专题03 化学能与电能的转化（八大题型）-【举一反三】2024-2025学年高一化学同步讲与练（苏教版2019必修第二册）

专题03 化学能与电能的转化 ◆题型01 化学能与其他形式能量的转化 ◆题型02 原电池的构成 ◆题型03 原电池的工作原理 ◆题型04 钢铁的电化学腐蚀原理及其应用 ◆题型05 原电池的工作原理的应用 ◆题型06 常见的一次电池分析 ◆题型07 二次电池分析 ◆题型08 燃料电池分析 ◆题型01 化学能与其他形式能量的转化 【典例1】下列过程中，将化学能转化为电能的是 A．电厂火力发电 B．硅太阳能电池发电 C．天然气烧水 D．风力发电 【典例2】下列叙述不正确的是（    ） A．我们日常使用的电能主要来自火力发电 B．火力发电过程中，化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能 C．火力发电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程 D．在火力发电过程中，化学能转化为热能实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化 【变式1-1】火力发电和水力发电是获取电能的两种方式。凉山是“水电王国”，全国在建和已建成的水电装机在千万千瓦以上的巨型水电站有4个，其中3个(溪洛渡水电站、白鹤滩水电站和乌东德水电站)在凉山。下列说法不正确的是 A．火力发电用的煤是不可再生能源 B．煤经过气化和液化两个化学变化，可变为清洁能源 C．电能是一种清洁、高效、便捷的一次能源 D．科学规划开发水电，可助力实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标 【变式1-2】能量之间可相互转化。关于化学能与其他能量相互转化的说法正确的是 A．化学反应中能量变化的主要原因是化学键的断裂与生成 B．化石燃料是可再生能源，燃烧时将化学能转变为热能 C．如图I所示的装置能将化学能转变为电能 D．金刚石转化为石墨能量变化如图II所示，则金刚石比石墨稳定 ◆题型02 原电池的构成 知识积累 原电池的构成条件——“两极一液一线一反应” （1）两极——两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属)。 （2）一液——电解质溶液。 （3）一线——形成闭合回路。 （4）一反应——能自发进行的氧化还原反应。 注意：构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。 【典例3】如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是(　　) A． B． C． D． 【典例4】如图所示装置中，观察到M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是 选项 M N P A 银 锌 硝酸银溶液 B 铜 铁 稀盐酸 C 锌 铜 稀硫酸溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 【典例5】某同学设计了下图所示两个实验装置(图I､图II中除连接的铜棒不同外，其他均相同)，有关说法正确的是 A．图I中温度计的示数高于图II的示数 B．图I和图II中温度计的示数相等，且均高于室温 C．图I中锌棒溶解的速率比图II的快 D．图I和图II的气泡均产生于锌棒表面 【变式2-1】下列装置能构成原电池的是 A．B．C．D．   【变式2-1】下列说法正确的是 A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属 B．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应 C．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原 D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能 【变式2-2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是 A．产生气泡的速率甲比乙慢 B．两烧杯中溶液的酸性均减弱 C．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极 D．两烧杯中铜片表面均无气泡产生 【变式2-3】（1）如图是某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。 请回答下列问题： ①当电极a为Al、电极b为Cu、电解质溶液为稀硫酸时，正极的电极反应式为____________________，当电路中有0.2 mol电子通过时，负极的质量减少________ g。 ②当电极a为Al、电极b为Mg、电解质溶液为氢氧化钠溶液时，该装置________(填“能”或“不能”)形成原电池，若不能，请说明理由，若能，请指出正、负极：_______________________________。 （2）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流表。 ①锌片上发生的电极反应为_______________________________; ②银片上发生的电极反应为_______________________________。 ③若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47 g，试计算： a．产生氢气的体积(标准状况)________。 b．通过导线的电量________。(已知 NA＝6.02×1023 mol－1，电子电荷为1.60×10－19 C) ◆题型03 原电池的工作原理 知识积累 1．原电池工作原理 （1）装置示意图： （2）工作原理(以铜、锌、稀硫酸原电池为例) 知识要点 实例 电极 构成 负极：还原性相对较强的金属 正极：还原性相对较弱的金属或导电非金属 锌板——负极 铜板——正极 电极 反应 负极：失去电子，氧化反应 正极：得到电子，还原反应 负极：Zn－2e－===Zn2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2 电子流 向、电 流方向 外电路：电子由负极流向正极，电流方向相反； 内电路：阴离子移向负极，阳离子移向正极，电流由负极流向正极 外电路：电子由锌板经导线流向铜板 内电路：SO移向锌板(负极)；Zn2＋移向铜板(正极) 电极反应式与 总反应式的关系　　 两个电极反应式相加，即得总反应式 负极：Zn－2e－===Zn2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2 总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2 2．原电池的正、负极的判断方法 （1）根据电极材料：较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 （2）根据电流方向或电子流动方向：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。 （3）根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。 （4）根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。 （5）根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。 3．原电池电极反应式的书写 （1）一般电极反应式的书写，以离子方程式形式表示。 ①书写步骤 A.列物质，标得失：按照负极氧化反应，正极还原反应，判断电极反应物、生成物，标出电子得失。 B.看环境，配守恒：电极产物在电解质溶液的环境中应能稳定存在，如酸性介质中，OH－不能存在，应生成水；碱性介质中，H＋不能存在，应生成水；电极反应式同样要遵循电荷守恒、原子守恒、得失电子守恒。 C.两式加，验总式：正负极反应式相加，与总反应离子方程式验证。 ②常见介质 常见介质 注意事项 中性溶液 反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离 酸性溶液 反应物或生成物中均没有OH－ 碱性溶液 反应物或生成物中均没有H＋ 水溶液 不能出现O2－ （2）利用总反应式书写电极反应式 ①根据总反应式，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物。 ②确定介质的酸碱性或者其它特性。 ③按照负极反应：还原剂-ne-=氧化产物 正极反应：氧化剂+ne-=还原产物，书写电极反应式。 ④书写技巧：若某电极反应式较难写出时，可先写出较易写的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。 【典例6】将锌片和铜片按图示方式插入柠檬中，电流计指针发生偏转。下列关于该装置的说法正确的是 A．铜片为负极 B．一段时间后，锌片质量减小 C．电子通过柠檬汁液由锌片流向铜片 D．柠檬汁液中的向锌片一侧迁移 【典例7】用导线相连的铁片与铜片同时浸泡在溶液中，下列说法正确的是 A．电流从铜片流出，经导线流向铁片 B．电子从铁片流出，经溶液转移到铜片 C．铁片发生氧化反应，因此是阳极 D．溶液中减少，而增多 【典例8】在如图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，下列关于此装置的叙述不正确的是(　　) A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大 B．a是正极，b是负极 C．导线中有电子流动，电子从a极到b极 D．a极上发生了氧化反应 【变式3-1】如图是课外活动小组设计用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法正确的是 A．溶液变成蓝色 B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换 C．如果将硫酸换成硫酸铜，导线中不会有电子流动 D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向改变 【变式3-2】理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。某同学利用反应“”设计了一个化学电池(如图所示)。该电池在外电路中，电流从a极流向b极。下列说法正确的是    A．电极b的电极材料为铜，电极反应式为 B．电极a的电极材料可以为Ag，也可以是石墨或铁 C．c溶液为AgNO3溶液，放电时向b极移动 D．装置放电时主要将电能转化为化学能 【变式3-3】如图为某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。请根据原电池原理回答问题： （1）若电极a为Zn、电极b为Ag、电解质溶液为硝酸银，该原电池工作时，负极的电极反应式为 ，向 极(填a或b)移动。 （2）若电极a为Fe、电极b为Ag、电解质溶液为浓硝酸，则Ag为 ，(填正极或负极)外电路中电子流动方向 。(用Fe、Ag表示) （3）用反应，设计一个原电池。负极材料 选用电解液为 ◆题型04 钢铁的电化学腐蚀原理及其应用 知识积累 1.电化学腐蚀 不纯的金属跟电解质溶液接触，发生原电池反应，较活泼的金属失去电子被氧化的腐蚀。 2.钢铁的电化学腐蚀 电解质溶液 钢铁表面水膜中含有H＋和OH－，还溶有O2等气体 电极 负极 材料：Fe，电极反应：2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极 材料：C，电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 总反应 2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，进一步被氧化，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，Fe(OH)3易脱水生成铁锈(Fe2O3·xH2O) 【典例9】（22-23·高一下·江苏淮安市高中校协作体·期中）钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：2Fe＋2H2O＋O2=2Fe(OH)2。以下说法正确的是(　　) A．负极发生的反应为：Fe－2e－=Fe2＋ B．正极发生的反应为：2H2O＋O2＋2e－=4OH－ C．原电池是将电能转变为化学能的装置 D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀 【典例10】暖宝宝是一种可供取暖的工具，其内主要成分为铁粉、活性炭、无机盐、水等。在使用时，去掉外袋，让内袋(无纺布袋)暴露在空气里产生热量，下列说法错误的是 A．暖宝宝工作时，存在化学能转化为热能的过程 B．暖宝宝工作时，发生了氧化还原反应 C．暖宝宝工作时，铁粉、活性炭、无机盐、水构成了原电池 D．暖宝宝工作时，活性炭为原电池的负极 【变式4-1】如图装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和盐酸，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是 A．生铁块中的碳是原电池的正极 B．红墨水柱两边的液面变为左低右高 C．两试管中相同的电极反应式是Fe - 2e- = Fe2＋ D．a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀 【变式4-2】某实验小组为研究铁的腐蚀与防护，设计如图所示的实验装置。下列说法正确的是    A．图1：a点的电极反应式为 B．图1：b点溶液变红 C．图2：若d为锡，则为牺牲阳极的阴极保护法 D．图2：若d为石墨，两个实验均为铁的吸氧腐蚀 【变式4-3】下列现象与电化学腐蚀无关的是 A．固定铜板的铁螺丝易生锈 B．铜线和铝线不能直接对接 C．铝片可以露置在空中保存 D．“暖宝宝”撕开包装迅速发热 ◆题型05 原电池工作原理的应用 知识积累 1．原电池能加快氧化还原反应的速率 （1）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。 （2）实例：实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。 2．原电池能比较金属活泼性强弱 （1）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。 （2）实例：由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验 装置 现象 二价金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生 （1）装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。 （2）装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。 （3）四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。 3．根据氧化还原反应设计原电池 （1）依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(即电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。 （2）选择合适的材料 ①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。 ②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应。 【典例11】少量铁粉与100 mL 0.01 mol·L-1的稀盐酸反应，反应太慢。为了加快该反应的化学反应速率且不改变H2的产量，可以使用如下方法中的 A．加H2O B．滴入几滴浓HNO3 C．改用10 mL 0.1 mol·L-1盐酸 D．加少量CuSO4溶液 【典例12】将a、b、c3种金属浸入稀盐酸中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连，b上有气泡逸出；a、c相连，c质量减少。则3种金属的活动性顺序由大到小排列为 A．a>b>c B．c>a>b C．a>c>b D．b>a>c 【变式5-1】常温下，设计下列四种原电池，对电流计指针偏转方向(偏向负极)的判断正确的是 选项 电极材料 电解质溶液 电流计指针偏转方向 A Fe、Cu 稀硫酸 偏向Fe B Al、Cu 浓硝酸 偏向Al C Al、Cu NaOH溶液 不偏向一方 D Fe、Cu 氯化铁溶液 偏向Cu 【变式5-2】有A、B、C、D四块未知金属片，欲判断其金属活动性顺序，进行如下实验，根据电流表指针偏转方向，可以获知： ①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极； ②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C； ③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡； ④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。 据此，判断四种金属的活动性顺序是 A．A>B>C>D B．C>A>B>D C．A>C>D>B D．B>D>C>A 【变式5-3】化学反应与能量变化是化学研究的重要问题，根据相关材料分析回答： （1）已知断开1mol下列物质中的化学键需要吸收的能量如下表： 物质 N2 O2 NO 吸收的能量 946kJ 498 kJ 632kJ 根据以上数据判断：N2 + O2 = 2NO属于___________反应(填“放热”或“吸热”)。 （2）符合某些特征的化学反应理论上都可以设计成原电池。下列化学反应___________(填字母)不能设计成原电池，原因是___________________________________________。 A．CH4+2O2=CO2+2H2O B．Fe+CuSO4=FeSO4+Cu C．2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O D．Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O （3）把A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验。 装置 电子从A到B C电极的质量增加 二价金属D不断溶解 根据表中信息判断四种金属活动性由大到小的顺序是___________；写出装置乙中正极的电极反应式：___________________________________________________。 （4）锂离子电池已经成为新一代实用的蓄电池，它具有能量密度大、电压高的特性。某锂离子电池放电时电极反应如下： 负极Li-e-= Li＋， 正极Li1-xMnO2＋xLi＋＋xe-=LiMnO2 该锂离子电池放电时电池的反应方程式为___________________________________。 ◆题型06 常见的一次电池分析 知识积累 干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充 ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂（吸收正极放出的H2，防止产生极化现象）。 电极反应： 负极：Zn＝Zn2+＋2e－ 正极：2NH4+＋2e－＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O 正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+ 淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。 电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O 干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。 【典例13】如图所示为普通锌锰电池的组成和结构示意图，其中负极材料是 A．石墨棒 B．MnO2 C．NH4Cl D．锌筒 【变式6-1】普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作为电极，中央插一根石墨棒，石墨棒顶端加一铜帽。在石墨棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn+2NH+2MnO2= [Zn(NH3)2]2++2MnO(OH)。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是    A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原 B．电池负极反应为2MnO2+2NH+2e-=Mn2O3+2NH3+H2O C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极 D．外电路中每通过0.1 mol 电子，锌的质量理论上减少6.5 g ◆题型07 二次电池分析 知识积累 它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电）、再由电能转变为化学能（充电）的循环。 ①铅蓄电池 　　铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 放电电极反应： 负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)； 正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l) 充电电极反应： 阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)； 阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq) 电池总反应式： Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)2PbSO4(s) +2H2O(l) 铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。 铅蓄电池的缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。 ②银锌蓄电池 　　银锌蓄电池是形似干电池的充电电池，其负极为锌，正极为附着Ag2O的银，电解液为40%的KOH溶液。电极反应： 放电电极反应： 负极：Zn-2e－+2OH-＝Zn(OH)2 正极：Ag2O+2e－+ H2O＝2Ag +2OH- 充电电极反应： 阳极：2Ag +2OH-－2e－= Ag2O+ H2O； 阴极：Zn(OH)2+2e－= Zn+2OH- 电池总反应式： Zn + Ag2O + H2OZn(OH)2+2Ag 　　 　 ③锂电池 　　元素周期表中IA族的锂（Li）——最轻的金属，也是活动性极强的金属，是制造电池的理想物质。锂电池是新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。 电极反应为： 负极：Li－e- ＝Li＋ 正极：MnO2＋Li＋ ＋e- ＝LiMnO2 总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2 【典例14】如图是铅酸蓄电池的构造示意图，下列说法错误的是 A．铅酸蓄电池是二次电池，充电时电能转化为化学能 B．该电池工作时，电子由板通过外电路流向板 C．该电池工作时，负极的电极反应式为 D．该电池工作时，移向板 【典例15】I.能源是现代文明的原动力，化学电池在生产生活中有着广泛的应用。 （1）根据构成原电池的本质判断，下列反应可以设计成原电池的是 (填序号)。 A．CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(aq) B．NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) C．2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) D．Fe(s)+2FeCl3(aq)=3FeCl2(aq) Ⅱ.高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。 （2）放电时负极反应为 。 （3）放电时正极附近溶液的碱性 (填“增强”或“减弱”或“不变”)。 （4）放电时每转移 mol电子，正极有1molK2FeO4被还原。 Ⅲ.回答下列问题： （5）科学家研发出一种有利于“碳中和”的新电池系统，通过二氧化碳溶于水触发电化学反应，其工作原理如图所示(钠超离子导体只允许Na+通过)。系统工作时，下列有关说法中错误的是 。 A．Na+将从a极移动到b极 B．该电池的电解液可以换成更易导电的饱和NaCl溶液 C．b极区可能会发生Na++HCO=NaHCO3↓ D．b极区每生成1molH2转移2mol电子 Ⅳ.中国科学技术大学开发了一种高性能的水系锰基锌电池。其工作原理如图所示，已知该装置工作一段时间后，K2SO4溶液的浓度增大。 （6）正极的电极反应式为 。 （7）a膜为 (填“阳离子”或“阴离子”，下同)交换膜，b膜为 交换膜。 【变式7-1】化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用，下列说法错误的是             图Ⅰ原电池 图Ⅱ碱性锌锰电池 图Ⅲ铅—硫酸蓄电池 图Ⅳ银锌纽扣电池 A．图Ⅰ：SO向Fe电极方向移动 B．图Ⅱ：锌作负极反应物，发生氧化反应 C．图Ⅲ：电池放电过程中，负极质量不断减少，正极质量不断增加 D．图Ⅳ：正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH- 【变式7-2】一种铁-空气电池的电池反应为：，原理如图所示，下列有关该电池的说法正确的是 A．b极为电池正极，发生氧化反应 B．当电路中转移电子时，消耗 C．a极的电极反应式为： D．电子由a极经负载流向b极，再经NaOH溶液回到a极 【变式7-3】锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高等优点而受到了重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应为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－===MnO D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋ ◆题型08 燃料电池分析 知识积累 1.氢氧燃料电池：氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为： 负极：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e－， 正极：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O 2.甲烷氧燃料电池：该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为： 负极：CH4＋10OH－＝CO32－＋7H2O＋8e－ 正极：2O2＋4H2O＋8e－＝8OH－ 电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 【注意】燃料电池的特点 （1）燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的热能直接转变为电能。 （2）燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。 （3）燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水;以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。 （4）燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。 3.燃料电池的电极反应式的书写 （1）写出电池总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。 （2）写出电池的正极反应式 无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，正极一般都是O2发生还原反应，若在碱性条件下，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，若在酸性条件下，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 （3）写出电池的负极反应式 负极反应式＝总反应式－正极反应式。 【特别提醒】书写电极反应式时应注意： （1）两极得失电子数相等。 （2）电极反应常用“=”，不用“→” （3）电极反应中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”。 【典例16】氢氧燃料电池构造如图所示。其电池反应方程式为：，下列说法不正确的是 A．多孔金属a作负极 B．多孔金属b上，发生还原反应 C．电池工作时，电解质溶液中移向a极 D．正极的电极反应为： 【典例17】燃料电池近几年发展迅速，如图是科学家利用页岩气设计的一种固态(熔盐)燃料电池工作示意图。下列说法错误的是 A．电极材料采用石墨烯，吸附甲烷的电极为负极，发生氧化反应 B．通入氧气的电极上电极反应式为 C．电池工作时，向通甲烷的电极一侧移动 D．该电池的优点是二氧化碳可循环利用，不会释放温室气体 【变式8-1】如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的 A．H+从左侧经过质子交换膜移向右侧 B．该电池的负极反应式为C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2↑+12H+ C．电子经过导线由O2所在的铂电极流入 D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量 【变式8-2】某燃料电池装置如图所示，则有关该电池的说法不正确的是    A．根据电子移动方向，可知a极为电池的负极 B．该电池的总反应可表示为：2H2+O2=2H2O C．b极发生的电极反应：O2+ 4e-+ 2H2O=4OH- D．溶液中OH-由a极向b极移动 【变式8-3】完成下列问题。 （1）若需将反应：Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+设计成如下图所示的原电池装置。则A(正极)极材料为___________，B(负极)极材料为___________，溶液C为___________，A(正极)电极上发生反应的类型为___________(填“氧化”或“还原”)反应，B(负极)电极上发生的电极反应为___________________________________，当有1.6g铜溶解时，通过外电路的电子的物质的量为___________。 （2）某种氢氧燃料电池是用稀硫酸作电解质溶液，其装置如下图。则电极a是电池的___________(填“正”或“负”)极，该电池正极的电极反应式为___________________________。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题03 化学能与电能的转化 ◆题型01 化学能与其他形式能量的转化 ◆题型02 原电池的构成 ◆题型03 原电池的工作原理 ◆题型04 钢铁的电化学腐蚀原理及其应用 ◆题型05 原电池的工作原理的应用 ◆题型06 常见的一次电池分析 ◆题型07 二次电池分析 ◆题型08 燃料电池分析 ◆题型01 化学能与其他形式能量的转化 【典例1】下列过程中，将化学能转化为电能的是 A．电厂火力发电 B．硅太阳能电池发电 C．天然气烧水 D．风力发电 【答案】A 【解析】A．电厂火力发电，是将化学能转化为电能，A正确；B．硅太阳能电池发电，是将太阳能转化为电能，B错误；C．天然气烧水，是将化学能转化为热能，C错误；D．风力发电，是将风能转化为电能，D错误；答案选A。 【典例2】下列叙述不正确的是（    ） A．我们日常使用的电能主要来自火力发电 B．火力发电过程中，化学能经过一系列能量转化过程，间接转化为电能 C．火力发电是将燃料中的化学能直接转化为电能的过程 D．在火力发电过程中，化学能转化为热能实际上是氧化还原反应发生的过程，伴随着能量的变化 【答案】C 【解析】A.我们日常使用的电能主要来自火力发电，故A正确；B.火力发电的能量转化过程为：化学能热能机械能电能，故B正确；C.火力发电是将燃料中的化学能间接转化为电能的过程，故C错误；D.在火力发电过程中，燃料的燃烧实际上是氧化还原反应，伴随着能量的变化，故D正确；故选C。 【变式1-1】火力发电和水力发电是获取电能的两种方式。凉山是“水电王国”，全国在建和已建成的水电装机在千万千瓦以上的巨型水电站有4个，其中3个(溪洛渡水电站、白鹤滩水电站和乌东德水电站)在凉山。下列说法不正确的是 A．火力发电用的煤是不可再生能源 B．煤经过气化和液化两个化学变化，可变为清洁能源 C．电能是一种清洁、高效、便捷的一次能源 D．科学规划开发水电，可助力实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标 【答案】C 【解析】A．火力发电用的煤是化石能源，煤是不可再生能源，故A正确；B．煤经过气化和液化两个化学变化，可变为清洁能源，故B正确；C．电能是一种清洁、高效、便捷的二次能源，故C错误；D．科学规划开发水电，能降低化石燃料的消耗，可助力实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标，故D正确；选C。 【变式1-2】能量之间可相互转化。关于化学能与其他能量相互转化的说法正确的是 A．化学反应中能量变化的主要原因是化学键的断裂与生成 B．化石燃料是可再生能源，燃烧时将化学能转变为热能 C．如图I所示的装置能将化学能转变为电能 D．金刚石转化为石墨能量变化如图II所示，则金刚石比石墨稳定 【答案】A 【解析】A．化学键的断裂和生成使化学反应中有能量变化，化学反应中能量变化的主要原因是化学键的断裂和生成，故A正确； B．化石燃料是不可再生性能源，故B错误； C．图Ⅰ中没有构成闭合回路，则不能将化学能转变为电能，故C错误； D．图Ⅱ中反应物总能量大于生成物总能量，则石墨能量更低，更稳定，故D错误； 故选A。 ◆题型02 原电池的构成 知识积累 原电池的构成条件——“两极一液一线一反应” （1）两极——两种活泼性不同的金属(或一种为能导电的非金属)。 （2）一液——电解质溶液。 （3）一线——形成闭合回路。 （4）一反应——能自发进行的氧化还原反应。 注意：构成原电池的两电极材料不一定都是金属，正极材料可以为导电的非金属，例如石墨。两极材料可能参与反应，也可能不参与反应。两个活泼性不同的金属电极用导线连接，共同插入电解质溶液中不一定构成原电池，必须有一个能自发进行的氧化还原反应。 【典例3】如图所示的装置能够组成原电池产生电流的是(　　) A． B． C． D． 【答案】B 【分析】根据原电池的构成条件分析，原电池的构成条件是：①有两个活泼性不同的电极，②将电极插入电解质溶液中，③两电极间构成闭合回路，④能自发的进行氧化还原反应。 【解析】A．两个电极材料相同，不能够组成原电池且产生电流，选项A错误； B．符合原电池的构成条件，Fe为负极，有电流产生，选项B正确； C．Zn与稀盐酸直接反应，没有形成闭合回路，不能形成原电池，选项C错误； D．酒精是非电解质，选项D错误； 答案选B。 【典例4】如图所示装置中，观察到M棒变粗，N棒变细，由此判断下表中所列M、N、P物质，其中可以成立的是 选项 M N P A 银 锌 硝酸银溶液 B 铜 铁 稀盐酸 C 锌 铜 稀硫酸溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 【答案】A 【解析】该装置没有外接电源，所以是原电池，负极材料比正极材料活泼，且负极材料是随着反应的进行质量减少，正极材料质量增加，根据题意可知，N极是负极，M极是正极，N极材料比M极活泼，以此来解析； A．N为锌，M为银，N极材料比M极材料活泼，M极上有银析出，所以M质量增加，A符合题意； B．M极发生的反应为2H++2e-=H2↑，有气体生成，M质量不变，B不符合题意； C．M为锌，N为铜，M极材料比N极活泼，C不符合题意； D．M为锌，N为铁，M极材料比N极活泼，D不符合题意； 故选A。 【典例5】某同学设计了下图所示两个实验装置(图I､图II中除连接的铜棒不同外，其他均相同)，有关说法正确的是 A．图I中温度计的示数高于图II的示数 B．图I和图II中温度计的示数相等，且均高于室温 C．图I中锌棒溶解的速率比图II的快 D．图I和图II的气泡均产生于锌棒表面 【答案】A 【解析】A项，图Ⅰ中为Zn和稀硫酸反应，为放热反应，图Ⅱ中构成原电池，化学能没有全部转化为热能，大多数转化为电能，所以图Ⅰ温度计示数高于图Ⅱ，正确；B项，图Ⅱ因构成原电池，大部分化学能转化成电能，温度计的示数低于图Ⅰ，错误；C项，图Ⅱ中构成原电池，反应速率更快，锌棒溶解速率更快，错误；D项，图Ⅰ气泡产生于锌棒表面，图ⅡCu为正极，气泡产生于Cu表面，错误。 【变式2-1】下列装置能构成原电池的是 A．B．C．D．   【答案】B 【解析】A．没有形成闭合回路，所以不能构成原电池，A错误；B．有自发进行的氧化还原反应、活泼性不同的电极、电解质溶液和闭合回路，符合原电池的构成原理和条件，B正确；C．四氯化碳不是电解质溶液，C错误；D．没有形成闭合回路，所以不能构成原电池，D错误；故选B。 【变式2-1】下列说法正确的是 A．构成原电池正极和负极的材料必须是金属 B．实验室欲快速制取氢气，可利用粗锌与稀硫酸反应 C．在原电池中，电子流出的一极是负极，该电极被还原 D．原电池可以把物质内部的能量全部转化为电能 【答案】B 【解析】A．构成原电池正极和负极的材料必须导电，如石墨、金属等，不一定必须是金属才行，故A错误； B．粗锌含有杂质，在酸性条件下形成原电池，加速反应，故粗锌与稀硫酸反应制取氢气快，故B正确； C．在原电池中，负极失电子，被氧化，电子从负极流出，故C错误； D．原电池是将化学能转化为电能的装置，单质还存在热量等的产生，故D错误； 故选B。 【变式2-2】将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是 A．产生气泡的速率甲比乙慢 B．两烧杯中溶液的酸性均减弱 C．甲中铜片作正极，乙中铜片作负极 D．两烧杯中铜片表面均无气泡产生 【答案】B 【解析】 A．甲构成原电池，产生气泡的速率甲比乙快，故A错误； B．两烧杯中的总反应都是，硫酸浓度减小，溶液的酸性均减弱，故B正确； C．甲构成原电池，锌的活泼性大于铜，甲中铜片作正极；乙没有构成原电池，故C错误； D．甲构成原电池，锌的活泼性大于铜，甲中铜片作正极，正极反应为，甲中铜片表面有气泡产生，故D错误； 选B。 【变式2-3】（1）如图是某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。 请回答下列问题： ①当电极a为Al、电极b为Cu、电解质溶液为稀硫酸时，正极的电极反应式为____________________，当电路中有0.2 mol电子通过时，负极的质量减少________ g。 ②当电极a为Al、电极b为Mg、电解质溶液为氢氧化钠溶液时，该装置________(填“能”或“不能”)形成原电池，若不能，请说明理由，若能，请指出正、负极：_______________________________。 （2）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两电极间连接一个电流表。 ①锌片上发生的电极反应为_______________________________; ②银片上发生的电极反应为_______________________________。 ③若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量为47 g，试计算： a．产生氢气的体积(标准状况)________。 b．通过导线的电量________。(已知 NA＝6.02×1023 mol－1，电子电荷为1.60×10－19 C) 【答案】（1）①2H＋＋2e－===H2↑　1.8 ②能　正极为镁，负极为铝 （2）①Zn－2e－===Zn2＋　②2H＋＋2e－===H2↑ ③4.48 L　 3.9×104 C 【解析】（1）①a为Al，b为Cu，电解质溶液为稀硫酸时，电池总反应的离子方程式为2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑，当转移0.2 mol电子时，负极反应的Al的质量为 m(Al)＝ mol×27 g·mol－1＝1.8 g；②当a为Al，b为Mg，电解质溶液为NaOH溶液时，电池总反应的离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑，负极为Al，正极为Mg。（2）①在锌片、银片、稀硫酸组成的原电池中，锌片作负极，其电极反应为Zn－2e－===Zn2＋；②银片作正极，其电极反应为2H＋＋2e－===H2↑。电池总反应式为Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。③根据电极反应式找出已知量与电量之间的定量关系进行计算。a．锌片与银片减少的质量等于生成氢气所消耗的锌的质量，设产生的氢气在标准状况下的体积为 x 。 Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑ 65 g　　 　　　　22.4 L (60－47) g　　　　x x＝4.48 L b．反应消耗的锌的物质的量为＝0.20 mol，1 mol Zn变为Zn2＋时，转移2 mol e－，则导线中通过的电量为0.20 mol×2×6.02×1023 mol－1×1.6×10－19 C≈3.9×104 C。 ◆题型03 原电池的工作原理 知识积累 1．原电池工作原理 （1）装置示意图： （2）工作原理(以铜、锌、稀硫酸原电池为例) 知识要点 实例 电极 构成 负极：还原性相对较强的金属 正极：还原性相对较弱的金属或导电非金属 锌板——负极 铜板——正极 电极 反应 负极：失去电子，氧化反应 正极：得到电子，还原反应 负极：Zn－2e－===Zn2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2 电子流 向、电 流方向 外电路：电子由负极流向正极，电流方向相反； 内电路：阴离子移向负极，阳离子移向正极，电流由负极流向正极 外电路：电子由锌板经导线流向铜板 内电路：SO移向锌板(负极)；Zn2＋移向铜板(正极) 电极反应式与 总反应式的关系　　 两个电极反应式相加，即得总反应式 负极：Zn－2e－===Zn2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2 总反应式：Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2 2．原电池的正、负极的判断方法 （1）根据电极材料：较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。 （2）根据电流方向或电子流动方向：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。 （3）根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。 （4）根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。 （5）根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。 3．原电池电极反应式的书写 （1）一般电极反应式的书写，以离子方程式形式表示。 ①书写步骤 A.列物质，标得失：按照负极氧化反应，正极还原反应，判断电极反应物、生成物，标出电子得失。 B.看环境，配守恒：电极产物在电解质溶液的环境中应能稳定存在，如酸性介质中，OH－不能存在，应生成水；碱性介质中，H＋不能存在，应生成水；电极反应式同样要遵循电荷守恒、原子守恒、得失电子守恒。 C.两式加，验总式：正负极反应式相加，与总反应离子方程式验证。 ②常见介质 常见介质 注意事项 中性溶液 反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离 酸性溶液 反应物或生成物中均没有OH－ 碱性溶液 反应物或生成物中均没有H＋ 水溶液 不能出现O2－ （2）利用总反应式书写电极反应式 ①根据总反应式，找出氧化剂、还原剂、氧化产物和还原产物。 ②确定介质的酸碱性或者其它特性。 ③按照负极反应：还原剂-ne-=氧化产物 正极反应：氧化剂+ne-=还原产物，书写电极反应式。 ④书写技巧：若某电极反应式较难写出时，可先写出较易写的电极反应式，然后根据得失电子守恒，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。 【典例6】将锌片和铜片按图示方式插入柠檬中，电流计指针发生偏转。下列关于该装置的说法正确的是 A．铜片为负极 B．一段时间后，锌片质量减小 C．电子通过柠檬汁液由锌片流向铜片 D．柠檬汁液中的向锌片一侧迁移 【答案】B 【分析】铜片、锌片和柠檬组成原电池装置，其中活泼金属Zn作负极，发生失电子的氧化反应，Cu作正极，发生的电子的还原反应； 【解析】A．该装置中活泼金属Zn作负极，故A错误；B．活泼金属Zn作负极，发生失电子的氧化反应，不断被消耗，质量逐渐减小，故B正确；C．电子由负极沿着导线移向正极，故C错误；D．原电池装置中阳离子移向正极，故D错误；答案选B。 【典例7】用导线相连的铁片与铜片同时浸泡在溶液中，下列说法正确的是 A．电流从铜片流出，经导线流向铁片 B．电子从铁片流出，经溶液转移到铜片 C．铁片发生氧化反应，因此是阳极 D．溶液中减少，而增多 【答案】A 【解析】用导线相连的铁片与铜片同时浸泡在溶液中，构成原电池，铁作负极，铜作正极，负极铁失电子变为亚铁离子，电极反应式为：Fe-2e-=Fe2+，正极铜离子得电子变为单质铜，电极反应式为：Cu2++2e-=Cu。 A．电流由正极经导线流向负极，即电流从铜片流出，经导线流向铁片，A正确； B．电子从负极经导线流向正极，即电子从铁片流出，经导线转移到铜片，电子不能经过电解质溶液，B错误； C．铁失电子，作还原剂，发生氧化反应，作负极，C错误； D．原电池的总反应为：Fe+Cu2+=Fe2++Cu，溶液中Cu2+减少，Fe2+增多，D错误； 答案选A。 【典例8】在如图所示的装置中，a的金属活泼性比氢要强，b为碳棒，下列关于此装置的叙述不正确的是(　　) A．碳棒上有气体放出，溶液pH变大 B．a是正极，b是负极 C．导线中有电子流动，电子从a极到b极 D．a极上发生了氧化反应 【答案】B 【分析】 a的金属性比氢要强，b为碳棒，所以a是负极，b碳棒是正极； 【解析】 A．碳棒是正极，在正极发生的反应是：2H++2e-=H2↑，溶液中的氢离子浓度减少，溶液的pH变大，故A正确； B．a的金属性比氢要强，b为碳棒，所以a是负极，b碳棒是正极，故B错误； C．在原电池的外电路中，电子由负极经导线流向正极，即电子从a极经导线到b极，故C正确； D．a的金属性比氢要强，b为碳棒，所以a是负极，负极上发生金属失电子的氧化反应，故D正确； 答案选B。 【变式3-1】如图是课外活动小组设计用化学电源使LED灯发光的装置。下列说法正确的是 A．溶液变成蓝色 B．装置中存在“化学能→电能→光能”的转换 C．如果将硫酸换成硫酸铜，导线中不会有电子流动 D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向改变 【答案】B 【解析】A．该装置组成锌铜原电池，锌作负极失去电子变成锌离子，铜作正极，铜本身不参与反应，溶液不会变成蓝色，A项错误；B．原电池是化学能转化为电能的装置，原电池产生的电能在电路中转化为LED灯的光能，所以装置中存在“化学能→电能→光能”的转换，B项正确；C．如果将硫酸换成硫酸铜，仍能形成原电池，导线中会有电子流动，C项错误；D．如果将锌片换成铁片，铁比铜活泼，铁仍旧作负极，电路中的电流方向不改变，D项错误；故选B。 【变式3-2】理论上讲，任何自发的氧化还原反应都可以设计成原电池。某同学利用反应“”设计了一个化学电池(如图所示)。该电池在外电路中，电流从a极流向b极。下列说法正确的是    A．电极b的电极材料为铜，电极反应式为 B．电极a的电极材料可以为Ag，也可以是石墨或铁 C．c溶液为AgNO3溶液，放电时向b极移动 D．装置放电时主要将电能转化为化学能 【答案】A 【解析】A．由外电路中，电流从a极流向b极。则电极b是电池的负极，由总反应可知，Cu作负极失去电子，电极反应为，A正确；B．电极a为电池的正极，为比Cu活泼性弱的金属或能导电的非金属，Ag或石墨正确，但不能为铁，B错误；C．c溶液为AgNO3溶液，向正极移动，即向电极a移动，C错误；D．装置放电时主要将化学能转化为电能，D错误；故选A。 【变式3-3】如图为某化学兴趣小组探究不同条件下化学能转变为电能的装置。请根据原电池原理回答问题： （1）若电极a为Zn、电极b为Ag、电解质溶液为硝酸银，该原电池工作时，负极的电极反应式为 ，向 极(填a或b)移动。 （2）若电极a为Fe、电极b为Ag、电解质溶液为浓硝酸，则Ag为 ，(填正极或负极)外电路中电子流动方向 。(用Fe、Ag表示) （3）用反应，设计一个原电池。负极材料 选用电解液为 【答案】（1） a （2）正极 AgFe （3）铜 FeCl3溶液 【解析】（1）若电极a为Zn、电极b为Ag，由于金属活动性：Zn＞Ag，所以在Zn、Ag及稀H2SO4构成的原电池中，Zn为负极，Zn失去电子变为Zn2+进入溶液，负极反应为；Ag为正极，在正极上溶液中的H+得到电子被还原变为H2逸出，正极的电极反应式为：2H++2e-=H2↑；根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，阴离子向正电荷较多的负极a电极方向定向移动； （2）若电极a为Fe、电极b为Ag，电解质溶液为浓硝酸，由于铁在浓硝酸里钝化，所以银做负极，外电路中电子从银流向铁，即电子流动方向为AgFe； （3）反应Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2是氧化还原反应，由于Cu在反应中失去电子，因此Cu为负极材料，活动性比Cu弱的金属或能够导电的非金属单质为正极，在正极上Fe3+得到电子，被还原变为Fe2+，电解质溶液为含有Fe3+的FeCl3溶液。 ◆题型04 钢铁的电化学腐蚀原理及其应用 知识积累 1.电化学腐蚀 不纯的金属跟电解质溶液接触，发生原电池反应，较活泼的金属失去电子被氧化的腐蚀。 2.钢铁的电化学腐蚀 电解质溶液 钢铁表面水膜中含有H＋和OH－，还溶有O2等气体 电极 负极 材料：Fe，电极反应：2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极 材料：C，电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 总反应 2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2，进一步被氧化，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，Fe(OH)3易脱水生成铁锈(Fe2O3·xH2O) 【典例9】（22-23·高一下·江苏淮安市高中校协作体·期中）钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：2Fe＋2H2O＋O2=2Fe(OH)2。以下说法正确的是(　　) A．负极发生的反应为：Fe－2e－=Fe2＋ B．正极发生的反应为：2H2O＋O2＋2e－=4OH－ C．原电池是将电能转变为化学能的装置 D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀 【答案】A 【分析】钢铁中含有铁和碳，在潮湿的环境中构成原电池，铁作负极，碳作正极。 【解析】A、根据反应方程式知，负极反应式为Fe-2e-=Fe2+，正确； B、正极上氧气得电子生成氢氧根离子，则正极发生的反应为：2H2O+O2+4e-=4OH-，错误； C、原电池是将化学能转变为电能的装置，错误； D、氧气在水中的溶解度较小，在水下部分比在空气与水交界处更难腐蚀，错误； 故选A。 【典例10】暖宝宝是一种可供取暖的工具，其内主要成分为铁粉、活性炭、无机盐、水等。在使用时，去掉外袋，让内袋(无纺布袋)暴露在空气里产生热量，下列说法错误的是 A．暖宝宝工作时，存在化学能转化为热能的过程 B．暖宝宝工作时，发生了氧化还原反应 C．暖宝宝工作时，铁粉、活性炭、无机盐、水构成了原电池 D．暖宝宝工作时，活性炭为原电池的负极 【答案】D 【分析】由题给信息可知，暖宝宝工作时，铁粉在活性炭、无机盐、水等参与下被氧化，整个装置是个原电池，铁为负极、碳粉为正极，无机盐和水可形成电解液，暖宝宝工作时存在无数微小的原电池，铁在负极失去电子反应被氧化，氧气在正极得到电子被还原，反应过程中放出热量。 【解析】A．据分析，暖宝宝工作时，存在化学能转化为热能的过程，A正确； B． 暖宝宝工作时，铁被氧化，氧气是氧化剂被还原，则发生了氧化还原反应，B正确； C．据分析， 暖宝宝工作时，铁粉、活性炭、无机盐、水构成了原电池，C正确； D． 暖宝宝工作时，铁粉为原电池的负极，活性炭为原电池的正极，D不正确； 答案选D。 【变式4-1】如图装置中，U形管内为红墨水，a、b试管内分别盛有食盐水和盐酸，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是 A．生铁块中的碳是原电池的正极 B．红墨水柱两边的液面变为左低右高 C．两试管中相同的电极反应式是Fe - 2e- = Fe2＋ D．a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀 【答案】B 【分析】生铁中含有铁和碳，铁、碳和电解质溶液构成了原电池，较活泼的金属铁作负极，碳作正极，负极上铁失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应；a试管中是中性溶液，发生吸氧腐蚀，b试管中是酸性溶液，发生析氢腐蚀。 【解析】A．由分析可知，生铁块中的碳是原电池的正极，A正确； B．a试管中是中性溶液，发生吸氧腐蚀，b试管中是酸性溶液，发生析氢腐蚀，所以a试管内气体的氧气减少，压强减小，b试管内气体的压强增大，导致U型管内红墨水左高右低，B错误； C．a试管中发生吸氧腐蚀，b试管中发生析氢腐蚀，负极上均发生电极反应Fe-2e-=Fe2＋，C正确； D．由分析可知，a试管中发生吸氧腐蚀，b试管中发生析氢腐蚀，D正确； 故选B。 【变式4-2】某实验小组为研究铁的腐蚀与防护，设计如图所示的实验装置。下列说法正确的是    A．图1：a点的电极反应式为 B．图1：b点溶液变红 C．图2：若d为锡，则为牺牲阳极的阴极保护法 D．图2：若d为石墨，两个实验均为铁的吸氧腐蚀 【答案】D 【解析】A．a点氧气得电子产生，电极反应式为，A错误； B．a点产生，能使酚酞变红，b点被溶液覆盖，氧气含量少，不易发生吸氧腐蚀，短时间内b点溶液不会变红，B错误； C．锡活泼性位于铁之后，铁作负极失电子，并没有被保护，C错误； D．两个实验的电解质溶液均为中性，正负极材料相同，均发生铁的吸氧腐蚀，D正确； 故选D。 【变式4-3】下列现象与电化学腐蚀无关的是 A．固定铜板的铁螺丝易生锈 B．铜线和铝线不能直接对接 C．铝片可以露置在空中保存 D．“暖宝宝”撕开包装迅速发热 【答案】C 【解析】A．铁、铜、潮湿的空气构成原电池，属于电化学腐蚀，A错误； B．铜、铝、潮湿的空气构成原电池，属于电化学腐蚀，B错误； C．铝片在空气中易形成致密的氧化物保护膜，与电化学无关，C正确； D．“暖宝宝”中铁粉、碳粉、氯化钠、水构成原电池，反应放热，属于电化学腐蚀，D错误； 故选C。 ◆题型05 原电池工作原理的应用 知识积累 1．原电池能加快氧化还原反应的速率 （1）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。 （2）实例：实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气时，可滴入几滴硫酸铜溶液，形成原电池，加快反应速率。 2．原电池能比较金属活泼性强弱 （1）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。 （2）实例：由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验 装置 现象 二价金属A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生 （1）装置甲中负极的电极反应式是A－2e－===A2＋。 （2）装置乙中正极的电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu。 （3）四种金属活动性由强到弱的顺序是D>A>B>C。 3．根据氧化还原反应设计原电池 （1）依据：已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(即电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。 （2）选择合适的材料 ①电极材料：电极材料必须导电。负极材料一般选择较活泼的金属材料，或者在该氧化还原反应中，本身失去电子的材料。 ②电解质溶液：电解质溶液一般能与负极反应。 【典例11】少量铁粉与100 mL 0.01 mol·L-1的稀盐酸反应，反应太慢。为了加快该反应的化学反应速率且不改变H2的产量，可以使用如下方法中的 A．加H2O B．滴入几滴浓HNO3 C．改用10 mL 0.1 mol·L-1盐酸 D．加少量CuSO4溶液 【答案】C 【解析】为了加快此反应速率而不改变H2的产量，少量铁粉完全反应，则可增大氢离子浓度、构成原电池、升高温度等来加快反应速率， A．加H2O，氢离子浓度减小，反应速率减慢，故A错误； B．加入少量浓HNO3，金属铁会和硝酸反应生成氮的氧化物气体，故B错误； C．改用10 mL 0.1 mol·L-1盐酸n(H+)不变，H2的产量不变，氢离子浓度增大，可加快该反应的化学反应速率，故C正确； D．滴入几滴硫酸铜溶液，构成原电池，反应速率加快，但Fe少量，导致生成的氢气减少，故D错误； 故选：C。 【典例12】将a、b、c3种金属浸入稀盐酸中，用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连，b上有气泡逸出；a、c相连，c质量减少。则3种金属的活动性顺序由大到小排列为 A．a>b>c B．c>a>b C．a>c>b D．b>a>c 【答案】B 【解析】以稀盐酸为电解质溶液的原电池中，金属活动性强的作负极，金属活动性弱的作正极，若a、b相连，b上有气泡逸出，说明a作负极，b作正极，a的活动性比b强，a、c相连，c质量减少，说明c作负极，a作正极，c的活动性比a强，则3种金属的活动性顺序由大到小排列为：c>a>b，答案选B。 【变式5-1】常温下，设计下列四种原电池，对电流计指针偏转方向(偏向负极)的判断正确的是 选项 电极材料 电解质溶液 电流计指针偏转方向 A Fe、Cu 稀硫酸 偏向Fe B Al、Cu 浓硝酸 偏向Al C Al、Cu NaOH溶液 不偏向一方 D Fe、Cu 氯化铁溶液 偏向Cu 【答案】A 【解析】A．Fe、Cu和稀硫酸中，Fe作负极，故A符合题意； B．Al和浓硝酸发生钝化，故Cu作负极，故B不符合题意； C．Al和氢氧化钠溶液反应，故Al作负极，故C不符合题意； D．Fe比Cu活泼，故Fe作负极，故D不符合题意； 故选A。 【变式5-2】有A、B、C、D四块未知金属片，欲判断其金属活动性顺序，进行如下实验，根据电流表指针偏转方向，可以获知： ①A、B用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，A极为负极； ②C、D用导线相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，电流由D→导线→C； ③A、C相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，C极产生大量气泡； ④B、D相连后，同时浸入稀H2SO4溶液中，D极发生氧化反应。 据此，判断四种金属的活动性顺序是 A．A>B>C>D B．C>A>B>D C．A>C>D>B D．B>D>C>A 【答案】C 【分析】一般来说，在原电池中，较活泼的金属作负极，较不活泼的金属作正极。负极上失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应。放电时电流从正极流向负极，电子从负极流向正极，据此判断金属活动性顺序： 【解析】①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，A极为负极，所以活泼性A>B；②在原电池中，电子从负极流经外电路流向正极，C、D用导线相连后同时浸入稀硫酸中，电流由由D→导线→C，则电子由C→导线→D；则活泼性C>D；③A、C相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，C极产生大量气泡，说明C极是正极，所以活泼性A>C；④B、D相连后，同时浸入稀硫酸溶液中，D极发生氧化反应，说明D极是负极，所以活泼性D>B；综上所述可知四种金属活泼性由强到弱顺序是: A>C>D>B，故选C。 【变式5-3】化学反应与能量变化是化学研究的重要问题，根据相关材料分析回答： （1）已知断开1mol下列物质中的化学键需要吸收的能量如下表： 物质 N2 O2 NO 吸收的能量 946kJ 498 kJ 632kJ 根据以上数据判断：N2 + O2 = 2NO属于___________反应(填“放热”或“吸热”)。 （2）符合某些特征的化学反应理论上都可以设计成原电池。下列化学反应___________(填字母)不能设计成原电池，原因是___________________________________________。 A．CH4+2O2=CO2+2H2O B．Fe+CuSO4=FeSO4+Cu C．2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O D．Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O （3）把A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验。 装置 电子从A到B C电极的质量增加 二价金属D不断溶解 根据表中信息判断四种金属活动性由大到小的顺序是___________；写出装置乙中正极的电极反应式：___________________________________________________。 （4）锂离子电池已经成为新一代实用的蓄电池，它具有能量密度大、电压高的特性。某锂离子电池放电时电极反应如下： 负极Li-e-= Li＋， 正极Li1-xMnO2＋xLi＋＋xe-=LiMnO2 该锂离子电池放电时电池的反应方程式为___________________________________。 【答案】（1）吸热 （2）     C     反应没有电子转移(或不属于氧化还原反应或反应属于复分解反应) （3）     D＞A＞B＞C     Cu2+ + 2e- = Cu （4）Li1-xMnO2 + xLi = LiMnO2 【解析】（1）在N2 + O2 = 2NO中，需要断开1molN2和1molO2中的化学键，形成2molNO中的化学键，根据表中数据可以，断开1molN2和1molO2中的化学键需要吸收的能量为946kJ+498kJ=1444kJ，形成2molNO中的化学键放出的能量为632kJ×2=1264kJ，吸收的能量多于放出的能量，所以该反应属于吸热反应。 （2）只有自发的放热的氧化还原反应才能设计成原电池。A．CH4+2O2=CO2+2H2O是放热反应，也是自发的氧化还原反应，能设计成原电池；B．Fe+CuSO4=FeSO4+Cu是放热反应，也是自发的氧化还原反应，能设计成原电池；C．2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O不是氧化还原反应，不能设计成原电池；D．Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O是自发的放热的氧化还原反应，能设计成原电池；故选C。 （3）A和B相连浸入稀硫酸中，电子从A到B，即A为负极，则A比B活泼；B和C相连浸入硫酸铜溶液中，C电极质量增加，则在C上Cu2+得到电子转化为铜，则C为正极，所以B比C活泼；A和D相连浸入稀硫酸中，D不断溶解，则D为负极，失去电子转化为金属阳离子进入溶液，所以D比A活泼，综上所述，四种金属活泼性由大到小的顺序为D＞A＞B＞C。装置乙中C为正极，电极反应式为：Cu2+ + 2e- = Cu。 （4）将负极反应乘以系数x，和正极反应相加即可得到电池总反应：Li1-xMnO2 + xLi = LiMnO2。 ◆题型06 常见的一次电池分析 知识积累 干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充 ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂（吸收正极放出的H2，防止产生极化现象）。 电极反应： 负极：Zn＝Zn2+＋2e－ 正极：2NH4+＋2e－＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O 正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+ 淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。 电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O 干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。 【典例13】如图所示为普通锌锰电池的组成和结构示意图，其中负极材料是 A．石墨棒 B．MnO2 C．NH4Cl D．锌筒 【答案】D 【解析】A．氧化剂在石墨棒表面得电子发生还原反应，石墨棒是正极材料，故A错误；B．MnO2得电子发生还原反应，MnO2是正极反应物，故不选B；C．NH4Cl溶液能导电，NH4Cl是离子导体，故不选C；D．锌失电子发生氧化反应，锌筒是负极材料，故D正确；选D。 【变式6-1】普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒作为电极，中央插一根石墨棒，石墨棒顶端加一铜帽。在石墨棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn+2NH+2MnO2= [Zn(NH3)2]2++2MnO(OH)。下列关于锌锰干电池的说法中正确的是    A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原 B．电池负极反应为2MnO2+2NH+2e-=Mn2O3+2NH3+H2O C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极 D．外电路中每通过0.1 mol 电子，锌的质量理论上减少6.5 g 【答案】C 【分析】普通锌锰干电池正极为C棒，负极为Zn，电解质是NH4Cl，电极反应为：负极：Zn-2e-==Zn2+；正极：2MnO2+2NH4++2e-=2MnO(OH)+2NH3；总反应式：Zn＋2NH＋2MnO2=[Zn(NH3)2]2＋＋2MnO(OH) 【解析】A．普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A错误；B．根据原电池工作原理，负极应失电子，而该选项表示的是正极反应，B错误；C．原电池工作时，负极失电子，故电子从负极通过外电路流向正极，C正确；D．由负极的电极反应式可知，每通过0.1 mol电子，消耗锌的质量是65 g·mol－1 ×＝3.25 g，D错误；故选C。 ◆题型07 二次电池分析 知识积累 它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电）、再由电能转变为化学能（充电）的循环。 ①铅蓄电池 　　铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 放电电极反应： 负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)； 正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l) 充电电极反应： 阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)； 阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq) 电池总反应式： Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)2PbSO4(s) +2H2O(l) 铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。 铅蓄电池的缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。 ②银锌蓄电池 　　银锌蓄电池是形似干电池的充电电池，其负极为锌，正极为附着Ag2O的银，电解液为40%的KOH溶液。电极反应： 放电电极反应： 负极：Zn-2e－+2OH-＝Zn(OH)2 正极：Ag2O+2e－+ H2O＝2Ag +2OH- 充电电极反应： 阳极：2Ag +2OH-－2e－= Ag2O+ H2O； 阴极：Zn(OH)2+2e－= Zn+2OH- 电池总反应式： Zn + Ag2O + H2OZn(OH)2+2Ag 　　 　 ③锂电池 　　元素周期表中IA族的锂（Li）——最轻的金属，也是活动性极强的金属，是制造电池的理想物质。锂电池是新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。 电极反应为： 负极：Li－e- ＝Li＋ 正极：MnO2＋Li＋ ＋e- ＝LiMnO2 总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2 【典例14】如图是铅酸蓄电池的构造示意图，下列说法错误的是 A．铅酸蓄电池是二次电池，充电时电能转化为化学能 B．该电池工作时，电子由板通过外电路流向板 C．该电池工作时，负极的电极反应式为 D．该电池工作时，移向板 【答案】D 【解析】A. 铅酸蓄电池是可充电电池，是二次电池，充电时电能转化为化学能，A项正确； B. 在该电池中板为负极，则电池工作时，电子由板通过外电路流向板，B项正确； C. 该电池工作时，负极的电极反应式为，C项正确； D. 在原电池工作时，阳离子向正极移动，则该电池工作时移向板，D项错误； 故选D。 【典例15】I.能源是现代文明的原动力，化学电池在生产生活中有着广泛的应用。 （1）根据构成原电池的本质判断，下列反应可以设计成原电池的是 (填序号)。 A．CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(aq) B．NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) C．2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) D．Fe(s)+2FeCl3(aq)=3FeCl2(aq) Ⅱ.高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。 （2）放电时负极反应为 。 （3）放电时正极附近溶液的碱性 (填“增强”或“减弱”或“不变”)。 （4）放电时每转移 mol电子，正极有1molK2FeO4被还原。 Ⅲ.回答下列问题： （5）科学家研发出一种有利于“碳中和”的新电池系统，通过二氧化碳溶于水触发电化学反应，其工作原理如图所示(钠超离子导体只允许Na+通过)。系统工作时，下列有关说法中错误的是 。 A．Na+将从a极移动到b极 B．该电池的电解液可以换成更易导电的饱和NaCl溶液 C．b极区可能会发生Na++HCO=NaHCO3↓ D．b极区每生成1molH2转移2mol电子 Ⅳ.中国科学技术大学开发了一种高性能的水系锰基锌电池。其工作原理如图所示，已知该装置工作一段时间后，K2SO4溶液的浓度增大。 （6）正极的电极反应式为 。 （7）a膜为 (填“阳离子”或“阴离子”，下同)交换膜，b膜为 交换膜。 【答案】（1）CD （2）Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 （3）增强 （4）3 （5）B （6）MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O （7）阴离子 阳离子 【解析】（1）放热的氧化还原反应能够设计成原电池， A．反应CaO(s)+H2O(l)=Ca(OH)2(aq)不是氧化还原反应，故A不选； B．NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) 不是氧化还原反应，故B不选； C．2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)是放热的氧化还原反应，故C选； D．反应Fe(s)+2FeCl3(aq)=3FeCl2(aq) 是放热的氧化还原反应，故D选； 故选CD。 （2）放电时Zn作负极，发生氧化反应，由方程式可知Zn在负极转化为Zn(OH)2，负极反应为：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2。 （3）放电时K2FeO4作正极，发生还原反应，由方程式可知K2FeO4在正极转化为Fe(OH)3，正极反应为： FeO+3e-+4H2O=Fe(OH)3+5OH-，放电时正极附近会消耗水产生OH-，因此溶液的碱性增强。 （4）由正极电极方程式可知，放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被还原。 （5）A．由电池工作原理示意图可知反应中Na被氧化为Na+，则a极为原电池的负极，b极为原电池的正极，Na+将从a极移动到b极，故A正确； B．Na和水会剧烈反应产生氢气，该电池的电解液不可以换成更易导电的饱和NaCl溶液，故B错误； C．系统工作时，b正极上二氧化碳溶于水电离出的H+得电子被还原生成H2，电极反应式为2CO2+2H2O+2e-=2HCO+H2，碳酸氢根与移动过来的钠离子结合成碳酸氢钠，所以b极区可能会析出碳酸氢钠固体，离子方程式为：Na++HCO=NaHCO3↓，故C正确； D．系统工作时，b正极上的电极反应式为2CO2+2H2O+2e-=2HCO+H2，每生成1molH2转移2mol电子，故D正确； 故选B。 （6）MnO2在正极得到电子生成Mn2+，电极反应式为：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O。 （7）由装置工作一段时间后K2SO4溶液的浓度增大可知，a膜为能使SO通过的阴离子交换膜，b膜为能使K+通过的阳离子交换膜。 【变式7-1】化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用，下列说法错误的是             图Ⅰ原电池 图Ⅱ碱性锌锰电池 图Ⅲ铅—硫酸蓄电池 图Ⅳ银锌纽扣电池 A．图Ⅰ：SO向Fe电极方向移动 B．图Ⅱ：锌作负极反应物，发生氧化反应 C．图Ⅲ：电池放电过程中，负极质量不断减少，正极质量不断增加 D．图Ⅳ：正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH- 【答案】C 【解析】A．铁较铜活泼，铁为负极，原电池中阴离子向负极移动，SO向Fe电极方向移动，A正确； B．锌较活泼，失去电子发生氧化反应，作负极反应物，B正确； C．电池放电过程中，负极反应为，则负极质量不断增加；正极反应为：，正极质量也不断增加，C错误； D．正极的氧化银得到电子发生还原反应生成银，电极反应式为Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-，D正确； 故选C。 【变式7-2】一种铁-空气电池的电池反应为：，原理如图所示，下列有关该电池的说法正确的是 A．b极为电池正极，发生氧化反应 B．当电路中转移电子时，消耗 C．a极的电极反应式为： D．电子由a极经负载流向b极，再经NaOH溶液回到a极 【答案】C 【解析】A．a极Fe被氧化为Fe(OH)2，为负极。b极O2被还原，为正极，发生还原反应，A项错误； B．未表明气体为标准状态下，B项错误； C．a极为负极，Fe失电子被氧化为Fe(OH)2，电极反应式正确，C项正确； D．电子不能通过电解质溶液，D项错误。 答案选C。 【变式7-3】锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高等优点而受到了重视，目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应为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－===MnO D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋ 【答案】B 【解析】由总反应i＋nO2===nO2可知，Li元素在反应后化合价升高(0→＋1)，Mn元素在反应后化合价降低(＋4→＋3)。Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－===MnO。 ◆题型08 燃料电池分析 知识积累 1.氢氧燃料电池：氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为： 负极：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e－， 正极：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－ 电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O 2.甲烷氧燃料电池：该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为： 负极：CH4＋10OH－＝CO32－＋7H2O＋8e－ 正极：2O2＋4H2O＋8e－＝8OH－ 电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 【注意】燃料电池的特点 （1）燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的热能直接转变为电能。 （2）燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。 （3）燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水;以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。 （4）燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。 3.燃料电池的电极反应式的书写 （1）写出电池总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。 （2）写出电池的正极反应式 无论负极燃料是H2还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……)，正极一般都是O2发生还原反应，若在碱性条件下，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，若在酸性条件下，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 （3）写出电池的负极反应式 负极反应式＝总反应式－正极反应式。 【特别提醒】书写电极反应式时应注意： （1）两极得失电子数相等。 （2）电极反应常用“=”，不用“→” （3）电极反应中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”。 【典例16】氢氧燃料电池构造如图所示。其电池反应方程式为：，下列说法不正确的是 A．多孔金属a作负极 B．多孔金属b上，发生还原反应 C．电池工作时，电解质溶液中移向a极 D．正极的电极反应为： 【答案】D 【分析】氢氧燃料电池为原电池，通入氢气的电极为负极，即多孔金属a为负极；通入氧气的电极为正极，即多孔金属b为正极。 【解析】A．根据分析，多孔金属a作负极，A正确； B．根据分析，多孔金属b为正极，氧气得到电子发生还原反应，B正确； C．电池工作时，电解质溶液中 OH− 移向负极，即移向a极，C正确； D．电解质溶液为碱性，故正极的电极反应为： O2+4e−+2H2O=4OH−，D错误； 故选D。 【典例17】燃料电池近几年发展迅速，如图是科学家利用页岩气设计的一种固态(熔盐)燃料电池工作示意图。下列说法错误的是 A．电极材料采用石墨烯，吸附甲烷的电极为负极，发生氧化反应 B．通入氧气的电极上电极反应式为 C．电池工作时，向通甲烷的电极一侧移动 D．该电池的优点是二氧化碳可循环利用，不会释放温室气体 【答案】D 【解析】A．依题意，甲烷发生氧化反应生成二氧化碳，吸附甲烷的电极为负极，A项正确；B．、共同参与反应，电极反应式为，B项正确；C．根据原电池工作原理，阴离子向负极移动，C项正确；D．电池总反应为，会释放出二氧化碳，D项错误；故选D。 【变式8-1】如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的 A．H+从左侧经过质子交换膜移向右侧 B．该电池的负极反应式为C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2↑+12H+ C．电子经过导线由O2所在的铂电极流入 D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量 【答案】B 【分析】该装置中含有质子交换膜，则电解质溶液为酸性，酸性条件下，乙醇燃料电池中，负极上乙醇失电子发生氧化反应，正极上是氧气得电子的还原反应；根据图示得出酸性燃料电池的反应物和生成物，再根据原电池原理写出该电池的反应式来判断。 【解析】A．由分析可知，该装置中正极上是氧气得电子的还原反应，则右侧Pt电极为正极，H+从左侧经过质子交换膜移向右侧，故A正确； B．该电池的负极上乙醇失电子发生氧化反应，分析装置图可知酒精在负极被氧气氧化发生氧化反应生成醋酸，CH3CH2OH-4e-+H2O=4H++CH3COOH，故B错误； C．乙醇燃料电池中，负极上乙醇失电子发生氧化反应，正极上是氧气得电子的还原反应，电流由正极流向负极，即电子经过导线由O2所在的铂电极流入，故C正确； D．根据微处理器通过检测电流大小可以得出电子转移的物质的量，根据电极反应式可以计算出被测气体中酒精的含量，故D正确； 故选B。 【变式8-2】某燃料电池装置如图所示，则有关该电池的说法不正确的是    A．根据电子移动方向，可知a极为电池的负极 B．该电池的总反应可表示为：2H2+O2=2H2O C．b极发生的电极反应：O2+ 4e-+ 2H2O=4OH- D．溶液中OH-由a极向b极移动 【答案】D 【分析】从图看电极a为电子流出的极为负极，b为正极。 【解析】A．利用电子的移动方向判断，A项正确；B．该电池为H2燃料电池，总反应为2H2+O2=2H2O，B项正确；C．b极为正极O2发生还原反应O2+ 4e-+ 2H2O=4OH-，C项正确；D．原电池中离子的移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极，即OH-由b极移向a极，D项错误；故选D。 【变式8-3】完成下列问题。 （1）若需将反应：Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+设计成如下图所示的原电池装置。则A(正极)极材料为___________，B(负极)极材料为___________，溶液C为___________，A(正极)电极上发生反应的类型为___________(填“氧化”或“还原”)反应，B(负极)电极上发生的电极反应为___________________________________，当有1.6g铜溶解时，通过外电路的电子的物质的量为___________。 （2）某种氢氧燃料电池是用稀硫酸作电解质溶液，其装置如下图。则电极a是电池的___________(填“正”或“负”)极，该电池正极的电极反应式为___________________________。 【答案】（1）     石墨     Cu     FeCl3溶液     还原     Cu-2e-=Cu2+     0.05 mol （2）负     O2+4H++4e-=2H2O 【解析】（1）要将反应：Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+设计成原电池，在该反应中Cu失去电子发生氧化反应；Fe3+得到电子发生还原反应产生Fe2+，若A为正极，则A电极材料应该是活动性比Cu的导体，可以是石墨电极；B电极为负极，电极材料是Cu，溶液C为含有Fe3+的溶液，可以是FeCl3溶液；A电极为正极，发生还原反应；B电极为负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为：Cu-2e-=Cu2+；1.6 g Cu的物质的量是n(Cu)=，由于Cu是+2价金属，因此电池工作过程中电子转移的物质的量为n(e-)=0.025 mol×2=0.05 mol； （2）根据图示可知：a电极通入H2，失去电子发生氧化反应，所以a电极为负极，a电极反应式为：H2-2e-=2H+；b电极上通入O2，O2得到电子，发生还原反应，所以b电极为正极，正极上O2得到电子后与溶液中的H+结合形成H2O，故正极的电极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$