届一轮复习鲁科版 第6章 第20讲 化学能转化为电能电池 学案.docx
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届一轮复习鲁科版第6章第20讲化学能转化为电能电池学案
第20讲 化学能转化为电能——电池
考纲要求
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。
考点一 原电池的工作原理及应用
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)一看反应:
看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极:
一般是活泼性不同的两电极。
(3)三看是否形成闭合回路,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
以锌铜原电池为例
(1)反应原理
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Zn片沿导线流向Cu片
盐桥中离子移向
盐桥含饱和KCl溶液,K+移向正极,Cl-移向负极
(2)盐桥的组成和作用
①盐桥中装有饱和的KCl、NH4NO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
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。
4.原电池原理的应用
(1)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(或非金属)。
(2)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。
(3)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。
(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根据原电池的工作原理,结合两个半反应,选择正、负电极材料以及电解质溶液。
(1)理论上,任何自发的氧化还原反应都可设计成原电池(√)
(2)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极(√)
(3)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(×)
(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)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼金属一定做负极(×)
(6)一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高(√)
1.在如图所示的4个装置中,不能形成原电池的是______(填序号),并指出原因
________________________________________________________________________。
答案 ①④ ①中酒精是非电解质;④中未形成闭合回路。
2.设计原电池装置证明Fe3+的氧化性比Cu2+强。
(1)写出能说明氧化性Fe3+大于Cu2+的离子方程式:
________________________________________________________________________。
(2)若要将上述反应设计成原电池,电极反应式分别是:
①负极:
________________________________________________________________________。
②正极:
________________________________________________________________________。
(3)在框中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液:
①不含盐桥
②含盐桥
答案
(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)①Cu-2e-===Cu2+
②2Fe3++2e-===2Fe2+
(3)
①不含盐桥
②含盐桥
题组一 原电池的工作原理
1.(2018·成都模拟)课堂学习中,同学们利用铝条、锌片、铜片、导线、检流计、橙汁、烧杯等用品探究原电池的组成。
下列结论错误的是( )
A.原电池是将化学能转化成电能的装置
B.原电池由电极、电解质溶液和导线等组成
C.图中a极为铝条、b极为锌片时,导线中会产生电流
D.图中a极为锌片、b极为铜片时,电子由铜片通过导线流向锌片
答案 D
解析 D项,a极为负极,电子由负极(锌片)流出。
2.(2015·天津理综,4)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,甲池的c(SO
)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,由锌的活泼性大于铜,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,故甲池的c(SO
)不变,错误;C项,在乙池中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(Zn2+)>M(Cu2+),故乙池溶液的总质量增加,正确;D项,阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,电解过程中Zn2+通过阳离子交换膜移向正极保持溶液中电荷平衡,阴离子是不能通过交换膜的,错误。
3.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做正极,电极反应式为6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
C.③中Fe做负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
D.④中Cu做正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑
答案 B
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HNO3反应失去电子做负极,A、C错;②中电池总反应为2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑,负极反应式为2Al+8OH--6e-===2[Al(OH)4]-,二者相减得到正极反应式为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。
原电池的工作原理简图
注意
①电子移动方向:
从负极流出沿导线流入正极,电子不能通过电解质溶液。
②若有盐桥,盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区。
③若有交换膜,离子可选择性通过交换膜,如阳离子交换膜,阳离子可通过交换膜移向正极。
题组二 原电池原理的应用
4.(加快化学反应速率)等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀H2SO4中,同时向a中滴入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是( )
答案 D
解析 a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu,Zn的量减少,产生H2的量减少,但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池,加快反应速率,D项图示符合要求。
5.(比较金属活动性)有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验装置
部分
实验现象
a极质量减少;b极质量增加
b极有气体产生;c极无变化
d极溶解;c极有气体产生
电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动顺序是( )
A.a>b>c>dB.b>c>d>a
C.d>a>b>cD.a>b>d>c
答案 C
解析 把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④,则由实验①可知,a做原电池负极,b做原电池正极,金属活动性:
a>b;由实验②可知,b极有气体产生,c极无变化,则活动性:
b>c;由实验③可知,d极溶解,则d做原电池负极,c做正极,活动性:
d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,活动性:
d>a。
综上所述可知活动性:
d>a>b>c。
6.(金属的防护)为保护地下钢管不受腐蚀,可采取的措施有( )
A.与石墨棒相连
B.与铜板相连
C.埋在潮湿、疏松的土壤中
D.与锌板相连
答案 D
解析 A项,石墨棒与铁构成原电池,铁活泼,失电子做负极,被腐蚀;B项,铜板与铁构成原电池,铁比铜活泼,失电子做负极,被腐蚀;C项,在潮湿、疏松的土壤中,铁与土壤中的碳、水、空气构成原电池,铁失电子做负极,被腐蚀;D项,锌板与铁构成原电池,锌比铁活泼,锌失电子做负极,锌被腐蚀,铁被保护。
题组三 聚焦“盐桥”原电池
7.(2018·河北高三模拟)根据下图,下列判断中正确的是( )
A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-===H2↑
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-===Cl2↑
答案 B
解析 由题给原电池装置可知,电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:
O2+2H2O+4e-===4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高;烧杯b中,Zn发生氧化反应:
Zn-2e-===Zn2+。
8.控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。
下列判断不正确的是( )
A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原
C.检流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.检流计读数为零后,在甲中加入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知,Fe3+得电子变成Fe2+被还原,I-失去电子变成I2被氧化,所以A、B正确;电流表读数为零时,Fe3+得电子速率等于Fe2+失电子速率,反应达到平衡状态,C正确;在甲中加入FeCl2固体,平衡2Fe3++2I-2Fe2++I2向左移动,I2被还原为I-,乙中石墨为正极,D不正确。
9.依据氧化还原反应:
2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是________;电解质溶液Y是________(填化学式)。
(2)银电极为电池的________极,其电极反应为__________________________________。
(3)盐桥中的NO
移向________溶液。
答案
(1)Cu AgNO3
(2)正 Ag++e-===Ag
(3)Cu(NO3)2
考点二 化学电源
一、一次电池:
只能使用一次,不能充电复原继续使用
1.碱性锌锰干电池
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2。
负极材料:
Zn。
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2。
正极材料:
碳棒。
电极反应:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-。
2.纽扣式锌银电池
总反应:
Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。
电解质是KOH。
负极材料:
Zn。
电极反应:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2。
正极材料:
Ag2O。
电极反应:
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。
3.锂电池
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8Li+3SOCl2===6LiCl+Li2SO3+2S。
(1)负极材料为________,电极反应为________________________________________。
(2)正极的电极反应为______________________________________________________。
答案
(1)锂 8Li-8e-===8Li+
(2)3SOCl2+8e-===2S+SO
+6Cl-
二、二次电池:
放电后能充电复原继续使用
1.铅蓄电池
总反应:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
2PbSO4(s)+2H2O(l)
(1)放电时——原电池
负极反应:
Pb(s)+SO
(aq)-2e-===PbSO4(s);
正极反应:
PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)。
(2)充电时——电解池
阴极反应:
PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO
(aq);
阳极反应:
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)。
2.图解二次电池的充放电
3.二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接:
充电的目的是使电池恢复其供电能力,因此负极应与电源的负极相连以获得电子,可简记为负接负后做阴极,正接正后做阳极。
(2)工作时的电极反应式:
同一电极上的电极反应式,在充电与放电时,形式上恰好是相反的;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
三、“高效、环境友好”的燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
种类
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2+4OH--4e-===4H2O
正极反应式
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
电池总反应式
2H2+O2===2H2O
备注
燃料电池的电极不参与反应,有很强的催化活性,起导电作用
2.解答燃料电池题目的思维模型
3.解答燃料电池题目的几个关键点
(1)要注意介质是什么?
是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
(2)通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧气。
(3)通过介质中离子的移动方向,可判断电池的正负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
(1)太阳能电池不属于原电池(√)
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池(×)
(3)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加(√)
(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(×)
(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(×)
(6)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(×)
(7)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1mol电子时,负极增重4.8g(√)
题组一 根据图示理解化学电源
1.普通锌锰干电池的简图如图所示,它是用锌皮制成的锌筒做电极,中央插一根碳棒,碳棒顶端加一铜帽。
在石墨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作电解质溶液。
该电池工作时的总反应为Zn+2NH
+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+2NH
+2e-===Mn2O3+2NH3+H2O
C.原电池工作时,电子从负极通过外电路流向正极
D.外电路中每通过0.1mol电子,锌的质量理论上减小6.5g
答案 C
解析 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,负极失电子,B项错误;由负极的电极反应式可知,每通过0.1mol电子,消耗锌的质量是65g·mol-1×
=3.25g,D项错误。
2.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。
下列说法正确的是( )
A.Li为电池的正极
B.电池工作时,Li+向负极移动
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 C
解析 A项,由
→
发生氧化反应,可知Li为电池负极;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。
3.如图为钠高能电池的结构示意图,该电池的工作温度为320℃左右,电池的反应式为2Na+xS===Na2Sx,正极的电极反应式为________________________________________。
M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是________________________________________。
答案 xS+2e-===S
(或2Na++xS+2e-===Na2Sx) 导电和隔离钠与硫
题组二 可充电电池
4.(二次电池的理解与应用)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。
已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:
Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是( )
A.充电时阳极反应:
Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液的碱性不变
D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动
答案 A
解析 放电时Cd的化合价升高,Cd做负极,Ni的化合价降低,NiOOH做正极,则充电时Cd(OH)2做阴极,Ni(OH)2做阳极,电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O,A项正确;充电过程是电能转化为化学能的过程,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2,Cd电极周围OH-的浓度减小,C项错误;放电时OH-向负极移动,D项错误。
5.(2016·四川理综,5)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( )
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1mole-,石墨(C6)电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
答案 C
解析 放电时,负极反应为LixC6-xe-===xLi++C6,正极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,A、B正确;充电时,阴极反应为xLi++C6+xe-===LixC6,转移1mole-时,石墨C6电极将增重7g,C项错误;充电时,阳极反应为放电时正极反应的逆反应:
LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
6.(2018·哈师大附中、东北师大附中、辽宁省实验中学一模)一种突破传统电池设计理念的镁-锑液态金属储能电池工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。
该电池工作一段时间后,可由太阳能电池充电。
下列说法不正确的是( )
A.放电时,Mg(液)层的质量减小
B.放电时正极反应为:
Mg2++2e-===Mg
C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应
D.该电池充电时,Cl-向中层和下层分界面处移动
答案 C
解析 A项,放电时,负极Mg失电子生成镁离子,则Mg(液)层的质量减小,正确;B项,正极镁离子得电子得到Mg,则放电时正极反应为:
Mg2++2e-===Mg,正确;C项,该电池充电时,Mg-Sb(液)层为阳极,阳极发生失电子的氧化反应,错误;D项,该电池充电时,阴离子向阳极移动,即Cl-向中层和下层分界面处移动,正确。
题组三 燃料电池
7.某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时,该电池工作原理如图。
下列说法正确的是( )
A.a为CH4,b为CO2
B.CO
向正极移动
C.此电池在常温下也能工作
D.正极的电极反应式为O2+2CO2+4e-===2CO
答案 D
解析 电极反应式如下:
负极:
CH4-8e-+4CO
===5CO2+2H2O
正极:
2O2+8e-+4CO2===4CO
根据图示中电子的移向,可以判断a处通入甲烷,b处通入空气,CO
应移向负极,由于电解质是熔融盐,因此此电池在常温下不能工作。
8.(2018·苏州联考)科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。
质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。
下列说法错误的是( )
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应:
O2+4H++4e-===2H2O
C.电路中每通过4mol电子,在正极消耗44.8LH2S
D.每17gH2S参与反应,有1molH+经质子膜进入正极区
答案 C
解析 根据题目可知,该电池为燃料电池,根据燃料电池的特点,通氧气的一极为正极,故电极b为正极,电极a为负极,A项正确;电极b为正极,氧气得电子生成水,B项正确;从装置图可以看出,电池总反应为2H2S+O2===S2+2H2O,电路中每通过4mol电子,正极应该消耗1molO2,负极应该有2molH2S反应,但是题目中没有给定标准状况下,所以不一定是44.8L,故C错误;17gH2S即0.5molH2S,每0.5molH2S参与反应会消耗0.25molO2,根据正极反应式O2+4H++4e-===2H2O,可知有1molH+经质子膜进入正极区,故D正确。
9.(2018·福州模拟)锌—空气燃料电池可做电动车的动力电源,电解质溶液为KOH溶液,反应为2Zn+O2+2H2O+4OH-===2Zn(OH)
。
下列说法正确的是( )
A.放电时,电解质溶液中K+移向负极
B.放电时,电解质溶液的pH不变
C.充电时,阴极的反应为Zn(OH)
+2e-===Zn+4OH-
D.充电时,当有4.48L氧气(标准状况下)释放出来时,则析出固体Zn为13g
答案 C
解析 放电时,为原电池,溶液中阳离子向正极移动,即K+向正极移动,故A错误;放电时,消耗氢氧根离子,碱性减弱,pH减小,故B错误;充电时,阴极上发生得电子的还原反应,则阴极反应为Zn(OH)
+2e-===Zn+4OH-,故C正确;产生1mol氧气,转移电子为4mol,充电时,当有4.48L氧气(标准状况下)释放出来时,转移电子的物质的量为
×4=0.8mol,根据Zn~2e-,则析出固体Zn:
×65g·mol-1=26g,故D错误。
考点三 金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
2.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟非金属单质直接接触
不纯金属或合金跟电解质溶液接触
现象
无电流产生
有微弱电流产生
本质
金属被氧化
较活泼金属被氧化
联系
两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强(pH≤4.3)
水膜酸性很弱或呈中性
电极
反应
负极
Fe-2e-===Fe2+
正极
2H++2e-===H2↑
O2+2H2O+4e-===4OH-
总反应式
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普
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