41原电池（原卷版）

第四章化学反应与电能第一节原电池『知识梳理』一、原电池的工作原理〖原电池〗◆原电池的工作原理◆电子、电流和离子的移动方向〖盐桥原电池的组成和作用〗◆盐桥原电池中半电池的构成条件：电极金属和其对应的盐溶液。一般不要任意替换成其他阳离子的盐溶液，否则可能影响效果。◆盐桥：盐桥中装有含饱和溶液的琼胶。胶体不流出，离子可在其中自由移动。◆盐桥的作用①连接，形成闭合。②平衡电荷，使原电池不断产生。〖原电池中正、负极的判断方法〗◆根据电极材料判断①对于金属金属电极，一般地，相对活泼金属是，相对不活泼金属是。②对于金属非金属电极，金属是，非金属是，如干电池等。③对于金属化合物电极，金属是，化合物是。◆根据电极反应判断：原电池的负极总是失电子发生，正极总是得电子发生。◆根据“三个方向”判断①电流方向：在外电路，电流是由流向。②电子移动方向：电子是由流向。③离子迁移方向：在原电池的电解质溶液中，移向正极，移向负极。◆根据电极质量判断一般情况下，若某电极不断溶解或质量不断减小，则此电极为；若某电极的质量不断增大或不变，则此电极为。如ZnCCuSO₄溶液构成的原电池中，C电极上会析出红色固体物质，则C为原电池的正极。◆根据有无气泡判断：原电池中有气泡产生的电极为，一般是溶液中H⁺被还原成H₂；无气泡产生的电极为。二、化学电源〖一次电池〗◆活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度就不能再使用的电池，如普通锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等干电池。◆碱性锌锰干电池负极：Zn+2OH⁻−2e⁻=Zn正极：2MnO₂+2H₂O+2e⁻=2MnO电池总反应式：Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnO(OH)◆锌银电池负极：Zn+2OH⁻−2e⁻=Zn正极：Ag₂O+H₂O+2e⁻=2Ag+2OH⁻电池总反应式〖二次电池〗◆可多次电的电池，如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池。◆铅酸蓄电池放电时电极反应：负极：Pb+S正极：PbO2+4H+◆铅酸蓄电池充电时电极反应：阳极：PbSO₄+2H₂O−2e⁻=Pb阴极：PbS电池总反应式：〖燃料电池〗◆工作原理：连续将氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体燃料和氧化剂的化学能直接转换为电能。电极本身不包含活性物质，不参与氧化还原反应。工作时，燃料和氧化剂连续地由供给，在电极上不断地进行反应，不断地被排出。◆燃料电池的优点①与燃料在工作时不断地由外部供给，生成物不断地被排出，能连续不断地提供。②能量转化率高(超过80%)，有利于节约能源。③排放的废弃物少甚至零排放，绿色环保。◆常见的燃料电池电池负极反应正极反应总反应式氢氧燃料电池(H2SO4)H22e==2H+O2+4e+4H+==2H2O2H2+O2==2H2O氢氧燃料电池(Na2SO4)H22e==2H⁺O2+4e+2H2O==4OH2H2+O2==2H2O氢氧燃料电池(KOH)H22e+20H==2H2OO2+4e+2H2O==4OH⁻2H2+O2==2H2OCH4燃料电池(KOH)CH4+10OH8e==CO23+7H2OO2+2H2O+4e==40H⁻CH4+2O2+20H==CO23+3H2OCH3OH燃料电池(KOH)CH3OH6e+8OH==CO³+6H2OO2+2H2O+4e==4OH⁻2CH3OH+3O2+4OH==2CO23+6H2O熔融盐燃料电池(Li2CO3)2CO+2CO²4e==4CO2O2+4e+2CO2==2CO232CO+O2==2CO2〖原电池原理在化学中的应用〗◆设计原电池：从理论上讲，任何一个自发的反应，都可以设计成原电池。◆设计思路：电解质溶液：一般能与负极反应或者溶解在溶液中的物质(如O₂)与负极反应。电极材料：一般较活泼的金属作负极，较不活泼的金属或非金属作正极。◆原电池工作原理的其他应用①比较金属活动性强弱一般作负极的金属比正极的。电极质量减少作，较活泼。有气体生成、电极质量不断增加或不变的作，较不活泼。②加快化学反应的速率构成原电池时反应速率比直接接触的反应速率快。如实验室制H2时，在稀硫酸中加入少量CuSO4溶液，产生H2的速率会更快，这样做的原因是Zn与置换出的Cu、稀硫酸构成原电池，加快了反应的进行。③利用原电池原理进行金属防腐。『题型分析』『题型一』原电池的工作原理〖典例1〗自发热“暖宝宝”的主要成分包含铁粉、活性炭、氯化钠、蛭石(保温)、水，发热原因是基于钢铁在潮湿空气中的吸氧腐蚀原理。下列有关“暖宝宝”的说法错误的是（）A．发热过程中化学能转化为电能和热能B．氯化钠和水作电解质溶液C．发热过程中铁粉作负极D．发热过程中正极反应为O2+4e+4H+=2H2O【答案】D【分析】发热原因是基于钢铁在潮湿空气中的吸氧腐蚀原理，则反应中铁做负极、活性炭做正极，氯化钠溶液做电解质溶液，会形成原电池。【详解】A．由分析可知，发热过程中化学能转化为电能和热能，A正确；B．氯化钠和水作电解质溶液，B正确；C．发热过程中铁粉失去电子发生氧化反应作负极，C正确；D．发热过程中正极反应为O2+4e+2H2O=4OH，D错误；故选D。〖变式11〗化学与生活密切相关，下列事实、现象或应用中，不能用勒夏特列原理解释的是（）A．CO中毒者应及时移至空气流通处，必要时应放入高压氧舱B．去除锅炉水垢中的，先用溶液浸泡处理C．镀锡铁皮的镀层破损后，铁皮会加速腐蚀D．施肥时不宜将草木灰与铵态氮肥混合使用〖变式12〗锌锰干电池放电时，总反应为，在如图所示装置中，电池放电时，正极(石墨棒)上发生反应的物质是（）A．Zn B．石墨C． D．〖变式13〗科学家近年发明了一种新型水介质电池，该电池可将转化为HCOOH。下列说法正确的是（）A．Zn为正极 B．发生还原反应C．电子由正极流向负极 D．电能转化为化学能『题型二』原电池电极反应式的书写〖典例2〗铜锌原电池装置如图所示，下列分析不正确的是（）A．使用盐桥可以清楚地揭示出电池中的化学反应B．原电池工作时，Cu电极流出电子，发生氧化反应C．原电池工作时，总反应为Zn＋Cu2+=Zn2+＋CuD．原电池工作一段时间，右侧容器中的溶液增重【答案】B【分析】该原电池中锌为负极，铜为正极。【详解】A．使用盐桥能使电池的正负极的反应分开，清楚电池中的化学反应，A正确；B．原电池工作时，铜电极为正极，发生还原反应，B错误；C．锌为负极，铜为正极，总反应为锌和硫酸铜反应生成硫酸锌和铜，反应为Zn＋Cu2+=Zn2+＋Cu，C正确；D．右侧溶液中铜离子得到电子生成铜，每转移2mol电子，有1mol铜析出，减少64克，有盐桥中的2mol钾离子进入溶液中，溶液质量增加78克，故溶液的质量增加7864=14克，D正确；故选B。〖变式21〗CuZn(假设起始时两电极质量完全相同)原电池的装置示意图如图，下列说法正确的是(不考虑水解反应)（）A．M为Zn电极，发生还原反应，失去电子B．电池工作一段时间后，溶液的pH保持不变C．电池工作一段时间后，M和N两电极质量仍相同D．每转移0.2mol电子，同时生成2.24L〖变式22〗利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时在电极与酶之间传递电子，下列说法不正确的是（）A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能B．负极区，在氢化酶作用下发生反应：C．正极区电极反应式为，固氮酶表面发生还原反应生成D．当外电路通过1mol电子时，有1mol质子通过交换膜由正极区向负极区移动〖变式23〗下列叙述对应反应的离子方程式书写错误的是（）A．用、石墨设计“双液”原电池：B．医疗上不能用作“钡餐”：C．用溶液与不同浓度的稀硫酸反应探究浓度对化学反应速率的影响：D．用溶液探究或大小对化学平衡的影响：『题型三』一次电池〖典例3〗常见锌锰干电池的构造如下图所示，下列说法不正确的是（）A．该电池属于一次电池B．电池工作时，电能转化为化学能C．电池工作时，电子由锌筒流出经过外电路流向石墨棒D．电池工作时，锌筒作负极，电极反应式为【答案】B【分析】由图可知，锌锰干电池为不能充电的一次电池，电池工作时，锌筒为负极，石墨棒为正极。【详解】A．锌锰干电池不能充电，属于一次电池，故A正确；B．锌锰干电池工作时，化学能转化为电能，故B错误；C．由分析可知，电池工作时，锌筒为负极，石墨棒为正极，电子由锌筒流出经过外电路流向石墨棒，故C正确；D．由分析可知，电池工作时，锌筒为负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为，故D正确；故选B。〖变式31〗化学与生产、生活密切相关，下列说法正确的是（）A．干电池放置过久可能漏液失效，其原因是显酸性的氯化铵溶液和外壳锌反应B．燃煤时，适当地鼓入氧气，可减轻温室效应C．硫酸铝可用来除去水体中的悬浮杂质且具有杀菌消毒的作用D．氢氧化镁、氢氧化铝和氢氧化钠都是常见的胃酸中和剂〖变式32〗日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为：Zn2e=Zn2＋，2MnO2＋2NH＋2e=Mn2O3＋2NH3＋H2O。下列有关锌锰干电池的叙述中，正确的是（）A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极B．干电池可实现电能向化学能的转化C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒〖变式33〗碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)，下列说法错误的是（）A．电池工作时，锌失去电子B．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极C．电池负极上发生氧化反应D．外电路中每通过0.4mol电子，锌的质量理论上减小13.0g『题型四』二次电池〖典例4〗下列有关如图所示铅蓄电池的说法正确的是（）A．放电时，铅被还原B．放电时，电解质溶液增大C．充电时，原极接电源的负极即可复原D．放电时总反应：【答案】B【详解】A．放电时，铅作负极，化合价升高，失去电子，被氧化，故A错误；B．放电时，铅、二氧化铅和硫酸反应生成硫酸铅和水，硫酸浓度降低，因此电解质溶液增大，故B正确；C．放电时，极为正极，则充电时，原极接电源的正极即可复原，故C错误；D．是充电时总反应，放电时总反应为，故D错误。综上所述，答案为B。〖变式41〗关于铅酸蓄电池的说法正确的是（）A．在放电时，正极发生的反应是Pb(s)＋(aq)2e=PbSO4(s)B．在放电时，该电池的负极材料是铅板C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小D．在放电时，负极质量减轻〖变式42〗下列有关四个常用电化学装置的叙述中，正确的是（）A．图1所示电池中，的作用是作为催化剂B．图2所示电池充电过程中，硫酸浓度不断降低C．图3所示装置工作过程中，电解质溶液浓度始终不变D．图4所示电池中，是正极反应物，电池工作过程中被还原为Ag〖变式43〗下列说法正确的是（）A．对铅蓄电池进行充电时，铅电极应连接外电源的正极B．增大气体压强或使用催化剂能能提高活化分子的百分数，从而加快反应速率C．N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH＜0，其他条件不变时升高温度，反应速率和氢气的平衡转化率均增大D．将图中的活塞快速推至A处固定，气体颜色先变深、再变浅，但比起始时深『题型五』燃料电池〖典例5〗氢能源汽车在北京冬奥会上大批量使用为减少碳排放立下了大功劳。下列关于氢氧燃料电池的说法正确的是（）A．氢氧燃料电池工作时负极通入B．氢氧燃料电池正极发生氧化反应C．氢氧燃料电池客车不能在寒冷天气中使用D．氢氧燃料电池工作时的总反应为【答案】D【详解】A．氢氧燃料电池工作时正极通入，故A错误；B．氢氧燃料电池，正极氧气得电子发生还原反应，故B错误；C．氢氧燃料电池，可以有效使用辅助系统改善传质、增湿，所以氢氧燃料电池客车能在寒冷天气中使用，故C错误；D．氢氧燃料电池工作时，氢气和氧气反应生成水，总反应为，故D正确；选D。〖变式51〗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正确的是（）A．燃料电池总反应和燃料燃烧方程式不相同B．正极的电极反应式为C6H12O6+6H2O24e=6CO2+24H+C．质子通过交换膜从正极区移向负极区D．葡萄糖在微生物的作用下将化学能转化为电能，形成原电池〖变式52〗用于驱动潜艇的液氨—液氧燃料电池示意图如图所示。下列有关说法不正确的是（）A．电极2发生还原反应B．电池工作时，Na+向负极移动C．电子由电极1经外电路流向电极2D．电极1的电极反应为〖变式53〗化学家正在研究尿素动力燃料电池，尿液也能发电。用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电，尿素燃料电池结构如图所示，下列有关描述正确的是（）A．电池工作时H＋移向负极B．该电池用的电解质溶液是KOH溶液C．甲电极反应式：CO(NH2)2＋H2O6e=CO2＋N2＋6H＋D．电池工作时，理论上每净化1molCO(NH2)2，消耗33.6LO2『巩固练习』一、单选题1．锌铜原电池产生电流时，下列说法正确的是（）A．阳离子和阴离子都移向Cu极 B．阳离子移向Cu极，阴离子移向Zn极C．阳离子和阴离子都移向Zn极 D．阳离子移向Zn极，阴离子移向Cu极2．某MgAl原电池的示意图如图，下列说法正确的是（）A．M电极的材料为MgB．N电极上发生氧化反应，得到电子C．电池工作时，向M电极移动D．电池工作时，电路中电子的流动方向为N→导线→M→NaOH溶液→N3．某种电池充放电时的反应原理为。下列物质为放电时负极产物的是（）A． B． C． D．4．铅蓄电池构造如图所示，放电时正极和负极均会生成。当导线中有电子通过时，则理论上两极共生成（）A． B． C． D．5．中国古代文化博大精深，下列对有关古文献内容的解读正确的是（）选项古文献内容解读A野火烧不尽，春风吹又生枯草秸秆的燃烧需要点燃，是吸热反应B投泥泼水愈光明向泥煤上加一点水，能够使泥煤产热更多C石胆化铁为铜铁锅和硫酸铜溶液形成原电池，铁为正极D盖此矾色绿味酸，烧之则赤硫酸亚铁在溶液中水解显酸性，灼烧发生氧化还原反应A．A B．B C．C D．D6．我国科学家最近发明了一种电池，电解质为、和KOH，通过a和b两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域，结构示意图如下。下列说法不正确的是（）A．a为阳离子交换膜、b为阴离子交换膜B．电子由Zn电极经过外电路流向电极C．放电时，Zn电极反应为D．消耗6.5gZn的同时，电极理论上应增重3.2g7．氢气与氧气生成水的反应是氢能源应用的重要途径。下列有关说法错误的是（）A．氢能有可能成为人类未来的主要能源B．反应的C．氢氧燃料电池放电过程中消耗，则转移电子的数目约为D．反应的反应中断裂旧共价键的键能之和一反应中形成新共价键的键能之和8．沉积物燃料电池可以将沉积物中的化学能直接转化为可用的电能，同时加速沉积物中污染物的去除。工作原理如图所示，下列说法错误的是（）A．该电池可在较高温度下工作B．硫化物、腐殖质和含碳有机物都是重要的电子供体C．能量转化过程有涉及：化学能、电能、光能、生物质能D．硫在碳棒b上发生的电极反应：9．我国科研人员以二硫化钼(MoS2)作为电极催化剂，研发出一种ZnNO电池系统，该电池同时具备合成氨和对外供电的功能，其工作原理如下图所示(双极膜可将水解离成H+和OH，并实现其定向通过)。下列说法正确的是（）A．使用MoS2电极能加快合成氨的速率 B．外电路中电子从MoS2电极流向Zn/ZnO电极C．双极膜左侧为阳离子交换膜 D．当电路中转移0.2mol电子时负极质量减小6.5g10．燃料电池是利用燃料(如、、等)跟氧气反应从而将化学能转化成电能的装置。下列关于甲烷燃料电池(溶液作电解质)的说法中正确的是（）A．正极反应为：B．负极反应为：C．放电时负极发生氧化反应，电子从负极经电解质溶液流向正极D．随着放电的进行，溶液的pH保持不变11．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列说法正确的是（）A．电子从电极A经熔融碳酸盐转移到电极BB．熔融碳酸盐中CO向电极B移动C．CH4在电极A放电生成CO2D．反应过程熔融盐中CO的物质的量不变12．NOx是主要大气污染物，利用反应NO2+NH3→N2+H2O消除NO2污染的电化学装置如图所示。下列说法错误的是（）A．外电路的电流方向为b→aB．b极的电极反应为：4H2O+2NO2+8e−=N2+8OH−C．若离子交换膜为阴离子交换膜，则左池NaOH溶液浓度将增大D．电路中转移4mol电子时理论上可消除标准状况下1molNO2的污染13．下列说法不正确的是（）A．已知反应2NO2(g)N2O4(g)在低温下可自发进行，则△H＞0B．夏天冰箱保鲜食品的原理是降低温度，减小化学反应速率C．当锌粒和稀硫酸反应制氢气时，往溶液中加少量醋酸钠固体会减缓反应D．当锌粒和盐酸反应制氢气时，往溶液中滴加少量CuSO4溶液可加快反应14．利用微生物除去废水中的乙酸钠和氯苯，其原理如图所示，下列说法中正确的是（）A．电流方向：N极→导线→M极B．M极的电极反应式为

＋e－＝Cl－＋

C．该装置在高温环境下工作效率更高D．每除去1mol氯苯，同时产生11.2L(标准状况)CO215．如图所示的原电池装置，X、Y为两电极，电解质溶液为稀硫酸，外电路中的电子流向如图所示，对此装置的下列说法正确的是（）A．电子流动方向为：X→外电路→Y→溶液→XB．若两电极分别为Zn和石墨棒，则X为石墨棒，Y为ZnC．移向X电极，Y电极上有氢气产生D．X极上发生的是还原反应，Y极上发生的是氧化反应16．苯酚是一种重要的化工原料，广泛用于制造酚醛树脂、染料、医药、农药等。我国目前工业上采用磺化法和异丙苯法制取苯酚。化工厂的含酚废水对生物具有毒害作用，会对水体造成严重污染。对于高浓度的酚类废水，可以通过萃取或吸附等方法对酚类物质进行提取回收，浓度非常小没有回收价值的废水，可以使用生物处理法或化学法进行处理。苯酚在芳香烃和酯类溶剂中的分配系数分别为1.22.0，27~50(分配系数指苯酚在萃取剂和水中的浓度比)。利用K2Cr2O7处理含苯酚废水的装置如下图所示，其中a为阳离子交换膜、b为阴离子交换膜。处理后的废水毒性降低且不引入其它杂质。工作一段时间后，下列说法错误的是（）A．正极区溶液的pH变大B．高温下处理含苯酚废水的效率更高C．中间室NaCl的物质的量保持不变D．M极的电极反应式：C6H5OH+11H2O28e=6CO2↑+28H+二、原理综合题17．异丙醇(用C3H8O表示)可由生物质转化得到，催化异丙醇脱水制取高值化学品丙烯(用C3H6)的工业化技术已引起人们的关注，其主要反应如图：Ⅰ.C3H8O(g)⇌C3H6(g)+H2O(g)

ΔH1=+52kJ·mol1Ⅱ.2C3H6(g)⇌C6H12(g)

ΔH2=97kJ·mol1(1)已知2C3H8O(g)+9O2(g)=6CO2(g)+8H2O(g)

ΔH=3750kJ·mol1，则C3H6(g)燃烧生成CO2(g)和H2O(g)的热化学方程式为____。(2)图为反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数与温度的关系曲线。曲线M和曲线N分别代表反应___和反应___。(3)在1350℃下，刚性密闭容器中进行反应I和Ⅱ。反应体系内水蒸气浓度与反应时间关系如表：反应时间/μs04812t20H2O(g)浓度/ppm0244032003600400041004~8μs内，v(C3H8O)=_____ppm·μs1；t_____16(填“>”“<”或“=”)。(4)在一定条件下，若反应Ⅰ、Ⅱ的转化率分别为98%和40%，则丙烯的产率为______。(5)某科研团队设计的光电催化反应器，实现了由CO2制得异丙醇。其中CO2转化为异丙醇(用C3H8O表示即可)的电极反应式为______。18．甲醇燃料电池具有广泛的应用前景，以二氧化碳催化加氢制甲醇，有利于降低温室效应。已知：①②③回答下列问题：(1)二氧化碳加氢制甲醇的反应的___________。(2)在恒温恒容密闭容器中，能够说明已达到化学平衡状态的是___________(填序号)A．混合气体的密度不随时间的变化而变化B．反应容器内压强保持不变C．浓度与浓度的比值不再发生变化D．(3)在时，将和通入恒容密闭容器中制备甲醇，后达到化学平衡，平衡后测得的体积分数为0.3.则内___________，的转化率为___________，化学平衡常数为___________(平衡常数的计算结果保留三位有效数字)。(4)工业上用和也可以合成甲醇，反应为，若将合成气以通入恒容密闭反应器中，其中的平衡转化率随温度、压强的变化关系如图所示，则反应的焓变___________0(填“>”“=”或“<”)；压强和由大到小的顺序是___________；若在和时，起始的，则平衡时的转化率___________50%(填“>”“=”或“<”)。(5)甲醇燃料电池中甲醇在___________(填“正”或“负”)极发生反应。(6)在允许自由迁移的固体电解质燃料电池中，放电的电极反应式为___________。19．甲醇是基本有机原料之一，可用于燃料电池、制取等有机产品。(1)一种“直接甲醇燃料电池”结构如图所示，电解质为强酸溶液，该燃料电池正极的电极反应式为___________。(2)水煤气法制取甲醇的反应其反应的焓变、平衡常数如下：

平衡常数K1CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2=90.1kJ/mol平衡常数K22CH4(g)+O2(g)CH3OH(g)ΔH3平衡常数K3则相同温度下K3=___________(用含K1代数式表示)。(3)二氧化碳加氢也可合成甲醇[CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)]，在10.0L的密闭容器中投入和，在不同条件下发生反应，实验测得平衡时甲醇的物质的量随温度、压强变化如图所示。①图中二氧化碳合成甲醇正反应为___________反应(选填：“放热”或“吸热”)。②图中