浙江专版学年高中化学 专题2 化学反应与能量变化 第三单元 化学能与电能的转化Word文档下载推荐.docx
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2.原电池的工作原理
①分析下图并填空:
原电池总反应式:
Zn+2H+===Zn2++H2↑。
②能量转化过程:
原电池在工作时,负极失去电子,电子通过导线流向正极,溶液中氧化性物质得到电子,发生还原反应,这样氧化反应和还原反应不断发生,闭合回路中不断有电子流产生,也就形成了电流,即化学能转变为电能。
3.结合原电池工作原理及上述实验现象,分析原电池的构成条件是什么?
答案 理论上,自发的氧化还原反应均可构成原电池。
具体条件是
①具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属);
②溶液:
两电极均插入电解质溶液中;
③导线:
两极用导线相连,形成闭合回路。
1.在如图所示的8个装置中,属于原电池的是________________________。
答案 DFG
解析 图中A、B都只有一个电极,C中是两个活动性相同的电极,E中酒精不是电解质溶液,H不能形成闭合回路,它们不属于原电池,属于原电池的只有D、F、G。
思维启迪 原电池的判定方法:
一看反应原理(能否自发地进行氧化还原反应);
二看构成条件(两极一液成回路:
两个活动性不同的电极,插入电解质溶液中,装置形成闭合回路)。
2.在如图所示的装置中,a的金属活动性比氢要强,b为碳棒,关于此装置的各种叙述不正确的是( )
A.碳棒上有气体放出,溶液中c(H+)减小
B.a是正极,b是负极
C.导线中有电子流动,电子从a极到b极
D.a极上发生了氧化反应
答案 B
解析 显然,电极a、b与电解质溶液稀H2SO4组成原电池。
因活动性a>b(碳棒),所以a为原电池的负极,b为正极。
电极反应式:
a(负)极:
a-ne-===an+(氧化反应);
b(正)极:
nH++ne-===
H2↑(还原反应)。
由于正极放电消耗H+,溶液中c(H+)减小。
在外电路中,电子由a极流向b极。
二、原电池原理的应用
1.由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。
装置
二价金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
根据实验现象回答下列问题:
(1)装置甲中负极的电极反应式是______________________________________。
(2)装置乙中正极的电极反应式是__________________________________________。
(3)装置丙中溶液的pH变化是________。
(4)四种金属活动性由强到弱的顺序是_____________________________________。
答案
(1)A-2e-===A2+
(2)Cu2++2e-===Cu
(3)增大 (4)D>
A>
B>
C
解析 据图Ⅰ知活动性:
B,A作负极,电极反应式为A-2e-===A2+;
据图Ⅱ知活动性:
C,正极反应式为Cu2++2e-===Cu;
据图Ⅲ知活动性:
D>
A,正极反应式为2H++2e-===H2↑,故c(H+)减小,pH增大。
据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ知活动性:
C。
2.钢铁在潮湿的空气中很快被腐蚀,如图所示。
回答下列问题:
(1)钢铁表面形成的电解质溶液中溶有O2,通常溶液呈中性或弱碱性。
(2)钢铁表面会形成无数微小的原电池,负极是Fe,正极是C。
(3)负极反应式是2Fe-4e-===2Fe2+,正极反应式是2H2O+O2+4e-===4OH-。
(4)总反应的化学方程式是2Fe+2H2O+O2===2Fe(OH)2,4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,最终生成红色的铁锈(Fe2O3·
xH2O)。
(5)金属跟电解质溶液接触,发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子被氧化,这种腐蚀叫做电化学腐蚀。
3.设计原电池
如:
把Fe+2Fe3+===3Fe2+设计成原电池,可用Fe作负极,铜(或石墨)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。
4.保护金属设备
船体是钢铁材料,在海水中易被腐蚀,在船体外壳焊接上比铁活泼的金属(如Zn),则构成以Zn、Fe为电极的原电池,Zn被消耗掉而Fe得到保护。
1.利用原电池原理可比较金属活动性
作负极的金属活动性强,作正极的金属活动性弱。
2.形成原电池可改变化学反应速率
如金属表面形成原电池会加速金属被腐蚀,即金属易发生电化学腐蚀。
3.在钢铁腐蚀过程中,下列五种变化可能发生的是( )
①Fe2+转化为Fe3+ ②O2被还原 ③产生H2
④Fe(OH)3失水形成Fe2O3·
xH2O ⑤杂质碳被氧化
A.只有①②B.只有②③④
C.①②③④D.①②③④⑤
答案 C
解析 本题考查钢铁的电化学腐蚀。
在腐蚀过程中,负极Fe-2e-===Fe2+,正极O2或H+得电子,Fe2+与OH-结合生成Fe(OH)2,Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3,Fe(OH)3失水形成铁锈。
4.铁及铁的化合物应用广泛,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,可用______作负极,______作正极,__________作电解质溶液。
写出电极反应式:
负极反应:
_______________________________________;
正极反应:
__________________________________________________。
答案
(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)铜 石墨 FeCl3溶液
Cu-2e-===Cu2+ 2Fe3++2e-===2Fe2+
解析 该氧化还原反应可拆分为如下两个半反应:
氧化反应(负极反应):
Cu-2e-===Cu2+。
还原反应(正极反应):
2Fe3++2e-===2Fe2+。
故Cu作负极,活动性比Cu差的材料作正极,如Ag、C等,FeCl3溶液作电解质溶液。
原电池是把化学能转化为电能的装置。
其工作原理是
1.下列装置不能构成原电池的是( )
解析 C选项中两种金属都不能和稀H2SO4发生自发的氧化还原反应,故C选项中装置不能构成原电池。
2.下列叙述正确的是( )
①原电池是把化学能转化成电能的一种装置
②原电池的正极发生氧化反应,负极发生还原反应
③不能自发进行的氧化还原反应,通过原电池的装置均可实现
④碳棒不能用来作原电池的正极
⑤反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,能以原电池的形式来实现
A.①⑤B.①④⑤
C.②③④D.②⑤
答案 A
解析 ①原电池是把化学能转化为电能的一种装置,①正确;
②在发生反应时,原电池的正极要得到电子而发生还原反应,负极要失去电子而发生氧化反应,②错误;
③铜与稀硫酸不能发生反应,若用铜作负极,碳棒作正极,稀硫酸作电解质溶液,组成原电池,此反应仍然不能发生,③错误;
④碳棒可以用来作原电池的正极,④错误;
⑤可以用铜作负极,碳棒作正极,AgNO3溶液作电解质溶液,组成原电池,此时即可发生反应Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+,⑤正确。
故A正确。
3.将纯锌片和纯铜片按下图所示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是( )
A.两个装置都构成了原电池
B.甲装置构成了原电池,乙装置没有构成原电池
C.两烧杯中的锌片上都有大量气泡产生
D.产生气泡的速率甲比乙慢
解析 甲中构成了铜锌原电池,锌作负极,失电子;
铜作正极,氢离子在铜极上得电子,生成氢气;
总反应式为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑。
乙装置没有构成原电池,因为没有形成闭合电路。
构成原电池后生成氢气的速率加快。
4.①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。
①②相连时,外电路电流从②流向①;
①③相连时,③为正极;
②④相连时,②上有气泡逸出;
③④相连时,③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由强到弱的顺序是( )
A.①③②④B.①③④②
C.③④②①D.③①②④
解析 ①②相连时,外电路电流从②流向①,说明①为负极;
①③相连时,①为负极;
②④相连时,②上有气泡产生,说明④为负极;
③④相连时,③的质量减少,说明③为负极。
综上所述可知,这四种金属活动性由大到小的顺序为①③④②,选项B正确。
5.在铜锌原电池中(如下图),以硫酸铜为电解质溶液,锌为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为_________________________。
锌片上观察到的现象为______________________________________;
铜为________极,电极上发生的是________(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式是________________________________________________________________________;
铜片上观察到的现象是________________________________________________,
原电池总反应的离子方程式为___________________________________。
答案 负 氧化 Zn-2e-===Zn2+ 锌片溶解 正 还原 Cu2++2e-===Cu 铜极变粗 Zn+Cu2+===Zn2++Cu
解析 CuSO4为电解质溶液时,铜锌原电池的负极为锌,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,所以锌片不断溶解,正极为铜,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,所以铜极不断变粗,电池总反应式为Zn+Cu2+===Zn2++Cu。
[基础过关]
题组一 原电池的形成与判断
1.下列有关原电池的叙述中正确的是( )
A.把电能转变为化学能的装置
B.活泼金属作正极,不活泼金属或非金属作负极
C.外电路中电子从负极流向正极
D.正极发生氧化反应
2.一个原电池的总反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该原电池的合理组成是( )
选项
正极
负极
电解质溶液
A
Zn
Cu
CuCl2
B
H2SO4
CuSO4
D
Fe
解析 由总反应式知,Zn被氧化作原电池的负极,符合条件的有B、C两项,电解质溶液中Cu2++2e-===Cu,B选项中是2H++2e-===H2↑,故应选C。
3.(2017·
湖州期中)如图是某同学学习原电池后整理的学习笔记,错误的是( )
A.①电子流动方向B.②电流方向
C.③电极反应D.④溶液中离子移动方向
解析 该装置是锌、铜和稀硫酸组成的原电池,锌作负极,铜作正极,负极上锌失电子发生氧化反应,正极上氢离子得电子发生还原反应,电子从负极沿导线流向正极,电流的方向与电子方向相反,在内电路中,阴离子移向负极,阳离子移向正极。
题组二 原电池正极和负极的判断
4.(2017·
湖州期末)如图为某原电池示意图,下列说法正确的是( )
A.铜电极是负极
B.锌电极是正极
C.铜电极上发生氧化反应
D.锌电极上发生氧化反应
答案 D
解析 锌、铜和稀硫酸组成的原电池中,锌作负极,负极上锌失电子发生氧化反应;
铜作正极,正极上氢离子得电子发生还原反应。
5.如图所示装置,电流计指针发生偏转,同时A极逐渐变粗,B极逐渐变细,C为电解质溶液,则A、B、C应是下列各组中的( )
A.A是Zn,B是Cu,C为稀硫酸
B.A是Cu,B是Zn,C为稀硫酸
C.A是Fe,B是Ag,C为稀AgNO3溶液
D.A是Ag,B是Fe,C为稀AgNO3溶液
解析 A极逐渐变粗,说明A极为原电池的正极,溶液中的金属阳离子得到电子后在A极上析出;
B极逐渐变细,说明B极为原电池的负极,失去电子后变成离子进入溶液中。
A和B两项中的反应为Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑,则A项A极变细,B项A极不变;
C和D两项中的反应为Fe+2AgNO3===2Ag+Fe(NO3)2,其中C项A极变细,D项A极变粗。
6.如图为某兴趣小组制作的番茄电池,下列说法正确的是( )
A.电子由锌通过导线流向铜
B.该装置将电能转化为化学能
C.锌电极发生还原反应
D.铜电极上无气泡产生
解析 因为番茄汁呈酸性(即含有H+),可组成原电池。
依据原电池的基本知识,其中Zn作负极,发生氧化反应;
Cu作正极,发生还原反应。
电子由负极(Zn)通过导线流向正极(Cu)。
H+在正极得电子,2H++2e-===H2↑,铜电极有气泡产生。
7.如图是Zn和Cu形成的原电池,某实验兴趣小组做完实验后,在读书卡片上记录如下,在卡片上描述合理的是( )
实验后的记录:
①Zn为正极,Cu为负极
②H+向负极移动
③电子流动方向:
从Zn经外电路流向Cu
④Cu极上有H2产生
⑤若有1mol电子流过导线,则产生H20.5mol
⑥正极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
A.①②③B.③④⑤
C.④⑤⑥D.②③④
解析 在该原电池中,金属活动性Zn比Cu活泼,故Zn作负极,Cu作正极,电子由Zn流出经导线流向Cu片,负极反应为Zn-2e-===Zn2+,正极反应为2H++2e-===H2↑,故转移1mol电子时,产生H20.5mol,在溶液中H+向正极移动,SO
向负极移动,故①②⑥错误,③④⑤正确,选B项。
题组三 原电池原理的应用
8.(2017·
杭州期中)X、Y、Z、M、N代表五种金属,有以下反应:
①Y与M用导线连接放入稀硫酸中,M上冒气泡;
②M、N为电极,与N的盐溶液组成原电池,电子从M极流出,经过外电路,流入N极;
③Z+2H2O(冷水)===Z(OH)2+H2↑;
④水溶液中,X+Y2+===X2++Y。
则这五种金属的活动性由强到弱的顺序为( )
A.Z>X>Y>M>NB.Z>Y>X>M>N
C.Z>X>Y>N>MD.X>Y>M>N>Z
解析 ①Y与M用导线连接放入稀硫酸中,M上冒气泡,则M是正极,Y是负极,原电池的负极金属活泼性强于正极金属的活泼性,即Y>M;
②M、N为电极,与N的盐溶液组成原电池,电子从负极M极流出,经过外电路,流入正极N极,负极金属活泼性强于正极金属的活泼性,即M>N;
③活泼金属钾、钙、钠可和冷水之间反应产生氢气,所以Z是活泼金属;
④X+Y2+===X2++Y,活泼金属可以将较不活泼金属从其盐溶液中置换出来,所以X>Y;
综上可知:
五种金属的活动性由强到弱的顺序:
Z>X>Y>M>N,故选A。
9.(2017·
杭州市期中)如图所示,杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球,调节杠杆并使其在水中保持平衡,然后小心地向烧杯中央滴入浓CuSO4溶液,一段时间后,下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中,不考虑铁丝反应及两球的浮力变化)( )
A.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端高,B端低
B.杠杆为导体和绝缘体时,均为A端低,B端高
C.当杠杆为绝缘体时,A端低,B端高;
为导体时,A端高,B端低
D.当杠杆为绝缘体时,A端高,B端低;
为导体时,A端低,B端高
解析 杠杆为导体时,向烧杯中滴入浓CuSO4溶液,构成Fe、Cu原电池,Fe为负极,发生Fe-2e-===Fe2+,Cu为正极,发生Cu2++2e-===Cu,则A端低,B端高;
杠杆为绝缘体时,只发生Fe与硫酸铜溶液的反应,在Fe的表面附着Cu,质量变大,则A端高,B端低,故选D。
10.按下图装置进行实验,若x轴表示流入正极的电子的物质的量,则y轴可以表示( )
①c(Ag+) ②c(NO
) ③a棒的质量 ④b棒的质量⑤溶液的质量
A.①③B.②④
C.①③⑤D.②④⑥
解析 根据图中装置可判断,Fe、Ag、AgNO3构成的原电池中,活泼金属Fe为负极,Ag为正极,Fe和硝酸银发生氧化还原反应,所以银离子浓度减小,硝酸根浓度不变,①正确、②错误;
在负极上金属铁本身失电子,即a棒质量减轻,③正确;
正极b棒上析出金属银,即b棒质量增加,④错误;
负极上金属铁本身失电子,正极Ag上析出金属银,所以溶液的质量是增加了Fe,但是析出了Ag,在转移电子数相等的情况下,析出的金属质量多,所以溶液质量减轻,但不能为零,⑤错误。
11.由质量均为100g的铁片、铜片和足量的CuSO4溶液组成原电池装置,经过一段时间后,两电极的质量差变为12g,则下列说法正确的是( )
A.铁片溶解了12g
B.导线中通过了0.2mol电子
C.铜片上析出了6gCu
D.铜片溶解了6.4g
解析 设铁片溶解的质量为xg,铜片上析出Cu的质量为yg。
则
(100+y)-(100-x)=12,
即x+y=12。
①
由得失电子守恒可得:
×
2=
2,
即8x=7y。
②
解①②联立的方程组得x=5.6,y=6.4。
导线中通过电子的物质的量为
2=0.2mol。
题组四 钢铁的电化学腐蚀
12.(2017·
绍兴月考)在铁的吸氧腐蚀中,发生还原反应的那个电极上进行的电极反应是( )
A.4OH--4e-===2H2O+O2
B.2H++2e-===H2
C.2H2O+O2+4e-===4OH-
D.Fe-2e-===Fe2+
解析 在弱酸性或中性条件下,铁发生吸氧腐蚀,负极上铁失电子发生氧化反应,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应式为2H2O+O2+4e-===4OH-,故选C。
13.钢铁生锈过程发生如下反应:
①2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2;
②4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3;
③2Fe(OH)3===Fe2O3+3H2O。
下列说法正确的是( )
A.反应①、②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
解析 反应①②中消耗O2的量相等,两个反应都仅有O2作为氧化剂,故转移电子数是相等的,A项正确;
①中H2O的H、O两元素的化合价都没有变,故不作氧化剂,B项错;
铜和钢质水管中的铁构成原电池,使钢质水管的腐蚀速率加快,C项错;
钢铁是铁和碳的混合物,在潮湿的空气中易发生吸氧腐蚀,属于电化学腐蚀,D项错。
[能力提升]
14.(2017·
杭州市期中)如图A、B、C三个烧杯中分别盛有相同物质的量浓度的稀硫酸。
(1)A中反应的离子方程式为________________,B中Sn极附近会出现的现象是________________,C中Zn片上的电极反应式为______________,发生__________(填“氧化反应”或“还原反应”)。
(2)A、B、C中铁溶解的速率由快到慢的顺序是________________。
(3)若将质量相等的铁片和铜片用导线相连浸入硫酸铜溶液中构成原电池,如右图,电子由______极流出(填元素符号),一段时间后,两电极质量相差1.2g,则导线中通过的电子的物质的量为________。
答案
(1)Fe+2H+===Fe2++H2↑ 有气泡产生
Zn-2e-===Zn2+ 氧化反应
(2)B>A>C
(3)Fe 0.02mol
解析
(1)铁与硫酸反应的离子方程式:
Fe+2H+===Fe2++H2↑,B中铁比锡活泼,锡为原电池正极,电极反应式:
2H++2e-===H2↑,有气泡产生,C中锌比铁活泼,锌为原电池负极,发生氧化反应,负极电极反应式为Zn-2e-===Zn2+。
(2)A发生化学腐蚀,B中Fe为负极,Sn为正极,Fe被腐蚀,C中Zn为负极,Fe为正极,Fe被保护,则A、B、C中铁被腐蚀的速率由快到慢的顺序是B>A>C。
(3)铁比铜活泼,铁为原电池的负极,电子从负极流出,设转移xmol电子,则消耗0.5xmolFe,析出0.5xmolCu,则有0.5x×
(64+56)=1.2,x=0.02。
15.
(1)现有如下两个反应:
(A)NaOH+HCl===NaCl+H2O
(B)Cu+2Ag+===2Ag+Cu2+
①根据两反应本质,判断能否设计成原电池:
____________________________________。
②如果不能,说明其原因:
___________________________________________
________________________________________________________________________。
③如果可以,则写出正、负极材料,电极反应式及反应类型(“氧化反应”或“还原反应”):
负极:
________,________________,________。
正极:
(2)利用反应2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制备CuSO4,若将该反应设计为原电池。
①负极材料是________(写名称),电极反应为_______________________________________
②正极电极反应式为_______________________________________________。
③溶液中SO
向________极移动。
答案
(1)①(A)不能,(B)可以 ②(A)不是氧化还原反应,没有电子转移 ③Cu Cu-2e-===Cu2+ 氧化反应 碳棒、Ag、铂、金(任选一种) 2Ag++2e-===2Ag 还原反应
(2)①铜 Cu-2e-===Cu2+ ②O2+4e-+4H+===2H
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