原电池化学电源.docx
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原电池化学电源
第4讲电化学基础
4.1原电池化学电源
【基础知识通关】
【知识点1】原电池
(1)装置特点:
化学能转化为电能。
(2)形成一般条件:
①、活泼性不同的两电极
②、两电极必须浸没在电解质溶液或熔融的电解质中;(电解质溶液一般与活泼性强的电极发生氧化还原反应);
③、形成闭合回路。
④能自发进行的氧化还原反应
(3)电池反应:
原电池两个电极反应组成电池总反应。
问题:
如何判断一个装置能否构成原电池?
对应练习:
1、下
列各装置中,不能构成原电池的是(电解质都为稀硫酸)()
A、B、C、D、
【解析】选项D中未形成闭合回路,不能构成原电池。
【答案】D
【知识点2】原电池工作原理
两极:
①可以是两种活泼性不同的金属电极
②可以是金属与非金属(如石墨),如化学电源中
③也可以都是惰性电极(如燃料电池)
④还可以是金属和金属氧化物(如铅蓄电池),
负极:
失去电子,向外电路提供电子,发生氧化反应。
正极:
得到电子,从外电路获得电子,发生还原反应。
电极反应与电子流向:
以铜锌原电池为例:
失e-,沿导线传递,有电流产生
氧化反应负极铜锌原电池正极还原反应
Zn-2e-=Zn2+2H++2e-=2H2↑
电解质溶液
闭合回路的构成:
外电路:
电子从负极到正极,电流从正极到负极;
内电路:
溶液中的阴离子移向ZnSO4溶液,阳离子移向CuSO4溶液
总反应:
Zn+H2SO4 == ZnSO4+H2↑
问题:
如何正确判断一个原电池的工作原理?
对应练习:
2.关于如图所示的原电池,下列说法正确的是( )
A.电子从锌电极通过检流计流向铜电极
B.盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移
C.锌电极发生还原反应,铜电极发生氧化反应
D.铜电极上发生的电极反应是2H++2e-===H2↑
【解析】图示是原电池模型,左为负极,右为正极,负极Zn失电子,发生氧化反应,正极Cu2+得电子,电子从外电路流向正极,故A正确,C、D错误;盐桥中的阴离子移向负极,阳离子移向正极,B错。
【答案】A
【知识点3】原电池正负极的判断
(1)根据电极的材料判断:
一般来说较活泼的金属作负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属作正极。
但有的有特殊性,例如,当Mg和Al两个电极与稀硫酸形成原电池时,Mg为负极,Al为正极;而当Mg和Al两个电极与氢氧化钠溶液形成原电池时,由于Al与氢氧化钠溶液反应失去电子,Mg不与氢氧化钠溶液反应,故Al为负极,Mg为正极。
(2)根据外电路电流的方向或电子的流向或根据内电路离子的移动方向判断:
在原电池的外电路,电流由正极流向负极,电子由负极流向正极。
在原电池电解质溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极。
(3)根据原电池两极发生的化学反应或电极附近环境变化判断:
原电池中,负极总是发生氧化反应,正极总是发生还原反应。
因此可以根据总化学方程式中化合价的升降来判断,在电池总反应中,元素化合价升高的物质所在电极为负极,化合价降低的物质所在电极为正极。
析氢或吸氧的电极反应发生后,均能使该电极附近电解质溶液的pH增大,因而原电池工作后,该电极附近的pH增大了,说明该电极为正极,金属活动性较弱
(4)根据电极反应表现的现象判断:
a、根据电极质量的变化判断:
原电池工作后,若某一极质量增加,说明溶液中的阳离子在该电极得电子,该电极为正极,活泼性较弱;如果某一电极质量减轻,说明该电极溶解,电极为负极,活泼性较强。
b、根据电极上产生的气体判断:
原电池工作后,如果一电极上产生气体,通常是因为该电极发生了析出氢的反应,说明该电极为正极,活动性较弱。
问题:
如何正确判断一个原电池的两电极?
对应练习:
3、关于如图所示装置的叙述,正确的是()
A、铜是阳极,铜片上有气泡产生
B、铜片质量逐渐减少
C、电流从锌片经导线流向铜片
D、氢离子在铜片表面被还原
[解析]:
考查原电池原理,原电池中,活泼金属作负极,被氧化形成离子进入溶液,不活泼金属或惰性材料作正极,电极表面的氧化性最强的微粒得电子。
故铜为正极,析出氢气,铜片质量不变。
电流方向和电子流向正好相反,由铜片经导线流向锌片。
对照各选项,得知答案。
【答案】D
【知识点4】电极反应式的书写
(1)准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键
如果原电池的正负极判断失误,电极反应式的书写一定错误。
上述判断正负极的方法是一般方法,但不是绝对的,例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中,由于铝片表明的钝化,这时铜失去电子,是负极,其电极反应为:
负极:
Cu-2e-=Cu2+正极:
NO3-+4H++2e-=2H2O+2NO2↑。
再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中,虽然镁比铝活泼,但由于镁不与氢氧化钠反应,而铝却反应,失去电子,是负极,其电极反应为:
负极:
2Al+8OH-6e-=2AlO2-+2H2O正极:
6H2O+6e-=6OH-+3H2↑
(2)要注意电解质溶液的酸碱性。
在正负极上发生的电极反应不是孤立的,它往往与电解质溶液紧密联系,如氢氧燃料电池有酸式和碱式,在酸溶液中,电极反应式中不能出现OH-,在碱溶液中,电极反应式中不能出现H+,像CH4、CH3OH等燃料电池,在碱溶液中碳(C)元素以CO32-离子形式存在,而不是放出CO2气体。
(3)要考虑电子的转移数目
在同一个原电池中,负极失去电子数必然等于正极得到的电子数,所以在书写电极反应时,一定要考虑电荷守恒。
防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误,同时也可避免在有关计算中产生误差。
(4)利用总的反应方程式
从理论上讲,任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池,而两个电极反应相加即得总反应方程式。
所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应,便可以写出另一个电极反应方程式。
问题:
如何正确书写电极反应式?
对应练习:
4.二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料,清洁、高效,有优良的环保性能,以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料,石墨为电极可构成燃料电池。
下列有关说法正确的是( )
A.电池中二甲醚反应后最终转化为CO2和H2O
B.正极:
3O2+12e-+12H+===6H2O
C.负极:
CH3OCH3+16OH--12e-===2CO
+11H2O
D.负极:
CH3OCH3-12e-+3H2O===12H++2CO2
【解析】CO2能与KOH溶液反应,A、D错;介质呈碱性,反应物中不应存在H+,B错。
【答案】C
【知识点5】常见化学电源
电极反应:
负极(锌筒)Zn-2e-=Zn2+
正极(石墨)2NH4++2e-=2NH3+H2↑
①、普通锌—锰干电池电解质溶液:
糊状的NH4Cl
干电池:
特点:
电量小,放电过程易气涨
②、碱性锌锰电极:
负极由锌改锌粉(反应面积增大,放电电流增加);
电解液:
由中性变为碱性(离子导电性好)。
正极(PbO2)PbO2+SO42-+4H++2e-=PbSO4+2H2O
负极(Pb)Pb+SO42--2e-=PbSO4
铅蓄电池:
总反应:
PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O
电解液:
30%的H2SO4溶液
蓄电池特点:
电压稳定。
Ⅰ、锂电池
其它蓄电池Ⅱ、银锌蓄电池
①、燃料电池与普通电池的区别:
(不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内,而是工作时不断从外界输入,同时电极反应产物不断排出电池。
)
燃料电池②、原料:
除氢气和氧气外,也可以是CH4、煤气、燃料、空气、氯气等氧化剂。
氢氧燃料电池:
a、碱性或中性电解质
负极:
2H2+2OH--4e-=4H2O
正极:
O2+2H2O+4e-=4OH-
b、酸性电解质负极:
2H2-4e-==4H+
③、正极:
O2+4H++4e-===2H2O
总反应:
O2+2H2=2H2O
特点:
转化率高,持续使用,无污染。
废旧电池的危害:
旧电池中含有重金属(Hg2+)酸碱等物质回收金属,防止污染。
问题:
常见化学电源的的反应原理是怎么样的?
对应练习:
5.(2010·深圳沙头角中学月考)电池是人类生产和生活中的重要能量来源,各式各样电池的发展是化学对人类的一项重大贡献。
下列有关电池的叙述正确的是( )
A.锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
【解析】锌锰干电池中碳棒并不参加反应,A错;氢氧燃料电池是将化学能直接转变为电能,B错;太阳能电池的主要材料是高纯度的单质硅,故D错。
【答案】C
【知识点6】原电池的应用
(1)判断金属活泼性:
一般来说,负极比正极活泼。
(2)比较反应速率的大小:
物质间若形成原电池,反应速率大大提高。
如实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气,用纯锌生成氢气的速率较慢,而用粗锌可大大加快化学反应速率,这是因为在粗锌中含有杂质,杂质和锌形成了无数个微小的原电池,加快了反应速率。
(3)原电池的设计:
分析给出的氧化还原反应化合价的变化,从而得出负极材料,正极在选择上要比负极不活泼,选择含有得电子的离子的溶液为电解质溶液。
问题:
如何判断金属活泼性?
对应练习6:
有A、B、C、D四种金属,将A与B用导线联结起来,浸入电解质溶液中,B不易被腐蚀;将A、D分别投入到等浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;将铜浸入B的盐溶液中无明显变化;将铜浸入C的盐溶液中,有金属C析出。
据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为( )
A.D>C>A>B B.D>A>B>C
C.D>B>A>C D.B>A>D>C
【解析】根据原电池原理,较活泼金属作负极,较不活泼金属作正极,B不易被腐蚀,说明B为正极,金属活动性A>B。
另可比较出金属活动性D>A,B>C。
故答案B
【答案】B
【命题要点突破】
命题点1:
原电池中能量的转化
【例题】下列装置中,都伴随有能量变化,其中是由化学能转变为电能的是( )。
【解析】A项是将电能转化成化学能;B项是将水的势能转化成电能;C项是将太阳能转化成热能。
【答案】 D
【方法描述】原电池是将化学能转化为电能的装置。
命题点2:
原电池的形成条件
【例题】下列装置中,属于原电池的是( )
【解析】利用组成原电池的条件分析;A项两电极相同;B项酒精为非电解质;C项缺少盐桥;E项有外加电源,只有D项符合。
【答案】D
【方法描述】熟悉原电池的形成条件:
①、活泼性不同的两电极②、电解质溶液③、闭合回路能④、自发进行的氧化还原反应;据条件逐一对照分析即可作出判断。
变式训练1:
下列反应,不可以设计成原电池的是( )
A.2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
B.NaOH+HCl===NaCl+H2O
C.2Fe+3Br2===2FeBr3
D.2KMnO4+5SO2+2H2O===K2SO4+2MnSO4+2H2SO4
【解析】只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池,B选项为中和反应,所以不能设计成原电池。
【答案】B
变式训练2:
某研究性学习小组欲探究原电池的形成条件,按如图所示装置进行实验并得到下表实验结果:
实验序号
A
B
烧杯中的液体
灵敏电流计指针是否偏转
1
Zn
Zn
乙醇
无
2
Zn
Cu
稀硫酸
有
3
Zn
Zn
稀硫酸
无
4
Zn
Cu
苯
无
5
Cu
C
氯化钠溶液
有
6
Mg
Al
氢氧化钠溶液
有
分析上述实验,回答下列问题:
(1)实验2中电流由________极流向________极(填“A”或“B”)。
(2)实验6中电子由B极流向A极,表明负极是________(填“镁”或“铝”)电极。
(3)实验5表明________。
A.铜在潮湿空气中不会被腐蚀
B.铜的腐蚀是自发进行的
(4)分析上表有关信息,下列说法不正确的是________。
A.相对活泼的金属一定作负极
B.失去电子的电极是负极
C.烧杯中的液体必须是电解质溶液
D.原电池中,浸入同一电解质溶液中的两个电极,是活泼性不同的两种金属(或其中一种非金属)
【解析】
(1)电流是由正极流向负极,实验2中,Cu为正极,Zn为负极;
(2)电子由负极流向正极,实验6中电子由B极流向A极,表明负极是B(Al);(3)实验5是铜的吸氧腐蚀,说明铜的腐蚀是自发进行的;(4)判断原电池负极时,不能简单地比较金属的活动性,要看反应的具体情况,如Al在强碱性溶液中比Mg更易失电子,Al作负极,Mg作正极;在原电池中负极失去电子,发生氧化反应;必须有电解质溶液,形成闭合回路;活泼性不同的两种金属,或一种金属和一种能导电的非金属都可以作电极。
【答案】
(1)B A
(2)铝 (3)B (4)A
命题点3:
原电池正负极的判断
1、根据电极材料判断
【例题】《解题王》12版300【经典例题7】
【解析】(原题的【技法攻略】)
【方法描述】(原题的【解题秘籍】)
变式训练1:
将铝片和镁片用导线连接后,分别插入盛有NaOH溶液的P烧杯与盛有稀盐酸的Q烧杯中,下列叙述正确的是( )
A.P、Q中,均是镁作负极
B.两个电池工作时,P中铝片发生氧化反应,Q中镁片发生氧化反应
C.正极上的电极反应均是2H++2e-===H2↑
D.两个电池工作时,负极失去的电子均通过溶液转移到正极上
【解析】解题的关键仍然是要明确原电池工作时所对应的自发氧化还原反应,在碱性条件下,金属镁不能发生反应,而单质Al则能与NaOH反应生成NaAlO2和H2,则Al为还原剂,故P中是铝片作负极;镁、铝均能与盐酸反应,镁比铝活泼,故Q中镁片作负极,而负极均是失去电子发生氧化反应,A错B对;P中溶液呈碱性,不可能有大量氢离子得到电子,C错;电子是通过导线转移到正极的,D错。
【答案】B
2、根据外电路电流的方向或电子的流向或根据内电路离子的移动方向判断
【例题】(2013·启东中学模拟)如图,在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的电极X、Y,外电路中电子流向如图所示,关于该装置的下列说法正确的是( )。
A.外电路的电流方向为:
X→外电路→Y
B.若两电极分别为铁和碳棒,则X为碳棒,Y为铁
C.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
D.若两电极都是金属,则它们的活动性顺序为X>Y
【解析】外电路电子流向为X→外电路→Y,电流方向与其相反,X极失电子,作负极,X极发生的是氧化反应,Y极发生的是还原反应。
若两电极分别为铁和碳棒,则Y为碳棒,X为铁。
【答案】D
【方法描述】原电池的负极失电子,电子经外电路流向了原电池的正极,电流的方向与电子的方向相反。
变式训练1:
2.(2012·北京理综,12)人工光合作用能够借助太阳能,用CO2和H2O制备化学原料。
如图是通过人工光合作用制备HCOOH的原理示意图,下列说法不正确的是( )。
A.该过程是将太阳能转化为化学能的过程
B.催化剂a表面发生氧化反应,有O2产生
C.催化剂a附近酸性减弱,催化剂b附近酸性增强
D.催化剂b表面的反应是CO2+2H++2e-===HCOOH
【解析】 电池总反应式为:
2CO2+2H2O
2HCOOH+O2。
负极:
2H2O-4e-===O2↑+4H+,正极:
CO2+2H++2e-===HCOOH。
A项,能量转换过程是太阳能先转化为电能,再转化为化学能;C项,催化剂a附近生成H+,酸性增强,催化剂b附近消耗H+,酸性减弱,故C项错误。
【答案】C
变式训练2:
零排放燃料电池曾被美国《时代》杂志列为21世纪改变人类生活的十大新科技之首。
其中最具代表意义的质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示,其中电极a、b均为多孔活性铂电极。
下列说法中不正确的是()
A.a极为该电池的负极
B.该电池的正极反应式为O2+4H++4e-=2H2O
C.该电池的能量转化主要形式是化学能转化为电能
D.H+(质子)由正极移动至负极
3、根据原电池两极发生的化学反应或电极附近酸碱性判断
【例题】扣式银锌电池的电极反应如下:
锌极:
Zn + 2OH--2e=Zn(OH)2
氧化银极:
Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH-下列说法正确的是 ( )
A.锌是正极,被氧化 B.Ag2O是正极,发生还原反应
C.电子从锌极流向Ag2O极 D.锌是负极,被还原
【解析】在原电池中失去电子的一极为负极,故锌是负极,被氧化 ;得到电子的一极Ag2O为正极,被还原,故BC正确。
【答案】BC
【方法描述】在原电池中,正、负电极的变化通常有如下规律:
易被腐蚀的一极、失去电子的一极、易被氧化的一极、所含元素化合价升高的一极、质量减轻的一极、电子流出的一极等通常都是负极;反之,不易被腐蚀的一极、得到电子的一极、有金属析出的一极、质量增大的一极、电子流入的一极等通常都是正极。
原电池中负极失电子,正极得电子,
变式训练1:
普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2,溶液呈碱性。
根据这一特点科学家发明了电动势(E)法测水泥初凝时间,此法的原理如图所示,反应的总方程式为:
2Cu+Ag2O=Cu2O+2Ag。
下列有关说法不正确的是()
A.工业上制备普通水泥的主要原料是黏土和石灰石
B.测量原理装置图中,Ag2O/Ag极发生氧化反应
C.负极的电极反应式为:
2Cu+2OH--2e-=Cu2O+H2O
D.在水泥固化过程中,由于自由水分子的减少,溶液中各离子浓度的变化导致电动势变化
变式训练2:
最近,科学家研制出一种纸质电池,这种“软电池”采用薄层纸片作为载体和传导体,在一边附着锌,在另一边附着二氧化锰。
电池总反应为:
Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnO(OH)。
下列说法正确的是 ( )
A.该电池Zn为负极,ZnO为正极,MnO2为催化剂
B.该电池的正极反应为:
MnO2+e-+H2O=MnO(OH)+OH-
C.导电时外电路电子由Zn流向MnO2,内电路电子由MnO2流向Zn
D.电池工作时水分子和OH-都能通过薄层纸片
【解析】分析电池总反应中元素化合价的变化知Zn失电子为负极,MnO2得电子为正极,A错;MnO2转化为MnO(OH),正极反应为:
MnO2+e-+H2O=MnO(OH)+OH-,B正确;电子只能在外电路中移动,C错;水分子在正极上参与反应,内电路依靠离子定向移动形成电流,故D正确。
【答案】BD
4、根据电极反应表现的现象判断
【例题】某原电池,将两金属X、Y用导线连接,同时插入相应的电解质溶液中,发现Y电极质量增加,则可能是下列情况中的()。
A.X是负极,电解质溶液为CuSO4溶液
B.X是负极,电解质溶液为稀H2SO4溶液
C.X是正极,电解质溶液为CuSO4溶液
D.X是正极,电解质溶液为稀H2SO4溶液
【解析】由Y电极质量增加Y为原电池的正极,电解溶液中必须含有能得电子的金属阳离子,故A正确。
【答案】A
【方法描述】要熟悉原电池的工作原理,负极失电子,正极得电子;Y电极质量增加,这是本题突破口,说明Y为正极,电解质溶液中的金属阳离子得电子析出使其质量增加。
变式训练1:
如图所
示
,两电极一为碳棒,一为铁片,
若电流表的指针发生偏转,且a极上有大量气泡生成
,则以下叙述正确的是
()
A、a为负极,是
铁片,烧杯中的溶液为硫酸
B、b为负极,是铁片,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
C、a为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸
D、b为正极,是碳棒,烧杯中的溶液为硫酸铜溶液
【解析】由a极上有大量气泡生成知a极为正极,电解质溶液不可为硫酸铜溶液,即应为硫酸;相对活泼的作负极即b为铁片作负极。
【答案】C
命题点4:
原电池电极反应式、电池总反应式的书写
【例题】熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混和物作电解质,CO为负极燃气,空气与CO2的混和气为正极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池,完成有关的电池反应式:
负极反应式:
2CO+2CO32--4e-=4CO2
正极反应式:
___
电池总反应:
______
[解析]:
原电池负极上参加反应的物质通常是还原剂,因为它要失去电子,而原电池的正极往往是氧化剂,本题中CO2气体参与正极上的变化在题目中已明确表示。
原电池的负极,在该极上CO失去电子,在原电池的正极上、助燃性气体O2在该极上得到电子,再与CO2反应生成带负电荷的阴离子CO32-,故反应式为O2+2CO2+4e=2CO32-。
把正负两极上的电极反应式想加得:
2CO+O2=2CO2。
另外一种思路易理解:
本题为燃料电池,熔融盐混和物作电解质,CO为负极燃气,故总反应与CO的燃烧完全一样,即电池总反应:
2CO+O2=2CO2
原题以给出负极反应式,相减即可得正极反应式。
【答案】O2+2CO2+4e=2CO32-2CO+O2=2CO2
【方法描述】本题为燃料电池,必须弄清原电池的正负极,同时注意审题,电解质是熔融态的盐Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混和物,故不可能有OH-或H+存在;本题关键是弄明白电池总反应,负极反应已给出,正极反应式即可得到。
变式训练1:
据报道,锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池,因为锌电池容量更大,而且没有铅污染,其电池反应为2Zn+O2===2ZnO,原料为锌粒、电解液和空气,则下列叙述正确的是( )
A.锌为正极,空气进入负极反应
B.负极反应为Zn+2OH-―→ZnO+H2O+2e-
C.正极发生氧化反应
D.电解液可以是强酸也可以是强碱
[解析] 2Zn+O2===2ZnO,Zn失电子,O2得电子,即Zn为原电池负极,O2在正极上反应,故B正确;若电解液为强酸,ZnO则不能存在,故D不正确。
【答案】B
变式训练2:
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-
【答案】:
C
命题点5:
二次电源充、放电过程
【例题】生产铅蓄电池时,在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4,干燥后再安装,充电后即可使用,发生的
反应是
PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O,下列对铅蓄电池的说法错误的是( )
A.需要定期补充硫酸
B.工作时铅是负极,PbO2是正极
C.工作时负极上发生的反应是Pb+SO
―→PbSO4+2e-
D.工作时电解质的密度减小
【解析】铅蓄电池放电时相当于原电池,Pb是负极,PbO2是正极,负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+,Pb2+与溶液中的SO
生成PbSO4沉淀,放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等,在电池制备时,PbSO4的量是一定的,制成膏状,干燥后再安装,说明H2SO4不用补充;放电时,H2SO4被消耗,溶液中的H2