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第2节 化学能转化为电能——电池
知识点 1 原电池的定义与构成条件
必备知识 清单破
1.定义
　　原电池是将化学能转化为电能的装置。
2.构成条件
1.铜锌原电池实验探究
(1)实验装置

(2)实验现象
知识点 2 原电池的工作原理
检流计指针 电极变化情况
a 发生偏转 锌片质量减少,铜片质量增加
b 发生偏转 锌片质量减少,铜片质量增加
(3)单液原电池与双液原电池的比较
①单液铜锌原电池(如图a所示)在工作过程中,锌直接和CuSO4溶液接触,会有化学反应发生,
使部分化学能转化为热能,导致电池供电能力减弱。
②双液铜锌原电池(如图b所示)中,锌插入ZnSO4溶液、铜插入CuSO4溶液,避免了锌和CuSO4
溶液直接接触,提高了原电池的供电能力。
特别提醒 (1)盐桥的作用:使溶液保持电中性,起导电作用,形成闭合回路;完全隔离两电极反
应,使原电池能持续、稳定地产生电流。(2)原电池输出电能的能力,取决于组成原电池的反
应物的氧化、还原能力。
(4)工作原理
特别提醒 原电池工作时形成外电路与内电路,外电路通过电子的定向移动形成电流,内电
路通过离子的定向移动形成电流。电子只能在导线中移动而不能在溶液中移动,离子只能在
溶液中移动而不能在导线中移动,可形象地描述为“电子不下水,离子不上岸”。
1.加快化学反应速率
　　形成原电池后,化学反应速率加快。如实验室制取H2时,把锌粒放入盛有稀硫酸的试管
中,加入几滴硫酸铜溶液,化学反应速率加快。
2.比较金属的活动性强弱
　　一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
3.用于金属的保护
　　将需要保护的金属制品用作原电池的正极而受到保护。
4.设计原电池【详见定点2】
知识点 3 原电池原理的应用
　　化学电源是将化学能转化为电能的实用装置。
1.化学电源的分类
知识点 4 化学电源
2.常见化学电源
(1)锌锰干电池
①酸性锌锰干电池
负极(锌)反应:Zn-2e- Zn2+;
正极(石墨)反应:2MnO2+2N +2e- Mn2O3+2NH3+H2O(有争议)。
②碱性锌锰干电池
负极(锌)反应:Zn+2OH--2e- ZnO+H2O;
正极(石墨)反应:2MnO2+2H2O+2e- 2MnOOH+2OH-;
电池反应:Zn+2MnO2+H2O ZnO+2MnOOH。
(2)铅蓄电池
装置
放电 负极:Pb+S -2e- PbSO4
正极:PbO2+4H++S +2e- PbSO4+2H2O
充电 阴极:PbSO4+2e- Pb+S
阳极:PbSO4+2H2O-2e- PbO2+4H++S
总反应 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
　　铅蓄电池是一种二次电池,电动自行车、汽车等都要用到它。铅蓄电池的性能优良、造
价低、可多次充放电,其主要缺点是单位质量电池释放的电能少。
(3)燃料电池
①工作原理
　　燃料电池是燃料(主要是可燃性气体或液体)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同
组成的原电池。燃料在原电池的负极发生氧化反应,氧化剂在原电池的正极发生还原反应。
②常见的四种典型燃料电池
名称 电解质 电极反应和总反应
氢氧燃料电池 KOH 正极:O2+4e-+2H2O 4OH-
负极:2H2-4e-+4OH- 4H2O
总反应:2H2+O2 2H2O
H2SO4 正极:O2+4e-+4H+ 2H2O
负极:2H2-4e- 4H+
总反应:2H2+O2 2H2O
甲烷燃料电池 KOH 正极:2O2+4H2O+8e- 8OH-
负极:CH4+10OH--8e- C +7H2O
总反应:CH4+2O2+2KOH K2CO3+3H2O
甲醇燃料电池 KOH 正极:3O2+6H2O+12e- 12OH-
负极:2CH3OH+16OH--12e- 2C +12H2O
总反应:2CH3OH+3O2+4KOH 2K2CO3+6H2O
肼燃料电池 KOH 正极:O2+2H2O+4e- 4OH-
负极:N2H4+4OH--4e- N2↑+4H2O
总反应:N2H4+O2 N2+2H2O
1.在锌、铜、硫酸溶液构成的原电池中,电子通过电解质溶液形成闭合回路产生电流。这种
说法正确吗 (　 )
电解质溶液内部只有离子的定向移动,电子不能通过电解质溶液。
2.一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高。这种说法正确吗
(　 )
盐桥中通常装有琼脂凝胶,内含氯化钾或硝酸铵。盐桥中的离子能够定向移动。盐桥
可隔离两电极反应,使原电池能持续、稳定地产生电流。
3.氢氧燃料电池可将热能直接转化为电能。这种说法正确吗 (　 )
氢氧燃料电池属于原电池,可将化学能转化为电能,不能将热能直接转化为电能。
知识辨析 判断正误，正确的画“ √” ，错误的画“ ” 。
提示

提示
提示

√
4.原电池工作时,负极材料一定被氧化,正极材料一定被还原。这种说法正确吗 (　 )
一般原电池工作时,负极上发生失电子的氧化反应,正极上发生得电子的还原反应,
但不一定是电极材料本身被氧化或被还原,如燃料电池中正、负极材料均不参与反应。
提示

关键能力 定点破
定点 1 原电池的正、负极判断
易错提醒 不能只考虑金属活动性的相对强弱,还要考虑电解质溶液,故应根据电池反应来
确定正、负极,发生氧化反应的金属作负极。如图甲中Mg作负极,图乙中Al作负极。
1.原电池的设计原理
(1)负极发生氧化反应,向外电路提供电子。
(2)正极发生还原反应,从外电路中得到电子。
(3)原电池的两电极浸在电解质溶液中,通过电解质溶液中阴、阳离子的定向移动和外部导
线中电子的定向移动构成闭合回路,产生电流。
2.原电池的设计思路
　　以自发进行的氧化还原反应为基础来设计原电池。首先,把氧化还原反应拆分为氧化反
应和还原反应,从而确定电极反应;其次,结合两电极反应确定原电池的正、负极以及电极材
料、电解质溶液等;最后,用导线连接正、负极构成闭合回路,即可构成原电池。
定点 2 根据原电池原理设计原电池
3.确定电极材料,如发生氧化反应的物质为金属单质,可用该金属直接作为负极材料。
两电极材料的选择包括以下几种情况:
(1)活动性不同的两种金属。如铜锌原电池中,锌是负极,铜是正极。
(2)金属和非金属。如锌锰干电池中,锌是负极,石墨是正极。
(3)金属和化合物。如铅蓄电池中,铅是负极,二氧化铅是正极。
(4)惰性电极,两电极材料可以相同。如氢氧燃料电池中,正、负极均为惰性电极。
4.根据实际情况确定电解质溶液,若设计的原电池中含有盐桥,需保证每个半电池中电极材料
与电解质溶液均不能发生反应。
典例 (1)利用反应Cu+2FeCl3 CuCl2+2FeCl2设计成如图所示的原电池。

请回答下列问题:
①写出电极反应式。
正极:　　　　　　　　　　　 ;
负极:　　　　　　　　　　 。
②图中X溶液是　　　 ,Y溶液是　　　 。
③原电池工作时,盐桥中的　　　 (填“阳”或“阴”)离子向X溶液方向移动。
(2)控制合适的条件,将反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2设计成如图所示的原电池。

请回答下列问题:
①反应开始时,乙中石墨电极上发生　　 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为　
　　　　　　　 。甲中石墨电极上发生　　　 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应
式为　　　　　　　　　　　　 。
②电流表读数为0时,反应达到　　 状态。
解析： (1)①该原电池中Cu作负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+;C作正极,电极反应式为2Fe3++
2e- 2Fe2+。②X溶液应为FeCl3溶液,Y溶液应为CuCl2溶液。③原电池工作时,盐桥中的
阳离子向正极移动,即向X溶液方向移动。
(2)①根据题图并结合原电池反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2;可知乙中石墨电极为负极,I-失电子发
生氧化反应,电极反应式为2I--2e- I2,甲中石墨电极为正极,Fe3+得电子发生还原反应,电极
反应式为2Fe3++2e- 2Fe2+。②当电流表读数为0时,说明反应达到平衡状态。
答案：(1)①2Fe3++2e- 2Fe2+　Cu-2e- Cu2+　②FeCl3溶液　CuCl2溶液　③阳
(2)①氧化　2I--2e- I2　还原　2Fe3++2e- 2Fe2+　②平衡
1.电极反应式书写的一般步骤
定点 3 原电池电极反应式的书写
(1)拆分法
　　若已知电池的总反应方程式,先分析元素化合价,确定正、负极的反应物和生成物以及
电子转移数目,将氧化还原反应拆分为氧化反应(负极发生氧化反应)和还原反应(正极发生还
原反应),根据电荷守恒、原子守恒配平,从而得出正、负极的电极反应式。
(2)加减法
　　正极反应式加负极反应式等于总反应式,如果已知电池的总反应式,要求写出电极反应
式,可以先写出较易写出的电极反应式,然后用总反应式减去较易写出的电极反应式,即可得
出较难写出的电极反应式。如:CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中,利用总反应式与较易写出
的正极电极反应式得出负极电极反应式。
　　总反应式:CH3OCH3+3O2 2CO2+3H2O
　　正极:3O2+12H++12e- 6H2O
2.书写技巧
　　负极:CH3OCH3+3H2O-12e- 2CO2+12H+
归纳总结　燃料电池常见正极电极反应式

3.注意事项
(1)两电极得失电子数目相等。
(2)电极反应式中若有气体生成,需要加“↑”;单质、弱电解质或难溶物等可用化学式表示,
其余用离子符号表示。
(3)书写电极反应式时要保证电荷守恒、原子守恒,可在电极反应式一端根据需要添加H+、
OH-或H2O。第2节　化学能转化为电能——电池
第1课时　原电池
基础过关练
题组一　原电池的形成条件
1.下列装置中,电流表指针不能发生偏转的是 (　　)
2.(教材习题改编)某锌铜原电池装置如图,下列说法正确的是 (　　)
A.Zn电极发生还原反应
B.电池工作时,盐桥中的Cl-会持续向右池移动
C.取出盐桥,电流计的指针能继续发生偏转
D.电池总反应为Zn+Cu2+ Zn2++Cu
3.某同学以相同大小的铜片和锌片为电极探究水果电池,得到的实验数据如表所示:
实验编号 水果种类 电极间距离/cm 电流/μA
1 柠檬 1 98.7
2 柠檬 2 72.5
3 苹果 2 27.2
下列说法错误的是 (　　)
A.实验目的是探究电极间距离和水果种类对水果电池电流的影响
B.实验所用装置中,负极材料是铜片
C.该装置将化学能转化为电能
D.实验2和3表明水果种类对水果电池电流大小有影响
题组二　原电池的工作原理
4.我国科学家发明一种新型电池,该电池以碳纳米管为正极、锌线为负极,放电时消耗CO2,同时生成CH4。下列说法正确的是 (　　)
A.碳纳米管参与电极反应
B.负极发生还原反应
C.阳离子由正极移向负极
D.CH4为正极产物
5.关于如图中四种电池装置叙述错误的是 (　　)
A.①中锌电极发生氧化反应
B.②中电子由a电极经导线流向b电极
C.③中外电路中电流由A电极流向B电极
D.④中LixC6为负极
6.(经典题)有如图所示装置,下列有关说法正确的是 (　　)
A.该装置外电路中电子由Cu棒经电解质溶液转移到C棒
B.该装置中负极上Cu发生还原反应
C.一段时间后,电解质溶液的质量减轻
D.该装置的总反应式为Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+
题组三　原电池原理的应用
7.有M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+ M2++N;②M、P用导线连接放入稀硫酸中,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
8.(经典题)将镉(Cd)浸在氯化钴(CoCl2)溶液中,发生反应的离子方程式为Co2+(aq)+Cd(s) Co(s)+Cd2+(aq)(aq表示溶液),如将该反应设计为如图所示的原电池,则下列说法一定错误的是 (　　)
A.Cd作负极
B.原电池工作时,电子从负极沿导线流向正极
C.盐桥中的阳离子向负极区(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
9.(易错题)根据下列图像,将序号填在相应横线上:
　　　　　 　　　　　
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是　　　　　　。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入等量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CuSO4溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是　　　　　　　。
(3)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸中,同时向加入锌粉a的稀硫酸中加入少量CH3COONa溶液,产生H2的体积V与时间t的关系是　　　　　　。
能力提升练
题组一　原电池的正、负极判断与电极反应式的书写
1.某电池的工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.该装置中左侧电极为负极
B.负极的电极反应式为Ag+I--e- AgI
C.该电池的总反应为Ag++I- AgI
D.盐桥(内含KNO3)中N向右侧烧杯移动
2.如图所示原电池工作时,右烧杯中Y2转化为Y3+,下列叙述正确的是 (　　)
A.左烧杯中电极反应式:X4++2e- X2+
B.每消耗1 mol Y2,转移3 mol电子
C.左烧杯中阴离子数目增加
D.左、右两烧杯中的阴、阳离子能通过盐桥转移
3.用如图装置进行实验,电流计指针发生偏转。下列说法不正确的是 (　　)
A.b极电极反应式为Cl2+2e- 2Cl-
B.K+从a极区经阳离子交换膜移向b极区
C.该装置的总反应为H2+Cl2 2HCl
D.工作一段时间后,a极附近溶液的碱性会减弱
4.按如图所示装置进行实验,观察到图1装置中铜电极上产生大量无色气泡;图2装置中铜电极上无气泡产生,铬电极上产生大量有色气泡。下列叙述不正确的是 (　　)
　
A.图1装置中Cu电极上电极反应式为2H++2e- H2↑
B.图2装置中Cu电极上电极反应式为Cu-2e- Cu2+
C.图2装置中Cr电极上电极反应式为N+e-+2H+ NO2↑+H2O
D.两个装置中,电子均由Cr电极经导线流向Cu电极
题组二　与原电池有关的计算
5.将反应Cu(s)+2Ag+(aq) Cu2+(aq)+2Ag(s)设计成如图所示原电池。下列说法中正确的是 (　　)
A.X电极是正极,其电极反应式为Cu-2e- Cu2+
B.银电极质量逐渐减小,Y中c(Ag+)增大
C.当X电极质量变化0.64 g时,Y质量变化2.16 g
D.外电路中电流由银极流向X极
6.(不定项)我国最近在太阳能光电催化电池处理H2S研究中获得新进展,相关装置如图所示。
下列说法错误的是 (　　)
A.该装置中能量转化形式只有化学能转化为电能
B.该装置工作时,b极为正极
C.a极的电极反应式为Fe2+-e- Fe3+
D.电路中每通过1 mol e-,可处理34 g H2S
7.已知:①锰、锌、钴的金属活动性依次减弱;②电池效率等于正极上得到的电子总数与负极上失去的电子总数之比。一种MOF衍生的Zn/Co共掺杂MnO/C微球作为正极和Ti3C2/Zn作为负极的水系锌离子电池工作原理如图所示。下列叙述错误的是 (　　)
A.电势:a极>b极
B.电池工作时,电流由a极经外电路流向b极
C.若用MnSO4溶液替代CoSO4溶液,该电池仍然能放电
D.已知b极质量减轻13.0 g时a极净增8.26 g,则该电池效率为70%
题组三　与原电池有关的实验探究
8.某实验小组依据反应As+I2+H2O设计电池如图1,探究pH对As氧化性的影响,测得输出电压与pH的关系如图2。下列有关叙述错误的是 (　　)
A.c点时,正极的电极反应为As+H2O
B.b点时,反应处于化学平衡状态
C.a点时,盐桥中的K+向左移动
D.pH>0.68时,氧化性:I2>As
9.采用如图装置验证“Ag++Fe2+ Fe3++Ag”为可逆反应。
回答下列问题:
(1)按照装置图,组装好仪器后,分别在两烧杯中加入一定浓度的a溶液和b溶液,闭合开关K,观察到的现象为:Ag电极上有银白色固体析出,指针向右偏转,一段时间后指针归零,说明此时反应达到平衡状态。则a溶液为　　　　溶液;b溶液为　　　　溶液。
(2)向左侧烧杯中滴加较浓的　　　　溶液,产生的现象为　　　　　　　　　　　　　　　　,表明“Ag++Fe2+ Fe3++Ag”为可逆反应。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.A 2.D 3.B 4.D 5.C 6.D 7.A 8.C
1.A　锌插入CuCl2溶液,锌置换出铜,电子不经过导线,没有电流产生,则电流表指针不发生偏转,A符合题意;可构成原电池,镁为负极,铝为正极,电流表指针发生偏转,B不符合题意;可构成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转,C不符合题意;可构成原电池,锌为负极,铜为正极,电流表指针发生偏转,D不符合题意。
2.D　锌作负极,发生氧化反应,原电池的电解质溶液中,阴离子向负极移动,盐桥中的Cl-会向左池移动,A、B错误;取出盐桥,无法形成闭合回路,电流计指针不能继续发生偏转,C错误;电池总反应为Zn+Cu2+ Zn2++Cu,D正确。
名师点睛
盐桥的应用
(1)盐桥中阳离子移向正极,阴离子移向负极。
(2)盐桥不能用导线代替。
(3)盐桥取出后,不能形成闭合回路,则不能形成原电池。
3.B　根据控制变量法可知,实验1、2做对比,是探究电极间距离对水果电池电流的影响,实验2、3做对比,是探究水果种类对水果电池电流的影响,A、D正确;锌比铜活泼,负极材料为锌片,B错误;该装置属于原电池,将化学能转化为电能,C正确。
4.D　碳纳米管为正极,不参与电极反应,正极上CO2(C为+4价)得电子生成CH4(C为-4价),故CH4为正极产物,A错误,D正确;负极发生氧化反应,正极发生还原反应,B错误;原电池中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C错误。
5.C　①装置中锌比铁活泼,锌是负极,发生氧化反应,A正确;②装置中O2在b电极得电子,发生还原反应,b电极是正极,电子由负极经导线流向正极,故电子由a电极经导线流向b电极,B正确;原电池中阴离子移向负极,③装置中Cl-和OH-移向A电极,故A电极是负极,外电路中电流由正极流向负极,即由B电极流向A电极,C错误;④装置中根据电子的移动方向判断LixC6是负极,D正确。
6.D　该装置中Cu作负极、C作正极,电子从Cu棒沿导线流向C棒,“电子不下水”,A错误;该装置中Cu失电子发生氧化反应,Cu作负极,B错误;负极的电极反应式为Cu-2e- Cu2+,正极的电极反应式为2Fe3++2e- 2Fe2+,正、负极电极反应式联立得总反应式为Cu+2Fe3+ 2Fe2++Cu2+,则一段时间后电解质溶液质量增大,C错误,D正确。
7.A　一般,原电池中负极金属的还原性大于正极金属的还原性。
8.C　通常原电池中较活泼的金属作负极,失去电子,发生氧化反应,根据反应Co2+(aq)+Cd(s) Co(s)+Cd2+(aq)可知,Cd作负极,A正确;原电池工作时,电子从负极沿外电路流向正极,B正确;原电池中,溶液中的阳离子向正极移动,则盐桥中的阳离子向正极区(乙池)移动,C错误;甲池中的电极是负极,乙池中的电极是正极,所以甲池中盛放的是CdCl2溶液,乙池中盛放的是CoCl2溶液,D正确。
方法点津
设计制作化学电源的方法
9.答案　(1)A　(2)B　(3)C
解析　以图析题:
(1)加入少量CuSO4溶液,Zn可以置换出Cu,构成原电池,制氢气的速率加快,但由于部分Zn参与置换Cu的反应,则产生H2的量减少,选A。
(2)Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,构成原电池,加快反应速率,但由于Zn足量,n(H+)相同,则产生H2的量相同,选B。
(3)加入少量CH3COONa溶液,CH3COO-与H+反应生成弱电解质CH3COOH,溶液中c(H+)减小,但最终参与置换反应的n(H+)不变,故反应速率减慢,产生H2的量一样多,选C。
能力提升练
1.D 2.C 3.C 4.D 5.D 6.AD 7.C 8.A
1.D　根据电路中电子的移动方向,可知左侧电极为负极,电极反应式为Ag+I--e- AgI,A、B正确;右侧电极为正极,电极反应式为Ag++e- Ag,正、负极反应联立得总反应为Ag++I- AgI,C正确;左侧电极为负极,右侧电极为正极,阴离子(N)向负极区(左侧烧杯)移动,D错误。
方法点津
原电池中正、负极的判断方法
(1)由组成原电池的电极材料判断。一般,较活泼的金属作负极。
(2)根据电流方向或电子移动方向判断。电子:负极→外电路→正极;电流:正极→外电路→负极。
(3)根据电解质溶液中离子移动方向判断。阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。
(4)根据在电极上发生反应的物质得失电子判断。失电子发生氧化反应的是负极,得电子发生还原反应的是正极。
2.C　右烧杯中Y2转化为Y3+,Y2得电子发生还原反应,说明右烧杯中的石墨为原电池正极,则左烧杯中发生氧化反应,电极反应式为X2+-2e- X4+,阳离子所带电荷数增加,由溶液呈电中性可知,左侧烧杯中阴离子数目也增加,A错误,C正确;Y2(Y元素化合价为+6)转化为Y3+,每消耗1 mol Y2,转移6 mol电子,B错误;电解质溶液中的离子不能通过盐桥转移,D错误。
3.C　首先根据装置图中发生反应的物质(H2和Cl2)判断该装置属于原电池。H2在负极得电子,a极为负极,左侧电解质溶液为碱溶液,则负极电极反应式为H2-2e-+2OH- 2H2O,工作一段时间后,a极附近溶液碱性减弱;Cl2在正极得电子,b极为正极,电极反应式为Cl2+2e- 2Cl-。正、负极电极反应式相加得总反应为H2+Cl2+2OH- 2H2O+2Cl-,C错误,A、D正确。原电池中,阳离子移向正极,即K+从a极区经阳离子交换膜移向b极区,B正确。
4.D　图1装置中铜电极上产生大量无色气泡(H2),说明Cu为正极,电极反应式为2H++2e- H2↑,A正确;图2装置中铜电极上无气泡产生,铬电极上产生大量有色气泡(产生NO2),则铜被氧化,为负极,电极反应式为Cu-2e- Cu2+,Cr为正极,正极上是HNO3放电,N被还原生成NO2气体,电极反应式为N+e-+2H+ NO2↑+H2O,B、C正确;图1装置中,电子由Cr电极(负极)经外电路流向Cu电极(正极),图2装置中电子由Cu电极(负极)经外电路流向Cr电极(正极),D错误。
5.D　X电极是铜,铜失去电子,为原电池的负极,故A错误;银电极为电池的正极,电极反应式为Ag++e- Ag,银电极质量逐渐增大,Y中c(Ag+)减小,故B错误;当X电极质量减少0.64 g时,说明参加反应的Cu为0.01 mol,则正极有0.02 mol银单质析出,质量为0.02 mol×108 g·mol-1=2.16 g,盐桥中阳离子移向正极,溶液质量变化小于2.16 g,故C错误;X电极是铜,为原电池的负极,银电极为原电池的正极,外电路中电流由正极(银电极)流向负极(铜电极),故D正确。
6.AD　根据“太阳能光电催化电池”可知该装置中存在光能的转化,A错误;在b极上H+得到电子被还原产生H2,故b极为原电池的正极,B正确;根据图示可知在a极上Fe2+失去电子生成Fe3+,a极的电极反应式为Fe2+-e- Fe3+,C正确;由关系式H2S~2e-~S可知,电路中每通过2 mol e-,可处理34 g H2S,D错误。
7.C　原电池中正极电势高于负极电势,由题中信息知a极为正极,b极为负极,则电势:a极>b极,A正确。电池工作时,电流由正极(a极)经导线流向负极(b极),B正确。锰、锌、钴的金属活动性依次减弱,若用MnSO4溶液替代CoSO4溶液,则锌与硫酸锰不反应,电池不能放电,C错误。b极质量减轻13.0 g,即消耗0.2 mol锌,则锌失去0.4 mol电子;a极净增8.26 g,即生成的Co的物质的量为0.14 mol,正极电极反应式为Co2++2e- Co,正极得电子0.28 mol,该电池效率为×100%=70%,D正确。
8.A　c点时,输出电压小于0,反应逆向进行,As在负极失电子,I2在正极得电子,正极的电极反应式为I2+2e- 2I-,A选项错误;b点时,输出电压为0,反应处于平衡状态,B选项正确;a点时,输出电压大于0,反应正向进行,乙中碘离子失电子,则乙中石墨电极为负极,甲中石墨电极为正极,原电池中阳离子向正极移动,所以盐桥中的K+向左移动,C选项正确;pH>0.68时,电压小于0,反应逆向进行,I2作氧化剂,此时氧化性:I2>As,D选项正确。
9.答案　(1)FeSO4[或FeSO4与Fe2(SO4)3的混合]　AgNO3
(2)Fe2(SO4)3　Ag电极上固体逐渐减少,电流表指针向左偏转,一段时间后指针归零
解析　(1)题图中原电池工作时,Ag电极上有银白色固体(Ag)析出,指针向右偏转,表明Ag电极为正极,电极反应为Ag++e- Ag,则石墨电极为负极,电极反应为Fe2+-e- Fe3+,所以a溶液为FeSO4溶液或FeSO4与Fe2(SO4)3的混合溶液;b溶液为AgNO3溶液。
(2)向左侧烧杯中滴加较浓的Fe2(SO4)3溶液,此时正极电极反应为Fe3++e- Fe2+,负极电极反应为Ag-e- Ag+,Ag电极为负极,石墨电极为正极,则产生的现象为Ag电极上固体逐渐减少,电流表指针向左偏转,一段时间后指针归零。
名师点睛
(1)带盐桥的原电池中,通常在同一烧杯内电解质溶液中的金属离子与金属电极的材料相同。
(2)对于可逆的氧化还原反应,当改变条件,平衡移动的方向不同时,电池的正、负极互换,电流方向相反,当达到平衡时,I=0。
17第2课时　化学电源
基础过关练
题组一　一次电池及工作原理
1.(经典题)普通锌锰干电池的简图如图所示,在碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物,并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜,隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状的电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn+2N+2MnO2 [Zn(NH3)2]2++Mn2O3+H2O。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是 (　　)
A.当该电池电压逐渐下降后,利用电解原理能重新充电复原
B.电池负极反应式为2MnO2+2N+2e- Mn2O3+2NH3+H2O
C.电池工作时,电子从负极通过外电路流向正极
D.外电路中每通过0.1 mol电子,锌的质量理论上减少6.5 g
2.电池中负极反应物与电解质溶液或正极反应物接触直接反应会降低电池的能量转化效率,称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是 (　　)
A.两者正极材料不同
B.两者负极反应相同
C.碱性锌锰干电池中两极反应物间有隔膜,可防止自放电
D.原电池中Zn与稀H2SO4存在自放电现象
题组二　二次电池及工作原理
3.铅蓄电池构造示意图如下所示,下列说法中错误的是 (　　)
A.在放电时,该电池的正极、负极质量均增加
B.在放电时,电池中硫酸的浓度减小
C.当两极物质都转化为PbSO4时,铅蓄电池将停止工作
D.在放电时,正极发生的反应为Pb+S PbSO4+2e-
4.中科院研究了一款独特的锂—氮电池,电解质溶液为可传导Li+的有机溶液,该电池可实现N2的循环,并对外提供电能。充电时发生的反应为2Li3N N2↑+6Li。下列说法不正确的是 (　　)
A.锂—氮电池为绿色固氮提供了一种可能的途径
B.放电时,Li被N2氧化
C.放电时,乙电极发生的反应为N2+6e- 2N3-
D.理论上该电池每完成一个充、放电周期,电池的总质量不会发生改变
5.三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO,强碱性3D-Zn-NiOOH二次电池结构如图所示,放电时电池反应为Zn+2NiOOH+H2O ZnO+2Ni(OH)2。下列说法正确的是 (　　)
A.充电时阳极反应为Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O
B.充电时导电线圈应与外接直流电源的负极相连
C.放电时电解质溶液碱性减弱
D.放电时每沉积0.1 mol ZnO,有0.1 mol OH-通过隔膜
题组三　燃料电池
6.一种铝—空气电池放电过程示意图如下,下列说法正确的是 (　　)
A.a极为负极,放电时发生氧化反应
B.放电时OH-向b极迁移
C.外电路中,电流从a极流向b极
D.该电池正极电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O
7.LED产品的使用为城市增添色彩。下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。下列有关叙述正确的是 (　　)
A.a处通入氧气,b处通入氢气
B.通入H2的电极发生反应:H2-2e- 2H+
C.通入O2的电极发生反应:O2+4e-+2H2O 4OH-
D.该装置将化学能最终转化为电能
8.(1)某种甲醇微生物燃料电池示意图如下:
①外电路中电子的移动方向为　　　　　　(填“从A到B”或“从B到A”)。
②A电极附近甲醇发生的电极反应为　　　　　　　　。
(2)以氨气为燃料的固体氧化物(含有O2-)燃料电池,其工作原理如图所示。
①该电池工作时的总反应方程式为　　　　　　　　　　　。
②固体氧化物为该燃料电池的电解质,O2-　　　　　　　　　　　　(填“由电极a向电极b”或“由电极b向电极a”)移动。
③该电池工作时,在接触面上发生的电极反应为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
能力提升练
题组一　新型化学电源的应用
1.某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2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b极流向a极
B.b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O
C.电池工作过程中,a极区有H+生成
D.每处理1 mol Cr2,可生成33.6 L(标准状况下)CO2
2.一种液态肼(N2H4)燃料电池被广泛应用于发射通信卫星、战略导弹等的运载火箭中。该燃料电池以固体氧化物为电解质,生成物为无毒无害的物质。下列有关该电池的说法正确的是 (　　)
A.电子沿“电极a→用电器→电极b→电解质→电极a”的路径流动
B.电极a上的电极反应式为N2H4+2O2-+4e- N2↑+2H2O
C.当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上被氧化的O2在标准状况下的体积约为22.4 L
D.该电池常温时不能工作
3.Hg-Hg2SO4标准电极在生活中常用于测定其他电极的电势,测知Hg-Hg2SO4电极的电势高于Cu电极的电势。以下说法正确的是 (　　)
A.K2SO4溶液可用CCl4代替
B.Hg-Hg2SO4电极反应为Hg2SO4-2e- 2Hg+S
C.微孔瓷片起到阻隔离子通过的作用
D.若把Cu-CuSO4体系换作Zn-ZnSO4体系,电压表的示数变大
4.下图是“海水—河水”浓差电池装置示意图(不考虑溶解氧的影响),其中a、b均为Ag/AgCl复合电极,b的电极反应式为AgCl+e- Ag+Cl-。下列说法正确的是 (　　)
A.a的电极反应式为Ag-e- Ag+
B.内电路中,Na+由b极区向a极区迁移
C.工作一段时间后,两极区NaCl溶液的浓度差增大
D.电路中转移1 mol e-时,理论上a极区模拟海水的质量减少58.5 g
5.我国科学家发明了一种Zn-PbO2电池,可广泛应用于汽车起动、照明和电力系统等领域。电解质分别为K2SO4、H2SO4和KOH,由a和b两种离子交换膜隔开,形成A、B、C三个电解质溶液区域,结构示意图如图所示:
(1)电池中,Zn为　　　极,B区域的电解质为　　　　　(填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池总反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)阳离子交换膜为图中的　　　(填“a”或“b”)膜。
(4)此电池中,消耗6.5 g Zn,理论上可产生的容量(电荷量)为　　mAh
(1 mAh=3.6 C,1 mol电子的电荷量为96 500 C,结果保留整数)。
题组二　锂电池与非水系电池
6.我国报道了一种新型Li-NO2电池,为NO2的治理和再利用提供了新的研究思路,其工作原理如图所示。电池放电时的总反应为2Li+NO2 Li2O+NO。下列有关该电池工作时的说法不正确的是 (　　)
A.电流的方向:b极→外电路→a极
B.b极的电极反应:NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO
C.电解液中Li+向b极附近迁移
D.当外电路通过1 mol e-时,b极质量增加7 g
7.(不定项)一种锂离子电池的结构如图所示,电池反应为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2(x<1)。下列说法正确的是 (　　)
A.充电时a极接外电源的正极
B.放电时Li+在电解质中由a极向b极迁移
C.充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将减少0.14 g
D.该废旧电池进行“放电处理”有利于锂在LiCoO2极回收
8.以Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池,其放电工作原理如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6]
B.充电时,Mo箔接电源的正极
C.放电时,Na+通过离子交换膜从右室移向左室
D.外电路通过0.2 mol电子时,负极质量变化为1.2 g
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 2.B 3.D 4.C 5.A 6.A 7.C
1.C　普通锌锰干电池是一次电池,不能充电复原,A项错误;根据原电池工作原理,负极发生失电子的氧化反应,B项错误;原电池工作时,电子从负极通过外电路流向正极,C项正确;根据电池工作时的总反应为Zn+2N+2MnO2 [Zn(NH3)2]2++Mn2O3+H2O,可知每通过0.1 mol电子,理论上消耗锌的质量是65 g·mol-1×=3.25 g,D项错误。
2.B　铜锌原电池的正极材料是金属铜,碱性锌锰干电池的正极材料是MnO2和石墨,A正确;两装置中电解质的酸、碱性不同,负极反应不同,铜锌原电池负极的电极反应为Zn-2e- Zn2+,碱性锌锰干电池负极的电极反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O,B错误;碱性锌锰干电池中两极反应物间有隔膜,可以阻止负极反应物与电解质或正极反应物接触直接反应,从而防止自放电,C正确;铜锌原电池中,锌和稀H2SO4直接接触发生反应,该原电池存在自放电现象,D正确。
3.D　放电时,负极上Pb PbSO4,正极上PbO2 PbSO4,正极、负极固体的质量都增加,A正确;放电时,电池总反应为Pb+2H2SO4+PbO2 2PbSO4+2H2O,消耗硫酸,硫酸浓度减小,B正确;当两极物质都转化为PbSO4时,两电极电势差为0,铅蓄电池将停止工作,C正确;放电时,正极的电极反应为PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O,D错误。
4.C　锂—氮电池放电时消耗N2,充电时释放N2,实现了N2的循环,为绿色固氮提供了一种可能的途径,A正确;二次电池充电时和放电时互为逆过程,锂—氮电池充电时发生的反应为2Li3N N2↑+6Li,则放电时发生的反应为N2+6Li 2Li3N,Li为负极反应物,被氧化为Li3N,乙电极为正极,电极反应为N2+6e-+6Li+ 2Li3N,B正确、C错误;根据电池充电、放电时发生的反应,可知理论上该电池每完成一个充、放电周期,电池的总质量不会发生改变,D正确。
5.A　由放电时电池总反应Zn+2NiOOH+H2O ZnO+2Ni(OH)2可知,Zn失电子,发生氧化反应,则三维多孔海绵状Zn为负极,电极反应式为Zn+2OH--2e- ZnO+H2O,导电线圈为正极,电极反应式为NiOOH+H2O+e- Ni(OH)2+OH-,则充电时导电线圈为阳极,阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e- NiOOH+H2O,A正确;充电时,阳极(导电线圈)与外接直流电源的正极相连,B错误;由放电时电池总反应可知,强碱性溶液中水的量减少,则溶液中c(OH-)增大,电解质溶液的碱性增强,C错误;放电时每沉积0.1 mol ZnO转移0.2 mol e-,有0.2 mol OH-通过隔膜,D错误。
名师点睛
二次电池工作原理
(1)二次电池放电、充电时的电极
即充电时,负极接电源负极,为阴极,正极接电源正极,为阳极。
(2)二次电池放电、充电时电极反应式的关系
6.A　由题图可知,放电时a极为负极,铝失去电子在碱性条件下转化为[Al(OH)4]-,电极反应式为Al-3e-+4OH- [Al(OH)4]-,A正确;放电时OH-向负极(a极)迁移,B错误;放电时,外电路中电流从正极(b极)流向负极(a极),C错误;在碱性条件下,O2在正极得到电子生成OH-,电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,D错误。
归纳总结
燃料电池中,氧化剂在正极发生还原反应,氧化剂为O2时常见的几种正极反应式:
碱性电解液:O2+4e-+2H2O 4OH-;
酸性电解液:O2+4e-+4H+ 2H2O;
固体或熔融电解质(可传导O2-):O2+4e- 2O2-;
熔融碳酸盐作电解质:O2+4e-+2CO2 2C。
7.C　根据LED发光二极管中电子移动方向知,b是正极、a是负极,氢氧燃料电池中,负极上通入氢气、正极上通入氧气,则a处通入氢气,b处通入氧气,故A错误;负极上氢气失电子,电极反应为H2-2e-+2OH- 2H2O,故B错误;正极上O2得电子,电极反应为O2+4e-+2H2O 4OH-,故C正确;原电池将化学能转化为电能,电能通过LED发光二极管,最终转化为光能,部分还转化为热能,故D错误。
8.答案　(1)①从A到B　②CH3OH+H2O-6e- CO2↑+6H+
(2)①4NH3+3O2 2N2+6H2O　②由电极b向电极a　③2NH3+3O2--6e- N2+3H2O
解析　(1)①根据图示可知:在A电极上甲醇失去电子被氧化产生CO2,A电极为负极,该电池外电路电子的移动方向为从电极A到电极B。②酸性条件下,甲醇在负极发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3OH+H2O-6e- CO2↑+6H+。
(2)①该燃料电池的总反应方程式为4NH3+3O2 2N2+6H2O。②燃料电池中,通入燃料的一极为负极,通入氧化剂的一极为正极,即通入氨气的一极为负极,原电池中阴离子向负极移动,即O2-由电极b向电极a移动。③负极上氨气失去电子发生氧化反应,负极反应式为2NH3+3O2--6e- N2+3H2O。
能力提升练
1.A 2.D 3.D 4.D 6.D 7.AD 8.D
A　由题图可知,在b极,Cr2在微生物作用下被还原生成Cr3+,在a极,CH3COOH在微生物作用下被氧化生成CO2,所以a极为负极,b极为正极。电池工作时电子由a极(负极)流向b极(正极),A错误;Cr2在正极得电子发生还原反应生成Cr3+,b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O,B正确;CH3COOH在负极失电子发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e- 2CO2↑+8H+,放电时生成H+,则a极区有H+生成,C正确;处理1 mol Cr2时,反应转移6 mol e-,由得失电子守恒可知,负极上生成CO2为6 mol×=1.5 mol,在标准状况下的体积为1.5 mol×22.4 L·mol-1
=33.6 L,D正确。
2.D　燃料电池工作时,电子不能经过电解质,A错误;由题给示意图可知,通入N2H4的一极为负极,在氧离子参与下,N2H4在负极上失去电子发生氧化反应生成氮气和水,B错误;通入O2的一极为正极,O2在正极得到电子发生还原反应生成氧离子,电极反应式为O2+4e- 2O2-,电池总反应为N2H4+O2 N2+2H2O,当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上有1 mol O2被还原,在标准状况下的体积约为22.4 L,C错误;该燃料电池以固体氧化物为电解质,需要高温条件,该电池在常温下不能工作,D正确。
3.D　根据“Hg-Hg2SO4电极的电势高于Cu电极的电势”可知Hg-Hg2SO4为正极,Cu为负极。CCl4不导电,则不能用CCl4代替K2SO4溶液,A项错误;Hg-Hg2SO4为正极,得电子发生还原反应,电极反应式为Hg2SO4+2e- 2Hg+S,B项错误;原电池工作时,电解质溶液中阴、阳离子会定向移动,则离子能通过微孔瓷片,否则不能形成闭合回路,C项错误;换作Zn-ZnSO4体系,Zn比Cu活泼,更容易失去电子,Zn与Hg活泼性差异更大,电压表的示数变大,D项正确。
4.D　分析装置图,提炼信息:
5.答案　(1)负　K2SO4
(2)PbO2+4H++S+Zn+4OH- PbSO4+Zn(OH+2H2O
(3)a
(4)5 361
解析　(1)根据Zn失去电子生成Zn(OH,可知Zn为负极,则A区域电解质是KOH,正极上PbO2放电转化为PbSO4,C区域电解质是H2SO4,故B区域电解质是K2SO4。
(2)负极的电极反应式为Zn-2e-+4OH- Zn(OH,正极的电极反应式为PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O,则电池总反应为PbO2+4H++S+Zn+4OH- PbSO4+Zn(OH+2H2O。
(3)A区域电解质是KOH,OH-参与电极反应生成Zn(OH,负电荷减少,为了维持溶液呈电中性,K+通过离子交换膜a进入B区域,因此a膜为阳离子交换膜。
(4)6.5 g Zn的物质的量是0.1 mol,参加反应时电路中转移0.2 mol电子,1 mol电子的电荷量为96 500 C,0.2 mol电子的电荷量为0.2 mol×96 500 C·mol-1=19 300 C,1 mAh=3.6 C,则理论上可产生的电荷量为 mAh≈5 361 mAh。
6.D　根据电池放电时的总反应2Li+NO2 Li2O+NO可知,Li失电子发生氧化反应,a极为负极,b极为正极,电流方向:b极(正极)→外电路→a极(负极),A正确;b极为正极,正极反应式为NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO,由2e-~Li2O可知,电路中通过1 mol e-时,b极生成0.5 mol Li2O,质量增加0.5 mol×30 g·mol-1=15 g,B正确,D错误;原电池工作时,阳离子移向正极,即电解液中Li+向b极附近迁移,C正确。
7.AD　根据电池反应可知,放电时,负极反应式为LixC6-xe- C6+xLi+,正极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe- LiCoO2,充电时,阴极、阳极反应式与放电时负极、正极反应式正好相反。放电时a极为正极,得电子,充电时a极为阳极,失电子,故充电时a极接外电源的正极,A正确;原电池中b极为负极,a极为正极,放电时,阳离子移向正极、阴离子移向负极,则Li+在电解质中由b极向a极迁移,B错误;放电时负极反应式为LixC6-xe- C6+xLi+,充电时阴极反应式为C6+xLi++xe- LixC6,所以充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将增重0.02 mol×7 g/mol=0.14 g,C错误;放电时,阳离子移向正极,即“放电处理”有利于锂在LiCoO2极回收,D正确。
8.D　放电时,Mg箔为负极,Mo箔为正极,Fe[Fe(CN)6]在正极得电子,电极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],故A正确;放电时,Mo箔为正极,所以充电时,Mo箔电极为阳极,接电源的正极,故B正确;放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],Na+通过离子交换膜从右室移向左室,故C正确;外电路通过0.2 mol电子时,负极0.1 mol Mg失去电子生成[Mg2Cl2]2+,Mg箔电极质量变化为2.4 g,故D错误。
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