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第3节化学能转化为电能电池,考纲要求:1.理解原电池的构成、工作原理及应用。能书写电极反应和总反应方程式。(宏观辨识与微观探析) 2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。(证据推理与模型认知) 3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。(科学态度与社会责任),考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,原电池的工作原理 1.概念 原电池是把转化为的装置。 2.工作原理 以锌铜原电池为例,化学能,电能,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,(1)反应原理:,氧化反应,还原反应,正,负,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,(2)盐桥的组成和作用: 盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼胶制成的冻胶。 盐桥的作用:a.连接内电路,形成闭合回路;b.平衡电荷,使原电池不断产生电流。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,3.构成条件,自发进行,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,自主练习 1.判断正误,正确的画“”,错误的画“”。 (1)反应CaO+H2O=Ca(OH)2可以放出大量的热,故可把该反应设计成原电池,把其中的化学能转化为电能 () (2)在原电池中,发生氧化反应的电极一定是负极 () (3)两种活泼性不同的金属组成原电池的两极,活泼性强的金属一定作负极 () (4)在锌铜原电池中,因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路,所以有电流产生 () (5)将氧化还原反应设计成原电池,可以把物质内部的能量全部转化为电能 (),考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,2.下列示意图中能构成原电池的是(),答案,解析,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,3.原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是() A.中Mg作负极,中Fe作负极 B.中Mg作正极,电极反应式为6H2O+6e-=6OH-+3H2 C.中Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-=Fe2+ D.中Cu作正极,电极反应式为2H+2e-=H2,答案,解析,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,考向1原电池工作原理 例1如图是某同学设计的原电池装置,下列叙述中正确的是() A.电极上发生还原反应,作原电池的负极 B.电极的电极反应式为Cu2+2e-=Cu C.该原电池的总反应为2 Fe3+ +Cu=Cu2+2Fe2+ D.盐桥中装有含氯化钾的琼脂,其作用是传递电子,答案,解析,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,归纳总结(1)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。 (2)活泼性强的金属不一定作负极,但负极一定发生氧化反应。 (3)电子不能通过电解质溶液,溶液中的离子不能通过盐桥。 (4)负极失去的电子总数一定等于正极得到的电子总数。 (5)同一氧化还原反应,设计成原电池反应的速率一定比直接发生氧化还原反应快。 (6)自发进行的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应,也可能是电极与溶解的氧气等发生反应,如将铁与石墨相连插入食盐水中。 (7)电极产物在电解质溶液的环境中,应能稳定存在,如碱性介质中生成的H+应结合OH-生成水。电极反应式要遵守电荷守恒、质量守恒及电子得失守恒。 (8)无论在原电池还是在电解池中,电子均不能通过电解质溶液。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,对点演练 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 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,解析,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,考向2原电池正负极的判断及电极反应式的书写 例2(2018天津静海调研)根据电化学知识回答下列问题: 如图所示,在不同的电解质溶液中可以组成不同的电池。 (1)当电解质溶液为稀硫酸时,Fe电极是(填“正”或“负”)极,其电极反应式为。 (2)当电解质溶液为NaOH溶液时,Al电极是(填“正”或“负”)极,其电极反应式为。 (3)若把铝改为锌,电解质溶液为浓硝酸,则Fe电极是(填“正”或“负”)极,其电极反应式为。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,归纳总结原电池电极反应式的书写 (1)先确定原电池的正、负极,列出正、负极上的反应物。 (2)根据氧化还原反应原理写出电极反应式。 负极反应。 负极上发生失去电子的氧化反应。注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存,则该电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式。 正极反应。 正极上发生得到电子的还原反应。当正极上的反应物是O2时:若电解质溶液为中性或碱性,则水必须写入正极反应式中,与O2反应生成OH-,电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-;若电解质溶液为酸性,则H+必须写入正极反应式中,与O2反应生成水,电极反应式为O2+4H+4e-=2H2O。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,(3)写出电池总反应方程式。 结合电子守恒将正、负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。 (4)若已知电池反应的总反应式,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,用总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即可得到较难写出的另一极的电极反应式。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,对点演练 银器时间久了表面会逐渐变黑,这是因为生成了硫化银。有人设计用原电池原理进行“抛光”,其处理方法是将一定浓度的氯化钠溶液放入一铝制容器中,再将变黑的银器浸入溶液中,放置一段时间后,黑色会退去,而银器恢复光泽,且不会损失。试回答: (1)氯化钠溶液的作用是。 (2)在此原电池反应中,负极发生的电极反应为,正极发生的电极反应为。 (3)反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体,溶液中发生的反应为,原电池的总反应方程式为。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,原电池原理的应用 1.加快化学反应速率 一个自发进行的氧化还原反应,形成原电池时会使反应速率。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池,该反应的反应速率会。 2.金属的防护 使被保护的金属制品作原电池而得到保护。如在轮船水下部分装上锌块,使锌作原电池的负极保护铁。 3.比较金属活动性强弱 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(特殊情况除外)。,加快,加快,正极,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,4.设计制作化学电源 (1)首先将氧化还原反应分成两个半反应。 (2)根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。 如:根据反应2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2 设计的原电池为:,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,装置如下图所示:,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,自主练习 1.电工经常说的一句口头禅:“铝接铜,瞎糊弄”,所以电工操作上规定不能把铜导线与铝导线连接在一起使用,原因是什么?,提示 铜、铝接触在潮湿的环境中会形成原电池,会加快铝的腐蚀,易造成电路断路。,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,2.等质量的两份锌粉a、b,分别加入过量的稀硫酸中,同时向a中加入少量的CuSO4溶液,如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系,其中正确的是(),答案,解析,考点四,考点一,考点二,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点三,3.有M、N、P、E四种金属,已知:M+N2+=N+M2+;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;N、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.PMNEB.ENMP C.PNMED.EPMN,答案,解析,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,考向原电池原理的应用 例某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应2Fe3+2I- 2Fe2+I2设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液、KI溶液,其他用品任选。请回答下列问题: (1)请补充下面原电池的装置图,在括号内填上正负极的材料、电解质溶液。,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,(2)发生氧化反应的电极反应式为。 (3)反应达到平衡时,外电路导线中(填“有”或“无”)电流通过。 (4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为(填“正”或“负”)极。,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,答案 (1) (2)2I-2e-=I2(3)无(4)负,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,解析 (1)依据原电池原理分析,氧化还原反应中Fe3+在正极得电子发生还原反应,I-在负极失电子发生氧化反应,负极所在的电解质溶液为KI,正极所在的电解质溶液为FeCl3。电极材料可选取惰性电极,如石墨(碳棒)或其他不活泼性金属。(2)发生氧化反应的电极是负极,负极上I-失电子。(3)反应达到平衡时,从左到右和从右到左移动的电子数目相同,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,该溶液中电极变成负极。,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,归纳总结原电池设计类试题的解题思路 (1)利用氧化还原反应知识判断题给总反应中的氧化反应、还原反应。 (2)选择合适的电极材料和电解质溶液。 (3)画出原电池装置图。画图时应注意:要标出电极材料、电解质溶液;要明确简易装置图和带有盐桥的装置图的区别等。,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,对点演练 (1)事实证明,能设计成原电池的反应通常是放热反应,下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是(填序号,下同)。 a.C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)H0 b.2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)H0 c.NaOH(aq)+HCl(aq)=NaCl(aq)+H2O(l) H0 若以KOH溶液为电解质溶液,依据所选反应设计一个原电池,其正极的电极反应式为。,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,(2)某同学用铜片、银片、Cu(NO3)2溶液、AgNO3溶液、导线和盐桥(装有琼脂饱和KNO3溶液的U形管)设计成一个原电池,如图所示,下列判断中正确的是。 a.实验过程中,左侧烧杯中 浓度不变 b.实验过程中取出盐桥,原电池能继续工作 c.若开始时用U形铜代替盐桥,装置中无电流产生 d.若开始时用U形铜代替盐桥,U形铜的质量不变,答案 (1)bO2+4e-+2H2O=4OH-(2)d,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,化学电源,Zn-2e-=Zn2+,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,2H2+4OH-4e-=4H2O,O2+2H2O+4e-=4OH-,2H2-4e-=4H+,O2+4H+4e-=2H2O,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,自主练习 1.判断正误,正确的画“”,错误的画“”。 (1)铅蓄电池放电时,正极与负极质量均增加 () (2)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1 mol电子时,负极增重4.8 g () (3)若使反应Fe+2 Fe3+ =3Fe2+以原电池方式进行,可用锌铁作电极材料 () (4)碱性锌锰干电池是一次电池,其中MnO2是催化剂,可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长 () (5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧,然后热能转化为电能 () (6)在原电池中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应 (),考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,2.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、放电过程为Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是() A.充电时阳极反应:Ni(OH)2+OH-e- NiOOH+H2O B.充电过程是化学能转化为电能的过程 C.放电时负极附近溶液的碱性不变 D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动,答案,解析,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点一,考点二,考点三,3.“神舟七号”宇宙飞船的能量部分来自太阳能电池,另外内部还配有高效的MCPC型燃料电池,该电池可同时供应电和水蒸气,所用燃料为氢气,电解质为熔融的碳酸钾。已知该电池的总反应为2H2+O2=2H2O,负极反应为H2+ -2e-=CO2+H2O,则下列推断中正确的是 () A.电池工作时, 向负极移动 B.电池放电时,外电路电子由通氧气的正极流向通氢气的负极 C.正极的电极反应:4OH-4e-=O2+2H2O D.通氧气的电极为阳极,发生氧化反应,答案,解析,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考向1燃料电池 例1(2018甘肃兰州第一中学高三考前冲刺)如图为一种微生物燃料电池结构示意图,关于该电池叙述正确的是 () A.正极反应式为MnO2+4H+2e-=Mn2+2H2O 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.若用该电池给铅蓄电池充电,MnO2电极质量减少8.7 g,则铅蓄电池负极增重9.6 g,答案,解析,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,归纳总结书写燃料电池电极反应式的步骤,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,对点演练 科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高。一个电极通入空气,另一电极通入汽油蒸气,其中电池的电解质是掺杂了Y2O3(Y为钇)的ZrO2(Zr为锆)晶体,它在高温下能传导O2-,若以丁烷(C4H10)代表汽油,总反应为2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。有关该电池的说法错误的是() A.该电池负极的电极反应式为2C4H10+26O2-52e-=8CO2+10H2O B.O2-向负极移动 C.该电池正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH- D.丁烷在放电时发生氧化反应,答案,解析,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考向2可充电电池 例2(2018课标全国,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, 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-=2 +C D.充电时,正极反应为:Na+e-=Na,答案,解析,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,归纳总结(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电、放电反应过程不能理解为可逆反应。 (2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。根据正确书写的电极反应式,可顺利判断各电极周围溶液pH的变化。,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,(3)可充电电池电极反应式的书写技巧。 书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电时的电极反应式。书写放电时的电极反应式时,一般要有三个步骤: 第一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质; 第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液反应); 第三,在电子守恒的基础上,利用总反应式减去写出的电极反应式即可得到另一电极反应式。,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,对点演练 (2018陕西一检)钠硫可充电电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠(Na2Sx)分别作为两个电极的反应物,以固体Al2O3陶瓷(可传导Na+)为电解质,其原理如图所示: 下列说法正确的是() A.放电时,电极A为正极 B.充电时,Na+从电极A向电极B迁移 C.充电时,电极B反应式为 D.该电池工作的适宜温度应控制在25 左右,答案,解析,考点四,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,金属的电化学腐蚀与防护 1.金属腐蚀的本质 金属原子变为,金属发生氧化反应。 2.金属腐蚀的类型 (1)化学腐蚀与电化学腐蚀:,失去电子,金属阳离子,电解质溶液,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁的腐蚀为例):,注意铁锈的形成:4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3, 2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。,2H+2e-=H2,O2+2H2O+4e-=4OH-,吸氧,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,3.金属腐蚀的防护措施,原电池,电解池,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,自主练习 1.判断正误,正确的画“”,错误的画“”。 (1)纯银器在空气中因化学腐蚀表面渐渐变暗 () (2)金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍 () (3)铜在酸性环境中易发生析氢腐蚀 () (4)当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用 () (5)牺牲阳极的阴极保护法是利用电解原理防腐蚀 () (6)将钢闸门与浸入海水的锌块用导线相连,可防止钢闸门被腐蚀 (),考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,2.如图表示的是钢铁在海水中的锈蚀过程,以下有关说法正确的是() A.该金属腐蚀过程为吸氢腐蚀 B.正极为C,发生的反应为氧化反应 C.在酸性条件下发生的是吸氧腐蚀 D.正极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-,答案,解析,考点一,考点二,考点三,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考点四,3.(2018湖南衡阳八中高三月考)埋在地下的钢管道可以用如图所示方法进行电化学保护。下列说法正确的是 () 潮湿的碱性土壤 A.该方法将电能转化成化学能 B.在此装置中钢管道作正极 C.该方法称为“外加电流的阴极保护法” D.镁块上发生的电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-,答案,解析,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,考向金属的腐蚀与防护 例(2018北京理综,12)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3% NaCl溶液)。,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,下列说法不正确的是() A.对比,可以判定Zn保护了Fe B.对比,K3Fe(CN)6可能将Fe氧化 C.验证Zn保护Fe时不能用的方法 D.将Zn换成Cu,用的方法可判断Fe比Cu活泼,答案,解析,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,归纳总结判断金属腐蚀快慢的规律 (1)纯度越高的金属,腐蚀速率越小。 (2)不纯的金属或合金,在潮湿的空气中腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。 (3)对于活动性不同的两种金属的合金,活动性差别越大,形成原电池时氧化还原反应速率越大,活泼金属腐蚀越快。 (4)在同一电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序:电解原理引起的腐蚀原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀应用原电池原理有保护措施的腐蚀应用电解原理有保护措施的腐蚀。或电解池阳极原电池负极化学腐蚀原电池正极电解池阴极。 (5)其他条件相同时,同一种金属在不同介质中腐蚀由快到慢的顺序:强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。,考点一,考点二,考点三,考点四,必备知识自主预诊,关键能力考向突破,对点演练 (2017课标全国,11)支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是() A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整,答案,解析,2,3,4,1,1,2,3,4,1.下列关于原电池的叙述中正确的是() A.正极和负极必须是金属 B.原电池是把化学能转化成电能的装置 C.原电池工作时,正极和负极上发生的都是氧化还原反应 D.锌、铜和盐酸构成的原电池工作时,有6.5 g锌溶解,正极上就有0.1 g氢气生成,答案,解析,1,2,3,4,2.锌空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液,电池反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O=2 。下列说法正确的是() A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动 B.充电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小 C.放电时,负极反应为Zn+4OH-2e-= D.放电时,电路中通过2 mol电子,消耗氧气22.4 L(标准状况),答案,解析,1,2,3,4,3.微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是() A.正极反应中有CO2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O,答案,解析,1,2,3,4,4.(2018山东青岛模拟)Zn-ZnSO4-PbSO4-Pb电池装置如图,下列说法错误的是 (),答案,解析,
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