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第六章化學反應與能量 第二講原電池化學電源 考綱要求 1 了解原電池的工作原理 能寫出電極反應式和電池總反應式 2 了解常見化學電源的種類及其工作原理 1 概念把 轉化為 的裝置 2 構成條件 1 有兩個 的電極 常見為金屬或石墨 2 將電極插入 中 3 兩電極間構成 兩電極接觸或用導線連接 4 能自發(fā)發(fā)生氧化還原反應 考點一原電池及其工作原理 知識梳理 化學能 電能 活潑性不同 電解質(zhì)溶液 閉合回路 3 工作原理如圖是Cu Zn原電池 請?zhí)羁?1 反應原理 鋅片 銅片 Zn 2e Zn2 Cu2 2e Cu 氧化 還原 2 原電池中的三個方向 電子方向 從 極流出沿導線流入 極 電流方向 從 極沿導線流向 極 離子的遷移方向 電解質(zhì)溶液中 陰離子向 極遷移 陽離子向 極遷移 3 兩種裝置的比較 裝置 中還原劑Zn與氧化劑Cu2 直接接觸 易造成能量損耗 裝置 能避免能量損耗 裝置 中鹽橋的作用是提供離子遷移通路 導電 負 正 正 負 負 正 判斷正誤 正確的劃 錯誤的劃 1 在原電池中 發(fā)生氧化反應的一極一定是負極 2 在原電池中 負極材料的活潑性一定比正極材料強 3 在原電池中 正極本身一定不參與電極反應 負極本身一定要發(fā)生氧化反應 4 帶有 鹽橋 的原電池比不帶 鹽橋 的原電池電流持續(xù)時間長 思考辨析 1 2015 福建理綜 某模擬 人工樹葉 電化學實驗裝置如圖所示 該裝置能將H2O和CO2轉化為O2和燃料 C3H8O 下列說法正確的是 題組訓練 A 該裝置將化學能轉化為光能和電能B 該裝置工作時 H 從b極區(qū)向a極區(qū)遷移C 每生成1molO2 有44gCO2被還原D a電極的反應為 3CO2 18H 18e C3H8O 5H2O 2 2015 新課標全國卷 微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置 其工作原理如圖所示 下列有關微生物電池的說法錯誤的是 A 正極反應中有CO2生成B 微生物促進了反應中電子的轉移C 質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)D 電池總反應為C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 解析C6H12O6中C的平均化合價為0價 二氧化碳中C的化合價為 4價 所以生成二氧化碳的反應為氧化反應 故CO2在負極生成 A選項錯誤 在微生物的作用下 該裝置為原電池裝置 反應速率加快 所以微生物促進了反應的發(fā)生 B項正確 質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子 即H 通過 原電池中陽離子向正極移動 C項正確 電池的總反應實質(zhì)是C6H12O6的氧化反應 D項正確 答案A 3 2015 天津理綜 鋅銅原電池裝置如圖所示 其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過 下列有關敘述正確的是 4 2013年3月我國科學家報道了如圖所示的水溶液鋰離子電池體系 下列敘述錯誤的是 解析由題給圖可知 該電池的b極電極式為 Li e Li 所以b極為負極 a為正極 A項正確 B項正確 C項放電時 負極Li價態(tài)發(fā)生變化 a為正極 Li 價態(tài)不變 C項錯誤 D項放電時陽離子移向正極 D項正確 答案C A a為電池的正極B 電池充電反應為LiMn2O4 Li1 xMn2O4 xLiC 放電時 a極鋰的化合價發(fā)生變化D 放電時 溶液中Li 從b向a遷移 解析原電池的正極發(fā)生得電子的還原反應 Cl2 2e 2Cl 負極發(fā)生失電子的氧化反應 Ag e Cl AgCl 陽離子交換膜右側無白色沉淀生成 若用NaCl溶液代替鹽酸 電池總反應不會改變 當電路中轉移0 01mol電子時 負極消耗0 01molCl 右側正極生成0 01molCl 左側溶液中應有0 01molH 移向右側 約減少0 02mol離子 答案D Al 還原 鋁 銅 電解質(zhì)的性質(zhì) 原電池正負極的判斷及電極反應式的書寫1 原電池正 負極的判斷方法 1 用于金屬的防護使被保護的金屬制品作原電池 而得到保護 例如 要保護一個鐵質(zhì)的輸水管道或鋼鐵橋梁等 可用導線將其與一塊鋅塊相連 使鋅作原電池的負極 2 設計制作化學電源 1 首先將氧化還原反應分成兩個半反應 2 根據(jù)原電池的反應特點 結合兩個半反應找出正 負極材料和電解質(zhì)溶液 考點二原電池原理的應用 知識梳理 正極 3 比較金屬活動性強弱兩種金屬分別作原電池的兩極時 一般作 的金屬比作 的金屬活潑 4 加快氧化還原反應的速率一個 進行的氧化還原反應 設計成原電池時反應速率 例如 在Zn與稀H2SO4反應時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應速率加快 負極 正極 自發(fā) 增大 1 有A B C D E五塊金屬片 進行如下實驗 A B用導線相連后 同時浸入稀H2SO4溶液中 A極為負極 C D用導線相連后 同時浸入稀H2SO4溶液中 電流由D 導線 C A C相連后 同時浸入稀H2SO4溶液中 C極產(chǎn)生大量氣泡 B D相連后 同時浸入稀H2SO4溶液中 D極發(fā)生氧化反應 用惰性電極電解含B離子和E離子的溶液 E先析出 據(jù)此 判斷五種金屬的活動性順序是 A A B C D EB A C D B EC C A B D ED B D C A E 題組訓練 解析金屬與稀H2SO4溶液組成原電池 活潑金屬為負極 失去電子發(fā)生氧化反應 較不活潑的金屬為正極 H 在正極表面得到電子生成H2 電子運動方向由負極 正極 電流方向則由正極 負極 在題述原電池中 A B原電池 A為負極 C D原電池 C為負極 A C原電池 A為負極 B D原電池 D為負極 E先析出 E不活潑 綜上可知 金屬活動性 A C D B E 答案B 解析根據(jù)Cu 2Fe3 Cu2 2Fe2 Cu作負極 含有Fe3 的溶液作為電解質(zhì)溶液 比Cu活潑性弱的作為正極 答案D 3 把適合題意的圖象填在橫線上 用A B C D表示 1 將等質(zhì)量的兩份鋅粉a b分別加入過量的稀硫酸 同時向a中加入少量的CuSO4溶液 產(chǎn)生H2的體積V L 與時間t min 的關系是 2 將過量的兩份鋅粉a b分別加入定量的稀硫酸 同時向a中加入少量的CuSO4溶液 產(chǎn)生H2的體積V L 與時間t min 的關系是 3 將 1 中的CuSO4溶液改成CH3COONa溶液 其他條件不變 則圖象是 A B C 解析加入CuSO4溶液 Zn置換出Cu 形成原電池 加快反應速率 1 a中Zn減少 H2體積減小 2 中由于H2SO4定量 產(chǎn)生H2的體積一樣多 3 當把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液時 由于CH3COO H CH3COOH a中c H 減少 反應速率減小 但產(chǎn)生H2的體積不變 所以C項正確 4 1 能量之間可相互轉化 電解食鹽水制備Cl2是將電能轉化為化學能 而原電池可將化學能轉化為電能 設計兩種類型的原電池 探究其能量轉化效率 限選材料 ZnSO4 aq FeSO4 aq CuSO4 aq 銅片 鐵片 鋅片和導線 完成原電池甲的裝置示意圖 如圖所示 并作相應標注 要求 在同一燒杯中 電極與溶液含相同的金屬元素 答案 以銅片為電極之一 CuSO4 aq 為電解質(zhì)溶液 只在一個燒杯中組裝原電池乙 工作一段時間后 可觀察到負極 甲乙兩種原電池中可更有效地將化學能轉化為電能的是 其原因是 2 根據(jù)犧牲陽極的陰極保護法原理 為減緩電解質(zhì)溶液中鐵片的腐蝕 在 1 的材料中應選 作陽極 金屬逐漸溶解 表面有紅色固體析出 甲 甲電池 使用鹽橋 可以避免鋅和銅離子的接觸 從而避免能量損 失 提高電池效率 提供穩(wěn)定的電流 鋅片 解析 1 因為題給圖中電子流向為從左到右 故左側為原電池的負極 右側為正極 所以設計原電池時可以在左側燒杯內(nèi)盛放ZnSO4溶液 電極選用鋅片 右側燒杯內(nèi)放CuSO4溶液 電極選用銅片 由所給的電極材料可知 當銅片作電極時 銅片一定是正極 則負極是活潑的金屬 失電子發(fā)生氧化反應 反應的現(xiàn)象是負極逐漸溶解 由于Zn與CuSO4直接接觸 也會發(fā)生Fe與Cu2 的直接反應 以Zn和Cu作電極為例 如果不用鹽橋則除了發(fā)生電化學反應外 還會使Zn和CuSO4直接反應 不能轉化為電能 而鹽橋的使用 可以避免Zn和Cu2 的接觸 從而避免電量損失 提高電池效率 提供穩(wěn)定的電流 2 根據(jù)犧牲陽極的陰極保護法 可知被保護的金屬作陰極 比其活潑的金屬作陽極 即應選Zn作為陽極 1 一次電池 堿性鋅錳干電池 考點三化學電源 知識梳理 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH Zn Zn 2OH 2e Zn OH 2 MnO2 2OH Pb PbO2 3 燃料電池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 1 下列電池工作時 O2在正極放電的是 解析上述電池中只有氫燃料電池中O2參與正極反應并放電 答案B 題組訓練 2 2015 江蘇化學 一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意圖如圖 下列有關該電池的說法正確的是 3 以甲烷燃料電池為例來分析不同的環(huán)境下電極反應式的書寫 1 酸性介質(zhì) 如H2SO4 負極 正極 總反應式 2 堿性介質(zhì) 如KOH 負極 正極 總反應式 3 固體電解質(zhì) 高溫下能傳導O2 負極 正極 總反應式 4 熔融碳酸鹽 如熔融K2CO3 環(huán)境下負極 正極 總反應式 CH4 8e 4O2 CO2 2H2O 2O2 8e 4O2 CH4 2O2 CO2 2H2O CH4 2O2 CO2 2H2O 三步突破燃料電池電極反應式的書寫第一步 寫出電池總反應式燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致 若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應則總反應為加和后的反應 如甲烷燃料電池 電解質(zhì)為NaOH溶液 的反應式為 CH4 2O2 CO2 2H2O CO2 2NaOH Na2CO3 H2O 式 式得燃料電池總反應式為 CH4 2O2 2NaOH Na2CO3 3H2O 第二步 寫出電池的正極反應式根據(jù)燃料電池的特點 一般在正極上發(fā)生還原反應的物質(zhì)是O2 隨著電解質(zhì)溶液的不同 其電極反應式有所不同 大致有以下四種情況