2.兩種原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例)
[微點(diǎn)撥]鹽橋的組成和作用(1)鹽橋中裝有含飽和KCl(或KNO3)溶液的瓊膠。(2)原電池裝置中鹽橋連接兩個(gè)“半電池裝置”,其中鹽橋的作用有三種:①連接內(nèi)電路,通過離子的定向移動(dòng),構(gòu)成閉合回路;②隔絕正、負(fù)極反應(yīng)物,避免直接接觸,導(dǎo)致電流不穩(wěn)定;③維持電極區(qū)溶液的電荷平衡。3.原電池中的三個(gè)移動(dòng)方向(1)電子方向:從　　極流出沿導(dǎo)線流入　 極。?(2)電流方向:從　　極沿導(dǎo)線流向　　極。?(3)離子遷移方向:電解質(zhì)溶液中,陰離子向　　　極遷移,陽離子向　　　極遷移。?
4.原電池原理的四大應(yīng)用(1)比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱原電池中, 活動(dòng)性較強(qiáng)的金屬一般作　 　,活動(dòng)性較弱的金屬(或?qū)щ姷姆墙饘?一般作　　　　。 ?(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率氧化還原反應(yīng)形成原電池時(shí),反應(yīng)速率加快。(3)用于金屬的防護(hù)將需要保護(hù)的金屬制品作原電池的　　　而受到保護(hù)。如要保護(hù)一個(gè)鐵質(zhì)的輸水管道不被腐蝕,可用導(dǎo)線將其與一塊　　 　　　　　相連,　　　　作原電池的負(fù)極。
比鐵活潑的常見金屬如鋅塊
(4)設(shè)計(jì)制作原電池裝置
如根據(jù)Cu+2Ag+ =Cu2++2Ag設(shè)計(jì)原電池:
[解析]鐵在濃硝酸中會(huì)發(fā)生鈍化,失去與硝酸反應(yīng)的機(jī)會(huì),不能作負(fù)極,而活動(dòng)性弱的銅可與濃硝酸發(fā)生反應(yīng),銅作負(fù)極。
(3)在原電池中,正極本身一定不參加電極反應(yīng),負(fù)極本身一定要發(fā)生氧化反應(yīng)(　 )
[解析]燃料電池中正、負(fù)極(如Pt電極)不參加反應(yīng),而是燃料參加反應(yīng)。
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)(1)常溫下CuO+H2SO4 =CuSO4+H2O能自發(fā)進(jìn)行,故可以設(shè)計(jì)成原電池 ( 　)(2)因?yàn)殍F的活動(dòng)性強(qiáng)于銅,所以將鐵、銅用導(dǎo)線連接后放入濃硝酸中組成原電池,必是鐵作負(fù)極、銅作正極( 　)
[解析]原電池工作時(shí),電解質(zhì)溶液中的陰離子向負(fù)極移動(dòng)。
(6)某原電池反應(yīng)為Cu+2AgNO3 =2Ag+Cu(NO3)2,裝置中的鹽橋內(nèi)可以是含瓊脂的飽和KCl溶液(　 )
[解析]鹽橋中的離子不能與電解質(zhì)溶液中的離子發(fā)生反應(yīng)。
(4)實(shí)驗(yàn)室制備H2時(shí),用粗鋅(含Cu、Fe等)代替純鋅與稀硫酸反應(yīng)效果更佳 ( 　)(5)原電池工作時(shí),溶液中的陽離子向負(fù)極移動(dòng),鹽橋中的陽離子向正極移動(dòng)( 　)
2.在如圖所示的4個(gè)裝置中,不能形成原電池的是　　　　　(填序號(hào)),并指出原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
①中酒精是非電解質(zhì);④中未形成閉合回路
1.用如圖所示裝置探究原電池的工作原理,下列說法錯(cuò)誤的是( 　)A.甲圖中鋅片質(zhì)量減輕,銅棒上有氣體產(chǎn)生B.乙圖中正極上發(fā)生的反應(yīng)為2H++2e- =H2↑C.丙圖中Zn片上發(fā)生氧化反應(yīng),溶液中的Cu2+向銅電極移動(dòng)D.若乙圖與丙圖中鋅片減輕的質(zhì)量相等,則兩裝置中還原產(chǎn)物的質(zhì)量比為1∶32
題組一　 原電池的組成及工作原理
[解析]甲圖中沒有形成完整的回路,不能形成原電池,鋅與稀硫酸發(fā)生反應(yīng),鋅的質(zhì)量減輕,鋅片上有氣泡產(chǎn)生,A錯(cuò)誤;乙圖中構(gòu)成原電池,銅為正極,溶液中的氫離子在正極發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H++2e- =H2↑,B正確;丙圖中構(gòu)成原電池,活潑金屬鋅作負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),銅為正極,溶液中的Cu2+向正極移動(dòng),C正確;
乙圖與丙圖中負(fù)極反應(yīng)相同,都為Zn-2e- =Zn2+,乙圖與丙圖中正極上的反應(yīng)分別為2H++2e- =H2↑、Cu2++2e- =Cu,若乙圖與丙圖鋅片減輕的質(zhì)量相等,即失去電子的物質(zhì)的量相等,依據(jù)得失電子守恒計(jì)算乙圖與丙圖中還原產(chǎn)物的質(zhì)量比為2∶64=1∶32,D正確。
2. 如圖所示為鋅銅原電池。下列敘述中正確的是 (　 )A.鹽橋的作用是傳導(dǎo)離子B.外電路電子由銅片流向鋅片C.鋅片上的電極反應(yīng)式為Zn2++2e- =ZnD.外電路中有0.2 ml電子通過時(shí),銅片表面質(zhì)量增加約3.2 g
[解析] “雙液”原電池中,鹽橋連接左、右兩個(gè)燒杯中的溶液,傳導(dǎo)離子,起到導(dǎo)電作用,A正確;鋅的活潑性強(qiáng)于銅,則鋅片作負(fù)極,銅片作正極,在外電路中,電子由負(fù)極流向正極,則電子由鋅片流向銅片,B錯(cuò)誤;鋅片是負(fù)極,發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為Zn-2e- =Zn2+,C錯(cuò)誤;銅片是正極,電極反應(yīng)式為Cu2++2e- =Cu,外電路中通過0.2 ml電子時(shí),銅片上析出0.1 ml Cu,其質(zhì)量為0.1 ml×64 g·ml-1=6.4 g,D錯(cuò)誤。
[規(guī)律小結(jié)] 判斷原電池正、負(fù)極的五種方法(1)在原電池中,把發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為負(fù)極,把發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為正極。(2)原電池的正極和負(fù)極與電極材料的性質(zhì)有關(guān),也與電解質(zhì)溶液有關(guān),不要形成“活潑 電極一定作負(fù)極”的思維定式。
題組二　原電池原理的應(yīng)用
1.有a、b、c、d四個(gè)金屬電極,有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下:由此可判斷這四種金屬的活動(dòng)性順序是( 　)A.a>b>c>d B.b>c>d>aC.d>a>b>cD.a>b>d>c
[解析]把四個(gè)實(shí)驗(yàn)從左到右分別編號(hào)為①②③④,則由實(shí)驗(yàn)①可知,a作原電池負(fù)極,b作原電池正極,金屬活動(dòng)性:a>b;由實(shí)驗(yàn)②可知,b極有氣體產(chǎn)生,c極無變化,則活動(dòng)性:b>c;由實(shí)驗(yàn)③可知,d極溶解,則d作原電池負(fù)極,c作正極,活動(dòng)性:d>c;由實(shí)驗(yàn)④可知,電流從a極流向d極,則d極為原電池負(fù)極,a極為原電池正極,活動(dòng)性:d>a。綜上所述可知活動(dòng)性:d>a>b>c。
[解析]根據(jù)反應(yīng)原理:2Ag+(aq)+Cu(s) =Cu2+(aq)+2Ag(s)可知,X應(yīng)為銅電極,而Y應(yīng)為硝酸銀溶液。由于反應(yīng)中銅元素化合價(jià)升高,而銀元素的化合價(jià)降低,則銀電極為正極,銅電極為負(fù)極。
[易錯(cuò)警示] 1.原電池的工作原理2.原電池中電極反應(yīng)式的書寫
1. 一次電池(放電后不可再充電)
Zn+2OH--2e- =Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e- =2MnOOH+2OH-
Ag2O+H2O+2e- =2Ag+2OH-
2.二次電池(放電后可再充電使活性物質(zhì)獲得再生,重復(fù)使用)鉛酸蓄電池是最常見的二次電池,其正極材料為PbO2,負(fù)極材料為Pb,電解質(zhì)溶液為30%的稀H2SO4溶液?？偡磻?yīng)為Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2H2O(l)+2PbSO4(s)
二次電池,放電時(shí)電池的負(fù)極,在充電時(shí),連接外接電源的負(fù)極;放電時(shí)電池的正極,在充電時(shí),連接外接電源的正極。
3.燃料電池(1)氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,可分為酸性和堿性兩種。
2H2-4e- =4H+
2H2+4OH--4e- =4H2O
O2+4H++4e- =2H2O
O2+2H2O+4e- =4OH-
2H2+O2 =2H2O
(2)以CO為燃料氣,請(qǐng)分別寫出電解質(zhì)符合下列條件的正、負(fù)極的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式(填入表格中)。
O2+4e-+4H+ =2H2O
2CO-4e-+2H2O =2CO2+4H+
2CO+O2 =2CO2
O2+4e-+2H2O =4OH-
O2+4e- =2O2-
2CO-4e-+2O2- =2CO2
(2)若使反應(yīng)Fe+2Fe3+ =3Fe2+以原電池方式進(jìn)行,可用鋅、鐵作電極材料(　 )
[解析]反應(yīng)Fe+2Fe3+ =3Fe2+以原電池方式進(jìn)行,若鋅、鐵作電極材料,則發(fā)生的反應(yīng)不再是原反應(yīng),而是反應(yīng)Zn+2Fe3+ =2Fe2++Zn2+。
[解析]燃料電池工作時(shí),并不是燃料在電池中燃燒,而是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”)(1)燃料電池工作時(shí)燃料在電池中燃燒,然后熱能轉(zhuǎn)化為電能(　 )
[解析]堿性條件下負(fù)極反應(yīng)為2H2-4e-+4OH- =4H2O。
(3)氫氧燃料電池在堿性電解質(zhì)溶液中負(fù)極反應(yīng)為2H2-4e- =4H+( 　)
2. 最近,我國科研人員發(fā)明了一種新型的鋅離子熱充電電池,可以利用人體產(chǎn)生的低熱量充電。該電池以Zn和VO2-PC為電極材料,實(shí)現(xiàn)了低熱量發(fā)電。放電時(shí),VO2結(jié)合Zn2+生成ZnxVO2·yH2O,原理如圖所示。下列說法正確的是 (　 )A.分離器可以為陰離子交換膜B.充電時(shí),陽極電極反應(yīng)式為ZnxVO2·yH2O+2xe- =VO2+xZn2++yH2OC.放電時(shí),電流從Zn極流向VO2-PC極D.充電時(shí),鋅離子從較高溫一側(cè)移至低溫一側(cè)
[解析] 放電時(shí),Zn為負(fù)極,電極反應(yīng)式為Zn-2e- =Zn2+,VO2結(jié)合Zn2+生成ZnxVO2·yH2O,說明Zn2+從負(fù)極移向正極,則分離器可以是陽離子交換膜,但不能是陰離子交換膜,A錯(cuò)誤;充電時(shí),陽極發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為ZnxVO2·yH2O-2xe- =VO2+xZn2++yH2O,B錯(cuò)誤;放電時(shí),電流由正極流向負(fù)極,即電流從VO2-PC極流向Zn極,C錯(cuò)誤;充電時(shí),Zn2+由較高溫區(qū)向左側(cè)低溫區(qū)遷移,并在Zn電極得電子被還原為Zn,D正確。
1.化學(xué)電源在日常生活和高科技領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。下列說法不正確的是( 　)A.甲:Zn2+向Cu電極方向移動(dòng),Cu電極附近溶液中H+濃度增加B.乙:正極的電極反應(yīng)式為Ag2O+2e-+H2O =2Ag+2OH-C.丙:鋅筒作負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),鋅筒會(huì)變薄D.丁:使用一段時(shí)間后,電解質(zhì)溶液的酸性減弱,導(dǎo)電能力下降
[解析] Zn比Cu活潑,形成原電池時(shí),Zn作負(fù)極,電極反應(yīng)為Zn-2e- =Zn2+;Cu作正極,電極反應(yīng)式為2H++2e- =H2↑,故Cu電極附近溶液中H+濃度減小。
2. K-O2電池結(jié)構(gòu)如圖,a和b為兩個(gè)電極,其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池,下列說法錯(cuò)誤的是(　　)A.隔膜允許K+通過,不允許O2通過B.放電時(shí),電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極;充電時(shí),b電極為陽極C.產(chǎn)生1 Ah電量時(shí),生成KO2的質(zhì)量與消耗O2的質(zhì)量比值約為2.22D.用此電池為鉛酸蓄電池充電,消耗3.9 g鉀時(shí),鉛酸蓄電池消耗0.9 g水
[解析]由圖可知,a電極為原電池的負(fù)極,單質(zhì)鉀片失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成鉀離子,電極反應(yīng)式為K-e- =K+,b電極為正極,氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成超氧化鉀; 金屬性強(qiáng)的金屬鉀易與氧氣反應(yīng),為防止鉀與氧氣反應(yīng),電池所選擇隔膜應(yīng)允許K+通過,不允許O2通過,故A正確。由分析可知,放電時(shí),a為負(fù)極,b為正極,電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極;充電時(shí),b電極應(yīng)與直流電源的正極相連,作電解池的陽極,故B正確。
[方法技巧]化學(xué)電源中電極反應(yīng)式的書寫方法(1)拆分法①寫出原電池的總反應(yīng),如2Fe3++Cu =2Fe2++Cu2+。②把總反應(yīng)按氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)拆分為兩個(gè)半反應(yīng),注明正、負(fù)極,并依據(jù)質(zhì)量守恒、電荷守恒及得失電子守恒配平兩個(gè)半反應(yīng):正極:2Fe3++2e- =2Fe2+;負(fù)極:Cu-2e- =Cu2+。(2)加減法①寫出總反應(yīng),如xLi+Li1-xMn2O4 =LiMn2O4。②寫出其中容易寫出的一個(gè)半反應(yīng)(正極或負(fù)極)。如xLi-xe- =xLi+(負(fù)極)。③利用總反應(yīng)與上述的一極反應(yīng)式相減,得到另一個(gè)電極的反應(yīng)式,即Li1-xMn2O4+xLi++xe- =LiMn2O4(正極)。
題組二　新型可充電電池
1. Li-O2電池比能量高,在汽車、航天等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。近年來,科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O2電池(如圖所示)。光照時(shí),光催化電極產(chǎn)生電子(e-)和空穴(h+),驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)(Li++e- =Li)和陽極反應(yīng)(Li2O2+2h+ =2Li++O2)對(duì)電池進(jìn)行充電。下列敘述錯(cuò)誤的是 (　 )A.充電時(shí),電池的總反應(yīng)為Li2O2 =2Li+O2B.充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)C.放電時(shí),Li+從正極穿過離子交換膜向負(fù)極遷移D.放電時(shí),正極發(fā)生反應(yīng)O2+2Li++2e- =Li2O2
[解析]充電時(shí)光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴,驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)(Li++e- =Li)和陽極反應(yīng)(Li2O2+2h+ =2Li++O2),則充電時(shí)總反應(yīng)為Li2O2 =2Li+O2,結(jié)合圖示,充電時(shí)金屬Li電極為陰極,光催化電極為陽極;則放電時(shí)金屬Li電極為負(fù)極,光催化電極為正極。由上述分析,充電時(shí)電池的總反應(yīng)為Li2O2 =2Li+O2,A正確;
充電時(shí),光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴,陰極反應(yīng)與電子有關(guān),陽極反應(yīng)與空穴有關(guān),故充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān),B正確;放電時(shí),金屬Li電極為負(fù)極,光催化電極為正極,Li+從負(fù)極穿過離子交換膜向正極遷移,C錯(cuò)誤;放電時(shí)總反應(yīng)為2Li+O2 =Li2O2,正極反應(yīng)為O2+2Li++2e- =Li2O2,D正確。
題目中未指明消耗11.2 L氧氣是否處于標(biāo)準(zhǔn)狀況,不能計(jì)算,C錯(cuò)誤;電路中轉(zhuǎn)移1 ml電子時(shí),生成0.5 ml K2SO4,其質(zhì)量為0.5 ml×174 g·ml-1=87 g,D正確。
2. (1)甲烷燃料電池有多種,請(qǐng)寫出在不同環(huán)境下的電極反應(yīng)式。①固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)時(shí)的負(fù)極、正極反應(yīng)式:　 、　。 ?②熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下的負(fù)極、正極反應(yīng)式:　 、　 。 ?(2)肼分子(H2N—NH2)可以在氧氣中燃燒生成氮?dú)夂退?利用肼、氧氣與KOH溶液組成堿性燃料電池,請(qǐng)寫出該電池的負(fù)極、正極反應(yīng)式:　　　　　　　　　　　　　、　　　　　　　　　　。 ?
CH4-8e-+4O2- =CO2+2H2O
2O2+8e- =4O2-
N2H4-4e-+4OH- =4H2O+N2↑
(3)化學(xué)家正在研究尿素動(dòng)力燃料電池,用這種電池直接去除城市廢水中的尿素,既能產(chǎn)生凈化的水,又能發(fā)電。尿素燃料電池結(jié)構(gòu)如圖所示,寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ?
CO(NH2)2+H2O-6e- =CO2↑+N2↑+6H+

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