6.3 化学能与电能的转化（举一反三专项训练，江苏专用）【上好课】化学苏教版必修第二册

第三单元 化学能与电能的转化 题型01 化学能与电能的转化 题型02 原电池工作原理及构成条件 题型03 原电池的应用 题型04 设计原电池 题型05 常见的化学电源之一次电池 题型06 常见的化学电源之二次电池 题型07 常见的化学电源之燃料电池 题型08 电解池在物质制备中的应用 题型01 化学能与电能的转化 1. 一、化学能与电能的转化 1.化学能与电能的转化(火力发电) (1)我国目前电能的主要来源：我国目前电能主要来自火力发电，其次来自水力发电、风力发电、核能、水力发电、生物质能等。 (2)火力发电过程中能量的转化：化学能热能机械能电能 ； (3)火力发电的优点 ①我国煤炭资源丰富； ②电能清洁、安全，又快捷方便。 (4)火力发电的缺点 ①化石燃料属于不可再生资源，用化石燃料发电会造成资源的浪费； ②火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大； ③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等)，污染环境。 【典例1】（24-25高一下·江苏连云港·期末）2025年中国环境日的主题为“美丽中国我先行”。下列做法不应提倡的是 A．大力发展火力发电 B．植树造林，增加绿色植被 C．推广实行垃圾分类处理 D．开发使用太阳能等清洁能源 【变式1-1】（24-25高二上·江苏宿迁·开学考试）人类生产生活离不开电能的使用。下列电能是由化学能转化而来的是 A．火力发电 B．水力发电 C．风力发电 D．太阳能发电 【变式1-2】（24-25高二上·江苏镇江·阶段练习）二十大报告指出：积极稳妥推进碳达峰、碳中和。下列措施对实施“碳中和”最有效的是 A．推行生活垃圾分类 B．光催化和合成甲醇 C．利用新技术大力开采可燃冰作为能源 D．利用火力发电产生的电能电解水制氢有利于实现碳中和 【变式1-3】（24-25高一下·江苏扬州·阶段练习）我国承诺在2030年前实现“碳达峰”。下列措施不利于实现“碳达峰”的是 A．大量开采可燃冰(CH4·nH2O)作为清洁能源 B．开发太阳能、氢能等新能源 C．提倡乘坐公共交通工具出行 D．逐步减少火力发电的占比 题型02 原电池工作原理及构成条件 1.原电池的工作原理及构成条件 (1)实验探究 实验步骤 装置图 实验现象 原因解释 ①将锌片和铜片插入盛有 稀硫酸的烧杯中，观察现象 Zn片：锌片溶解，表面产生无色气泡 Cu片：无变化 反应的离子方程式：Zn+2H+=Zn2++H2↑；Cu片表面无明显变化的原因：铜排在金属活动性顺序表氢的后面，不能从酸溶液中置换出氢气 ②用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象 Zn片：锌片溶解 Cu片：铜片表面有气泡 锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生 ③用导线连接锌片和铜片，并在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表指针是否偏转 Zn片：锌片溶解 Cu片：铜片表面有气泡 电流表A指针偏转 电流表指针偏转说明：导线中有电流；Cu片上有气泡说明：溶液中的氢离子在铜片表面获得电子发生还原反应产生氢气，从铜片上放出 (2)原理分析： 装置示意图 电极材料 电极名称 电子转移 电极反应式 反应类型 锌片 负极 电子流出 Zn-2e-=Zn2+ 氧化反应 铜片 正极 电子流入 2H++2e-=H2↑ 还原反应 电子的流向 电子由负极经导线流向正极 反应本质 自发进行的氧化还原反应 总反应式 Zn+2H+=Zn2++H2↑ 结论 当用导线连接铜片和锌片一同进入稀硫酸时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子则有锌片经导线流向铜片，溶液中的H+从铜片中获得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上析出。由于导线上有电子通过，因此产生了电流，电流表的指针会发生偏转。 (3)原电池的工作原理 ①反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应； ②电子流向：电子的移动方向是从负极流出，经导线流向正极(电子不下水)； ③离子移动：离子的移动方向是阳离子向正极移动，阴离子向负极移动(离子不上岸)。 (4)原电池的概念：将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应 (5)原电池的构成条件 ①具有活泼性不同的两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼； ②两电极插入电解质溶液(或者熔融的电解质)中； ③电极用导线相连并插入电解液形成闭合回路； ④能自发地发生氧化还原反应。 (6)原电池正、负极的判断方法 ①一般是较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，但也要注意电解质溶液的性质。 ②镁铝用导线连接插入稀硫酸中，镁作负极，铝作正极；若电解质是氢氧化钠，则镁作正极，铝作负极。 ③铜铝用导线连接插入稀硫酸中，铝作负极，铜作正极；若插入浓硝酸中，铝作正极，铜作负极。 【温馨提示】①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。 ②两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。 ③在判断原电池正负极时，既要考虑金属活泼的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。 【典例2】（24-25高一下·江苏连云港·期中）将纯铁片和纯铜片按图甲、乙方式插入相同浓度的稀硫酸中一段时间，下列说法正确的是 A．甲、乙均为化学能转变为电能的装置 B．乙中铜片上有气泡产生 C．甲中铜片质量减少、乙中铁片质量减少 D．甲、乙两烧杯中均减小 故选D。 【变式2-1】（24-25高一下·江苏扬州·期中）下列装置能构成原电池的是 A． B． C． D． 【变式2-2】（24-25高一下·江苏镇江·期末）利用电化学原理消除污染，同时获得电能。一种处理垃圾渗透液的装置工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．X是正极，发生氧化反应 B．盐桥内移向X电极 C．Y极的电极反应： D．当电路中通过5mol电子，电池共释放14g气体 【变式2-3】（24-25高一下·江苏扬州·期中）化学家正在研究尿素燃料电池，尿素燃料电池结构如图所示，用这种电池直接去除城市废水中的尿素，下列有关描述正确的是 A．甲电极为电池的正极 B．电池工作时氢离子向甲电极移动 C．乙电极的电极反应式为： D．该装置中化学能转化为电能 题型03 原电池的应用 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应的速率：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。如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。 2.比较金属活动性的强弱 (1)方法：一般情况下，负极的金属活动性比正极的金属活动性强。 (2)常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼。 3.解释生活中的现象 (1)潮湿的空气里钢铁容易生锈(形成原电池) 负极反应：2Fe-4e-=2Fe2+ 正极反应： O2+2H2O+4e-=4OH-                          总反应：2Fe+ O2 + 2H2O =2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2 + 2H2O =4Fe(OH)3 2Fe(OH)3Fe2O3•nH2O(铁锈) (2)暖贴(原电池原理) ①主要成分：铁粉、碳、食盐、水、吸水布(吸水棉) ②使用方法：撕开后进入空气(提供氧气，供吸氧腐蚀用) ③主要原理： 负极反应：2Fe-4e-=2Fe2+ 正极反应： O2+2H2O+4e-=4OH-                          总反应：2Fe+ O2 + 2H2O =2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2 + 2H2O =4Fe(OH)3 在此反应过程中放热，因此成为“暖宝宝”“热敷袋”。 【典例3】（24-25高一下·江苏连云港·期中）暖贴是利用钢铁电化学腐蚀原理制成的，内部结构如图所示。下列说法正确的是 A．铁作负极，其电极反应式： B．暖贴工作时需要与空气中的和水蒸气接触 C．暖贴短时间内产生较多的热是因为活性炭被氧化 D．暖贴使用后产生的红色固体成分为 【变式3-1】（23-24高一下·江苏盐城·阶段练习）化学电源在生产生活中有着广泛的应用，同学们常常通过设计实验和查阅资料的方式学习化学电源的相关知识。 (1)甲同学为了解反应中的能量转化，设计了一组对比实验(实验装置如图Ⅰ和图Ⅱ)。预计产生气体的速率Ⅰ Ⅱ(>、<或=)，温度计的示数Ⅰ II(>、<或=)； (2)乙同学用如图乙装置推算铜锌原电池工作时产生的电流量。供选择的电极材料有纯铜片和纯锌片。则a电极的电极反应式为 ，当量筒中收集到336mL(标准状况下)气体时，通过导线的电子的物质的量为 。 (3)丙同学了解到科学家正在研究利用原电池原理常温常压下合成氨，在该装置简图丙中，电极a为 极(填“正”或“负”)，若原料气H2中混有CO，单位体积原料气合成氨气的物质的量不变，只是在电极b附近需增设排气口，排出气体主要含有 。 (4)FeCl3常用于腐蚀印刷电路铜板(2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2)请将此反应设计成原电池，该原电池负极的电极材料为 ，正极的电极材料为 ，电解质溶液为 ，负极的电极反应式为 。 【变式3-2】（23-24高一下·江苏·期末）有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验： ①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极； ②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向由D→导线→C； ③A、C用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡； ④B、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。 据此可判断四种金属的活动性由强到弱的顺序为 A．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>B>D D．B>D>C>A 【变式3-3】（24-25高一下·江苏连云港·期中）某同学为研究影响化学反应速率的因素进行了以下实验探究。 Ⅰ：实验1：为了验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验。一种新型催化剂能使和发生反应：。已知增大催化剂的比表面积可提高该反应速率，数据如表所示，请完成下列问题： 实验编号 t/℃ NO初始浓度/（） CO初始浓度/（） 催化剂的比表面积 Ⅰ 280 82 Ⅱ 280 124 Ⅲ 350 82 (1)表中 。 (2)能验证温度对化学反应速率影响规律的是实验 （填实验编号）。 (3)实验Ⅰ和实验Ⅱ中，NO的物质的量浓度（NO）随时间的变化曲线如图所示，其中表示的是曲线 （填“甲”或“乙”）。 Ⅱ：实验2：用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题： (4)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是 。 (5)为了进一步探究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列的实验。将表中所给的混合溶液分别加入6个盛有过量粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间。 混合溶液 A B C D E F 4 30 饱和溶液/mL 0 0.5 2.5 5 20 10 0 ①请完成此实验设计，其中 ， 。 ②该同学最后得出的结论为：当加入少量溶液时，生成氢气的速率会大大提高，但当加入的溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降。请分析生成氢气速率下降的主要原因： 。 题型04 设计原电池 1.原电池设计 (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(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等。 【温馨提示】原电池设计思路 ①定：确定一个能够自发进行的氧化还原反应； ②拆：将氧化还原反应拆分为两个半反应； 负极：还原剂-ne-=氧化产物；正极：氧化剂+ne-=还原产物； ③找：正、负极材料和电解质溶液； ④画：形成闭合回路，画出原电池示意图。 【典例4】（24-25高一下·江苏盐城·期中）人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学技术发展中，电池发挥着越来越重要的作用。请根据题中信息，回答下列问题： (1)直接提供电能的一般是放热反应，下列能设计成原电池的是___________。(填字母，下同) A．与反应 B．氢氧化钠与稀盐酸反应 C．灼热的炭与反应 D．与燃烧反应 (2)将纯铁片和纯铜片按图甲、乙方式插入100mL相同浓度的稀硫酸中一段时间，回答下列问题： ①下列说法正确的是 。 A．甲、乙均为化学能转变为电能的装置 B．乙中铜片上没有明显变化 C．甲中铜片质量减少、乙中铁片质量减少 D．甲、乙两烧杯中c()均减小 ②在相同时间内，两烧杯中产生气泡的速度：甲 乙。(填“>”“<”或“=”) ③请写出甲、乙中构成原电池的正极电极反应式 。电池工作一段时间后，甲中溶液质量增重27g时，电极上转移电子数目为 。 ④若将甲中的稀硫酸换为浓硝酸，则电池总反应的离子方程式为 。 (3)图丙为甲烷氧气燃料电池的构造示意图，电解质溶液的溶质是KOH。通甲烷一极的电极反应方程式为 。 【变式4-1】（24-25高一下·江苏无锡·期中）原电池是直接把化学能转化为电能的装置，按要求完成各小题。 (1)写出溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式： 。若将此反应设计成原电池，该电池的负极材料是 。 (2)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电和环保三位一体的结合，其工作原理如下图1所示，放电过程中负极的电极反应式为 ，若过程中产生，则消耗标准状况下的体积为 L。 (3)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图2：电池工作时，内电路中，向电极 (填“A”或“B”)移动，电极A上CO参与的电极反应式为 。 (4)以乙醇作燃料的燃料电池如下图所示。 ①在该电池中A电极的电极反应式为 。 ②若标况下有参与反应，理论上通过质子交换膜的数目为 。 【变式4-2】（24-25高一下·江苏徐州·期中）原电池是化学对人类的一项重大贡献。 I．某化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中作用，设计并进行以下一系列实验，实验结果记录如下： 编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针方向 1 Mg、Al 稀盐酸 偏向Al 2 Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu 3 Mg、Al 氢氧化钠溶液 偏向Mg 根据上表中记录的实验现象，回答下列问题： (1)实验1、2中Al电极的作用是否相同？ (填”是”或”否”)。 (2)实验2中Cu为 极，电池总反应离子方程式 。 (3)实验3中Al为 极，其电极反应式为 。 II．如图所示是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题： (4)电池的负极是 (填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为 。 (5)电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”、“减小”或“不变”)。 【变式4-3】（24-25高一下·江苏宿迁·期中）I．汽车尾气中NO生成过程的能量变化示意图如图： (1)该条件下，1molN2和1molO2完全反应生成NO，会 (填“吸收”或“放出”) KJ能量。 II．已知反应，某温度下，在2L恒容密闭容器中投入一定量的A、B，两种气体的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。 (2)从反应开始到12s时，用A的浓度变化表示的反应速率为 。 (3)经测定，前4s内，则该反应的化学方程式为 。 (4)反应达到平衡时，B的转化率是 。 (5)只改变下列某一反应条件时，能使上述转化速率加快的是_______(填序号) A．使用高效催化剂 B．向容器中充入与A、B、C三种不反应的氩气 C．降低温度 D．减小C的物质的量 (6)能判断该反应已达反应限度的是_______(填字母)。 A．容器中A浓度与B浓度之比为3∶1 B．容器中混合气体的质量保持不变 C．用A、B、C表示的反应速率之比为a∶b∶c D．A体积分数保持不变 III．在碱性条件下，NH3和NO可设计为原电池装置，将一氧化氮转化为N2，电池的总反应为4NH3+6NO=5N2+6H2O。其工作原理如图所示： (7)电极A为 极(填“正”“负”)。电极B发生的电极反应为 。标准状况下，若电极B上消耗44.8L一氧化氮时，则转移的电子总数为 。 题型05 常见的化学电源之一次电池 一次电池：一次电池的特点是活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗一定程度后，就不能再重复使用。即：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池 ①酸性锌锰干电池 结构 酸性锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质 电极反应 负极 Zn-2e-=Zn2+ 正极 2MnO2+2NH+2e-=Mn2O3+2NH3↑+H2O 总反应 Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑+H2O 缺陷 酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀 改进措施 a．在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池 b．将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池 ②碱性锌锰干电池 结构 碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液 电极反应 负极 Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 总反应 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 特点 比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电 ③锌银电池 电极反应 负极 Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极 Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH- 总反应 Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 特点 比能量大、电压稳定、储存时间长 【典例5】（2024·江苏·高考真题）碱性锌锰电池的总反应为，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是 A．电池工作时，发生氧化反应 B．电池工作时，通过隔膜向正极移动 C．环境温度过低，不利于电池放电 D．反应中每生成，转移电子数为 【变式5-1】（23-24高一下·江苏淮安·期中）根据原电池原理，人们研制出很多结构和性能各异的化学电池，用来满足不同的用电需要。常见的锌锰干电池的构造如图所示。下列说法正确的是 A．锌筒质量逐渐减小 B．该电池可以反复充放电 C．石墨棒作负极 D．电流从锌筒通过导线流向石墨棒 【变式5-2】（2024高三·全国·专题练习）锌银纽扣电池是生活中常见的一次电池，其构造示意图如下。下列说法不正确的是 A．作电池的负极 B．电池工作时，向正极移动 C．正极的电极反应： D．金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性 【变式5-3】（24-25高二下·江苏无锡·阶段练习）化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法正确的是 A．图甲：锂电池放电时，电解质中向锂电极迁移 B．图乙：负极的电极反应式为 C．图丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄 D．图丁：铅作负极，电极反应式为 题型06 常见的化学电源之二次电池 二次电池：充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是： 化学能电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等。 ①铅蓄电池 结构 铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开 电极反应 总反应 负极 正极 特点 常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全 ②镍氢电池 结构 储氢合金为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质 电极反应 总反应 负极 正极 特点 寿命比铅蓄电池长，性能好； ③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。 锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。 【典例6】（23-24高一下·江苏无锡·期中）是一种新型二次电池，其装置的示意图如下(透过膜只允许通过)。下列说法正确的是 A．断开、闭合，左室的电极为阳极，发生还原反应 B．断开、闭合，右室的电极反应式： C．断开、闭合，外电路中通过电子时，左室溶液质量增加 D．该二次电池的总反应为 【变式6-1】（24-25高一下·江苏·期末）下列关于四个常用电化学装置的叙述错误的是     A．图I所示水果电池中，电子从锌片流出 B．图II所示干电池中，石墨作正极 C．图III的铅酸蓄电池为二次电池 D．图IV中氢氧燃料电池的负极反应式为O2+4H++4e-=2H2O 【变式6-2】（24-25高二上·江苏扬州·期末）一种新型锰氢二次电池以MnSO4溶液为电解质溶液，其充电原理如图所示，下列说法正确的是 A．电极a连接电源的负极 B．电极a所在电极室溶液的pH变小 C．H＋向电极a所在区域迁移 D．b极区产生的气体是O2 【变式6-3】（25-26高二上·江苏苏州·期中）铅酸蓄电池工作时的反应为。某状态下测得两电极的质量都增加，下列有关该状态下的说法不正确的是 A．铅酸蓄电池正在放电 B．极反应式为 C．该状态下由极向极移动 D．一段时间后，溶液的增大 题型07 常见的化学电源之燃料电池 发展中的燃料电池 1.燃料电池的构成及特点 燃料电池的构成 燃料电池是一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)与氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的 电化学反应装置。 燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体， 电解质通常有四种情况： ①稀硫酸 ②KOH溶液 ③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是 ④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2-离子 燃料电池装置示意图 特点 ①清洁、安全、高效②料的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上 ③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低 ④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用 ⑤供电量易于调节，能适应于电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用情景 2.氢氧燃料电池 氢氧燃料电池在不同的介质中的总反应式相同，均为2H2+O2=2H2O。但正、负极反应式与电解质溶液有关，正、负极反应式归纳如下： 电解质溶液 负极 正极 酸性(H+) H2-2e-=2H+ O2+4H++4e-=2H2O 中性(Na2SO4) H2-2e-=2H+ O2+2H2O+4e-=4OH- 碱性(OH-) H2-2e-+2OH-=2H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 3.电池的优点和应用 (1)优点：能量转化率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作 (2)应用：在现代生活、生产、国防和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助电器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各式各样的电池 【温馨提示】 ①几种电池的特点比较： 名称 干电池(一次电池) 充电电池(二次电池) 燃料电池 特点 ①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后，不能再使用 ②电解质溶液为胶状，不流动 ①放电后可再充电使活性物质获得再生 ②可以多次充电，重复使用 ①电极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件 ②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出 举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等 铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等 ②一般的，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池(比能量和比功率大)，更适合使用者的需要。 ③废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，1节1号干电池会使1m2的耕地失去使用价值，并通过食物链给人体健康造成危害。另一方面，废弃电池中的有色金属是宝贵的资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。 【典例7】（24-25高一下·江苏南京·期中）回答下列问题： (1)根据表中数据计算，合成氨反应中每生成氨气放出 热量。 共价键 断开1mol放出能量/kJ a b c (2)一种肼(N2H4)燃料电池的工作原理如下图所示。其中，a极的电极反应式为 ；氢离子从 （填“正极室”或“负极室”）跨膜向另一极室移动。 (3)乙烯的电子式为 ；丙烯在催化剂、加热、加压下可以发生加聚反应，其反应化学方程式为 。 (4)经实验测得，某烃的化学式为，分子中只有2种化学环境的氢原子，且存在支链，其结构简式为 。 【变式7-1】（24-25高一下·江苏无锡·期末）氢能的开发利用包含制氢、储氢、用氢等方面。 I．甲烷制氢 (1)甲烷重整法制氢原理为：。反应在恒温恒容的条件下进行，下列情况能说明该反应达到平衡状态的是 。 A． B．混合气体中的浓度和CO的浓度相等 C．混合气体的平均摩尔质量保持不变 (2)催化甲烷制氢反应机理如图1所示： ①该机理可描述为 。 ②反应中催化剂活性降低的可能原因是 。 II．甲醇储氢 (3)由CO和为原料合成的主要反应为：反应在密闭体系中进行。测得CO和的浓度随时间变化如图2所示。 ①在4min到9min时间段，用氢气浓度变化表示的平均反应速率为 。 ②若要提高反应速率，可采取的措施为 。 III．电池用氢 (4)氢氧燃料电池工作原理如图3，电池工作时，两种气体分别从入口通入，其中均为惰性电极。 ①使用时，氢气从 口通入(填“A”或“B”)。 ②b电极的可能电极反应为： 。 ③随着反应的进行，KOH溶液pH将 (填“变大”“变小”或“不变”)。 ③电池反应为2H2+O2=2H2O，反应生成水，KOH溶液的浓度会减小，碱性减弱，所以pH将变小。 【变式7-2】（24-25高一下·江苏南京·期中）捕集的技术对解决全球温室效应意义重大。 (1)甲醇是一种可再生能源，由制备甲醇的过程可能涉及的反应如下： 反应Ⅰ：   反应Ⅱ：   反应Ⅲ：   反应Ⅰ的 。 (2)将还原为，是实现资源化利用的有效途径之一，装置如图所示： ①电极c是 ；(选填“阴极”或者“阳极”) ②d电极的电极反应式为 ； ③若电源为燃料电池，当消耗时，离子交换膜中通过 ，该燃料电池中的正极反应式为 。 (3)在酸性电解质溶液中，以太阳能电池作电源，惰性材料作电极，可将转化为乙烯()，实验装置如图所示。 则生成乙烯的电极反应式是 。 【变式7-3】（24-25高一下·江苏连云港·期末）氮的氧化物(NO、等)是主要的大气污染物，必须脱除才能排放。 (1)催化脱硝。用催化脱除汽车尾气中的CO和NO。 ①已知： 共价键 键能(kJ/mol) 632 1072 942 745 则反应   。 ②催化脱硝的反应机理如图所示。反应①部分转变为，当完全反应得到4.48L(标准状况)时，生成的中 。 (2)氢气还原脱硝。将一定比例的、NO、、He(作平衡气)气体匀速通过装有催化剂的反应器，测得NO转化率随温度的变化如图所示。 ①在加热条件下，当参加反应时，将NO还原为的化学方程式为 。 ②反应温度高于，NO转化率下降的可能原因是 。 (3)电化学脱硝。某科研小组研制的NO-空气质子交换膜燃料电池，实现了制硝酸、发电、环保三位一体，其工作原理如图所示： 电池负极的电极反应式为 。 (4)氧化脱硝。研究不同温度下经酸化处理的溶液对NO脱除率的影响，结果如图所示。温度高于，NO脱除率下降的可能原因是 。 题型08 电解池在物质制备中的应用 电解在物质制备中的应用 1. 电解池是将电能转化为化学能的装量，在生产、生活实际中，许多化学反应都是通过电解的方法来实现的。例如，电解水制得氢气和氧气;电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气。在这些例子中，电能转化为化学能。利用电解我们可以获得普通化学方法难以制备的物质。 钠、镁、铝、钙等单质的化学性质很活波，不能在自然界中稳定存在，用普通的化学方法难以将它们制各出来。 2.电解氧化铝 工业上采用电解的方法制取这些会属单质。以石墨作为也解池的两个电极电解熔融的氧化铝(氧化够的炼点特别高，需加入冰晶石以帮助其炼化)可得到单质铝。 在直流电作用下，铝离子在阴极得到电子，被还原为单质铝，阴极电极反应式：（还原反应）； 氧离子在阳极失去电子，被氧化为氧原子，并结合成氧分子，阳极电极反应式：（氧化反应）； 总电极反应式为：； 与电解炼融的氧化铝类似，电解熔融的氯化钠、氯化镁、氯化钙可分别得到钠、镁、钙的单质和氯气。电解的方法能使通常条件下无法自发进行的化学反应进行下去，在一些活泼单质的制取、金属的精炼、某些有机化合物的合成中应用广泛。 【典例7】（（24-25高一下·江苏盐城·期中）下列金属的冶炼一般不用电解的是 A．Fe B．Ca C．Al D．Na 【变式7-1】（24-25高一下·江苏扬州·期末）类比推理是化学上研究物质的重要思想，下列“类比”合理的是 A．电解熔融冶炼镁，则电解熔融能冶炼铝 B．可以和反应生成，则可以和反应生成 C．与浓加热可制，推测与浓加热可制 D．通入紫色石蕊试液能显红色，推测通入紫色石蕊试液也能显红色 【变式7-2】（24-25高一上·江苏扬州·阶段练习）下列物质的转化在给定条件下能实现的是 A．溶液 B． C． D． 【变式7-3】（24-25高二上·江苏苏州·阶段练习）铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为，含和等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下： 注在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。 (1)“碱溶”时生成四羟基合铝酸钠的离子方程式为 。 (2)“电解Ⅰ”是电解熔融，电解过程中作阳极的石墨易消耗，原因是 。 (3)“电解Ⅱ”是电解溶液，原理如图所示。 阳极的电极反应式为 ，阴极产生的物质A的化学式为 。 (4)，若要使该反应生成的反应速率加快，下列措施可行的是___________(填字母)。 A．将铁粉改为铁片 B．加入少量硫酸钠溶液 C．滴加几滴溶液 D．将稀硫酸改为98%的浓硫酸 43 / 44 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三单元 化学能与电能的转化 题型01 化学能与电能的转化 题型02 原电池工作原理及构成条件 题型03 原电池的应用 题型04 设计原电池 题型05 常见的化学电源之一次电池 题型06 常见的化学电源之二次电池 题型07 常见的化学电源之燃料电池 题型08 电解池在物质制备中的应用 题型01 化学能与电能的转化 1. 一、化学能与电能的转化 1.化学能与电能的转化(火力发电) (1)我国目前电能的主要来源：我国目前电能主要来自火力发电，其次来自水力发电、风力发电、核能、水力发电、生物质能等。 (2)火力发电过程中能量的转化：化学能热能机械能电能 ； (3)火力发电的优点 ①我国煤炭资源丰富； ②电能清洁、安全，又快捷方便。 (4)火力发电的缺点 ①化石燃料属于不可再生资源，用化石燃料发电会造成资源的浪费； ②火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大； ③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质(如SO2、CO、NO2、粉尘等)，污染环境。 【典例1】（24-25高一下·江苏连云港·期末）2025年中国环境日的主题为“美丽中国我先行”。下列做法不应提倡的是 A．大力发展火力发电 B．植树造林，增加绿色植被 C．推广实行垃圾分类处理 D．开发使用太阳能等清洁能源 【答案】A 【详解】A．火力发电依赖化石燃料，产生大量污染物和温室气体，不符合环保要求，A符合题意； B．植树造林有助于吸收CO2，改善生态环境，B不符合题意； C．垃圾分类处理可提高资源利用率并减少污染，C不符合题意； D．开发太阳能等清洁能源可减少化石能源消耗，D不符合题意； 故选A。 【变式1-1】（24-25高二上·江苏宿迁·开学考试）人类生产生活离不开电能的使用。下列电能是由化学能转化而来的是 A．火力发电 B．水力发电 C．风力发电 D．太阳能发电 【答案】A 【详解】A．火力发电是利用了煤燃烧放出的热量，属于化学变化，是将化学能转化成电能，是利用化学反应产生电能，A符合题意； B．水力发电的过程中没有新物质生成，属于物理变化，不是利用化学反应获得电能，B不符合题意； C．风力发电的过程中没有新物质生成，属于物理变化，不是利用化学反应获得电能，C不符合题意； D．太阳能发电的过程中没有新物质生成，属于物理变化，不是利用化学反应获得电能，D不符合题意； 故选A。 【变式1-2】（24-25高二上·江苏镇江·阶段练习）二十大报告指出：积极稳妥推进碳达峰、碳中和。下列措施对实施“碳中和”最有效的是 A．推行生活垃圾分类 B．光催化和合成甲醇 C．利用新技术大力开采可燃冰作为能源 D．利用火力发电产生的电能电解水制氢有利于实现碳中和 【答案】B 【详解】A．推行生活垃圾分类是减少环境污染、减少资源消耗、美化生活环境、实现社会可持续发展和资源合理利用的必由之路，对实施碳中和有作用，但不属于最有效的，A错误； B．光催化和合成甲醇，直接消耗二氧化碳，属于最有效、最直接的做法，B正确； C．可燃冰仍然是含碳燃料，作为能源，不利于实施碳中和，C错误； D．火力发电产生的电能电解水，根本上是火力发电燃烧化石燃料，不利于碳中和，D错误； 故选B。 【变式1-3】（24-25高一下·江苏扬州·阶段练习）我国承诺在2030年前实现“碳达峰”。下列措施不利于实现“碳达峰”的是 A．大量开采可燃冰(CH4·nH2O)作为清洁能源 B．开发太阳能、氢能等新能源 C．提倡乘坐公共交通工具出行 D．逐步减少火力发电的占比 【答案】A 【详解】A．大量开采可燃冰(主要成分甲烷水合物)，开采过程中若甲烷泄漏，甲烷是强效温室气体，会加剧碳排放，且目前开采技术不成熟，不利于实现“碳达峰”，A符合题意； B．开发太阳能、氢能等新能源，可以减少二氧化碳的排放，利于实现“碳达峰”，B不符合题意； C．提倡乘坐公共交通工具出行，能减少私人汽车使用，降低交通领域碳排放，对于“碳达峰”具有重要意义，C不符合题意； D．火力发电需要燃烧大量的煤等可燃物，燃烧过程中产生大量的CO2，不利于实现碳达峰，D不符合题意； 故选A。 题型02 原电池工作原理及构成条件 1.原电池的工作原理及构成条件 (1)实验探究 实验步骤 装置图 实验现象 原因解释 ①将锌片和铜片插入盛有 稀硫酸的烧杯中，观察现象 Zn片：锌片溶解，表面产生无色气泡 Cu片：无变化 反应的离子方程式：Zn+2H+=Zn2++H2↑；Cu片表面无明显变化的原因：铜排在金属活动性顺序表氢的后面，不能从酸溶液中置换出氢气 ②用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象 Zn片：锌片溶解 Cu片：铜片表面有气泡 锌与稀硫酸反应，但氢气在铜片上产生 ③用导线连接锌片和铜片，并在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表指针是否偏转 Zn片：锌片溶解 Cu片：铜片表面有气泡 电流表A指针偏转 电流表指针偏转说明：导线中有电流；Cu片上有气泡说明：溶液中的氢离子在铜片表面获得电子发生还原反应产生氢气，从铜片上放出 (2)原理分析： 装置示意图 电极材料 电极名称 电子转移 电极反应式 反应类型 锌片 负极 电子流出 Zn-2e-=Zn2+ 氧化反应 铜片 正极 电子流入 2H++2e-=H2↑ 还原反应 电子的流向 电子由负极经导线流向正极 反应本质 自发进行的氧化还原反应 总反应式 Zn+2H+=Zn2++H2↑ 结论 当用导线连接铜片和锌片一同进入稀硫酸时，由于锌比铜活泼，容易失去电子，锌被氧化成Zn2+而进入溶液，电子则有锌片经导线流向铜片，溶液中的H+从铜片中获得电子被还原成氢原子，氢原子结合成氢分子从铜片上析出。由于导线上有电子通过，因此产生了电流，电流表的指针会发生偏转。 (3)原电池的工作原理 ①反应类型：负极发生氧化反应，正极发生还原反应； ②电子流向：电子的移动方向是从负极流出，经导线流向正极(电子不下水)； ③离子移动：离子的移动方向是阳离子向正极移动，阴离子向负极移动(离子不上岸)。 (4)原电池的概念：将化学能转化为电能的装置；原电池的反应本质是氧化还原反应 (5)原电池的构成条件 ①具有活泼性不同的两个电极，其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼； ②两电极插入电解质溶液(或者熔融的电解质)中； ③电极用导线相连并插入电解液形成闭合回路； ④能自发地发生氧化还原反应。 (6)原电池正、负极的判断方法 ①一般是较活泼金属作负极，较不活泼金属作正极，但也要注意电解质溶液的性质。 ②镁铝用导线连接插入稀硫酸中，镁作负极，铝作正极；若电解质是氢氧化钠，则镁作正极，铝作负极。 ③铜铝用导线连接插入稀硫酸中，铝作负极，铜作正极；若插入浓硝酸中，铝作正极，铜作负极。 【温馨提示】①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。 ②两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。 ③在判断原电池正负极时，既要考虑金属活泼的强弱也要考虑电解质溶液的性质。如Mg—Al—HCl溶液构成的原电池中，负极为Mg；但是Mg—Al—NaOH溶液构成的原电池中，负极为Al，正极为Mg。 【典例2】（24-25高一下·江苏连云港·期中）将纯铁片和纯铜片按图甲、乙方式插入相同浓度的稀硫酸中一段时间，下列说法正确的是 A．甲、乙均为化学能转变为电能的装置 B．乙中铜片上有气泡产生 C．甲中铜片质量减少、乙中铁片质量减少 D．甲、乙两烧杯中均减小 【答案】D 【分析】甲中形成铜铁原电池，铁作负极，失电子，铜作正极，H+在铜极上得电子，生成H2，总反应式为：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑；乙装置中只是铁片与稀硫酸间发生了置换反应：Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑，以此进行分析。 【详解】A．甲中形成铜铁原电池，将化学能转变为电能，乙装置中只是铁片与稀硫酸间发生了置换反应，故A错误； B．结合分析可知，乙中铁片上有气泡产生，故B错误； C．结合分析可知，甲中H+在铜极上得电子，生成H2，铜片质量不变，乙中铁片失去电子形成二价铁离子，质量减少，故C错误； D．甲中铜片上氢离子得电子生成氢气，乙中铁和稀硫酸发生置换反应生成氢气，所以两烧杯的溶液中氢离子浓度均减小，故D正确； 故选D。 【变式2-1】（24-25高一下·江苏扬州·期中）下列装置能构成原电池的是 A． B． C． D． 【答案】C 【详解】A．稀硫酸分装在两个容器中，不能形成闭合电路，不能构成原电池，A错误； B．酒精是非电解质，不能导电，不能构成原电池，B错误； C．Fe、C用导线连接，形成闭合回路，Fe和稀硫酸能发生氧化还原反应，能形成原电池，属于原电池装置，C正确； D．Cu和稀硫酸不反应，没有自发的氧化还原反应，不能构成原电池，D错误； 故选C。 【变式2-2】（24-25高一下·江苏镇江·期末）利用电化学原理消除污染，同时获得电能。一种处理垃圾渗透液的装置工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．X是正极，发生氧化反应 B．盐桥内移向X电极 C．Y极的电极反应： D．当电路中通过5mol电子，电池共释放14g气体 【答案】C 【分析】该装置为原电池装置，X电极附近N元素化合价升高，故X为负极，电极反应为：，Y为正极，电极反应为：。 【详解】A．根据分析，X为负极，发生氧化反应，A错误； B．盐桥内移向正极，即Y电极，B错误； C．根据分析，Y为正极，电极反应为：，C正确； D．当电路中通过5mol电子，负极产生N2，正极产生0.5molN2，电池共释放气体，D错误； 故选C。 【变式2-3】（24-25高一下·江苏扬州·期中）化学家正在研究尿素燃料电池，尿素燃料电池结构如图所示，用这种电池直接去除城市废水中的尿素，下列有关描述正确的是 A．甲电极为电池的正极 B．电池工作时氢离子向甲电极移动 C．乙电极的电极反应式为： D．该装置中化学能转化为电能 【答案】D 【分析】甲电极上氮元素化合价由-3价上升为0价，失电子发生氧化反应，负极电极反应式为；乙电极上氧气得电子，氧元素价态降低，正极发生还原反应，电极反应式为，电池总反应为，负极产生氢离子，透过质子交换膜移向正极，两极转移电子数目相等；据此作答。 【详解】A．由上述分析可知，甲电极为电池的负极，乙电极为电池的正极，A错误； B．电池工作时，负极产生氢离子，透过质子交换膜移向正极，即氢离子向乙电极移动，B错误； C．由上述分析可知，乙电极上氧气得电子，氧元素价态降低，正极电极反应式为，C错误； D．该装置利用氧化还原反应设计制作为原电池，把化学能转化为电能，D正确； 故选D。 题型03 原电池的应用 原电池原理的应用 1.加快氧化还原反应的速率：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。如：在Zn和稀硫酸反应时，滴加少量CuSO4溶液，则Zn置换出的铜和锌能构成原电池的正负极，从而加快Zn与稀硫酸反应的速率。 2.比较金属活动性的强弱 (1)方法：一般情况下，负极的金属活动性比正极的金属活动性强。 (2)常见规律：电极质量较少，作负极较活泼，有气体生成、电极质量不断增加或不变作正极，较不活泼。 3.解释生活中的现象 (1)潮湿的空气里钢铁容易生锈(形成原电池) 负极反应：2Fe-4e-=2Fe2+ 正极反应： O2+2H2O+4e-=4OH-                          总反应：2Fe+ O2 + 2H2O =2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2 + 2H2O =4Fe(OH)3 2Fe(OH)3Fe2O3•nH2O(铁锈) (2)暖贴(原电池原理) ①主要成分：铁粉、碳、食盐、水、吸水布(吸水棉) ②使用方法：撕开后进入空气(提供氧气，供吸氧腐蚀用) ③主要原理： 负极反应：2Fe-4e-=2Fe2+ 正极反应： O2+2H2O+4e-=4OH-                          总反应：2Fe+ O2 + 2H2O =2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2 + 2H2O =4Fe(OH)3 在此反应过程中放热，因此成为“暖宝宝”“热敷袋”。 【典例3】（24-25高一下·江苏连云港·期中）暖贴是利用钢铁电化学腐蚀原理制成的，内部结构如图所示。下列说法正确的是 A．铁作负极，其电极反应式： B．暖贴工作时需要与空气中的和水蒸气接触 C．暖贴短时间内产生较多的热是因为活性炭被氧化 D．暖贴使用后产生的红色固体成分为 【答案】B 【分析】由图可知，暖贴的工作原理实际上是铁发生吸氧腐蚀，工作时，铁、碳在氯化钠溶液中构成原电池，铁做负极失去电子发生氧化反应生成亚铁离子，电极反应式为，活性炭做正极，氧气做正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子，电极反应式为。 【详解】A．由分析可知，暖贴工作时，铁、碳在氯化钠溶液中构成原电池，铁做负极失去电子发生氧化反应生成亚铁离子，电极反应式为，故A错误； B．由分析可知，正极反应式为，则暖贴工作时需要与空气中的和水蒸气接触，故B正确； C．由分析可知，暖贴工作时，铁做负极被消耗，活性炭做正极不被消耗，故C错误； D．负极产生的亚铁离子与正极产生的氢氧根离子生成，被氧化为，受热分解生成红色的，故D错误； 故选B。 【变式3-1】（23-24高一下·江苏盐城·阶段练习）化学电源在生产生活中有着广泛的应用，同学们常常通过设计实验和查阅资料的方式学习化学电源的相关知识。 (1)甲同学为了解反应中的能量转化，设计了一组对比实验(实验装置如图Ⅰ和图Ⅱ)。预计产生气体的速率Ⅰ Ⅱ(>、<或=)，温度计的示数Ⅰ II(>、<或=)； (2)乙同学用如图乙装置推算铜锌原电池工作时产生的电流量。供选择的电极材料有纯铜片和纯锌片。则a电极的电极反应式为 ，当量筒中收集到336mL(标准状况下)气体时，通过导线的电子的物质的量为 。 (3)丙同学了解到科学家正在研究利用原电池原理常温常压下合成氨，在该装置简图丙中，电极a为 极(填“正”或“负”)，若原料气H2中混有CO，单位体积原料气合成氨气的物质的量不变，只是在电极b附近需增设排气口，排出气体主要含有 。 (4)FeCl3常用于腐蚀印刷电路铜板(2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2)请将此反应设计成原电池，该原电池负极的电极材料为 ，正极的电极材料为 ，电解质溶液为 ，负极的电极反应式为 。 【答案】(1) < > (2) Zn-2e-=Zn2+ 0.03mol (3) 正 CO2 (4) Cu C(石墨)(或活动性比Cu弱的金属) FeCl3溶液 Cu-2e-=Cu2+ 【详解】（1）Ⅰ为Zn与稀硫酸反应生成氢气，Ⅱ中Zn、Cu与稀硫酸构成原电池，H+在正极上得电子生成氢气，原电池结构有助于加速化学反应，故产生气体的速率Ⅰ<Ⅱ。装置Ⅰ中Zn与稀硫酸反应放热，化学能主要转化为热能，Ⅱ中化学能主要转化为电能，放热量少，因此温度计的示数Ⅰ>Ⅱ。 （2）从图示装置可知，b电极上生成气体，则b电极为正极，a电极为负极，a电极上Zn失电子生成Zn2+，电极反应为Zn-2e-=Zn2+。量筒中收集到336mL气体时，生成氢气=0.015mol，正极上电极反应为2H++2e-=H2↑，生成0.015mol氢气转移电子数为0.03mol。 （3）电极a上氮气得电子生成氨气，则电极a为正极。电极b为负极，负极上H2失电子转化为氢离子，H2-2e-=2H+，氢气中混有CO，CO失电子转化为CO2，排出的气体主要含有CO2。 （4）反应2FeCl3+Cu═2FeCl2+CuCl2中，Cu价态升高失电子，Cu作负极，该原电池负极的电极材料为Cu，正极的电极材料为C(石墨)(或活动性比Cu弱的金属)；电解质溶液为FeCl3溶液，负极的电极反应式为Cu-2e-=Cu2+。 【变式3-2】（23-24高一下·江苏·期末）有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验： ①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极； ②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向由D→导线→C； ③A、C用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡； ④B、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。 据此可判断四种金属的活动性由强到弱的顺序为 A．A>B>C>D B．A>C>D>B C．C>A>B>D D．B>D>C>A 【答案】B 【分析】一般情况下，原电池中金属活动性：负极材料>正极材料。 【详解】①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A极为负极，则金属活动性：A>B； ②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向由D导线→C，则C是负极、D是正极，金属活动性：C>D； ③A、C用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡，则C极上得到电子发生还原反应，C是正极、A是负极，金属活动性：A>C； ④B、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应，则D是负极、 B是正极，金属活动性：D>B； 综上：金属活动性顺序为A>C>D>B， 故选B。 【变式3-3】（24-25高一下·江苏连云港·期中）某同学为研究影响化学反应速率的因素进行了以下实验探究。 Ⅰ：实验1：为了验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律，某同学设计了三组实验。一种新型催化剂能使和发生反应：。已知增大催化剂的比表面积可提高该反应速率，数据如表所示，请完成下列问题： 实验编号 t/℃ NO初始浓度/（） CO初始浓度/（） 催化剂的比表面积 Ⅰ 280 82 Ⅱ 280 124 Ⅲ 350 82 (1)表中 。 (2)能验证温度对化学反应速率影响规律的是实验 （填实验编号）。 (3)实验Ⅰ和实验Ⅱ中，NO的物质的量浓度（NO）随时间的变化曲线如图所示，其中表示的是曲线 （填“甲”或“乙”）。 Ⅱ：实验2：用稀硫酸与锌制取氢气的实验中，发现加入少量硫酸铜溶液可加快氢气的生成速率。请回答下列问题： (4)硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是 。 (5)为了进一步探究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，该同学设计了如下一系列的实验。将表中所给的混合溶液分别加入6个盛有过量粒的反应瓶中，收集产生的气体，记录获得相同体积的气体所需时间。 混合溶液 A B C D E F 4 30 饱和溶液/mL 0 0.5 2.5 5 20 10 0 ①请完成此实验设计，其中 ， 。 ②该同学最后得出的结论为：当加入少量溶液时，生成氢气的速率会大大提高，但当加入的溶液超过一定量时，生成氢气的速率反而会下降。请分析生成氢气速率下降的主要原因： 。 【答案】(1) (2)I和Ⅲ (3)乙 (4)锌置换铜离子生成铜单质，铜锌形成原电池，加快了反应的进行 (5) 30 15 反应中置换出较多的铜单质覆盖在锌表面，使得锌、硫酸反应接触面积减小 【分析】通过对比实验研究某一因素对实验的影响，应该要注意控制研究的变量以外，其它量要相同，以此进行对比； 【详解】（1）验证温度、催化剂的比表面积对化学反应速率的影响规律，则CO的浓度要相同，即； （2）实验I和Ⅲ温度不同，催化剂的比表面面积、CO初始浓度相同，实验验证温度对化学反应速率的影响规律时应控制反应物初始浓度相同； （3）实验I和Ⅱ变量为催化剂的比表面积，研究催化剂的比表面积对反应速率的影响，催化剂的比表面积越大，反应速率越快，因此表示实验Ⅱ的是曲线乙。 （4）硫酸铜溶液可以加快氢气生成速率的原因是锌置换铜离子生成铜单质，铜锌形成原电池，加快了反应的进行； （5）①探究硫酸铜的量对氢气生成速率的影响，则实验中变量为硫酸铜溶液的量，实验中其它物质的量相同，则=30、+20--5=15； ②当加入的溶液超过一定量时，反应中置换出较多的铜单质覆盖在锌表面，使得锌、硫酸反应接触面积减小，导致生成氢气的速率反而会下降。 题型04 设计原电池 1.原电池设计 (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(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等。 【温馨提示】原电池设计思路 ①定：确定一个能够自发进行的氧化还原反应； ②拆：将氧化还原反应拆分为两个半反应； 负极：还原剂-ne-=氧化产物；正极：氧化剂+ne-=还原产物； ③找：正、负极材料和电解质溶液； ④画：形成闭合回路，画出原电池示意图。 【典例4】（24-25高一下·江苏盐城·期中）人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学技术发展中，电池发挥着越来越重要的作用。请根据题中信息，回答下列问题： (1)直接提供电能的一般是放热反应，下列能设计成原电池的是___________。(填字母，下同) A．与反应 B．氢氧化钠与稀盐酸反应 C．灼热的炭与反应 D．与燃烧反应 (2)将纯铁片和纯铜片按图甲、乙方式插入100mL相同浓度的稀硫酸中一段时间，回答下列问题： ①下列说法正确的是 。 A．甲、乙均为化学能转变为电能的装置 B．乙中铜片上没有明显变化 C．甲中铜片质量减少、乙中铁片质量减少 D．甲、乙两烧杯中c()均减小 ②在相同时间内，两烧杯中产生气泡的速度：甲 乙。(填“>”“<”或“=”) ③请写出甲、乙中构成原电池的正极电极反应式 。电池工作一段时间后，甲中溶液质量增重27g时，电极上转移电子数目为 。 ④若将甲中的稀硫酸换为浓硝酸，则电池总反应的离子方程式为 。 (3)图丙为甲烷氧气燃料电池的构造示意图，电解质溶液的溶质是KOH。通甲烷一极的电极反应方程式为 。 【答案】(1)D (2) BD ＞ (3) 【详解】（1）A．与反应为非氧化还原反应，不能设计成原电池，A错误； B．氢氧化钠与稀盐酸反应为非氧化还原反应，不能设计成原电池，B错误; C．灼热的炭与反应为吸热反应，一般不能设计成原电池，C错误； D．与燃烧反应为能自发进行的氧化还原反应，且是放热反应，能设计成原电池，D正确； 故答案选D。 （2）①A．甲装置是原电池，将化学能转变为电能，乙不能形成原电池，A错误； B．乙装置不能形成原电池，且铜片不与稀硫酸反应反应，所以铜片上没有明显变化，B正确； C．甲装置为原电池装置，铁为负极，铜为正极，负极，正极，所以铁片质量减少，铜片质量不变，乙装置不能形成原电池，铁能与稀硫酸发生反应，铁片质量减少，铜片不与稀硫酸反应反应，铜片质量不变，C错误； D．两个烧杯中都产生氢气，都降低，D正确； 故答案选BD； ②甲装置是原电池，乙不能形成原电池，原电池反应能加快反应速率，则两烧杯中产生气泡的速度：甲＞乙； ③甲装置为原电池装置，铁为负极，铜为正极，负极，正极，乙装置不能形成原电池，故答案为；甲装置发生反应，当转移时，溶液质量增重，所以当甲中溶液质量增重27 g时，电极上转移电子数目为； ④若将甲中的稀硫酸换为浓硝酸，常温下发生钝化，能与浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮和水，电池总反应的离子方程式为。 （3）碱性甲烷燃料电池中，甲烷发生失电子的氧化反应生成，则通甲烷一极的电极反应方程式为。 【变式4-1】（24-25高一下·江苏无锡·期中）原电池是直接把化学能转化为电能的装置，按要求完成各小题。 (1)写出溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式： 。若将此反应设计成原电池，该电池的负极材料是 。 (2)一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电和环保三位一体的结合，其工作原理如下图1所示，放电过程中负极的电极反应式为 ，若过程中产生，则消耗标准状况下的体积为 L。 (3)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图2：电池工作时，内电路中，向电极 (填“A”或“B”)移动，电极A上CO参与的电极反应式为 。 (4)以乙醇作燃料的燃料电池如下图所示。 ①在该电池中A电极的电极反应式为 。 ②若标况下有参与反应，理论上通过质子交换膜的数目为 。 【答案】(1) 2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+ Cu (2) NO-3e-+2H2O=HNO3+3H+ 67.2 (3) A CO-2e-+CO=2CO2 (4) C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+ 2NA 【详解】（1）Fe3+具有氧化性，可以将铜单质氧化为Cu2+，自身还原为Fe2+离子，溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+；将此反应设计成原电池，负极上发生失电子的氧化反应，根据离子方程式可得负极材料是Cu。 （2）放电过程中，NO在负极失电子生成硝酸，负极的电极反应式NO-3e-+2H2O=HNO3+3H+；若过程中产生4molHNO3，电路中转移12mol电子，正极的电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O，根据电子守恒，正极消耗3molO2，则消耗标准状况下的体积为3mol×22.4L/mol=67.2L。 （3）分析熔融碳酸盐燃料电池原理示意图，通入氧气的一端为原电池正极，通入一氧化碳和氢气的一端为负极，电池工作时，内电路中CO向负极移动，即向电极A移动；电极A上CO失电子发生氧化反应生成二氧化碳，A电极反应为：CO-2e-+CO=2CO2。 （4）①在该电池中乙醇为燃料失电子为负极(A)，氧气为正极(B)，条件为酸性介质，A为负极，乙醇发生氧化反应，电极的电极反应式：C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+。 ②正极的电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O，若标况下有即物质的量参与反应，消耗2molH+，理论上通过质子交换膜的数目为2NA。 【变式4-2】（24-25高一下·江苏徐州·期中）原电池是化学对人类的一项重大贡献。 I．某化学兴趣小组为了探索铝电极在原电池中作用，设计并进行以下一系列实验，实验结果记录如下： 编号 电极材料 电解质溶液 电流表指针方向 1 Mg、Al 稀盐酸 偏向Al 2 Al、Cu 稀盐酸 偏向Cu 3 Mg、Al 氢氧化钠溶液 偏向Mg 根据上表中记录的实验现象，回答下列问题： (1)实验1、2中Al电极的作用是否相同？ (填”是”或”否”)。 (2)实验2中Cu为 极，电池总反应离子方程式 。 (3)实验3中Al为 极，其电极反应式为 。 II．如图所示是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题： (4)电池的负极是 (填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为 。 (5)电池工作一段时间后电解质溶液的pH (填“增大”、“减小”或“不变”)。 【答案】(1)否 (2) 正 2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2↑ (3) 负 Al-3e-+4OH- =[Al(OH)4]-(或Al-3e-+ 4OH-=AlO+2H2O) (4) a CH4 -8e- + 10OH- = CO+ 7H2O (5)减小 【详解】（1）实验1中电流表指针偏向Al，Al为正极，实验2中电流表指针偏向Cu，Cu为正极、Al为负极，实验1、2中Al电极的作用不同； （2）实验2中，Cu的活泼性弱于Al，则Cu为正极，正极反应为：、负极反应为，电池总反应离子方程式为； （3）实验3中电流表指针偏向Mg，Mg作正极、铝作负极，因为铝能与氢氧化钠溶液反应，故电池负极反应为(或Al-3e-+ 4OH-=AlO+2H2O)； （4）CH4在反应时失去电子转化为，故a电极是电池的负极；负极反应为：CH4＋10OH--8e-=＋7H2O； （5）正极反应式为O2＋2H2O＋4e-=4OH-，由此可知，当转移4mol电子时，负极消耗5molOH-，正极生成4molOH-，溶液中OH-浓度减小，电解质溶液的pH会减小。 【变式4-3】（24-25高一下·江苏宿迁·期中）I．汽车尾气中NO生成过程的能量变化示意图如图： (1)该条件下，1molN2和1molO2完全反应生成NO，会 (填“吸收”或“放出”) KJ能量。 II．已知反应，某温度下，在2L恒容密闭容器中投入一定量的A、B，两种气体的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。 (2)从反应开始到12s时，用A的浓度变化表示的反应速率为 。 (3)经测定，前4s内，则该反应的化学方程式为 。 (4)反应达到平衡时，B的转化率是 。 (5)只改变下列某一反应条件时，能使上述转化速率加快的是_______(填序号) A．使用高效催化剂 B．向容器中充入与A、B、C三种不反应的氩气 C．降低温度 D．减小C的物质的量 (6)能判断该反应已达反应限度的是_______(填字母)。 A．容器中A浓度与B浓度之比为3∶1 B．容器中混合气体的质量保持不变 C．用A、B、C表示的反应速率之比为a∶b∶c D．A体积分数保持不变 III．在碱性条件下，NH3和NO可设计为原电池装置，将一氧化氮转化为N2，电池的总反应为4NH3+6NO=5N2+6H2O。其工作原理如图所示： (7)电极A为 极(填“正”“负”)。电极B发生的电极反应为 。标准状况下，若电极B上消耗44.8L一氧化氮时，则转移的电子总数为 。 【答案】(1) 吸收 180 (2) (3)3A(g)+B(g)2C(g) (4)40% (5)A (6)D (7) 负 4mol(46.021023) 【详解】（1），反应热=反应物断键吸收的能量-生成物形成化学键释放出的能量，该反应的反应热，所以这是一个吸热反应，完全反应生成NO会吸收的能量。 （2）A的浓度从，其速率为：。 （3）前内，A的浓度变化是，其速率为：，，平衡时，，，根据速率之比等于物质的量系数之比，方程式为：。 （4）反应达到平衡时，，转化率为：。 （5）A．使用高效催化剂，转化速率加快，A符合题意； B．容器体积不变，充入氩气，各气体浓度不变，反应速率无变化，B不符合题意； C．降低温度，反应速率降低，C不符合题意； D．减小C的物质的量，平衡正移，各物质浓度均降低，反应速率降低，D不符合题意； 故选A。 （6）A．反应物A和B的反应消耗的量之比为3:1，二者剩余的量之比为3:1不能判断是否平衡，A不符合题意； B．所有物质均是气体，无论是否平衡，气体质量不变化，B不符合题意； C．任何时刻，无论是否平衡，反应速率之比均是方程式系数之比，此时不一定平衡，C不符合题意； D．A体积分数保持不变，说明各物质的浓度不变，达到平衡状态，D符合题意； 故选D。 （7）一氧化氮转化为，氮元素化合价降低，电极B作正极，其电极反应式为：；氨气中氮元素化合价升高，失去电子，电极A作负极。根据电极反应式关系：，标准状况下，若电极B上消耗一氧化氮。转移电子为，转移的电子总数为。 题型05 常见的化学电源之一次电池 一次电池：一次电池的特点是活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗一定程度后，就不能再重复使用。即：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池 ①酸性锌锰干电池 结构 酸性锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质 电极反应 负极 Zn-2e-=Zn2+ 正极 2MnO2+2NH+2e-=Mn2O3+2NH3↑+H2O 总反应 Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑+H2O 缺陷 酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀 改进措施 a．在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池 b．将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池 ②碱性锌锰干电池 结构 碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液 电极反应 负极 Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 总反应 Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 特点 比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电 ③锌银电池 电极反应 负极 Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极 Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH- 总反应 Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 特点 比能量大、电压稳定、储存时间长 【典例5】（2024·江苏·高考真题）碱性锌锰电池的总反应为，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是 A．电池工作时，发生氧化反应 B．电池工作时，通过隔膜向正极移动 C．环境温度过低，不利于电池放电 D．反应中每生成，转移电子数为 【答案】C 【分析】Zn为负极，电极反应式为：，MnO2为正极，电极反应式为：。 【详解】A．电池工作时，为正极，得到电子，发生还原反应，故A错误； B．电池工作时，通过隔膜向负极移动，故B错误； C．环境温度过低，化学反应速率下降，不利于电池放电，故C正确； D．由电极反应式可知，反应中每生成，转移电子数为，故D错误； 故选C。 【变式5-1】（23-24高一下·江苏淮安·期中）根据原电池原理，人们研制出很多结构和性能各异的化学电池，用来满足不同的用电需要。常见的锌锰干电池的构造如图所示。下列说法正确的是 A．锌筒质量逐渐减小 B．该电池可以反复充放电 C．石墨棒作负极 D．电流从锌筒通过导线流向石墨棒 【答案】A 【分析】图示的电池为锌锰电池，锌筒作为电池的负极，其电极反应式为，碳棒为电池的正极，其反应的电极方程式为。 【详解】A．根据电池反应，锌筒作为电池负极逐渐被反应，锌筒质量逐渐减小，A正确； B．该电池为一次电池，放电后不能重复充电，B错误； C．石墨棒作为正极，体系中在此电极上放电，C错误； D．电池中锌失去电子后通过导线转移到石墨棒上，电流方向为石墨到锌筒，D错误； 故选A。 【变式5-2】（2024高三·全国·专题练习）锌银纽扣电池是生活中常见的一次电池，其构造示意图如下。下列说法不正确的是 A．作电池的负极 B．电池工作时，向正极移动 C．正极的电极反应： D．金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性 【答案】B 【分析】锌银纽扣电池中，锌作负极，发生氧化反应：，作正极，发生还原反应：，总反应为：； 【详解】A．由分析可知，锌作电池的负极，作电池正极，A正确； B．原电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，则向负极移动，B错误； C．由分析可知，正极的电极反应为：，C正确； D．金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性，以保证电池正常工作，D正确； 故选B。 【变式5-3】（24-25高二下·江苏无锡·阶段练习）化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法正确的是 A．图甲：锂电池放电时，电解质中向锂电极迁移 B．图乙：负极的电极反应式为 C．图丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄 D．图丁：铅作负极，电极反应式为 【答案】C 【详解】A．原电池中阳离子向正极迁移，甲为锂电池，负极为锂，Li+向正极多孔碳材料迁移，故A错误； B．乙为纽扣电池，正极为Ag2O得电子发生还原反应，反应式为，负极为活泼金属锌单质，故B错误； C．丙为锌锰干电池，锌筒作负极，发生氧化反应被溶解，导致锌筒变薄，故C正确； D．铅蓄电池为二次电池，Pb为负极失电子结合硫酸根离子生成PbSO4，电极反应为Pb-2e-+=PbSO4↓，D错误； 故答案为C。 题型06 常见的化学电源之二次电池 二次电池：充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是： 化学能电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等。 ①铅蓄电池 结构 铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开 电极反应 总反应 负极 正极 特点 常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全 ②镍氢电池 结构 储氢合金为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质 电极反应 总反应 负极 正极 特点 寿命比铅蓄电池长，性能好； ③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。 锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。 【典例6】（23-24高一下·江苏无锡·期中）是一种新型二次电池，其装置的示意图如下(透过膜只允许通过)。下列说法正确的是 A．断开、闭合，左室的电极为阳极，发生还原反应 B．断开、闭合，右室的电极反应式： C．断开、闭合，外电路中通过电子时，左室溶液质量增加 D．该二次电池的总反应为 【答案】C 【详解】A．断开K1、闭合K2，该装置为电解池，右室的电极与外接电源的正极相连作阳极，LiFePO4失去电子发生氧化反应生成Li1-xFePO4，A错误； B．断开K2、闭合K1，该装置为原电池，右室的电极为正极，Li1-xFePO4得电子发生还原反应生成LiFePO4，电极反应式为：Li1-xFePO4+xLi++xe-=LiFePO4，B错误； C．断开K2、闭合K1，外电路中通过a mol电子时，左室有0.5a mol Mg溶解，同时有a mol Li+移向右室，因此左室溶液质量增加，C正确； D．该二次电池的总反应为：xMg+xLi2SO4+2Li1-xFePO4xMgSO4+2LiFePO4，D错误； 故选C。 【变式6-1】（24-25高一下·江苏·期末）下列关于四个常用电化学装置的叙述错误的是     A．图I所示水果电池中，电子从锌片流出 B．图II所示干电池中，石墨作正极 C．图III的铅酸蓄电池为二次电池 D．图IV中氢氧燃料电池的负极反应式为O2+4H++4e-=2H2O 【答案】D 【详解】A．图I水果电池中，锌的活动性比铜强，锌作负极，铜作正极，电子由负极流向正极，A正确； B．图II为酸性锌锰干电池，锌为金属，锌作负极，石墨作正极，B正确； C．图III为铅蓄电池，铅作负极，二氧化铅作正极，是二次电池，是可充电的电池，C正确； D．图IV为氢氧燃料电池，氢气作负极失电子，氧气作正极得电子，氧气得电子生成氧离子，氧离子在水溶液中不能稳定存在，要找氢结合，而电解质溶液呈酸性，因此正极电极反应式为，D错误； 故选D。 【变式6-2】（24-25高二上·江苏扬州·期末）一种新型锰氢二次电池以MnSO4溶液为电解质溶液，其充电原理如图所示，下列说法正确的是 A．电极a连接电源的负极 B．电极a所在电极室溶液的pH变小 C．H＋向电极a所在区域迁移 D．b极区产生的气体是O2 【答案】B 【分析】在充电过程中，电极a上Mn2+转化为MnO2，锰元素化合价升高，发生氧化反应，根据电解池原理，阳极发生氧化反应，a极为阳极，b极为阴极。阳极与电源正极相连， 【详解】A．根据分析，a极为阳极，阳极与电源正极相连，所以电极a连接电源的正极，A错误； B．电极a的电极反应式为Mn2+ + 2H2O-2e- = MnO2 + 4H+，反应生成了H+，导致电极a所在电极室溶液中H+浓度增大，溶液的pH变小，B正确； C．在电解池中，阳离子向阴极移动，电极a为阳极，电极b为阴极，所以H+向电极b所在区域迁移，C错误； D．电极b为阴极，发生还原反应，溶液中的H+得到电子生成H2，而不是O2，D错误； 故选B。 【变式6-3】（25-26高二上·江苏苏州·期中）铅酸蓄电池工作时的反应为。某状态下测得两电极的质量都增加，下列有关该状态下的说法不正确的是 A．铅酸蓄电池正在放电 B．极反应式为 C．该状态下由极向极移动 D．一段时间后，溶液的增大 【答案】C 【分析】铅蓄电池的电极材料分别为Pb和PbO2，放电时负极电极反应为Pb-2e-+=PbSO4，正极电极反应为PbO2+2e-+4H++=PbSO4+2H2O，放电时两电极的质量都增加，则a为负极，b为正极，放电总反应为Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O，以此来解答。 【详解】A．由分析可知，图中的装置为原电池，则该铅蓄电池正在放电，故A正确； B．由分析可知，b为正极，正极电极反应PbO2+2e-+4H++=PbSO4+2H2O，故B正确； C．原电池中，阴离子向负极移动，即由b极向a极移动，故C错误； D．放电时，由电池总反应Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O可知，氢离子浓度减小，pH增大，故D正确； 故选C。 题型07 常见的化学电源之燃料电池 发展中的燃料电池 1.燃料电池的构成及特点 燃料电池的构成 燃料电池是一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)与氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的 电化学反应装置。 燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体， 电解质通常有四种情况： ①稀硫酸 ②KOH溶液 ③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是 ④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2-离子 燃料电池装置示意图 特点 ①清洁、安全、高效②料的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上 ③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低 ④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用 ⑤供电量易于调节，能适应于电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用情景 2.氢氧燃料电池 氢氧燃料电池在不同的介质中的总反应式相同，均为2H2+O2=2H2O。但正、负极反应式与电解质溶液有关，正、负极反应式归纳如下： 电解质溶液 负极 正极 酸性(H+) H2-2e-=2H+ O2+4H++4e-=2H2O 中性(Na2SO4) H2-2e-=2H+ O2+2H2O+4e-=4OH- 碱性(OH-) H2-2e-+2OH-=2H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 3.电池的优点和应用 (1)优点：能量转化率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作 (2)应用：在现代生活、生产、国防和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助电器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各式各样的电池 【温馨提示】 ①几种电池的特点比较： 名称 干电池(一次电池) 充电电池(二次电池) 燃料电池 特点 ①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后，不能再使用 ②电解质溶液为胶状，不流动 ①放电后可再充电使活性物质获得再生 ②可以多次充电，重复使用 ①电极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件 ②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出 举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等 铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等 ②一般的，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池(比能量和比功率大)，更适合使用者的需要。 ③废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，1节1号干电池会使1m2的耕地失去使用价值，并通过食物链给人体健康造成危害。另一方面，废弃电池中的有色金属是宝贵的资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。 【典例7】（24-25高一下·江苏南京·期中）回答下列问题： (1)根据表中数据计算，合成氨反应中每生成氨气放出 热量。 共价键 断开1mol放出能量/kJ a b c (2)一种肼(N2H4)燃料电池的工作原理如下图所示。其中，a极的电极反应式为 ；氢离子从 （填“正极室”或“负极室”）跨膜向另一极室移动。 (3)乙烯的电子式为 ；丙烯在催化剂、加热、加压下可以发生加聚反应，其反应化学方程式为 。 (4)经实验测得，某烃的化学式为，分子中只有2种化学环境的氢原子，且存在支链，其结构简式为 。 【答案】(1) (2) N2H4-4e-=N2↑+4H+ 负极室 (3) nCH3CH=CH2 (4) 【详解】（1）已知合成氨反应中每生成氨气时有1.5molH-H断裂和0.5mol断裂，同时有3molN-H形成，结合表中数据计算，该过程中放出()kJ热量，故答案为：； （2）由题干一种肼(N2H4)燃料电池的工作原理原电池装置图可知，a极中N2H4转化为N2，发生氧化反应，是负极，该电极的电极反应式为N2H4-4e-=N2↑+4H+，原电池内部阳离子由负极室经离子交换膜进入正极室，即氢离子从负极室跨膜向另一极室移动，故答案为：N2H4-4e-=N2↑+4H+；负极室； （3）已知乙烯的结构简式为：CH2=CH2，则乙烯的电子式为，丙烯即CH3CH=CH2在催化剂、加热、加压下可以发生加聚反应生成聚丙烯即，其反应化学方程式为：nCH3CH=CH2； （4）经实验测得，某烃的化学式为，分子中只有2种化学环境的氢原子，且存在支链，其结构简式为。 【变式7-1】（24-25高一下·江苏无锡·期末）氢能的开发利用包含制氢、储氢、用氢等方面。 I．甲烷制氢 (1)甲烷重整法制氢原理为：。反应在恒温恒容的条件下进行，下列情况能说明该反应达到平衡状态的是 。 A． B．混合气体中的浓度和CO的浓度相等 C．混合气体的平均摩尔质量保持不变 (2)催化甲烷制氢反应机理如图1所示： ①该机理可描述为 。 ②反应中催化剂活性降低的可能原因是 。 II．甲醇储氢 (3)由CO和为原料合成的主要反应为：反应在密闭体系中进行。测得CO和的浓度随时间变化如图2所示。 ①在4min到9min时间段，用氢气浓度变化表示的平均反应速率为 。 ②若要提高反应速率，可采取的措施为 。 III．电池用氢 (4)氢氧燃料电池工作原理如图3，电池工作时，两种气体分别从入口通入，其中均为惰性电极。 ①使用时，氢气从 口通入(填“A”或“B”)。 ②b电极的可能电极反应为： 。 ③随着反应的进行，KOH溶液pH将 (填“变大”“变小”或“不变”)。 【答案】(1)AC (2) 分子吸附到催化剂表面，解离成和，共吸附在催化剂上，其次剩余的键依次断裂，两个优先脱下的游离氢原子在催化剂表面反应生成吸附态的氢气；直至最后甲烷上的氢原子脱离束缚，并与反应过程中第三个氢原子结合生成吸附态的氢气 反应最后以游离碳的形式附着在催化剂表面上形成积碳，导致催化剂活性下降 (3) 升温、加压等合理答案 (4) A 变小 【分析】小问1：根据化学平衡状态的特征和本质判断； 小问2：①观察反应机理图中物质的转化过程，追踪甲烷分子在活性位点上的脱氢步骤及中间产物，总结反应路径。 ②结合催化剂活性降低的常见原因（如活性位点被覆盖、中毒等），分析反应中生成的物质对催化剂活性位点的影响。 小问3：①先算目标物质的反应速率（浓度变化/时间），再按化学计量数比例求其他物质的速率； ②从影响反应速率的常见因素（压强、温度、催化剂、浓度等）分析可行措施； 小问4：该燃料电池的工作原理为氢气在负极氧化，氧气在正极还原，电子经外电路流动形成电流，化学能转化为电能。 【详解】（1）A．根据反应速率之比等于化学计量数之比，v(CO)：v(H2) = 1：3，所以3v(CO)=v(H2)。当3v正(CO)=v逆(H2)时，反应达到平衡状态，A正确； B．混合气体中CH4的浓度和CO的浓度相等，不能说明正逆反应速率相等或者各物质的浓度不再变化，所以不能说明反应达到平衡状态，B错误； C．反应前后气体的物质的量发生变化，根据M=m/n，在恒温恒容条件下，气体总质量不变，当混合气体的平均摩尔质量保持不变时，说明气体总物质的量不再变化，反应达到平衡状态，C正确； 故选AC。 （2）①从图中可以看出，甲烷在Fe活性位点上，首先C - H键断裂，逐步脱氢，经过CH3—H、CH2—H}、H—C—H等中间过程，最终生成氢气和碳，所以该机理可描述为分子吸附到催化剂表面，解离成和，共吸附在催化剂上，其次剩余的键依次断裂，两个优先脱下的游离氢原子在催化剂表面反应生成吸附态的氢气；直至最后甲烷上的氢原子脱离束缚，并与反应过程中第三个氢原子结合生成吸附态的氢气； ②在反应过程中，有碳生成，碳会覆盖在Fe活性位点上，使得反应物无法与活性位点充分接触，从而导致催化剂活性降低。 （3）①在4min到9min时间段，c(CH3OH)=0.75mol/L-0.50 mol/L =0.25 mol/L，t = 9min - 4min = 5min，则v(CH3OH)=0.25/5=0.05mol· L-1· min-1。根据化学反应速率之比等于化学计量数之比，v(H2) = 2v(CH3OH)=2×0.05 mol· L-1· min-1=0.1 mol· L-1· min-1。 ②根据影响化学反应速率的因素，增大压强、升高温度、使用催化剂、增大反应物浓度等都可以提高反应速率。该反应是有气体参与的反应，增大压强，反应速率加快；升高温度，反应速率加快；使用催化剂，能降低反应的活化能，加快反应速率；增大反应物CO或H2的浓度，反应速率也会加快。 （4）①在氢氧燃料电池中，电子从负极流出，根据图中电子的流向可知，a电极是负极，氢气在负极发生氧化反应，所以氢气从A口通入。 ②b电极是正极，氧气在正极发生还原反应，在碱性条件下，氧气得电子生成氢氧根离子，电极反应式为。 ③电池反应为2H2+O2=2H2O，反应生成水，KOH溶液的浓度会减小，碱性减弱，所以pH将变小。 【变式7-2】（24-25高一下·江苏南京·期中）捕集的技术对解决全球温室效应意义重大。 (1)甲醇是一种可再生能源，由制备甲醇的过程可能涉及的反应如下： 反应Ⅰ：   反应Ⅱ：   反应Ⅲ：   反应Ⅰ的 。 (2)将还原为，是实现资源化利用的有效途径之一，装置如图所示： ①电极c是 ；(选填“阴极”或者“阳极”) ②d电极的电极反应式为 ； ③若电源为燃料电池，当消耗时，离子交换膜中通过 ，该燃料电池中的正极反应式为 。 (3)在酸性电解质溶液中，以太阳能电池作电源，惰性材料作电极，可将转化为乙烯()，实验装置如图所示。 则生成乙烯的电极反应式是 。 【答案】(1) (2) 阴极 (3) 【详解】（1）根据盖斯定律，反应Ⅲ=反应Ⅰ-反应Ⅱ，则； （2）①该装置有外加电源，属于电解池，右边电极是还原为，化合价降低，根据电解原理，右边电极（d）为阴极，左边电极(c)为阳极； ②d为阴极，电极反应式为； ③CH3OH为燃料，C元素化合价为-2价，C元素转化成CO2，化合价由-2价升高为+4，化合价共升高6价，1mol该燃料参与反应，转移电子物质的量6mol，则0.1mol该燃料参与反应，转移电子物质的量为0.6mol，根据转移电子物质的量相等，离子交换膜中通过0.6molH+；氧气在正极上参与反应，即电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-； （3）在左侧阴极上CO2得到电子被还原产生乙烯和水，电极反应式为：。 【变式7-3】（24-25高一下·江苏连云港·期末）氮的氧化物(NO、等)是主要的大气污染物，必须脱除才能排放。 (1)催化脱硝。用催化脱除汽车尾气中的CO和NO。 ①已知： 共价键 键能(kJ/mol) 632 1072 942 745 则反应   。 ②催化脱硝的反应机理如图所示。反应①部分转变为，当完全反应得到4.48L(标准状况)时，生成的中 。 (2)氢气还原脱硝。将一定比例的、NO、、He(作平衡气)气体匀速通过装有催化剂的反应器，测得NO转化率随温度的变化如图所示。 ①在加热条件下，当参加反应时，将NO还原为的化学方程式为 。 ②反应温度高于，NO转化率下降的可能原因是 。 (3)电化学脱硝。某科研小组研制的NO-空气质子交换膜燃料电池，实现了制硝酸、发电、环保三位一体，其工作原理如图所示： 电池负极的电极反应式为 。 (4)氧化脱硝。研究不同温度下经酸化处理的溶液对NO脱除率的影响，结果如图所示。温度高于，NO脱除率下降的可能原因是 。 【答案】(1) －538kJ·mol－1 2:3 (2) 温度升高，催化剂的活性下降，反应速率减慢；温度升高，与O2发生反应，使还原NO（或）的的量减少，NO转化率下降 (3) (4)HClO在高于时发生分解，使c(HClO)减小，氧化能力减弱(或NO气体的溶解度随温度升高而降低) 【详解】（1）①H=反应物键能总和－生成物键能总和=[2×632＋2×1072－(946＋4×750)]kJ·mol－1=－538kJ·mol－1； ②1molCeO2中n(Ce)=1mol，标准状况下4.48L的物质的量n()==0.2mol。CO作还原剂，CO中C元素化合价从+2价升高到+4价，1molCO生成1mol失去2mol电子，0.2molCO失去电子的物质的量为0.2mol×2=0.4mol。CeO2中Ce元素化合价从+4价降低到+3价，设生成Ce3+的物质的量为xmol，则失去电子的物质的量为0.4mol时，x=0.4mol，Ce4+的物质的量为(1−0.4)mol=0.6mol，所以n(Ce3+):n(Ce4+)=0.4:0.6=2:3； （2）①当参加反应时，催化还原NO转化为，根据得失电子守恒，反应的化学方程式为； ②温度高于125℃，NO转化率随温度升高而呈下降趋势，可能的原因是：高温可能导致催化剂结构变化或烧结，催化效率下降，反应速率降低；同时温度升高，H2与O2发生反应，使还原NO(或NOx)的H2的量减少，NO转化率下降； （3）由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为负极，其电极反应式为； （4）一氧化氮脱出率下降的原因是经酸化处理的溶液中含有大量的次氯酸，HClO热稳定性差，NO气体的溶解度随温度的升高而减小，则温度高于，NO脱除率下降的可能原因是：HClO在高于时发生分解，使c(HClO)减小，氧化能力减弱(或NO气体的溶解度随温度升高而降低)。 题型08 电解池在物质制备中的应用 电解在物质制备中的应用 1. 电解池是将电能转化为化学能的装量，在生产、生活实际中，许多化学反应都是通过电解的方法来实现的。例如，电解水制得氢气和氧气;电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气。在这些例子中，电能转化为化学能。利用电解我们可以获得普通化学方法难以制备的物质。 钠、镁、铝、钙等单质的化学性质很活波，不能在自然界中稳定存在，用普通的化学方法难以将它们制各出来。 2.电解氧化铝 工业上采用电解的方法制取这些会属单质。以石墨作为也解池的两个电极电解熔融的氧化铝(氧化够的炼点特别高，需加入冰晶石以帮助其炼化)可得到单质铝。 在直流电作用下，铝离子在阴极得到电子，被还原为单质铝，阴极电极反应式：（还原反应）； 氧离子在阳极失去电子，被氧化为氧原子，并结合成氧分子，阳极电极反应式：（氧化反应）； 总电极反应式为：； 与电解炼融的氧化铝类似，电解熔融的氯化钠、氯化镁、氯化钙可分别得到钠、镁、钙的单质和氯气。电解的方法能使通常条件下无法自发进行的化学反应进行下去，在一些活泼单质的制取、金属的精炼、某些有机化合物的合成中应用广泛。 【典例7】（（24-25高一下·江苏盐城·期中）下列金属的冶炼一般不用电解的是 A．Fe B．Ca C．Al D．Na 【答案】A 【详解】金属的冶炼方法与其在金属活动性顺序表中的位置有关。活泼性较强的金属：Ca、Na、Al因还原性强，需通过电解熔融化合物（如氯化物或氧化物）来制取。Fe位于金属活动性表中游，活泼性较弱，通常用还原法，如高炉炼铁，用CO还原氧化铁即可制得，无需电解，答案选A。 【变式7-1】（24-25高一下·江苏扬州·期末）类比推理是化学上研究物质的重要思想，下列“类比”合理的是 A．电解熔融冶炼镁，则电解熔融能冶炼铝 B．可以和反应生成，则可以和反应生成 C．与浓加热可制，推测与浓加热可制 D．通入紫色石蕊试液能显红色，推测通入紫色石蕊试液也能显红色 【答案】D 【详解】A．电解熔融冶炼镁，但是共价化合物，熔融态不导电，工业上电解冶炼铝，A错误； B．氧化性强，能将Fe氧化为生成；而S的氧化性较弱，Fe与S反应生成，而非，B错误； C．浓与NaCl加热生成HCl，但浓具有强氧化性，与NaI反应会氧化生成等产物，而非HI，C错误； D．溶于水生成使石蕊变红，溶于水生成同样显酸性，使石蕊变红，D正确； 故选D。 【变式7-2】（24-25高一上·江苏扬州·阶段练习）下列物质的转化在给定条件下能实现的是 A．溶液 B． C． D． 【答案】A 【详解】A．次氯酸钙溶液能与二氧化碳反应生成次氯酸，次氯酸能遇光分解生成氧气，则物质的转化在给定条件下能实现，故A正确； B．硫在氧气中燃烧只能生成二氧化硫，不能生成三氧化硫，则物质的转化在给定条件下不能实现，故B错误； C．钠在氧气中燃烧生成过氧化钠，则物质的转化在给定条件下不能实现，故C错误； D．电解氯化镁溶液生成氢氧化镁，不能生成镁，则物质的转化在给定条件下不能实现，故D错误； 故选A。 【变式7-3】（24-25高二上·江苏苏州·阶段练习）铝是应用广泛的金属。以铝土矿(主要成分为，含和等杂质)为原料制备铝的一种工艺流程如下： 注在“碱溶”时转化为铝硅酸钠沉淀。 (1)“碱溶”时生成四羟基合铝酸钠的离子方程式为 。 (2)“电解Ⅰ”是电解熔融，电解过程中作阳极的石墨易消耗，原因是 。 (3)“电解Ⅱ”是电解溶液，原理如图所示。 阳极的电极反应式为 ，阴极产生的物质A的化学式为 。 (4)，若要使该反应生成的反应速率加快，下列措施可行的是___________(填字母)。 A．将铁粉改为铁片 B．加入少量硫酸钠溶液 C．滴加几滴溶液 D．将稀硫酸改为98%的浓硫酸 【答案】(1) (2)石墨电极被阳极上产生的氧化 (3) (4)C 【分析】铝土矿的主要成分为Al2O3，含SiO2和Fe2O3等杂质，加入NaOH溶液将铝土矿“碱溶”，Al2O3转化为Na[Al(OH)4]，经“过滤Ⅰ”得到的滤渣为Fe2O3和铝硅酸钠沉淀；NaHCO3溶液与Na[Al(OH)4]反应生成Al(OH)3沉淀和Na2CO3，经“过滤Ⅱ”得到Al(OH)3和Na2CO3溶液，Al(OH)3灼烧分解得到Al2O3，电解熔融Al2O3得到Al和O2；Na2CO3溶液经“电解Ⅱ”得到NaHCO3溶液循环使用。 【详解】（1）“碱溶”时Al2O3与NaOH溶液反应生成Na[Al(OH)4]，反应的离子方程式为Al2O3+2OH-+3H2O=2。 （2）“电解Ⅰ”是电解熔融Al2O3，电解过程中阳极电极反应式为2O2--4e-=O2↑，阳极产生的O2将石墨氧化而消耗。 （3）由“电解Ⅱ”的原理图可知，阳极上产生O2和NaHCO3，阳极电极反应式为4+2H2O-4e-=O2↑+4；阴极电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-，故阴极产生的物质A的化学式为H2。 （4）A．将铁粉改为铁片，接触面积减小，生成H2的反应速率减慢，A项不符合题意； B．加入少量硫酸钠溶液，H+的浓度减小，生成H2的反应速率减慢，B项不符合题意； C．滴加几滴CuSO4溶液，Fe与CuSO4反应置换出Cu，Fe、Cu与稀硫酸构成原电池，生成H2的速率加快，C项符合题意； D．将稀硫酸改为98%的浓硫酸，常温下Fe与浓硫酸发生钝化，生成致密的氧化膜，阻止反应的进一步进行，D项不符合题意； 答案选C。 43 / 44 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $