极的质量为54g6.酶生物电池通常以葡萄糖作为反应原料,葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOX)和辅酶的作用下被氧化成葡萄糖酸(C6H12O7),其工作原理如图所示。下列有关说法中正确的是(

)A.该电池可以在高温条件下使用B.H+通过交换膜从b极区移向a极区C.电极a是正极D.电池负极的电极反应式为C6H12O6+H2O-2e-===C6H12O7+2H+解析酶的主要成分为蛋白质,在高温条件下变性,丧失催化作用,A项错误;由图示电子的移动方向可知a为电池的负极,发生氧化反应:C6H12O6+H2O-2e-===C6H12O7+2H+,b为电池的正极,发生还原反应:H2O2+2e-+2H+===2H2O,H+通过交换膜从a极移向b极,D项正确,B、C项错误。答案D[试题分析]考查意图:本题主题是Cu-Zn型原电池电化学原理。综合考查了原电池正负电极和离子移动方向的判断、离子反应方程式的书写、金属的电化学腐蚀与化学腐蚀的关系等知识点;同时考查考生获取新信息,并与已有知识整合成新的知识模块解决实际问题的能力。试题以新型Mg-AgCl海水激活电池为情境,要求考生依据题干给予的电极材料信息判断出电池正负极,进而判断电极反应式;命题要求考生对于电化学反应原理不仅要有感性认识,还要应用模型思想、综合相关模块知识、辩证分析与解答具体问题,题目较难。本题抽样统计难度为0.352,区分度为0.261。解题思路:

首先从题干信息“Mg-AgCl电池”所提供的电极材料判断电池类型,属于Cu-Zn型原电池,应用模型思想推断出电池电化学原理:活泼金属Mg做负极,含金属阳离子的AgCl做正极,电池反应式为:Mg+2AgCl===MgCl2+2Ag;其次,判断各选项正误:B错误,因为AgCl难溶于水,正极发生还原反应的Ag+存在形式为AgCl,因而正极反应式:AgCl+e-===Ag+Cl-。答案B[真题演练]1.(2013·新课标全国卷Ⅰ,10)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解析本题要注意运用“电化学原理”这个关键词,由题干信息中Ag、Al、食盐溶液构成原电池的条件,

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