专题10-原电池-化学电源-(知识串讲+专题过关)(解析版)

专题10原电池化学电源【知识梳理】【归纳总结】一、原电池的工作原理及应用1．原电池的概念及构成条件(1)定义：将化学能转化为电能的装置。(2)原电池的形成条件①能自发进行的氧化还原反应。②两个活泼性不同的电极(燃料电池的两个电极可以相同)。③形成闭合回路，需满足三个条件：a.存在电解质；b.两电极直接或间接接触；c.两电极插入电解质溶液或熔融电解质中。2．工作原理(以锌铜原电池为例)(1)装置变迁(2)电极反应负极：Zn－2e－=Zn2＋，氧化反应。正极：Cu2＋＋2e－=Cu，还原反应。总反应：Zn＋Cu2＋=Cu＋Zn2＋。(3)盐桥的组成和作用①盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶。②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。③盐桥中离子移向：阴离子移向负极，阳离子移向正极。3．原电池的应用(1)设计制作化学电源(2)比较金属的活动性强弱：原电池中，负极一般是活动性较强的金属，正极一般是活动性较弱的金属(或能导电的非金属)。(3)加快化学反应速率：氧化还原反应形成原电池时，反应速率加快。(4)用于金属的防护：将需要保护的金属制品作原电池的正极而受到保护。二常见化学电源及工作原理1．分类2．工作原理电池电极反应碱性锌锰电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)＋Zn(OH)2；负极：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正极：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－铅酸蓄电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4eq\o(,\s\up7(放电),\s\do5(充电))2PbSO4＋2H2O；负极：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4；正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O氢氧燃料电池酸性总反应：2H2＋O2=2H2O负极：2H2－4e－=4H＋；正极：O2＋4e－＋4H＋=2H2O碱性总反应：2H2＋O2=2H2O负极：2H2＋4OH－－4e－=4H2O；正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－3.二次电池的充放电(1)可充电电池原理示意图充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作：“正接正，负接负”。(2)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。(3)放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。则充电时阴极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－=Fe＋2OH－。【方法探究】一、判断电极的方法(1)通过反应类型判断①失去电子的电极为负极，发生氧化反应；②得到电子的电极为正极，发生还原反应。(2)通过电子定向移动方向和电流方向判断①电子流出的电极为负极，电子经外电路流入正极；②电流流出的电极为正极，电流经外电路流入负极。(3)根据离子移动方向判断阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。(4)根据电极现象判断一般不断溶解、质量减轻的电极为负极；有固体析出、质量增加或不变或有气体产生的电极为正极。二、电极反应式的书写方法方法一直接书写方法二间接书写第一步，写出电池总反应式。第二步，写出电极的正极反应式。第三步，负极反应式＝总反应式－正极反应式。【专题过关】1．（2022·四川成都·高二期中）下列有关电池的说法错误的是A．废弃电池中含有重金属和酸碱等有害物质，不能随意丢弃B．化学电池可以将化学能全部转化成电能C．日常生活中用的手机电池是二次电池D．燃料电池无需将燃料贮存在电池内部【答案】B【详解】A．废弃电池中含有重金属和酸碱等有害物质会污染水体和土壤，所以不能随意丢弃，故A正确；B．化学电池是将化学能转换为电能的装置，在转换过程中难免会有能量损失，不能将化学能全部转换为电能，故B错误；C．日常生活中用的手机电池可以反复充电，属于二次电池，故C正确；D．燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池，故D正确；故选B。2．（2022·四川绵阳·高二期末）如图是原电池的装置图，图中电流计指针偏转。下列说法错误的是A．若c为硫酸铜溶液，a电极的质量增加，则a为正极B．若c为稀硫酸溶液，b电极上产生气泡，则b为正极C．若a为Zn，b为Fe，c为NaCl溶液，则Na+移向b极D．若总反应为Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，a、b的材料可分别为Cu、Fe【答案】D【解析】A．若c为硫酸铜溶液，a电极的质量增加，则Cu2+在a电极上得电子，所以a为正极，A正确；B．若c为稀硫酸溶液，b电极上产生气泡，则H+在b电极上得电子，所以b为正极，B正确；C．若a为Zn，b为Fe，c为NaCl溶液，则发生吸氧腐蚀，Fe为正极，阳离子向正极移动，所以Na+移向b极，C正确；D．若总反应为Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，则Cu作负极，正极金属的活动性应比负极弱，所以b的材料不可能是Fe，D错误；故选D。3．（2022·北京铁路二中高二期中）分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是A．①②中Mg做负极，③④中Fe做负极B．②中Mg做负极，电极反应式为Mg-2e-=Mg2+C．③中Cu做负极，电极反应式为Cu-2e-=Cu2＋D．④中Cu做正极，电极反应式为2H＋＋2e-=H2↑【答案】C【解析】A．②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al做负极；③中Fe在冷的浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子，故Cu做负极，A错误；B．②中铝与氢氧化钠溶液反应，铝作负极，电池总反应为2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑，负极反应式为2Al+8OH--6e-=2AlO+4H2O，B错误；C．③中Fe在冷的浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子，故Cu做负极，电极反应式为Cu−2e−=Cu2+，C正确；D．④中铁作负极，Cu作正极，正极氧气得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，D错误；答案选C。4．（2022·四川达州·高二期末）下图为锌铜原电池示意图。下列有关叙述正确的是A．外电路电子由铜片流向锌片B．锌片上发生还原反应C．铜片做正极，电极反应是：D．盐桥中的阳离子移向铜电极【答案】D【解析】铜锌原电池中，因锌的金属性比铜强，则锌片发生失去电子的氧化反应，作负极，电极反应式为Zn-2e-═Zn2+，铜为正极，发生得到电子的还原反应，电极反应式为：Cu2++2e-=Cu，原电池工作时，电子从负极锌沿导线流向正极铜，内电路中阳离子移向正极Cu，阴离子移向负极Zn，据此分析解答。A．在原电池工作时，外电路中电子由负极(锌片)沿导线经过电流计流向正极(铜片)，故A错误；B．锌片为负极，锌失电子生成锌离子，发生氧化反应，故B错误；C．铜片做正极，溶液中的Cu2+在铜片上得电子生成铜，电极反应式为：Cu2++2e-=Cu，故C错误；D．原电池工作时，阳离子向正极移动，盐桥中的阳离子移向铜电极，故D正确；故选：D。5．（2022·云南红河·高二期末）某兴趣小组模拟纸电池进行实验(如图)，有关说法正确的是A．该装置把化学能转化为电能 B．Zn为正极，发生氧化反应C．工作时由Zn电极向Cu电极迁移 D．工作一段时间后Cu电极质量不变【答案】A【解析】A．该装置为原电池，把化学能转化为电能，A正确；B．锌电极失去电子为负极，B错误；

C．阴离子向负极移动，则工作时由Cu电极向Zn电极迁移，C错误；D．Cu电极反应式为：Cu2＋+2e—=Cu，质量增加，D错误；故答案为A。6．（2022·浙江省衢州第一中学高二开学考试）探究化学反应中的能量转化，实验装置(装置中的试剂及用量完全相同)及实验数据如下(注：注射器用于收集气体并读取气体体积)。项目时间/装置①装置②气体体积/溶液温度/气体体积/溶液温度/0022.0022.08.53024.85023.810.55026.0--下列说法不正确的是A．装置②中的Cu表面有气泡产生，而装置①中的Cu表面无气泡B．装置①和②中发生反应的离子方程式都为：C．原电池反应能加快化学反应速率，导致装置①中反应的平均速率比装置②中的小D．由实验数据可知，原电池的化学能全部转化为电能【答案】D【解析】装置①为锌与稀硫酸的反应，装置②为Zn、Cu与稀硫酸形成的原电池。A．装置②中的表面有气泡产生，是原电池的正极，而装置①中的表面无气泡，仅是化学反应，表面有气泡，故A正确；B．装置①为锌与稀硫酸的反应，离子方程式为；装置②为Zn、Cu与稀硫酸形成的原电池，总反应式为，故B正确；C．基于表格数据信息的证据推理可知，收集相同体积的气体装置②需要的时间更短，故原电池反应能加快化学反应速率，故C正确；D．化学能有一部分转化为了热能，而不是全部转化为电能，表现在温度升高上，也是基于证据的推理，故D错误；故选D。7．（2022·四川成都·高二期末）在pH=4.5时，利用原电池原理，用铁粉将废水中无害化处理的实验如下表：方案一方案二初始条件pH=4.5pH=4.5，Fe2+去除率＜50%接近100%24小时pH接近中性接近中性铁的最终物质形态下列说法正确的是A．该电池中Fe作负极，可被完全氧化B．正极的电极反应为：C．方案二的去除率高，原因可能是Fe2+破坏了FeO(OH)层D．改变铁粉粒径大小，的去除速率不变【答案】C【解析】A．用铁粉将废水中无害化处理，则Fe为负极，由于反应产生的FeO(OH)不能导电，该物质不能溶于水，其将Fe全部覆盖，阻碍电子转移，因此Fe不能被完全氧化，A错误；B．在正极上得到电子被还原为，在酸性环境中不可能存在NH3，正极的电极反应式为：+8e-+10H+=+3H2O，B错误；C．方案二的去除率高，原因可能是Fe2+与FeO(OH)反应产生了Fe3O4，将不能导电的FeO(OH)反应产生易导电的Fe3O4，有利于电子的转移，因此加入Fe2+可以提高去除率，C正确；D．改变铁粉粒径大小，可以形成许多微小原电池，从而使的去除速率加快，D错误；故合理选项是C。8．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋=N＋M2＋；②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－=E，N－2e－N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是()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，金属活动性：M＞N；M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属活动性：P＞M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：N＞E。9．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，甲池中c(SOeq\o\al(2－,4))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答案C解析A项，由锌的金属活动性大于铜可知，铜电极为正极，在正极上Cu2＋得电子发生还原反应生成Cu，错误；B项，由于阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，故甲池中c(SOeq\o\al(2－,4))不变，错误；C项，在乙池中发生反应Cu2＋＋2e－=Cu，同时甲池中的Zn2＋通过阳离子交换膜进入乙池中，由于M(Zn)>M(Cu)，故乙池溶液的总质量增加，正确。10．（2022·福建龙岩·高二期末）化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是A．甲中移向铜电极B．乙中正极反应式为：C．丙中锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄D．丁使用一段时间后电解质溶液的酸性减弱【答案】B【详解】A．由图可知，甲为铜锌原电池，锌为原电池的负极，铜为原电池的正极，溶液中氢离子移向正极铜，故A正确；B．由图可知，乙为纽扣式银锌原电池，锌为原电池的负极，氧化银为原电池的正极，水分子作用下，氧化银在正极得到电子发生还原反应生成银和氢氧根离子，电极反应式为Ag2O+H2O+2e—=2Ag+2OH—，故B错误；C．由图可知，丙为锌锰干电池，锌筒作负极，放电时，锌发生氧化反应被消耗，所以锌筒会变薄，故C正确；D．由图可知，丁为铅蓄电池，电池的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，反应中硫酸被消耗，溶液中离子浓度减小，电解质溶液的酸性减弱，故D正确；答案选B。11．Li—FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2=Fe＋2Li2S。下列说法错误的是()A．Li为电池的负极B．电池工作时，Li＋向正极移动C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－=Fe＋2S2－D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好答案D解析A项，由eq\o(Li,\s\up6(0))→eq\o(Li2S,\s\up6(＋1))发生氧化反应，可知Li为电池的负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。12．锂—液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li＋)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是()A．该电池比钠—液态多硫电池的比能量高B．放电时，内电路中Li＋的移动方向为从a到bC．Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物D．充电时，外电路中通过0.2mol电子，阳极区单质硫的质量增加3.2g答案D解析由图分析知电极a为负极，电极b为正极，放电时，内电路中Li＋从电极a移向电极b，B正确；Al2O3为固体电解质，能导电，同时将两极反应物隔开，C正确；当外电路中通过0.2mole－时，阳极区生成0.1xmol硫，故阳极区生成硫的质量为3.2xg，D错误。13．微生物燃料电池能将污水中的乙二胺(H2NCH2CH2NH2)氧化成环境友好的物质，示意图如图所示，a、b均为石墨电极。下列说法错误的是()A．a电极的电极反应为H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O=2CO2↑＋N2↑＋16H＋B．电池工作时质子通过质子交换膜由负极区向正极区移动C．a电极上的电势比b电极上的电势低D．电池工作时b电极附近溶液的pH保持不变答案D解析原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，B正确；a电极为负极，b电极为正极，故a电极上的电势比b电极上的电势低，C正确；电池工作时，氧气在正极b上得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O，H＋浓度减小，故b电极附近溶液的pH增大，D错误。14．（2022·福建莆田·高二期末）一种熔融碳酸盐燃料电池的原理示意图如下。下列说法错误的是A．催化重整发生的反应：B．电池工作时，外电路电子从电极X向电极Y移动C．电池工作时，内电路向电极Y移动D．电极X上参与的反应：【答案】C【分析】该装置为化学电源，根据装置图，电极X中通入CO、H2，生成CO2和H2O，C、H的化合价升高，根据原电池工作原理，电极X为负极，则电极Y为正极，据此分析；【详解】A．根据装置图，催化重整的方程式为CH4+H2OCO+3H2，故A说法正确；B．根据上述分析，以及原电池工作原理，电子从电极X经外电路流向电极Y，故B说法正确；C．根据原电池工作原理，阴离子向负极移动，即CO移向电极X，故C说法错误；D．CO移向电极X，负极上失去电子，化合价升高，因此氢气在负极上发生电极反应式为H2+CO-2e-=CO2+H2O，故D说法正确；答案为C。15．某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2Oeq\o\al(2－,7)催化还原，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是()A．电池工作过程中电子由a极流向b极B．b极反应式：Cr2Oeq\o\al(2－,7)＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2OC．电池工作过程中a极区附近溶液的pH增大D．每处理1molCr2Oeq\o\al(2－,7)，可生成33.6L(标况下)CO2答案C解析由图分析知，a极CH3COOH转化为CO2和H＋，发生氧化反应，为负极，b极Cr2Oeq\o\al(2－,7)和H＋转化为Cr3＋，发生还原反应，为正极。A项，电子由负极流向正极，正确；C项，由aCH3COOH转化为CO2每生成1molCO2失4mole－，故每处理1molCr2Oeq\o\al(2－,7)生成CO2的物质的量为eq\f(6,4)mol，标况下为33.6L，正确。16．载人航天工程对科学研究及太空资源开发具有重要意义，其发展水平是衡量一个国家综合国力的重要指标。中国正在逐步建立自己的载人空间站“天宫”，神舟十三号载人飞船在北京时间2021年10月16日0时23分点火发射，又一次正式踏上飞向浩渺星辰的征途。(1)氢氧燃料电池（构造示意图如图）单位质量输出电能较高，反应生成的水可作为航天员的饮用水，氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸。①判断极为电池的________极，发生________反应，向_______（填“”或“”）极作定向移动。②电极的电极反应式为______。(2)“神舟”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为，其负极的电极反应式为________。当负极消耗时，正极产生的物质的量为________。该电池在使用过程中，电解质溶液中的物质的量浓度______（填“增大”、“减小”或“不变”）。【答案】(1)负

氧化

X

(2)

2

增大【解析】该题主要考查原电池原理相关知识，涉及熟悉的氢氧碱性燃料电池和陌生的原电池。（1）氢氧燃料电池为原电池，如图所示X极失去电子发生氧化反应为原电池的负极；OH-为阴离子，向原电池的负极移动；Y电极为原电池的正极，发生得电子的还原反应，O2+4e-+2H2O=4OH-；（2）原电池的负极会发生失电子的氧化反应，根据电池总反应可得负极的电极反应式为Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2；正极反应式为Ag2O+H2O=2Ag+2OH-,当负极消耗时，转移2mol电子，正极产生的物质的量为2mol；该电池在使用过程中，电解质溶液中的物质的量不变，但是溶质水表现为消耗，故其浓度增大。17．（2022·安徽·六安一中高二期末）燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。(1)以多孔铂为电极，如图甲装置中A、B口分别通入和构成乙醇燃料电池，则b电极是___________(填“正极”或“负极”)，该电池的负极的电极反应式为___________。(2)科学家研究了转化温室气体的方法，利用图乙所示装置可以将转化为气体燃料，该电池负极反应式为___________，工作时的总反应式为___________。(3)绿色电源“二甲醚-氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。①氧气应从c处通入，发生的电极反应式为___________；②二甲醚()应从b处加入，电极X上发生的电极反应式为___________；③电池在放电过程中，电极X周围溶液的___________(填“增大”“减小”或“不变”)。【答案】(1)

正极

(2)

(3)

减小【解析】(1)B口处通入氧气，氧气得到电子发生还原反应，为电源正极；该电池的负极的电极反应为乙醇在碱性条件下失去电子发生氧化反应生成碳酸根离子和水，；(2)由图可知，M极水生成氧气，发生氧化反应为电源负极，电极反应式为；该电池N极二氧化碳发生还原反应生成水和一氧化碳，为电源正极，故电池总反应为二氧化碳生成氧气和一氧化碳：；(3)①氧气应从c处通入，氧气得到电子，发生还原反应生成水，发生的电极反应式为；②二甲醚()应从b处加入，在X极上失去电子，发生氧化反应生成二氧化碳，电极X上发生的电极反应式为；③由②分析可知，电池在放电过程中，电极X周围溶液中氢离子浓度变大，减小。18．(1)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示：①HS－在硫氧化菌作用下转化为SOeq\o\al(2－,4)的电极反应式是_______________________________。②若维持该微生物电池中两种细菌的存在，则电池可以持续供电，原因是____________________________。(2)氨氧燃料电池具有很大的发展潜力，其工作原理如图所示。①a电极的电极反应式是_____________________________________________________；②一段时间后，需向装置中补充KOH，请依据反应原理解释原因：________________________________________________________________________。答案(1)①HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(2－,4)＋9H＋②HS－、SOeq\o\al(2－,4)的浓度不会发生变化，只要有两种细菌存在，就会循环地把有机物氧化成CO2放出电子(2)①2NH3－6e－＋6OH－=N2＋6H2O②发生反应：4NH3＋3O2=2N2＋6H2O，有水生成，使溶液逐渐变稀，为了保持碱溶液的浓度不变，所以要补充KOH解析(1)①酸性环境中反应物为HS－，产物为SOeq\o\al(2－,4)，