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考點11.1 原電池 電化學知識是每年必考點，預計2018年高考中會與裝置圖結(jié)合起來，對電化學工作原理、電極反應式、離子與電子的運動方向、電化學原理應用進行考查。 一、高考題再現(xiàn)： 1．（2018課標Ⅰ）最近我國科學家設計了一種CO2+H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實現(xiàn)對天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應為： ①EDTA-Fe2+-e-＝EDTA-Fe3+ ②2EDTA-Fe3++H2S＝2H++S+2EDTA-Fe2+ 該裝置工作時，下列敘述錯誤的是 A. 陰極的電極反應：CO2+2H++2e-＝CO+H2O B. 協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應：CO2+H2S＝CO+H2O+S C. 石墨烯上的電勢比ZnO@石墨烯上的低 D. 若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+，溶液需為酸性 【答案】C 2．（2018課標Ⅱ）我國科學家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的Na—CO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料，電池的總反應為：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列說法錯誤的是 A. 放電時，ClO4－向負極移動 B. 充電時釋放CO2，放電時吸收CO2 C. 放電時，正極反應為：3CO2+4e? ＝2CO32－+C D. 充電時，正極反應為：Na++e?＝Na 【答案】D 3．（2018課標Ⅲ）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是 A. 放電時，多孔碳材料電極為負極 B. 放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極 C. 充電時，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移 D. 充電時，電池總反應為Li2O2-x=2Li+（1－）O2 【答案】D 4．（2017課標Ⅲ）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯誤的是 A．電池工作時，正極可發(fā)生反應：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4 B．電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g C．石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性 D．電池充電時間越長，電池中的Li2S2量越多 【答案】D 【解析】A．原電池工作時，Li+向正極移動，則a為正極，正極上發(fā)生還原反應，隨放電的多少可能發(fā)生多種反應，其中可能為2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4，故A正確；B．原電池工作時，轉(zhuǎn)移0.02mol電子時，氧化Li的物質(zhì)的量為0.02mol，質(zhì)量為0.14g，故B正確；C．石墨能導電，利用石墨烯作電極，可提高電極a的導電性，故C正確；D．電池充電時間越長，轉(zhuǎn)移電子數(shù)越多，生成的Li和S8越多，即電池中Li2S2的量越少，故D錯誤。 二、應試對策： 原電池工作原理 1．工作原理示意圖(以銅鋅原電池為例) 2．原電池電極的判斷 3. 原電池的負極 一般，在原電池反應中活潑金屬作負極包含兩層含義： (1) “活潑”是指相對活潑而不是絕對活潑。 (2) 在大部分原電池反應中，金屬活動性較強的一極作負極，另一電極作正極。但在某些特殊條件下例外，例如： ① 冷的濃硝酸作電解質(zhì)溶液，金屬鐵或鋁與金屬銅作電極時，鐵或鋁在冷的濃硝酸中鈍化，金屬活動性弱的銅與濃硝酸發(fā)生氧化反應作負極。 ② NaOH溶液作電解質(zhì)溶液，金屬鎂與金屬鋁作電極時，因鋁能與NaOH溶液反應，作負極，而金屬活動性強的鎂只能作正極。 4. 原電池的設計 從理論上講，能自發(fā)進行的氧化還原反應均可以設計成原電池，實際設計時應注意以下幾點： ⑴ 負極(還原性較強的物質(zhì))； ⑵ 正極是活動性較差的金屬或能導電的非金屬； ⑶ 電解質(zhì)溶液：兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，陰離子移向負極，陽離子移向正極。 原電池原理的應用 1．加快氧化還原反應的速率 例如：在鋅與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液，能使產(chǎn)生H2的速率加快。 2．比較金屬活動性強弱 3．設計化學電池 例如：以Fe＋CuCl2===FeCl2＋Cu為依據(jù)，設計一個原電池。 (1) 將氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩個半反應，分別作原電池的負極和正極的電極反應式。 負極：Fe－2e－===Fe2＋， 正極：Cu2+＋2e－===Cu。 (2) 確定電極材料 若發(fā)生氧化反應的物質(zhì)為金屬單質(zhì)，可用該金屬直接作負極；若發(fā)生氧化反應的為氣體(如H2)或溶液中的還原性離子，可用惰性電極(如Pt、碳棒)作負極。發(fā)生還原反應的電極材料一般不如負極材料活潑。 本例中可用Fe作負極，用鉑絲或碳棒作正極。 (3) 確定電解質(zhì)溶液 一般選用反應物中的電解質(zhì)溶液即可，如本例中可用CuCl2溶液作電解液。 (4) 構(gòu)成閉合回路：將電極用導線連接，使之構(gòu)成閉合回路。 4．電化學防護：犧牲陽極的陰極保護法——利用原電池原理 ① 負極(陽極)是作保護材料的金屬； ② 正極(陰極)是被保護的金屬設備。 三．電極反應式的書寫 總的原則同化學方程式的書寫：先寫反應物，再寫生成物，根據(jù)化合價標出得失電子數(shù)，再根據(jù)電荷守恒和物料守恒配平，同時注意溶液的酸堿性。 1. 先確定原電池的正、負極，列出正、負極上的反應物質(zhì)，并標出相同數(shù)目電子的得失。 2. 注意負極反應生成的陽離子與電解質(zhì)溶液中的陰離子是否共存。若不共存，則該電解質(zhì)溶液中的陰離子應寫入負極反應式；若正極上的反應物質(zhì)是O2，且電解質(zhì)溶液為中性或堿性，則水必須寫入正極反應式中，且O2生成OH－，若電解質(zhì)溶液為酸性，則H＋必須寫入正極反應式中，O2生成水。 3. 正、負極反應式相加得到電池反應的總反應式。若已知電池反應的總反應式，可先寫出較易書寫的一極的電極反應式，然后在電子守恒的基礎上，總反應式減去較易寫出的一極的電極反應式，即得到較難寫出的另一極的電極反應式。 4. 燃料電池電極反應中，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－。 例1利用反應6NO2+8NH3=7N2+12H2O構(gòu)成電池的方法，既能實現(xiàn)有效消除氮氧化物的排放，減輕環(huán)境污染，又能充分利用化學能，裝置如圖所示。下列說法不正確的是 A. 電流從右側(cè)電極經(jīng)過負載后流向左側(cè)電極 B. 為使電池持續(xù)放電，離子交換膜需選用陰離子交換膜 C. 電極A極反應式為2NH3-6e-=N2+6H+ D. 當有4.48LNO2(標準狀況） 被處理時，轉(zhuǎn)移電子為0.8mol 【答案】C 例2 2016年8月，聯(lián)合國開發(fā)計劃署在中國的首個“氫經(jīng)濟示范城市”在江蘇如皋落戶。用吸附了H2的碳納米管等材料制作的二次電池的原理如圖所示。下列說法正確的是( ) A. 電池總反應為H2+2NiOOH2Ni(OH)2 B. 放電時，甲電極為負極，OH-移向乙電極 C. 放電時，乙電極反應為：NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH- D. 充電時，電池的碳電極與直流電源的正極相連 【答案】C 【解析】A．放電時，正極電極反應式為2NiO(OH)+2H2O+2e-═2Ni(OH)2+2OH-，負極電極反應式為：例3一種三室微生物燃料電池污水凈化系統(tǒng)原理如右圖所示，圖中有機廢水中有機物可用C6H10O5表示。下列有關說法正確的是 A. b電極為該電池的負極 B. b電極附近溶液的pH減小 C. a電極反應式：C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋ D. 中間室：Na＋移向左室，Cl－移向右室 【答案】C 【解析】試題分析：A b電極上硝酸根離子生成N2應該是發(fā)生還原反應，B b電極反應式：2NO3-+10e-+6H2O ==N2+12OH-故電極附近溶液的PH增大，D原電池工作時陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，故錯。 例4我國科學家發(fā)明的水溶液鋰電池為電動汽車發(fā)展掃除了障礙，裝置原理如下圖所示，其中固體薄膜只允許Li+通過。鋰離子電池的總反應為xLi +Li1-xMn2O4LiMn2O4，下列有關說法錯誤的是 A. 放電時，Li+穿過固體薄膜進入到水溶液電解質(zhì)中 B. 放電時，正極反應為Li1-xMn2O4+xLi++xe- LiMn2O4 C. 該電池的缺點是存在副反應:2Li +2H2O2LiOH+H2↑ D. 充電時，電極b為陽極，發(fā)生氧化反應 【答案】C 例5某手機電池采用了石墨烯電池，可充電5分鐘，通話2小時。一種石墨烯鋰硫電池（2Li+S8=Li2S8）工作原理示意圖如圖。已知參與電極反應的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小稱為該電池的比能量。下列有關該電池說法不正確的是 A. 金屬鋰是所有金屬中比能量最高的電極材料 B. A電極為該電源的負極，發(fā)生氧化反應 C. B電極的反應：2Li++S8+2e-=Li2S8 D. 電子從A電極經(jīng)過外電路流向B電極，再經(jīng)過電解質(zhì)流回A電極 【答案】D 【解析】石墨烯鋰硫電池總反應式為2Li+S8=Li2S8，Li失電子發(fā)生氧化反應，Li是負極材料；A．金屬鋰的摩爾質(zhì)量小，單位質(zhì)量的Li放出電能明顯比其它金屬，故A正確；B．電池內(nèi)部陽離子向正極移動，則A電極為該電源的負極，發(fā)生氧化反應，故B正確；C．B為電源的正極，發(fā)生的電極的反應為2Li++S8+2e-=Li2S8，故C正確；D．原電池的外電路中有電子轉(zhuǎn)移，而電池的內(nèi)部只有陰、陽離子的移動，沒有電子的移動，故D錯誤；答案為D。 例6利用如圖裝置，完成很多電化學實驗．下列有關此裝置的敘述中，正確的是 A. 若X為鋅棒，Y為NaCl溶液，開關K置于M處，可減緩鐵的腐蝕，這種方法稱為犧牲陰極保護法 B. 若X為碳棒，Y為NaCl溶液，開關K置于N處，可加快鐵的腐蝕 C. 若X為銅棒，Y為硫酸銅溶液，開關K置于M處，銅棒質(zhì)量將增加，此時外電路中電子向銅電極移動 D. 若X為銅棒，Y為硫酸銅溶液，開關K置于N處，可用于鐵表面鍍銅，溶液中銅離子濃度將減小 【答案】C 例7高鐵電池是一種可充電電池，其設計圖如下所示：負極材料是Zn，氧化產(chǎn)物是Zn(OH)2，正極材料是K2FeO4(易溶鹽)，還原產(chǎn)物是Fe(OH)3，電解質(zhì)溶液是KOH水溶液。下列有關說法正確的是 A. 高鐵電池放電時正極反應為：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 B. 高鐵電池充電時陰極反應為Fe(OH)3+5OH--3e-=FeO42-+4H2O C. 高鐵電池放電時的總反應為：2FeO42-+8H2O+3Zn=2 Fe(OH)3+3 Zn(OH)2+4OH- D. 高能堿性電池比高鐵電池工作電壓更穩(wěn)定 【答案】C