第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第2课时 化学电源
基础过关练
题组一 一次电池
1.(2024河北衡水联考)锌锰电池是生活中常用的电池,普通锌锰电池和碱性锌锰电池的结构分别如图所示,下列说法错误的是 ( )
A.锌锰电池属于一次电池,用完不可随意丢弃
B.普通锌锰电池和碱性锌锰电池放电过程中锌均发生氧化反应
C.放电时,普通锌锰电池的石墨电极上反应为2N+2e- N2↑+4H2↑
D.放电时,碱性锌锰电池正极反应式为MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-
2.(经典题)(2024山东威海二中月考)微型银—锌电池可用作电子仪器的电源,其电极分别是Ag/Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电池总反应为Ag2O+Zn+H2O 2Ag+Zn(OH)2。下列说法正确的是 ( )
A.电池工作过程中,负极发生还原反应
B.电池工作过程中,电解液中OH-向正极移动
C.负极电极反应为Zn+2OH--2e- Zn(OH)2
D.正极电极反应为Ag2O+2H+-2e- 2Ag+H2O
题组二 二次电池
3.(2024湖南永州月考)铅酸蓄电池构造如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.铅酸蓄电池是二次电池,充电时电能转化为化学能
B.放电时,外电路中电子由Pb流向PbO2
C.放电时,负极反应为Pb-2e- Pb2+
D.放电时,H+移向PbO2
4.(2024黑龙江哈尔滨期中联考)镍镉电池是一种新型的封闭式体积小的可充电电池,其放电时的工作原理如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.放电时,OH-向b极移动
B.放电时,a极发生还原反应
C.充电时电流的方向:外电源正极→b极,a极→外电源负极
D.充电时,a极的电极反应为Cd-2e-+2OH- Cd(OH)2
5.(2024山东德州一中期末)如图为铁镍电池,具有优良的耐过充和过放电性能。下列说法正确的是 ( )
A.放电时,a极电势比b极电势高
B.放电时,b极电极反应为Ni(OH)2+2e- Ni+2OH-
C.充电时,a极附近pH减小
D.充电时,每消耗1 mol Fe3O4·4H2O,有4 mol Ni(OH)2被氧化
6.(2023河南部分重点高中月考)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池放电时的总反应式为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题:
(1)高铁电池的负极材料是 ,放电时负极反应式为 。
(2)放电时,正极发生 (填“氧化”或“还原”)反应;正极反应式为 。放电时, (填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
题组三 燃料电池
7.(2024福建厦门一中月考)一种铝—空气电池工作原理如图,下列说法正确的是( )
A.a极为负极,发生氧化反应
B.工作时OH-向b极迁移
C.外电路中,电流从a极流向b极
D.该电池正极电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O
8.(2024江苏苏州中学月考)氨气是一种重要的化工原料,工业合成氨反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1,将上述合成氨反应设计成燃料电池,工作原理如图所示,其中溶有HCl的稀的A溶液为电解质溶液。下列说法错误的是 ( )
A.a电极为正极,发生还原反应
B.A溶液中所含溶质为NH4Cl,可用蒸发结晶的方法分离出A
C.a电极发生的反应为N2+8H++6e- 2N
D.导线中电流方向为a→b
9.(2024河北保定联考)在石油化工生产中,丁烷(C4H10)是一种重要的化工原料。丁烷的燃料电池工作原理如图所示,下列说法正确的是 ( )
A.M电极上发生氧化反应
B.R电极上的电极反应为C4H10-26e-+13O2- 4CO2+5H2O
C.该电池工作时,每转移0.4 mol电子,此时消耗O2的质量为1.6 g
D.该电池工作时,外电路中电子的移动方向为M电极→灯泡→R电极
10.一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂,在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇,同时向一个电极通入空气。回答下列问题:
(1)这种电池放电时的总反应式为 。
(2)此电池的正极反应式: ;负极反应式: 。
(3)电解液中H+向 (填“正”或“负”,下同)极移动,向外电路释放电子的电极是 极。
能力提升练
题组一 非水系电池
1.(2023广东模拟)我国报道了一种新型Li-NO2电池,为NO2的治理和利用提供了新的研究思路,其工作原理如图所示,电池放电时的总反应为2Li+NO2 Li2O+NO。下列有关该电池工作时的说法不正确的是 ( )
A.外电路电流的方向:b极→电流表→a极
B.b极的电极反应:NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO
C.电解液中Li+向b极附近迁移
D.当外电路通过1 mol e-时,b极质量增加7 g
2.一种锂离子电池的结构如图所示,电池反应为LixC6+Li1-xCoO2 C6+LiCoO2(x<1)。下列说法正确的是 ( )
A.充电时a极接外电源的负极
B.放电时Li+在电解质中向b极迁移
C.充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将减少0.14 g
D.该电池进行“放电处理”有利于锂在LiCoO2极回收
3.(2024福建福州高级中学期中)以Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池,其放电时工作原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6]
B.充电时,Mo箔接电源的正极
C.放电时,Na+通过离子交换膜从右室移向左室
D.外电路通过0.2 mol电子时,Mg箔质量变化为1.2 g
题组二 化学电源的应用
4.(2024河北石家庄月考)一种液态肼(N2H4)燃料电池被广泛应用于发射通信卫星、战略导弹等的运载火箭中。该燃料电池以固体氧化物为电解质,生成物为无毒无害的物质。下列有关该电池的说法正确的是 ( )
A.电子沿电极a→用电器→电极b→电解质→电极a流动
B.电极a上的电极反应式为N2H4+2O2-+4e- N2↑+2H2O
C.当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上被氧化的O2在标准状况下的体积约为22.4 L
D.该电池常温下不能工作
5.(2024山东师范大学附中月考)Hg-Hg2SO4标准电极在生活中常用于测定其他电极的电势,测知Hg-Hg2SO4电极的电势高于Cu电极的电势。以下说法正确的是 ( )
A.K2SO4溶液可用CCl4代替
B.Hg-Hg2SO4电极反应为Hg2SO4-2e- 2Hg+S
C.微孔瓷片起到阻隔离子通过的作用
D.若把Cu-CuSO4体系换作Zn-ZnSO4体系,电压表的示数变大
6.(2024河南南阳一中开学考)某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2催化还原,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.电池工作时外电路电流由b极流向a极
B.b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O
C.电池工作过程中,a极区有H+生成
D.每处理0.5 mol Cr2,可生成16.8 L CO2
7.(2023重庆缙云教育联盟联考)我国科研人员研发出一种Zn-NO电池系统,该电池同时具备合成氨和对外供电的功能,其工作原理如图所示。已知双极膜可将水解离为H+和OH-,并实现其定向通过。下列说法错误的是 ( )
A.Zn/ZnO电极电势比MoS2电极电势低
B.电池工作时,NaOH和Na2SO4的浓度均变小
C.Zn/ZnO电极表面发生的反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O
D.当电路通过1 mol e-时,整个电池系统质量会增大3.0 g
8.(2024湖南长沙月考)我国科学家发明了一种Zn-PbO2电池,可广泛应用于汽车启动、照明和电力系统等领域。电解质分别为K2SO4、H2SO4和KOH,由a和b两种离子交换膜隔开,形成A、B、C三个电解质溶液区域,结构示意图如图所示:
(1)电池中,Zn为 极,B区域的电解质为 (填“K2SO4”“H2SO4”或“KOH”)。
(2)电池总反应的离子方程式为 。
(3)阳离子交换膜为图中的 (填“a”或“b”)。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.C 2.C 3.C 4.C 5.B 7.A 8.B 9.B
1.C 锌锰电池属于一次电池,含有重金属离子,用完不可随意丢弃,A正确;普通锌锰电池和碱性锌锰电池都是锌为负极,放电过程中锌均发生氧化反应,B正确;放电时,普通锌锰电池的石墨电极上MnO2得电子,被还原,C错误;放电时,碱性锌锰电池正极反应式为MnO2+H2O+e- MnO(OH)+OH-,D正确。
2.C 电池工作过程中,Zn失电子作负极,发生氧化反应,电极反应为Zn+2OH--2e- Zn(OH)2,A错误、C正确;电池工作过程中,电解液中的OH-向负极移动,B错误;正极Ag2O得电子,发生还原反应,碱性环境下,电极反应为Ag2O+H2O+2e- 2Ag+2OH-,D错误。
3.C 铅酸蓄电池是典型的二次电池,充电时把电能转化成化学能,A正确;放电时,Pb作负极,PbO2作正极,外电路中电子由Pb流向PbO2,B正确;放电时,负极Pb发生氧化反应生成PbSO4,电极反应为Pb+S-2e- PbSO4,C错误;放电时,H+向正极移动,D正确。
4.C 由题图中电子移动方向可知放电时Cd为负极,NiO(OH)为正极(破题关键)。放电时,a极失电子,发生氧化反应,OH-向a极移动,A、B错误;放电时a极为负极,b极为正极,充电时a与电源负极相连,b与电源正极相连,电流的方向:电源正极→b极,a极→电源负极,C正确;充电时,a极的电极反应为Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-,D错误。
5.B 根据题图可知,放电时a为负极,Fe转化为Fe3O4·4H2O,b为正极,Ni(OH)2转化为Ni。放电时,a为负极,a极电势比b极电势低,A错误;放电时b为正极,Ni(OH)2转化为Ni,b极电极反应为Ni(OH)2+2e- Ni+2OH-,B正确;充电时,a极Fe3O4·4H2O转化为Fe,电极反应为Fe3O4·4H2O+8e- 3Fe+8OH-,故a极附近pH增大,C错误;充电时,每消耗1 mol Fe3O4·4H2O,转移8 mol e-,有4 mol Ni被氧化,D错误。
6.答案 (1)Zn Zn+2OH--2e- Zn(OH)2
(2)还原 Fe+3e-+4H2O Fe(OH)3+5OH- 正
解析 放电时,电池的负极上发生氧化反应,负极反应式为Zn+2OH--2e-Zn(OH)2,正极上发生还原反应,正极反应式为Fe+3e-+4H2O Fe(OH)3+5OH-,正极附近溶液的碱性增强。
7.A 由题图可知,a极为负极,铝失去电子在碱性条件下转化为[Al(OH)4]-,电极反应式为Al-3e-+4OH- [Al(OH)4]-,A正确;工作时OH-向负极(a极)迁移,B错误;放电时,外电路中电流从正极(b极)流向负极(a极),C错误;在碱性条件下,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,D错误。
8.B 由题图可知,通入氮气的a电极为燃料电池的正极,酸性条件下氮气在正极得到电子发生还原反应,通入氢气的b电极为负极,氢气在负极失去电子发生氧化反应生成氢离子,A溶液为氯化铵溶液,浓溶液经冷却结晶、过滤得到氯化铵和可以循环使用的氯化铵的稀溶液,A正确、B错误;正极电极反应为N2+8H++6e- 2N,C正确;导线中电流方向为正极流向负极,即a→b,D正确。
9.B 燃料电池中,通入空气的一端为正极,即M电极为正极,发生还原反应,丁烷燃料通入的R电极为负极,发生氧化反应,A错误;1 mol C4H10参加反应失去26 mol电子,发生氧化反应生成CO2和H2O,B正确;O2~4e-,当有0.4 mol电子发生转移时,消耗0.1 mol O2,质量为3.2 g,C错误;外电路中电子的移动方向为R电极→灯泡→M电极,D错误。
10.答案 (1)2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O
(2)3O2+12H++12e- 6H2O 2CH3OH+2H2O-12e- 2CO2↑+12H+
(3)正 负
解析 (1)甲醇燃料电池的反应原理为甲醇的氧化反应,电解质溶液为稀硫酸,电池放电时的总反应为2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O。
(2)电池正极上O2得电子,由于是酸性环境,所以会生成H2O;用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极反应式。
反思升华 (1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3等均可作为燃料电池的燃料。(2)电解质可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH),也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。(3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系,一般酸性溶液中电极反应式产物中不能出现OH-,碱性溶液中电极反应式产物中不能出现H+。
能力提升练
1.D 2.D 3.D 4.D 5.D 6.D 7.D
1.D 根据电池放电时的总反应2Li+NO2 Li2O+NO可知,Li失电子发生氧化反应,a极为负极,b极为正极,电流方向:b极(正极)→电流表→a极(负极),A正确;b极为正极,正极反应式为NO2+2e-+2Li+ Li2O+NO,由2e-~Li2O可知,电路中通过1 mol e-时,b极生成0.5 mol Li2O,质量增加0.5 mol×30 g·mol-1=15 g,B正确、D错误;原电池工作时,阳离子移向正极,即电解液中Li+向b极附近迁移,C正确。
2.D 放电时a极为正极,得电子,充电时a极为阳极,失电子,故充电时a极接外电源的正极,A错误;放电时b极为负极,a极为正极,阳离子移向正极,阴离子移向负极,则Li+在电解质中向a极迁移,B错误;充电时,阴极、阳极反应式与放电时负极、正极反应式正好相反,放电时负极反应式为LixC6-xe- C6+xLi+,则充电时阴极反应式为C6+xLi++xe- LixC6,所以充电时若转移0.02 mol电子,石墨电极将增重0.02 mol×7 g/mol=0.14 g,C错误;放电时,阳离子移向正极,即“放电处理”有利于Li+移向正极并嵌入正极材料,有利于锂在LiCoO2极回收,D正确。
3.D 放电时,Mg箔为负极,Mo箔为正极,Fe[Fe(CN)6]在正极得电子,电极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],故A正确;放电时,Mo箔为正极,所以充电时,Mo箔电极为阳极,接电源的正极,故B正确;放电时,正极反应式为Fe[Fe(CN)6]+2Na++2e- Na2Fe[Fe(CN)6],为了维持溶液呈电中性,Na+通过离子交换膜从右室移向左室,故C正确;外电路通过0.2 mol电子时,负极0.1 mol Mg失去电子生成[Mg2Cl2]2+,Mg箔质量变化为2.4 g,故D错误。
4.D 燃料电池工作时,电子不能经过电解质(易错点),A错误;由题给示意图可知,通入N2H4的一极为负极,在氧离子参与下,N2H4在负极上失去电子发生氧化反应生成氮气和水,B错误;通入O2的一极为正极,O2在正极得到电子发生还原反应生成氧离子,电极反应式为O2+4e- 2O2-,电池总反应为N2H4+O2 N2+2H2O,当电极a上消耗1 mol N2H4时,电极b上有1 mol O2被还原,在标准状况下的体积约为22.4 L,C错误;该燃料电池以固体氧化物为电解质,需要高温条件,该电池在常温下不能工作,D正确。
5.D
6.D 由题图可知,在b极,Cr2在微生物作用下被还原生成Cr3+,在a极,CH3COOH在微生物作用下被氧化生成CO2,所以a极为负极,b极为正极。电池工作时电流由b极(正极)流向a极(负极),A正确;Cr2在正极得电子发生还原反应生成Cr3+,b极的电极反应式为Cr2+14H++6e- 2Cr3++7H2O,B正确;CH3COOH在微生物作用下在负极失电子发生氧化反应生成CO2,电极反应式为CH3COOH+2H2O-8e- 2CO2↑+8H+,则a极区有H+生成,C正确;处理0.5 mol Cr2时,转移3 mol e-,由得失电子守恒可知,负极上生成CO2为3 mol×=0.75 mol,所以标准状况下的体积为0.75 mol×22.4 L·mol-1=16.8 L,D错误。
7.D 结合图示装置可知Zn/ZnO电极为负极,MoS2电极为正极,正极电势高于负极电势,A正确;负极上Zn被氧化,电极反应为Zn-2e-+2OH- ZnO+H2O,正极反应为NO+5e-+4H2O NH3+5OH-,双极膜中水解离出的OH-和H+分别向负极、正极移动,H+与正极生成的OH-反应生成H2O,负极有水生成,正极生成的水比消耗的水多,则NaOH和Na2SO4浓度均变小,B、C正确;由正极反应式可知1 mol NO反应生成NH3时转移5 mol电子,整个电池系统质量会增大30 g-17 g=13 g,则当电路中通过1 mol电子时,整个电池系统质量会增大2.6 g,D错误。
8.答案 (1)负 K2SO4
(2)PbO2+S+Zn+2H2O PbSO4+[Zn(OH)4]2-
(3)a
解析 (1)根据Zn失去电子生成[Zn(OH)4]2-,可知Zn为负极(破题关键),则A区域电解质是KOH,正极上PbO2放电转化为PbSO4,C区域电解质是H2SO4,故B区域电解质是K2SO4。
(2)负极的电极反应式为Zn-2e-+4OH- [Zn(OH)4]2-,正极的电极反应式为PbO2+4H++S+2e- PbSO4+2H2O,则电池总反应为PbO2+S+Zn+2H2O PbSO4+[Zn(OH)4]2-。
(3)A区域电解质是KOH,OH-参与电极反应生成[Zn(OH)4]2-,负电荷减少,为了维持溶液呈电中性,K+通过离子交换膜a进入B区域,因此a为阳离子交换膜(易错点)。
