内容正文:
第二单元 化学能与电能的转化
学习目标 重点难点
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.了解原电池及常见化学电源的工作原理。
3.了解电解池的工作原理,认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。 重点 1.分析、解释原电池和电解池的工作原理;
2.能设计简单的原电池和电解池。
难点 1.原电池和电解池的工作原理;
2.电极反应式的书写与判断。
原电池的工作原理
第1课时
3
目
录
01
02
03
实验探究——原电池的工作原理
新知探究——原电池原理的应用
课时跟踪检测
01
实验探究——原电池的工作原理
导学设计
用Zn片、铜片、CuSO4溶液、ZnSO4溶液及装有KCl饱和溶液的盐桥组成下面甲、乙、丙三套装置,观察实验现象。
1.甲装置中温度有何变化?乙、丙装置中可观察到有何实验现象?
提示:甲装置中溶液温度升高,乙、丙装置中电流计的指针均发生偏转。
2.装置甲、乙、丙中能量转化的方式是怎样的?
提示:装置甲:化学能转化为热能;装置乙、丙:化学能转化为电能。
3.装置丙中电子在导线中的移动方向是怎样的?盐桥中的K+、Cl-的移动方向是怎样的?
提示:电子的移动方向是Zn(负极)→电流表→Cu(正极),盐桥中的Cl-移向ZnSO4溶液(负极),K+移向CuSO4溶液(正极)。
4.装置丙中,盐桥的作用是什么?装置丙中取出盐桥,电流表的指针如何变化?
提示:①形成闭合回路;②保持溶液中电荷守恒,使电池反应能持续发生;③避免电极与电解质溶液直接反应,最大程度将化学能转化为电能。取出盐桥,丙装置中电流表的指针不再发生偏转。
[系统融通知能]
1.原电池的构成
半电池 原电池由两个半电池组成,半电池包括电极材料和电解质溶液
电极
材料 一般情况下,两个活泼性不同的电极,相对活泼的金属作负极,较不活泼的金属(或导电的非金属)作正极
形成闭合回路 两个半电池通过盐桥和导线连接,形成闭合回路。两个隔离的半电池通过盐桥连接起来,盐桥中通常是装有含KCl饱和溶液的琼脂。盐桥在原电池中起导电作用,使整个装置形成闭合回路,盐桥导电利用的是阴、阳离子的定向移动,使两电解质溶液均保持电中性,从而使原电池能相对持续、稳定地产生电流
续表
2.原电池的工作原理(以铜锌原电池为例)
3.原电池中正、负极的判断方法
[题点多维训练]
1.对于原电池的电极名称,叙述错误的是( )
A.发生氧化反应的一极为负极
B.正极为电子流入的一极
C.比较不活泼的金属为负极
D.电流流出的一极为正极
解析:原电池中一般是相对活泼的金属为负极,相对不活泼的金属(或非金属导体)为正极。
√
2.如图所示装置中,电流表A发生偏转,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,c为离子导体,则下列各组中符合的是( )
A.a是Zn、b是Cu、c为稀H2SO4
B.a是Cu、b是Zn、c为稀H2SO4
C.a是Fe、b是Ag、c为AgNO3溶液
D.a是Ag、b是Fe、c为AgNO3溶液
√
解析:原电池工作时,a极逐渐变粗,同时b极逐渐变细,说明b极失去电子是负极,a极上金属离子得电子是正极,离子导体中含有先于H+放电的金属阳离子,综上所述,D项符合。
3.下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是( )
A.均发生了化学能转化为电能的过程
B.Zn和Cu既是电极材料又是反应物
C.工作过程中,电子均由Zn经导线流向Cu
D.相同条件下,图乙比图甲的能量利用效率高
√
解析:两个装置都为原电池装置,均发生化学能转化为电能的过程,故A项正确;
根据原电池的工作原理,锌比铜活泼,锌作负极、铜作正极,铜本身不是反应物,故B项错误;
锌作负极,电子从负极经外电路流向正极,故C项正确;
图甲装置中负极会直接发生Zn与Cu2+的置换反应,产生的电流在较短时间内就会衰减,故D项正确。
4.如图是某同学设计的原电池装置,下列叙述错误的是( )
A.电极Ⅰ上发生还原反应,该电极作原电池的正极
B.电极Ⅱ的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+
C.该原电池的总反应为2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+
D.盐桥中装有含氯化钾饱和溶液的琼脂,其作用是传递电子
√
解析:电极Ⅰ上铁离子得到电子发生还原反应,该电极作原电池的正极,A项正确;
电极Ⅱ为原电池的负极,发生氧化反应,即Cu-2e-===Cu2+,B项正确;
该装置中发生的氧化还原反应为Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+,C项正确;
盐桥中的电解质电离出的离子发生定向移动进而形成电流,即盐桥中移动的是离子,D项错误。
02
新知探究——原电池原理的应用
典例导学
[典例] 根据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s)===Cu2+(aq)+2Ag(s),设计的原电池如图所示,其中盐桥内装琼脂-饱和KNO3溶液。请回答下列问题:
(1)电极X的材料是____________;电解质溶液Y是____________。
(2)银电极为电池的________极,写出两电极的电极反应式:
银电极:________________________________________________;
X电极:_________________________________________________。
(3)外电路中的电子是从________电极流向______电极。
[解析] (1)由反应方程式可知,Cu为还原剂,作负极,即Cu为X极;Ag+(aq)为氧化剂,即Y应为AgNO3溶液。
(2)银电极为电池的正极,正极发生还原反应:2Ag++2e-===2Ag,负极(X电极)发生氧化反应:Cu-2e-===Cu2+。
(3)外电路中的电子从Cu电极(负极)流向Ag电极(正极)。
(5)CuSO4溶液主要具有导电的作用,可以被其他不与Cu反应的电解质溶液代替。正极本身不参与反应,只要是活动性比Cu差的金属或能导电的非金属均可以作电极,故Ag电极能被石墨代替。
[答案] (1)Cu AgNO3溶液 (2)正 2Ag++2e-===2Ag Cu-2e-===Cu2+ (3)Cu Ag (4)B (5)能 能
[系统融通知能]
1.比较金属活动性强弱
对于酸性电解质,一般是负极金属的活动性较强,正极金属的活动性较弱。
例如:a和b两种金属,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,则a极为负极,b极为正极,金属活动性:a>b。
2.加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快。
3.设计原电池
工作原理 理论上,自发的氧化还原反应,可以设计成原电池
外电路
内电路 将两电极浸入电解质溶液中,阴、阳离子作定向移动
模型认知 设计原电池的思路(以Cu与AgNO3反应为例)
明确两
极反应 正极:2Ag++2e-===2Ag
负极:Cu-2e-===Cu2+
选择电
极材料 负极材料一般为相对活泼而易失电子物质,如Cu
正极材料一般为导电性材料且活动性较差,如C、Ag等
续表
模型认知 选择电
解质
溶液 不含盐桥:参与正极反应的氧化剂,如AgNO3
含盐桥:负极溶液一般含负极金属离子,如Cu(NO3)2;正极溶液为参与正极反应的氧化剂,如AgNO3
画装
置图
续表
[题点多维训练]
题点(一) 利用原电池原理比较金属活动性强弱
1.有A、B、D、E四种金属,当A、B、稀硫酸组成原电池时,电子流动方向为A→B;当A、D、稀硫酸组成原电池时,A为正极;当B、E组成原电池时,电极反应式为E2++2e-===E,B-2e-===B2+,则A、B、D、E金属性由强到弱的顺序为( )
A.A>B>E>D B.A>B>D>E
C.D>E>A>B D.D>A>B>E
√
解析:根据“当A、B、稀硫酸组成原电池时,电子流动方向为A→B”可知:金属性A>B;根据“当A、D、稀硫酸组成原电池时,A为正极”可知:金属性D>A;根据“当B、E组成原电池时,电极反应式为E2++2e-===E,B-2e-===B2+”可知:金属性B>E,综上可知:金属性由强到弱的顺序为D>A>B>E。
2.a、b、c、d为金属电极,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
√
解析:第一个装置中a极质量减小,b极质量增加,可断定a作负极,说明活动性a>b;第二个装置中b上有气体产生,c无变化,说明活动性b>c;第三个装置中d极溶解,c极有气体产生,说明活动性d>c;第四个装置中电流从a极流向d极,则a极为正极,说明活动性d>a。由此可得d>a>b>c,故C正确。
题点(二) 原电池原理对反应速率的影响
3.一定量的锌粉和6 mol·L-1的过量盐酸反应,当向其中加入少量的下列物质时,既能够加快反应速率,又不影响产生H2的总量的是( )
①石墨粉 ②CuO ③铜粉 ④铁粉 ⑤浓盐酸
A.①②⑤ B.①③⑤
C.③④⑤ D.只有①③
√
解析:加入石墨粉,Zn、C、盐酸构成原电池,反应速率加快,且不影响产生H2的总量,故①正确;加入CuO,CuO与盐酸反应生成氯化铜,氯化铜与锌反应生成铜,形成原电池,反应速率加快,但与盐酸反应的锌的量减少,产生H2的总量减少,故②错误;加入铜粉,构成原电池,反应速率加快,且不影响产生H2的总量,故③正确;加入铁粉,构成原电池,反应速率加快,但铁可以与盐酸反应生成氢气,产生H2的总量增多,故④错误;加入浓盐酸,氢离子浓度增大,反应速率加快,且不影响产生H2的总量,故⑤正确。
4.a、b两个烧杯中均盛有100 mL等浓度的稀硫酸,将足量的两份锌粉分别加入两个烧杯中,同时向a中加入少量CuSO4溶液,下列产生氢气的体积(V)与时间(t)的关系正确的是( )
√
解析:H2SO4的物质的量相等、Zn粉过量,H2的量由H2SO4的物质的量决定。a烧杯中部分Zn与CuSO4发生反应置换出Cu并形成原电池,反应速率加快,但产生H2的体积相等。
题点(三) 设计原电池
5.设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。
限选材料:ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。
(1)完成原电池甲的装置示意图(如图所示),并作相应标注。
要求:在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。
(2)铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极__________________。
(3)甲、乙两种原电池中可更有效地将化学能转化为电能的是________,其原因是_________________________________________
____________________________________________________________
____________________________________________________________。
解析:(3)以Zn和Cu作电极为例分析,如果不用盐桥,则除了发生电化学反应外还发生Zn和Cu2+的置换反应,反应放热,会使部分化学能以热能形式散失,使其不能完全转化为电能,而盐桥的使用,可以避免Zn和Cu2+的直接接触,从而避免能量损失,提供稳定电流。
答案:(1)如图所示。
(2)逐渐溶解
(3)甲 电池乙的负极可与CuSO4溶液直接发生反应,导致部分化学能转化为热能;电池甲的负极不与所接触的电解质溶液反应,化学能在转化为电能时损耗较小
03
课时跟踪检测
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1.下列装置工作时,将化学能转化为电能的是( )
A.风力发电机 B.硅太阳能电池
C.纽扣式银锌电池 D.电解熔融氯化钠
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解析:该装置将风能转化为电能,A错误;
该装置将太阳能转化为电能,B错误;
该装置将化学能转化为电能,C正确;
该装置将电能转化为化学能,D错误。
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2.下列说法正确的是( )
A.原电池中,负极上发生的反应是还原反应
B.原电池中,电流的方向是负极→导线→正极
C.双液原电池中的盐桥是为了连通电路,所以也可以用金属导线代替
D.在原电池中,阳离子移向正极,阴离子移向负极
解析:A项,负极上发生氧化反应;
B项,电流的方向应是正极→导线→负极;
C项,盐桥不能用导线代替。
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3.将纯锌片和纯铜片按如图所示方式插入相同浓度的稀硫酸中,一段时间后,下列叙述正确的是( )
A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
C.两烧杯中溶液的pH均增大
D.甲中产生气泡的反应速率比乙中的慢
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解析:甲中形成了原电池,氢气在铜极放出,而乙不能形成闭合回路,不能产生电流,铜片不是负极,A、B项错误;
甲中产生气泡的反应速率比乙中的快,因为甲中锌失去的电子流向铜,铜周围生成氢气,乙中只是锌参加反应,反应过程中会使锌片周围产生大量的ZnSO4,H+浓度下降,从而使反应速率减小,D项错误。
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4.如图所示的原电池装置,X、Y为两电极,电解质溶液为稀硫酸,外电路中的电子流向如图所示,对此装置下列说法正确的是( )
A.外电路的电流方向为X→外电路→Y
B.若两电极分别为Zn和石墨棒,则X为石墨棒,Y为Zn
C.若两电极都是金属,则它们的活泼性为X>Y
D.X极上发生的是还原反应,Y极上发生的是氧化反应
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解析:电流的方向是正电荷的移动方向,所以外电路的电流方向为Y→外电路→X,A错误;
由于活泼性Zn>C,则X为Zn,Y是石墨棒,B错误;
X极失去电子,发生氧化反应,Y极上获得电子,发生的是还原反应,D错误。
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5.一个电池反应的离子方程式是Zn+Cu2+===Zn2++Cu,该反应的原电池的正确组合是( )
选项 A B C D
正极 Zn Cu Cu Fe
负极 Cu Zn Zn Zn
电解质溶液 CuCl2 H2SO4 CuSO4 HCl
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解析:该原电池负极为Zn,正极为比Zn不活泼的金属或石墨等,电解质溶液中含有Cu2+,故只有C选项正确。
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6.根据下图,判断下列说法中错误的是( )
A.导线上电子由Ag极流向石墨极
B.负极电极反应式:Fe3++e-===Fe2+
C.盐桥中阴离子移向AgNO3溶液
D.电池反应为Fe3++Ag===Fe2++Ag+
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解析:银作原电池的负极,电子从银极流向石墨极,A正确;
负极是银极,银失去电子生成银离子,B错误;
盐桥中的阴离子移向负极,即向硝酸银溶液移动,C正确;
电池反应为银与铁离子反应生成银离子和亚铁离子,D正确。
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解析:A正确,图中没有外接电源,有电流表,且电路中有电子的移动方向,则该装置是原电池装置,将化学能转化为电能;
B正确,根据电子的移动方向,可以推断出左侧电极为负极,该电极反应为Ag+I--e-===AgI;
C正确,该电池中,只有Ag+和I-反应,所以总反应是Ag++I-===AgI;
D错误,左侧电极为负极,右侧电极为正极,NO带负电荷,向负极移动,所以应该是从右向左移动。
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9.(2024·徐州高二期中)原电池的电极反应式不仅与电极材料的性质有关,
也与电解质溶液有关。下列说法错误的是 ( )
A.由Fe、Cu、FeCl3溶液组成的原电池,负极的电极反应式为
Fe-2e-===Fe2+
B.由Al、Cu、稀硫酸组成的原电池,负极的电极反应式为Al-3e-===Al3+
C.由Al、Mg、NaOH溶液组成的原电池,负极的电极反应式为Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-
D.由Al、Cu、浓硝酸组成的原电池,负极的电极反应式为Al-3e-===Al3+
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解析:铁比铜活泼,铁作负极,负极的电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,故A正确;
铝比铜活泼,铝作负极,负极的电极反应式为Al-3e-===Al3+,故B正确;
虽然镁比铝活泼,但镁不与氢氧化钠溶液反应,因此铝作负极,负极的电极反应式为Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-,故C正确;
Al遇浓硝酸发生钝化,则铜作负极,负极的电极反应式为
Cu-2e-===Cu2+,故D错误。
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10.(2024·石家庄期末)根据反应KMnO4+FeSO4+H2SO4―→MnSO4+Fe2(SO4)3+K2SO4+H2O(未配平)设计如下原电池,其中甲、乙两烧杯中各物质的物质的量浓度均为1 mol·L-1,溶液的体积均为200 mL,盐桥中装有琼脂凝胶,内含K2SO4。下列说法不正确的是( )
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解析:根据题给反应可知,Fe2+的化合价升高,则石墨b为负极,发生氧化反应,故A正确;
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负极的电极反应式为Fe2+-e-===Fe3+,生成的Fe3+的物质的量为(200×10-3×1.5×2-200×10-3×1×2)mol=0.2 mol,因此外电路中转移电子的物质的量为0.2 mol,故D错误。
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11.(2024·衡水中学月考)某化学兴趣小组的同学设计了如图所示的装置,完成下列问题:
(1)反应过程中,________棒质量减少。
(2)负极的电极反应式为_________________________________。
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(3)反应过程中,当其中一个电极质量增加2 g时,另一电极减轻的质量________(填“大于”“小于”或“等于”)2 g。
(4)盐桥的作用是向甲、乙两烧杯中提供NH和Cl-,使两烧杯溶液中保持电荷守恒。
①反应过程中NH将进入________烧杯(填“甲”或“乙”)。
②当外电路中转移0.2 mol电子时,乙烧杯中浓度最大的阳离子是________。
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解析:(3)转移0.2 mol电子时,铜棒质量增加6.4 g,锌棒质量减少6.5 g,故反应过程中,当铜电极质量增加2 g时,另一电极减少的质量大于2 g。
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高阶思维训练
12.(2024·湖北十堰高二统考期末)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
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解析: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;电极都是Fe,乙醇也不是电解质,不能形成原电池,A项错误;
电极都是C,不能形成原电池,B项错误;
蔗糖不是电解质溶液,不能形成原电池,C项错误;
C和Fe分别是两个活性不同的电极,硫酸铜溶液是电解质,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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13.某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序,有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片作电极,但甲同学将电极放入6 mol·L-1的稀H2SO4中,乙同学将电极放入6 mol·L-1的NaOH溶液中,如图所示。
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(1)写出甲池中发生的原电池反应的电极反应式:
负极:_____________________________________________________,
正极:_____________________________________________________。
(2)写出乙池中发生的原电池反应的电极反应式:
负极:______________________________________________________,
正极:______________________________________________________。
电池反应方程式为___________________________________________。
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(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属,则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”,则甲会判断出________的活动性更强,而乙会判断出________的活动性更强。(填写元素符号)
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(4)由此实验,可得到如下哪些结论?________(填字母)。
A.利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质
B.镁的金属性不一定比铝的金属性强
C.该实验说明金属活动性顺序已过时,已没有实用价值
D.该实验说明化学研究对象复杂、反应条件多变,应具体问题具体分析
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(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠,则请提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案:____________________________________________________________
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解析:(1)甲池中电池反应方程式为Mg+H2SO4===MgSO4+H2↑,Mg作负极,电极反应式为Mg-2e-===Mg2+,Al作正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。
(2)乙池中电池反应方程式为2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2↑,负极上为Al与OH-反应生成[Al(OH)4]-,电极反应式为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-;正极产物为H2,电极反应式为6H2O+6e-===
6OH-+3H2↑。
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(3)甲池中Mg为负极,Al为正极;乙池中Al为负极,Mg为正极,若根据负极材料金属比正极材料金属活泼判断,则甲会判断出Mg的活动性更强,乙会判断出Al的活动性更强。
(4)Mg的金属活动性一定比Al强,金属活动性顺序是正确的,应用广泛。
(5)判断原电池的正、负极可根据回路中电流的流向或电子的流向等进行判断,直接利用金属活动性顺序判断原电池的正、负极是不可靠的。
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答案:(1)Mg-2e-===Mg2+ 2H++2e-===H2↑
(2)Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]- 6H2O+6e-===6OH-+3H2↑
2Al+2OH-+6H2O===2[Al(OH)4]-+3H2↑
(3)Mg Al (4)AD
(5)不可靠 根据回路中电流的流向或电子的流向进行判断(合理即可)
(4)盐桥中向CuSO4溶液中迁移的离子是________(填字母)。
A.K+ B.NO
C.Ag+ D.SO
(5)其中CuSO4溶液________(填“能”或“否”,下同)被H2SO4(稀)溶液代替。Ag电极________被石墨代替。
(4)左边烧杯中Cu-2e-===Cu2+,阳离子浓度增加,故盐桥中的阴离子NO移向CuSO4溶液中。
7.某同学设计如图所示原电池。下列说法不正确的是( )
A.该装置将化学能转化为电能
B.负极的电极反应是Ag+I--e-===AgI
C.电池的总反应是Ag++I-===AgI
D.盐桥(含KNO3的琼脂)中NO从左向右移动
8.按下图装置实验,若x轴表示流出负极的电子的物质的量,则y轴应表示( )
①c(Ag+) ②c(NO) ③a棒的质量 ④b棒的质量 ⑤溶液的质量
A.①③⑤ B.③④ C.①②④ D.②
解析:该原电池中,负极:Fe-2e-===Fe2+,使a棒质量减轻;正极:Ag++e-===Ag,使b棒增重,但溶液中c(NO)不变;反应过程中每溶解56 g铁,析出216 g银,故溶液质量减轻。
A.石墨b是原电池的负极,发生氧化反应
B.甲烧杯中的电极反应式:MnO+5e-+8H+===Mn2++4H2O
C.电池工作时,盐桥中的阴、阳离子分别向乙、甲烧杯中移动,保持溶液中的电荷平衡
D.忽略溶液体积变化,Fe2(SO4)3浓度变为1.5 mol·L-1时,反应中转移的电子的物质的量为0.1 mol
石墨a为正极,发生还原反应,电极反应式为MnO+5e-+8H+===Mn2++4H2O,故B正确;
盐桥的作用是形成闭合回路,同时保持溶液中的电荷平衡,根据原电池工作原理知,阳离子向正极移动,即K+向甲烧杯移动,SO向乙烧杯移动,故C正确;
(4)反应过程中,为了保持溶液的电中性,Cl-将进入甲烧杯,NH进入乙烧杯。当外电路中转移0.2 mol电子时,乙烧杯中有0.1 mol Cu2+消耗,还剩余0.1 mol Cu2+,有0.2 mol NH进入乙烧杯,故乙烧杯中浓度最大的阳离子是NH。
答案:(1)锌 (2)Zn-2e-===Zn2+
(3)大于 (4)①乙 ②NH
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