精修版高考化学专题精讲:原电池、化学电源【含例题】.DOC
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1、精品文档高考化学第2讲原电池化学电源考纲要求1.理解原电池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理,了解原电池的应用。考点一原电池及其工作原理1.概念和反应本质原电池是把化学能转化为电能的装置,其反应本质是氧化还原反应。2.工作原理以铜锌原电池为例电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn2e=Zn2Cu22e=Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn沿导线流向Cu盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液,K移向正极,Cl移向负极3.原电池的构成条件(1)一看反应:看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)二看两
2、电极:一般是活泼性不同的两电极。(3)三看是否形成闭合回路,形成闭合回路需三个条件:电解质溶液;两电极直接或间接接触;两电极插入电解质溶液。深度思考1.在下列原电池图示中依据电子流向和离子移动方向画出形成闭合回路的原理。2.判断正误,正确的划“”,错误的划“”(1)在原电池中,发生氧化反应的一极一定是负极()(2)在原电池中,负极材料的活泼性一定比正极材料强()(3)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应()(4)带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长()答案(1)(2)(3)(4)题组一原电池正、负极的判断1.下列有关原电池的说法中正确的是()A
3、.在内电路中,电子由正极流向负极B.在原电池中,相对较活泼的金属作负极,不活泼的金属作正极C.原电池工作时,正极表面一定有气泡产生D.原电池工作时,可能会伴随着热能变化答案D解析A项,内电路中不存在电子的移动;B项,若是由铝、镁、氢氧化钠溶液构成的原电池,则负极是铝;C项,若是由锌、铜、硫酸铜溶液构成的原电池,则正极表面析出铜,没有气泡产生。2.分析下图所示的四个原电池装置,其中结论正确的是()A.中Mg作负极,中Fe作负极B.中Mg作正极,电极反应式为6H2O6e=6OH3H2C.中Fe作负极,电极反应式为Fe2e=Fe2D.中Cu作正极,电极反应式为2H2e=H2答案B解析中Mg不与NaO
4、H溶液反应,而Al能和NaOH溶液反应失去电子,故Al是负极;中Fe在浓硝酸中钝化,Cu和浓HNO3反应失去电子作负极,A、C错;中电池总反应为2Al2NaOH2H2O=2NaAlO23H2,负极反应式为2Al8OH6e=2AlO4H2O,二者相减得到正极反应式为6H2O6e=6OH3H2,B正确;中Cu是正极,电极反应式为O22H2O4e=4OH,D错。原电池正、负极判断方法说明原电池的正极和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。题组二原电池工作原理的考查3.下列装置中能构成原电池产生电流的是()答案B解析A项,电极相同不能构成原电池;C项,酒精
5、不是电解质溶液,不能构成原电池;D项,锌与电解质溶液不反应,无电流产生。4.有关电化学知识的描述正确的是()A.CaOH2O=Ca(OH)2,可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能B.某原电池反应为Cu2AgNO3=Cu(NO3)22Ag,装置中的盐桥中可以是装有含琼胶的KCl饱和溶液C.原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成D.理论上说,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池答案D解析CaOH2O=Ca(OH)2不是氧化还原反应;KCl和AgNO3反应生成AgCl沉淀易阻止原电池反应的发生;作电极的不一定是金属,如石墨棒也可作电极。规避原电池工作原理
6、的4个易失分点(1)只有放热的氧化还原反应才能通过设计成原电池将化学能转化为电能。(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动,与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。(3)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。(4)原电池的负极失去电子的总数等于正极得到电子的总数。考点二原电池原理的应用1.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。2.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。3.
7、比较金属活动性强弱两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。4.加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应,设计成原电池时反应速率增大。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。题组一判断金属的活泼性1.有A、B、C、D、E五块金属片,进行如下实验:A、B用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,A极为负极;C、D用导线相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,电流由D导线C;A、C相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,C极产生大量气泡;B、D相连后,同时浸入稀H2SO4溶液中,D极发生氧化反应;用惰性电极电解含B离子和E离子的溶液
8、,E先析出。据此,判断五种金属的活动性顺序是()A.ABCDEB.ACDBEC.CABDED.BDCAE答案B解析金属与稀H2SO4溶液组成原电池,活泼金属为负极,失去电子发生氧化反应,较不活泼的金属为正极,H在正极电极表面得到电子生成H2,电子运动方向由负极正极,电流方向则由正极负极。在题述原电池中,AB原电池,A为负极;CD原电池,C为负极;AC原电池,A为负极;BD 原电池,D为负极;E先析出,E不活泼。综上可知,金属活动性:ACDBE。2.有A、B、C、D四种金属,做如下实验:将A与B用导线连接起来,浸入电解质溶液中,B不易腐蚀;将A、D分别投入等物质的量浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;
9、将铜浸入B的盐溶液里,无明显变化,如果把铜浸入C的盐溶液里,有金属C析出。据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是()A.ABCDB.CDABC.DABCD.ABDC答案C解析A与B用导线连接后浸入电解质溶液中会构成原电池,B不易腐蚀,说明B为原电池的正极,金属活动性AB;A、D与等物质的量浓度的盐酸反应,D比A反应剧烈,金属活动性DA;根据置换反应规律,Cu不能置换出B,说明金属活动性BCu;Cu能置换出C,说明金属活动性CuC。则四种金属活动性的排列顺序是DABC。比较金属活泼性的“三种方法”(1)根据原电池:一般情况下,负极大于正极。(2)根据电解池:易得电子的金属阳离子,相应金属的活动性较
10、弱。(3)根据金属活动性顺序表。题组二设计原电池3.某原电池总反应为Cu2Fe3=Cu22Fe2,下列能实现该反应的原电池是()ABCD电极材料Cu、ZnCu、CFe、ZnCu、Ag电解液FeCl3Fe(NO3)2CuSO4Fe2(SO4)3答案D解析根据Cu2Fe3=Cu22Fe2,Cu作负极,含有Fe3的溶液作为电解质溶液,比Cu活泼性弱的作为正极。4.请运用原电池原理设计实验,验证Cu2、Fe3氧化性的强弱。请写出电极反应式,负极_,正极_,并在方框内画出实验装置图,要求用烧杯和盐桥,并标出外电路电子流向。答案Cu2e=Cu22Fe32e=2Fe2“装置图”常见失分点提示(1)不注明电极
11、材料名称或元素符号。(2)不画出电解质溶液(或画出但不标注)。(3)误把盐桥画成导线。(4)不能连成闭合回路。题组三改变化学反应速率5.电工经常说的一句口头禅:“铝接铜,瞎糊弄”,所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,说明原因:_。答案铜、铝接触在潮湿的环境中形成原电池,加快了铝的腐蚀,易造成电路断路6.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
12、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_。答案(1)A(2)B(3)C解析加入CuSO4溶液,Zn置换出Cu,形成原电池,加快反应速率,(1)a中Zn减少,H2体积减小;(2)中由于H2SO4定量,产生H2的体积一样多;(3)当把CuSO4溶液改成CH3COONa溶液时,由于CH3COOH=CH3COOH,a中c(H)减少,反应速率减小,但生成H2的体积不变,所以C项正确。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
13、,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,但不影响生成H2的量。考点三化学电源1.碱性锌锰干电池一次电池正极反应:2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH;负极反应:Zn2OH2e=Zn(OH)2;总反应:Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。2.锌银电池一次电池负极反应:Zn2OH2e=Zn(OH)2;正极反应:Ag2OH2O2e=2Ag2OH;总反应:ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。3.二次电池(可充电电池)铅蓄电池是最常见的二次电池,负极材料是Pb,正极材料是PbO2。(1)放
14、电时的反应负极反应:PbSO2e=PbSO4;正极反应:PbO24HSO2e=PbSO42H2O;总反应:PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。(2)充电时的反应阴极反应:PbSO42e=PbSO;阳极反应:PbSO42H2O2e=PbO24HSO;总反应:2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4。4.燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池,可分酸性和碱性两种。种类酸性碱性负极反应式2H24e=4H2H24OH4e=4H2O正极反应式O24e4H=2H2OO22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O深度思考1.可充电电池充电时电极与外接电源的正、负极如何连接?答
15、案2.(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将_,溶液的pH_。(填“减小”、“增大”或“不变”)(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将_,溶液的pH_。(填“减小”、“增大”或“不变”)答案(1)减小减小(2)减小增大题组一化学电源中电极反应式的书写1.LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题:(1)电池的负极材料为_,发生的电极反应为_。(2)电池正极发生的电极反应为_。答
16、案(1)锂Lie=Li(2)2SOCl24e=4ClSSO2解析分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。(1)负极材料为Li(还原剂),Lie=Li。(2)正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:2SOCl24e=4ClSSO2。2.铝空气海水电池:以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反 应产生电流。 电池总反应为4Al3O26H2O=4Al(OH)3负极:_;正极:_。答案4Al12e=4Al33O26H2O12e=12OH化学电源中电极反应式书写的一般步骤“加减法”书写电极反应式(1)先确定原电池的正、负极,列出
17、正、负极上的反应物质,并标出相同数目电子的得失。(2)注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式;若正极上的反应物质是O2,且电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,且O2生成OH,若电解质溶液为酸性,则H必须写入正极反应式中,O2生成水。(3)正、负极反应式相加得到电池反应的总反应式。若已知电池反应的总反应式,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。题组二“久考不衰”的可逆电池3.一种碳纳米管能够吸附氢气,可作二次电池(如下
18、图所示)的碳电极。该电池的电解质溶液为6 molL1的KOH溶液,下列说法正确的是()A.充电时阴极发生氧化反应B.充电时将碳电极与电源的正极相连C.放电时碳电极反应为H22e=2HD.放电时镍电极反应为NiO(OH)H2Oe=Ni(OH)2OH答案D解析充电时,阴极得电子,发生还原反应,A错误;充电时,碳电极为阴极,与电源的负极相连,B错误;放电时碳电极的反应为H22OH2e=2H2O,C错误。题组三“一池多变”的燃料电池4.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:CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式:O24H4e=2H2O2,得
19、燃料电池负极反应式:_。(2)碱性条件燃料电池总反应式:CH42O22NaOH=Na2CO33H2O燃料电池正极反应式:O22H2O4e=4OH2,得燃料电池负极反应式:_。(3)固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应式:CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应式:O24e=2O22,得燃料电池负极反应式:_。(4)熔融碳酸盐(如:熔融K2CO3)环境下电池总反应式:CH42O2=CO22H2O正极电极反应式:O22CO24e=2CO2,得燃料电池负极反应式:_。答案(1)CH48e2H2O=CO28H(2)CH410OH8e=CO7H2O(3)CH44O28e=CO22H2O(4)
20、CH44CO8e=5CO22H2O燃料电池电极反应式的书写根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下四种情况:(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:O24H4e=2H2O(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:O22H2O4e=4OH(3)固体电解质(高温下能传导O2)环境下电极反应式:O24e=2O2(4)熔融碳酸盐(如:熔融K2CO3)环境下电极反应式:O22CO24e=2CO。再根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系:电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式
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