高中化学微专题-专题一 原电池的工作原理及其应用

专题一　原电池的工作原理及其应用 1.原电池原理及应用：原电池是一种由化学能转变成电能的装置。其本质是通过自发进行的氧化还原反应，使氧化反应和还原反应分别在两个电极上发生。 2.原电池的构成条件 (1)能自发地发生氧化还原反应。 (2)两个活泼性不同的电极(材料可以是金属或导电的非金属)。 ① 负极：活泼性较强的金属。 ② 正极：活泼性较弱的金属或能导电的非金属。 (3)形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件： ①电解质溶液； ②两电极直接或间接接触； ③两电极插入电解质溶液中。 3.工作原理【以铜锌原电池为例】 装置图 电极名称 负极 正极 电极材料 锌片 铜片 电极反应 Zn -2e-=Zn2＋ Cu2＋＋ 2e-=Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 电子流向 由锌片沿导线流向铜片 离子迁移方向 阴离子向负极迁移；阳离子向正极迁移 电池反应方程式 Zn ＋ Cu2＋=Zn2＋＋Cu 两类装置的不同点 还原剂Zn与氧化剂Cu2＋直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗 Zn与氧化剂Cu2＋不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长 【提醒】(1)在原电池中活泼性强的金属不一定作负极，但负极一定发生氧化反应。如Mg-Al-NaOH溶液组成的原电池，Al作负极。 (2)自发发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与溶解的氧气等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。 (3)盐桥的组成和作用 ①盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的胶冻。 ②盐桥的作用：a．连接内电路，形成闭合回路； b．平衡电荷，使原电池不断产生电流。 4.原电池正极和负极的确定 5.原电池原理的三大应用 (1)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。 (2)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。 (3)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。 如：根据反应2FeCl3＋Cu=2FeCl2＋CuCl2 设计的原电池为： 6.电极反应式的书写 (1)找出发生氧化反应和还原反应的物质(或离子)，确定正负极反应的物质(或放电的离子)，利用电荷守恒分别写出电极反应式。 (2)差值法：先写出反应的总方程式和较易写出的电极反应式，然后用总方程式减去较易写出的电极反应式得到较难写的电极反应式。 (3)酸性溶液的电极反应式不能出现OH-；碱性溶液的电极反应式不能出现H+。 7.规避原电池基础中的6个失分点 (1)原电池的闭合回路有多种形式，如两电极相接触也是一种闭合。 (2)盐桥使两池电解液相连接，构成闭合，但不能用导线替换。 (3)只有放热的氧化还原反应才能设计成原电池，把多余的能量转化成电能。 (4)在原电池中，电子不能通过电解质溶液。 (5)电解液中的阴阳离子与导线中的电子各自的定向移动，构成一个完整的闭合回路，电子由负极移向正极，电解液中阳离子移向正极，阴离子移向负极。 (6)两个电极即使都是石墨，也可构成原电池，如一些燃料电池。 1．一种电池工作原理如装置图所示。下列说法正确的是 A．电池工作时电能转化为化学能 B．放电过程中电极区溶液的增大 C．电池工作一段时间后浓度增大 D．极区的反应为 2．下图所示原电池的盐桥中装有饱和K2SO4溶液，电池工作一段时间后，甲烧杯中溶液颜色不断变浅。下列叙述中正确的是    A．b极是电池的正极 B．甲烧杯中K+经盐桥流向乙烧杯 C．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小 D．电池的总反应离子方程式为：MnO4-+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O (2020山东卷) 3．微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含 CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是 A．负极反应为 B．隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜 C．当电路中转移1mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5g D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2:1 4．如图为流动电池,其电解质溶液可在电池外部流动,调节电解质,可维持电池内部电解质溶液浓度稳定。下列关于该电池的说法错误的是 A．Cu为该电池的负极 B．X为PbSO4,Y为H2SO4 C．当消耗1 mol PbO2,需分离出320 g CuSO4 D．PbO2电极反应式为PbO2+4H+ + SO42- +2e-=PbSO4+2H2O 5．K—O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是 A．隔膜允许K+通过，不允许O2通过 B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极 C．产生1Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22 D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9g水 6．为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3D−Zn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D−Zn—NiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。以下说法不正确的是    A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高 B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH−(aq)−e−=NiOOH(s)+H2O(l) C．放电时负极反应为Zn(s)+2OH−(aq)−2e−=ZnO(s)+H2O(l) D．放电过程中OH−通过隔膜从负极区移向正极区 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 参考答案： 1．C 【分析】由图可知该装置为原电池，主要将化学能转化为电能，则a作负极，极电极反应为Zn-2e-+4OH-=，b作正极，b极区的反应为PbO2+4H++2e-+=PbSO4+2H2O，阳离子(K+)向正极移动，阴离子()向负极移动，据此来解析； 【详解】A．电池工作时化学能转化为电能，A错误； B．放电过程中电极，电极反应为Zn-2e-+4OH-=，消耗氢氧根，酸性增强，pH 变小，B错误； C．阳离子(K+)向正极移动，阴离子()向负极移动，因为存在阴阳离子交换膜，K+、致使K+、，留在两个交换膜之间，电池工作一段时间后浓度增大，C正确； D．b极区的反应为PbO2+4H++2e-+=PbSO4+2H2O，D错误； 故选C； 2．D 【分析】由甲烧杯中溶液颜色逐渐变浅，甲烧杯中MnO4-被还原成Mn2+，Mn元素的化合价降低，得到电子，Fe元素的化合价升高，失去电子，则b为负极，a为正极，所以总的电池反应为：2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4=2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O，结合原电池中负极发生氧化反应，电流从正极经外电路流向负极，阴离子向负极移动来解答。 【详解】由甲烧杯中溶液颜色逐渐变浅，甲烧杯中MnO4-被还原成Mn2+，Mn元素的化合价降低，得到电子，Fe元素的化合价升高，失去电子，则b为负极，a为正极，所以总的电池反应为：2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4=2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O，结合原电池中负极发生氧化反应，电流从正极经外电路流向负极，阴离子向负极移动， A.由于Fe2+在b电极失去电子，发生氧化反应，所以b极是电池的负极，A错误； B.K+向正极移动，所以K+经盐桥流向甲烧杯，B错误； C.甲烧杯中(a电极)MnO4-获得电子，发生还原反应，Mn元素的化合价降低，电极反应为MnO4-+8H++5e-═Mn2++4H2O，所以甲烧杯中溶液的pH逐渐增大，C错误； D.由总的电池反应：2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4=2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O可知，反应的离子方程式为：MnO4-+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O，D正确； 故合理选项是D。 【点睛】本题考查原电池的工作原理及常见的化学电源，题目难度中等，明确氧化还原反应中元素的化合价变化及原电池工作原理是解答本题的关键，试题培养了学生的灵活应用能力。 3．B 【分析】据图可知a极上CH3COOˉ转化为CO2和H+，C元素被氧化，所以a极为该原电池的负极，则b极为正极。 【详解】A．a极为负极，CH3COOˉ失电子被氧化成CO2和H+，结合电荷守恒可得电极反应式为CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，故A正确； B．为了实现海水的淡化，模拟海水中的氯离子需要移向负极，即a极，则隔膜1为阴离子交换膜，钠离子需要移向正极，即b极，则隔膜2为阳离子交换膜，故B错误； C．当电路中转移1mol电子时，根据电荷守恒可知，海水中会有1molClˉ移向负极，同时有1molNa+移向正极，即除去1molNaCl，质量为58.5g，故C正确； D．b极为正极，水溶液为酸性，所以氢离子得电子产生氢气，电极反应式为2H++2eˉ=H2↑，所以当转移8mol电子时，正极产生4mol气体，根据负极反应式可知负极产生2mol气体，物质的量之比为4:2=2:1，故D正确； 故答案为B。 4．C 【分析】由产物CuSO4可知Y提供SO42-，Cu失电子做负极，所以PbO2作正极，X为PbSO4，则负极反应为：Cu-2e-=Cu2+，正极反应为PbO2+4H+ + SO42- +2e-=PbSO4+2H2O，据此回答。 【详解】A．Cu为该电池的负极，PbO2为电池的正极，A正确； B．由正极反应可知X为PbSO4,Y为H2SO4，B正确； C．根据电子得失守恒有CuSO4～2e-～PbO2，则当消耗1 mol PbO2 ,需分离出1molCuSO4，即160g，C错误； D．由分析可知PbO2电极反应式为PbO2+4H+ + SO42- +2e-=PbSO4+2H2O，D正确。 答案选C。 【点睛】同时涉及电池正负极的计算，可用得失电子守恒找出正负极之间物质与电子转移的关系，如本题中CuSO4～2e-～PbO2，问题就简单了。 5．D 【分析】由图可知，a电极为原电池的负极，单质钾片失去电子发生氧化反应生成钾离子，电极反应式为K—e-=K+，b电极为正极，在钾离子作用下，氧气在正极得到电子发生还原反应生成超氧化钾；据以上分析解答。 【详解】A．金属性强的金属钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应，电池所选择隔膜应允许通过，不允许通过，故A正确； B．由分析可知，放电时，a为负极，b为正极，电流由b电极沿导线流向a电极，充电时，b电极应与直流电源的正极相连，做电解池的为阳极，故B正确； C．由分析可知，生成1mol超氧化钾时，消耗1mol氧气，两者的质量比值为1mol×71g/mol：1mol×32g/mol≈2.22：1，故C正确； D．铅酸蓄电池充电时的总反应方程式为2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4，反应消耗2mol水，转移2mol电子，由得失电子数目守恒可知，耗钾时，铅酸蓄电池消耗水的质量为×18g/mol=1.8g，故D错误； 故选D。 6．D 【详解】A、三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，吸附能力强，所沉积的ZnO分散度高，A正确； B、充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是Ni(OH)2失去电子转化为NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－＝NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确； C、放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－＝ZnO(s)＋H2O(l)，C正确； D、原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中OH－通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。 答案选D。 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $$