湖南省永州市2019年高考化学二轮复习 课时21 原电池原理及应用学案.docx

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原电池原理及应用 【明确考纲】 1、根据化学高考考纲，对学生的能力要求有： ①理解原电池的构成、工作原理以及应用； ②能准确判断二次电池充电、放电时的电极，并能书写对应电极反应和总反应方程式； ③运用原电池原理分析新型化学电源的工作原理； ④利用电子守恒进行相关计算。 2、以上各部分知识与技能的综合应用。 【课前真题】1.(2018全国卷Ⅲ，11)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列说法正确的是(　　) A．放电时，多孔碳材料电极为负极 B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移 D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋(1－)O2 【答案】　D 【解析】由题意知，放电时负极反应为4Li－4e－===4Li＋，正极反应为(2－x)O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，电池总反应为(1－)O2＋2Li===Li2O2－x。充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应，故充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li＋(1－)O2，D项正确；该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂材料区迁移，C项错误。 2.(2018全国卷Ⅱ，12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na 2Na2CO3＋C。下列说法错误的是(　　) A．放电时，ClO向负极移动 B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2 C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na 【答案】　D 课堂精讲 【考点归类】原电池基本原理，二次电源的工作原理与应用，新型化学电源的分析。 题型一 原电池基本原理 核心知识必备： 1．构建原电池模型，类比分析原电池工作原理 构建如图Zn|H2SO4|Cu原电池模型，通过类比模型，结合氧化还原反应知识(如：化合价的变化、得失电子情况等)，能迅速判断原电池的正、负极，弄清楚外电路中电子的移动情况和内电路中离子的移动情况，准确书写电极反应式和电池总反应式，掌握原电池的工作原理。 2．化学电源中电极反应式书写的思维模板 (1)明确直接产物：根据负极发生氧化反应、正极发生还原反应，明确两极的直接产物。 (2)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。 (3)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 特别提醒：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境中结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得较难写出的另一极的电极反应式。 【典例剖析】1.(2017青岛二模)Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb电池装置如图，下列说法错误的是(　　) A．SO从右向左迁移 B．电池的正极反应为Pb2＋＋2e－===Pb C．左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变 D．若有6.5 g锌溶解，有0.1 mol SO通过离子交换膜 【答案】　B 【解析】　装置左侧电极为负极，右侧电极为正极，阴离子移向负极，即SO从右向左迁移，A项正确；电池的正极反应式为PbSO4＋2e－===Pb＋SO，B项错误；负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，产生ZnSO4，左边ZnSO4浓度增大，右边ZnSO4浓度不变，C项正确；6.5 g锌溶解，转移0.2 mol e－，电解液中有0.2 mol负电荷通过离子交换膜，即有0.1 mol SO通过离子交换膜，D项正确。 【点拨】根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。如以通过4 mol e－为桥梁可构建如下关系式：(式中M为金属，n为其离子的化合价数值) 【变式】1. (2015天津理综，4)锌铜原电池装置如图所示，其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是(　　) A．铜电极上发生氧化反应 B．电池工作一段时间后，甲池的c(SO)减小 C．电池工作一段时间后，乙池溶液的总质量增加 D．阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡 【答案】C 题型二 二次电源 核心知识必备： 1.基本原理关系： 二次电源 放电 充电 负极:化合价升高、失电子、氧化反应 正极:化合价降低、得电子、还原反应 阳极:化合价升高、失电子、氧化反应 阴极:化合价降低、得电子、还原反应 2.常用技巧： （1）判断“池”的关键点：负载、用电器、直流电源、自发的氧还反应等； (2)判断“极”的关键点：活泼金属、燃料、强氧化剂、物质元素化合价的变化、“三流向”等。 【典例剖析】2. (2017全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是(　　) A．电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4 B．电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14g C．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性 D．电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多 【答案】D 【解析】A项，原电池电解质中阳离子移向正极，根据全固态锂硫电池工作原理图示中Li＋移动方向可知，电极a为正极，正极发生还原反应，由总反应可知正极依次发生S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2的还原反应，正确；B项，电池工作时负极电极方程式为Li－e－===Li＋，当外电路中流过0.02mol电子时，负极消耗的Li的物质的量为0.02mol，其质量为0.14g，正确；C项，石墨烯具有良好的导电性，故可以提高电极a的导电能力，正确；D项，电池充电时为电解池，此时电解总反应为8Li2Sx16Li＋xS8(2≤x≤8)，故Li2S2的量会越来越少，错误。 【变式】2 .磷酸铁锂电池具有高效率输出、可快速充电、对环境无污染等优点，其工作原理如图所示。M电极是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xFePO4 LiFePO4＋6C。下列说法正确的是(　　) A．放电时Li＋从右边移向左边 B．放电时M是负极，电极反应式为C－xe－===6C C．充电时电路中通过0.5 mol电子，消耗36 g C D．充电时N极连接电源的正极，电极反应式为LiFePO4－xe－===Li1－xFePO4＋xLi＋ 【答案】　D 题型二新型电源 核心知识必备： 解答新型化学电源的步骤 (1)判断电池类型→确认电池原理→核实电子、离子移动方向。 (2)确定电池两极→判断电子、离子移动方向→书写电极反应和电池反应。 (3)充电电池→放电时为原电池→失去电子的为负极反应。 (4)电极反应→总反应离子方程式减去较简单一极的电极反应式→另一电极反应式。 【典例剖析】3.（2016•浙江）金属（M）﹣空气电池（如图）具有原料易得，能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源，该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n，已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，下列说法不正确的是（） A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，有利于氧气扩散至电极表面 B.比较Mg，Al，Zn三种金属﹣空气电池，Al﹣空气电池的理论比能量最高 C.M﹣空气电池放电过程的正极反应式：4M++nO2+2nH2O+4ne﹣=4M（OH）n D.在Mg﹣空气电池中，为防止负极区沉积Mg（OH）2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜 【答案】C 【解析】A．反应物接触面积越大，反应速率越快，所以采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面，从而提高反应速率，故A正确；B．电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，则单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多则得到的电能越多，所以Al﹣空气电池的理论比能量最高，故B正确；C．正极上氧气得电子和水反应生成OH﹣，因为是阴离子交换膜，所以阳离子不能进入正极区域，则正极反应式为O2+2H2O+4e﹣=4OH﹣，故C错误； D．负极上Mg失电子生成Mg2+，为防止负极区沉积Mg（OH）2，则阴极区溶液不能含有大量OH﹣，所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜，故D正确；故选C． 【点拨】本题考查原电池原理，为高频考点，侧重考查学生分析判断、获取信息解答问题及计算能力，解本题关键是明确各个电极上发生的反应、离子交换膜作用、反应速率影响因素、氧化还原反应计算，易错选项是C． 【变式3】锂—铜空气燃料电池容量高、成本低，具有广阔的发展前景。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电能，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，下列说法错误的是(　　) A．放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动 B．放电时，正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O D．整个反应过程中，氧化剂为O2 【答案】　B 【点拨】　结合原电池结构，明确原电池的工作原理，结合总反应方程式判断电极及电极反应式是解本题的关键。解答时注意结合装置图和题干信息分析判断。 【课后巩固】 1.（2017•浙江）银锌电池是一种常见化学电源，其原理反应：Zn+Ag2O+H2O═Zn（OH）2+2Ag，其工作示意图如图．下列说法不正确的是（　　） A.Zn电极是负极 B.Ag2O电极上发生还原反应 C.Zn电极的电极反应式：Zn﹣2e﹣+2OH﹣═Zn（OH）2 D.放电前后电解质溶液的pH保持不变 【答案】D 2.下图是利用盐桥电池从某些含碘物质中提取碘的两个装置： 下列说法中正确的是(　　) A．两个装置中，石墨Ⅰ和石墨Ⅱ均作负极 B．碘元素在装置①中被还原，在装置②中被氧化 C．装置①中MnO2的电极反应式为MnO2＋2H2O＋2e－===Mn2＋＋4OH－ D．装置①、②中的反应生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为1∶5 【答案】D 3．(2017太原模拟)如图是铅蓄电池充、放电时的工作示意图，已知放电时电池反应为：PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO===2PbSO4＋2H2O。下列有关说法正确的是(　　) A．K与N相接时，能量由电能转化为化学能 B．K与N相接时，H＋向负极区迁移 C．K与M相接时，所用电源的a极为负极 D．K与M相接时，阳极附近的pH逐渐增大 【答案】C 4.(2018福建省三明市质量检查)一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池，其原理如图所示。下列说法不正确的是(　　) A． A．电池工作时，能量的转化形式至少有三种 B． 放电时，I－和I的浓度均减小 C． Y电极为电池的正极，发生的反应为：I＋2e－＝3I－ D． 电池工作时，X电极上发生氧化反应 【答案】B 5．微生物燃料电池可净化废水，同时还能获得能源或有价值的化学产品，图1为其工作原理，图2为废水中Cr2O浓度与去除率的关系。下列说法正确的是(　　) A．M极为电池正极，CH3COOH被还原 B．外电路转移4 mol电子时，M极产生22.4 L CO2 C．反应一段时间后，N极附近的溶液pH下降 D．Cr2O浓度较大时，可能会造成还原菌失活 【答案】D 6..科学家尝试用微生物电池除去废水中的有害有机物，其原理如图所示：下列有关说法错误的是(　　) A．A极电极反应式为＋2e－＋H＋===＋Cl－ B．B极电极反应式为CH3COO－－8e－＋4H2O===2HCO＋9H＋ C．溶液中的阴离子由A极向B极移动 D．该微生物电池在高温条件下无法正常工作 【答案】C 7．某学习小组设计如图所示实验装置，利用氢镍电池为钠硫电池充电。已知氢镍电池放电时的总反应式为NiO(OH)＋MH===Ni(OH)2＋M。 下列说法正确的是(　　) A．a极为氢镍电池的正极 B．氢镍电池的负极反应式为MH＋OH－－2e－===M＋＋H2O C．充电时，Na＋通过固体Al2O3陶瓷向M极移动 D．充电时，外电路中每通过2 mol电子，N极上生成1 mol S单质 【答案】　C 8..如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是(　　) A．a为电池的正极 B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi C．放电时，a极锂的化合价发生变化 D．充电时，溶液中Li＋从a向b迁移 【答案】C 9.某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料)，通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电，成功地实现了对磁性的可逆调控(如图所示)。以下说法中正确的是(　　) A．放电时，正极的电极反应式为Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O B．该电池可以用水溶液作电解质溶液 C．放电时，Fe作电池的负极，Fe2O3作电池的正极 D．充电时，电池靠近磁铁 【答案】A 10．已知铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O，现用如图装置进行电解(电解液足量)，测得当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减少11.2g。请回答下列问题。 (1)A是铅蓄电池的________极，铅蓄电池正极反应式为____________________________， 放电过程中电解液的密度________(填“减小”“增大”或“不变”)。 (2)Ag电极的电极反应式是_____________________________________________________， 该电极的电极产物共________g。 (3)Cu电极的电极反应式是___________________________________________________， CuSO4溶液的浓度________(填“减小”“增大”或“不变”)。 【答案】　(1)负　PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O　减小 (2)2H＋＋2e－===H2↑　0.4 (3)Cu－2e－===Cu2＋　不变 11.（2018年北京西城）某小组研究NaClO溶液与KI溶液的反应，实验记录如下： 实验编号 实验操作 实验现象 Ⅰ ⅰ．溶液变为浅黄色 ⅱ．溶液变蓝 Ⅱ ⅰ．溶液保持无色 ⅱ．溶液不变蓝，溶液的pH=10 【资料】：碘的化合物主要以I−和IO3−的形式存在。 酸性条件下IO3−不能氧化Cl−，可以氧化I−。 ClO−在pH<4并加热的条件下极不稳定。 （1）0.5 molL−1 NaClO溶液的pH＝11，用离子方程式表示其原因：。 （2）实验Ⅰ中溶液变为浅黄色的离子方程式是。 （3）对比实验Ⅰ和Ⅱ，研究实验Ⅱ反应后“溶液不变蓝”的原因。 ①提出假设a：I2在碱性溶液中不能存在。 设计实验Ⅲ证实了假设a成立，实验Ⅲ的操作及现象是。 ②进一步提出假设b：NaClO可将I2氧化为IO3−。 进行实验证实了假设b成立，装置如下图，其中甲溶液是，实验现象是。 （4）检验实验Ⅱ所得溶液中的IO3−： 取实验Ⅱ所得溶液，滴加稀硫酸至过量，整个过程均未出现蓝色，一段时间后有黄绿色刺激性气味的气体产生，测得溶液的pH＝2。再加入KI溶液，溶液变蓝，说明实验Ⅱ所得溶液中存在IO3−。 ①产生的黄绿色气体是。 ②有同学认为此实验不能说明实验Ⅱ所得溶液中存在IO3−，理由是 。欲证明实验Ⅱ所得溶液中存在IO3−，改进的实验方案是。 ③实验Ⅱ中反应的离子方程式是。 【答案】（1）ClO− + H2OOH− + HClO （2）ClO− + 2I− + H2O ==I2 + Cl− + 2OH− （3）①向pH＝10的NaOH溶液中加入少量滴有淀粉溶液的碘水，振荡，蓝色褪去 ②碘水右侧碘水棕黄色变浅，电流表的指针偏转 （4）① Cl2②溶液中的Cl2或HClO也可将I−氧化为I2，使溶液变蓝 加热pH＝2的溶液至无色，使黄绿色气体（或Cl2）充分逸出，使HClO完全分解，冷却后再加入KI溶液 ③ 3ClO− + I−==3Cl− + IO3−