第18讲 原电池及其应用
原电池原理 化学电源
1. (2021·广东模拟)普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一物理化学特点，科学家发明了电动势法测水泥初凝时间。此法的原理如图所示，反应的总反应为2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。下列有关说法正确的是( )
A. 装置中电流方向由Cu经导线到Ag2O
B. 测量原理示意图中，Ag2O为负极
C. 负极的电极反应式为
2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O
D. 电池工作时，OH－向正极移动
2. (2022·南京、盐城二模)热电厂尾气经处理得到较纯的SO2，可用于原电池法生产硫酸，其工作原理如图所示。电池工作时，下列说法不正确的是( )
A. 电极b为正极
B. 溶液中H＋由a极区向b极区迁移
C. 电极a的电极反应式：
SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO
D. a极消耗SO2与b极消耗O2两者物质的量相等
3. 如图装置的盐桥内为KCl溶液与琼脂。某小组用该装置探究H2O2和Fe3＋在不同酸度时氧化性的强弱，闭合K后，电流计显示电子由石墨极流入铂极。下列说法错误的是( )
A. 装置工作时，盐桥中阴离子向石墨极迁移
B. 转移0.05 mol电子时，左侧烧杯中FeCl3净增0.05 mol
C. 右侧烧杯中换为30%双氧水和硫酸时，电子由铂极流入石墨极，此时铂极的电极反应：Fe2＋－e－===Fe3＋
D. 酸性较弱时，Fe3＋的氧化性比H2O2强；酸性较强时，H2O2的氧化性比Fe3＋强
4. (2022南师附中、天一中学、海安中学、海门中学联考)现有Fe －C微型原电池如图所示，用于除去废水中的HCOOH，向废水中通入空气后生成H2O2，H2O2与HCOOH反应生成CO2。下列说法不正确的是( )
A. 该电池不能在高温下工作
B. 正极电极反应式：H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O
C. 若不通入氧气，则可能产生氢气
D. H2O2处理废液生成二氧化碳的化学方程式：HCOOH＋H2O2===CO2↑＋2H2O
5. (2022·启东质量)监测Mg －H2O2燃料电池是一种新型水下化学电源。下列说法正确的是( )
A. 电池工作时，电能主要转化为化学能
B. 放电一段时间电极b区的溶液浓度变大
C. 放电一段时间电极a区的溶液pH下降
D. 放电过程中1 mol H2O2参与反应，转移2×6.02×1023个电子
6. (2022·广东一模)“绿水青山就是金山银山”。现利用如图所示装置对工业废气、垃圾渗透液进行综合治理并实现发电。下列有关说法正确的是( )
A. M为正极
B. 高温下有利于原电池工作
C. NO在N极上失去电子
D. 放电过程中，H＋由M极区向N极区移动
7. 某浓差电池的原理如图所示，可用该电池从浓缩海水中提取LiCl溶液。下列有关该电池的说法不正确的是( )
A. 该装置可在提取LiCl溶液的同时获得电能
B. 电子由Y极通过外电路移向X极
C. 正极发生的反应：2H＋＋2e－===H2↑
D. Y极每生成22.4 L Cl2，有2 mol Li＋从b区移至a区
8. 物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池称为浓差电池。如图是由Ag电极和硝酸银溶液组成的电池(c1
B. B极为正极，发生氧化反应
C. 若外电路通过0.1 mol 电子，则右侧溶液减轻6.2 g
D. 原电池的总反应不一定是氧化还原反应
9. (2022·扬州期末)某水处理剂由纳米铁粉附着在多孔炭粉的表面复合而成，利用原电池原理处理弱酸性废水中的NO时，其表面发生如图所示反应。下列说法正确的是( )
A. 电池工作时，H＋向负极移动
B. 正极附近溶液的酸性增强
C. 负极的电极反应式为Fe－3e－===Fe3＋
D. 与单独使用纳米铁粉相比，该水处理剂能加快NO的去除速率
10. (2020·江苏卷)将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是( )
A. 阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
B. 金属M的活动性比Fe的活动性弱
C. 钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D. 钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
11. 铅蓄电池的主要构造如图甲，它是目前使用量最大的二次电池(设工作时固体生成物附集在电极板上)。
甲
(1) 当某一电极反应式为PbO2(s)＋2e－＋SO(aq)＋4H＋(aq)===PbSO4(s)＋2H2O(l)时，电池中的能量转化形式为________________，此时另一个电极发生的反应类型为____________。
(2) 充电时PbO2(s)电极应与电源的________极相连，充电时总反应为________________________。
(3) 放电生成的固体会附聚在电极表面，若工作中正极质量增重96 g时，理论上电路中转移的电子数为________NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)，此过程中电池消耗________mol H2SO4。
(4) 某实验小组想用铅蓄电池作电源，并利用图乙装置电解饱和食盐水制NaOH溶液。
乙 丙
图乙中NaOH溶液的作用是________________________，反应的离子方程式为________________________。利用实验过程中产生的a、b两种气体和NaOH溶液可设计成图丙所示燃料电池，M电极的电极反应式为__________________。该燃料电池工作一段时间后溶液的pH________(填“减小”“增大”或“不变”)。
原电池综合
1. (2022·江苏模拟)下列说法正确的是( )
A. 铅蓄电池放电时，正极质量增加，负极质量减少
B. 氢氧燃料电池放电时化学能全部转化为电能
C. 常温常压，氢氧燃料电池工作消耗2.24 L O2时，转移电子的数目为0.4×6.02×1023
D. 铜锌原电池中，盐桥中的K＋和NO分别移向正极和负极
2. 如图是氢氧燃料电池构造示意图。下列关于该电池的说法不正确的是( )
A. a极是负极
B. 正极的电极反应：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C. 电流由b通过灯泡流向a
D. 氢氧燃料电池是环保电池
3. 某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时，该电池工作原理如图。下列说法正确的是( )
A. a为CH4，b为CO2
B. CO向正极移动
C. 此电池在常温下也能工作
D. 正极的电极反应式为
O2＋2CO2＋4e－===2CO
4. (2021·山东卷)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH －O2、N2H4 －O2、(CH3)2NNH2 －O2清洁燃料电池。下列说法正确的是( )
A. 放电过程中，K＋均向负极移动
B. 放电过程中，KOH的物质的量均减小
C. 消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2 －O2燃料电池的理论放电量最大
D. 消耗1 mol O2时，理论上N2H4 －O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
5. 一种高性能的碱性硼化钒(VB2)－空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )
A. 负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B. 正极区溶液的pH降低，负极区溶液的pH升高
C. 电池总反应为
4VB2＋11O2＋
20OH－＋6H2O
===8B(OH)＋4VO
D. 电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
6. (2021·扬州调研)微生物燃料电池可用于处理含CH3COO－的污水，其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A. 微生物燃料电池需在高温环境中使用
B. 电极P上的反应为
CH3COO－＋2H2O＋8e－===2CO2↑＋7H＋
C. 电路中转移4 mol e－时，电极Q上会消耗22.4 L O2
D. 用该电池同时处理含ClO的废水时，废水应通入N区
7. 微生物燃料电池可用于净化含铬废水，其工作原理示意如图所示。该电池工作时，下列说法不正确的是( )
A. M极是电池的负极
B. CH3OH在电极上发生氧化反应
C. N电极附近溶液的pH增大
D. 若0.1 mol Cr2O参加反应，则有0.8 mol H＋从交换膜右侧向左侧迁移
8. (2022·如东期末)我国科学家在研究HCOOH燃料电池方面有重大进展，装置如图所示，两电极区间用允许离子通过的半透膜隔开。下列说法正确的是( )
A. 正极电极反应式为
HCOO－－2e－＋2OH－===HCO＋H2O
B. 隔膜为阳离子交换膜，储液池中需补充的物质A为H2SO4
C. 当电路中转移1 mol 电子时，理论上生成174 g K2SO4(O—16，S—32，K—39)
D. 当1 mol HCOOH转化为KHCO3时，理论上消耗11.2 L氧气
9. (2022·全国甲卷)一种水性电解液Zn －MnO2离子选择双隔膜电池如图所示{KOH溶液中，Zn2＋以[Zn(OH)4]2－存在}。电池放电时，下列叙述错误的是( )
A. Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移
B. Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C. MnO2电极反应式：
MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O
D. 电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===[Zn(OH)4]2－＋Mn2＋＋2H2O
10. (2022·湖南卷)海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂 －海水电池构造示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A. 海水起电解质溶液作用
B. N极仅发生的电极反应式：
2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
C. 玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D. 该锂 －海水电池属于一次电池
11. 原电池原理处理废水。
(1) (2022·海门期末)利用纳米铁粉及生物技术除去废水中的氮是当今环保领域重要的研究课题。已知纳米铁粉还原含氧(O2)硝态(NO)废水的反应过程如图所示：
在纳米铁粉中添加适量的活性炭，能提高单位时间硝态氮去除率的原因是__________________________________________________________________________________________________________________________。
(2) (2022·常州八校调研)水体中的过量的硝态氮(主要以NO的形式存在)是一种重要污染物，可利用合适的还原剂将其还原为N2除去。相同条件下，向含有50 mg/L NO的两份水样中分别加入纳米铁粉、纳米铁粉 －活性炭 －铜粉，水样中NO的去除速率差异如图所示，产生该差异的可能原因有
__________________________________________________________________________________________________________________________。
(3) (2022·海安期末)利用纳米铁粉可以有效处理废水中的Cu2＋和Zn2＋，去除机理如图所示。纳米铁粉去除污水中Cu2＋和Zn2＋机理不同，请解释原因并简述两者的区别：____________________________________________。
第18讲 原电池及其应用
原电池原理 化学化源
1. C 【解析】 装置中Cu作负极，电流方向由Ag2O经导线到Cu，A错误；测量原理示意图中，Ag2O被还原，为正极，B错误；负极的电极反应式为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O，C正确；电池工作时，OH－向负极移动，D错误。
2. D 【解析】 该装置没有外加电源，为原电池装置，根据装置图，SO2转化成较浓硫酸，S元素的化合价升高，电极a为负极，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，电极b为正极，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。电极b为正极，A正确；原电池工作时，H＋从a极移向b极区，B正确；SO2转化成较浓硫酸，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，C正确；负极反应式为SO2－2e－＋2H2O===4H＋＋SO，正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根据得失电子守恒，a极消耗SO2与b极消耗O2两者物质的量之比为2∶1，D错误。
3. B 【解析】 该转置为原电池装置，电流计显示电子由石墨极流入铂极，所以石墨为负极，铂极为正极。盐桥中阳离子向正极(铂极)移动，阴离子向负极(石墨极)移动，A正确；左侧正极发生还原反应，氧化性Fe3＋＞Fe2＋，因此Fe3＋＋e－===Fe2＋，所以转移0.05 mol电子时，左侧烧杯中FeCl3减少0.05 mol，B错误；右侧烧杯中换为30%双氧水和硫酸时，电子由铂极流入石墨极，此时铂极为负极，还原性Fe2＋＞Fe3＋，因此铂极的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋，C正确；酸性较弱时，双氧水还原Fe3＋，氧化性Fe3＋＞H2O2；当加入30%双氧水和硫酸后，酸性较强时，双氧水将Fe2＋氧化为Fe3＋，根据氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，得出氧化顺序H2O2＞Fe3＋，D正确。
4. B 【解析】 H2O2在高温下会分解，故该电池不可在高温下工作，A正确；Fe、C构成原电池，Fe作负极，通入O2生成H2O2，作正极，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋===H2O2，B错误；若不通入O2，则废水中的HCOOH电离出的H＋得电子生成H2，C正确；H2O2将HCOOH氧化生成CO2，D正确。
5. D 【解析】 该装置为原电池，电池工作时，化学能转化为电能，A错误；b区为正极区，电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，溶质被消耗，同时生成了水，溶液浓度减小，B错误；放电一段时间电极a区溶液中生成Mg2＋，为维持两侧电荷守恒，溶液中的H＋会通过质子交换膜进入正极区，从而导致a区溶液pH升高，C错误；过氧化氢发生的电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，由反应可知1 mol H2O2参与反应，转移2×6.02×1023个电子，D正确。
6. D 【解析】 NH3在M极上失电子生成N2，故M极为负极，硝酸根离子在N极上得电子生成N2，故N极为原电池的正极，原电池中阳离子向正极移动，故H＋由M极区向N极区移动。由两电极的物质转化，可判断电极M为负极，电极N为正极，A错误；该治理过程有硝化细菌的参与，不能在高温下进行，B错误；NO在N极上得电子，C错误；放电过程中，H＋由M极区向N极区移动，D正确。
7. D 【解析】 该装置是原电池，化学能转化为电能，A正确；Cl－在Y极上失电子生成Cl2，Y极为负极，故电子由Y极通过外电路移向X极，B正确；根据“浓差电池”可知，浓缩海水中的Li＋由b区传到a区，根据原电池中阳离子向正极移动可知，X电极为正极，在该极上H＋得电子生成H2，C正确；Y极上Cl－失电子生成Cl2，故每生成标准状况下22.4 L Cl2时，才有2 mol Li＋从b区移至a区，D错误。
8. D 【解析】 由图示分析可知，电池工作时，A极的质量不断减轻，则A极为负极，B极为正极；由于装置中所用的隔膜为阴离子交换膜，则只允许阴离子通过，所以NO由交换膜右侧向左侧迁移，A错误；A极为负极，发生氧化反应，B极为正极，发生还原反应，B错误；若外电路通过0.1 mol 电子，则右侧溶液中有0.1 mol NO向左侧迁移，0.1 mol Ag＋得到电子生成Ag，若外电路通过0.1 mol 电子，则右侧溶液减少0.1 mol AgNO3，即减轻17.0 g，C错误。
9. D 【解析】 纳米铁粉作负极，电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，硝酸根离子在正极上得电子被还原成铵根离子：NO＋10H＋＋8e－===NH＋3H2O。电池工作时，H＋向正极移动，A错误；硝酸根离子在正极上得电子被还原成铵根离子，消耗H＋，正极附近溶液的酸性减弱，B错误；负极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，C错误；与单独使用纳米铁粉相比，该水处理剂利用了原电池原理，能加快NO的去除速率，D正确。
10. C 【解析】 阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护，不失电子，A错误；阳极金属M实际为原电池装置的负极，一般，原电池中负极金属比正极活泼，因此金属M的活动性比Fe的活动性强，B错误；金属M失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，C正确；海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，D错误。
11. (1) 化学能转化为电能 氧化反应 (2) 正 2PbSO4(s)＋2H2O(l)PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq)(3) 3 3 (4) 吸收Cl2，防止污染空气 2OH－＋Cl2===Cl－＋ClO－＋H2O H2－2e－＋2OH－===2H2O 减小
【解析】 (3) 放电时，正极反应为PbO2(s)＋2e－＋SO(aq)＋4H＋(aq)===PbSO4(s)＋2H2O(l)，由电极反应式知，当有1 mol PbO2发生反应生成1 mol PbSO4时，正极质量增加了64 g，同时电路中转移2 mol电子。当正极质量增加96 g时，表明有1.5 mol PbO2发生了反应，转移的电子数为3NA，由电池总反应知，共消耗3 mol H2SO4。(4)b气体为Cl2，a气体为H2，M电极上通入H2，则会发生氧化反应，碱性环境中H2被氧化生成H2O，电极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O；该燃料电池总反应为H2＋Cl2＋2NaOH===2NaCl＋2H2O，该燃料电池工作一段时间后，有水生成，NaOH的浓度减小，溶液的pH减小。
原电池综合
1. D 【解析】 铅蓄电池放电时，正、负极质量都增加，A错误；燃料电池中，化学能不可能完全转化为电能，B错误；常温常压下，2.24 L O2的物质的量不是0.1 mol ，C错误；铜锌原电池中，盐桥中的K＋移向正极，NO移向负极，D正确。
2. B 【解析】 根据H＋的流向，a极为负极，a极通入氢气，发生失电子的氧化反应，A正确；正极发生得电子的还原反应，根据装置图可知，电解质中含有氢离子，正极电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，B错误；a极是负极，b极是正极，则电流由b通过灯泡流向a，C正确；氢氧燃料电池的生成物是水，属于环保电池，D正确。
3. D 【解析】 负极反应式为CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O，正极反应式为2O2＋8e－＋4CO2===4CO，根据图示中电子的移向，可以判断a处通入甲烷，b处通入空气，CO应移向负极，由于电解质是熔融盐，因此此电池在常温下不能工作，D正确。
4. C 【解析】 碱性环境下，甲醇燃料电池总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O；N2H4－O2燃料电池总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O；(CH3)2NNH2－O2燃料电池总反应：(CH3)2NNH2＋4O2＋4KOH===2K2CO3＋N2＋6H2O。放电过程为原电池原理，所以钾离子应向正极移动，A错误；N2H4 －O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为m g，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是×6、×4、×16，通过比较可知，(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；根据得失电子守恒和总反应式可知，消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为1 mol ，在标准状况下的体积为22.4 L，D错误。
5. B 【解析】 正极电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，由电极反应式可知，消耗1 mol 氧气转移4 mol电子，则负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应，A正确；负极反应式为VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O，消耗OH－，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，生成OH－，则正极区溶液的pH升高，负极区溶液的pH降低，B错误；电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO，C正确；原电池中电流由正极经过外电路向负极，则电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极，D正确。
6. D 【解析】 高温下蛋白质变性，会导致微生物失去活性，A错误；CH3COO－中C元素的化合价为0，故电极P上应发生失去电子的氧化反应，B错误；电路中转移4 mol e－时，电极Q上会消耗标准状况下22.4 L O2，C错误；ClO中Cl元素处于最高价，处理过程中得电子，故应通入N区，D正确。
7. D 【解析】 CH3OH中C元素的化合价为－2，而CO2中C元素化合价为＋4，则工作时CH3OH在M电极上失电子被氧化，M为电池的负极，A、B正确；由图示可看出，在电池工作时，N极上消耗H＋，故N电极附近溶液pH增大，C正确；H＋从左侧向右侧迁移，D错误。
8. B 【解析】 由图可知HCOOH被氧化，HCOOH在负极失电子，Fe3＋在正极得电子。负极反应式为HCOO－－2e－＋2OH－===HCO＋H2O，A错误；隔膜为阳离子交换膜，储液池中不断消耗氢离子同时产生硫酸钾，故需补充的物质A为H2SO4，B正确；当电路中转移2 mol电子时，生成1 mol 硫酸钾，当电路中转移1 mol电子时，理论上生成0.5 mol K2SO4，故生成87 g硫酸钾，C错误；放电时，1 mol HCOOH转化为KHCO3时，消耗0.5 mol氧气，标准状况下消耗11.2 L氧气，D错误。
9. A 【解析】 K＋从Ⅲ区通过隔膜迁移到Ⅱ区，A错误；Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移，Ⅱ区中K2SO4溶液的浓度增大，B正确；MnO2电极作正极，电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，C正确；保持正、负极得失电子守恒，将正、负极反应相加，即可得总反应为Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===[Zn(OH)4]2－＋Mn2＋＋2H2O，D正确。
10. B 【解析】 能形成锂－海水电池，则海水为电解质溶液，A正确；N极为正极，正极上发生还原反应，电极反应除发生2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑外，还有可能是溶液中的O2得到电子，B错误；Li易与水反应，则玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能，C正确；锂－海水电池属于一次电池，D正确。
11. (1) 纳米铁粉和活性炭形成原电池，亚铁离子生成速率加快，加快去除废水中硝态氮的速率；活性炭吸附了硝态氮 (2) 形成Fe－Cu和Fe－C原电池，加快纳米铁粉去除NO的反应速率；炭粉有强吸附性，可以吸附NO (3) Fe的金属性强于Cu，弱于Zn，因此Cu(Ⅱ)被还原成Cu单质而除去，而Fe无法还原Zn(Ⅱ)，纳米铁粉具有吸附性，可以吸附Zn(Ⅱ)，Zn(Ⅱ)进一步水解为Zn(OH)2而沉降。
