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

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：理解原电池的构成、工作原理以及应用；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；运用原电池原理分析新型化学电源的工作原理；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，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Li2O2x(x0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Li2O2x=2Li(1)O2【答案】D【解析】由题意知，放电时负极反应为4Li4e=4Li，正极反应为(2x)O24Li4e=2Li2O2x(x0或1)，电池总反应为(1)O22Li=Li2O2x。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Li2O2x=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，12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。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3CO24Na 2Na2CO3C。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CO2C放电时，正极反应为3CO24e=2COCD充电时，正极反应为Nae=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：H在碱性环境中不存在；O2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；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()ASO从右向左迁移B电池的正极反应为Pb22e=PbC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PbSO42e=PbSO，B项错误；负极反应式为Zn2e=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)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16LixS8=8Li2Sx(2x8)。下列说法错误的是()A电池工作时，正极可发生反应：2Li2S62Li2e=3Li2S4B电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14gC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S8Li2S8Li2S6Li2S4Li2S2的还原反应，正确；B项，电池工作时负极电极方程式为Lie=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8Li2Sx16LixS8(2x8)，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LixC6Li1xFePO4 LiFePO46C。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Cxe=6CC充电时电路中通过0.5 mol电子，消耗36 g CD充电时N极连接电源的正极，电极反应式为LiFePO4xe=Li1xFePO4xLi【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）nD.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2LiCu2OH2O=2Cu2Li2OH，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O22H2O4e=4OHC通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2OD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+H2OZn（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：Zn2e+2OHZn（OH）2D.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，石墨和石墨均作负极B碘元素在装置中被还原，在装置中被氧化C装置中MnO2的电极反应式为MnO22H2O2e=Mn24OHD装置、中的反应生成等量的I2时，导线上通过的电子数之比为15【答案】D3(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：PbO2Pb4H2SO=2PbSO42H2O。下列有关说法正确的是()AK与N相接时，能量由电能转化为化学能BK与N相接时，H向负极区迁移CK与M相接时，所用电源的a极为负极DK与M相接时，阳极附近的pH逐渐增大【答案】C4.(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：I2e3ID 电池工作时，X电极上发生氧化反应【答案】B5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()AM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 CO2C反应一段时间后，N极附近的溶液pH下降DCr2O浓度较大时，可能会造成还原菌失活【答案】D6.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()AA极电极反应式为2eH=ClBB极电极反应式为CH3COO8e4H2O=2HCO9HC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】C7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)2M。下列说法正确的是()Aa极为氢镍电池的正极B氢镍电池的负极反应式为MHOH2e=MH2OC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】C8.如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是()Aa为电池的正极B电池充电反应为LiMn2O4=Li1xMn2O4xLiC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Fe2O36Li6e=2Fe3Li2OB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】A10已知铅蓄电池的工作原理为PbPbO22H2SO4 2PbSO42H2O，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PbO24HSO2e=PbSO42H2O减小(2)2H2e=H20.4(3)Cu2e=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溶液变为浅黄色溶液变蓝溶液保持无色溶液不变蓝，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pH4并加热的条件下极不稳定。（1）0.5 molL1 NaClO溶液的pH11，用离子方程式表示其原因：。（2）实验中溶液变为浅黄色的离子方程式是。（3）对比实验和，研究实验反应后“溶液不变蓝”的原因。提出假设a：I2在碱性溶液中不能存在。设计实验证实了假设a成立，实验的操作及现象是。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）检验实验所得溶液中的IO3：取实验所得溶液，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pH2。再加入KI溶液，溶液变蓝，说明实验所得溶液中存在IO3。产生的黄绿色气体是。有同学认为此实验不能说明实验所得溶液中存在IO3，理由是。欲证明实验所得溶液中存在IO3，改进的实验方案是。实验中反应的离子方程式是。【答案】（1）ClO + H2OOH + HClO （2）ClO + 2I + H2O =I2 + Cl + 2OH（3）向pH10的NaOH溶液中加入少量滴有淀粉溶液的碘水，振荡，蓝色褪去碘水右侧碘水棕黄色变浅，电流表的指针偏转（4） Cl2溶液中的Cl2或HClO也可将I氧化为I2，使溶液变蓝加热pH2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 3ClO + I=3Cl + IO3