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1、專題6 原電池與化學(xué)電源經(jīng)典考點(diǎn)一原電池的工作原理1概念和反應(yīng)本質(zhì)原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,其反應(yīng)本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。2原電池的構(gòu)成條件(1)一看反應(yīng):看是否有能自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)發(fā)生(一般是活潑性強(qiáng)的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))。(2)二看兩電極:一般是活潑性不同的兩電極。(3)三看是否形成閉合回路,形成閉合回路需三個(gè)條件:電解質(zhì)溶液;兩電極直接或間接接觸;兩電極插入電解質(zhì)溶液中。3工作原理:以鋅銅原電池為例電極名稱負(fù)極正極電極材料鋅片銅片電極反應(yīng)Zn2e=Zn2Cu22e=Cu反應(yīng)類型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)電子流向由Zn片沿導(dǎo)線流向Cu片【典例剖析】1分析下圖所示的四個(gè)原電池裝置,其中結(jié)論
2、正確的是()A中Mg作負(fù)極,中Fe作負(fù)極B中Mg作正極,電極反應(yīng)式為6H2O6e=6OH3H2C中Fe作負(fù)極,電極反應(yīng)式為Fe2e=Fe2D中Cu作正極,電極反應(yīng)式為2H2e=H2B【解析】中Mg不與NaOH溶液反應(yīng),而Al能和NaOH溶液反應(yīng)失去電子,故Al是負(fù)極;中Fe在濃硝酸中鈍化,Cu和濃HNO3反應(yīng)失去電子作負(fù)極,A、C錯(cuò);中電池總反應(yīng)為2Al2NaOH2H2O=2NaAlO23H2,負(fù)極反應(yīng)式為2Al8OH6e=2AlO4H2O,二者相減得到正極反應(yīng)式為6H2O6e=6OH3H2,B正確;中Cu是正極,電極反應(yīng)式為O22H2O4e=4OH,D錯(cuò)。1.原電池正、負(fù)極判斷方法說(shuō)明原電池
3、的正極和負(fù)極與電極材料的性質(zhì)有關(guān),也與電解質(zhì)溶液有關(guān),不要形成“活潑電極一定作負(fù)極”的思維定勢(shì)。二原電池原理的“四”個(gè)基本應(yīng)用1用于金屬的防護(hù)使被保護(hù)的金屬制品作原電池正極而得到保護(hù)。例如,要保護(hù)一個(gè)鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等,可用導(dǎo)線將其與一塊鋅塊相連,使鋅作原電池的負(fù)極。2設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源(1)首先將氧化還原反應(yīng)分成兩個(gè)半反應(yīng)。(2)根據(jù)原電池的反應(yīng)特點(diǎn),結(jié)合兩個(gè)半反應(yīng)找出正、負(fù)極材料和電解質(zhì)溶液。3比較金屬活動(dòng)性強(qiáng)弱兩種金屬分別作原電池的兩極時(shí),一般作負(fù)極的金屬比作正極的金屬活潑。4加快氧化還原反應(yīng)的速率一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng),設(shè)計(jì)成原電池時(shí)反應(yīng)速率增大。例如,在Zn與稀H2SO4反
4、應(yīng)時(shí)加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應(yīng)速率加快?!镜淅饰觥?有A、B、C、D四種金屬,做如下實(shí)驗(yàn):將A與B用導(dǎo)線連接起來(lái),浸入電解質(zhì)溶液中,B不易腐蝕;將A、D分別投入等物質(zhì)的量濃度的鹽酸中,D比A反應(yīng)劇烈;將銅浸入B的鹽溶液里,無(wú)明顯變化,如果把銅浸入C的鹽溶液里,有金屬C析出。據(jù)此判斷它們的活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是()AABCD BCDABCDABC DABDCC【解析】A與B用導(dǎo)線連接后浸入電解質(zhì)溶液中會(huì)構(gòu)成原電池,B不易腐蝕,說(shuō)明B為原電池的正極,說(shuō)明金屬活動(dòng)性:AB;A、D與等物質(zhì)的量濃度的鹽酸反應(yīng),D比A反應(yīng)劇烈,說(shuō)明金屬活動(dòng)性:DA;根據(jù)置換反應(yīng)規(guī)律,Cu不能置換出B,說(shuō)明
5、金屬活動(dòng)性:BCu;Cu能置換出C,說(shuō)明金屬活動(dòng)性:CuC。則四種金屬活動(dòng)性的排列順序是DABC。三化學(xué)電源1鉛蓄電池是最常見的二次電池,負(fù)極材料是Pb,正極材料是PbO2。放電時(shí)的反應(yīng):a負(fù)極反應(yīng):PbSO2e=PbSO4;b正極反應(yīng):PbO24HSO2e=PbSO42H2O;c總反應(yīng):PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。2“高效、環(huán)境友好”的燃料電池(1)氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,可分酸性和堿性兩種。種類酸性堿性負(fù)極反應(yīng)式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正極反應(yīng)式O24e4H=2H2OO22H2O4e=4OH電池總反應(yīng)式2H2O2=2H2O備注燃料電池的電極
6、不參與反應(yīng),有很強(qiáng)的催化活性,起導(dǎo)電作用2以甲烷燃料電池為例來(lái)分析不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫。(1)酸性介質(zhì)(如H2SO4)負(fù)極:CH48e2H2O=CO28H正極:2O28e8H=4H2O總反應(yīng)式:CH42O2=CO22H2O。(2)堿性介質(zhì)(如KOH)負(fù)極:CH48e10OH=CO7H2O正極:2O28e4H2O=8OH總反應(yīng)式:CH42O22OH=CO3H2O(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2)負(fù)極:CH48e4O2=CO22H2O正極:2O28e=4O2總反應(yīng)式:CH42O2=CO22H2O(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下負(fù)極:CH48e4CO=5CO22H2O正極:2O2
7、8e4CO2=4CO總反應(yīng)式:CH42O2=CO22H2O【典例剖析】3MgAgCl電池是一種能被海水激活的一次性貯備電池,電池反應(yīng)方程式為2AgClMg=Mg22Ag2Cl,試書寫該電池的正、負(fù)極電極反應(yīng)式。答案負(fù)極:Mg2e=Mg2 正極:2AgCl2e=2Ag2Cl4(2014新課標(biāo)全國(guó)卷,12)2013年3月我國(guó)科學(xué)家報(bào)道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系。下列敘述錯(cuò)誤的是()Aa為電池的正極 B電池充電反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4=Li1xMn2O4xLiC放電時(shí),a極鋰的化合價(jià)發(fā)生變化 D放電時(shí),溶液中Li從b向a遷移C【解析】圖示所給出的是原電池裝置。A項(xiàng),由圖示分析,金屬鋰易失電子,由原
8、電池原理可知,含有鋰的一端為原電池的負(fù)極,即b為負(fù)極,a為正極,故正確;B項(xiàng),電池充電時(shí)為電解池,反應(yīng)式為原電池反應(yīng)的逆反應(yīng),故正確;C項(xiàng),放電時(shí),a極為原電池的正極,發(fā)生還原反應(yīng)的是錳元素,鋰元素的化合價(jià)沒(méi)有變化,故不正確;D項(xiàng),放電時(shí)為原電池,鋰離子應(yīng)向正極(a極)遷移,故正確?!究偨Y(jié)歸納】1化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書寫的一般步驟“加減法”書寫電極反應(yīng)式(1)先確定原電池的正、負(fù)極,列出正、負(fù)極上的反應(yīng)物質(zhì),并標(biāo)出相同數(shù)目電子的得失。(2)注意負(fù)極反應(yīng)生成的陽(yáng)離子與電解質(zhì)溶液中的陰離子是否共存。若不共存,則該電解質(zhì)溶液中的陰離子應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式;若正極上的反應(yīng)物質(zhì)是O2,且電解質(zhì)溶液為中性或堿
9、性,則水必須寫入正極反應(yīng)式中,且O2生成OH,若電解質(zhì)溶液為酸性,則H必須寫入正極反應(yīng)式中,O2生成水。(3)正、負(fù)極反應(yīng)式相加得到電池反應(yīng)的總反應(yīng)式。若已知電池反應(yīng)的總反應(yīng)式,可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式,然后在電子守恒的基礎(chǔ)上,總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式,即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式。(4)燃料電池的電極反應(yīng)中,酸性溶液中不能出現(xiàn)OH,堿性溶液中不能出現(xiàn)H,水溶液中不能出現(xiàn)O2,而熔融電解質(zhì)中O2被還原為O2。2鋰離子電池充放電分析常見的鋰離子電極材料正極材料:LiMO2(M:Co、Ni、Mn等)、LiM2O4(M:Co、Ni、Mn等)、LiMPO4(M:Fe等)負(fù)
10、極材料:石墨(能吸附鋰原子)負(fù)極反應(yīng):LixCnxe=xLinC 正極反應(yīng):Li1xMO2xLixe=LiMO2【課堂熱身練】1(廣東江門市2015屆二模)某原電池裝置如下圖所示,電池總反應(yīng)為2AgCl22AgCl。下列說(shuō)法正確的是( )1mol/L鹽酸PtCl2AgCl/Ag陽(yáng)離子交換膜(只允許陽(yáng)離子通過(guò))A正極反應(yīng)為Ag-e-Ag+B放電時(shí),交換膜右側(cè)溶液中有大量白色沉淀生成C當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1mol e-時(shí),通過(guò)交換膜的陽(yáng)離子為0.2mol D用KCl溶液代替鹽酸,則電池總反應(yīng)不改變2利用人工光合作用合成甲酸的原理為2CO22H2O2HCOOHO2,裝置如下圖所示,下列說(shuō)法不正確的是(
11、)A該裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和電能B電極1周圍pH增大C電極2上發(fā)生的反應(yīng)為CO22H2e=HCOOHDH由電極1室經(jīng)過(guò)質(zhì)子膜流向電極2室3(遼寧大連2015屆二模)以硼氫化合物NaBH4(B元素的化合價(jià)為+3價(jià))和H2O2作原料的燃料電池,負(fù)極材料采用Pt/C,正極材料采用MnO2,可用作空軍通信衛(wèi)星電源,其工作原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )A電池放電時(shí)Na+從a極區(qū)移向b極區(qū)B電極b采用MnO2,MnO2既作電極材料又有還原作用C該電池的負(fù)極反應(yīng)為:BH4-+8OH-8e- = BO2-+6H2OD每消耗3molH2O2,轉(zhuǎn)移的電子為6mol4(遼寧朝陽(yáng)市三校2015屆聯(lián)考)新型N
12、aBH4/H2O2燃料電池(DBFC)的結(jié)構(gòu)如圖所示,(已知硼氫化鈉中氫為-1價(jià)),有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是( )A電極B材料中含MnO2層,MnO2可增強(qiáng)導(dǎo)電性B電池負(fù)極區(qū)的電極反應(yīng):BH4-+8OH-8e-BO2-+6H2OC放電過(guò)程中,Na+從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移D在電池反應(yīng)中,每消耗1L 6molL-1 H2O2溶液,理論上流過(guò)電路中的電子為6NA個(gè)5(四川成都嘉祥外校2015屆模擬三)可用于電動(dòng)汽車的鋁空氣燃料電池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液,鋁合金為負(fù)極,空氣電極為正極下列說(shuō)法不正確的是( )A以NaCl溶液或NaOH溶液為電解液時(shí),正極反應(yīng)都為O2+2H2O+4e=4
13、OHB以NaOH溶液為電解液時(shí),負(fù)極反應(yīng)為Al+4OH3e=AlO2+2H2OC以NaOH溶液為電解液時(shí),電池在工作過(guò)程中電解液的pH增大D以NaCl溶液為電解液時(shí),電流由空氣電極沿導(dǎo)線流向鋁合金電極6(2015溫州十校聯(lián)考)甲醇燃料電池具有容易攜帶、容易存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn),目前被認(rèn)為將會(huì)替代傳統(tǒng)的電池成為攜帶型設(shè)備的主要電源。右圖是甲醇的質(zhì)子交換膜型燃料電池模型,下列有關(guān)說(shuō)法正確的是( )AY極為電池的負(fù)極BX極的電極反應(yīng)式:CH3OHH2O6e= CO26HC若常溫下以該電池電解100 mL KCl溶液至pH12時(shí),電池質(zhì)子交換膜遷移的A為0.01 molD空氣以20%為氧氣計(jì)算,X極每消耗1 m
14、ol甲醇,Y極必消耗168 L空氣中的氧氣7(河南信陽(yáng)市2015屆二調(diào))以氨作為燃料的固體氧化物(含有O2)燃料電池,具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、能量效率高的特點(diǎn),另外氨氣含氫量高,不含碳,易液化,方便運(yùn)輸和貯存,是很好的氫源載體。其工作原理如圖所示,下列關(guān)于直接氨固體氧化物燃料電池的說(shuō)法正確的是( ) A電極a為電源的陰極B固體氧化物作為電池工作的電解質(zhì),其作用是讓電子在電池內(nèi)移動(dòng)C電池工作時(shí),在a電極接觸面上發(fā)生的電極反應(yīng)為2NH33O2-6eN23H2OD外電路的電流方向?yàn)閺碾姌Oa流向電極b8有一種新穎的固體氧化物型燃料電池(SOFC),該電池工作時(shí),一極通入空氣,另一極通入丁烷;電解質(zhì)是摻雜氧化釔
15、(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體,在高溫熔融狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2。下列對(duì)該燃料電池說(shuō)法正確的是( )A在熔融電解質(zhì)中,O2由負(fù)極移向正極B電池的總反應(yīng)式:2C4H1013O28CO210H2OC通入空氣的一極是正極,電極反應(yīng)式:O24e=2O2D通入丁烷的一極是正極,電極反應(yīng)式:C4H1026e13O2=4CO25H2O9Harbermann等設(shè)計(jì)出利用Desulfovibrio desulfurcan菌種生成的硫化物作為介體的微生物燃料電池,電池內(nèi)部有質(zhì)子通過(guò),該系統(tǒng)不經(jīng)任何維護(hù)可連續(xù)運(yùn)行5年。該電池的負(fù)極反應(yīng)式為S24H2O8e=SO8H。有關(guān)該電池的下列說(shuō)法中正確的是( )A若有1.12
16、 L氧氣參與反應(yīng),則有0.2 mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移B質(zhì)子由正極移向負(fù)極C該電池的總反應(yīng)為S22O2=SOD正極的電極反應(yīng)式為2O28e4H2O=8OH10研究人員最近發(fā)明了一種“水”電池,這種電池能利用淡水與海水之間的含鹽量差別進(jìn)行發(fā)電,在海水中電池總反應(yīng)可表示為:5MnO22Ag2NaCl=Na2Mn5O102AgCl。下列有關(guān)“水”電池在海水中放電時(shí)的說(shuō)法正確的是( )A正極反應(yīng):Ag+Cl-e=AgClB每生成1 mol Na2Mn5O10轉(zhuǎn)移2 mol電子CNa不斷向“水”電池的負(fù)極移動(dòng)DAgCl是還原產(chǎn)物11如圖為一種固體離子導(dǎo)體電池與濕潤(rùn)KI試紙AB連接,Ag可以在RbAg4I5晶體
17、中遷移,空氣中氧氣透過(guò)聚四氟乙烯膜與AlI3反應(yīng)生成I2,Ag與I2作用形成電池。下列說(shuō)法中正確的是( )A試紙A端發(fā)生還原反應(yīng)BAg從銀電極移向石墨,K移向A端C試紙B端出現(xiàn)棕色D石墨電極上電極反應(yīng)式:I22e=2I12硼化釩VB2空氣電池是目前儲(chǔ)電能力最高的電池,電池示意圖如圖所示,該電池工作時(shí)反應(yīng)為4VB211O2=4B2O32V2O5。下列說(shuō)法正確的是( )A電極a為電池負(fù)極B圖中選擇性透過(guò)膜只能讓陽(yáng)離子選擇性透過(guò)C電子由VB2極經(jīng)KOH溶液流向電極aDVB2極發(fā)生的電極反應(yīng)為2VB222OH-22e=V2O52B2O311H2O13世博會(huì)中國(guó)館、主題館等建筑使用光伏并網(wǎng)發(fā)電,總功率達(dá)
18、4 MW,是歷屆世博會(huì)之最。通過(guò)并網(wǎng),上海市使用半導(dǎo)體照明(LED)。已知發(fā)出白光的LED是由氮化鎵(GaN)芯片與釔鋁石榴石(YAG,化學(xué)式:Y3Al5O12)芯片封裝在一起做成的。下列有關(guān)敘述正確的是( )A光伏電池實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能和電能的相互轉(zhuǎn)化B圖中N型半導(dǎo)體為正極,P型半導(dǎo)體為負(fù)極C電流從a流向bDLED中的Ga和Y都顯3價(jià)14(湖北武昌實(shí)中2016屆第一次月考)試鋁電池性能優(yōu)越,Al空氣燃料電池通常以NaCl溶液或KOH溶液為電解質(zhì)溶液,通入空氣的電極為正極,以多孔石墨為正極材料若以NaCl溶液為電解質(zhì)溶液,正極的反應(yīng)式為;若以KOH溶液為電解質(zhì)溶液,電池總反應(yīng)為。15“神舟九號(hào)”飛船
19、的電源系統(tǒng)共有3種,分別是太陽(yáng)能電池帆板、鎘鎳蓄電池和應(yīng)急電池。(1)飛船在光照區(qū)運(yùn)行時(shí),太陽(yáng)能電池帆板將_能轉(zhuǎn)化為_能,除供給飛船使用外,多余部分用鎘鎳蓄電池儲(chǔ)存起來(lái),其工作原理為Cd2NiOOH2H2OCd(OH)22Ni(OH)2,充電時(shí),陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_;當(dāng)飛船運(yùn)行到地影區(qū)時(shí),鎘鎳蓄電池開始為飛船供電,此時(shí)負(fù)極附近溶液的堿性_(填“增大”、“減小”或“不變”)。(2)緊急狀況下,應(yīng)急電池會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),工作原理為ZnAg2OH2O2AgZn(OH)2,其負(fù)極的電極反應(yīng)式為_?!緟⒖即鸢浮?D【解析】據(jù)總反應(yīng)可知,負(fù)極為Ag,正極為Pt,正極為Cl22e-2Cl-,A錯(cuò);左側(cè)產(chǎn)生白色沉淀
20、AgCl,B錯(cuò);H+通過(guò)陽(yáng)離子交換膜移到右側(cè),每轉(zhuǎn)移1mol電子就有1molH+通過(guò)交換膜,C錯(cuò);總反應(yīng)中實(shí)際參與的離子為Cl-而非陽(yáng)離子,故可用KCl代替鹽酸,總反應(yīng)不變,D正確。2B【解析】在太陽(yáng)能作用下CO2和H2O轉(zhuǎn)化為HCOOH和O2,并且有電子流動(dòng),太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和電能,A正確;電極1流出電子,反應(yīng)式是2H2O4e=4HO2,周圍pH減小,B錯(cuò)誤;根據(jù)總反應(yīng)方程式推出電極2上發(fā)生的反應(yīng)為CO22H2e=HCOOH,C正確;電極1反應(yīng)產(chǎn)生H,電極2反應(yīng)消耗H,故H由電極1室經(jīng)過(guò)質(zhì)子膜進(jìn)入電極2室,D正確。3B【解析】電極b處H2O2得電子被還原生成OH-作正極,陽(yáng)離子向正極移動(dòng),
21、則Na+從a極區(qū)移向b極區(qū),A正確;電極b為正極,H2O2得電子被還原生成OH-,MnO2既作電極材料又有催化作用,B錯(cuò)誤;負(fù)極BH4-失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成BO2-,電極反應(yīng)式為BH4-+8OH-8e-=BO2-+6H2O,C正確;正極電極反應(yīng)式為H2O2+2e-=2OH-,每消耗3molH2O2,轉(zhuǎn)移的電子為6mol,D正確。4B【解析】電極B采用MnO2,為正極,H2O2發(fā)生還原反應(yīng),得到電子被還原生成OH-,MnO2既作電極材料又有催化作用,A錯(cuò)誤;負(fù)極BH4-失電子發(fā)生氧化反應(yīng),B正確;原電池放電時(shí),內(nèi)部陽(yáng)離子移向正極,鈉離子應(yīng)向正極移動(dòng),C錯(cuò)誤;消耗1L6molL-1H2O2溶液,
22、理論上流過(guò)電路中的電子數(shù)為:6 molL-11L2NA/mol=12NA,D錯(cuò)誤。5C【解析】中性或堿性條件下,都發(fā)生吸氧腐蝕,正極電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-,A正確;以NaOH溶液為電解液時(shí),負(fù)極上Al失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成偏鋁酸根離子,電極反應(yīng)為Al+4OH-3e-=AlO2-+2H2O,B正確;以NaOH溶液為電解液時(shí),電池反應(yīng)式為4Al+4OH-+3O24AlO2-+2H2O,氫氧根離子常見反應(yīng),所以溶液的pH降低,C錯(cuò)誤;放電時(shí),電流從正極沿導(dǎo)線流向負(fù)極,通入空氣的電極是正極,所以以NaCl溶液為電解液時(shí),電流由空氣電極沿導(dǎo)線流向鋁合金電極,D正確。6B【解析】
23、甲醇進(jìn)入的一極為負(fù)極,空氣進(jìn)入的一極為正極,A錯(cuò)誤;甲醇失電子,根據(jù)電池圖,生成質(zhì)子(H),B正確;由NaCl電解,可知KCl電解也生成KOH,pH12時(shí)c(OH)0.01 mol/L,n(OH)0.001 mol,此時(shí)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為0.001 mol,轉(zhuǎn)移的質(zhì)子也為0.001 mol,C錯(cuò)誤;消耗1 mol 甲醇,消耗1.5 mol 氧氣,則消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣的體積為168 L,這里沒(méi)有只能標(biāo)準(zhǔn)狀況下,不能用Vm22.4 L/mol計(jì)算,D錯(cuò)誤。7C【解析】此為燃料電池即原電池,故電極a為負(fù)極,A錯(cuò)誤;固體氧化物作用是讓離子在電池內(nèi)移動(dòng)而非電子,B錯(cuò)誤;放電時(shí),在a電極接觸面上發(fā)生的電極反應(yīng)為2NH33O26eN23H2O,C正確;外電路電流方向?yàn)閎流向a,D錯(cuò)誤。8B【解析】由題意可知,通入丁烷的電極是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),通入空氣的電極是正極,發(fā)生還原反應(yīng)。熔融電
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