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第三单元 化学能与电能的转化
第2课时 化学电源 电解池
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
课标定位
素养阐释
1.认识生活中常用的各类电池,能用原电池原理解释各类化学电源的工作原理,体会化学学科的社会价值。
2.能依据原电池原理正确书写简单化学电源的电极反应式,提高模型认知的能力。
3.能说出电解池的能量转化形式以及简单应用。
自主预习·新知导学
一、化学电源
1.分类。
(1)一次电池:不能充电,用过之后不能复原,如锌锰干电池、银锌纽扣电池。
(2)二次电池:可充电,可多次重复使用,如铅蓄电池、镍氢电池。
(3)燃料电池,如氢氧燃料电池。
2.常见的化学电源。
【自主思考1】 铅蓄电池的电池反应式为Pb+PbO2+ 2H2SO4══2PbSO4+2H2O。请写出负极、正极的电极反应式。
【自主思考2】 燃料电池两电极反应有何特点
提示:两个电极均为惰性电极,本身不参与反应。燃料电池常用的燃料有H2、CH4、C2H4、CH3OH等可燃性物质,在反应中燃料一般表现为失去电子,在电源负极通入。常用的氧化剂是氧气,在反应中表现为得到电子,在电源正极通入。
二、电解池
1.定义:电解池是将电能转化为化学能的装置。
2.应用。
(3)电冶金制活泼金属(Na、Mg、Al、Ca等)。
阳极(发生氧化反应):2O2--4e-══O2↑,
阴极(发生还原反应):Al3++3e-══Al。
②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。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)锌锰干电池工作一段时间后石墨棒变细。( )
(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。( )
(3)充电电池可以无限制地反复充电、放电。( )
(4)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高。( )
(5)电解池是将电能转化为化学能的装置。( )
(6)电解池与原电池一样,都需要自发进行的氧化还原反应。( )
×
×
×
√
√
×
2.1800年伏打用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片叠成电堆产生了电流,这个装置后来称为伏打电池(也叫伏打电堆),如下图所示。
观察示意图,思考回答下列问题。
(1)负极是 ,
电极反应: 。
(2)正极是 。
(3)猜测得电子发生还原反应的物质可能是 。
答案:(1)Zn Zn-2e-══Zn2+ (2)Cu (3)氧气
3.金属钠通过电解熔融的氯化钠制备,其电解反应方程式为 。
4.铅酸蓄电池是常用的化学电源,其电极材料分别是Pb和PbO2,电解质溶液为稀硫酸,该电池工作时发生的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4══2PbSO4+2H2O。试回答下列问题:
(1)铅酸蓄电池的负极材料是 , 正极材料是 。
(2)电池工作时, 溶液中 移向 极。
(3)电池工作时,电解质溶液的c(H+) (填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)若有1 mol电子从某电极流出,则参加反应的H2SO4是 mol,负极的质量变化是 (填“增大”或“减小”) g。
答案:(1)Pb PbO2 (2)负 (3)减小 (4)1 增大 48
解析:(1)铅酸蓄电池放电时是原电池。根据电池总反应及原电池原理,负极发生氧化反应,Pb为负极;正极发生还原反应,PbO2为正极。(2)原电池工作时,溶液中阴离子移向负极。(3)由电池总反应可知H2SO4参加反应,且生成H2O,所以溶液中c(H+)减小。(4)根据总反应式,若从负极流出1 mol电子,参加反应的H2SO4是1 mol,负极有0.5 mol Pb转化为PbSO4,负极增大质量即为0.5 mol 的质量,即48 g。
合作探究·释疑解惑
探究任务
探究任务 化学电源电极反应式的书写
问题引领
如图所示,可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为稀硫酸时)和碱式[当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时]两种。
氢氧燃料电池示意图
1.酸式氢氧燃料电池的电极反应和总反应方程式如何书写 电解质溶液中c(H+)如何变化
提示:负极:2H2-4e-══4H+,正极:O2+4H++4e-══2H2O,总反应:2H2+O2══2H2O,电解质溶液的pH变大。正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,酸性条件下与H+结合成H2O。负极上,H2失电子变为H+,H+进入电解质溶液。电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应,由于有水生成,溶液将逐渐变稀,c(H+)变小。
2.二次氢氧燃料电池的电极反应和总反应方程式如何书写 电解质溶液中c(OH-)如何变化
提示:负极:2H2+4OH--4e-══4H2O,正极:O2+2H2O+4e-══4OH-,总反应:2H2+O2══2H2O,电解质溶液的pH变小。正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,碱性条件下与H2O结合成OH-。负极上,H2失电子变为H+,碱性条件下H+不能大量存在,与OH-结合成H2O。电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应。同样,由于有水生成,c(OH-)变小。
3.二次电池放电和充电时的反应互为可逆反应吗
提示:不是。因为反应条件不同。
归纳提升
1.书写电极反应式的原则。
电极反应式遵循质量守恒、得失电子守恒及电荷守恒,遵循离子方程式的书写规则,两电极反应式相加得电池总化学(或离子)方程式。
2.充电电池电极反应式的书写方法。
(1)先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,指出参与负极和正极反应的物质。
(2)写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)。
(3)在电子守恒的基础上,总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
3.燃料电池电极反应式的书写方法。
(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,若产物能与电解质反应,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。
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下4种情况便可。
①酸性电解质溶液环境下的电极反应式:
O2+4H++4e-══2H2O。
②碱性电解质溶液环境下的电极反应式:
O2+2H2O+4e-══4OH-。
③熔融态的氧化物作电解质(高温下能传导O2-):
O2+4e-══2O2-。
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下:
O2+2CO2+4e-══2 。
(3)根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。
典型例题
【例题】 燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池,如图所示,a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是( )。
A.a极是负极,该电极上发生氧化反应
B.b极反应是O2+4OH--4e-══2H2O
C.总反应的化学方程式为2H2+O2══2H2O
D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
答案:B
解析:a极通入H2,为负极,电极反应式为2H2+4OH--4e-══ 4H2O,发生氧化反应,A项正确;b极通入O2,为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-══4OH-,B项错误;正、负极电极反应式相加得总反应为2H2+O2══2H2O,C项正确;氢氧燃料电池的能量转化率高,且产物为水,对环境无污染,是具有应用前景的绿色电源,D项正确。
【变式训练】 (双选)镍镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液,其充、放电按下式进行:Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+ 2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是( )。
A.放电时该电池正极上的反应:NiO(OH)+H2O+e-══ Ni(OH)2+OH-
B.放电过程是化学能全部转化为电能的过程
C.放电时负极附近溶液中c(OH-)减小
D.放电时电解质溶液中的OH-向电池正极移动
答案:AC
解析:放电时是原电池,Cd的化合价升高,Cd作负极,Ni的化合价降低,NiO(OH)作正极,正极的电极反应式为NiO(OH)+H2O+e-══Ni(OH)2+OH-,A项正确;放电过程是化学能转化为电能的过程,但不可能全部转化,B项错误;放电时负极电极反应式为Cd+2OH--2e-══Cd(OH)2,负极周围OH-的浓度减小,C项正确;放电时OH-向电源负极移动,D项错误。
课 堂 小 结第2课时 化学电源 电解池
基础巩固
1.下列化学电池不易造成环境污染的是( )。
A.氢氧燃料电池 B.锌锰电池
C.镍镉电池 D.铅蓄电池
2.下列说法正确的是( )。
A.镍镉电池、锂离子电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C.化学电池的反应基础是氧化还原反应
D.铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb,负极材料是PbO2
3.日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮,以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2),电极反应式可简化为Zn-2e-Zn2+,2N+2e-2NH3↑+H2↑(NH3与Zn2+能生成一种稳定的粒子)。根据上述判断,下列结论不正确的是( )。
A.干电池内发生的是氧化还原反应
B.锌为负极,碳为正极
C.工作时,电子由碳极经过外电路流向锌极
D.长时间连续使用时,内装糊状物可能流出腐蚀用电器
4.(2021山东烟台高一检测)某兴趣小组设计如图所示的原电池装置,下列有关说法正确的是( )。
A.Cl-移向银板,Na+移向锌板
B.外电路电子流向:银板锌板
C.银板上的电极反应:Ag+Cl--e-AgCl
D.锌板是原电池的负极,发生氧化反应
5.(双选)银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是( )。
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生氧化反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液中c(OH-)保持不变
6.据报道,锌电池可能会取代目前广泛使用的铅蓄电池,因为锌电池容量更大,而且没有铅污染。其电池反应为2Zn+O22ZnO,原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是( )。
A.锌为正极,空气进入负极反应
B.负极反应为Zn-2e-Zn2+
C.正极发生氧化反应
D.电解液为强酸
7.下列说法正确的是( )。
①电解是把电能转化成化学能 ②电解是把化学能转化成电能 ③电解池也是一种化学电源 ④不能自发进行的氧化还原反应,通过电解的原理可以实现 ⑤电解可以用来冶炼活泼金属
A.①③④ B.②③⑤
C.③④ D.①④⑤
8.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。总反应为2Li+2H2O2LiOH+H2↑。
(1)该电池的负极是 ,负极反应式是 。
(2)正极可观察到的现象是 。
(3)放电时OH-向 (填“正极”或“负极”)移动。
9.如图为原电池装置示意图。
(1)若A为Pb,B为PbO2,电解质为H2SO4溶液,工作时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。写出B电极反应式: ;该电池在工作时,A电极的质量将 (填“增加”“减小”或“不变”)。若该电池反应消耗了0.1 mol H2SO4,则转移 mol电子。
(2)若A、B均为铂片,电解质为KOH溶液,分别从A、B两极通入H2和O2,该电池即为氢氧燃料电池,写出A电极反应式: ;该电池在工作一段时间后,溶液的碱性将 (填“增强”“减弱”或“不变”)。
(3)该装置可以改成电解装置。若用此装置电解饱和食盐水,其电解反应方程式为 。
10.化学电池在通信、交通及日常生活中有着广泛的应用。
锌锰电池的构造
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示),锌锰干电池的负极材料是 ,负极发生的电极反应式为 。若反应消耗16.25 g负极材料,则电池中转移电子的物质的量为 mol。
(2)目前常用的镍镉(Ni-Cd)电池,其电池总反应可以表示为Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2。已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸,以下说法中正确的是 (填序号)。
①以上反应是可逆反应
②以上反应不是可逆反应
③充电时化学能转变为电能
④放电时化学能转变为电能
(3)氢气是未来最理想的能源。科学家最近研制出利用太阳能产生激光,并使海水在二氧化钛(TiO2)表面分解得到氢气的新技术:2H2O2H2↑+O2↑,制得的氢气可用于制作燃料电池。试回答下列问题。
①分解海水时,实现了光能转化为 能,生成的氢气用于制作燃料电池时,实现了化学能转化为 能。分解海水的反应属于 (填“放热”或“吸热”)反应。
②某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,A极上发生的电极反应为2H2+2O2--4e-2H2O,则A极是电池的 极,电子从该极 (填“流入”或“流出”)。B极电极反应式为 。
能力提升
1.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转变为电能的装置,电解质溶液一般是强碱溶液。下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )。
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的c(OH-)不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
2.(双选)一种微生物燃料电池的结构示意图如下,关于该电池的叙述正确的是( )。
A.电池工作时,电子由b流向a
B.微生物所在电极区放电时发生还原反应
C.放电过程中,H+从正极区移向负极区
D.正极反应式为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O
3.(双选)某固体氧化物燃料电池以固体氧化锆-氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是( )。
A.有O2放电的a极为电池的正极
B.O2-移向电池的正极
C.b极对应的电极反应为2H2+2O2--4e-2H2O
D.a极对应的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
4.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。下列叙述不正确的是( )。
A.放电时负极反应:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2
B.放电时正极反应:Fe+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-
C.放电时每转移3 mol电子,正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
5.科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是( )。
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应:O2+4H++4e-2H2O
C.电路中每通过4 mol电子,在正极消耗44.8 L H2S
D.每17 g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区
6.写出下列化学电源(原电池)的电极反应式。
(1)镍镉电池的反应方程式:Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2,氢氧化钾溶液为电解质溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(2)镍氢电池的反应方程式:MH+NiO(OH)M+NiO+H2O,MH表示储氢合金M中吸收结合的氢(最常用储氢合金为LaNi5),氢氧化钾溶液为电解质溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(3)锂离子电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料,使用非水电解质溶液的电池。某种锂离子电池的总反应式为Li+MnO2LiMnO2。
①负极: ;
②正极: 。
(4)已知甲烷(CH4)燃料电池的电解质溶液为氢氧化钾溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(5)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。
①负极: ;
②正极: 。
第2课时 化学电源 电解池
基础巩固
1.下列化学电池不易造成环境污染的是( )。
A.氢氧燃料电池 B.锌锰电池
C.镍镉电池 D.铅蓄电池
答案:A
2.下列说法正确的是( )。
A.镍镉电池、锂离子电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C.化学电池的反应基础是氧化还原反应
D.铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb,负极材料是PbO2
答案:C
解析:碱性锌锰干电池是一次电池;燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池;铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2,负极材料是Pb。
3.日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮,以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2),电极反应式可简化为Zn-2e-Zn2+,2N+2e-2NH3↑+H2↑(NH3与Zn2+能生成一种稳定的粒子)。根据上述判断,下列结论不正确的是( )。
A.干电池内发生的是氧化还原反应
B.锌为负极,碳为正极
C.工作时,电子由碳极经过外电路流向锌极
D.长时间连续使用时,内装糊状物可能流出腐蚀用电器
答案:C
解析:由负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反应或根据原电池形成的条件,相对活泼(指金属活动性强)的一极为负极,相对不活泼的一极为正极可判断出选项A、B正确;在外电路中,电子从负极流向正极,故选项C不正确;长时间连续使用该原电池,由于锌皮慢慢溶解而破损,且MnO2不断吸收H2而生成H2O,糊状物也越来越稀,故其很可能流出腐蚀用电器,选项D正确。
4.(2021山东烟台高一检测)某兴趣小组设计如图所示的原电池装置,下列有关说法正确的是( )。
A.Cl-移向银板,Na+移向锌板
B.外电路电子流向:银板锌板
C.银板上的电极反应:Ag+Cl--e-AgCl
D.锌板是原电池的负极,发生氧化反应
答案:D
解析:锌银构成的原电池,银是原电池的正极,锌是负极,阳离子移向正极、阴离子移向负极,即Cl-移向锌板,Na+移向银板,A项错误;电子流向:锌板灯泡银板,B项错误;银为原电池的正极,正极上氧气得到电子生成氢氧根离子,正极的电极反应式为2H2O+O2+4e-4OH-,C项错误;锌银构成的原电池,银是原电池的正极,锌是负极,负极发生氧化反应,D项正确。
5.(双选)银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是( )。
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生氧化反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液中c(OH-)保持不变
答案:BD
解析:反应中锌失去电子,Zn电极是负极,A项正确;Ag2O得到电子,发生还原反应,B项错误;电解质溶液显碱性,Zn电极的电极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,C项正确;根据反应的化学方程式可知消耗水,且产生氢氧化锌,氢氧根浓度增大,D项错误。
6.据报道,锌电池可能会取代目前广泛使用的铅蓄电池,因为锌电池容量更大,而且没有铅污染。其电池反应为2Zn+O22ZnO,原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是( )。
A.锌为正极,空气进入负极反应
B.负极反应为Zn-2e-Zn2+
C.正极发生氧化反应
D.电解液为强酸
答案:B
解析:Zn与O2反应的电子转移情况为,所以Zn作负极,负极发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+。O2是正极反应物,发生还原反应。若电解液是强酸,电池的化学反应不是2Zn+O22ZnO,而是Zn+2H+Zn2++H2↑。
7.下列说法正确的是( )。
①电解是把电能转化成化学能 ②电解是把化学能转化成电能 ③电解池也是一种化学电源 ④不能自发进行的氧化还原反应,通过电解的原理可以实现 ⑤电解可以用来冶炼活泼金属
A.①③④ B.②③⑤
C.③④ D.①④⑤
答案:D
8.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。总反应为2Li+2H2O2LiOH+H2↑。
(1)该电池的负极是 ,负极反应式是 。
(2)正极可观察到的现象是 。
(3)放电时OH-向 (填“正极”或“负极”)移动。
答案:(1)锂 Li-e-Li+
(2)有无色气体产生 (3)负极
解析:金属锂比铁活泼,作原电池的负极,电极反应式为Li-e-Li+,LiOH溶液中的阳离子有Li+和H+,由于氧化性:H+>Li+,所以正极反应是2H++2e-H2↑,正极产生无色气体;在原电池的放电过程中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以OH-向负极移动。
9.如图为原电池装置示意图。
(1)若A为Pb,B为PbO2,电解质为H2SO4溶液,工作时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。写出B电极反应式: ;该电池在工作时,A电极的质量将 (填“增加”“减小”或“不变”)。若该电池反应消耗了0.1 mol H2SO4,则转移 mol电子。
(2)若A、B均为铂片,电解质为KOH溶液,分别从A、B两极通入H2和O2,该电池即为氢氧燃料电池,写出A电极反应式: ;该电池在工作一段时间后,溶液的碱性将 (填“增强”“减弱”或“不变”)。
(3)该装置可以改成电解装置。若用此装置电解饱和食盐水,其电解反应方程式为 。
答案:(1)PbO2+S+4H++2e-PbSO4+2H2O 增加 0.1
(2)H2+2OH--2e-2H2O 减弱
(3)2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
解析:(1)B为PbO2,得到电子后结合溶液中的S生成难溶的PbSO4:PbO2+S+4H++2e-PbSO4+2H2O;同样A极也生成PbSO4,故质量会增大;由总反应可知消耗2molH2SO4时,转移2mol电子,故消耗0.1molH2SO4时转移0.1mol电子。(2)碱性条件下电极反应式中不能出现H+,只能出现OH-;因为电池反应最终生成了水,对KOH溶液有稀释作用,故溶液的碱性将减弱。(3)电解饱和食盐水的产物为氢氧化钠、氯气和氢气。
10.化学电池在通信、交通及日常生活中有着广泛的应用。
锌锰电池的构造
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示),锌锰干电池的负极材料是 ,负极发生的电极反应式为 。若反应消耗16.25 g负极材料,则电池中转移电子的物质的量为 mol。
(2)目前常用的镍镉(Ni-Cd)电池,其电池总反应可以表示为Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2。已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸,以下说法中正确的是 (填序号)。
①以上反应是可逆反应
②以上反应不是可逆反应
③充电时化学能转变为电能
④放电时化学能转变为电能
(3)氢气是未来最理想的能源。科学家最近研制出利用太阳能产生激光,并使海水在二氧化钛(TiO2)表面分解得到氢气的新技术:2H2O2H2↑+O2↑,制得的氢气可用于制作燃料电池。试回答下列问题。
①分解海水时,实现了光能转化为 能,生成的氢气用于制作燃料电池时,实现了化学能转化为 能。分解海水的反应属于 (填“放热”或“吸热”)反应。
②某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,A极上发生的电极反应为2H2+2O2--4e-2H2O,则A极是电池的 极,电子从该极 (填“流入”或“流出”)。B极电极反应式为 。
答案:(1)锌 Zn-2e-Zn2+ 0.5
(2)②④
(3)①化学 电 吸热 ②负 流出 O2+4e-2O2-
解析:(1)锌锰干电池中的负极是Zn,发生氧化反应,失去电子生成锌离子,电极反应式是Zn-2e-Zn2+;16.25gZn的物质的量是=0.25mol,1molZn失去2mol电子,所以电池中转移电子的物质的量是0.5mol。
(2)镍镉电池放电时,应用原电池原理,将化学能转化为电能,而充电时利用电解原理,将电能转化为化学能,转化条件不同,不是可逆反应。
(3)①燃料电池是将化学能转化为电能的装置,分解海水的反应属于吸热反应。②燃料电池中,负极发生燃料失电子的氧化反应,即2H2+2O2--4e-2H2O,正极发生氧气得电子的还原反应,即O2+4e-2O2-,所以B极是正极,A极是负极,电子从负极流向正极,即从A极流出。
能力提升
1.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)与氧气(或空气)发生反应将化学能转变为电能的装置,电解质溶液一般是强碱溶液。下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )。
A.负极反应式:O2+2H2O+4e-4OH-
B.负极反应式:CH4+8OH--8e-CO2+6H2O
C.随着放电的进行,溶液的c(OH-)不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案:D
解析:O2+2H2O+4e-4OH-应为正极反应式;燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出,它将进一步反应转化成碳酸根,所以负极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O;由于部分碱液与二氧化碳反应,所以溶液中的c(OH-)将减小。
2.(双选)一种微生物燃料电池的结构示意图如下,关于该电池的叙述正确的是( )。
A.电池工作时,电子由b流向a
B.微生物所在电极区放电时发生还原反应
C.放电过程中,H+从正极区移向负极区
D.正极反应式为MnO2+4H++2e-Mn2++2H2O
答案:AD
解析:因为右侧产生CO2,说明微生物所在的电极区Cm(H2O)n失电子生成CO2,电池工作时电子由b极经外电路流向a极,A项正确;微生物所在电极区放电时发生氧化反应,B项错误;放电时阳离子向正极移动,C项错误;放电时正极发生还原反应,D项正确。
3.(双选)某固体氧化物燃料电池以固体氧化锆-氧化钇为电解质,这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示,其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是( )。
A.有O2放电的a极为电池的正极
B.O2-移向电池的正极
C.b极对应的电极反应为2H2+2O2--4e-2H2O
D.a极对应的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
答案:AC
解析:在燃料电池中,有O2放电的a极为原电池的正极,A项正确;在燃料电池中,O2-移向电池的负极,B项错误;在燃料电池中,有H2放电的b极为电池的负极,电极反应为2H2+2O2--4e-2H2O,C项正确;a极是正极,氧气在正极得电子,则对应的电极反应为O2+4e-2O2-,D项错误。
4.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。下列叙述不正确的是( )。
A.放电时负极反应:Zn+2OH--2e-Zn(OH)2
B.放电时正极反应:Fe+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-
C.放电时每转移3 mol电子,正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
答案:C
解析:高铁电池放电时为原电池,依据原电池工作原理,放电时负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,用总式减去负极反应式即得正极反应式:Fe+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-,放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被还原。
5.科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如下图所示。下列说法错误的是( )。
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应:O2+4H++4e-2H2O
C.电路中每通过4 mol电子,在正极消耗44.8 L H2S
D.每17 g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区
答案:C
解析:根据题目可知,该电池为燃料电池,根据燃料电池的特点,通氧气的一极为正极,故电极b为正极,电极a为负极,A项正确;电极b为正极,氧气得电子生成水,B项正确;从装置示意图可以看出,电池总反应为2H2S+O2S2+2H2O,电路中每通过4mol电子,正极应该消耗1molO2,负极应该有2molH2S反应,但是题目中没有给定标准状况下,所以H2S气体的体积不一定是44.8L,C项错误;17gH2S即0.5molH2S,每0.5molH2S参与反应会消耗0.25molO2,根据正极反应式O2+4H++4e-2H2O,可知有1molH+经质子膜进入正极区,D项正确。
6.写出下列化学电源(原电池)的电极反应式。
(1)镍镉电池的反应方程式:Cd+2NiO(OH)+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2,氢氧化钾溶液为电解质溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(2)镍氢电池的反应方程式:MH+NiO(OH)M+NiO+H2O,MH表示储氢合金M中吸收结合的氢(最常用储氢合金为LaNi5),氢氧化钾溶液为电解质溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(3)锂离子电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料,使用非水电解质溶液的电池。某种锂离子电池的总反应式为Li+MnO2LiMnO2。
①负极: ;
②正极: 。
(4)已知甲烷(CH4)燃料电池的电解质溶液为氢氧化钾溶液。
①负极: ;
②正极: 。
(5)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。
①负极: ;
②正极: 。
答案:(1)①Cd+2OH--2e-Cd(OH)2
②2NiO(OH)+2H2O+2e-2Ni(OH)2+2OH-
(2)①MH+OH--e-M+H2O
②NiO(OH)+e-NiO+OH-
(3)①Li-e-Li+ ②MnO2+e-Mn
(4)①CH4+10OH--8e-C+7H2O
②O2+4e-+2H2O4OH-
(5)①CH4+4C-8e-5CO2+2H2O
②2O2+4CO2+8e-4C
解析:(1)由总反应式中元素化合价的变化可确定镉为负极(镉元素化合价升高);
写出相对简单的负极反应式:Cd+2OH--2e-Cd(OH)2;
总反应式与负极反应式相减可得正极反应式:2NiO(OH)+2H2O+2e-2Ni(OH)2+2OH-。
(2)由总反应式中元素化合价的变化可确定MH为负极(氢元素化合价升高);
写出相对简单的负极反应式:MH+OH--e-M+H2O;
总反应式与负极反应式相减可得正极反应式:NiO(OH)+e-NiO+OH-。
(3)由总反应式中元素化合价的变化可确定锂为负极(锂元素化合价升高);
写出相对简单的负极反应式:Li-e-Li+;
总反应式与负极反应式相减可得正极反应式:MnO2+e-Mn。
(4)燃料电池的两极都是惰性电极,通入燃料的一极为负极,通入氧气或空气的一极为正极;两电极上的产物与电解质溶液的酸碱性有关:
碱性条件下正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-;负极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O。
(5)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。
负极反应式为CH4+4C-8e-5CO2+2H2O,正极反应式为2O2+4CO2+8e-4C。(共50张PPT)
第三单元 化学能与电能的转化
第1课时 化学能转化为电能
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
课标定位
素养阐释
1.通过探究实验,推理得出原电池的组成条件和工作原理,提高科学探究和模型认知的素养。
2.从宏观辨识和微观探析的视角分析化学反应的能量变化。
3.能说出日常生活中常见化学电源,并认识钢铁腐蚀的原理。
自主预习·新知导学
一、原电池及其工作原理
1.实验探究。
2.原电池的定义。
原电池是将化学能转变为电能的装置;原电池的反应本质是氧化还原反应。
3.原电池的构成条件。
理论上,自发的氧化还原反应均可构成原电池。
具体条件是:①具有活动性不同的两个电极(金属与金属或金属与能导电的非金属)。
②两电极均插入电解质溶液中。
③两电极用导线相连,形成闭合回路。
【自主思考1】 是否所有的化学反应理论上都可以设计成原电池
提示:不是。能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。原电池是利用氧化还原反应原理,使还原反应与氧化反应分别在两极发生,电子在导线中定向移动,形成电流。
4.原电池的工作原理。
(1)分析下图并填空。
原电池总反应式:Zn+2H+══Zn2++H2↑。
(2)能量转化:化学能转变为电能。
【自主思考2】 若将铜锌原电池中的Cu电极换成石墨,可以形成原电池吗 为什么
提示:可以,因为Cu在该原电池中起到的是传递电子的作用,其本身并未参与电极反应。石墨也可以导电,把Cu电极换成石墨也能形成原电池。
二、钢铁的电化学腐蚀
1.不纯的金属与电解质溶液接触,发生原电池反应,比较活泼的金属失去电子而被氧化,这种腐蚀叫作电化学腐蚀。
2.钢铁的电化学腐蚀。
【自主思考3】 钢铁在干燥的空气中长时间不易生锈,但在潮湿的空气里很快就会生锈,这是什么原因呢
提示:钢铁腐蚀实质上是发生了原电池反应,钢铁在潮湿的空气中表面能形成一层水膜,具备了形成原电池的条件,而干燥的空气中不具备与电解质溶液接触的条件。
【效果自测】
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)原电池是一种电能转化为化学能的装置。( )
(2)在原电池中,负极失去电子发生氧化反应。( )
(3)在原电池中,正极是电子流出极。( )
(4)用导线连接的铜片和锌片插入稀硫酸中,铜片上有大量气泡产生。( )
(5)在铜、锌与稀硫酸形成的原电池中,电子由锌通过导线流向铜,再由铜通过电解质溶液到达锌。( )
×
√
×
√
×
(6)原电池中阳离子向正极移动。( )
(7)反应Cu+2Ag+══2Ag+Cu2+,能以原电池的形式来实现。( )
(8)HCl+NaOH══NaCl+H2O是放热反应,可以设计成原电池。( )
(9)将铜片和锌片用导线连接插入CCl4中,电流计指针发生偏转。( )
√
√
×
×
2.下列烧杯中盛放的都是稀硫酸,在铜电极上能产生气泡的是( )。
答案:A
3.根据原电池原理,结合装置示意图,按要求解答问题:
(1)若X为Zn,Y为硫酸铜溶液,则X为 (填电
极名称),判断依据 ;铜电极的名
称是 ,溶液中的Cu2+移向 (填
“Cu”或“X”)电极。
(2)若X为银,Y为硝酸银溶液,则X为 (填
电极名称),判断依据 ;铜电极的名称是 ,溶液中的Ag+移向 (填“Cu”或“X”)电极。
答案:(1)负极 锌的活动性比铜强(或Zn的还原性比Cu强) 正极 Cu
(2)正极 铜的活动性比银强(或Cu的还原性比Ag强) 负极 X
合作探究·释疑解惑
探究任务1
探究任务2
探究任务1 原电池工作原理
问题引领
1.在铜锌原电池中,电子是怎样移动的 电子能否通过电解质溶液 原电池工作时电解质溶液中的电流是怎样形成的
提示:锌失去电子,电子通过导线流向铜片。电子不能通过电解质溶液。在溶液中阳离子移向正极,阴离子移向负极,阴、阳离子定向移动形成电流。
2.下列装置能否形成原电池,其理由是什么
提示:都不能。第一个装置中没有形成闭合回路;第二个装置中两个电极材料相同;第三个装置中没有电解质溶液(乙醇是非电解质)。
归纳提升
1.原电池的构成条件。
2.原电池工作原理。
(1)两反应:正极发生还原反应,负极发生氧化反应。
(2)三方向:电流方向(导线中)为正极→负极;电子流动方向(导线中)为负极→正极;阴阳离子的移动方向(电解质溶液中)为阴离子向负极移动,阳离子向正极移动,简称“阴负阳正”。
(1)原电池中“电子不下水,离子不上岸”,即电子只能在导线中传递,不能在电解质溶液中传递,而阴阳离子只能在电解质溶液中传递,不能在导线中传递。
(2)阳离子移向正极,即“正向正”;阴离子移向负极,即“负向负”。
3.原电池正、负极判断方法。
4.原电池电极反应式的书写方法。
原电池反应所依托的化学反应原理是氧化还原反应,书写电极反应的方法归纳如下。
(1)写出总化学反应方程式(即氧化还原反应方程式)。
(2)根据总反应方程式从电子得失(或元素化合价升降)的角度,将总反应分成氧化反应和还原反应。
(3)氧化反应在负极发生,还原反应在正极发生,注意介质可能参与电极反应。
(4)验证:两电极反应式相加所得的式子和原化学方程式相同,则书写正确。
典型例题
【例题1】 如图是锌、铜和稀硫酸组成的原电池,化学社团的一位同学做完实验后,在读书卡片上记录如下:
卡片:No.28 时间:××××
①Zn为正极,Cu为负极
②H+向负极移动
③电子流动方向为Zn→金属导线→Cu
④Cu极有H2产生
⑤若有1 mol电子流过导线,则产生H2的
物质的量为0.5 mol
⑥正极反应式:Zn-2e-══Zn2+
请你根据所学知识,帮助这位同学找出卡片上记录有误的描述: (填序号)。
答案:①②⑥
解析:构成原电池的正极是Cu,负极是Zn,①错误;电子从负极Zn流出,流向正极Cu,H+向正极移动,在Cu极上得电子: 2H++2e-══H2↑,②错误,③④正确;此原电池负极上发生的反应是Zn-2e-══Zn2+,⑥错误;总反应方程式:Zn+2H+══ Zn2++H2↑,当有1 mol电子通过时,产生0.5 mol H2,⑤正确。
【变式训练1】 如图所示,将锌片和铜片按不同方式插入稀硫酸中,下列说法正确的是( )。
A.甲中电子经导线从铜片流向锌片
B.两烧杯中锌片上均发生还原反应
C.两烧杯中铜片表面均无气泡产生
D.一段时间后,两烧杯中溶液的c(H+)均减小
答案:D
解析:A项,甲中形成铜锌原电池,Zn作负极,失电子,Cu作正极,电子由Zn极流出经导线流向Cu极,错误;B项,两烧杯中都是Zn失电子发生氧化反应,错误;C项,甲中Cu片上H+得电子生成H2,乙中Cu片不反应,Cu片上无气泡产生,错误;D项,甲中Cu片上H+得电子生成H2,乙中Zn与稀硫酸发生置换反应生成H2,所以两烧杯的溶液中H+浓度均减小,正确。
探究任务2 原电池原理的应用
问题引领
1.结合原电池构成的条件,思考怎样依据反应Cu+2Ag+══ 2Ag+Cu2+设计一个原电池 画出原电池装置示意图并标出正、负极。
提示:先确定两个电极,负极失电子,元素化合价升高,所以铜作负极,再找活动性比铜弱的石墨或银棒作正极;从反应中可以看出电解质溶液中必须含有银离子,所以用硝酸银作电解质。装置如图所示。
2.原电池中较活泼的金属电极一定是负极吗
提示:不一定。要注意电解质溶液对电极类型的影响。例如,镁铝电极在稀硫酸中构成原电池,镁为负极,铝为正极;但若以氢氧化钠溶液为电解质溶液,则铝为负极,镁为正极。
3.根据原电池原理如何比较Fe、Cu两种金属的活动性强弱
提示:将铁片和铜片用导线连接浸入稀硫酸中,发现铁片逐渐溶解,铜片表面有气泡产生;说明铁比铜活泼。
归纳提升
1.增大氧化还原反应的速率。
自发进行的氧化还原反应,形成原电池时反应速率增大。
例如,锌与稀硫酸反应时,滴加硫酸铜溶液后,会有少量锌与硫酸铜反应置换出铜。然后铜、锌分别作为原电池的两个电极形成原电池,从而增大锌与稀硫酸的反应速率。
2.比较金属的活动性强弱。
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
例如,有两种金属a、b,用导线连接插入稀硫酸中,观察到a极溶解,b极上有气泡产生,则a为负极,b为正极,金属活动性a>b。
3.用于金属腐蚀的防护,使金属制品作原电池的正极而得到保护。例如,将铁质输水管道与锌块相连,锌作原电池的负极失电子,保护铁不被腐蚀。
4.设计原电池。
理论上能自发进行的氧化还原反应都可以设计成原电池。
如:把Fe+2Fe3+══3Fe2+设计成原电池,可用Fe作负极,铜(或石墨)作正极,FeCl3溶液作电解质溶液。
典型例题
【例题2】 某原电池的离子方程式是Zn+Cu2+══ Zn2++Cu,该原电池正确的组成是( )。
答案:C
解析:将Zn+Cu2+══Zn2++Cu拆成两个半反应。
氧化反应(负极反应):Zn-2e-══Zn2+。
还原反应(正极反应):Cu2++2e-══Cu。
则电池的负极是Zn,正极是比锌不活泼的金属或导电的非金属,电解质溶液中含Cu2+。
【变式训练2】 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,电流由D流向C;③A、C相连后,同时浸入稀硫酸中,C极产生大量气泡;④B、D相连后,同时浸入稀硫酸中,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.A>C>D>B
C.C>A>B>D D.B>D>C>A
答案:B
解析:金属与稀硫酸组成原电池,活泼金属为负极,失去电子发生氧化反应,较不活泼的金属为正极,H+在正极表面得到电子生成H2,电子运动方向由负极→正极,电流方向则由正极→负极。根据题意,①中A为负极,金属活动性: A>B;②中C为负极,金属活动性:C>D;③中A为负极,金属活动性:A>C;④中D为负极,金属活动性:D>B。综上可知,金属活动性:A>C>D>B。
【变式训练3】 利用生活中或实验室中常用的物品,根据氧化还原反应知识和电化学知识,自己动手设计一个原电池。请回答下列问题。
(1)实验原理:Mg+2H+══Mg2++H2↑。
(2)实验用品:电极(镁条、 )、稀硫酸、 (填写所缺的实验用品)、耳机(或者电流计)。
(3)实验装置:如图所示。
(4)原电池设计及注意的问题。
①按如图所示装置连接好实验仪器,注意观察(耳朵听)耳机是否有声音发出,如果没有,可将原电池的两个电极中的一极接触耳机插头上的一极(注意:接触的同时耳机的另一极是连接在原电池的另一个电极上的),这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。其原因是:在原电池中,化学能转化为 。
②如果将装置中的耳机改为电流计,则镁条应该连接电流计的
极,电极反应式为 ;另一极应该接电流计的 极,该电极发生了 (填“氧化”或“还原”)反应。
答案:(2)铜片(或铁钉、石墨等) 烧杯、导线
(4)①电能 ②负 Mg-2e-══Mg2+ 正 还原
解析:由实验原理Mg+2H+══Mg2++H2↑可知,组成该原电池的负极为Mg,正极可选用金属活动性比Mg弱的金属或能导电的非金属。
课 堂 小 结第三单元 化学能与电能的转化
第1课时 化学能转化为电能
基础巩固
1.下列有关原电池的叙述中正确的是( )。
A.把电能转变为化学能的装置
B.活泼金属作正极,不活泼金属或非金属作负极
C.外电路中电子从负极流向正极
D.正极发生氧化反应
2.如下图,下列装置能形成原电池的是( )。
3.等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液。下列各图表示的是产生H2的体积V与时间t的关系,其中正确的是( )。
4.(双选)某兴趣小组设计如图所示的装置进行原电池原理的探究。下列叙述错误的是( )。
A.a和b不连接时,锌片上有气体生成,此时没有形成原电池
B.a和b用导线连接时,铜片为正极,发生的反应为2H+-2e-H2↑
C.a和b用导线连接时,电子由Zn经导线流向Cu,再经稀硫酸流回Zn
D.无论a和b是否连接,稀硫酸均参与反应,锌片上均会发生氧化反应
5.现有M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+N+M2+;②M、P 用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出;③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中,电极反应为E2++2e-E,N-2e-N2+。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )。
A.P>M>N>E B.E>N>M>P
C.P>N>M>E D.E>P>M>N
6.在钢铁腐蚀过程中,下列变化不可能发生的是( )。
A.Fe2+转化为Fe3+
B.O2被还原
C.Fe(OH)3失水形成Fe2O3·xH2O
D.非金属碳被氧化
7.FeCl3可用作印刷电路铜板腐蚀剂。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式: 。
(2)若将(1)中的反应设计成原电池,请画出原电池的装置示意图,标出正、负极,并写出电极反应式。
①正极反应: ;
②负极反应: 。
8.分别按图甲、乙所示装置进行实验,图中两烧杯里的溶液为100 mL相同浓度的稀硫酸,请回答下列问题。
(1)变化过程中能量转化的主要形式是:甲为 ,乙为 。
(2)以下叙述正确的是 (填字母)。
a.两烧杯中铜片表面均有气泡产生
b.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
c.甲中铜片质量减小,乙中锌片质量减小
d.两烧杯中溶液的c(H+)均减小
e.甲的外电路中电流方向和电解质溶液中阳离子的移动方向均为锌片流向铜片
f.产生气泡的速率甲比乙快
g.两烧杯在相同时间内转移电子数相等
(3)当甲中产生1.12 L标准状况下的气体时,通过导线的电子数约为 ;若导线上通过电子1 mol,则理论上两电极的变化是 (填字母)。
a.锌片减少32.5 g
b.锌片增加32.5 g
c.铜片上析出1 g H2
d.铜片上析出1 mol H2
(4)在甲实验中,如果把稀硫酸换成硫酸铜溶液,锌片上发生的是 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为 ;铜片上观察到的现象是 ,铜电极上发生的是 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式是 ,原电池总反应的离子方程式为 。
9.依据氧化还原反应:2Ag++CuCu2++2Ag设计的原电池如图所示。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,发生的电极反应为 ;X电极上发生的电极反应为 (填“氧化”或“还原”)反应。
(3)外电路中的电子 (填“流出”或“流向”)Ag电极。
(4)当有1.6 g铜溶解时,银电极质量增加 g。
能力提升
1.用下图装置进行实验,若x轴表示流入正极的电子的物质的量,则y轴应表示( )。
①c(Ag+) ②n(N) ③a棒的质量 ④b棒的质量⑤溶液的质量
A.①③⑤ B.③④
C.①②④ D.②
2.下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是( )。
A.①②③④ B.④②①③
C.③①②④ D.②①③④
3.钢铁生锈过程发生如下反应:①2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2;②4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3;③2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O。下列说法正确的是( )。
A.反应①②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
4.有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性顺序,两人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H2SO4溶液中,乙同学将电极放入6 mol·L-1的NaOH溶液中,如下图所示。
(1)写出A池中负极的电极反应式: 。
(2)写出B池中负极的电极反应式和总反应的离子方程式。负极: ;总反应的离子方程式: 。
(3)如果甲、乙两位同学均认为“组成原电池的电极材料如果都是金属,则组成负极材料的金属应比组成正极材料的金属活动性强”,则甲会判断出 活动性更强,而乙会判断出 活动性更强。(填写元素符号)
(4)根据该实验可得出的正确结论有 。
A.利用原电池反应判断金属活动性顺序时应考虑选择合适的电解质溶液
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,需要修正
D.该实验说明化学研究对象复杂,反应受条件的影响较大,应具体问题具体分析
第三单元 化学能与电能的转化
第1课时 化学能转化为电能
基础巩固
1.下列有关原电池的叙述中正确的是( )。
A.把电能转变为化学能的装置
B.活泼金属作正极,不活泼金属或非金属作负极
C.外电路中电子从负极流向正极
D.正极发生氧化反应
答案:C
2.如下图,下列装置能形成原电池的是( )。
答案:C
解析:A中没有形成闭合回路,故不能形成原电池;B中酒精不是电解质;C可以构成原电池;D中只有一个电极,且没有形成闭合回路。
3.等质量的两份锌粉a、b中分别加入过量的稀硫酸,同时向a中加入少量的CuSO4溶液。下列各图表示的是产生H2的体积V与时间t的关系,其中正确的是( )。
答案:A
解析:a中发生的反应有:Zn+Cu2+Zn2++Cu,Zn+2H+Zn2++H2↑,置换出的Cu与Zn在稀硫酸中构成原电池,a中的反应比b中的反应快,反应完成所需的时间短,但Cu2+消耗了一部分Zn,a中产生的H2比b中产生的H2少。b中只发生反应:Zn+2H+Zn2++H2↑。符合这些条件的只有A项中的图像。
4.(双选)某兴趣小组设计如图所示的装置进行原电池原理的探究。下列叙述错误的是( )。
A.a和b不连接时,锌片上有气体生成,此时没有形成原电池
B.a和b用导线连接时,铜片为正极,发生的反应为2H+-2e-H2↑
C.a和b用导线连接时,电子由Zn经导线流向Cu,再经稀硫酸流回Zn
D.无论a和b是否连接,稀硫酸均参与反应,锌片上均会发生氧化反应
答案:BC
解析:a和b不连接时,该装置没有形成原电池,Zn与硫酸发生置换反应生成H2,故锌片上有气体生成,A项正确;a和b用导线连接时,形成原电池,由于Zn比Cu活泼,铜片为正极,电极反应式为2H++2e-H2↑,B项错误;a和b用导线连接时,电子由Zn经导线流向Cu,但不能进入电解质溶液,C项错误;无论a和b是否连接,均发生反应Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑,稀硫酸均参与反应,锌片上均会发生氧化反应,D项正确。
5.现有M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+N+M2+;②M、P 用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出;③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中,电极反应为E2++2e-E,N-2e-N2+。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是( )。
A.P>M>N>E B.E>N>M>P
C.P>N>M>E D.E>P>M>N
答案:A
解析:由①知,金属还原性:M>N;M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属还原性:P>M;N、E构成的原电池中,N作负极,故金属还原性:N>E。
6.在钢铁腐蚀过程中,下列变化不可能发生的是( )。
A.Fe2+转化为Fe3+
B.O2被还原
C.Fe(OH)3失水形成Fe2O3·xH2O
D.非金属碳被氧化
答案:D
解析:本题考查钢铁的电化学腐蚀。在腐蚀过程中,负极反应为Fe-2e-Fe2+,正极一般为O2得电子,Fe2+与OH-结合生成Fe(OH)2,Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3,Fe(OH)3失水形成铁锈。
7.FeCl3可用作印刷电路铜板腐蚀剂。
(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式: 。
(2)若将(1)中的反应设计成原电池,请画出原电池的装置示意图,标出正、负极,并写出电极反应式。
①正极反应: ;
②负极反应: 。
答案:(1)2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+
(2)
①2Fe3++2e-2Fe2+ ②Cu-2e-Cu2+
解析:FeCl3溶液腐蚀铜板的离子方程式为2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。氧化反应为Cu-2e-Cu2+,还原反应为2Fe3++2e-2Fe2+,原电池组成:Cu是负极、石墨为正极、含Fe3+的FeCl3或Fe2(SO4)3溶液为电解质溶液。
8.分别按图甲、乙所示装置进行实验,图中两烧杯里的溶液为100 mL相同浓度的稀硫酸,请回答下列问题。
(1)变化过程中能量转化的主要形式是:甲为 ,乙为 。
(2)以下叙述正确的是 (填字母)。
a.两烧杯中铜片表面均有气泡产生
b.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极
c.甲中铜片质量减小,乙中锌片质量减小
d.两烧杯中溶液的c(H+)均减小
e.甲的外电路中电流方向和电解质溶液中阳离子的移动方向均为锌片流向铜片
f.产生气泡的速率甲比乙快
g.两烧杯在相同时间内转移电子数相等
(3)当甲中产生1.12 L标准状况下的气体时,通过导线的电子数约为 ;若导线上通过电子1 mol,则理论上两电极的变化是 (填字母)。
a.锌片减少32.5 g
b.锌片增加32.5 g
c.铜片上析出1 g H2
d.铜片上析出1 mol H2
(4)在甲实验中,如果把稀硫酸换成硫酸铜溶液,锌片上发生的是 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为 ;铜片上观察到的现象是 ,铜电极上发生的是 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式是 ,原电池总反应的离子方程式为 。
答案:(1)化学能转化为电能 化学能转化为热能
(2)df
(3)6.02×1022 ac
(4)氧化 Zn-2e-Zn2+ 铜片变粗 还原 Cu2++2e-Cu Zn+Cu2+Zn2++Cu
解析:(1)甲装置为原电池,主要由化学能转化为电能,乙装置不是原电池,主要由化学能转化为热能。(2)甲装置为原电池,锌片是负极,锌失电子变为Zn2+进入溶液而质量减小,铜片是原电池的正极,溶液中的H+在铜片表面得电子生成氢气,铜片表面有氢气析出,外电路中电子由锌片流向铜片,故甲装置的外电路中电流方向为由铜片流向锌片,甲装置的电解质溶液中阳离子由锌片移向铜片;乙装置不是原电池,铜片上没有氢气析出,锌片上锌失电子变为Zn2+进入溶液而使其质量减小,且锌片上有氢气析出。甲、乙装置中反应的实质都为锌失电子,溶液中H+得到电子,使c(H+)减小。甲形成原电池后,反应速率加快,所以在相同的时间内甲烧杯中转移电子数多于乙烧杯中转移电子数。(3)标准状况下,n(e-)=2n(H2)=2×=0.1mol,则N(e-)=6.02×1022;若导线上通过电子1mol,则消耗锌0.5mol,生成H20.5mol,即锌片减少32.5g,铜片上析出1gH2。(4)CuSO4溶液为电解质溶液时,铜锌原电池的负极为锌,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,所以锌片不断溶解,正极为铜,发生还原反应,电极反应式为Cu2++2e-Cu,所以铜片不断变粗,电池总反应式为Zn+Cu2+Zn2++Cu。
9.依据氧化还原反应:2Ag++CuCu2++2Ag设计的原电池如图所示。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,发生的电极反应为 ;X电极上发生的电极反应为 (填“氧化”或“还原”)反应。
(3)外电路中的电子 (填“流出”或“流向”)Ag电极。
(4)当有1.6 g铜溶解时,银电极质量增加 g。
答案:(1)Cu AgNO3溶液
(2)正 Ag++e-Ag 氧化
(3)流向
(4)5.4
解析:(1)由原电池反应:2Ag++CuCu2++2Ag知,铜失电子,发生氧化反应,作负极,比铜不活泼的金属或石墨作正极,电解质溶液用可溶性的硝酸银溶液,则电极X的材料是铜,电解质溶液Y是AgNO3溶液。
(2)由(1)知,银电极为电池的正极,发生的电极反应为Ag++e-Ag,X电极上发生氧化反应。
(3)外电路中,Cu是负极,Ag是正极,Cu失去的电子沿导线经电流计流向正极(Ag电极)。
(4)1.6g铜的物质的量为=0.025mol,根据反应2Ag++CuCu2++2Ag,银电极增加的质量实际上是生成金属银的质量,为0.025mol×2×108g·mol-1=5.4g。
能力提升
1.用下图装置进行实验,若x轴表示流入正极的电子的物质的量,则y轴应表示( )。
①c(Ag+) ②n(N) ③a棒的质量 ④b棒的质量⑤溶液的质量
A.①③⑤ B.③④
C.①②④ D.②
答案:D
解析:该原电池中负极为Fe,电极反应:Fe-2e-Fe2+,故a棒质量减小;正极为Ag,电极反应:Ag++e-Ag,故b棒质量增大,溶液中c(Ag+)减小;总电极反应为Fe+2Ag+2Ag+Fe2+,溶液质量减小,整个过程中n(N)未变。
2.下列装置中四块相同的Zn片,放置一段时间后腐蚀速率由慢到快的顺序是( )。
A.①②③④ B.④②①③
C.③①②④ D.②①③④
答案:B
解析:③中的锌作负极,腐蚀速率最快;④中的锌与外界不接触,腐蚀速率最慢;②中的锌作正极,腐蚀速率比①中的锌要慢;因此腐蚀速率由慢到快的顺序为④②①③,B项正确。
3.钢铁生锈过程发生如下反应:①2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2;②4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3;③2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O。下列说法正确的是( )。
A.反应①②中电子转移数目相等
B.反应①中氧化剂是氧气和水
C.与铜质水龙头连接的钢质水管不易发生腐蚀
D.钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
答案:A
解析:反应①②中消耗O2的量相等,两个反应都仅有O2作为氧化剂,故转移电子数相等,A项正确;①中H2O的H、O两元素的化合价都没有变,H2O不是氧化剂,B项错误;铜和钢质水管中的铁能构成原电池,使钢质水管的腐蚀加快,C项错误;钢铁在潮湿的空气中易发生电化学腐蚀,D项错误。
4.有甲、乙两位同学均想利用原电池反应检测金属的活动性顺序,两人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H2SO4溶液中,乙同学将电极放入6 mol·L-1的NaOH溶液中,如下图所示。
(1)写出A池中负极的电极反应式: 。
(2)写出B池中负极的电极反应式和总反应的离子方程式。负极: ;总反应的离子方程式: 。
(3)如果甲、乙两位同学均认为“组成原电池的电极材料如果都是金属,则组成负极材料的金属应比组成正极材料的金属活动性强”,则甲会判断出 活动性更强,而乙会判断出 活动性更强。(填写元素符号)
(4)根据该实验可得出的正确结论有 。
A.利用原电池反应判断金属活动性顺序时应考虑选择合适的电解质溶液
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,需要修正
D.该实验说明化学研究对象复杂,反应受条件的影响较大,应具体问题具体分析
答案:(1)Mg-2e-Mg2+
(2)2Al+8OH--6e-2Al+4H2O 2Al+2OH-+2H2O2Al+3H2↑
(3)Mg Al
(4)AD
