原电池原理分析
原电池结构分析及相关考点练习
考点一 原电池及其工作原理 夯实基础 1.概念
把转化为的装置。 2.形成条件
(1)一看反应:看是否有能自发进行的发生。 (2)二看两电极:一般是。
(3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:①;②;③。 3.工作原理(以下图铜—锌原电池为例)
(1)原电池内部阴、阳离子如何移动?为什么? (2)两个半电池构成的原电池中,盐桥的作用是什么?
考点练习:
一、对原电池构成条件的考查
1.下列示意图中能构成原电池的是( )
2.根据右图,可判断出下列离子方程式中错误的是( )
A.2Ag(s)+Cd2(aq)===2Ag(aq)+Cd(s)
+
+
B.Co2(aq)+Cd(s)===Co(s)+Cd2(aq)
+
+
C.2Ag(aq)+Cd(s)===2Ag(s)+Cd2(aq)
+
+
D.2Ag(aq)+Co(s)===2Ag(s)+Co2(aq)
+
+
二、对原电池工作原理的考查
3.如下图是Zn和Cu组成的原电池示意图,某小组做完该实验后,在读书卡片上作了如下记录,其中合理的是( )
卡片:No.10 Date:2014-3-11 实验记录:①导线中电流方向:锌→铜。 ②铜极上有气泡产生。 ③锌片变薄。
实验结论:④Zn为正极,Cu为负极。 ⑤铜比锌活泼。
+
⑥H向铜片移动。
A.①②③ B.④⑤⑥C.③④⑤ D.②③⑥
4.如右图所示的装置,在盛有水的烧杯中,铁圈和银圈的连接处吊着一根绝缘的细丝,使之平衡,小心地从烧杯中央滴入CuSO4溶液,片刻后可观察到的现象是( )
A.铁圈和银圈左右摇摆不定B.保持平衡 C.铁圈向下倾斜D.银圈向下倾斜 小结: 原电池中的三个方向
(1)电子方向:电子从负极流出经外电路流入正极; (2)电流方向:电流从正极流出经外电路流入负极;
(3)离子的迁移方向:电解质溶液中,阴离子向负极迁移,阳离子向正极迁移。 三、对原电池正、负极判断的考查
5.如图所示装置中,观察到电流计指针偏转,M棒变粗,N棒变细,由此判断表中所列M、N、P物质,其中可以成立的是( )
6 )
A.①②中Mg作负极,③④中Fe作负极
B.②中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e===6OH+3H2↑ C.③中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e===Fe2
-
+
-
-
D.④中Cu作正极,电极反应式为2H+2e===H2↑ 小结:原电池正、负极的判断方法
+-
说明:原电池的正极与负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成
活泼电极一定作负极的思维定势。
考点二 原电池工作原理的四大应用 夯实基础
1.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)根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。 2.比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作的金属比作的金属活泼。 3.加快氧化还原反应的速率
一个进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率。例如,在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。 4.用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。例如,要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。 思考:
(1)X、Y两种金属用导线连接置于稀H2SO4中,发现X极溶解,Y极上有气泡产生,则X、Y的活动性谁强?
(2)
为了保护海水中的钢铁闸门,需要连接某种金属,你认为该金属的活动性应比铁的活动
性强还是弱?
(3)依据原电池原理将反应Fe+2FeCl3===3FeCl2设计成一个原电池。
考点练习:
1.某原电池总反应为:Cu+2Fe3===Cu2+2Fe2,下列能实现该反应的原电池是( )
+
+
+
2铝导线连接在一起使用,说明原因:
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 3.把适合题意的图像填在横线上(用A、B、C、D表示)
(1)将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t (min)的关系是____________。
(2)将过量的两份锌粉a、b分别加入定量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,产生H2的体积V(L)与时间t
(min)
的关系是____________。
(3)将(1)中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液,其他条件不变,则图像是____________。
小结: 改变Zn与H反应速率的方法
(1)加入Cu或CuSO4,形成原电池,加快反应速率,加入Cu不影响Zn的量,但加入CuSO4,Zn的量减少,是否影响产生H2的量,应根据Zn、H的相对量多少判断。
(2)加入强碱弱酸盐,由于弱酸根与H反应,使c(H)减小,反应速率减小,但不影响产生H2的量。 考点三 化学电源 夯实基础
1.一次电池(碱性锌锰干电池)
碱性锌锰干电池的工作原理如图:
负极(Zn),电极反应式:
+
+
+
+
Zn+2OH-2e===Zn(OH)2 正极(MnO2),电极反应式:
2MnO2+2H2O+2e===2MnOOH+2OH 总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnOOH
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
-
-
--
(1)放电时的反应
①负极反应:Pb+SO24-2e===PbSO4
-
-
②正极反应:PbO2+4H+SO24+2e===PbSO4+2H2O
+
-
-
③总反应:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O (2)充电时的反应
①阴极反应:PbSO4+2e===Pb+SO24
-
-
②阳极反应:PbSO4+2H2O-2e===PbO2+4H+SO24
-
+
-
③总反应:2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4 3.燃料电池
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。
(1)可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接?
(2)锂离子电池的总反应为Li+LiMn2O4Li2Mn2O4,请写出该电池的正极反应。 充电考点练习:
一、原电池电极反应式的书写
1.查处酒后驾驶采用的“便携式乙醇测量仪”以燃料电池为工作原理,在酸性环境中,理
放电
论上乙醇可以被完全氧化为CO2,但实际乙醇被氧化为X,其中一个电极的反应式为CH3CH2OH-2e===X+2H。下列说法中正确的是( )
A.电池内部H由正极向负极移动
B.另一极的电极反应式为:O2+4e+2H2O===4OH C.乙醇在正极发生反应,电子经过外电路流向负极 D.电池总反应为:2CH3CH2OH+O2===2CH3CHO+2H2O
2.热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如下图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为:PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是( )
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-
+
-
+
A.正极反应式:Ca+2Cl-2e===CaCl2 B.放电过程中,Li向负极移动
C.每转移0.1mol电子,理论上生成20.7gPb
D.常温时,在正负极间接上电流表或检流计,指针不偏转 二、不同介质时燃料电池电极反应式书写的影响
3.(1)以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法:
①酸性条件
燃料电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O① 燃料电池正极反应式:② 负极反应式为
________________________________________________________________________。 ②碱性条件
燃料电池总反应式:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O① 燃料电池正极反应式:② 负极反应式为
________________________________________________________________________。 (2)固体电解质(高温下能传导O2)
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+
-
-
燃料电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O① 燃料电池正极反应式:O2+4e===2O2②
-
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负极反应式为
________________________________________________________________________。
小结: 书写原电池电极反应式的思维模型 (1)一般电极反应式书写的“三步骤”
(2)复杂电极反应式的书写
复杂电极较简单一极的
=总反应式-
反应式电极反应式
注意:作为燃料电池,充入氧气的一极一定是正极,另外一极为负极。
真题重组: 一、原电池工作原理
1.(2013·新课标全国卷Ⅱ·11)“ZEBRA”蓄电池的结构如下图所示,电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是 ( )
A.电池反应中有NaCl生成
B.电池的总反应是金属钠还原三价铝离子 C.正极反应为:NiCl2+2e===Ni+2Cl D.钠离子通过钠离子导体在两电极间移动
2.(2013·江苏高考·9)Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液,示意图如图。该电池工作时,下列说法正确的是( )
-
-
A
.Mg电极是该电池的正极
B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应 C.石墨电极附近溶液的pH增大 D.溶液中Cl向正极移动 二、原电池电极反应式的书写
3.(2012·四川理综·11)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为:CH3CH2OH-4e+H2O===CH3COOH+4H。下列有关说法正确的是( )
A.检测时,电解质溶液中的H向负极移动
B.若有0.4mol电子转移,则在标准状况下消耗4.48L氧气 C.电池反应的化学方程式为:CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O D.正极上发生的反应为:O2+4e+2H2O===4OH
4.(2011·课标·11)铁镍蓄电池又称爱迪生电池,放电时的总反应为:Fe+Ni2O3+3H2O===Fe(OH)2+2Ni(OH)2
下列有关该电池的说法不正确的是( )
A.电池的电解液为碱性溶液,正极为Ni2O3、负极为Fe B.电池放电时,负极反应为Fe+2OH-2e===Fe(OH)2 C.电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低
D.电池充电时,阳极反应为2Ni(OH)2+2OH-2e===Ni2O3+3H2O
5.(1)[2012·海南·13(4)]肼—空气燃料电池是一种碱性电池,该电池放电时,负极的反应式为________________________________________________________________________。
(2)[2012·新课标全国卷·26(4)节选]与MnO2-Zn电池类似,K2FeO4-Zn也可以组成碱性电池,K2FeO4在电池中作为正极材料,其电极反应为________________________,该电池总反应的离子方程式为________________________。
(3)[2012·江苏·20(3)]铝电池性能优越,Al-AgO电池可用作水下动力电源,其原理如图所示。该电池反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
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三、原电池工作原理的应用
6.(2013·新课标全国卷Ⅰ·10)银质器皿日久表面会逐渐变黑,这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理:在铝质容器中加入食盐溶液,再将变黑的银器浸入该溶液中,一段时间后发现黑色会褪去。下列说法正确的是( )
A.处理过程中银器一直保持恒重
B.银器为正极,Ag2S被还原生成单质银 C.该过程中总反应为2Al+3Ag2S===6Ag+Al2S3 D.黑色褪去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl
7.[2013·广东理综·33(2)]能量之间可相互转化:电解食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能,而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。
限选材料:ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。 ①完成原电池甲的装置示意图(见下图),并作相应标注。
要求:在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。
②以铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极________。
③甲乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是__________,其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
教材内容提升:盐桥在电化学中的应用
1.盐桥的组成和作用
(1)盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。
(2)盐桥的作用:①连接内电路,形成闭合回路;②平衡电荷,使原电池不断产生电流。
2.单池原电池和盐桥原电池的对比
图1和图2两装置的相同点:正负极、电极反应、总反应、反应现象。 负极:Zn-2e===Zn2
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正极:Cu2+2e===Cu
+
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总反应:Zn+Cu2===Cu+Zn2
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不同点:图1中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2,会有一部分Zn与Cu2直接反应,
+
+
该装置中既有化学能和电能的转化,又有一部分化学能转化成了热能,装置的温度会升高。
图2中Zn和CuSO4溶液在两个池子中,Zn与Cu2不直接接触,不存在Zn与Cu2直
+
+
接反应的过程,所以仅是化学能转化成了电能,电流稳定,且持续时间长。
关键点:盐桥原电池中,还原剂在负极区,而氧化剂在正极区。
3
已知在酸性条件下发生的反应为AsO34+2I+2H===AsO3+I2+H2O,在碱
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3
性条件下发生的反应为AsO33+I2+2OH===AsO4+H2O+2I。设计如图装置(C1、C2均
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为石墨电极),分别进行下述操作:
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸 Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40%NaOH溶液 结果发现电流表指针均发生偏转。 试回答下列问题:
(1)两次操作中指针为什么发生偏转?
(2)两次操作过程中指针偏转方向为什么相反?试用化学平衡移动原理解释之。 (3)操作Ⅰ过程中C1棒上发生的反应为
________________________________________________________________________; (4)操作Ⅱ过程中C2棒上发生的反应为
________________________________________________________________________。 (5)操作Ⅱ过程中,盐桥中的K移向________烧杯溶液(填“A”或“B”)。 答案: (1)两次操作中均能形成原电池,化学能转变成电能。
(2)(Ⅰ)加酸,c(H)增大,AsO34得电子,I失电子,所以C1极是负极,C2极是正极。
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+
(Ⅱ)加碱,c(OH)增大,AsO33失电子,I2得电子,此时,C1极是正极,C2极是负极。故发
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生不同方向的反应,电子转移方向不同,即电流表指针偏转方向不同。
(3)2I-2e===I2
3
(4)AsO33+2OH-2e===AsO4+H2O
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(5)A