1.認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。2.能分析、解釋原電池的工作原理,能設(shè)計(jì)簡單的原電池。3.能列舉常見的化學(xué)電源,并能利用相關(guān)信息分析化學(xué)電源的工作原理。4.能綜合考慮化學(xué)變化中的物質(zhì)變化和能量變化來分析、解決實(shí)際問題,如新型電池的開發(fā)等。
考點(diǎn)一　原電池的工作原理及應(yīng)用
1.原電池及構(gòu)成條件(1)原電池情境思考原電池工作時(shí)能量轉(zhuǎn)化形式為________________;根據(jù)原電池形成條件,下列反應(yīng)理論上可以設(shè)計(jì)成原電池的是________(填字母)。?A.Ba(OH)2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)B.KOH和HCl的反應(yīng)C.Cu和AgNO3的反應(yīng)D.H2和O2的反應(yīng)
2.工作原理(以鋅銅原電池為例)
(2)鹽橋的構(gòu)成及作用①鹽橋中大多裝有含飽和KCl溶液的瓊脂。②鹽橋的作用:a.連接內(nèi)電路,形成________;b.平衡________,使原電池不斷產(chǎn)生電流。?
Zn-2e-══ Zn2+
Cu2++2e- ══Cu
3.原電池原理的應(yīng)用(1)比較金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱:原電池中,一般負(fù)極是活動(dòng)性________的金屬,正極是活動(dòng)性較弱的金屬(或非金屬)。?(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率
情境思考若用粗鋅(含少量金屬銅)代替純鋅進(jìn)行實(shí)驗(yàn),氫氣的生成速率明顯加快的原因是________________________________。?
(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)。?
金屬銅、金屬鋅和硫酸形成原電池,金屬鋅失去電子的速率加快,生成H2速率加快
【應(yīng)用示例】設(shè)計(jì)原電池裝置證明Fe3+的氧化性比Cu2+強(qiáng)。(1)寫出能說明氧化性Fe3+大于Cu2+的離子方程式: ________________________________。?(2)若要將上述反應(yīng)設(shè)計(jì)成原電池,電極反應(yīng)式分別是①負(fù)極: ________________________________。?②正極: ________________________________。?(3)在方框中畫出裝置圖,指出電極材料和電解質(zhì)溶液:
2Fe3++Cu══ 2Fe2++Cu2+
Cu-2e- ══ Cu2+
2Fe3++2e- ══ 2Fe2+
考向1 原電池的構(gòu)成及工作原理例1(2023·廣東汕頭聯(lián)考)下圖是以Cu和Zn為電極的兩種原電池,設(shè)NA為阿伏加德羅常數(shù)的值,下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(　　)
解析 (b)為雙液原電池,避免了Zn與CuSO4溶液接觸,(a)為單液原電池,負(fù)極Zn與CuSO4溶液接觸,部分Cu2+會(huì)直接與Zn在負(fù)極反應(yīng),進(jìn)而形成微小的原電池,能量利用率低且電流不穩(wěn)定,A錯(cuò)誤;活潑金屬作負(fù)極,所以兩原電池都是Zn作負(fù)極,Cu作正極,B正確;陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極,C正確; (b)中Zn片質(zhì)量減少6.5 g時(shí),理論上電路中轉(zhuǎn)移0.2 ml電子,數(shù)目為0.2NA,D正確。
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1] 某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)如圖所示原電池裝置。該電池總反應(yīng)為Cl-+Ag+═AgCl↓。下列說法正確的是(　　)
A.放電時(shí),X電極發(fā)生還原反應(yīng)B.放電時(shí),Y電極反應(yīng)式為Ag++e-═AgC.放電時(shí),鹽橋中K+向盛有NaCl溶液的燒杯中移動(dòng)D.外電路中每通過0.1 ml e-,X電極質(zhì)量增加14.35 g
解析 該原電池X電極反應(yīng)式為Ag-e-+Cl-═AgCl,A錯(cuò)誤;Y電極為原電池正極,電極反應(yīng)式為Ag++e-═Ag,B正確;放電時(shí),鹽橋中的鉀離子向正極移動(dòng), X電極為負(fù)極,C錯(cuò)誤;放電時(shí),當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1 ml e-時(shí),X電極會(huì)有0.1 ml Ag失去0.1 ml電子生成銀離子,銀離子會(huì)與氯離子反應(yīng)生成氯化銀沉淀,D錯(cuò)誤。
考向2 原電池原理的應(yīng)用例2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:
據(jù)此判斷這四種金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱順序?yàn)?　　)A.a>b>c>dB.b>c>d>aC.d>a>b>cD.a>b>d>c
解析 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,則活動(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,則活動(dòng)性:d>a。綜上所述可知,活動(dòng)性:d>a>b>c。
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2] 依據(jù)化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)原電池(選用相同的鹽橋)時(shí),下列各項(xiàng)中合理的是(　　)
解析 原電池中,負(fù)極金屬的活動(dòng)性一般強(qiáng)于正極金屬,Zn比Fe的活動(dòng)性強(qiáng),形成原電池時(shí)Zn作負(fù)極,A、C均錯(cuò)誤;使用鹽橋形成原電池時(shí),為得到穩(wěn)定的電流,正極、負(fù)極兩個(gè)半電池中電解質(zhì)溶液一般是含相應(yīng)電極金屬陽離子的鹽溶液,D錯(cuò)誤,B正確。
Zn+2OH--2e-══ Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e- ══ 2MnOOH+2OH-
Zn+2OH--2e- ══ Zn(OH)2
Ag2O+H2O+2e- ══ 2Ag+2OH-
3.燃料電池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+4OH--4e-══ 4H2O
O2+4e-+4H+ ══ 2H2O
【應(yīng)用示例】燃料電池的電解質(zhì)常有四種類型,酸性溶液、堿性溶液、固體電解質(zhì)(可傳導(dǎo)O2-)、熔融碳酸鹽,不同電解質(zhì)會(huì)對(duì)總反應(yīng)式、電極反應(yīng)式有影響。以甲醇燃料電池為例,試寫出在固體氧化物(其中O2-可以在固體介質(zhì)中自由移動(dòng))中的電極反應(yīng)式。正極:_________________________________,?負(fù)極:_________________________________。?
CH3OH-6e-+3O2-═CO2+2H2O
考向1 新型一次電池及應(yīng)用例1(2023·廣東惠州第三次調(diào)研)中科院科學(xué)家設(shè)計(jì)出一套利用SO2和太陽能綜合制氫方案,其基本工作原理如圖所示,下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練1] (2022·湖南卷)海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注,一種鋰-海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)?A.海水起電解質(zhì)溶液作用B.N極僅發(fā)生的電極反應(yīng):2H2O+2e-═2OH-+H2↑C.玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能D.該鋰-海水電池屬于一次電池
解析 海水中含有豐富的電解質(zhì),如氯化鈉、氯化鎂等,可作為電解質(zhì)溶液,A正確。鋰-海水電池的總反應(yīng)為4Li+2H2O+O2═4LiOH,M極上Li失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),則M極為負(fù)極,電極反應(yīng)式為Li-e-═Li+,N極為正極,電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-═4OH-,B錯(cuò)誤。Li為活潑金屬,易與水反應(yīng),玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應(yīng),并能傳導(dǎo)離子,C正確。該電池不可充電,屬于一次電池,D正確。
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練2] 一種新型Na-CaFeO3可充電電池,其工作原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.放電時(shí),電極N是負(fù)極B.充電時(shí),Na+通過鈉離子交換膜向M極移動(dòng)C.放電時(shí),N極電極反應(yīng)為2CaFeO2.5+O2--2e-═2CaFeO3D.充電時(shí),每生成1 ml Na,有機(jī)電解質(zhì)的整體質(zhì)量減小23 g
解析 從圖示裝置可看出,Na-CaFeO3可充電電池放電時(shí),Na失電子生成鈉離子,所以Na電極為負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),生成的鈉離子通過有機(jī)電解質(zhì)移向右側(cè),右側(cè)CaFeO3電極作正極,在放電時(shí),CaFeO3轉(zhuǎn)化為CaFeO2.5,發(fā)生還原反應(yīng)。根據(jù)上述分析可知,放電時(shí),電極M為負(fù)極,A錯(cuò)誤;充電為放電的逆過程,所以充電時(shí),Na+通過鈉離子交換膜向陰極(M極)移動(dòng),B正確;放電時(shí), N極CaFeO3轉(zhuǎn)化為CaFeO2.5,發(fā)生還原反應(yīng),其電極反應(yīng)為2CaFeO3+2e-═2CaFeO2.5+O2-,C錯(cuò)誤;充電時(shí),每生成1 ml Na,同時(shí)也會(huì)有0.5 ml O2-消耗,所以有機(jī)電解質(zhì)的整體質(zhì)量減小23 g+0.5 ml×16 g· ml-1=31 g,D錯(cuò)誤。
考向3 燃料電池及分析例3(2021·山東卷)以KOH溶液為離子導(dǎo)體,分別組成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池,下列說法正確的是(　　)A.放電過程中,K+均向負(fù)極移動(dòng)B.放電過程中,KOH物質(zhì)的量均減小C.消耗等質(zhì)量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大D.消耗1 ml O2時(shí),理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2 L
[對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練3] 以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)如圖所示(假設(shè)M、N兩電極均為惰性電極),下列說法正確的是(　　)?A.N電極上發(fā)生氧化反應(yīng),得到電子B.電池工作時(shí),外電路中電子的流動(dòng)方向:N電極→導(dǎo)線→M電極C.M電極上的電極反應(yīng)式:O2+4H+-4e-═2H2OD.電路中每轉(zhuǎn)移1.2 ml電子,此時(shí)生成CO2的質(zhì)量為8.8 g
解析 N極是通入燃料的一極為負(fù)極,負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子,不是得到電子,A錯(cuò)誤;N為負(fù)極,M為正極,電子由負(fù)極經(jīng)過外電路流入正極,B正確;M極為正極發(fā)生還原反應(yīng),得到電子,不是失去電子,C錯(cuò)誤;C6H12O6中碳的平均化合價(jià)為0價(jià),生成二氧化碳為+4價(jià),生成1 ml CO2轉(zhuǎn)移4 ml電子,1.2 ml電子可以生成0.3 ml CO2,0.3 ml CO2是13.2 g,D錯(cuò)誤。
進(jìn)階1 練易錯(cuò)·避陷阱1.(2024·廣東湛江調(diào)研)氫負(fù)離子具有強(qiáng)還原性,是一種頗具潛力的能量載體。2023年4月5日,我國科學(xué)家開發(fā)了首例室溫全固態(tài)氫負(fù)離子二次電池,該電池通過固態(tài)氫負(fù)離子導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)對(duì)H-的快速傳導(dǎo),其工作原理如圖所示,其中放電時(shí)乙電極的電極反應(yīng)式為M+xH--xe-═MHx(M為Li、Na、K、Mg、Ti等金屬),下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A.放電時(shí),電子經(jīng)外電路流向甲電極B.放電時(shí),氫負(fù)離子移向乙電極C.充電時(shí),甲電極發(fā)生的反應(yīng)可表示為MHn-x-xe-+xH-═MHnD.可將固態(tài)離子導(dǎo)體替換成電解質(zhì)水溶液,對(duì)氫負(fù)離子進(jìn)行傳導(dǎo)
解析 放電時(shí),乙電極的電極反應(yīng)式為M+xH--xe-═MHx,則乙電極為負(fù)極,甲電極為正極,放電時(shí),電子經(jīng)外電路流向正極,A正確;放電時(shí),陰離子移向負(fù)極,B正確;充電時(shí),甲電極為陽極,發(fā)生氧化反應(yīng):MHn-x-xe-+xH-═MHn,C正確;氫負(fù)離子具有強(qiáng)還原性,可與水反應(yīng)生成氫氣,因此不可替換成電解質(zhì)水溶液,D錯(cuò)誤。
2.(2023·廣東揭陽二模)硅-酸電池是一種新型電池,如圖為硅-酸電池的裝置示意圖,已知:硅可與NaOH溶液反應(yīng)。下列說法錯(cuò)誤的是(　　)
A.負(fù)極區(qū)的電極附近溶液pH減小B.電池轉(zhuǎn)移1 ml電子,溶液中有1 ml H+通過質(zhì)子交換膜移向正極區(qū)C.硅-酸電池電解質(zhì)溶液用堿性溶液代替,也有較好的長期放電性能D.電池總反應(yīng)為Si+2MnO2+4H+═SiO2+2Mn2++2H2O
解析 由圖可知,MnO2在α-MnO2電極得到電子生成Mn2+,則α-MnO2電極是正極,CuSi@C電極為負(fù)極。Si在負(fù)極失去電子生成SiO2,電極反應(yīng)式為Si-4e-+2H2O═SiO2+4H+,電極附近H+濃度增大,pH減小,A正確;原電池中,陽離子向正極移動(dòng),電池轉(zhuǎn)移1 ml電子,溶液中有1 ml H+通過質(zhì)子交換膜移向正極區(qū),B正確;Si能夠和堿性溶液直接反應(yīng),硅-酸電池電解質(zhì)溶液不能用堿性溶液代替,C錯(cuò)誤;MnO2在α-MnO2電極得到電子生成Mn2+,電極反應(yīng)式為MnO2+2e-+4H+═Mn2++2H2O,結(jié)合負(fù)極電極反應(yīng)式:Si-4e-+2H2O═SiO2+4H+,電池總反應(yīng)為Si+2MnO2+4H+═SiO2+2Mn2++2H2O,D正確。
進(jìn)階2 練熱點(diǎn)·提素能3.(2023·廣東廣州一模)新型Li-Mg雙離子可充電電池是一種高效、低成本的儲(chǔ)能電池,其工作原理如圖所示。放電時(shí)電極a的反應(yīng)為Li1-xFePO4+xLi+ +xe-═LiFePO4。下列說法不正確的是(　　)
A.充電時(shí),Mg極為陰極B.放電時(shí),Li+從Ⅰ室向Ⅱ室遷移C.放電時(shí),Ⅱ室Li2SO4溶液的濃度增大D.每消耗1 ml Mg,電極a質(zhì)量理論上增加14 g
解析 放電時(shí)電極a的反應(yīng)為Li1-xFePO4+xLi++xe-═LiFePO4,a為正極,Mg為負(fù)極,所以充電時(shí)Mg為陰極,A正確;放電時(shí)Ⅰ室為負(fù)極區(qū),Ⅱ室為正極區(qū),陽離子向正極移動(dòng),所以向Ⅱ室遷移,B正確;放電時(shí)電極a的反應(yīng)為Li1-xFePO4 +xLi++xe-═LiFePO4,消耗Li+,同時(shí)鋰離子通過透過膜進(jìn)入Ⅱ室,所以Li2SO4溶液的濃度不變,C錯(cuò)誤;放電時(shí)Mg發(fā)生反應(yīng):Mg-2e-═Mg2+,當(dāng)有1 ml Mg發(fā)生反應(yīng)時(shí),轉(zhuǎn)移2 ml e-,電極a理論上增加2 ml Li+,質(zhì)量為14 g,D正確。
4.目前科學(xué)家發(fā)明了一種利用微生物進(jìn)行脫硫、脫氮的原電池裝置,其基本原理如圖所示(圖中隔膜為質(zhì)子交換膜)。下列有關(guān)說法正確的是(　　)
進(jìn)階3研真題·明考向5.(2023·廣東卷,6)負(fù)載有Pt和Ag的活性炭,可選擇性去除Cl-實(shí)現(xiàn)廢酸的純化,其工作原理如圖。下列說法正確的是(　　)
A.Ag作原電池正極B.電子由Ag經(jīng)活性炭流向PtC.Pt表面發(fā)生的電極反應(yīng):O2+2H2O+4e-═4OH-D.每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下11.2 L的O2,最多去除1 ml Cl-
解析 本題考查了原電池結(jié)構(gòu)與工作原理。O2在Pt得電子發(fā)生還原反應(yīng),Pt為正極,Cl-在Ag極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),Ag為負(fù)極。由分析可知,Cl-在Ag極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),Ag為負(fù)極,A項(xiàng)錯(cuò)誤;電子由負(fù)極Ag經(jīng)活性炭流向正極Pt,B項(xiàng)正確;溶液為酸性,故Pt表面發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+4H++4e-═2H2O,C項(xiàng)錯(cuò)誤;每消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下11.2 L的O2,轉(zhuǎn)移電子2 ml,而2 ml Cl-失去2 ml電子,故最多去除2 ml Cl-,D項(xiàng)錯(cuò)誤。

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