内容正文:
第2节 化学能转化为电能
——电池
第1课时 原电池的工作原理
优化探究
第1章 化学反应与能量变化
[课程标准要求] 1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。2.了解原电池的工作原理。
任务一 原电池的工作原理
任务二 原电池电极反应的书写
课时作业 巩固提升
任务三 原电池原理的应用
任务一 原电池的工作原理
1.实验探究原电池的工作原理(以锌铜原电池为例)
装置示意图
现象 锌片 ,铜片上 ,电流表的指针发生 (说明: ),取出盐桥,电流计的指针又回到原点(说明: )
逐渐溶解
有红色物质生成
偏转
电路中有电流通过
电路中没有电流通过
电极材料及电极 Zn片 Cu片
电极名称
电极反应
得失电子 电子 电子
反应类型 反应 反应
电子的移动方向 由 通过 流向
负极
正极
Zn-2e-===Zn2+
Cu2++2e-===Cu
失
得
氧化
还原
负极
导线
正极
电流的移动方向 由 通过 流向
盐桥中离子的移动方向 Cl-移向 溶液,K+移向 溶液
总反应
正极
导线
负极
ZnSO4
CuSO4
Zn+Cu2+===Zn2++Cu
特别提醒 盐桥及其作用
(1)成分:含有KCl(或KNO3或NH4NO3)的饱和溶液的琼脂。
(2)离子移动方向:Cl-移向 极区,K+移向 极区。
(3)作用:使两个半电池形成通路,使氧化还原反应持续进行,并保持两溶液的电中性。
负
正
2.原电池的工作原理
(1)定义:将 转化为 的装置。
(2)请关联氧化还原反应和电池反应,完成原电池工作原理的示意图。
化学能
电能
正极
还原
正
还原
阳
阴
负
氧化
氧化
(3)三个“流向”
①电子流向:负极→正极;
②电流方向:正极→负极;
③离子流向:阳离子→正极;阴离子→负极。
外电路中电子的定向移动产生电流,而电解质溶液内部只有离子的定向移动,没有电子的移动。
(4)装置构成的条件: 、 、 、
、 。
电极反应物
电极材料
离子导体
电子导体
自发进行的氧化还原反应
(5)原电池电极反应和电池反应
①在电池中,氧化反应和还原反应是在两个电极上分别进行的。每个电极或是发生失去电子的变化—— ,或是发生获得电子的变化—— ,分别相当于氧化还原反应的一半,这种反应常称为 。在电极上进行的半反应叫作 反应。
②电池的两个电极反应组成电池的 ,叫作电池反应。
氧化
还原
半反应
电极
总反应
1.原电池中电流的方向是负极→导线→正极。( )
2.原电池中负极发生的反应是还原反应。( )
3.铜锌原电池中电子由锌电极经过电解质溶液流向铜电极。( )
4.在原电池中阴离子移向负极。( )
5.原电池工作时,溶液中的阳离子向负极移动,盐桥中的阳离子向正极移动。( )
6.一般来说,带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池效率高。( )
×
×
×
√
×
√
铜锌原电池盐桥中离子的移动方向: 移向ZnSO4溶液, 移向CuSO4溶液。盐桥在原电池装置中的作用是________________________
Cl-
K+
①形成闭合回路;②平衡电荷,使溶液呈电中性;③避免电极与电解质溶液直接反应,减少电流的衰减,提高原电池的工作效率。
1.原电池的工作原理简图
电子移动方向 从负极流出,沿导线流入正极,电子不能通过电解质溶液
离子移动方向 阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,离子只能在电解质溶液中移动,不能在导线上移动
若有盐桥 盐桥中的阴离子移向负极区,阳离子移向正极区
若有交换膜 离子可选择性通过交换膜,如阳离子可通过阳离子交换膜移向正极
2.快速准确地判断原电池的正负极的方法
(1)一般方法
(2)特殊情况
电极的正负除与金属的活动性有关,还与电解质溶液有关。活泼金属一般作负极,但不是活泼金属一定作负极,如Mg⁃Al⁃H2SO4溶液构成的原电池中,Mg为负极,而在Mg⁃Al⁃NaOH溶液构成的原电池中,Al为负极,因为Al可与NaOH溶液反应,而Mg不与NaOH溶液反应。
1. (双选)下列关于原电池的叙述正确的是( )
A.原电池是将化学能转化为电能的装置
B.用导线连接的两种不同金属同时插入液体中,能形成原电池
C.在原电池中,电子流出的一极是负极,发生还原反应
D.在原电池中,电子流入的一极是正极,发生还原反应
AD
原电池是将化学能转化为电能的装置,故A正确;活动性不同的两种金属
(或金属与导电的非金属)、电解质溶液通过形成闭合回路,才能形成原电池,但前提是必须有自发进行的氧化还原反应,故B错误;在原电池中,电子流出的一极是负极,发生氧化反应,故C错误;在原电池中,电子流入的一极是正极,发生还原反应,故D正确。
2.下列装置中能构成原电池的是( )
B
铜棒与锌棒均不与酒精反应,且纯酒精不导电,不能构成原电池,A项不符合题意;石墨与锌棒在稀硫酸溶液中搭接的部分可以形成原电池,B项符合题意;放置锌棒与铜棒的两个烧杯之间缺少盐桥,不能形成闭合回路,不能构成原电池,C项不符合题意;石墨与稀硫酸不反应,电极相同,不能构成原电池,D项不符合题意。
3.关于如图所示的原电池,下列说法正确的是( )
A.电子从锌电极通过电流表流向铜电极
B.盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液迁移
C.铜电极发生还原反应,其电极反应为2H++2e-===H2↑
D.取出盐桥后,电流表指针仍会偏转,铜电极在反应前后质量不变
A
锌片作负极,铜片作正极,电子从负极经外电路流向正极,A正确;盐桥中的阴离子向硫酸锌溶液移动,B错误;负极发生氧化反应,正极发生还原反应,铜电极发生的反应为Cu2++2e-===Cu,C错误;取出盐桥后不能形成原电池,电流表指针不偏转,铜电极在反应后质量增加,D错误。
任务二 原电池电极反应的书写
1.书写原电池的电极反应的一般模式为
负极反应: 。
正极反应: 。
总反应: (满足得失电子数相等的前提下)。
还原剂-ne-===氧化产物
氧化剂+ne-===还原产物
负极反应+正极反应
2.书写电极反应的一般思路
1.电极反应不是完整的氧化还原反应,书写时不需要配平。( )
2.电极反应的产物只与得失电子的数目有关,与溶液环境无关。( )
×
×
1.电极反应是否遵循质量守恒和电荷守恒?
提示:电极反应遵循质量守恒和电荷守恒。
2.正极反应(还原反应)和负极反应(氧化反应)是否同时发生?
提示:正极反应(还原反应)和负极反应(氧化反应)同时发生。
1.锂电池是一代新型高能电池,它以质量轻、能量高而被重视,目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应方程式为Li+MnO2===LiMnO2,下列说法正确的是( )
A.Li是正极,电极反应为Li-e-===Li+
B.Li是负极,电极反应为Li-e-===Li+
C.MnO2是负极,电极反应为MnO2+e-===Mn
D.Li是负极,电极反应为Li-2e-===Li2+
B
根据锂电池的总反应Li+MnO2===LiMnO2可知,失电子的金属Li为负极,电极反应为Li-e-===Li+,A、D错误,B正确;MnO2是正极,电极反应为MnO2+e-===Mn,C错误。
2.写出下列原电池的电极反应。
(1)单液原电池(不带盐桥的)
①锌(A)⁃铜(B)⁃H2SO4溶液(C)
负极: ;
正极: ;
总反应: 。
Zn-2e-===Zn2+
2H++2e-===H2↑
Zn+2H+===Zn2++H2↑
②铁(A)⁃铜(B)⁃稀硝酸(C)
负极: ;
正极: ;
总反应: 。
Fe-3e-===Fe3+
N+4H++3e-===NO↑+2H2O
Fe+N+4H+===Fe3++NO↑+2H2O
(2)双液原电池(带盐桥的)
控制适合的条件,将反应2Fe3++2I-⥫⥬2Fe2++I2设计成如图所示的原电池,请回答下列问题:
①反应开始时,乙中石墨电极上发生 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应为 。甲中石墨电极上发生 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应为 。
②电流表读数为0时,反应达到平衡状态,此时在甲中加入FeCl2固体,则乙中的石墨作 (填“正”或“负”)极,该电极的电极反应为 。
氧化
2I--2e-===I2
还原
2Fe3++2e-===2Fe2+
正
I2+2e-===2I-
任务三 原电池原理的应用
1.加快氧化还原反应的速率
原理 原电池中,氧化反应和还原反应分别在两极进行,使溶液中离子运动时相互的干扰减小,使反应速率增大
实例 实验室制H2时,粗锌与稀硫酸反应速率比纯锌快,或向溶液中滴入几滴CuSO4溶液,也能 反应速率
加快
2.比较金属的活动性强弱
原理 一般原电池中,活泼金属作负极,发生氧化反应;不活泼金属作正极,发生还原反应
实例 两种金属a和b,用导线连接后插入稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生。根据电极现象判断出a作 极,b作 极,由原电池原理可知,金属活动性:a b
正
>
负
3.设计原电池
(1)理论上,任何一个自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。
(2)设计示例
设计思路 示例
以自发进行的氧化还原反应为基础 2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2
把氧化还原反应分为氧化反应和还原反应两个半反应,从而确定电极反应 氧化反应(负极):
还原反应(正极):
Cu-2e-===Cu2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
设计思路 示例
以两极反应为原理,确定电极材料及电解质溶液 负极材料:
正极材料:
电解质溶液:
示意图
Cu
石墨(或铂)
FeCl3溶液
1.利用原电池原理可以比较金属的活动性强弱,作负极的金属一定比作正极的金属活泼。( )
2.从理论上讲,任何能自发进行的氧化还原反应都可设计成原电池。
( )
3.增大电解质溶液的浓度,能加快原电池的反应速率。( )
×
√
×
1.请设计原电池,证明还原性:Cd(镉)>Co(钴)>Ag(银),氧化性:
Ag+>Co2+>Cd2+。在下面的方框内画出原电池的装置图(带盐桥),标出原电池的电极材料和电解质溶液。
提示:
2.运用原电池原理设计实验,验证I2、Fe3+氧化性的强弱,请在下面的方框内画出实验装置图(带盐桥)并写出电极反应。
提示:
电极反应:
负极:2I--2e-===I2
正极:2Fe3++2e-===2Fe2+
1.要增大锌与盐酸反应的速率,所采取的措施无效的是( )
A.适当提高反应温度 B.增大压强
C.用粗锌代替纯锌 D.增大盐酸浓度
B
提高反应的温度,反应的速率加快,故A不符合题意;该反应为溶液中的反应,受压强影响不大,则增大压强,不能增大Zn与盐酸的反应速率,故B符合题意;用粗锌代替纯锌,可以构成原电池,反应速率加快,故C不符合题意;增大盐酸的浓度,氢离子浓度变大,反应速率加快,故D不符合题意。
2.有a、b、c、d四个金属电极,有关的实验装置及部分实验现象如下:
实验
装置
部分实验
现象 a极质量减小;
b极质量增加 b极有气体产生;
c极无变化 d极溶解;
c极有气体产生 电流从a极流向d极
由此可判断这四种金属的活动性顺序是( )
A.a>b>c>d B.b>c>d>a
C.d>a>b>c D.a>b>d>c
C
把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④,则由实验①可知,a作
原电池负极,b作原电池正极,金属活动性:a>b;由实验②可知,b极有气体
产生,c极无变化,则金属活动性:b>c;由实验③可知,d极溶解,c极有气体产生,c作正极,则金属活动性:d>c;由实验④可知,电流从a极流向d极,则d极为原电池负极,a极为原电池正极,则金属活动性:d>a。综上所述,四种金属的活动性顺序:d>a>b>c。
3.已知电极材料:铁、铜、石墨、锌;电解质溶液:CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、稀硫酸。按要求回答下列问题:
(1)若电极材料选铜和石墨,电解质溶液选硫酸铁溶液,外加导线,能否构成原电池? 。若能,请写出电极反应:
负极: ,
正极: 。
(若不能,后两空不填)
能
Cu-2e-===Cu2+
2Fe3++2e-===2Fe2+
(1)因为Fe2(SO4)3能与Cu发生反应:Fe2(SO4)3+Cu===CuSO4+2FeSO4,因此根据给出的条件可以设计成原电池,其负极为Cu,电极反应为Cu-2e-===Cu2+,正极为石墨,电极反应为2Fe3++2e-===2Fe2+。
(2)设计一种以铁和稀硫酸反应为原理的原电池,要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。
答案:
(2)因为总反应为Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,所以负极为Fe,正极可为Cu或石墨,电解质为稀硫酸,即可画出装置图。
课时作业 巩固提升
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[A组 基础落实]
题组一 原电池的工作原理
1.某锌铜原电池的结构如图所示,下列说法正确的是( )
A.Zn电极为该原电池的正极
B.若盐桥中电解质为KCl,则电池工作时K+向右侧移动
C.电池工作时,电子由Zn电极流出,经溶液和盐桥流入
Cu电极
D.Cu电极上的电极反应为Cu-2e-===Cu2+
9
B
该锌铜原电池中Zn电极上发生失电子的氧化反应,作该原电池的负极,故A错误;原电池中阳离子移向正极,故电池工作时K+向右侧移动,故B正确;电池工作时,电子不能通过溶液和盐桥,故C错误;Cu电极作正极,发生得电子的还原反应,故电极反应为Cu2++2e-===Cu,故D错误。
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2.如图为水果电池的示意图,下列说法正确的是( )
A.电子由锌片沿导线流向铜片
B.铜电极逐渐溶解
C.该装置能将电能转化为化学能
D.锌片作正极,质量逐渐减小
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A
锌的活泼性大于铜,锌为负极、铜为正极,据此分析。锌为负极、铜为正极,则电子由锌片沿导线流向铜片,A正确;铜为正极,正极氢离子得电子生成氢气,铜不反应,B错误;该装置为原电池,能将化学能转化为电能,C错误;锌片作负极,锌失电子生成锌离子,质量逐渐减小,D错误。
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3.原电池为电化学建构认识模型奠定了重要的基础,如图装置中的盐桥装有琼脂凝胶,内含氯化钾。下列对于该原电池的说法正确的是( )
A.该装置能将化学能完全转化为电能
B.电池工作时,盐桥中的K+移向AgNO3溶液
C.电池工作时,导线中电流流向为Zn→Ag
D.负极反应为Zn-2e-===Zn2+,发生还原反应
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B
因为Zn比Ag活泼,故Zn作原电池的负极,Ag作原电池的正极,据此分析回答。该装置具备原电池的构成条件,因此形成了原电池,能将化学能转化为电能,但不能将化学能完全转化为电能,A错误;电池工作时,盐桥中的K+移向电池的正极,即移向AgNO3溶液,B正确;电池工作时,导线中电流流向为Ag→Zn,C错误;负极反应为Zn-2e-===Zn2+,发生氧化反应,D错误。
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4.将镁片和铝片用导线连接后插入NaOH溶液中,并在中间串联一个电流表,装置如图所示。
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(1)电子在该电池中的移动方向是从 片经导线流向 片。
(2)铝片上的电极反应是 ,该电极发生了 (填“氧化”或“还原”)反应。
(3)若将此装置中的NaOH溶液换成稀硫酸,则电池的负极材料是 。
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铝
镁
Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-
氧化
镁片
将镁片和铝片用导线连接后插入NaOH溶液中,铝能自发和NaOH溶液发生氧化还原反应:2Al+6H2O+2NaOH===2Na[Al(OH)4]+3H2↑,所以铝为负极,镁为正极。
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题组二 电极反应的书写
5.常温下,将除去表面氧化膜的Al、Cu片插入电解质溶液A中组成原电
池,如图1所示。
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(1)若A为稀盐酸,则Al片作 极,该电极的电极反应为 ,
Cu片的电极反应为 。
(1)Cu⁃Al⁃稀盐酸构成的原电池中,Al作负极,电极反应为Al-3e-===Al3+;Cu作正极,电极反应为2H++2e-===H2↑。
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负
Al-3e-===Al3+
2H++2e-===H2↑
(2)若A为NaOH溶液,则Al片作 极,该电极的电极反应为
。
(2)Al⁃Cu⁃NaOH溶液构成的原电池中,Al作负极,电极反应为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-,Cu作正极,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
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负
Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-
(3)若A为浓硝酸,测得原电池的电流强度(I)随时间(t)的变化如图2所示,反应过程中有红棕色气体产生。0~t1时,原电池的负极是 ,正极的电极反应为 ,溶液中的H+向 极移动。t1时,原电池中电子流动方向发生改变,此时 作负极,该电极的电极反应为 。
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Al片
N+2H++e-===NO2↑+H2O
正
Cu片
Cu-2e-===Cu2+
(3)Al⁃Cu⁃浓硝酸构成的原电池中,在0~t1时,Al片作负极,正极处N在酸性条件下得电子生成NO2和H2O,在原电池中,阳离子向正极移动,即H+向正极移动。由于t1时刻后,Al在浓硝酸中发生了钝化,生成的氧化膜阻止了反应的进行,此时Cu与浓硝酸反应而导致Cu片作负极,电子流动方向发生改变。
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(4)若A为稀硝酸,则Cu片作 极,该电极的电极反应为
。
(4)Al⁃Cu⁃稀硝酸构成的原电池中Al片作负极,Cu片作正极,正极处N在酸性条件下得电子生成NO和H2O。
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正
N+3e-+4H+===NO↑+2H2O
题组三 原电池原理的应用
6.将等质量的a、b两份锌粉装入两支试管中,分别加入过量的稀硫酸,同时向装a的试管中加入少量CuSO4溶液。如图表示产生氢气的体积V与时间t的关系,其中正确的是( )
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D
向a中滴加少量CuSO4溶液发生反应Zn+CuSO4===Cu+ZnSO4,置换出的Cu附着在Zn表面构成原电池,可以加快产生H2的速率,a的斜率要大于b的斜率,B错误;a中部分Zn与CuSO4反应,则与稀硫酸反应的Zn比b中小,产生的H2体积比b中小,A、C错误,D正确。
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7.某化学兴趣小组自制盐水小彩灯(装置如图),在彩灯所连的纸片电池上滴几滴溶液,就能使小彩灯亮起来。下列纸片电池的组合中能使小彩灯亮起来的是( )
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选项 电极a 电极b 溶液X
A Fe Fe 乙醇溶液
B C C NaCl溶液
C Fe Zn 蔗糖溶液
D C Fe CuSO4溶液
D
原电池的形成条件,需要有自发的氧化还原反应,两个活性不同的电极,电解质溶液,闭合的回路,据此分析。电极都是Fe,乙醇溶液也不是电解质溶液,不能形成原电池,A项错误;两个电极材料都是C,不能形成原电池,B项错误;蔗糖溶液不是电解质溶液,不能形成原电池,C项错误;C和Fe是两个活性不同的电极,硫酸铜溶液是电解质溶液,且能发生自发的氧化还原反应,能构成原电池,让小彩灯亮起来,D项正确。
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[B组 培优训练]
8. (双选)图甲和图乙均是双液原电池装置。下列说法不正确的是( )
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A.甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)+Co2+(aq)===Co(s)+Cd2+(aq)
B.反应2Ag(s)+Cd2+(aq)===Cd(s)+2Ag+(aq)不能发生
C.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递电子
D.乙中有1 mol电子通过外电路时,正极有54 g Ag析出
答案:CD
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根据图甲知,Cd失电子,Co2+得电子,所以其电池总反应的离子方程式为Cd(s)+Co2+(aq)===Co(s)+Cd2+(aq),故A正确;根据图乙知,Co失电子,Ag+得电子,氧化性:Ag+>Co2+,结合A项可知氧化性的强弱顺序为Ag+>Co2+>Cd2+,因此反应2Ag(s)+Cd2+(aq)===Cd(s)+2Ag+(aq)不能发生,故B正确;原电池放电时,盐桥中的阴、阳离子定向移动而构成闭合回路,且使两溶液中电荷相等,所以盐桥的作用是形成闭合回路,并使两边溶液保持电中性,电子不能通过溶液传递,故C错误;根据Co(s)+2Ag+(aq)===2Ag(s)+Co2+(aq)知,当有1 mol电子通过外电路时,正极有1 mol即108 g Ag析出,故D不正确。
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9.人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要。以下各种电池广泛应用于日常生活、生产和科学技术等方面,请根据题中提供的信息填空:
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9
(1)如图1所示,杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相等的空心铜球和空心铁球,调节杠杆并使其在水中保持平衡,然后小心地向水槽中央滴入浓CuSO4溶液(实验过程中,不考虑铁丝反应及两球的浮力变化),一段时间后,当杠杆为绝缘体时, (填“A”或“B”,下同)端高;当杠杆为导体时,
端高。
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A
B
(2)铁、铜、铝是生活中使用广泛的金属,FeCl3溶液常用于腐蚀印刷电路铜板,其反应的离子方程式为 , 若将此反应设计成原电池,则负极所用电极材料为 ,正极反应为 。
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2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
铜
Fe3++e-===Fe2+
(3)将铝片和铜片用导线相连,一组插入浓硝酸中,一组插入烧碱溶液中,分别形成了原电池,在这两个原电池中,负极分别为 (填字母)。
A.铝片、铜片 B.铜片、铝片
C.铝片、铝片 D.铜片、铜片
写出插入烧碱溶液中形成原电池的负极反应:
。
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B
Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-
(4)某原电池装置如图2所示,电池总反应为2Ag+Cl2===2AgCl,当电路中转移a mol电子时,交换膜左侧溶液中约减少 mol离子。交换膜右侧溶液中c(HCl) (填“>”“<”或“=”)1 mol·L-1(忽略溶液体积变化)。
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2a
>
$$