1、原电池化学电源(45分钟100分)一、选择题(本题包括6小题,每题7分,共42分)1.如图为氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。下列有关叙述正确的是()A.b处通入H2B.该装置将化学能最终转化为电能C.通入H2的电极发生反应:2H2-4e-4H+D.a处为电池负极,发生氧化反应【解析】选D。由电子流向可知a为负极通入H2, b为正极通入O2,发生还原反应,A错误、D正确;该装置将化学能最终转化为光能,B错误;电解质为KOH溶液,电极反应式中不能含有H+,C错误。【加固训练】各式各样电池的迅速发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是()A.手机上用的锂离子电池可以用K
2、OH溶液作电解液B.锌锰干电池中,锌电极是负极C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被还原D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅【解析】选B。锂能与水反应,不能用水溶液作电解液,A错误;锌锰干电池中锌失去电子生成Zn2+为负极,B正确;氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化,C错误;太阳能电池的主要材料为硅,D错误。2.如图是以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图。关于该电池的叙述不正确的是()A.该电池不能在高温下工作B.电池的负极反应为C6H12O6+6H2O-24e-6CO2+24H+C.放电过程中,电子从正极区向负极区每转移1 mol,便有1 mol H+从阳极室进入阴极室D.微生物燃料
3、电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相容性等优点,值得研究与推广【解析】选C。高温条件下微生物会死亡,该电池不能正常工作,A选项正确;电池的负极失电子,发生氧化反应,即葡萄糖失电子生成二氧化碳气体,B选项正确;放电过程中,电子从负极区向正极区转移,C选项错误;结合题给条件分析,D选项正确。3.某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性:Cr2Fe3+,设计了盐桥式的原电池,如图,盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是 ()A.甲烧杯的溶液中发生还原反应B.乙烧杯中发生的电极反应为2Cr3+7H2O-6e-Cr2+14H+C.外电路的电流方向是从b到aD.电池工作时,
4、盐桥中的S移向乙烧杯【解析】选C。因为氧化性:Cr2Fe3+,所以该原电池反应是Cr2将Fe2+氧化为Fe3+,所以甲烧杯发生氧化反应,A错误;乙烧杯发生还原反应,电极反应为Cr2+6e-+14H+2Cr3+7H2O,B错误;根据以上分析,a是负极,b是正极,则电流方向是从正极向负极流动,C正确;原电池中的阴离子向负极移动,所以S向甲烧杯移动,D错误。4.大功率的镍氢电池使用在油电混合动力车辆中。镍氢电池(NiMH电池)正极板材料为NiOOH,负极板材料为吸氢合金,下列关于该电池的说法中正确的是 ()A.放电电池内部H+向负极移动B.充电时,将电池的负极与外接电源的正极相连C.充电时阳极反应为
5、Ni(OH)2+OH-e-NiOOH+H2OD.放电时负极的电极反应式为MHn-ne-M+nH+【解析】选C。A项,根据原电池工作原理,阳离子向正极移动,错误;B项,充电时电池的负极要接电源的负极,电池的正极要接电源的正极,错误;C项,根据电池工作原理图,电池正极的电极反应式:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,充电是电解池,发生的电极反应式与原电池的电极反应式是相反的,即阳极电极反应式:Ni(OH)2+OH-e-NiOOH+H2O,正确;D项,该电池的环境是碱性环境,不能有大量H+存在,电极反应式:MHn+nOH-ne-M+nH2O,错误。5.银锌电池是一种常见化学电源,其反应原
6、理:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag,其工作示意图如下。下列说法不正确的是 ()A.Zn电极是负极B.Ag2O电极发生还原反应C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2D.放电前后电解质溶液的pH保持不变【解析】选D。A.反应中锌失去电子,Zn电极是负极,A正确;B.Ag2O得到电子,发生还原反应,B正确;C.电解质溶液显碱性,Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,C正确;D.根据方程式可知消耗水,且产生氢氧化锌,氢氧根浓度增大,放电前后电解质溶液的pH升高,D错误。6.(能力挑战题)用氟硼酸(HBF4,属于强酸)代替硫酸作铅蓄电池的电解质
7、溶液,可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良,反应方程式为Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O。Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质,下列说法正确的是 ()A.放电时的负极反应为PbO2+4H+2e-Pb2+2H2OB.充电时,当阳极质量增加23.9 g时,溶液中有0.2 mol电子通过C.放电时,正极区pH增大D.充电时,Pb电极与电源的正极相连【解析】选C。放电时,负极上应该是金属铅发生失电子的氧化反应,A错误;电子只能经过导线,不能经过电解质溶液,B错误;放电时正极上发生还原反应,PbO2 +4H+2e-Pb2+2H2O,氢离子浓度减小,所以pH增大,C正确;充电时,P
8、b电极和电源的负极相连,D错误。【互动探究】(1)充电时的阳极的电极反应式为_。提示:Pb2+2H2O-2e-PbO2+4H+。充电时的阳极的电极反应式和放电时的正极的电极反应式相反。(2)该电池在放电过程中,负极质量_,正极质量_(填“减少”“增加”或“不变”)。提示:减少减少。因Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质,该电池在放电过程中,正极、负极质量都减少。(3)放电时,电解液中氟硼酸的浓度将_(填“减少”“增加”或“不变”)。提示:减少。放电时消耗氟硼酸生成水,氟硼酸的浓度将变小。二、非选择题(本题包括3小题,共58分)7.(18分)(2018广州模拟)某实验小组同学对电化学原理进行了一
9、系列探究活动。(1)如图为某实验小组依据的氧化还原反应:(用离子方程式表示)_。设计的原电池装置,反应前,电极质量相等,一段时间后,两电极质量相差12 g,导线中通过_mol电子。(2)其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,石墨电极反应式为_,这是由于NH4Cl溶液显_(填“酸性”“碱性”或“中性”),用离子方程式表示溶液显此性的原因_,用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中,向其中滴加少量新制饱和氯水,写出发生反应的离子方程式_,然后滴加几滴硫氰化钾溶液,溶液变红,继续滴加过量新制饱和氯水,颜色褪去,同学们对此做了多种假设,某同学的假设是:“溶液中的+3价铁被氧化为更高的价态。”
10、如果+3价铁被氧化为Fe,试写出该反应的离子方程式_。(3)其他条件不变,若将盐桥换成弯铜丝与石墨相连成n形,如图所示,一段时间后,在甲装置铜丝附近滴加酚酞试液,现象是_,电极反应为_;乙装置中石墨(1)为_极(填“正”“负”“阴”或“阳”),乙装置中与铜丝相连石墨(2)电极上发生的反应式为_,产物常用_检验,反应的离子方程式为_。【解析】(1)若一段时间后,两电极质量相差12 g,消耗负极0.1 mol Fe,同时正极生成0.1 mol Cu,导线中通过0.2 mol电子。(2)其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,由于N水解,N+H2ONH3H2O+H+,所以NH4Cl溶液显
11、酸性,石墨电极上H+得到电子,电极反应式为2H+2e-H2;铁电极反应式为Fe-2e-F,用吸管吸出铁片附近溶液少许置于试管中,向其中滴加少量新制饱和氯水,发生反应的离子方程式为2F+Cl22F+2Cl-,然后滴加几滴硫氰化钾溶液,由于存在F,所以溶液变红,继续滴加过量新制饱和氯水,颜色褪去,如果原因是+3价铁被氧化为Fe,则该反应的离子方程式为2F+3Cl2+8H2O2Fe+6Cl-+16H+。(3)如图其他条件不变,若将盐桥换成弯铜丝与石墨相连成n形,则甲池为原电池,铁电极反应为Fe-2e-F,铜电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-;乙池为电解池,石墨(2)电极为阳极,电极反应为2Cl
12、-2e-Cl2,石墨(1)电极为阴极,电极反应为C+2e-Cu;所以一段时间后,在甲装置铜丝附近滴加酚酞试液,溶液变红,乙装置中石墨(2)电极产物可以用湿润的淀粉碘化钾试纸检验,反应的离子方程式为Cl2+2I-2Cl-+I2,反应后试纸变蓝。答案:(1)Fe+CF+Cu0.2(2)2H+2e-H2酸性N+H2ONH3H2O+H+2F+Cl22F+2Cl-2F+3Cl2+8H2O2Fe+6Cl-+16H+(3)溶液变红O2+2H2O+4e-4OH-阴2Cl-2e-Cl2湿润的淀粉碘化钾试纸Cl2+2I-2Cl-+I28.(20分)(1)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂,而且高铁电
13、池的研制也在进行中。如图1是高铁电池的模拟实验装置:该电池放电时正极的电极反应式为 _;若维持电流强度为1 A,电池工作十分钟,理论消耗Zn_g(已知F=96 500 Cmol-1)。盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向_(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向_(填“左”或“右”)移动。图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有 _。(2)有人设想以N2和H2为反应物,以溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制造出既能提供电能,又能固氮的新型燃料电池,装置如图所示,电池正极的电极反应式是_,A是_。(3)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的
14、浓度,其装置如下图所示。该电池中O2-可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动,工作时O2-的移动方向_(填“从a到b”或“从b到a”),负极发生的电极反应式为_。【解析】(1)放电时高铁酸钾为正极,正极发生还原反应,电极反应式为Fe+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-;若维持电流强度为1 A,电池工作十分钟,转移电子的物质的量为1106096 500=0.006 217 6(mol)。理论消耗Zn的质量为0.006 217 6 mol2650.2(g)。电池工作时,阴离子移向负极,阳离子移向正极,所以盐桥中氯离子向右移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向左移动。图2为高铁电
15、池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定。(2)该电池的本质反应是合成氨反应,电池中氢气失去电子,在负极发生氧化反应,氮气得电子在正极发生还原反应,则正极反应式为N2+8H+6e-2N,氨气与HCl反应生成氯化铵,则电解质溶液为氯化铵溶液。(3)工作时电极b作正极,O2-由电极b移向电极a;该装置是原电池,通入一氧化碳的电极a是负极,负极上一氧化碳失去电子发生氧化反应,电极反应式为CO+O2-2e-CO2。答案:(1)Fe+4H2O+3e-Fe(OH)3+5OH-0.2右左使用时间长、工作电压稳定(2)N2+8H+6e-2N氯化铵(3)从b到aCO+
16、O2-2e-CO29.(20分)(能力挑战题)(1)某研究性学习小组为探究Fe3+与Ag反应,进行如下实验:按下图连接装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应)。K闭合时,指针向左偏转,石墨作_(填“正极”或“负极”)。当指针归零后,向左侧U形管中滴加几滴FeCl2浓溶液,发现指针向右偏转,写出此时银电极的反应式:_。结合上述实验分析,写出Fe3+和Ag反应的离子方程式:_。丙同学进一步验证其结论:当指针归零后,向右侧U形管中滴加数滴饱和NaCl溶液,可观察到的现象是_。(2)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如下图所示:HS-在硫氧化菌作用下
17、转化为S的反应式是_。若维持该微生物电池中两种细菌的存在,则电池可以持续供电,原因是_。(3)PbSO4热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物受热熔融后,电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。放电过程中,Li+向_(填“负极”或“正极”)移动。负极反应式为_。电路中每转移0.2 mol电子,理论上生成_g Pb。(4)氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。a电极的电极反应式是_;一段时间后,需向装置中补充KOH,请依据反应原理解释原因是_。【解析】(1
18、)K闭合时,指针向左偏转,石墨作正极。当指针归零后,向左侧U形管中滴加几滴FeCl2浓溶液,发现指针向右偏转,说明银棒作正极,此时银电极的反应式Ag+e-Ag。结合上述实验分析,Fe3+和Ag反应为可逆反应,离子方程式为Ag+Fe3+Ag+Fe2+。丙同学进一步验证其结论:当指针归零后,向右侧U形管中滴加数滴饱和NaCl溶液,可观察到的现象是出现白色沉淀,溶液中Ag+浓度减小,Ag+Fe3+Ag+Fe2+平衡正向移动,Ag发生氧化反应为负极,电流表指针向左偏转。(2)酸性环境中反应物为HS-,产物为S,利用质量守恒和电荷守恒进行配平,电极反应式:HS-+4H2O-8e-S+9H+;从质量守恒角
19、度来说,HS-、S浓度不会发生变化,只要有两种细菌存在,就会循环把有机物氧化成CO2放出电子。(3)根据方程式,电路中每转移0.2 mol电子,生成0.1 mol Pb,即20.7 g。(4)a电极是通入NH3的电极,失去电子,发生氧化反应,所以该电极作负极,电极反应式是2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O;一段时间后,需向装置中补充KOH,是由于发生4NH3+3O22N2+6H2O反应,有水生成,使得溶液逐渐变稀,为了维持碱的浓度不变,所以要补充KOH。答案:(1)正极Ag+e-AgAg+Fe3+Ag+Fe2+出现白色沉淀,电流表指针向左偏转(2)HS-+4H2O-8e-S+9H+HS-、S浓度不会发生变化,只要有两种细菌存在,就会循环把有机物氧化成CO2放出电子(3)正极Ca+2Cl-2e-CaCl220.7(4)2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O由于发生4NH3+3O22N2+6H2O反应,有水生成,使得溶液逐渐变稀,所以要补充KOH11
