2019年高考化學一輪總復習 考點掃描 專題17 原電池和化學電源學案.doc

專題17 原電池和化學電源【復習目標】1.理解原電池的構成、工作原理及應用，能書寫電極反應和總反應方程式。2.了解常見化學電源的種類及其工作原理。 【考情分析】近幾年的高考試題主要圍繞著原電池工作原理及應用進行命題，考查原電池工作原理往往以新型能源電池或燃料電池為載體，考查原電池正負極的判斷、電極反應的書寫、電子或電流的方向及溶液pH的變化等；原電池的應用主要考查原電池的設計、電化學腐蝕及解釋某些化學現象等，主要以選擇題、填空題形式出現?！究键c過關】考點一原電池及工作原理概念原電池是把化學能轉化為電能的裝置，其反應本質是氧化還原反應構成條件能自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(一般是活潑性強的金屬與電解質溶液反應)般是活潑性不同的兩電極(金屬或非金屬)形成閉合回路需三個條件：電解質溶液；兩電極直接或間接接觸；兩電極插入電解質溶液中工作原理反應原理負極正極鋅片銅片Zn2e=Zn2Cu22e=Cu氧化反應還原反應電子由Zn片沿導線流向Cu片電流由Cu片沿導線流向Zn片鹽橋含飽和KCl溶液，K移向正極，Cl移向負極鹽橋的作用鹽橋中離子的定向遷移構成了電流通路，鹽橋既構成了閉合回路，又能阻止反應物的直接接觸，使能量利用轉化更高效電極的確定對于金屬、金屬電極，通常較活潑的金屬是負極，較不活潑的金屬是正極，如原電池：ZnCuCuSO4中，Zn作負極，Cu作正極，AlMgKOH中，Al作負極，Mg作正極；對于金屬、非金屬電極，金屬作負極，非金屬作正極；對于金屬、化合物電極，金屬作負極，化合物作正極原電池中，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應若不電極斷溶解或質量不斷減少，該電極發(fā)生氧化反應，通常為原電池的負極，若原電池電極上有氣體生成、電極質量不斷增加或電極質量不變，該電極發(fā)生還原反應，通常為原電池的正極電子流動方向是由負極流向正極,電子流出的一極為負極，流入的一極為正極；電流是由正極流向負極，電流流出的一極為正極，流入的一極為負極；在原電池的電解質溶液內，陽離子移向正極，陰離子移向是負極原理的應用一個自發(fā)進行的氧化還原反應，設計成原電池時反應速率增大。如在Zn與稀硫酸反應時加入少量CuSO4溶液能使產生H2的反應速率加快兩種金屬分別作原電池的兩極，一般作負極的金屬比作正極的金屬活潑使被保護的金屬制品作原電池正極而得到保護。如要保護一個鐵制的輸水管道或鋼鐵橋梁等，可用導線將其與一塊鋅塊相連，使鋅作原電池的負極設計制作化學電源，設計原電池時，負極材料確定之后，正極材料的選擇范圍較廣，只要合理都可以，電解質溶液一般能夠與負極發(fā)生反應，或者電解質溶液中溶解的其他物質能與負極發(fā)生反應(如空氣中的氧氣)【考點演練】下列說法正確的是 。電池工作時，負極失去的電子均通過溶液轉移到正極上在原電池中失去電子的一極是陰極，發(fā)生的是還原反應原電池的兩極一定是由活動性不同的兩種金屬組成鋁比鐵活潑，但鋁制品比鐵制品在空氣中耐腐蝕將鋁片和鎂片用導線連接后，插入盛有NaOH溶液，鋁作負極電池工作時，電子通過外電路從正極流向負極原電池工作時，正極和負極上發(fā)生的都是氧化還原反應鋅、銅和鹽酸構成的原電池工作時，鋅片上有6.5 g鋅溶解，正極上就有0.1 g氫氣生成原電池工作時，溶液中的陽離子向負極移動，鹽橋中的陽離子向正極移動鋅銅原電池裝置如圖所示，其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過，電池工作一段時間后，乙池溶液的總質量增加 鹽橋中裝有含氯化鉀的瓊脂，其作用是傳遞電子原電池裝置中，電極上發(fā)生還原反應作原電池的負極答案：考點二化學電源（1）化學電源的類型一次電池堿性鋅錳電池正極反應式：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH +2OH負極反應式：Zn+2OH2e= Zn(OH)2總反應方程式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2鋅銀電池正極反應式：Ag2O + H2O+ 2e = 2Ag + 2OH負極反應式：Zn+2OH2e= Zn(OH)2總反應方程式：ZnAg2OH2O = Zn(OH)22Ag二次電池放電正極反應式：PbO24H+SO422e-PbSO42H2O負極反應式：PbSO422e-PbSO4充電陽極反應式：PbSO42H2O2e-PbO24H+SO42陰極反應式：PbSO42e-PbSO42總反應方程式PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O燃料電池酸性環(huán)境正極反應式：O2+4H+4e-=2H2O負極反應式：2H2-4e-=4H+堿性環(huán)境正極反應式：O2+2H2O+4e-=4OH-負極反應式：2H2-4e-+4OH-=4H2O固體電解質（能傳導O2）正極反應式：O24e=2O2負極反應式：2H2-4e-+2O2=4H2O熔融碳酸鹽(熔融K2CO3)正極反應式：O22CO24e=2CO負極反應式：2H2-4e-+2 CO=4H2O2CO2總反應方程式2H2+O2=2H2O（2）電極反應式書寫寫總反應式CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料電池中總反應方程式：CH3OCH33O2=2CO23H2O確定正負極在正極上發(fā)生還原反應的物質是氧化劑，在負極上發(fā)生氧化反應的物質是還原劑寫電極反應式負極反應式：CH3OCH33H2O12e=2CO212H正極反應式：3O212H12e=6H2O書寫技巧若某電極反應式較難寫時，可先寫出較易的電極反應式，用總反應式減去較易的電極反應式，即可得出較難寫的電極反應式【考點演練】寫出下列反應的電極反應式。（1）鐵炭混合物在水溶液中可形成許多微電池。將含有Cr2O72的酸性廢水通過鐵炭混合物，在微電池正極上Cr2 O72轉化為Cr3+，其電極反應式為 。(2) 下圖為綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖 (a、b均為多孔性Pt電極)。b電極是 (填“正”或“負”)極, a電極上的電極反應式為 。 (3) 開發(fā)新能源是解決大氣污染的有效途徑之一。直接甲醇燃料電池(簡稱DMFC)由于結構簡單、能量轉化率高、對環(huán)境無污染,可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關注。DMFC工作原理如下圖所示,通入a氣體的電極是原電池的 極(填“正”或“負”),其電極反應式為 。 (4) 以Al和NiO(OH)為電極,NaOH溶液為電解液組成一種新型電池,放電時NiO(OH)轉化為Ni(OH)2,該電池反應的化學方程式是 。 (5) 與MnO2-Zn電池類似,K2FeO4-Zn也可以組成堿性電池,K2FeO4在電池中作為正極材料,其電極反應式為 ,該電池總反應的離子方程式為 。 (6) Mg-H2O2電池可用于驅動無人駕駛的潛航器。該電池以海水為電解質溶液，示意圖如下，H2O2在石墨電極上發(fā)生的電極反應式為 。 (7) 鋁電池性能優(yōu)越，Al-AgO電池可用作水下動力電源，其原理如下圖所示。該電池反應的化學方程式為 。(8)以NO2、O2、熔融NaNO3組成的燃料電池裝置如下圖所示，在使用過程中石墨電極反應生成一種氧化物Y，則該電極的電極反應式為 。 (9)近幾年開發(fā)的甲醇燃料電池是采用鉑作電極,電池中的質子交換膜只允許質子和水分子通過。其工作原理的示意圖如下, Pt(a)電極是電池的 極,電極反應式為 ,Pt(b)電極發(fā)生 (填“氧化”或“還原”)反應,電極反應式為 ,電池的總反應式為 。 (10) 下圖是利用微生物燃料電池處理工業(yè)含酚廢水的原理示意圖, 電極a附近發(fā)生的反應是 。 2FeO42+3Zn+8H2O=2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-。(6) 石墨電極為正極，H2O2發(fā)生還原反應生成OH-，電極反應式為H2O2+2e-=2OH-。(7) 鋁作負極，失電子被氧化，在堿性溶液中生成NaAlO2，AgO作正極，得電子被還原為Ag，電解質溶液為NaOH溶液，所以其電池反應式為2Al+3AgO+2NaOH=2NaAlO2+3Ag+H2O。(8) 因為石墨電極上通入的O2得電子，故在石墨電極上NO2失電子，與遷移過來的N結合生成+5價N O32的氧化物N2O5，電極反應式為NO2+ NO32-e-=N2O5。(9) 從示意圖中可以看出電極Pt(a)上CH3OH轉化為CO2,發(fā)生氧化反應,為負極,酸性介質中電極反應式為CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+;Pt(b)電極上O2得電子發(fā)生還原反應,為正極,電極反應式為O2+4H+4e-=2H2O。（10）燃料電池是原電池,可將化學能轉化為電能,A正確;燃料電池中通入氧氣的一極發(fā)生還原反應,是正極,加燃料的一極發(fā)生氧化反應,是負極,電極b發(fā)生的反應為4H+O2+4e-=2H2O,氫離子被消耗,pH增大,C錯誤;電極a是苯酚被氧化生成CO2和H+,電極反應式為C6H6O-28e-+11H2O6CO2+28H+。答案： (1) Cr2O72+6e-+14H+=2Cr3+7H2O(2) 正 CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+(3) 負CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+(4) Al+3NiO(OH)+NaOH+H2O=NaAlO2+3Ni(OH)2(5) FeO42+3e-+4H2O=Fe(OH)3+5OH- 2FeO42+3Zn+8H2O=2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-(6) H2O2+2e-=2OH-(7) 2Al+3AgO+2NaOH=2NaAlO2+3Ag+H2O(8) NO2+ NO32-e-=N2O5 (9) 負 CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+還原 O2+4H+4e-=2H2O 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O（10）C6H6O-28e-+11H2O6CO2+28H+【過關練習】1.（2018年高考全國卷）我國科學家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的NaCO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網分別作為電極材料，電池的總反應為：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列說法錯誤的是 A. 放電時，ClO4向負極移動 B. 充電時釋放CO2，放電時吸收CO2C. 放電時，正極反應為：3CO2+4e 2CO32+C D. 充電時，正極反應為：Na+eNa的氧化反應，反應為2CO32+C4e3CO2，D錯誤。答案：D2.（2018年高考全國卷）一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是 A放電時，多孔碳材料電極為負極B放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極C充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移D充電時，電池總反應為Li2O2-x=2Li+（1-）O2解析：本題考查化學電源。鋰空氣電池中，鋰做負極，多孔碳材料做正極，A錯誤；放電時，電子由負極流向正極，B錯誤；充電時，鋰離子向陰極移動，C錯誤；放電時，電池總反應為：2Li+（10.5x）O2=Li2O2x，則充電時總反應為Li2O2x=2Li+（10.5x）O2，D正確。答案：D 3.（2017年高考全國卷）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應為：16Li+xS8=8Li2Sx（2x8）。下列說法錯誤的是 A電池工作時，正極可發(fā)生反應：2Li2S6+2Li+2e-=3Li2S4B電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 gC石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性D電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多生氧化反應，電極反應為：Lie=Li+，Li+移向正極，所以a是正極，發(fā)生還原反應：S8+2e=S82，S82+2Li+=Li2S8，3Li2S8+2Li+2e=4Li2S6，2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4，Li2S4+2Li+2e=2Li2S2，據分析可知正極可發(fā)生反應：2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4，故A正確；B負極反應為：Lie=Li+，當外電路流過0.02mol電子時，消耗的鋰為0.02mol，負極減重的質量為0.02mol7g/mol=0.14g，故B正確；C硫作為不導電的物質，導電性非常差，而石墨烯的特性是室溫下導電最好的材料，則石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性，故C正確；D充電時a為陽極，與放電時的電極反應相反，則充電時間越長，電池中的Li2S2量就會越少，故D錯誤。答案：D4.（烏魯木齊市2018屆高三下學期4月第二次診斷性測驗）一種碳納米管能夠吸附氫氣，可作充電電池( 如圖所示)的碳電極，該電池的電解質溶液為6 mol/L KOH溶液，下列說法中正確的是 A放電時鎳電極反應為:NiOOH +H2O +e-=Ni(OH)2 +OH-B放電時碳電極反應為:2H+ +2e-= H2 C充電時將碳電極與電源的正極相連D充電時陰極發(fā)生氧化反應 5.（江西省九所重點中學2018屆高三聯合考試）根據反應KMnO4FeSO4H2SO4MnSO4Fe2(SO4)3K2SO4H2O（未配平）設計如下原電池，其中甲、乙兩燒杯中各物質的物質的量濃度均為1 molL1，溶液的體積均為200 mL，鹽橋中裝有飽和K2SO4溶液。下列說法不正確的是( ) A. 石墨b是原電池的負極，發(fā)生氧化反應B. 甲燒杯中的電極反應式：MnO4-5e8H=Mn24H2OC. 電池工作時，鹽橋中的陰陽離子分別向乙甲燒杯中移動，保持溶液中的電荷平衡D. 忽略溶液體積變化，Fe2(SO4)3濃度變?yōu)?.5 mol/L，則反應中轉移的電子為0.1 mol 6. （延邊州2018屆高三質量檢測）LiFePO4電池廣泛用于電動車。電池反應: FePO4LiFePO4，電池的正極材料是LiFePO4，負極材料是石墨，含Li+導電固體為電解質。下列說法正確的是選項放電過程充電過程ALi+向電池的正極遷移 化學能轉化成電能B可以加入磷酸以提高電解質的導電率陽極的電極反應式為LiFePO4- e-= FePO4 +Li+C若正極增加7g，則有NA個電子經電解質由負極流向正極 陽極材料的質量不斷減少D若有nmol的Li+遷移，則理論上負極失去nmol電子陰極的電極反應式為Li+e-= Li解析：A、充電過程是電能轉化成化學能的過程，故A錯誤；B、Li屬于活潑金屬，加入磷酸，Li會與磷酸反應，故B錯誤；C、根據原電池的工作原理，電子從負極經外電路流向正極，電子不通過電解質，故C錯誤；D、負極反應式為：Lie=Li，轉移nmolLi，說明通過電子物質的量為nmol，即Li失去電子nmol，充電時，電池的負極接電源的負極，即陰極反應式為Lie=Li，故D正確。答案：D 7.（河南省八市2018屆高三上學期第一次測評）近年來有多個品牌的手機電池曾發(fā)生爆炸事故，公眾對電池安全性的重視程度越來越高，燃料電池作為安全性能較好的一類化學電源得到了更快的發(fā)展。 一種以聯氨(N2H4)為燃料的環(huán)保電池工作原理如圖所示，工作時產生穩(wěn)定無污染的物質。下列說法不正確的是（ ） A. M極生成氮氣且電極附近pH降低B. 負極上每消耗1molN2H4，會有4molH+通過質子交換膜C. 正極的電極反應式為：O2+4H+4e-=2H2OD. d口流出的液體是蒸餾水 8. (1)研究人員最近發(fā)現了一種“水”電池，這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量的差別進行發(fā)電，在海水中電池總反應可表示為5MnO22Ag2NaCl=Na2Mn5O102AgCl，“水”電池在放電時：該電池的負極的電極反應式為_。Na不斷向“水”電池的_極移動。每有 1 mol 電子轉移，生成_mol Na2Mn5O10。(2)如圖為鈉高能電池的結構示意圖，該電池的工作溫度為 320 左右，電池反應為2NaxS=Na2Sx，正極的電極反應式為_。M(由Na2O和Al2O3制得)的兩個作用是_。與鉛蓄電池相比，當消耗相同質量的負極活性物質時，鈉高能電池的理論放電量是鉛蓄電池的_倍。 (3)如圖所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，非常適合進行現場酒精檢測。則該電池的負極反應為_，正極反應為_。 答案：(1)AgCle=AgCl 正 0.5(2)xS2e=S(或2NaxS2e=Na2Sx) 導電和隔離鈉與硫 4.5(3)CH3CH2OHH2O4e=CH3COOH4H O24e4H=2H2O9. 如圖是原電池的裝置圖。請回答：(1)若C為稀H2SO4溶液，電流表指針發(fā)生偏轉，B電極材料為Fe且作負極，則A電極上發(fā)生的電極反應式為_；反應進行一段時間后溶液C的pH將_(填“升高”“降低”或“基本不變”)。 (2)若需將反應：Cu2Fe3=Cu22Fe2 設計成如上圖所示的原電池裝置，則A(負極)極材料為_，B(正極)極材料為_，溶液C為_。(3)若C為CuCl2溶液，Zn是_極，Cu極發(fā)生_反應，電極反應為_。反應一段時間后溶液中c(Cu2)_(填“變大”“變小”或“不變”)。(4)CO與H2反應還可制備CH3OH，CH3OH可作為燃料使用，用CH3OH和O2組合形成的質子交換膜燃料電池的結構示意圖如下： 電池總反應為2CH3OH3O2=2CO24H2O，則c電極是_(填“正極”或“負極”)，c電極的反應方程式為_。若線路中轉移 2 mol 電子，則上述CH3OH燃料電池中消耗的O2在標況下的體積為_L。答案：(1)2H2e=H2 升高(2)Cu 石墨 FeCl3溶液(合理即可) (3)負 還原 Cu22e=Cu 變小(4)負極 CH3OH6eH2O=CO26H 11.210. (1)高鐵酸鉀(K2FeO4)不僅是一種理想的水處理劑，而且高鐵電池的研制也在進行中。如圖1是高鐵電池的模擬實驗裝置： 該電池放電時正極的電極反應式為 ；若維持電流強度為1 A，電池工作十分鐘，理論消耗Zn g(已知F96 500 Cmol1)。鹽橋中盛有飽和KCl溶液，此鹽橋中氯離子向 (填“左”或“右”)移動；若用陽離子交換膜代替鹽橋，則鉀離子向 (填“左”或“右”)移動。圖2為高鐵電池和常用的高能堿性電池的放電曲線，由此可得出高鐵電池的優(yōu)點有 。(2)有人設想以N2和H2為反應物，以溶有A的稀鹽酸為電解質溶液，可制造出既能提供電能，又能固氮的新型燃料電池，裝置如下圖所示，電池正極的電極反應式是 ，A是 。 (3)利用原電池工作原理測定汽車尾氣中CO的濃度，其裝置如下圖所示。該電池中O2可以在固體介質NASICON(固溶體)內自由移動，工作時O2的移動方向 (填“從a到b”或“從b到a”)，負極發(fā)生的電極反應式為 。 答案：(1)FeO4H2O3e=Fe(OH)35OH 0.2右 左使用時間長、工作電壓穩(wěn)定(2)N28H6e=2NH 氯化銨(3)從b到a COO22e=CO2 11. (1)某研究性學習小組為探究Fe3與Ag反應，進行如下實驗：按下圖連接裝置并加入藥品(鹽橋中的物質不參與反應)。 K閉合時，指針向左偏轉，石墨作 (填“正極”或“負極”)。當指針歸零后，向左側U形管中滴加幾滴FeCl2濃溶液，發(fā)現指針向右偏轉，寫出此時銀電極的反應式： 。結合上述實驗分析，寫出Fe3和Ag反應的離子方程式： 。丙同學進一步驗證其結論：當指針歸零后，向右側U形管中滴加數滴飽和NaCl溶液，可觀察到的現象是 。(2)微生物燃料電池是指在微生物的作用下將化學能轉化為電能的裝置。某微生物燃料電池的工作原理如下圖所示： HS在硫氧化菌作用下轉化為SO的反應式是 。若維持該微生物電池中兩種細菌的存在，則電池可以持續(xù)供電，原因是 。(3)鈷酸鋰電池的正極采用鈷酸鋰(LiCoO2)，負極采用金屬鋰和碳的復合材料，該電池充放電時的總反應式：LiCoO26CLi1xCoO2LixC6，寫出放電時負極的電極反應 。(4)PbSO4熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源?；窘Y構如圖所示，其中作為電解質的無水LiClKCl混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應為PbSO42LiClCa=CaCl2Li2SO4Pb。 放電過程中，Li向 (填“負極”或“正極”)移動。負極反應式為 。電路中每轉移0.2 mol電子，理論上生成 g Pb。(5)氨氧燃料電池具有很大的發(fā)展?jié)摿?。氨氧燃料電池工作原理如下圖所示。 a電極的電極反應式是 ；一段時間后，需向裝置中補充KOH，請依據反應原理解釋原因是 。 (4)根據方程式，電路中每轉移0.2 mol電子，生成0.1 mol Pb，即20.7 g。(5)a電極是通入NH3的電極，失去電子，發(fā)生氧化反應，所以該電極作負極，電極反應式是2NH36e6OH=N26H2O；一段時間后，需向裝置中補充KOH，是由于發(fā)生4NH33O2=2N26H2O反應，有水生成，使得溶液逐漸變稀，為了維持堿的濃度不變，所以要補充KOH。答案：(1)正極 Age=Ag AgFe3AgFe2 出現白色沉淀，電流表指針向左偏轉(2)HS4H2O8e=SO9HHS、SO離子濃度不會發(fā)生變化，只要有兩種細菌存在，就會循環(huán)把有機物氧化成CO2放出電子(3)LixC6xe=C6xLi(4)正極 Ca2Cl2e=CaCl2 20.7(5)2NH36e6OH=N26H2O由于發(fā)生4NH33O2=2N26H2O反應，有水生成，使得溶液逐漸變稀，所以要補充KOH