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基础课时10　化学电池
学习目标　1.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电池的特点。2.掌握构成化学电池的基本要素,了解常见化学电池的工作原理。3.能正确书写简单化学电池的电极反应式。
一、一次电池　二次电池
(一)知识梳理
1.一次电池
(1)特点:电池放电之后　　　　充电(内部的　　　　反应无法逆向进行),如锌锰干电池属于一次电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示:
①锌筒为　　　　,电极反应是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒为　　　　　　,最终被还原的物质是　　　　　　。
③NH4Cl糊的作用　　　　　　。
2.二次电池(充电电池)
(1)特点:二次电池在放电时所进行的　　　　反应,在充电时可以　　　　,使电池恢复到放电前的状态。
(2)能量转化:化学能电能。
(3)常见的充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
(二)互动探究
铅酸蓄电池常用作汽车电瓶,其构造如图所示,工作时该电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
【问题讨论】
问题1　铅酸蓄电池负极材料、正极材料及电解质溶液分别是什么
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　铅酸蓄电池放电时,电解质溶液中的H+移向哪一极 电解质溶液中硫酸的浓度如何变化
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　当铅酸蓄电池向外电路提供2 mol电子时,计算理论上负极板的质量变化多少
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】　铅酸蓄电池的电极反应
负极:Pb+S-2e-===PbSO4,
正极:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
总的电池反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
放电时,硫酸逐渐被消耗,浓度减小,酸性减弱。
1.关于生活中的化学电源,下列说法错误的是 (　　)
A.锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.化学电池的反应基础是氧化还原反应
C.旧电池回收是为了回收有用材料以及防止电池污染环境
D.铅蓄电池正极材料是PbO2,负极材料是Pb
2.铅蓄电池(图1)是二次电池,工作示意图如(图2)所示。下列说法正确的是 (　　)
A.负极电极反应式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.铅蓄电池工作时,两极的质量均增加
C.正极反应式为:PbSO4+2e-===Pb+S
D.电池工作时,溶液的酸性保持不变
3.氟离子电池是一种前景广阔的新型电池,其能量密度是目前锂电池的十倍以上。其中一种氟离子电池的工作原理为3Mg+2BiF33MgF2+2Bi(MgF2为难溶盐),电解质为熔融氟化物。下列说法正确的是 (　　)
A.放电时,负极的电极反应式为Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放电时,电子从镁电极流出,经电解质流向正极
C.放电时,化学能完全转化为电能
D.放电时,F-向正极移动
二、燃料电池
(一)知识梳理
1.燃料电池:将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。
2.特点:(1)反应物储存在电池外部,(2)能量转换效率高、清洁、安全,(3)供电量易于调节。
3.燃料电池常用的燃料有:　　　　、　　　　、乙醇等。常用氧化剂:　　　　。
(二)互动探究
燃料电池相当于燃料的燃烧,氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O。一种碱性氢氧燃料电池示意图如图:
【问题讨论】
问题1　如何判断该氢氧燃料电池的正、负极
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同,但正、负极反应与电解质溶液有关。请讨论分别写出在酸性介质和碱性介质时氢氧燃料电池正、负极的电极反应式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　 下图是导电介质为固体电解质时的氢氧燃料电池的示意图。请讨论写出两种情况的电池正、负极电极反应的电极反应式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】
1.燃料电池电极反应式的书写方法
书写原则:电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒,遵循离子方程式的书写规则,两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。
(1)写出电池总反应式。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,则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正极一般都是O2发生还原反应,在碱性条件下,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性条件下,则正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
(3)写出负极反应式:负极反应式=总反应式-正极反应式。
2.新型化学电源电极反应式的书写
(1)判断电池类型—→确认电池原理—→核实电子、离子移动方向。
(2)确定电池两极—→判断电子、离子移动方向—→书写电极反应式和电池反应方程式。
注意:充电电池—→放电时为原电池—→失电子的电极为负极。
(3)电极反应式的书写思路
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我国航天事业在世界领先,载人飞船中用到的主要是氢氧燃料电池。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是 (　　)
A.氢氧燃料电池需要点燃引发才能正常工作
B.若电解质为稀硫酸,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若电解质为氢氧化钠溶液,电池工作时OH-向正极移动
D.电解质为高温熔融碳酸盐时,正极反应物为O2和CO2,无法实现碳中和
2.氢燃料电池被誉为氢能源汽车的心脏。某种氢燃料电池的内部结构(如图),下列说法错误的是 (　　)
A.左侧为电池负极
B.右侧的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
C.a处通入的气体为H2,若每消耗5.6 L H2,外电路转移电子数为0.5NA
D.电池工作一段时间后,电解质溶液的浓度将降低
3.锂(Li) 空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.金属锂作负极,发生氧化反应
B.Li+通过有机电解质向水溶液处移动
C.正极的电极反应:O2+4e-===2O2-
D.电池总反应:4Li+O2+2H2O===4LiOH
:课后完成　第六章　基础课时10
阶段重点突破练(三)(共72张PPT)
第一节　化学反应与能量变化
基础课时 　化学电池
10
第六章
化学反应与能量
1.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电池的特点。
2.掌握构成化学电池的基本要素,了解常见化学电池的工作原理。
3.能正确书写简单化学电池的电极反应式。
学习目标
一、一次电池　二次电池
二、燃料电池
目
录
CONTENTS
课后巩固训练
一、一次电池　二次电池
对点训练
(一)知识梳理
1.一次电池
(1)特点:电池放电之后______充电(内部的__________反应无法逆向进行),如锌锰干电池属于一次电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示:
①锌筒为______,电极反应是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒为______,最终被还原的物质是__________。
③NH4Cl糊的作用____________。
不能
氧化还原
负极
正极
二氧化锰
电解质溶液
2.二次电池(充电电池)
(1)特点:二次电池在放电时所进行的__________反应,在充电时可以__________,使电池恢复到放电前的状态。
(2)能量转化:化学能 电能。
(3)常见的充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
氧化还原
逆向进行
(二)互动探究
铅酸蓄电池常用作汽车电瓶,其构造如图所示,工作时该电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
【问题讨论】
问题1　铅酸蓄电池负极材料、正极材料及电解质溶液分别是什么
提示　负极材料是Pb,正极材料是PbO2,电解质溶液是稀硫酸。
问题2　铅酸蓄电池放电时,电解质溶液中的H+移向哪一极 电解质溶液中硫酸的浓度如何变化
提示　放电时,电解质溶液中的H+移向正极(PbO2极),硫酸溶液浓度减小。
问题3　当铅酸蓄电池向外电路提供2 mol电子时,计算理论上负极板的质量变化多少
提示　负极每个铅原子失去2e-,就生成一个PbSO4,增加了一个S,S的摩尔质量为96 g·mol-1,提供2 mol电子时,负极板的质量增加96 g。
【探究归纳】　铅酸蓄电池的电极反应
负极:Pb+S-2e-===PbSO4,
正极:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
总的电池反应:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
放电时,硫酸逐渐被消耗,浓度减小,酸性减弱。
1.关于生活中的化学电源,下列说法错误的是 (　　)
A.锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.化学电池的反应基础是氧化还原反应
C.旧电池回收是为了回收有用材料以及防止电池污染环境
D.铅蓄电池正极材料是PbO2,负极材料是Pb
解析　A项,锂电池为可充电的二次电池,碱性锌锰电池为一次电池;B项,化学电池为氧化还原反应的一个应用;C项,废旧电池内含有重金属,会污染环境,所以需要进行废旧电池回收;D项,铅蓄电池正极发生还原反应,所以正极材料为PbO2,负极为Pb。
A
2.铅蓄电池(图1)是二次电池,工作示意图如(图2)所示。下列说法正确的是 (　　)
A.负极电极反应式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.铅蓄电池工作时,两极的质量均增加
C.正极反应式为:PbSO4+2e-===Pb+S
D.电池工作时,溶液的酸性保持不变
B
解析　A项,放电时,负极是Pb被氧化,发生氧化反应,其电极反应式为Pb+S-2e-===PbSO4;B项,铅蓄电池工作时,负极Pb转化为PbSO4,正极PbO2转化为PbSO4,两极的质量增加;C项,正极是PbO2得电子生成PbSO4,正极反应式为:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O;D项,电池工作时,消耗H2SO4,氢离子浓度减小,溶液的酸性减弱。
3.氟离子电池是一种前景广阔的新型电池,其能量密度是目前锂电池的十倍以上。其中一种氟离子电池的工作原理为3Mg+2BiF3 3MgF2+2Bi(MgF2为难溶盐),电解质为熔融氟化物。下列说法正确的是(　　)
A.放电时,负极的电极反应式为Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放电时,电子从镁电极流出,经电解质流向正极
C.放电时,化学能完全转化为电能
D.放电时,F-向正极移动
A
解析　放电时,Mg作负极,失去电子,发生氧化反应,电极反应式为Mg+2F--2e-===MgF2,A正确;放电时,电子从镁电极流出,经导线流向正极,B错误;原电池是把化学能转化为电能的装置,但化学能不可能100%转化为电能,还有部分转化为热能等,C错误;放电时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,故F-向负极移动,D错误。
二、燃料电池
对点训练
(一)知识梳理
1.燃料电池:将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。
2.特点:(1)反应物储存在电池外部,(2)能量转换效率高、清洁、安全,(3)供电量易于调节。
3.燃料电池常用的燃料有:______、______、乙醇等。常用氧化剂:______。
氢气
甲烷
氧气
(二)互动探究
燃料电池相当于燃料的燃烧,氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O。一种碱性氢氧燃料电池示意图如图:
【问题讨论】
问题1　如何判断该氢氧燃料电池的正、负极
提示　根据燃料电池的总反应的方程式可知,氢气失电子化合价升高,在负极上反应,氧气得电子化合价降低,在正极上反应。其规律是通燃料的一极作负极,通氧气的一极作正极。
问题2　氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同,但正、负极反应与电解质溶液有关。请讨论分别写出在酸性介质和碱性介质时氢氧燃料电池正、负极的电极反应式
提示
电解质溶液 负极 正极
酸性(H+) 2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O
碱性(OH-) 2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
问题3　 下图是导电介质为固体电解质时的氢氧燃料电池的示意图。请讨论写出两种情况的电池正、负极电极反应的电极反应式
提示　图1,正极反应:O2+4e-===2O2-,负极反应:2H2-4e-+2O2-===2H2O 。图2,正极反应:O2+4H++4e-===2H2O,负极反应:2H2-4e-===4H+。
【探究归纳】
1.燃料电池电极反应式的书写方法
书写原则:电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒,遵循离子方程式的书写规则,两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。
(1)写出电池总反应式。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,则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正极一般都是O2发生还原反应,在碱性条件下,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性条件下,则正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
(3)写出负极反应式:负极反应式=总反应式-正极反应式。
2.新型化学电源电极反应式的书写
(1)判断电池类型—→确认电池原理—→核实电子、离子移动方向。
(2)确定电池两极—→判断电子、离子移动方向—→书写电极反应式和电池反应方程式。
注意:充电电池—→放电时为原电池—→失电子的电极为负极。
(3)电极反应式的书写思路
1.我国航天事业在世界领先,载人飞船中用到的主要是氢氧燃料电池。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是 (　　)
A.氢氧燃料电池需要点燃引发才能正常工作
B.若电解质为稀硫酸,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若电解质为氢氧化钠溶液,电池工作时OH-向正极移动
D.电解质为高温熔融碳酸盐时,正极反应物为O2和CO2,无法实现碳中和
D
解析　A项,氢氧燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置,不需要点燃;B项,若电解质为稀硫酸,正极发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;C项,若电解质为氢氧化钠溶液,电池工作时阴离子向负极移动,即电池工作时OH-向负极移动;D项,电解质为高温熔融碳酸盐时,负极发生反应:2H2+2C-4e-===2H2O+2CO2,正极发生的反应为O2+2CO2+4e-===2C,转移电子数相同的情况下生成和消耗的二氧化碳相等,无法实现碳中和。
2.氢燃料电池被誉为氢能源汽车的心脏。某种氢燃料电池的内部结构(如图),下列说法错误的是 (　　)
A.左侧为电池负极
B.右侧的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
C.a处通入的气体为H2,若每消耗5.6 L H2,外电路转移电子数为0.5NA
D.电池工作一段时间后,电解质溶液的浓度将降低
C
解析　燃料电池中,通入H2的一极为负极, H2失去电子发生氧化反应,电子沿着导线流向正极,通入O2的一极为正极,正极上发生还原反应,内电路中阴离子移向负极、阳离子移向正极。A项, 由图知,左侧失去电子,电子流出,则为电池负极;B项, 右侧为正极,有质子交换膜的环境中,正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O;C项,没有指明5.6 L H2是否处于标准状况,则不能计算外电路中转移的电子数;D项,电池总反应为O2+2H2===2H2O,有水生成,则电池工作一段时间后,电解质溶液的浓度将降低。
3.锂(Li) 空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.金属锂作负极,发生氧化反应
B.Li+通过有机电解质向水溶液处移动
C.正极的电极反应:O2+4e-===2O2-
D.电池总反应:4Li+O2+2H2O===4LiOH
解析　金属锂作负极,发生氧化反应,生成Li+向水溶液中移动,空气中O2在正极发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,电池总反应式为4Li+O2+2H2O===4LiOH,故C项符合题意。
C
课后巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)一次电池　二次电池
1.下列电池不属于二次电池(可充电电池)的是(　　)
解析　铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池等可以反复充电放电,属于可充电电池,是二次电池;碱性锌锰电池不能充电,完全放电后不能再使用,是一次电池。
A
2.下列有关电池的叙述正确的是 (　　)
A.氢氧燃料电池属于环境友好型电池,能量转化率可达100%
B.锌锰干电池是一种常用的二次电池
C.锌锰干电池工作一段时间后锌外壳逐渐变薄
D.二次电池放电时将电能转化为化学能
解析　燃料电池转化率不可能为100%,故A错误;锌锰干电池是一种常用的一次电池,故B错误;锌锰干电池工作过程中,负极反应为Zn-2e-===Zn2+,锌外壳不断被腐蚀而逐渐变薄,故C正确;二次电池放电过程是将化学能转化为电能,故D错误。
C
3.镍氢电池是可充电电池,它的总反应是H2+NiO(OH)===Ni(OH)2,根据此反应判断,下列说法正确的是(　　)
A.电池放电时,电池负极周围溶液的碱性不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池放电时,氢元素被还原
D.电池放电时,通入H2的一极是负极
解析　电池放电时,负极反应式为H2-2e-+2OH-===2H2O,所以负极周围溶液的氢氧根离子减少,溶液的pH减小,A错误;电池放电时,正极反应式为NiO(OH)+H2O+e-===OH-+Ni(OH)2,镍元素被还原,B错误;电池放电时,氢元素化合价升高,被氧化,C错误。
D
4.汽车的启动电源常用铅蓄电池,该电池在放电时的总反应方程式为PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l),根据此反应判断,下列叙述正确的是 (　　)
A.PbO2是电池的负极
B.正极的电极反应式为Pb+S-2e-===PbSO4
C.铅蓄电池放电时,每转移2 mol电子消耗1 mol H2SO4
D.电池放电时,两电极质量均增加,且每转移2 mol电子时正极质量增加64 g
D
解析　铅蓄电池中铅为负极,氧化铅为正极。A项,PbO2是电池的正极;B项,正极为氧化铅得电子生成硫酸铅;C项,铅蓄电池放电时,每转移2 mol电子消耗1 mol Pb,从方程式可以看出消耗2 mol H2SO4;D项,电池放电时,负极铅失电子和硫酸根生成硫酸铅,正极氧化铅得电子与硫酸根生成硫酸铅,两电极质量均增加,每转移 2 mol电子时正极1 mol PbO2生成1 mol PbSO4,质量增加64 g。
(二)燃料电池
5.氢氧燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它以铂做电极,KOH溶液做电解液,总反应为2H2+O2===2H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,下列叙述正确的是(　　)
A.H2通入正极区 B.O2通入负极区
C.负极发生氧化反应 D.正极发生氧化反应
解析　由总反应2H2+O2===2H2O可知,H2为还原剂,为负极反应物,应通入负极区,O2为氧化剂,为正极反应物,应通入正极区,H2在负极上失电子发生氧化反应,O2在正极上得电子发生还原反应。
C
6.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机酸转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电,电池负极反应式为 (　　)
A.H2+2OH--2e-===2H2O B.O2+4H++4e-===2H2O
C.H2-2e-===2H+ D.O2+2H2O+4e-===4OH-
解析　根据题给信息,该燃料电池的总反应式为2H2+O2===2H2O。电解液为酸性溶液,电极反应式中不能出现OH-,A、D错误;又因为燃料电池中负极通入氢气,正极通入氧气,B错误。
C
7.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是 (　　)
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的OH-浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
D
解析　O2+2H2O+4e-===4OH-应为正极反应式,燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步反应转化成碳酸根离子,所以负极反应式为CH4+10OH--8e-===C+7H2O,由于部分碱和二氧化碳反应,所以溶液的c(OH-)将减小。
8.国家电投氢能公司全自主研发的“氢腾”燃料电池系统广泛应用于氢能大巴。某种氢燃料电池的内部结构如图,下列说法正确的是 (　　)
A.电池工作时,电解质溶液中的H+向b极移动
B.a极发生的电极反应为H2+2e-+2OH-===2H2O
C.b极为正极,发生氧化反应
D.当外电路有1 mol电子转移时,b极消耗5.6 L O2
解析　电池工作时,H+移向正极,故A正确;a极发生的电极反应为H2-2e-===2H+,故B错误;b极为正极,发生还原反应,故C错误;题目中未说明是否是标准状况,无法计算氧气的物质的量,故D错误。
A
9.电池与工农业生产、日常生活有着密切的关联。请回答下列问题:
(1)燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示,a、b均为惰性电极。
①负极是　　　　(填“a”或“b”),该电极上发生
　　　　(填“氧化”或“还原”)反应。
②b极发生的电极反应式是　　　　　　　　　　　　。
③标准状况下,消耗11.2 L H2时,转移的电子数为　　　　　　　　。
a
氧化
O2+2H2O+4e-===4OH-
6.02×1023(或NA)
解析　(1)①通入氢气的一极(a极)为电池的负极,发生氧化反应。②氢氧燃料电池工作时,通入氧气的一极(b极)为电池的正极,发生还原反应:O2+2H2O+4e-===4OH-;③标准状况下,消耗11.2 L (0.5 mol) H2时,转移的电子数为6.02×1023(或NA);
(2)某同学利用家中废旧材料制作可使扬声器发出声音的电池,装置如图2所示。下列说法正确的是　　　　(填字母)。
A.电子由铝制易拉罐经导线流向碳棒
B.在碳棒上有气体生成,该气体可能为氢气
C.铝质易拉罐逐渐被腐蚀,说明铝失去电子
D.扬声器发声,说明该装置将电能转化为化学能
ABC
解析　(2)A.原电池中,电子从负极经导线流向正极,故电子由铝制易拉罐经导线流向碳棒,故A正确;B.碳棒为正极,在碳棒上有气体生成,是稀醋酸溶液中的H+得电子生成氢气,故B正确;C.铝为负极,铝失去电子生成铝离子,铝质易拉罐逐渐被腐蚀,故C正确;D.该装置为原电池,将化学能转化为电能,从而使扬声器发声,故D错误;
(3)铁及其化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
①写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式:　　　　　　　　　　　　。
②若将①中的反应设计成原电池,请画出该原电池的装置图,标出正、负极和电解质溶液。
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
解析　(3)①FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板,生成氯化铜和氯化亚铁,离子方程式:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;②若将①中的反应设计成原电池,铜作负极,氯化铁溶液作电解质,活泼性比铜差的金属或惰性电极作正极,画出该原电池的装置图,标出正、负极和电解质溶液(见答案)。
B级　素养培优练
10.目前,科学家提出了一种经济而且理想的获得氢能源的循环体系(如图)。关于此循环体系,下列说法错误的是(　　)
A.燃料电池能够使化学反应产生的能量转化为电能
B.燃料电池中通入H2的一极作负极,发生氧化反应
C.在此循环中发生了反应:2H2O 2H2↑+O2↑
D.目前化学家急需解决的问题是寻找合适的光照条件下分解水的催化剂
C
解析　此循环过程中利用太阳能将H2O分解为H2和O2,然后利用氢氧燃料电池将化学能转化为电能,循环过程中并没有发生电解水的反应。
11.金属(M) 空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.金属M作电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应:O2+4e-+2H2O===4OH-
D.电池反应:2M+O2+2H2O===2M(OH)2
解析　溶液中只存在OH-,不存在O2-,所以电解质溶液应该为M(OH)2。
B
12.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 (　　)
A.水既是氧化剂又是溶剂 B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH-向正极移动 D.总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
解析　由题意可推测此电池总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,再依据原电池原理写出其电极反应如下:负极2Li-2e-===2Li+,正极2H2O+2e-===2OH-+H2↑。结合选项分析A、B、D正确；在原电池内部,放电时OH-向负极移动,故C项错误。
C
13.银锌电池是一种常见化学电源,反应原理为Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
B.电流从Zn电极经外电路流向Ag2O电极
C.理论上每转移1 mol电子,Ag2O电极质量减少8 g
D.KOH不参与电池反应,其溶液浓度始终保持不变
C
解析　A项,Zn为负极,在碱性环境中生成氢氧化锌,电极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;B项,电流从电源的正极沿着导线流向负极,Zn为负极,Ag2O为正极,则电流从Ag2O电极经外电路流向Zn电极;C项,正极反应为Ag2O+H2O+2e-=== 2OH-+2Ag ,理论上每转移2 mol电子,即有 1 mol Ag2O转变为2 mol Ag、电极质量减少16 g,则理论上每转移1 mol电子,Ag2O电极质量减少8 g;D项,从电池总反应Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag可知KOH不参与电池反应,但水消耗了,故通常情况下,其溶液浓度逐渐增大。
14.通过NO传感器可监测汽车尾气中NO的含量,其工作原理如图所示,下列说法不正确的是 (　　)
A.Pt电极上发生的是还原反应
B.外电路中,电子从Pt电极流向NiO电极
C.NiO电极上的电极反应式为NO+O2--2e-===NO2
D.O2的电极反应产物是O2-
B
解析　由离子的定向移动可知NiO电极为原电池的负极, Pt电极为原电池的正极,发生还原反应,A正确;NiO电极为原电池的负极,外电路中,电子从NiO电极流向Pt电极,B错误;NiO电极上NO失电子和氧离子反应生成二氧化氮,所以电极反应式为NO+O2--2e-===NO2,C正确;Pt电极为原电池的正极,O2的电极反应产物是O2-,D正确。
15.新型微生物电池可应用于酸性有机废水(含C6H6O)的处理,其放电时的工作原理如图所示,其中交换膜为质子交换膜。下列说法正确的是 (　　)
A.N极为电池的负极
B.工作时,氢离子从N极移向M极
C.N极的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
D.标准状况下,N极消耗22.4 L O2,M极产生CO2的体积为22.4 L
C
解析　由图可知,O2→H2O发生还原反应,则N极为电池的正极,A错误;N极是正极,阳离子移向正极,则H+从M极移向N极,B错误;N极发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,C正确;电池总反应式为C6H6O+7O2 6CO2+3H2O,则消耗1 mol O2时,M极产生 mol CO2,在标准状况下的体积为=19.2 L,D错误。
16.化学电源在生产、生活中有着广泛的应用。回答下列问题:
(1)图中,正极电极反应式:　　　　　　　　;电子流向:　　　　(填“Zn”或“Cu”,下同)极经导线流入　　　　极。
2H++2e-===H2↑
Zn
Cu
解析　(1)Zn Cu 稀硫酸原电池中,Zn比Cu活泼,则Zn作负极,Cu作正极,正极电极反应式:2H++2e-===H2↑;电子从负极流向正极,即从Zn流向Cu。
(2)铅酸蓄电池是常见的二次电池,其工作原理如图所示。放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,负极电极反应式为Pb-2e-+S===PbSO4。
①写出放电时正极的电极反应式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　。
②铅酸蓄电池放电一段时间,当转移2 mol电子时,正极质量将增大　　　　 g。
PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O
64
解析　(2)①根据放电总反应式:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O和负极电极反应式:Pb-2e-+S===PbSO4,得正极电极反应式:PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O。②铅酸蓄电池放电一段时间,当转移2 mol电子时,根据PbO2~2e-~PbSO4,正极质量将增大(32+16×2) g=64 g。
(3)金属(M) 空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
已知:①电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
②阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过。
比较Mg、Al、Zn三种金属 空气电池,则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为　　　　　　　　　　　　　　,该电池正极的电极反应式为_________________________,
若为Mg 空气电池,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用　　　　(填“阳离子”或“阴离子”)交换膜。
Al>Mg>Zn
O2+2H2O+4e-===4OH-
阳离子
解析　(3)假设三种金属质量都是1 g时,这三种金属转移电子物质的量分别为Mg: mol、Al: mol、Zn: mol,则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为Al>Mg>Zn;正极上氧气得电子和水反应生成OH-,因为是阴离子交换膜,所以阳离子不能进入正极区域,则正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-;负极上Mg失电子生成Mg2+,为防止负极区沉积Mg(OH)2,则负极区溶液不能含有大量OH-,所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜。
17.通常氢氧燃料电池有酸式和碱式两种,试回答下列问题:
(1)下列有关说法不正确的是　　　　。
A.太阳光催化分解水制氢气比电解水制氢气更为科学
B.氢氧燃料电池作为汽车动力更能保护环境
C.以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式相同
D.以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的总反应式相同
C
解析　(1)电解获得H2消耗较多的能量,而在催化剂作用下利用太阳能来分解H2O获得H2更为科学,A正确;氢氧燃料电池产物H2O无污染,能有效保护环境,B正确;以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式分别为:H2-2e-===2H+,H2-2e-+2OH-===2H2O,不相同,C错误;以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的总反应式均为2H2+O2===2H2O,D正确。
(2)氢氧燃料电池用于航天飞船,电极反应产生的水,经过冷凝后可用作航天员的饮用水,当得到1.8 g饮用水时,转移的电子数为　　　　　　　　　。
(3)某同学关于原电池的笔记中,不合理的有　　　　(填序号)。
①原电池两电极材料活泼性一定不同
②原电池负极材料参与反应,正极材料都不参与反应
③Fe—浓硝酸—Cu原电池,Fe是负极
④原电池是将化学能转变为电能的装置
0.2NA(1.204×1023)
①②③
解析　(2)由得失电子数目守恒可知,当得到1.8 g饮用水时,转移的电子数为×2×NA mol-1=0.2NA。(3)①原电池两电极材料活泼性可能相同,如燃料电池的两电极材料可以均为石墨,故错误;②原电池负极材料不一定参与反应,如燃料电池的负极材料一般不参与反应,故错误;③Fe—浓硝酸—Cu原电池中,铁在浓硝酸中发生钝化,铜与浓硝酸反应,则铜是原电池的负极,铁为正极,故错误;④原电池是利用氧化还原反应规律,将化学能转变为电能的装置,故正确;故选①②③;
(4)锂锰电池的结构示意图如下,其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中,Li+通过电解质转移到MnO2晶格中生成LiMnO2。
①外电路的电流方向是由　　　　　　极流向
　　　　极(填电极编号)。
②正极材料是　　　　。
③是否可用水代替电池中的混合有机溶剂 　　　　(填“是”或“否”);原因是
　　　　　　　　　　　　 　　。
b
a
MnO2
否
电极Li是活泼金属,能与水反应
解析　(4)①该电池中Li失去电子生成Li+,所以Li作电池的负极,则a是负极,b是正极,所以外电路中的电流方向由正极流向负极,所以从b流向a。③不能用水代替电池中的混合有机溶剂,因为Li是活泼金属,与水反应,无法参与原电池反应,不能产生电流。
(5)电化学法处理SO2是目前研究的热点。利用双氧水氧化吸收SO2可消除SO2污染,设计装置如图所示(已知石墨只起导电作用,质子交换膜只允许H+通过)。
①石墨1为　　　　(填“正极”或“负极”),放电时H+移向
　　　　(填“正极”或“负极”)。
②反应的总化学方程式为　　　　　　　　　　　。
负极
正极
SO2+H2O2===H2SO4
解析　(5)①由图可知,二氧化硫在水分子作用下失去电子发生氧化反应生成硫酸,则石墨1为负极,石墨2为正极,酸性条件下过氧化氢在正极得到电子发生还原反应生成水,氢离子由负极石墨1移向正极石墨2;②由题意可知,电池的总反应为二氧化硫与过氧化氢反应生成硫酸,反应的化学方程式为SO2+H2O2===H2SO4。
18.氯铝电池是一种新型的燃料电池。电解质溶液是KOH溶液。试回答下列问题:
(1)通入Cl2(g)的电极是　　　　(填“正”或“负”)极。
(2)投入Al(s)的电极是　　　　(填“正”或“负”)极,负极电极反应式为
　　　　　　　　　　　　 。
(3)外电路电子从　　　　(填“Al”或“Cl2”)极流向　　　　(填“正”或“负”)极。
(4)每消耗8.1 g Al(s),电路中通过的电子数目为　　　　NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
正
负
Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-
Al
正
0.9
解析　由题给信息可知,Cl2得电子在正极发生还原反应,Al失电子在负极发生氧化反应,所以通入Cl2(g)的电极是正极,投入Al(s)的电极是负极,其电极反应式为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-;电子由负极(Al)经外电路流向正极。8.1 g Al(s)的物质的量为=0.3 mol, 1 mol Al反应转移3 mol电子,0.3 mol Al反应在电路中通过的电子数为0.9NA。
19.(1)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2 +2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题:
(1)高铁电池的负极材料是　　　　。
(2)放电时,正极发生　　　　(填“氧化”或“还原”)反应。已知正极反应式为Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,则负极反应式为
　　　　　　　　　　　　。
(3)放电时,　　　　(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
Zn
还原
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正
解析　(1)高铁电池放电时为原电池,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。总反应式减去正极反应式得负极反应式,正极生成OH-,故正极附近溶液碱性增强。基础课时10　化学电池
学习目标　1.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电池的特点。2.掌握构成化学电池的基本要素,了解常见化学电池的工作原理。3.能正确书写简单化学电池的电极反应式。
一、一次电池　二次电池
(一)知识梳理
1.一次电池
(1)特点:电池放电之后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行),如锌锰干电池属于一次电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示:
①锌筒为负极,电极反应是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒为正极,最终被还原的物质是二氧化锰。
③NH4Cl糊的作用电解质溶液。
2.二次电池(充电电池)
(1)特点:二次电池在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。
(2)能量转化:化学能电能。
(3)常见的充电电池:铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。
(二)互动探究
铅酸蓄电池常用作汽车电瓶,其构造如图所示,工作时该电池总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
【问题讨论】
问题1　铅酸蓄电池负极材料、正极材料及电解质溶液分别是什么
提示　负极材料是Pb,正极材料是PbO2,电解质溶液是稀硫酸。
问题2　铅酸蓄电池放电时,电解质溶液中的H+移向哪一极 电解质溶液中硫酸的浓度如何变化
提示　放电时,电解质溶液中的H+移向正极(PbO2极),硫酸溶液浓度减小。
问题3　当铅酸蓄电池向外电路提供2 mol电子时,计算理论上负极板的质量变化多少
提示　负极每个铅原子失去2e-,就生成一个PbSO4,增加了一个S,S的摩尔质量为96 g·mol-1,提供2 mol电子时,负极板的质量增加96 g。
【探究归纳】　铅酸蓄电池的电极反应
负极:Pb+S-2e-===PbSO4,
正极:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
总的电池反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
放电时,硫酸逐渐被消耗,浓度减小,酸性减弱。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.关于生活中的化学电源,下列说法错误的是 (　　)
A.锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.化学电池的反应基础是氧化还原反应
C.旧电池回收是为了回收有用材料以及防止电池污染环境
D.铅蓄电池正极材料是PbO2,负极材料是Pb
答案　A
解析　A项,锂电池为可充电的二次电池,碱性锌锰电池为一次电池;B项,化学电池为氧化还原反应的一个应用;C项,废旧电池内含有重金属,会污染环境,所以需要进行废旧电池回收;D项,铅蓄电池正极发生还原反应,所以正极材料为PbO2,负极为Pb。
2.铅蓄电池(图1)是二次电池,工作示意图如(图2)所示。下列说法正确的是 (　　)
A.负极电极反应式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.铅蓄电池工作时,两极的质量均增加
C.正极反应式为:PbSO4+2e-===Pb+S
D.电池工作时,溶液的酸性保持不变
答案　B
解析　A项,放电时,负极是Pb被氧化,发生氧化反应,其电极反应式为Pb+S-2e-===PbSO4;B项,铅蓄电池工作时,负极Pb转化为PbSO4,正极PbO2转化为PbSO4,两极的质量增加;C项,正极是PbO2得电子生成PbSO4,正极反应式为:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O;D项,电池工作时,消耗H2SO4,氢离子浓度减小,溶液的酸性减弱。
3.氟离子电池是一种前景广阔的新型电池,其能量密度是目前锂电池的十倍以上。其中一种氟离子电池的工作原理为3Mg+2BiF33MgF2+2Bi(MgF2为难溶盐),电解质为熔融氟化物。下列说法正确的是 (　　)
A.放电时,负极的电极反应式为Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放电时,电子从镁电极流出,经电解质流向正极
C.放电时,化学能完全转化为电能
D.放电时,F-向正极移动
答案　A
解析　放电时,Mg作负极,失去电子,发生氧化反应,电极反应式为Mg+2F--2e-===MgF2,A正确;放电时,电子从镁电极流出,经导线流向正极,B错误;原电池是把化学能转化为电能的装置,但化学能不可能100%转化为电能,还有部分转化为热能等,C错误;放电时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,故F-向负极移动,D错误。
二、燃料电池
(一)知识梳理
1.燃料电池:将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。
2.特点:(1)反应物储存在电池外部,(2)能量转换效率高、清洁、安全,(3)供电量易于调节。
3.燃料电池常用的燃料有:氢气、甲烷、乙醇等。常用氧化剂:氧气。
(二)互动探究
燃料电池相当于燃料的燃烧,氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2===2H2O。一种碱性氢氧燃料电池示意图如图:
【问题讨论】
问题1　如何判断该氢氧燃料电池的正、负极
提示　根据燃料电池的总反应的方程式可知,氢气失电子化合价升高,在负极上反应,氧气得电子化合价降低,在正极上反应。其规律是通燃料的一极作负极,通氧气的一极作正极。
问题2　氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同,但正、负极反应与电解质溶液有关。请讨论分别写出在酸性介质和碱性介质时氢氧燃料电池正、负极的电极反应式
提示　
电解质溶液 负极 正极
酸性(H+) 2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O
碱性(OH-) 2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
问题3　 下图是导电介质为固体电解质时的氢氧燃料电池的示意图。请讨论写出两种情况的电池正、负极电极反应的电极反应式
提示　图1,正极反应:O2+4e-===2O2-,负极反应:2H2-4e-+2O2-===2H2O 。图2,正极反应:O2+4H++4e-===2H2O,负极反应:2H2-4e-===4H+。
【探究归纳】
1.燃料电池电极反应式的书写方法
书写原则:电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒,遵循离子方程式的书写规则,两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。
(1)写出电池总反应式。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,则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)写出电池的正极反应式。无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正极一般都是O2发生还原反应,在碱性条件下,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性条件下,则正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
(3)写出负极反应式:负极反应式=总反应式-正极反应式。
2.新型化学电源电极反应式的书写
(1)判断电池类型确认电池原理核实电子、离子移动方向。
(2)确定电池两极判断电子、离子移动方向书写电极反应式和电池反应方程式。
注意:充电电池放电时为原电池失电子的电极为负极。
(3)电极反应式的书写思路
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我国航天事业在世界领先,载人飞船中用到的主要是氢氧燃料电池。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是 (　　)
A.氢氧燃料电池需要点燃引发才能正常工作
B.若电解质为稀硫酸,正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若电解质为氢氧化钠溶液,电池工作时OH-向正极移动
D.电解质为高温熔融碳酸盐时,正极反应物为O2和CO2,无法实现碳中和
答案　D
解析　A项,氢氧燃料电池是将化学能直接转化为电能的装置,不需要点燃;B项,若电解质为稀硫酸,正极发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;C项,若电解质为氢氧化钠溶液,电池工作时阴离子向负极移动,即电池工作时OH-向负极移动;D项,电解质为高温熔融碳酸盐时,负极发生反应:2H2+2C-4e-===2H2O+2CO2,正极发生的反应为O2+2CO2+4e-===2C,转移电子数相同的情况下生成和消耗的二氧化碳相等,无法实现碳中和。
2.氢燃料电池被誉为氢能源汽车的心脏。某种氢燃料电池的内部结构(如图),下列说法错误的是 (　　)
A.左侧为电池负极
B.右侧的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
C.a处通入的气体为H2,若每消耗5.6 L H2,外电路转移电子数为0.5NA
D.电池工作一段时间后,电解质溶液的浓度将降低
答案　C
解析　燃料电池中,通入H2的一极为负极, H2失去电子发生氧化反应,电子沿着导线流向正极,通入O2的一极为正极,正极上发生还原反应,内电路中阴离子移向负极、阳离子移向正极。A项, 由图知,左侧失去电子,电子流出,则为电池负极;B项, 右侧为正极,有质子交换膜的环境中,正极反应式为O2+4H++4e-===2H2O;C项,没有指明5.6 L H2是否处于标准状况,则不能计算外电路中转移的电子数;D项,电池总反应为O2+2H2===2H2O,有水生成,则电池工作一段时间后,电解质溶液的浓度将降低。
3.锂(Li) 空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.金属锂作负极,发生氧化反应
B.Li+通过有机电解质向水溶液处移动
C.正极的电极反应:O2+4e-===2O2-
D.电池总反应:4Li+O2+2H2O===4LiOH
答案　C
解析　金属锂作负极,发生氧化反应,生成Li+向水溶液中移动,空气中O2在正极发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,电池总反应式为4Li+O2+2H2O===4LiOH,故C项符合题意。
　　　　　　　　　　　　　　　　
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)一次电池　二次电池
1.下列电池不属于二次电池(可充电电池)的是 (　　)
答案　A
解析　铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池等可以反复充电放电,属于可充电电池,是二次电池;碱性锌锰电池不能充电,完全放电后不能再使用,是一次电池。
2.下列有关电池的叙述正确的是 (　　)
A.氢氧燃料电池属于环境友好型电池,能量转化率可达100%
B.锌锰干电池是一种常用的二次电池
C.锌锰干电池工作一段时间后锌外壳逐渐变薄
D.二次电池放电时将电能转化为化学能
答案　C
解析　燃料电池转化率不可能为100%,故A错误;锌锰干电池是一种常用的一次电池,故B错误;锌锰干电池工作过程中,负极反应为Zn-2e-===Zn2+,锌外壳不断被腐蚀而逐渐变薄,故C正确;二次电池放电过程是将化学能转化为电能,故D错误。
3.镍氢电池是可充电电池,它的总反应是H2+NiO(OH)===Ni(OH)2,根据此反应判断,下列说法正确的是 (　　)
A.电池放电时,电池负极周围溶液的碱性不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池放电时,氢元素被还原
D.电池放电时,通入H2的一极是负极
答案　D
解析　电池放电时,负极反应式为H2-2e-+2OH-===2H2O,所以负极周围溶液的氢氧根离子减少,溶液的pH减小,A错误;电池放电时,正极反应式为NiO(OH)+H2O+e-===OH-+Ni(OH)2,镍元素被还原,B错误;电池放电时,氢元素化合价升高,被氧化,C错误。
4.汽车的启动电源常用铅蓄电池,该电池在放电时的总反应方程式为PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l),根据此反应判断,下列叙述正确的是 (　　)
A.PbO2是电池的负极
B.正极的电极反应式为Pb+S-2e-===PbSO4
C.铅蓄电池放电时,每转移2 mol电子消耗1 mol H2SO4
D.电池放电时,两电极质量均增加,且每转移2 mol电子时正极质量增加64 g
答案　D
解析　铅蓄电池中铅为负极,氧化铅为正极。A项,PbO2是电池的正极;B项,正极为氧化铅得电子生成硫酸铅;C项,铅蓄电池放电时,每转移2 mol电子消耗1 mol Pb,从方程式可以看出消耗2 mol H2SO4;D项,电池放电时,负极铅失电子和硫酸根生成硫酸铅,正极氧化铅得电子与硫酸根生成硫酸铅,两电极质量均增加,每转移2 mol电子时正极1 mol PbO2生成1 mol PbSO4,质量增加64 g。
(二)燃料电池
5.氢氧燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置,它以铂做电极,KOH溶液做电解液,总反应为2H2+O2===2H2O,正极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,下列叙述正确的是 (　　)
A.H2通入正极区 B.O2通入负极区
C.负极发生氧化反应 D.正极发生氧化反应
答案　C
解析　由总反应2H2+O2===2H2O可知,H2为还原剂,为负极反应物,应通入负极区,O2为氧化剂,为正极反应物,应通入正极区,H2在负极上失电子发生氧化反应,O2在正极上得电子发生还原反应。
6.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机酸转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池中发电,电池负极反应式为 (　　)
A.H2+2OH--2e-===2H2O B.O2+4H++4e-===2H2O
C.H2-2e-===2H+ D.O2+2H2O+4e-===4OH-
答案　C
解析　根据题给信息,该燃料电池的总反应式为2H2+O2===2H2O。电解液为酸性溶液,电极反应式中不能出现OH-,A、D错误;又因为燃料电池中负极通入氢气,正极通入氧气,B错误。
7.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置,若电解质溶液是强碱溶液,下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是 (　　)
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的OH-浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案　D
解析　O2+2H2O+4e-===4OH-应为正极反应式,燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步反应转化成碳酸根离子,所以负极反应式为CH4+10OH--8e-===C+7H2O,由于部分碱和二氧化碳反应,所以溶液的c(OH-)将减小。
8.国家电投氢能公司全自主研发的“氢腾”燃料电池系统广泛应用于氢能大巴。某种氢燃料电池的内部结构如图,下列说法正确的是 (　　)
A.电池工作时,电解质溶液中的H+向b极移动
B.a极发生的电极反应为H2+2e-+2OH-===2H2O
C.b极为正极,发生氧化反应
D.当外电路有1 mol电子转移时,b极消耗5.6 L O2
答案　A
解析　电池工作时,H+移向正极,故A正确;a极发生的电极反应为H2-2e-===2H+,故B错误;b极为正极,发生还原反应,故C错误;题目中未说明是否是标准状况,无法计算氧气的物质的量,故D错误。
9.电池与工农业生产、日常生活有着密切的关联。请回答下列问题:
(1)燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示,a、b均为惰性电极。
①负极是　　　　(填“a”或“b”),该电极上发生　　　　(填“氧化”或“还原”)反应。
②b极发生的电极反应式是　　　　　　　　　　　　。
③标准状况下,消耗11.2 L H2时,转移的电子数为　　　　。
(2)某同学利用家中废旧材料制作可使扬声器发出声音的电池,装置如图2所示。下列说法正确的是　　　　(填字母)。
A.电子由铝制易拉罐经导线流向碳棒
B.在碳棒上有气体生成,该气体可能为氢气
C.铝质易拉罐逐渐被腐蚀,说明铝失去电子
D.扬声器发声,说明该装置将电能转化为化学能
(3)铁及其化合物应用广泛,如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
①写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　。
②若将①中的反应设计成原电池,请画出该原电池的装置图,标出正、负极和电解质溶液。
答案　(1)①a　氧化　②O2+2H2O+4e-===4OH-　③6.02×1023(或NA)　(2)ABC
(3)①2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
②
解析　(1)①通入氢气的一极(a极)为电池的负极,发生氧化反应。②氢氧燃料电池工作时,通入氧气的一极(b极)为电池的正极,发生还原反应:O2+2H2O+4e-===4OH-;③标准状况下,消耗11.2 L (0.5 mol) H2时,转移的电子数为6.02×1023(或NA);(2)A.原电池中,电子从负极经导线流向正极,故电子由铝制易拉罐经导线流向碳棒,故A正确;B.碳棒为正极,在碳棒上有气体生成,是稀醋酸溶液中的H+得电子生成氢气,故B正确;C.铝为负极,铝失去电子生成铝离子,铝质易拉罐逐渐被腐蚀,故C正确;D.该装置为原电池,将化学能转化为电能,从而使扬声器发声,故D错误;(3)①FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板,生成氯化铜和氯化亚铁,离子方程式:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;②若将①中的反应设计成原电池,铜作负极,氯化铁溶液作电解质,活泼性比铜差的金属或惰性电极作正极,画出该原电池的装置图,标出正、负极和电解质溶液(见答案)。
B级　素养培优练
10.目前,科学家提出了一种经济而且理想的获得氢能源的循环体系(如图)。关于此循环体系,下列说法错误的是 (　　)
A.燃料电池能够使化学反应产生的能量转化为电能
B.燃料电池中通入H2的一极作负极,发生氧化反应
C.在此循环中发生了反应:2H2O2H2↑+O2↑
D.目前化学家急需解决的问题是寻找合适的光照条件下分解水的催化剂
答案　C
解析　此循环过程中利用太阳能将H2O分解为H2和O2,然后利用氢氧燃料电池将化学能转化为电能,循环过程中并没有发生电解水的反应。
11.金属(M) 空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是 (　　)
A.金属M作电池负极
B.电解质是熔融的MO
C.正极的电极反应:O2+4e-+2H2O===4OH-
D.电池反应:2M+O2+2H2O===2M(OH)2
答案　B
解析　溶液中只存在OH-,不存在O2-,所以电解质溶液应该为M(OH)2。
12.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 (　　)
A.水既是氧化剂又是溶剂
B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH-向正极移动
D.总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
答案　C
解析　由题意可推测此电池总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,再依据原电池原理写出其电极反应如下:负极2Li-2e-===2Li+,正极2H2O+2e-===2OH-+H2↑。结合选项分析A、B、D正确；在原电池内部,放电时OH-向负极移动,故C项错误。
13.银锌电池是一种常见化学电源,反应原理为Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意图如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
B.电流从Zn电极经外电路流向Ag2O电极
C.理论上每转移1 mol电子,Ag2O电极质量减少8 g
D.KOH不参与电池反应,其溶液浓度始终保持不变
答案　C
解析　A项,Zn为负极,在碱性环境中生成氢氧化锌,电极反应式为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;B项,电流从电源的正极沿着导线流向负极,Zn为负极,Ag2O为正极,则电流从Ag2O电极经外电路流向Zn电极;C项,正极反应为Ag2O+H2O+2e-=== 2OH-+2Ag ,理论上每转移2 mol电子,即有 1 mol Ag2O转变为2 mol Ag、电极质量减少16 g,则理论上每转移1 mol电子,Ag2O电极质量减少8 g;D项,从电池总反应Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag可知KOH不参与电池反应,但水消耗了,故通常情况下,其溶液浓度逐渐增大。
14.通过NO传感器可监测汽车尾气中NO的含量,其工作原理如图所示,下列说法不正确的是 (　　)
A.Pt电极上发生的是还原反应
B.外电路中,电子从Pt电极流向NiO电极
C.NiO电极上的电极反应式为NO+O2--2e-===NO2
D.O2的电极反应产物是O2-
答案　B
解析　由离子的定向移动可知NiO电极为原电池的负极, Pt电极为原电池的正极,发生还原反应,A正确;NiO电极为原电池的负极,外电路中,电子从NiO电极流向Pt电极,B错误;NiO电极上NO失电子和氧离子反应生成二氧化氮,所以电极反应式为NO+O2--2e-===NO2,C正确;Pt电极为原电池的正极,O2的电极反应产物是O2-,D正确。
15.新型微生物电池可应用于酸性有机废水(含C6H6O)的处理,其放电时的工作原理如图所示,其中交换膜为质子交换膜。下列说法正确的是 (　　)
A.N极为电池的负极
B.工作时,氢离子从N极移向M极
C.N极的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
D.标准状况下,N极消耗22.4 L O2,M极产生CO2的体积为22.4 L
答案　C
解析　由图可知,O2→H2O发生还原反应,则N极为电池的正极,A错误;N极是正极,阳离子移向正极,则H+从M极移向N极,B错误;N极发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,C正确;电池总反应式为C6H6O+7O26CO2+3H2O,则消耗1 mol O2时,M极产生 mol CO2,在标准状况下的体积为=19.2 L,D错误。
16.化学电源在生产、生活中有着广泛的应用。回答下列问题:
(1)图中,正极电极反应式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;电子流向:　　　　(填“Zn”或“Cu”,下同)极经导线流入　　　　极。
(2)铅酸蓄电池是常见的二次电池,其工作原理如图所示。放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,负极电极反应式为Pb-2e-+S===PbSO4。
①写出放电时正极的电极反应式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
②铅酸蓄电池放电一段时间,当转移2 mol电子时,正极质量将增大　　　　 g。
(3)金属(M) 空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
已知:①电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
②阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过。
比较Mg、Al、Zn三种金属 空气电池,则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为　　　　,该电池正极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　,
若为Mg 空气电池,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用　　　　(填“阳离子”或“阴离子”)交换膜。
答案　(1)2H++2e-===H2↑　Zn　Cu
(2)①PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O　②64
(3)Al>Mg>Zn　O2+2H2O+4e-===4OH-　阳离子
解析　(1)Zn Cu 稀硫酸原电池中,Zn比Cu活泼,则Zn作负极,Cu作正极,正极电极反应式:2H++2e-===H2↑;电子从负极流向正极,即从Zn流向Cu。(2)①根据放电总反应式:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O和负极电极反应式:Pb-2e-+S===PbSO4,得正极电极反应式:PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O。②铅酸蓄电池放电一段时间,当转移2 mol电子时,根据PbO2~2e-~PbSO4,正极质量将增大(32+16×2) g=64 g。(3)假设三种金属质量都是1 g时,这三种金属转移电子物质的量分别为Mg: mol、Al: mol、Zn: mol,则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为Al>Mg>Zn;正极上氧气得电子和水反应生成OH-,因为是阴离子交换膜,所以阳离子不能进入正极区域,则正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-;负极上Mg失电子生成Mg2+,为防止负极区沉积Mg(OH)2,则负极区溶液不能含有大量OH-,所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜。
17.通常氢氧燃料电池有酸式和碱式两种,试回答下列问题:
(1)下列有关说法不正确的是　　　　。
A.太阳光催化分解水制氢气比电解水制氢气更为科学
B.氢氧燃料电池作为汽车动力更能保护环境
C.以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式相同
D.以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的总反应式相同
(2)氢氧燃料电池用于航天飞船,电极反应产生的水,经过冷凝后可用作航天员的饮用水,当得到1.8 g饮用水时,转移的电子数为　　　　　　。
(3)某同学关于原电池的笔记中,不合理的有　　　　(填序号)。
①原电池两电极材料活泼性一定不同
②原电池负极材料参与反应,正极材料都不参与反应
③Fe—浓硝酸—Cu原电池,Fe是负极
④原电池是将化学能转变为电能的装置
(4)锂锰电池的结构示意图如下,其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中,Li+通过电解质转移到MnO2晶格中生成LiMnO2。
①外电路的电流方向是由　　　　　　极流向　　　　极(填电极编号)。
②正极材料是　　　　。
③是否可用水代替电池中的混合有机溶剂 　　　　(填“是”或“否”);原因是　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(5)电化学法处理SO2是目前研究的热点。利用双氧水氧化吸收SO2可消除SO2污染,设计装置如图所示(已知石墨只起导电作用,质子交换膜只允许H+通过)。
①石墨1为　　　　(填“正极”或“负极”),放电时H+移向　　　　(填“正极”或“负极”)。
②反应的总化学方程式为　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)C　(2)0.2NA(1.204×1023)
(3)①②③
(4)①b　a　②MnO2　③否　电极Li是活泼金属,能与水反应　(5)①负极　正极　②SO2+H2O2===H2SO4
解析　(1)电解获得H2消耗较多的能量,而在催化剂作用下利用太阳能来分解H2O获得H2更为科学,A正确;氢氧燃料电池产物H2O无污染,能有效保护环境,B正确;以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式分别为:H2-2e-===2H+,H2-2e-+2OH-===2H2O,不相同,C错误;以稀H2SO4、KOH为介质的氢氧燃料电池的总反应式均为2H2+O2===2H2O,D正确。(2)由得失电子数目守恒可知,当得到1.8 g饮用水时,转移的电子数为×2×NA mol-1=0.2NA。(3)①原电池两电极材料活泼性可能相同,如燃料电池的两电极材料可以均为石墨,故错误;②原电池负极材料不一定参与反应,如燃料电池的负极材料一般不参与反应,故错误;③Fe—浓硝酸—Cu原电池中,铁在浓硝酸中发生钝化,铜与浓硝酸反应,则铜是原电池的负极,铁为正极,故错误;④原电池是利用氧化还原反应规律,将化学能转变为电能的装置,故正确;故选①②③;(4)①该电池中Li失去电子生成Li+,所以Li作电池的负极,则a是负极,b是正极,所以外电路中的电流方向由正极流向负极,所以从b流向a。③不能用水代替电池中的混合有机溶剂,因为Li是活泼金属,与水反应,无法参与原电池反应,不能产生电流。(5)①由图可知,二氧化硫在水分子作用下失去电子发生氧化反应生成硫酸,则石墨1为负极,石墨2为正极,酸性条件下过氧化氢在正极得到电子发生还原反应生成水,氢离子由负极石墨1移向正极石墨2;②由题意可知,电池的总反应为二氧化硫与过氧化氢反应生成硫酸,反应的化学方程式为SO2+H2O2===H2SO4。
18.氯铝电池是一种新型的燃料电池。电解质溶液是KOH溶液。试回答下列问题:
(1)通入Cl2(g)的电极是　　　　(填“正”或“负”)极。
(2)投入Al(s)的电极是　　　　(填“正”或“负”)极,负极电极反应式为　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)外电路电子从　　　　(填“Al”或“Cl2”)极流向　　　　(填“正”或“负”)极。
(4)每消耗8.1 g Al(s),电路中通过的电子数目为　　　　NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。
答案　(1)正　(2)负　Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-　(3)Al　正　(4)0.9
解析　由题给信息可知,Cl2得电子在正极发生还原反应,Al失电子在负极发生氧化反应,所以通入Cl2(g)的电极是正极,投入Al(s)的电极是负极,其电极反应式为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-;电子由负极(Al)经外电路流向正极。8.1 g Al(s)的物质的量为=0.3 mol, 1 mol Al反应转移3 mol电子,0.3 mol Al反应在电路中通过的电子数为0.9NA。
19.(1)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2 +2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题:
(1)高铁电池的负极材料是　　　　。
(2)放电时,正极发生　　　　(填“氧化”或“还原”)反应。已知正极反应式为Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,则负极反应式为　　　　　　　　　　　　。
(3)放电时,　　　　(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
答案　(1)Zn　(2)还原　Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2　(3)正
解析　(1)高铁电池放电时为原电池,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。总反应式减去正极反应式得负极反应式,正极生成OH-,故正极附近溶液碱性增强。

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