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- 2021-07-02 发布
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第18讲 原电池 化学电源
考纲要求
名师点拨
1.理解原电池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。
本讲内容属于高中化学重要的基本理论部分的重难点内容之一,是氧化还原反应知识的应用和延伸,也是每年高考的必考内容。
纵观近几年的高考试题可以发现,高考主要围绕着原电池工作原理及应用进行命题。考查原电池工作原理往往以新型能源电池或燃料电池为载体,考查原电池正负极的判断、电极反应的书写、电子或电流的方向及溶液pH的变化等;原电池的应用主要考查原电池的设计、电化学腐蚀及解释某些化学现象等,题型主要以选择题、填空题形式出现。
复习本讲知识,要注意:(1)以铜锌原电池为模板掌握电子流向、溶液中离子移动方向、电极反应等知识;以铜锌原电池为基础,逐步学会分析新型电池的工作原理。(2)规范燃料电池电极反应式的书写,注意电解质溶液性质对电极反应的影响。
考点一 原电池及其工作原理
1.定义和反应本质
原电池是把__化学能__转化为__电能__的装置,其反应本质是__氧化还原反应__。
2.构成条件
一看反应
能发生__自发进行__的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
二看两电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或__石墨__)
三看是否形
成闭合回路
形成需三个条件:①__电解质溶液__;②两电极直接或间接接触;③两电极插入__电解质溶液__中
3.工作原理(以铜锌原电池为例)
Ⅰ Ⅱ
(1)原理分析。
电极名称
负极
正极
电极材料
锌片
铜片
电极反应
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
反应类型
__氧化__反应
__还原__反应
电子流向
由__锌片__沿__导线__流向__铜片__
盐桥中
离子移向
盐桥含饱和KCl溶液和琼胶制成的胶冻,K+移向__正极__,Cl-移向__负极__
电池反应
方程式
Zu+Cu2+===Zn2++Cu
两类装置的
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触,既有化学能转化为电能,又有化学能转化为热能,造成能量损耗,使电池效率降低。
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触,仅有化学能转化为电能,避免了能量损耗,故电流稳定,持续时间长,电池效率提高。
(2)两种装置比较。
①盐桥的作用:a.连接内电路,形成闭合回路。b.维持两电极电势差(平衡电荷),使电池能持续提供电流。
②装置Ⅰ中有部分Zn与Cu2+直接反应,使电池效率降低;装置Ⅱ中使Zn与Cu2+隔离,电池效率提高,电流稳定。
4.原电池中的三个移动方向
电子方向
从__负__极流出沿导线流入__正__极
电流方向
从__正__极沿导线流向__负__极
离子迁移方向
电解质溶液中,阴离子向__负__极迁移,阳离子向__正__极迁移
特别提醒:
(1)只有氧化还原反应才能设计成原电池。
(2)活泼性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。(原电池中“负极氧化,正极还原”)。
(3)电子不能通过电解质溶液,溶液中的离子不能通过盐桥。(电子不下水,离子不上岸或电子走旱路,离子走水路。)
(4)负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数。
(5)对于同一反应,原电池反应速率一定比直接发生的氧化还原反应快。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)原电池可将化学能转化为电能,原电池需外接电源才能工作( × )
(2)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强( × )
(3)NaOH溶液与稀硫酸反应是放热反应,此反应可以设计成原电池( × )
(4)原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动( × )
(5)在铜锌原电池中,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( × )
(6)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( × )
(7)Mg-Al-稀H2SO4组成的原电池中,Mg作负极,Mg-Al-NaOH溶液组成的原电池中,Mg作正极( √ )
(8)氧化还原反应2H2O2H2↑+O2↑可以设计成原电池( × )
(9)同种条件下,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长( √ )
(10)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( × )
2.问题思考:
(1)在双液原电池中,盐桥的作用是什么?
提示:形成闭合回路,使两溶液保持电中性。
(2)在如图所示的8个装置中,属于原电池的是__②④⑥⑦__。
1.
(2019·山东潍坊高三检测)如图是某同学设计的原电池装置,下列叙述中正确的是( C )
A.氧化剂和还原剂必须直接接触才能发生反应
B.电极Ⅱ上发生还原反应,作原电池的正极
C.该原电池的总反应式为2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+
D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,K+移向负极区
[解析] 该原电池反应中氧化反应和还原反应在两个不同的烧杯中进行,因此氧化剂和还原剂没有直接接触,A项错误;B项,Cu电极为原电池的负极,发生氧化反应,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+,错误;D项,正极发生反应:2Fe3++2e-===2Fe2+,正电荷数减小,K+移向正极补充正电荷,错误。
2.(2019·天津高三检测)分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是( B )
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
[解析] 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是负极;③中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓硝酸反应失去电子作负极,A、C错;②中电池总反应为2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-===2AlO+4H2O,则正极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑,B正确;④中Cu是正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,D错。
3.(2019·福建省漳州市八校联考)“软电池”采用一个薄层纸片作为传导体,在其一边镀锌,而在其另一边镀二氧化锰,在纸内的带电离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。电池总反应为:Zn+2MnO2+H2O===2MnO(OH)+ZnO。下列说法正确的是( C )
A.该电池的正极为锌
B.该电池反应中二氧化锰起催化作用
C.电池正极反应式:2MnO2+2e-+2H2O===2MnO(OH)+2OH-
D.当0.1 mol Zn完全溶解时,流经电解液的电子的物质的量为0.2 mol
[解析] 该原电池中,锌元素化合价由0价变为+2价。锌失电子作负极,故A错误;该原电池中,锰元素化合价由+4价变为+3价,所以二氧化锰作正极,故B错误;电子从负极沿导线流向正极,不经过电解质溶液,故D错误。
萃取精华:
1.图解原电池工作原理
2.(1)只有自发进行且放出能量的氧化还原反应才能设计成原电池。
(2)活泼性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。
(3)电子不能通过电解质溶液。
(4)原电池闭合回路的形成有多种方式,可以是用导线连接两个电极,也可以是两电极相接触。
(5)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。
(6)负极失去电子总数一定等于正极得到电子总数。
(7)形成原电池可以增大反应速率。
(8)原电池中电极本身不一定参与反应,例如燃料电池。
(9)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。电极反应式要遵守电荷守恒、质量守恒、电子得失守恒。
3.原电池中正、负极的判断
判断原电池的正、负极,需抓住闭合回路中离子或电子的移动方向以及电极反应类型进行分析,如图:
原电池的正极和负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成活泼金属一定作负极的思维定式。如Al、Mg和NaOH溶液构成的原电池中,Al为负极,Mg为正极。
4.(2019·山东滨州检测)用铜片、银片设计成如图所示的原电池。以下有关该原电池的叙述中正确的是( D )
A.电子通过盐桥从乙池流向甲池
B.铜导线替换盐桥,原电池将能继续工作
C.开始时,银片上发生的反应是:Ag-e-===Ag+
D.将铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应相同
[解析] 电子不经过电解质溶液,故A错误;铜导线代替盐桥,乙池是原电池,甲池是电解池,故B错误;银片是原电池的正极,电极反应是Ag++e-===Ag,故C错误;铜片浸入AgNO3溶液中发生的化学反应与该原电池总反应都是Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,故D正确。
5.(2019·河南郑州检测)控制适合的条件,将反应Fe3++AgFe2++Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂—硝酸钾溶液;灵敏电流计的0刻度居中,左右均有刻度)。已知接通后观察到电流计指针向右偏转。下列判断中正确的是( D )
A.盐桥中的K+移向乙烧杯
B.一段时间后,电流计指针反向偏转,越过0刻度,向左边偏转
C.在外电路中,电子从石墨电极流向银电极
D.电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,电流计指针将向左偏转
[解析] 该原电池中,Ag失电子作负极,石墨作正极,盐桥中K+移向正极(甲烧杯);一段时间后,原电池反应结束,电流计指针指向0;原电池外电路电子由负极流向正极,所以电子从银电极流向石墨电极;电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,由2Fe3++Fe===3Fe2+,c(Fe3+)降低,c(Fe2+)增大,平衡Fe3++AgFe2++Ag+向左移动,故电流计指针向左偏转。
6.(2019·山东省实验中学月考)图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学根据反应“AsO+2I-+2H+AsO+I2+H2O”设计成的原电池装置,其中C1、C2、C3、C4均为碳棒。甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸;乙组向图Ⅱ的B烧杯中逐滴加入适量40% NaOH溶液。下列叙述中正确的是( D )
A.甲组操作时,电流表(A)指针发生偏转
B.甲组操作时,溶液颜色变浅
C.乙组操作时,C4作正极
D.乙组操作时,C3上发生的电极反应为I2+2e-===2I-
[解析] 装置Ⅰ中发生反应,AsO+2I-+2H+AsO+I2+H2O,当加入适量浓盐酸时,平衡向右移动,有电子转移,但电子不会沿导线转移,所以甲组操作中,电流表(A)指针不会发生偏转,但由于I2浓度增大,所以溶液颜色变深,故A、B错误;向装置Ⅱ的B烧杯中加入NaOH溶液,AsO-2e-+2OH-===AsO+H2O,电子沿导线由C4移向C3棒,C3上发生的电极反应为I2+2e-===2I-,所以C4为负极,C3为正极,C错误,D正确。
萃取精华:
1.溶液pH变化判断:
(1)当负极产生的金属离子结合溶液中的OH-时,电极附近的溶液pH降低。当正极O2得电子时结合溶液中的水时,生成OH-使溶液中的pH增大。
(2)电池工作时整个溶液pH的变化必须从总反应式来分析。当电解质溶液中酸被消耗时,溶液pH增大,当电解质溶液中碱被消耗时,溶液pH减小。
2.原电池的判断方法
(1)先分析有无外接电源,有外接电源的为电解池,无外接电源的可能为原电池。
(2)然后依据原电池的形成条件分析判断,主要是“四看”:
形成闭合回路有无自发进行的氧化还原反应发生
(3)多池相连,但无外接电源时,两极活泼性差异最大的一池为原电池,其他各池可看做电解池。
7.(2019·江西鹰潭余江一中月考)某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用,设计并进行了以下一系列实验,实验结果记录如下:
编号
电极材料
电解质溶液
灵敏电流计指针偏转方向
1
Mg Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al 石墨
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg Al
NaOH溶液
偏向Mg
5
Al Zn
浓硝酸
偏向Al
试根据上表中的实验现象回答下列问题:
(1)实验1、2中Al所作的电极是否相同?__否__(用“是”或“否”回答)。
(2)写出实验3中的电极名称和电极反应式。
铝为__负__极, 2Al-6e-===2Al3+ 。
石墨为__正__极, 6H++6e-===3H2↑ 。
(3)实验4中的铝为__负__极,写出电池总反应方程式 2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑ 。
(4)解释实验5中灵敏电流计指针偏向铝的原因:__常温下Al遇浓硝酸发生钝化,电池反应为Zn与浓硝酸的反应,Zn作负极,Al作正极,电子由负极流向正极,所以电流计指针偏向铝__。
(5)根据实验结果总结:在原电池中金属铝作正极还是作负极受哪些因素的影响?__在原电池中,金属铝作正极还是作负极,与另一种电极材料的活泼性、电解质溶液的酸碱性以及电解质溶液的氧化性强弱等因素有关__。
萃取精华:
1.原电池电极反应式的书写
(1)先确定原电池的正、负极,列出正、负极上的反应物。
(2)根据氧化还原反应原理写出电极反应式。
①负极反应。
负极上发生失去电子的氧化反应。注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式。
②正极反应。
正极上发生得到电子的还原反应。当正极上的反应物是O2时:若电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,与O2反应生成OH-,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-;若电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,与O2反应生成水,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
(3)写出电池总反应方程式。
结合电子守恒将正、负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。
(4)若已知电池反应的总反应式,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,用总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即可得到较难写出的另一极的电极反应式。
2.原电池的有关计算:
电子守恒法是氧化还原计算的最基本的方法。计算时可由电极反应式中的氧化剂(或还原剂)与得到的电子(或失去的电子)之间的关系进行计算。
考点二 原电池原理的四大应用
原电池在化工、农业生产及科学研究中的四大应用
1.加快氧化还原反应速率
一个__自发__进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率__增大__,例如Zn与稀硫酸反应时加入少量的CuSO4溶液能使产生氢气的速率加快。
2.比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属活动比正极的__活泼__。
3.用作金属的防护
使被保护的金属制品作原电池的__正__极而得到保护。例如,保护铁制输水管或钢铁桥梁,可用导线将其和一块锌块相连,使Zn作原电池的__负__极。
4.设计制作化学电源
—
↓
—
↓
—
↓
—
特别提醒:
原电池的设计方法
设计原电池时要紧扣原电池的构成条件。具体方法是:
(1)首先判断出氧化还原反应中的还原剂和氧化剂,将还原剂(一般为比较活泼金属)作负极,活动性比负极弱的金属或非金属作正极,含氧化剂的溶液作电解质溶液。
(2)如果两个半反应分别在要求的两个容器中进行(中间连接盐桥),则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。
(3)设计实例:
根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
设计的原电池为:
装置如下图所示:
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)电工操作中规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,是因为铜、铝在潮湿的环境中形成原电池,加快了铝的腐蚀,易造成断路( √ )
(2)镀锌铁皮与镀锡铁皮的镀层破损后,前者腐蚀速率大于后者( × )
(3)生铁比纯铁更耐腐蚀( × )
(4)铁与HCl反应时加入少量CuSO4溶液,产生H2的速率加快( √ )
(5)C+H2O===CO+H2可设计成原电池( × )
(6)将氧化还原反应设计成原电池,可以把物质内部的能量全部转化为电能( × )
(7)太阳能电池不属于原电池( √ )
(8)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( × )
(9)10 mL浓度为1 mol·L-1的盐酸与过量的锌粉反应,若加入适量的CuSO4溶液能减慢反应速率但又不影响氢气生成量( × )
(10)若在海轮外壳上附着一些铜块,则可以减缓海轮外壳的腐蚀( × )
2.有A、B、C、D四种金属,做如下实验:①将A与B用导线连接起来,浸入电解质溶液中,B不易腐蚀;②将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;③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__D>A>B>C__。
[解析] ①A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池,B不易腐蚀,说明B为原电池的正极,说明金属活动性:A>B;②A、D与等物质的量浓度的盐酸反应,D比A反应剧列,说明金属活泼性:D>A;③根据置换反应规律,Cu不能置换出B,说明金属活泼性:B>Cu;Cu能置换出C,说明金属活动性:Cu>C。则四种金属活动性的排列顺序是D>A>B>C。
3.根据Cu+2Ag+===Cu2++2Ag设计电池:
(1)电极反应
(2)
(3)画出简易装置图(带盐桥)
1.(2019·试题调研)X、Y、Z、M四种金属,已知X可以从Y的盐溶液中置换出Y;X和Z作原电池电极时,Z为正极;Y和Z的离子共存于电解液中,Y离子先放电;M的离子的氧化性强于Y的离子。则这四种金属的活动性由强到弱的顺序为( D )
A.X>Y>Z>M B.X>Z>M>Y
C.M>Z>X>Y D.X>Z>Y>M
[解析] X可以从Y的盐溶液中置换出Y,说明X的活动性强于Y;X和Z作原电池电极时,Z为正极,说明X的活动性强于Z;Y和Z的离子共存于电解液中,Y离子先放电,说明Z的活动性强于Y;M的离子的氧化性强于Y的离子,说明Y的活动性强于M,所以得出这四种金属的活动性由强到弱的顺序为X>Z>Y>M。
2.向两份过量的锌粉a、b中分别加入等量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是( B )
[解析] 加入CuSO4溶液,Zn置换出Cu,Zn、Cu、稀硫酸形成原电池,反应速率加快,由于H2SO4的物质的量相等,故产生H2的体积相等。
3.某原电池总反应为Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+,下列能实现该反应的原理是( D )
A
B
C
D
电极材料
Cu、Zn
Cu、C
Fe、Zn
Cu、Ag
电解液
FeCl3溶液
Fe(NO3)2溶液
CuSO4溶液
Fe2(SO4)3溶液
[解析] 由题意知,Cu作负极,正极材料的金属活动性必须弱于Cu,其中B、D项符合该条件;由Fe3+得电子生成Fe2+,可知电解质溶液中必须含有Fe3+,故D项符合。
4.(2019·山东济南高三检测)将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中,发生反应的离子方程为Co2+(aq)+Cd(s)===Co(s)+Cd2+(aq)(aq表示溶液)。若将该反应设计为如图的原电池,则下列说法一定错误的是( C )
A.Cd作负极,Co作正极
B.原电池工作时,电子从负极沿导线流向正极
C.根据阴阳相吸原理,盐桥中的阳离子向负极(甲池)移动
D.甲池中盛放的是CdCl2溶液,乙池中盛放的是CoCl2溶液
[解析] 在电池反应中,Co2+得电子发生还原反应,则Co作正极、Cd作负极,A正确;放电时,电子从负极Cd沿导线流向正极Co,B正确;盐桥中阳离子向正极区域乙池移动、阴离子向负极区域甲池移动,C错误;甲池中的电极为Cd,故甲池中,电解质溶液为CdCl2溶液,乙池中盛放的是CoCl2溶液,D正确。
5.(1)有A、B、C、D、E五种金属,进行如下实验:
①A、B用导线相连后,同时浸入稀H2SO4中,A极为负极,活动性__A>B__;
②C、D用导线相连后,同时浸入稀H2SO4中,电流由D→导线→C,活动性__C>D__;
③A、C相连后,同时浸入稀H2SO4中,C极产生大量气泡,活动性__A>C__;
④B、D相连后,同时浸入稀H2SO4中,D极发生氧化反应,活动性__D>B__;
⑤用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液,E先析出,活动性__B>E__。
⑥这五种金属的活动性由强到弱的顺序为__A>C>D>B>E__。
(2)称取三份锌粉,分别盛于甲、乙、丙三支试管中,按下列要求另加物质后,塞上带导管的塞子,测定生成H2的体积及反应终止时所需的时间。甲:加入50 mL pH=3的盐酸;乙:加入50 mL pH=3的醋酸溶液;丙:加入50 mL pH=3的醋酸溶液及少量胆矾粉末。若反应终止时,生成的H2一样多,且无剩余的锌。回答下列问题:
①开始时反应速率的大小关系为__甲=乙=丙__(用“>”“=”或“<”表示,下同)。
②三支试管中参加反应的锌的质量为__甲=乙<丙__。
③反应终止时所需的时间为__甲>乙>丙__。
④在反应过程中,乙、丙速率不同的原因是__在丙中Cu2+与Zn发生反应生成Cu,Zn、Cu与醋酸溶液形成了原电池,使反应速率加快,反应时间缩短__。
[解析] (2)①开始时,溶液中的c(H+)相同,因此反应速率相同。②由于生成的H2一样多,且无剩余的锌,因此与酸反应的Zn的量相同,考虑到丙中少量的锌与CuSO4发生了反应,因此三支试管中参加反应的锌的质量:甲=乙<丙。③由于丙中形成原电池能加快反应速率,且醋酸在反应过程中不断电离出H+,因此反应所需的时间为甲>乙>丙。
萃取精华:
改变Zn与H+反应速率的方法
(1)加入Cu或CuSO4,形成原电池,加快反应速率,加入Cu不影响Zn的量,但加入CuSO4,Zn的量减少,是否影响产生H2的量,应根据Zn、H+量的相对多少判断。
(2)加入醋酸钠,由于醋酸根离子与H+结合生成醋酸,使c(H+)减小,反应速率减小,但不影响生成H2的量。
6.(2019·四川成都模拟)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应:2Fe3++2I-2Fe2++I2,设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液、KI溶液;其他用品任选。请回答下列问题:
(1)请补充下面原电池的装置图,在括号内填上正负极的材料、电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为 2I--2e-===I2 。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中__无__(填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为__负__(填“正”或“负”)极。
[解析] (1)依据原电池原理分析,氧化还原反应中Fe3+在正极得电子发生还原反应,I-在负极失电子发生氧化反应,负极所在的电解质溶液为KI溶液,正极所在的电解质溶液为
FeCl3溶液。电极材料可选取惰性电极,如石墨(碳棒)或其他不活泼性金属。
(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。
(3)反应达到平衡时,从左到右和从右到左移动的电子数目相同,故无电流生产。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。
7.(2019·经典习题选萃)理论上任何一个自发的氧化还原反应均可以设计成原电池。
(1)根据氧化还原反应:Fe+2Fe3+===3Fe2+设计的原电池如图所示,其中盐桥内装琼胶-饱和KNO3溶液。请回答下列问题:
①电解质溶液X是__FeCl2(或FeSO4)__;电解质溶液Y是__FeCl3[或Fe2(SO4)3]__。
②写出两电极的电极反应式:
铁电极: Fe-2e-===Fe2+ ;
碳电极: 2Fe3++2e-===2Fe2+ 。
③外电路中的电子是从__Fe__电极流向__C__电极。(填“Fe”或“C”)
④盐桥中向X溶液中迁移的离子是__B__(填字母)。
A.K+ B.NO
C.Ag+ D.SO
(2)请将氧化还原反应3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O设计成原电池,在装置图中的横线上写出相应的电极及电解质溶液,并写出相应的电极反应式。
电极反应式:
正极: 2NO+6e-+8H+===2NO↑+4H2O
负极: 3Cu-6e-===3Cu2+ 。
[解析] (1)①根据反应,Fe作负极,C作正极,负极电解液中应含有亚铁离子,正极反应为Fe3++e-===Fe2+,因而Y为含Fe3+的电解质溶液。
②电极反应:负极Fe-2e-===Fe2+;
正极2Fe3++2e-===2Fe2+。
③外电路电子由负极流向正极。
④Fe是负极,因而向X溶液中迁移的是阴离子即为NO。
(2)由反应可知,Cu发生氧化反应,作负极,其电极反应式为3Cu-6e-===3Cu2+,正极应选用碳棒或其他惰性电极,其电极反应式为2NO+6e-+8H+===2NO↑+4H2O,参照其装置图可知其正极、负极的电解质分别为HNO3、Cu(NO3)2。
考点三 化学电源的种类及其工作原理
1.一次电池
只能使用一次,不能充电复原继续使用。
(1)干电池
总反应:Zn+2MnO2+2NH4Cl===ZnCl2+2MnO(OH)+2NH3
负极: Zn-2e-===Zn2+ 。
正极:2NH+2e-===2NH3+H2↑、2MnO2+H2===2MnO(OH)
(2)碱性锌锰干电池
负极(Zn),电极反应式:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极(MnO2),电极反应式:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===__Zn(OH)2+2MnOOH__
2.二次电池(以铅蓄电池为例):放电后能充电复原继续使用
(1)放电时的反应:(原电池)
①负极反应: Pb(s)+SO(aq)-2e-===PbSO4(s)
②正极反应: PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)
③总反应:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)
(2)充电时的反应:(电解池)
①阴极反应: PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq)
②阳极反应: PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)
③总反应:2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
放电时原电池的负极作充电时电解池的__阴__极。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置,目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2-4e-+4OH-===4H2O
正极反应式
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
总反应式
2H2+O2===2H2O
(2)燃料电池的电极本身不参与反应,燃料和氧化剂连续地由__外部__供给。对于燃料电池要注意燃料在负极反应,O2在正极反应,要注意电解质溶液或传导介质的影响,如碱性条件下,CO2以CO形式存在。
特别提醒:
(1)熔融的金属氧化物作介质传导O2-
负极:H2-2e-+O2-===H2O;
正极:O2+4e-===2O2-。
(2)碳酸盐作介质
负极:H2-2e-+CO===H2O+CO2;
正极:O2+4e-+2CO2===2CO。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池( √ )
提示:太阳能电池没有发生氧化还原反应。不属于原电池。
(2)可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应( × )
提示:可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的,故不是可逆反应。
(3)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应( √ )
(4)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.2 mol电子时,消耗的H2SO4为0.1 mol( × )
(5)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1 mol电子时,负极增加4.8 g( √ )
(6)在化学电源中,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( × )
(7)二次电池充电时,充电器的正极接二次电源的正极( √ )
(8)多孔碳可用作氢氧燃料电池的电极材料( √ )
(9)根据反应4Li+FeS2===Fe+2Li2S设计的可充电电池是一种应用广泛的锂电池,可用水溶液作电解质溶液( × )
(10)原电池中的电解质溶液一定参与反应( × )
(11)一种基本酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+,正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-( × )
(12)锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2,放电时Li+向负极移动( × )
(13)碘可用作锂碘电池的材料,该电池反应为2Li(s)+I2(s)===2LiI(s),则碘电极作该电池的负极( × )
提示:碘在反应中的化合价降低,发生还原反应,碘作正极。
(14)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移( × )
(15)固体酸燃料电池以Ca(HSO4)2固体为电解质传递H+,电池总反应可表示为2H2+O2===2H2O,则电池工作时电子从通O2的一极通过外电路流向通H2的一极( × )
2.(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将__减小__(填“减小”“增大”或“不变”,下同),溶液的pH__减小__。
(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将__减小__,溶液的pH__增大__。
3.化学电源中电极反应式的书写
(1)甲烷—氧气燃料电池(需写出负极反应式即可)
① CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O (碱性介质)
② CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+ (酸性介质)
③ CH4-8e-+4CO===5CO2+2H2O (碳酸盐作介质)
④ CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O (熔融的金属氧化物作介质高温下能传导O2-)
(2)铝-空气海水电池:以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流。
电池总反应为:4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3
负极: 4Al-12e-+12OH-===4Al(OH)3
正极: 3O2+6H2O+12e-===12OH-
(3)Li-SOCl2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。电池的总反应可表示为:4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。
请回答下列问题:
①电池的负极材料为__锂__,发生的电极反应为 4Li-4e-===4Li+ 。
②电池正极发生的电极反应为 2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑ 。
提示:分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。
①负极材料为Li(还原剂),4Li-4e-===4Li+。
②正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:
2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑。
1. (2019·河南八市测评)近年来有多个品牌的手机电池曾发生爆炸事故,公众对电池安全性的重视程度越来越高,燃料电池作为安全性能较好的一类化学电源得到了更快的发展。一种以联氨(N2H4)为燃料的环保电池工作原理如图所示,工作时产生稳定无污染的物质。下列说法不正确的是( D )
A.M极生成氮气且电极附近溶液pH降低
B.负极上每消耗1 mol N2H4,会有4 mol H+通过质子交换膜
C.正极的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
D.d口流出的液体是蒸馏水
[解析] 根据氢离子的移动方向,电极N为正极,电极M为负极。燃料电池的负极为联氨发生氧化反应,电极反应式为N2H4-4e-===N2↑+4H+,正极是氧气发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。电极M为负极,N2H4-4e-===N2↑+4H+,电极附近溶液pH降低,故A项正确;负极为联氨发生氧化反应,电极反应式为N2H4-4e-===N2↑+4H+,则每消耗1 mol N2H4,转移4 mol电子,会有4 mol H+通过质子交换膜,故B项正确;正极是氧气发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,故C项正确;根据题意该燃料电池的电解质为酸性溶液,因此从d口流出的液体是酸性溶液,故D项错误。
2.(2019·新题预选)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图。下列有关该电池的说法正确的是( D )
A.反应CH4+H2O3H2+CO,每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO
[解析] 根据化学反应方程式,每有1 mol甲烷参与反应转移电子为6 mol,A项错误;因为电解质为熔融态的碳酸盐,所以电极A上H2参与的电极反应式为H2-2e-+CO===H2O+CO2,B项错误;根据原电池工作原理,电极A是负极,电极B是正极,阴离子向负极移动,碳酸根离子向负极(A电极)移动,C项错误;电极B上氧气得电子与二氧化碳结合生成碳酸根离子,因此电极反应式为O2+4e-+2CO2===2CO,D项正确。
萃取精华:
书写燃料电池电极反应式的三大步骤
1.先写出燃料电池总反应式:
一般都是可燃物在氧气中的燃烧反应方程式。但由于燃烧产物还可能与电解质溶液反应,燃烧产物与电解质溶液反应的方程式与其相加得总反应方程式。
2.再写出燃料电池正极的电极反应式:
由于燃料电池正极都是O2得到电子发生还原反应,基础反应式为O2+4e-===2O2-。
(1)电解质为固体时,O2-可自由通过,正极的电极反应式为O2+4e-===2O2-。
(2)电解质为熔融的碳酸盐时,正极的电极反应式为O2+2CO2+4e-===2CO。
(3)当电解质为中性或碱性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-。
(4)当电解质为酸性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O。
3.最后写出燃料电池负极的电极反应式:
燃料电池负极的电极反应式=燃料电池总反应式-燃料电池正极的电极反应式。在利用此法时,一要注意消去反应中的O2,二要注意两极反应式和总反应式电子转移数目相等。
素养升华:
模型认知——燃料电池的解题模板
3.(2016·四川)
某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为:
Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是( C )
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6
C.充电时,若转移1 mol e-,石墨(C6)电极将增重7x g
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
[解析] 电池放电时,阳离子由负极移向正极,A项正确;由放电时的总反应看出,LixC6在负极发生失电子的氧化反应,B项正确;充电反应是放电反应的逆反应,充电时阳极发生失电子的氧化反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,D项正确;充电时,阴极发生得电子的还原反应:C6+xe-+xLi+===LixC6,当转移1 mol电子时,阴极(C6电极)析出1 mol Li,增重7g,C项错误。
4.(2018·安徽巢湖柘皋中学月考)全钒氧化还原液流电池是一种新型电能储存及高效转化装置,该电池是将含有不同价态钒离子的溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的酸性电解液储罐中。其结构原理如图所示,该电池放电时,右槽中的电极反应式为V2+-e-===V3+,下列说法正确的是( B )
A.放电时,右槽发生还原反应
B.放电时,左槽电解液pH升高
C.充电时,阴极的电极反应式:VO+2H++e-===VO2++H2O
D.充电时,每转移1 mol电子,n(H+)的变化量为1 mol
[解析] 从图示分析,右槽电极上发生失去电子的氧化反应,A项错误;放电时,左槽中发生还原反应,电极反应为VO+e-+2H+===VO2++H2O,溶液的pH升高,B项正确;充电时,右槽为阴极,电极反应为V3++e-===V2+,C项错误;充电时,根据电极反应VO2++H2O-e-===VO+2H+,每转移1摩尔电子,氢离子的物质的量的变化为2 mol,D项错误。
萃取精华:
解答可充电电池的解题思路
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。
(2)
充电时的电解反应与放电时的电池反应相反,充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。根据正确书写的电极反应式,可顺利判断各电极周围溶液pH的变化。
(3)可充电电池电极反应式的书写技巧
书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电的电极反应式。书写放电时的电极反应式时,一般要遵守三个步骤:
第一,先标出原电池反应中电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质;
第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极反应产物是否与电解质溶液反应);
第三,在电子守恒的基础上,电池反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
5.(2018·课标Ⅱ,12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是( D )
A.放电时,ClO向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为3CO2+4e-===2CO+C
D.充电时,正极反应为Na++e-===Na
[解析] 根据电池的总反应知,放电时负极反应:4Na-4e-===4Na+
正极反应:3CO2+4e-===2CO+C
充电时,阴(负)极:4Na++4e-===4Na
阳(正)极:2CO+C-4e-===3CO2↑
放电时,ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知,充电时释放CO2,放电时吸收CO2。
[规律总结] 二次电池充、放电的电极判断
二次电池充电时,“正接正、负接负”;放电时的正极为充电时的阳极;放电时的负极为充电时的阴极。
6.(2018·课标Ⅲ,11)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是( D )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li2O2-x===2Li+(1-)O2↑
[解析] 由题意知,放电时负极反应为Li-e-===Li+,正极反应为(2-x)O2+4Li++4e-===2Li2O2-x(x=0或1),电池总反应为(1-)O2+2Li===Li2O2-x。D对:充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应,故充电时电池总反应为Li2O2-x ===2Li+(1-)O2。A错:该电池放电时,金属锂为负极,多孔碳材料为正极。B错:该电池放电时,外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极。C错:该电池放电时,电解质溶液中的Li+向多孔碳材料区迁移,充电时电解质溶液中的Li+向锂材料区迁移。
[方法技巧] 可充电电池的工作原理
①可充电电池中,放电过程用原电池原理分析,充电过程用电解原理分析;②分析电化学问题时,先判断出电极,然后根据工作原理分析。
7.(2019·山东滨州高三检测)根据下列叙述写出对应的电极反应式。
(1)LiFePO4是一种新型动力锂电池的电极材料。下图为某LiFePO4电池充、放电时正极局部放大示意图,则电池放电时正极反应式为 Li++FePO4+e-===LiFePO4 。
(2)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如图,在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y,则该电极反应式为 NO2+NO-e-===N2O5 。
(3)Al-Ag2O2电池可用作水下动力电源,其原理如下图所示。该电池的负极反应式为 Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O 。
[解析] (1)原电池放电时,正极上FePO4得电子生成LiFePO4,电极反应式为Li++FePO4+e-===LiFePO4。
(2)因为石墨Ⅱ电极上通入的O2得电子,故在石墨Ⅰ电极上NO2失电子,与迁移过来的NO结合生成+5价氮的氧化物N2O5,电极反应式为NO2+NO-e-===N2O5。
(3)该电池中铝为负极,失去电子,结合溶液中的OH-,最终生成AlO。
要点速记:
1.原电池、化学电源
2.原电池中的能量转化及本质
(1)能量转化:化学能转化为电能。(2)反应本质:自发进行的氧化还原反应。
3.原电池中的四个“方向”
(1)外电路中电子移动方向:负极→正极。
(2)外电路中电流方向:正极→负极。
(3)电池内部离子移动方向:阴离子→负极,阳离子→正极。
(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:K+→正极,Cl-→负极。
4.判断原电池正负极的六种方法
电极材料、电极现象、电子移动方向、离子移动方向、得失电子、电解质溶液。
5.书写电极反应式的三个原则
(1)共存原则
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应;碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应。
(2)得氧失氧原则
得氧时,在反应物中加H2O(电解质溶液为酸性时)或OH-(电解质溶液为碱性或中性时);失氧时,在反应中加H2O(电解质溶液为碱性或中性时)或H+(电解质溶液为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则
在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的产物是碱。
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