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1、2022年高考化學(xué)二輪專題題組訓(xùn)練 第9講 考點(diǎn)1 原電池的工作原理及新型化學(xué)電源的分析(含解析)
題組一 原電池工作原理的分析與判斷
1.(xx·福建理綜,11)某原電池裝置如圖所示,電池總反應(yīng)為2Ag+Cl2===2AgCl。 下列說法正確的是 ( )。
A.正極反應(yīng)為AgCl+e-===Ag+Cl-
B.放電時,交換膜右側(cè)溶液中有大量白色沉淀生成
C.若用NaCl溶液代替鹽酸,則電池總反應(yīng)隨之改變
D.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.01 mol e-時,交換膜左側(cè)溶液中約減少0.02 mol離子
解析 A項(xiàng),Pt為正極發(fā)生還原反應(yīng):Cl2+2
2、e-===2Cl-,錯誤;B項(xiàng),放電時,左側(cè)的電極反應(yīng)式Ag+Cl--e-===AgCl↓,有大量白色沉淀生成,錯誤;C項(xiàng),由于H+、Na+均不參與電極反應(yīng),則用NaCl代替鹽酸,電池總反應(yīng)不變,錯誤;D項(xiàng),當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.01 mol e-時,左側(cè)產(chǎn)生0.01 mol Ag+與Cl-結(jié)合為AgCl沉淀,右側(cè)產(chǎn)生0.01 mol Cl-,為保持溶液的電中性,左側(cè)約有0.01 mol H+通過陽離子交換膜轉(zhuǎn)移到右側(cè),故左側(cè)溶液中約減少0.02 mol離子,正確。
答案 D
2.如圖是某同學(xué)設(shè)計的一個簡易的原電池裝置,回答下列問題。
(1)若a為鎂、b為CuCl2,則正極材料為___
3、___,負(fù)極上的電極反應(yīng)式為____________________________。
(2)若a為鎂、b為NaOH,則Mg極上發(fā)生______反應(yīng)(填“氧化”或“還原”),負(fù)極上的電極反應(yīng)式為__________________________________。
(3)若a為銅、b為濃硝酸,則電流的方向?yàn)開_____________________,正極上的電極反應(yīng)式為_____________________________________________。
(4)上述事實(shí)表明,確定原電池中電極的類型時,不僅要考慮電極材料本身的性質(zhì),還要考慮__________________
4、____________________________。
解析 (1)鎂、鋁均能與CuCl2溶液反應(yīng),但鎂比鋁活潑,故鎂失去電子作負(fù)極。(2)鋁能與NaOH溶液反應(yīng)而鎂不能,鋁作負(fù)極失去電子變成AlO,電極反應(yīng)式為Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O。(3)常溫下鋁在濃硝酸中發(fā)生鈍化,故銅失去電子作負(fù)極,正極上是NO得到電子生成NO2。
答案 (1)Al Mg-2e-===Mg2+
(2)還原 Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O
(3)鋁―→銅 2H++NO+e-===H2O+NO2↑
(4)電解質(zhì)的性質(zhì)
—————[思維建模]———————————
5、—
原電池正、負(fù)極判斷的“五個角度”
題組二 鹽橋的作用與化學(xué)平衡移動
3.下圖Ⅰ、Ⅱ分別是甲、乙兩組同學(xué)將反應(yīng)“AsO+2I-+2H+AsO+I(xiàn)2+H2O”設(shè)計成的原電池裝置,其中C1、C2均為碳棒。甲組向圖Ⅰ燒杯中逐滴加入適量濃鹽酸;乙組向圖ⅡB燒杯中逐滴加入適量40%NaOH溶液。
圖Ⅰ 圖Ⅱ
下列敘述中正確的是 ( )。
A.甲組操作時,電流計(G)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)
B.甲組操作時,溶液顏色變淺
C.乙組操作時,C2作正極
D.乙組操作時,C1上發(fā)生的電極反應(yīng)為I2+2e-===2I-
解析 裝置Ⅰ中的反應(yīng),AsO+2I-+2H+
6、AsO+I(xiàn)2+H2O,當(dāng)加入適量濃鹽酸時,平衡向右移動,有電子轉(zhuǎn)移,但電子不會沿導(dǎo)線通過,所以甲組操作,電流計(G)指針不會發(fā)生偏轉(zhuǎn),但由于I2濃度增大,所以溶液顏色變深。向裝置Ⅱ B燒杯中加入NaOH溶液,發(fā)生反應(yīng)AsO-2e-+2H2O===AsO+2H+,電子由C2棒沿導(dǎo)線到C1棒,發(fā)生反應(yīng)I2+2e-=== 2I-,所以C2為負(fù)極,C1為正極。
答案 D
4.[xx·廣東理綜,33(2)]能量之間可相互轉(zhuǎn)化:電解食鹽水制備Cl2是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,而原電池可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。設(shè)計兩種類型的原電池,探究其能量轉(zhuǎn)化效率。
限選材料:ZnSO4(aq),F(xiàn)eSO4(a
7、q),CuSO4(aq);銅片,鐵片,鋅片和導(dǎo)線。
(1)完成原電池甲的裝置示意圖(見上圖),并作相應(yīng)標(biāo)注,要求:在同一燒杯中,電極與溶液含相同的金屬元素。
(2)以銅片為電極之一,CuSO4(aq)為電解質(zhì)溶液,只在一個燒杯中組裝原電池乙,工作一段時間后,可觀察到負(fù)極__________________________。
(3)甲乙兩種原電池可更有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的是________,其原因是_________________________________________________________。
解析 (1)根據(jù)題給條件和原電池的構(gòu)成條件可得:
①若
8、用Zn、Cu、CuSO4(aq)、ZnSO4(aq)組成原電池,Zn作負(fù)極,Cu作正極,Zn插入到ZnSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
②若用Fe、Cu、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)組成原電池,F(xiàn)e作負(fù)極,Cu作正極,F(xiàn)e插入到FeSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
③注意,畫圖時要注意電極名稱,電極材料,電解質(zhì)溶液名稱(或化學(xué)式),并形成閉合回路。
(2)由于金屬活動性Zn>Fe>Cu,鋅片或鐵片作負(fù)極,由于Zn或Fe直接與CuSO4溶液接觸,工作一段時間后,負(fù)極逐漸溶解,表面有紅色固體析出。
(3)帶有鹽橋的甲原電池中負(fù)極沒有和C
9、uSO4溶液直接接觸,二者不會直接發(fā)生置換反應(yīng),化學(xué)能不會轉(zhuǎn)化為熱能,幾乎全部轉(zhuǎn)化為電能;而原電池乙中的負(fù)極與CuSO4溶液直接接觸,兩者會發(fā)生置換反應(yīng),部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,化學(xué)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能。
答案 (1)(或其他合理答案)
(2)電極逐漸溶解,表面有紅色固體析出
(3)甲 在甲裝置中,負(fù)極不和Cu2+接觸,避免了Cu2+直接與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)而使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能
—————[總結(jié)歸納]————————————
1.鹽橋的作用
(1)使整個裝置構(gòu)成閉合回路,代替兩溶液直接接觸。
(2)平衡電荷。如在Zn/ZnSO4-Cu/CuSO4原電池中Zn失去電子,Zn
10、2+進(jìn)入ZnSO4溶液,ZnSO4溶液中因Zn2+增多而帶正電荷。同時,CuSO4溶液則由于Cu2+變成Cu,使得SO相對較多而帶負(fù)電荷。通過鹽橋中陰陽離子定向移動而使兩極電解質(zhì)溶液中正負(fù)電荷守恒而保持電中性。
2.電子流向與平衡移動的關(guān)系
(1)條件改變,平衡移動發(fā)生電子轉(zhuǎn)移;
(2)移動方向改變,電子轉(zhuǎn)移方向改變。
題組三 不同“介質(zhì)”燃料電池電極反應(yīng)式的書寫
5.據(jù)報道,以硼氫化合物NaBH4(B元素的化合價為+3價)和H2O2作原料的燃料電池可用作空軍通信衛(wèi)星電源,負(fù)極材料采用Pt/C,正極材料采用MnO2,其工作原理如圖所示。下列說法正確的是 ( )。
A.
11、電池放電時Na+從b極區(qū)移向a極區(qū)
B.電極b采用MnO2,MnO2既作電極材料又有催化作用
C.每消耗1 mol H2O2,轉(zhuǎn)移的電子為1 mol
D.該電池的正極反應(yīng)為BH+8OH--8e-===BO+6H2O
解析 由裝置圖可知,H2O2得電子化合價降低,所以b為正極,a為負(fù)極。原電池中陽離子向正極移動。負(fù)極反應(yīng)為BH+8OH--8e-===BO+6H2O。每消耗1 mol H2O2,轉(zhuǎn)移的電子為2 mol。
答案 B
6.以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)如圖所示。
(1)判斷電極名稱:電極(Ⅰ)為________,理由是________________
12、_____;
電極(Ⅱ)為______,理由是_______________________________________。
(2)微生物燃料電池需要選擇合適的溫度,理由是____________________
_______________________________________________________________。
(3)寫出該微生物燃料電池的電極反應(yīng)式:電極(Ⅰ)反應(yīng)式為______________;電極(Ⅱ)反應(yīng)式為______________________。
(4)“質(zhì)子交換膜”允許溶液中H+向______(電極名稱)遷移,理由是______
13、__________________________________________________________。
(5)若該電池生成2.24 L CO2(標(biāo)準(zhǔn)狀況),轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為______。
(6)燃料電池中,助燃劑(氧化劑)不一定是氧氣。例如,以鉑為電極,氫氣-氯氣在KOH溶液中構(gòu)成燃料電池,該燃料電池中負(fù)極反應(yīng)式為__________________。燃料電池的總反應(yīng)方程式為____________________。
解析 (1)根據(jù)圖示知,電極(Ⅰ)區(qū)域:通入氧氣,排出水。O2―→H2O:氧元素由0價降至-2價,氧元素的化合價降低,發(fā)生還原反應(yīng)。在原電池中,正
14、極發(fā)生還原反應(yīng),故電極(Ⅰ)為正極;電極(Ⅱ)區(qū)域:在微生物作用下,葡萄糖轉(zhuǎn)化成二氧化碳。C6H12O6―→CO2,葡萄糖中碳元素的平均化合價為0,二氧化碳中碳元素的化合價為+4價,碳元素的化合價升高,發(fā)生了氧化反應(yīng)。在原電池中,負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),電極(Ⅱ)為負(fù)極。(2)微生物燃料電池工作效率由微生物的活性決定,在高溫下微生物(主要由蛋白質(zhì)組成)會發(fā)生變性,失去活性;溫度太低也影響微生物的活性,導(dǎo)致電池工作效率低。(3)正極區(qū),氧氣得電子變成氧離子,氧離子與H+結(jié)合生成水;負(fù)極區(qū),葡萄糖失去電子,生成二氧化碳和H+,正極、負(fù)極得失電子總數(shù)相等。(4)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子,電子經(jīng)外電路流向
15、正極,所以負(fù)極區(qū)帶正電荷,正極區(qū)帶負(fù)電荷,H+向正極區(qū)遷移,即向電極(Ⅰ)區(qū)遷移。(5)該電池總反應(yīng)式為C6H12O6+6O2―→6CO2+6H2O,生成1 mol CO2,轉(zhuǎn)移4 mol電子,n(CO2)==0.1 mol 時,則n(e-)=0.4 mol。(6)氫氣在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),KOH參與反應(yīng),電池的總反應(yīng)式為H2+Cl2+2KOH===2KCl+2H2O。
答案 (1)正極 氧氣發(fā)生還原反應(yīng) 負(fù)極 葡萄糖發(fā)生氧化反應(yīng) (2)微生物燃料電池的放電效率是由微生物的活性決定的,而微生物一般在30~50 ℃活性最高,溫度過高或過低均影響其活性,從而導(dǎo)致電池工作效率低
(3)6O2+24H++24e-===12H2O C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2+24H+ (4)電極(Ⅰ) 葡萄糖在電極(Ⅱ)失去電子,電子經(jīng)外電路流向電極(Ⅰ),使電極(Ⅰ)區(qū)帶負(fù)電荷,因此H+向電極(Ⅰ)區(qū)遷移 (5)0.4 mol (6)H2-2e-+2OH-===2H2O H2+Cl2+2KOH===2KCl+2H2O
—————[思維建模]————————————
燃料電池的分析思路