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- 2021-07-09 发布
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第九章 电化学基础
[考纲解读] 1.理解原电池的构成、工作原理及应用。2.能书写出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。4.理解电解池的构成、工作原理及应用。5.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
第28讲 原电池 化学电源
一、原电池原理
1.概念和反应本质
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
(1)有能自发进行的氧化还原反应。
(2)活泼性不同的两电极。
(3)形成闭合回路。
形成闭合回路需三个条件:
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)
(1)反应原理
(2)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的胶冻。
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。
二、化学电源
1.一次电池
2.二次电池
铅蓄电池(电解质溶液为30%H2SO4溶液)
(1)放电时的反应
负极反应:Pb-2e-+SO===PbSO4,
正极反应:PbO2+2e-+SO+4H+===PbSO4+2H2O,
总反应:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。
电解质溶液的pH增大(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)充电时的反应
阴极反应:PbSO4+2e-===Pb+SO,
阳极反应:PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO,
总反应:2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO4。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池
①氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。
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。
(2)甲烷燃料电池
①碱性介质中(以KOH为例):
负极:CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O,
正极:2O2+8e-+4H2O===8OH-,
总反应:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O。
②酸性介质中:
负极:CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+,
正极:2O2+8e-+8H+===4H2O,
总反应:CH4+2O2===CO2+2H2O。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”,并指明错因。
(1)理论上说,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池。(√)
错因:_____________________________________________________________
(2)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。(×)
错因:电子不能通过电解质溶液。
(3)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加。(√)
错因:_____________________________________________________________
(4)碱性锌锰干电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。(×)
错因:碱性锌锰干电池中的MnO2在正极上得电子,是氧化剂。
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能。(×)
错因:燃料电池直接将化学能转化为电能。
(6)由于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。(×)
错因:该反应不是氧化还原反应,不能设计成原电池。
(7)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。(×)
错因:原电池工作时,溶液中的阳离子向正极移动。
2.教材改编题
(据人教必修二P44 T1)原电池是利用______________反应、将________能转化为________能的装置。其中,负极是电子________的一极,发生________反应;正极是电子________的一极,发生________反应。
答案 能自发进行的氧化还原 化学 电 流出 氧化 流入 还原
3.教材改编题
(据人教选修四P78 T3)镉镍可充电电池的充、放电反应按下式进行:Cd+2NiO(OH)+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2,由此判断错误的是( )
A.放电时,Cd作负极
B.放电时,NiO(OH)作负极
C.电解质溶液为碱性溶液
D.放电时,负极反应为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2
答案 B
考点 原电池的工作原理及应用
[典例1] (2018·江门质检)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>P
C.P>N>M>E D.E>P>M>N
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。综合可知,A正确。
答案 A
名师精讲
1.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”:
(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。
2.判断原电池正、负极的五种方法
3.原电池原理的应用
(1)加快化学反应速率
一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池,反应速率加快。
(2)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。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
(3)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
(4)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如:根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
设计的原电池为:
1.下列有关铜锌原电池的叙述正确的是( )
A.盐桥中的Cl-移向CuSO4溶液
B.电池总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu
C.在外电路中,电子从正极流向负极
D.取下盐桥,原电池仍可工作
答案 B
解析 盐桥中的Cl-移向负极,即移向ZnSO4溶液,A错误;B正确;原电池工作时,电子从电池负极经外电路流向正极,C错误;取下盐桥,不能形成闭合回路,原电池不能工作,D错误。
2.(2018·厦门模拟)将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如图所示的原电池。
下列说法不正确的是( )
A.盐桥中的K+移向FeCl3溶液
B.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中石墨电极为负极
答案 D
解析 甲中石墨为正极,乙中石墨为负极,盐桥中阳离子向正极移动,所以K+移向FeCl3溶液,A正确;反应开始时,因乙中I-失去电子放电,元素的化合价升高,则发生氧化反应,B正确;当电流计为零时,说明没有电子发生转移,则反应达到平衡,C正确;当加入Fe2+,导致平衡逆向移动,则Fe2+失去电子生成Fe3+,作为负极,而乙中石墨成为正极,D错误。
考点 化学电源
[典例2] (2018·青岛模拟)ZnZnSO4PbSO4
Pb电池装置如图,下列说法错误的是( )
A.SO从右向左迁移
B.电池的正极反应为Pb2++2e-===Pb
C.左边ZnSO4浓度增大,右边ZnSO4浓度不变
D.若有6.5 g锌溶解,有0.1 mol SO通过离子交换膜
解析 锌是负极,SO从右向左迁移,A正确;电池的正极反应为PbSO4+2e-===Pb+SO,B错误;左边锌失去电子转化为ZnSO4,ZnSO4浓度增大,右边ZnSO4浓度不变,C正确;若有6.5 g锌即0.1 mol锌溶解,根据电荷守恒可知有0.1 mol SO通过离子交换膜,D正确。
答案 B
[典例3] (2018·茂名一模)肼(N2H4)暴露在空气中容易爆炸,但是以其为燃料的燃料电池是一种理想的电池,具有容量大、能量转化效率高、产物无污染等特点,其工作原理如图所示,下列叙述正确的是( )
A.电池工作时,正极附近的pH降低
B.当消耗1 mol O2时,有2 mol Na+由甲槽向乙槽迁移
C.负极反应式为4OH-+N2H4-4e-===N2↑+4H2O
D.若去掉阳离子交换膜,电池也能正常工作
解析 电池工作时,O2在正极发生还原反应:O2+2H2O+4e-===4OH-,由于生成OH-,溶液的pH增大,A错误;当消耗1 mol O2时,电路中转移4 mol电子,生成4 mol OH-,为保持溶液呈电中性,应有4 mol Na+由甲槽向乙槽迁移,B错误;N2H4在负极上失电子发生氧化反应,则负极反应式为4OH-+N2H4-4e-===N2↑+4H2O,C正确;若去掉阳离子交换膜,正极产生的OH-
直接向负极移动,不能产生稳定的电流,D错误。
答案 C
名师精讲
化学电源电极反应式的书写
书写电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有:
1.拆分法
(1)写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+。
(2)把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及得失电子守恒配平两个半反应:
正极:2Fe3++2e-===2Fe2+
负极:Cu-2e-===Cu2+
2.加减法
(1)写出总反应,如Li+LiMn2O4===Li2Mn2O4。
(2)写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极),如Li-e-===Li+(负极)。
(3)利用总反应与上述的一极反应相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-===Li2Mn2O4(正极)。
3.燃料电池电极反应式的书写
(1)写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2===CO2+2H2O①
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②
①+②得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-===2H2O;
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-===4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:O2+4e-===2O2-;
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-===2CO。
(3)根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式
电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
3.如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是( )
A.a为电池的正极
B.电池充电反应为Li2Mn2O4===LiMn2O4+Li
C.放电时,a极锂的化合价发生变化
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
答案 C
解析 根据原电池中金属性较强的材料作负极,可知b为电池的负极,则a为电池的正极,A正确;电池的充电反应为电解池原理,B正确;放电时,a作电池的正极,Mn元素化合价发生变化,Li元素化合价不变,C错误;放电时,阳离子移向电池的正极,D正确。
4.如图所示,是原电池的装置图。请回答:
(1)若C为稀H2SO4溶液,电流表指针发生偏转,B电极材料为Fe且作负极,则A电极上发生的电极反应式为__________________________;反应进行一段时间后溶液C的pH将________(填“升高”“降低”或“基本不变”)。
(2)若需将反应:Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+
设计成如图所示的原电池装置,则A极(负极)材料为________,B极(正极)材料为________,溶液C为________。
(3)若C为CuCl2溶液,Zn是________极,Cu极发生________反应,电极反应式为______________________________。反应过程溶液中c(Cu2+)________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)CO与H2反应还可制备CH3OH,CH3OH可作为燃料使用,用CH3OH和O2组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图如下:
电池总反应为2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O,则c电极是________(填“正极”或“负极”),c电极的反应方程式为__________________________________。若线路中转移2 mol电子,则上述CH3OH燃料电池消耗的O2在标准状况下的体积为________L。
答案 (1)2H++2e-===H2↑ 升高
(2)Cu 石墨(其他合理答案也可) FeCl3溶液(其他合理答案也可)
(3)负 还原 Cu2++2e-===Cu 变小
(4)负极 CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+ 11.2
解析 (1)铁作负极,则该原电池反应是铁与稀硫酸置换H2的反应,所以正极反应是H+得电子生成H2,电极反应式为2H++2e-===H2↑;溶液中H+放电,导致溶液中H+浓度减小,pH升高。
(2)Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+设计成如题图所示的原电池装置,根据方程式中物质发生的反应类型判断,Cu发生氧化反应,作原电池的负极,所以A极材料是Cu,B极材料是比Cu不活泼的导电物质如石墨、Ag等即可。溶液C中含有Fe3+,如FeCl3溶液。
(3)Zn比较活泼,在原电池中作负极,Cu作正极,正极发生还原反应,Cu2+在正极得到电子变成Cu,电极反应为Cu2++2e-===Cu,Cu2+发生了反应,则c(Cu2+)变小。
(4)根据图中的电子流向知c是负极,是甲醇发生氧化反应:CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+,线路中转移2 mol电子时消耗氧气0.5 mol,标准状况下体积为11.2 L。
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