高考化学一轮总复习第6章化学反应与能量第3节化学能转化为电能-电池检测鲁科版

高考化学一轮总复习第6章化学反应与能量第3节化学能转化为电能-电池检测鲁科版

第 3 节 化学能转化为电能——电池 考纲定位 考情播报 1.理解原电池的构成、工作原理及应用，能 写出电极反应和总反应方程式。 2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。 2016·全国甲卷 T11/全国丙卷 T11 2015·全国卷ⅠT11/全国卷ⅡT26(1)(2) 2014·全国卷ⅡT12 2013·全国卷ⅠT10、T27(5)、T28(5)/全国卷ⅡT11 2012·全国卷 T26(4) 考点 1| 原电池的工作原理及应用 [基础知识自查] 1．概念及反应本质 电化学上将能把化学能转化为电能的装置，其本质是发生了氧化还原反应。 2．构成条件 (1)有两个活动性不同的电极(常见为金属或石墨)。 (2)将电极插入电解质溶液中。 (3)两电极间构成闭合回路(两电极接触或用导线连接)。 (4)能自发发生氧化还原反应。 3．工作原理 如图是 Cu－Zn 原电池，请填空： (1)反应原理 电极名称 负极 正极 电极材料 Zn Cu 电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu 反应类型 氧化反应 还原反应 (2)原电池中的三个方向 ①电子方向：从负极流出沿导线流入正极； ②电流方向：从正极沿导线流向负极； ③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。 (3)两种装置的比较 图Ⅰ中 Zn 在 CuSO4 溶液中直接接触 Cu2＋，会有一部分 Zn 与 Cu2＋直接反应，该装置中既 有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高。图Ⅱ中 Zn 和 CuSO4 溶液分别在两个池中，Zn 与 Cu2＋不直接接触，不存在 Zn 与 Cu2＋直接反应的过程， 所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长。 (4)盐桥作用 ①连接内电路，形成闭合回路；②平衡电荷，使原电池不断产生电流。 4．原电池原理的三个应用 (1)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。 (2)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。 (3)加快氧化还原反应的速率 一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率加快。例如，在 Zn 与稀 H2SO4 反应时加入少量 CuSO4 溶液能使产生 H2 的反应速率加快。 [应用体验] 1．在如图所示的 8 个装置中，不能形成原电池的是_____________(填序号)，并指出原 因。 [提示] ①只有一个金属，不能构成两极 ③两极金属相同 ⑤酒精不是电解质溶液，不导电 ⑧未形成闭合回路 2．(1)根据反应 Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋设计的原电池的负极反应式为 ______________________________________________________________， 正极反应式为 ______________________________________________________________。 (2)根据 2Cu＋O2＋2H2SO4===2CuSO4＋2H2O 设计的原电池的正极反应式为 ______________________________________________________________。 [提示] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ (2)O2＋4e－＋4H＋===2H2O [考点多维探究] 角度 1 原电池的工作原理及电极判断 1．(2015·天津高考)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( ) 【导学号：99682209】 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(SO2－ 4 )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 C [A.Cu 作正极，电极上发生还原反应，错误；B.电池工作过程中，SO 2－ 4 不参加电极 反应，故甲池的 c(SO2－ 4 )基本不变；C.电池工作时，甲池反应为 Zn－2e－===Zn2＋，乙池反应 为 Cu2＋＋2e－===Cu，甲池中 Zn2＋会通过阳离子交换膜进入乙池，以维持溶液中电荷平衡，由 电极反应式可知，乙池中每有 64 g Cu 析出，则进入乙池的 Zn2＋为 65 g，溶液总质量略有 增加，正确；D.由题干信息可知，阴离子不能通过阳离子交换膜。] 2．控制适合的条件，将反应 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 设计成如图所示的原电池。下列 判断不正确的是( ) A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 B．反应开始时，甲中石墨电极上 Fe3＋被还原 C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态 D．电流表读数为零后，在甲中溶入 FeCl2 固体，乙中的石墨电极为负极 D [由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成 Fe2＋被还原，I－失去电子变成 I2 被氧化，所以 A、B 正确；电流表读数为零时，Fe3＋得电子速率等于 Fe2＋失电子速率，反应 达到平衡状态，C 正确；D 项在甲中溶入 FeCl2 固体，平衡 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 向左移 动，I2 被还原为 I－，乙中石墨为正极，D 不正确。] 3．分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是( ) A．①②中 Mg 作负极，③④中 Fe 作负极 B．②中 Mg 作正极，电极反应式为 6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑ C．③中 Fe 作负极，电极反应式为 Fe－2e－===Fe2＋ D．④中 Cu 作正极，电极反应式为 2H＋＋2e－===H2↑ B [②中 Mg 不与 NaOH 溶液反应，而 Al 能和 NaOH 溶液反应失去电子作负极；③中 Fe 在浓 HNO3 中钝化，Cu 和浓 HNO3 反应失去电子作负极，则 Fe 作正极，A、C 错误；②中电池 总反应为 2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，负极反应式为 2Al＋8OH － －6e － ===2[Al(OH)4]－，二者相减得到正极反应式为 6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B 正确；④中 Cu 作正极，电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D 错误。] 原电池的工作原理简图 注意：①一般负极金属较活泼，正极金属或非金属不活泼。 ②一般负极溶解或质量减轻，正极有气泡或质量增重。 ③若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。 角度 2 原电池原理的应用 4．有 A、B、C、D、E 五块金属片，进行如下实验，试比较金属活动性的强弱： 【导学号：99682210】 (1)A、B 用导线相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，A 极为负极，活动性________； (2)C、D 用导线相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，电流由 D→导线→C，活动性________； (3)A、C 相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，C 极产生大量气泡，活动性________； (4)B、D 相连后，同时浸入稀 H2SO4 溶液中，D 极发生氧化反应，活动性________； (5)用惰性电极电解含 B 离子和 E 离子的溶液，E 先析出，活动性________。 综上所述，这五种金属的活动性从强到弱的顺序为________。 [答案] (1)A>B (2)C>D (3)A>C (4)D>B (5)B>E A>C>D>B>E 5．把适合题意的图像填在横线上(用 A、B、C、D 表示) (1)将等质量的两份锌粉 a、b 分别加入过量的稀硫酸，同时向 a 中加入少量的 CuSO4 溶 液，产生 H2 的体积 V(L)与时间 t(min)的关系是________。 (2)将过量的两份锌粉 a、b 分别加入定量的稀硫酸，同时向 a 中加入少量的 CuSO4 溶液， 产生 H2 的体积 V(L)与时间 t(min)的关系是________。 (3)将(1)中的 CuSO4 溶液改成 CH3COONa 溶液，其他条件不变，则图像是________。 [解析] (1)a 中加入 CuSO4，消耗一部分 Zn，Cu、Zn 形成原电池，反应速率加快，所 以 a 放出 H2 的量减少，但速率加快。 (2)a 中加入 CuSO4 消耗 Zn，但不影响产生 H2 的量，速率也加快。 (3)CH3COONa 与 H2SO4 反应后生成弱酸 CH3COOH，从而减慢反应速率，但产生 H2 的量没发 生变化。 [答案] (1)A (2)B (3)C 6．请运用原电池原理设计实验，验证 Cu2＋、Fe3＋氧化性的强弱。请写出电极反应式， 负极：_____________________________________________， 正极：_____________________________________________， 并在方框内画出实验装置图，要求用烧杯和盐桥，并标出外电路电子流向。 [答案] Cu－2e－===Cu2＋ 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ 原电池设计的思维模板 (1)正、负极材料的选择：根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强 的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极。 (2)电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶 解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原反应分别 在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离 子。 (3)画装置图：注明电极材料与电解质溶液。但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合 回路。 考点 2| 常见化学电源的原理及电极反应式的书写 [基础知识自查] 1．一次电池(以碱性锌锰干电池为例) 总反应为 Zn＋MnO2＋H2O===Mn(OH)2＋ZnO。 负极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O； 正极：MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－。 2．二次电池 (1)铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为 Pb＋PbO2＋2H2SO4 放电 充电 2PbSO4＋2H2O (2)二次电池充电时的电极连接 3．燃料电池 氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。 介质 酸性 碱性 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 注：①燃料电池的电极不参加电极反应，外通入的燃料发生负极反应，O2 发生正极反应。 ②书写电极反应时，注意介质的参与反应。 [应用体验] 1．已知某镍镉电池的电解质溶液为 KOH 溶液，其充、放电按下式进行： Cd＋2NiOOH＋2H2O 放电 充电 Cd(OH)2＋2Ni(OH)2 请回答下列问题： (1)放电时，负极反应式为____________________________， 正极反应式为______________________________________。 (2)充电时，阴极反应式为____________________________， 阳极反应式为______________________________________。 (3)放电时，K＋向________极迁移，负极的溶液 pH 的变化为________。 (4)充电时，镍镉电池的负极应与外接电源的________极相连。 [提示] (1)Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2 2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－ (2)Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－ 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O (3)正 减小 (4)负 2．以 CO 为燃料气，请分别写出电解质符合下列条件的正、负极的电极反应式和总反应 式(填入表格中)。 [提示] ①O2＋4e－＋4H＋===2H2O 2CO－4e－＋2H2O===2CO2＋4H＋ 2CO＋O2===2CO2 ②O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 2CO－4e－＋8OH－===2CO2－ 3 ＋4H2O 2CO＋O2＋4OH－===2CO2－ 3 ＋2H2O ③O2＋4e－===2O2－ 2CO－4e－＋2O2－===2CO2 2CO＋O2===2CO2 ④O2＋4e－＋2CO2===2CO2－ 3 2CO－4e－＋2CO2－ 3 ===4CO2 2CO＋O2===2CO2 [考点多维探究] 角度 1 常见化学电源的原理分析 1．(2017·长沙模拟)比亚迪双模电动汽车使用的是高铁电池，其总反应为 3Zn(OH)2＋ 2Fe(OH)3＋4KOH 充电 放电 3Zn＋2K2FeO4＋8H2O，下列说法正确的是( ) A．放电时，若有 6 mol 电子发生转移，则有 2 mol K2FeO4 被氧化 B．放电时，正极反应为 FeO2－ 4 ＋4H2O－3e－===Fe(OH)3＋5OH－ C．充电时，电池的负极与外接电源的负极相连 D．充电时，阴极附近溶液的 pH 变小 C [由反应方程式可知，放电时，K2FeO4 被还原，A 项错误；放电时正极得电子，电极 反应为 FeO2－ 4 ＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，B 项错误；充电时，电池的负极与外接电源的 负极相连，C 项正确；充电时，阴极附近溶液的 pH 变大，D 项错误。] 2 ． (2017· 信 阳 市 一 模 ) 某 充 电 宝 锂 离 子 电 池 的 总 反 应 为 xLi ＋ Li1 － xMn2O4 放电 充电 LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为 NiOOH＋MH 放电 充电 M＋Ni(OH)2(M 为储氢金 属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是( ) A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移 B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电 D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4＋xLi＋ D [A 项，锂离子电池放电时阳离子移向正极，所以 Li＋向正极迁移，故 A 正确；B 项， 放电时，正极发生还原反应，方程式为 NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，故 B 正确；C 项， 题图表示用锂离子电池为放电过程，而镍氢电池为充电过程，故负极 Li 接 M 极发生 M＋H＋ ＋e－===MH，故 C 正确；D 项，锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：Li＋＋e－===Li，故 D 错误。] 3．(2016·全国丙卷)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，反应为 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)2－ 4 。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－===Zn(OH)2－ 4 D．放电时，电路中通过 2 mol 电子，消耗氧气 22.4 L(标准状况) C [A 项，充电时，电解质溶液中 K＋向阴极移动，错误；B 项，充电时，总反应方程式 为 2Zn(OH)2－ 4 ===== 通电 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，所以电解质溶液中 c(OH－)逐渐增大，错误；C 项， 在碱性环境中负极 Zn 失电子生成的 Zn2＋将与 OH―结合生成 Zn(OH)2－ 4 ，正确；D 项，O2～4e－， 故电路中通过 2 mol 电子时，消耗氧气 0.5 mol，在标准状况体积为 11.2 L，错误。] 角度 2 常见电源电极反应式的书写 4．(1)Fe－Cu－稀 H2SO4 组成的原电池中，负极反应为__________， 正极反应为________________________， 电池总反应为_________________________________________。 (2)Mg－Al－NaOH 溶液组成的原电池中，负极反应为________________，正极反应为 _______________________________， 电池总反应为___________________________________。 (3)(2015·全国卷Ⅱ节选)酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是 碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2 和 NH4Cl 等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生 MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。回答下列问题： ①该电池的正极反应式为_______________________________________， 电池反应的离子方程式为_______________________________________。 ②维持电流强度为 0.5 A，电池工作 5 分钟，理论上消耗锌________g。(已知 F＝96 500 C·mol－1) (4)(2012·全国卷节选)与 MnO2－Zn 电池类似，K2FeO4－Zn 也可以组成碱性电池，K2FeO4 在电池中作为正极材料，其电极反应式为_____________________， 该电池总反应的离子方程式为___________________________________。 (5)用吸收 H2 后的稀土储氢合金作为电池负极材料(用 MH 表示)，NiOOH 作为电池正极材 料，KOH 溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。电池充放电时的总反应 为： NiOOH＋MH 放电 充电 Ni(OH)2＋M 电池放电时，负极的电极反应式为____________________， 充电时，阳极反应式为________________________________。 [解析] (1)Fe 作负极，电极反应：Fe－2e－===Fe2＋；Cu 作正极，电极反应：2H＋＋2e－ ===H2↑。 (2)Al 作负极，电极反应：Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－；Mg 作正极，电极反应：2H2O ＋2e－===H2↑＋2OH－。 (3)①根据酸性锌锰干电池的构造可知，放电时，负极 Zn 失去电子生成 Zn2＋，正极 MnO2 得到电子生成 MnOOH，从而可写出正极和负极的电极反应式，然后在遵循电子守恒的前提下 将两极反应式加合可得电池反应的离子方程式。②电池工作 5 分钟，通过的电量 Q＝It＝0.5 A×5 min×60 s/min ＝ 150 C ， 因 此 通 过 电 子 的 物 质 的 量 n(e － ) ＝ Q F ＝ 150 C 96 500 C/mol ≈1.554×10－3 mol，则理论消耗 Zn 的质量是 m(Zn)＝1.554×10－3 mol 2 ×65 g/mol≈0.05 g。 (4)K2FeO4－Zn 组成碱性电池，K2FeO4 在电池中作为正极材料，FeO 2－ 4 中＋6 价铁元素被 还原为 Fe(OH)3 中＋3 价铁元素，其电极反应式为 FeO2－ 4 ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－；书写 总反应的离子方程式时，关键是抓住 Fe 和 Zn 的存在形式分别是 Fe(OH)3 和 Zn(OH)2。 (5)负极实际上是稀土储氢合金吸附的 H2 失去电子生成 H＋，H＋再与 OH－结合生成 H2O， 所以负极的电极反应式为 MH－e－＋OH－===M＋H2O。充电时阳极发生氧化反应，反应式为 Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O。 [答案] (1)Fe－2e－===Fe2＋ 2H＋＋2e－===H2↑ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ (2)Al－3e－＋4OH－===[Al(OH)4]－ 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑ (3)①MnO2＋H＋＋e－===MnOOH 2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋ ②0.05 (4)FeO2－ 4 ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－ 2FeO2－ 4 ＋8H2O＋3Zn===2Fe(OH)3＋3Zn(OH)2＋4OH－ (5)MH－e－＋OH－===M＋H2O Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O 化学电源中电极反应书写的思维模板 (1)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，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。 注意：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， 即得到较难写出的另一极的电极反应式。 考点 3| 金属的腐蚀与防护 [基础知识自查] 1．金属腐蚀的两种类型 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属跟具有腐蚀性的化学物质接触 不纯金属或合金跟电解质溶液接触 现象 无电流产生 有电流产生 本质 金属被氧化 较活泼金属被氧化 联系 两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍 2.钢铁电化学腐蚀的两种类型 3.金属的防护 (1)电化学防护 ①牺牲阳极保护法—原电池原理 a．负极：比被保护金属活泼的金属； b．正极：被保护的金属。 ②外加电流的阴极保护法—电解原理 a．阴极：被保护的金属； b．阳极：惰性金属。 (2)改变金属的内部结构，如制成合金、不锈钢等。 (3)加防护层，如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。 [应用体验] 实验探究(如图所示) (1)若棉团浸有 NH4Cl 溶液，铁钉发生______________腐蚀，正极反应式为 ____________________________________________________________， 右试管中现象是____________________________________________。 (2)若棉团浸有 NaCl 溶液，铁钉发生________腐蚀，正极反应式为 ______________________________________________________________， 右试管中现象是_________________________________________。 [提示] (1)析氢 2H＋＋2e－===H2↑ 有气泡冒出 (2)吸氧 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 导管内液面上升 [考点多维探究] 角度 1 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的判断与原理分析 1．利用下图装置进行实验，开始时，a、b 两处液面相平，密封好，放置一段时间。下 列说法不正确的是( ) A．a 处溶液的 pH 增大，b 处溶液的 pH 减小 B．一段时间后，a 管液面高于 b 管液面 C．a 管发生吸氧腐蚀，b 管发生析氢腐蚀 D．a、b 两处具有相同的电极反应式：Fe－2e－===Fe2＋ A [左边是发生吸氧腐蚀，右边发生析氢腐蚀。a 处氧气得电子和水反应生成氢氧根离 子，铁失电子生成二价铁离子，氢氧根离子和二价铁离子反应生成氢氧化亚铁沉淀，所以溶 液的 pH 值变化不大，b 处氢离子发生还原反应生成氢气，溶液的 pH 增大，故 A 错误。] 2. 如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有 pH＝4 久置的雨水和生铁片。实 验时观察到：开始时导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管内液面。 【导学号：99682211】 (1)开始时，生铁发生________腐蚀，负极反应式为__________________。 (2)一段时间后，生铁发生______________腐蚀，正极反应式为__________， 具支试管内雨水的 pH 的变化情况为_______________________________， 最后生铁片表面形成红棕色铁锈(Fe2O3·xH2O)，那么后期溶液中发生的反应方程式有 ________________________、2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O。 [解析] 开始时，溶液酸性强发生析氢腐蚀，析氢腐蚀消耗 H＋，酸性减弱，一段时间 后又发生吸氧腐蚀。 [答案] (1)析氢 Fe－2e－===Fe2＋ (2)吸氧 O2 ＋2H2O＋4e －===4OH－ 增大 Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓、4Fe(OH)2 ＋O2＋ 2H2O===4Fe(OH)3 (1)对于活泼金属判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键看介质的酸碱性。酸性介质发生析氢 腐蚀，碱性、中性介质发生吸氧腐蚀。 (2)对于氢后的不活泼金属只能发生吸氧腐蚀(如 Cu)。 角度 2 金属腐蚀的快慢与防护 3．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁(含杂质 C)在其中被腐蚀由快到慢的顺序为( ) 【导学号：99682212】 A．②①③④⑤⑥ B．⑤④③①②⑥ C．⑤④②①③⑥ D．⑤③②④①⑥ C [②③④是原电池，⑤⑥是电解池，金属被腐蚀由快到慢的顺序是：电解池的阳极> 原电池的负极>原电池的正极>电解池的阴极。] 4．(2017·江门模拟)利用如图装置可以模拟铁的电化学防护。下列说法不正确的是 ( ) A．若 X 为锌棒，开关 K 置于 M 处，可减缓铁的腐蚀速率 B．若 X 为锌棒，开关 K 置于 M 处，铁的保护属于牺牲阳极的阴极保护法 C．若 X 为碳棒，开关 K 置于 N 处，铁的保护属于外接电流的阴极保护法 D．若 X 为碳棒，开关 K 置于 N 处，X 极发生还原反应 D [若 X 为碳棒，开关 K 置于 N 处，X 极为阳极，发生氧化反应。] 5．(2015·重庆高考节选)如图为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图。 【导学号：99682213】 (1)腐蚀过程中，负极是________(填图中字母“a”或“b”或“c”)； (2)环境中的 Cl－扩散到孔口，并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈 Cu2(OH)3Cl，其离子方程式为_______________________________； (3)若生成 4.29 g Cu2(OH)3Cl，则理论上耗氧体积为________L(标准状况)。 [解析] (1)负极发生失电子的反应，铜作负极失电子，因此负极为 c。负极反应：Cu －2e－===Cu2＋，正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 (2)正极产物为 OH－，负极产物为 Cu2＋，两者与 Cl－反应生成 Cu2(OH)3Cl，其离子方程式 为 2Cu2＋＋3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓。 (3)4.29 g Cu2(OH)3Cl 的物质的量为 0.02 mol，由 Cu 元素守恒知，发生电化学腐蚀失 电子的 Cu 单质的物质的量为 0.04 mol，失去电子 0.08 mol，根据电子守恒可得，消耗 O2 的物质的量为 0.02 mol，所以理论上消耗氧气的体积为 0.448 L(标准状况)。 [答案] (1)c (2)2Cu2＋＋3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓ (3)0.448 判断金属腐蚀快慢的方法 (1)对同一电解质溶液来说，腐蚀的快慢：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐 蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。 (2)对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。 (3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，腐蚀越快。 (4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀速率越快。 专项突破 7 特定新型电池的命题分析 命题点 1 特定装置的新型电池原理分析 (1)特定装置的新型电池的命题点 ①两极的判断及电极反应式的书写与判断。 ②两极产物及反应类型判断。 ③电子、电流、离子的移动方向的判断。 ④电池总反应式的书写与判断。 ⑤转移电子及产物的计算。 (2)特定装置的新型电池的分析思路 ①分析装置中提供的信息：如反应物或产物、介质粒子成分、交换膜的类型、离子移动 方向、电极材料等。 ②分析两极反应原理及电极反应或总反应。 ③完成有关问题。 [对点训练 1] (2015·全国卷Ⅰ)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 A [图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有 质子通过，故正极电极反应式为 O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6 在微生物的作用下发生氧化反 应，电极反应式为 C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有 CO2 产生，故 A 不正确。B. 微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子 的转移，故 B 正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故 C 正确。D.正极的电 极反应式为 6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为 C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H ＋，两式相加得电池总反应为 C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故 D 正确。] [对点训练2] (2014·全国卷Ⅱ)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离 子电池体系。下列叙述错误．．的是( ) 【导学号：99682214】 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．放电时，溶液中 Li＋从 b 向 a 迁移 C [图示所给出的是原电池装置。A.由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知， 含有锂的一端为原电池的负极，即 b 为负极，a 为正极，故正确。B.电池充电时为电解池， 反应式为原电池反应的逆反应，故正确。C.放电时，a 极为原电池的正极，发生还原反应的 是 Mn 元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确。D.放电时为原电池，锂离子为阳离子， 应向正极(a 极)迁移，故正确。] [对点训练 3] (2016·全国甲卷)Mg－AgCl 电池是一种以海水为电解质溶液的水激活 电池。下列叙述错误的是( ) 【导学号：99682215】 A．负极反应式为 Mg－2e－===Mg2＋ B．正极反应式为 Ag＋＋e－===Ag C．电池放电时 Cl－由正极向负极迁移 D．负极会发生副反应 Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑ B [根据题意，Mg－海水－AgCl 电池总反应式为 Mg＋2AgCl===MgCl2＋2Ag。A 项，负极 反应式为 Mg－2e－===Mg2＋，正确；B 项，正极反应式为 2AgCl＋2e－===2Cl－＋ 2Ag，错误；C 项，对原电池来说，阴离子由正极移向负极，正确；D 项，由于镁是活泼金属，则负极会发 生副反应 Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，正确。] [对点训练 4] (1)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能， 非常适合进行现场酒精检测。负极反应式为__________________， 正极反应式为__________________________________________。 (2)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所 示，该电池从浓缩海水中提取 LiCl 的同时又获得了电能。 ①X 为________极，Y 电极反应式为______________________________。 ②Y 极生成 1 mol Cl2 时，________ mol Li＋移向________极(填 X 或 Y)。 (3)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂， KOH 作电解质。 负极反应式为_______________________________________， 正极反应式为______________________________________。 [解析] (1)根据装置可知 O2 得电子，在正极反应生成 H＋，呼气中的 C2H5OH 失电子，在 负极反应生成 CH3COOH。 (2)根据装置可知生成 H2 的电极为正极，生成 Cl2 的电极为负极。 (3)根据装置可知 N2H4→N2 为氧化反应，在负极上反应。 [答案] (1)C2H5OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O (2)①正 2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2 X (3)N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 命题点 2 特定介质燃料电池的原理分析 四类介质环境下的两极反应原理(以甲醇 CH3OH 为例) (1)酸性溶液或质子交换膜条件： 正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O， 负极：2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋ (2)碱性溶液条件： 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－， 负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO2－ 3 ＋12H2O (3)固体氧化物(传导 O2－)条件： 正极：3O2＋12e－===6O2－， 负极：2CH3OH－12e－＋6O2－===2CO2↑＋4H2O (4)熔融碳酸盐(含 CO2－ 3 )条件： 正极：3O2＋12e－＋6CO2===6CO2－ 3 ， 负极：2CH3OH－12e－＋6CO2－ 3 ===8CO2↑＋4H2O [对点训练 5] (2017·武汉模拟)下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( ) 【导学号：99682216】 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 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。] [对点训练 6] 近年来 AIST 报告正在研制一种“高容量、低成本”锂－铜空气燃料电 池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为 2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu ＋2Li＋＋2OH－，下列说法不正确的是( ) A．放电时，Li＋透过固体电解质向 Cu 极移动 B．放电时，负极的电极反应式为 Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－ C．通空气时，铜被腐蚀，表面产生 Cu2O D．整个反应过程中，铜相当于催化剂 B [放电时，负极反应为 Li －e－===Li＋，Li＋透过固体电解质向 Cu 极移动，A 项正确； 正极反应为 Cu2O＋2e－＋H2O===2Cu＋2OH－，B 项错误；通空气时，铜被氧化为 Cu2O：4Cu＋ O2===2Cu2O，总反应为 4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，铜相当于催化剂，C、D 正确。] [对点训练 7] (2017·烟台一模)LED 系列产品是一类新型节能产品，图甲是 NaBH4/H2O2 燃料电池，图乙是 LED 发光二极管的装置示意图。下列叙述错误的是( ) A．电池 A 极区的电极反应式为 H2O2＋2e－===2OH－ B．电池放电过程中，Na＋从负极区向正极区移动 C．每有 1 mol NaBH4 参加反应转移电子数为 4NA D．要使 LED 发光二极管正常发光，图乙中的导线 a 应与图甲中的 B 极相连 C [A 项，根据图甲知，双氧水得电子发生还原反应，则 A 电极为正极，正极电极反应 式为 H2O2＋2e－===2OH－，故 A 正确；B 项，电池放电过程中，阳离子移向正极，Na＋从负极区 向正极区移动，故 B 正确；C 项，负极发生氧化反应生成 BO－ 2 ，电极反应式为 BH－ 4 ＋8OH－－ 8e－===BO－ 2 ＋6H2O，有 1 mol NaBH4 参加反应转移电子数为 8NA，故 C 错误；D 项，要使 LED 发光二极管正常发光，图乙中的导线 a 阴极应与图甲中的 B 极负极相连，故 D 正确。] [对点训练 8] (1)(2013·全国卷Ⅰ节选)二甲醚(OCH3CH3)直接燃料电池具有启动快、 效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg－1)。若电解质为酸性， 二甲醚直接燃料电池的负极反应为__________________________，1 个二甲醚分子经过电化 学氧化，可以产生________个电子的电量；该电池的理论输出电压为 1.20 V，能量密度 E ＝______________(列式计算。能量密度＝电池输出电能/燃料质量，1 kW·h＝3.6×106 J)。 (2)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。 ①电极 A 为________极，CO 和 H2 按体积比 1∶1 发生的电极反应式为 ______________________________________________________________。 ②电极 B 的反应式为____________________________________。 ③CO 2－ 3 向________极迁移(填 A 或 B)。 [解析] (1)由题意可得：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，1 个 CH3OCH3 产生 12 个电 子。 (2)CO、H2 为燃料，在负极上反应。 [答案] (1)CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋ 12 1.20 V×1 000 g 46 g·mol－1 ×12×96 500 C·mol－1 1 kg ÷(3.6×106 J·kW－1·h－1)≈8.39 kW·h·kg －1 (2)①负 CO＋H2－4e－＋2CO2－ 3 ===3CO2＋H2O ②O2＋4e－＋2CO2===2CO2－ 3 ③A [课堂小结·反馈达标 1＋1] 全新理念 探究高考 明确考向 1．一组判断，展示高考易误点 (1)在化学反应中，所有自发的放热反应均可以设计成原电池。( ) (2)原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。( ) (3)Mg－Al 形成的原电池，Mg 一定作负极。( ) (4)Cu、Al、浓 HNO3 构成的原电池的负极反应为 Al－3e－===Al3＋。( ) (5)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。( ) (6)相同情况下，带有“盐桥”的原电池比不带“盐桥”的原电池电流持续时间长。 ( ) (7)以熔融 Na2CO3 为介质的 H2 燃料电池的负极反应为 H2－2e－===2H＋。( ) (8)化学电源工作时，内电路介质中的阳离子一定向正极迁移。( ) (9)实验室制备 H2 时，用粗锌(含 Cu、Fe 等)代替纯锌与盐酸反应效果更佳。( ) (10)原电池反应时，电子从负极流出经导线流入正极，然后通过溶液流回负极。( ) (11)二次电池充电时，二次电池的负极连接电源的负极，发生还原反应。( ) [ 答 案 ] (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)√ (9)√ (10)× (11)√ 2．一题串知，覆盖高考考什么 (1)(2015·全国卷Ⅰ)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。 ①右电极是________极，发生________反应。[考查原电池中电极判断及反应原理] ②两极反应式，负极______________________________________________， 正极____________________________________________。 [考查电极反应式的书写] ③质子向________极迁移(填“正”或“负”，下同)，电子从________极流出。[考查 原电池反应时离子、电子移向] ④当有 1 mol O2 消耗时，C6H12O6 消耗________ mol。[考查原电池的有关计算] (2)(2016·全国丙卷)锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解值溶液为 KOH 溶液，反应为 2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)2－ 4 。 ①该燃料电池的负极材料是________，正极电极反应式为_______。[考查化学电源放电 原理和电极反应式] ②充电时，外接电源负极的燃料电池电极是________极，其电极反应式为 ______________________________________________________________。 [考查化学电源充电原理] ③充电时，溶液中 K＋向燃料电池的________极迁移(填“正”或“负”)。[考查化学电 源充电时，离子迁移方向] [答案] (1)①正 还原 ②C6H12O6 ＋6H2O－24e－ ===6CO2 ＋24H ＋ 6O2 ＋24e－ ＋24H＋ ===12H2O ③正 负 ④0.17 或1 6 (2)①Zn O2＋4e－＋2H2O===4OH－ ②负 Zn(OH)2－ 4 ＋2e－===Zn＋4OH－ ③负