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课时提升作业 九
发展中的化学电源
(25分钟 50分)
一、选择题(本题包括5小题,每小题6分,共30分)
1.(2018·浏阳高一检测)废电池处理不当不仅造成浪费,还会对环境造成严重污染,对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝,他的以下想法你认为不正确的是 ( )
A.把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气
B.碳棒取下洗净用作电极
C.把铜帽取下洗净回收利用
D.电池内部填有氯化铵等化学物质,将废电池中的黑色糊状物直接作化肥用
【解析】选D。电池中含有重金属,不能作化肥用。
2.(2018·铜陵高一检测)有一种新型的碱性锌锰电池,它是在酸性锌锰电池的基础上改进的。下列对于碱性锌锰电池的叙述中不正确的是 ( )
A.碱性锌锰电池工作时,电子由Zn极经外电路流向碳极
B.这种电池较酸性锌锰电池使用寿命长
C.碱性锌锰电池可以实现化学能向电能的转化和电能向化学能的转化
D.这种电池的电解质由传统的NH4Cl换成湿的KOH
【解析】选C。该新型的锌锰电池也是一次性电池(即干电池),
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不是二次电池(即充电电池),它只能实现化学能转化为电能,而不能将电能转化为化学能,故C错。
3.下面是几种常见的化学电源示意图,有关说法不正确的是 ( )
A.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B.干电池在长时间使用后,锌筒被破坏
C.铅蓄电池工作时,电能转化成化学能
D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
【解析】选C。选项A正确;在干电池中,Zn作负极,被氧化,B正确;氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内,且工作的最终产物是水,故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源,D正确;铅蓄电池工作时化学能转化成电能,充电时电能转化成化学能,C错误。
4.(2018·泰安高一检测)研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是 ( )
A.水既是氧化剂又是溶剂
B.放电时正极上有氢气生成
C.放电时OH-向正极移动
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D.总反应为2Li +2H2O2LiOH+H2↑
【解析】选C。该电池的负极是锂,氧化剂水在正极上得到电子生成氢气,电解质是LiOH,故A、B、D项正确;原电池中OH-向负极移动,C项错误。
5.(2018·邯郸高一检测)氢氧燃料电池以氢气为燃料,氧气为氧化剂,电极是多孔镍电极,电解质溶液是质量分数为30%的KOH溶液,有关叙述正确的是( )
①负极反应为2H2-4e-4H+
②负极反应为2H2+4OH--4e-4H2O
③工作时正极pH增大,而负极pH减小
④工作时负极pH增大,而正极pH减小
⑤工作时溶液中阴离子移向正极
⑥使用一段时间,KOH溶液质量分数仍为30%
A.①②③ B.②③ C.②③⑥ D.④⑤
【解析】选B。氢氧燃料电池在碱性条件下,负极:2H2-4e-4H+和4H++4OH- 4H2O(即2H2+4OH--4e-4H2O),pH减小;正极:O2+4e-+2H2O4OH-,pH增大。工作时溶液中OH-移向负极。使用一段时间,电解质的物质的量保持不变,由于生成了H2O,KOH浓度变小。
【补偿训练】
(2018·成都高一检测)新型乙醇燃料电池用能传递质子(H+)的介质作溶剂,反应式为C2H5OH+3O22CO2+3H2O,如图是该电池的示意图,下列说法正确的
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是 ( )
A.a极为电池的正极
B.电池正极的电极反应为4H++O2+4e-2H2O
C.电池工作时电流由a极沿导线经灯泡再到b极
D.电池工作时,1 mol乙醇被氧化成CO2时就有6 mol电子转移
【解析】选B。由题图知a极为电池的负极,A项错误,B项正确;电池工作时电流由正极b极沿导线经灯泡再到a极,C项错误;1 mol乙醇被氧化成CO2时就有
12 mol电子转移,D项错误。
二、非选择题(本题包括2小题,共20分)
6.(10分)(2018·东莞高一检测)(1)有一种燃料电池,总反应式为2H2+O22H2O,则负极的电极反应式为____________________________;正极是________。
(2)如将(1)中的电解质由KOH改为稀硫酸,则电极反应式为__________________,____________________。两者的电解液不同,反应进行后,其溶液的pH变化是________________。
(3)如把H2改为CO,KOH作导电物质,则电极反应式为____________________,______________________。
【解析】(1)由该电池的总反应式及原电池的概念可知,H2在反应中被氧化,应在负极上反应;O2被还原,应在正极上反应,
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又因在碱性条件下不可能有H+参加或生成,故负极反应式为2H2+4OH--4e-4H2O;正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
(2)若将碱性溶液换成酸性溶液,此时不可能有OH-参加或生成,负极反应式为2H2-4e-4H+;正极反应式为O2+4H++4e-2H2O。由于前者在碱性条件下反应,KOH量不变,但原电池工作时,H2O增多,溶液变稀,pH将变小;而后者为酸性溶液,H2SO4量不变,H2O增多,溶液酸性减弱,故pH将变大。(3)如把H2改为CO,用KOH作导电物质,CO生成的CO2与碱反应生成C,则负极反应式为2CO+8OH--4e-2C+4H2O;正极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
答案:(1)2H2+4OH--4e-4H2O O2
(2)负极:2H2-4e-4H+ 正极:O2+4H++4e-2H2O 前者变小,后者变大
(3)负极:2CO+8OH--4e-2C+4H2O
正极:O2+2H2O+4e-4OH-
7.(10分)化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示),锌锰干电池的负极材料是________,负极发生的电极反应方程式为______________________________。若反应消耗16.25 g负极材料,则电池中转移电子的物质的量为________mol。
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(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池总反应式可以表示为Cd+2NiO(OH)+2H2O 2Ni (OH)2+Cd(OH)2,已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水,但能溶于酸,以下说法中正确的是________(填序号)。
①以上反应是可逆反应
②以上反应不是可逆反应
③充电时化学能转变为电能
④放电时化学能转变为电能
(3)如图为氢氧燃料电池的构造示意图,根据电子运动方向,可知X极为电池的________(填“正”或“负”)极,Y极的电极反应方程式为______________。
【解析】(1)锌锰干电池中的负极是Zn,发生氧化反应,失去电子生成锌离子,电极反应式是Zn-2e-Zn2+;16.25 g Zn的物质的量是=0.25 mol,每个Zn失去2个电子,所以电池中转移电子的物质的量是0.5 mol。
(2)该反应的反应条件不同,所以不是可逆反应,①错误,②正确;充电时是把电能转化为化学能,放电时是把化学能转化为电能,所以③错误,④正确。
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(3)氢氧燃料电池中,电子从负极向正极移动,X是电子流出的一极,所以X是负极;Y是正极,发生还原反应,结合电解质溶液,氧气得到电子生成氢氧根离子,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-。
答案:(1)锌 Zn-2e-Zn2+ 0.5
(2)②④ (3)负 O2+2H2O+4e-4OH-
(30分钟 50分)
一、选择题(本题包括6小题,每小题5分,共30分)
1.可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液作为电解质溶液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是 ( )
A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为O2+2H2O+4e-4OH-
B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为Al+3OH--3e-Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变
D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极
【解析】选A。当电解质溶液显碱性或中性时,该燃料电池的正极发生的反应均为O2+2H2O+4e-4OH-,A项正确;铝作负极,负极反应应该是铝失去电子变为铝离子,在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根,因此负极反应为Al+4OH--3e-Al+2H2O,B项错误;该电池在碱性条件下工作时,消耗了碱,反应的化学方程式为4Al+3O2+4OH-4Al+2H2O,溶液的碱性减弱,C项错误;电池工作时,电子从负极流出,经过外电路流向正极,D项错误。
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2.酸性干电池装置示意图如图所示,电池总反应式为Zn+2NZn2++2NH3↑
+H2↑,下列说法正确的是 ( )
A.碳为电池的负极
B.氨气在碳棒上生成
C.电流由锌极流向碳极
D.H2在Zn片上生成
【解析】选B。A.放电时,锌元素化合价由0价变为+2价、氢元素化合价由+1价变为0价,所以Zn是负极、C是正极,故A错误;B.碳是正极,正极上得电子发生还原反应,电极反应式为2N+2e-2NH3↑+H2↑,所以氨气、氢气在碳棒上生成,故B正确,D错误; C.电流从正极流向负极,即由碳棒流向锌极,故C错误。
3.(2018·襄阳高一检测)原电池装置如图所示,下列有关叙述正确的是(已知:阳离子交换膜只允许阳离子通过)( )
A.锌电极上发生还原反应
B.电池工作一段时间后,甲池的c(S)不变
C.电池工作一段时间后,甲池溶液的总质量增加
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D.该装置将化学能转化为电能,一段时间后,装置内的电子总量减少
【解析】选B。锌是负极,发生氧化反应,A错误;原电池工作时,阴离子由正极向负极运动,但阴离子不能通过阳离子交换膜,只出现锌离子由甲池移向乙池,甲池的c(S)不变,B正确;根据B的分析电池工作一段时间后,甲池溶液仍是硫酸锌溶液,质量不变,C错误;该装置是原电池装置,将化学能转化为电能,电子的定向移动产生电流,但电子总量不变,D错误。
4.(2018·安庆高一检测)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池,电池反应方程式为2AgCl+MgMg2++2Ag+2Cl-。有关该电池的说法正确的是 ( )
A.Mg为电池的正极
B.负极反应为AgCl+e-Ag+Cl-
C.不能被KCl溶液激活
D.可用于海上应急照明供电
【解析】选D。Mg失去电子发生氧化反应,是电池的负极,A项错误;负极反应为Mg-2e-Mg2+,B项错误;Mg-AgCl电池能够被海水激活,改用KCl作电解质溶液也能够激活该电池,C项错误;Mg-AgCl电池可将化学能转化为电能用于海上应急照明供电,D项正确。
【互动探究】
(1)该电池可能发生的副反应为________。
提示:Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑。镁为活泼金属,可以与水反应。
(2)由该电池反应能否说明镁的金属性大于银?
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提示:可以。电池反应都是可以自发进行的氧化还原反应,由方程式可知,镁的还原性大于银,即金属性镁大于银。
5.(2018·清远高一检测)锂-碘电池可用来为心脏起搏器提供能源,其电池反应式可简化为2Li+I22LiI。下列有关说法正确的是 ( )
A.I2发生氧化反应
B.碘电极为该电池的正极
C.正极反应为Li-e-Li+
D.该电池放电时电能转化为化学能
【解析】选B。分析反应前后元素化合价变化,可得Li为还原剂,I2为氧化剂,负极材料为Li(还原剂),发生氧化反应,电极反应式为Li-e-Li+,正极发生还原反应,电极反应式为I2+2e-2I-,故A、C错误,B正确;该装置为原电池,原电池是把化学能转化为电能的装置,D错误。
【补偿训练】
锂硫电池放电时反应为2Li+SLi2S,其装置如图所示。下列关于该电池的说法正确的是 ( )
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A.Li作正极
B.电池工作时Li被还原
C.电子由S经导线流向Li
D.实现了化学能向电能的转化
【解析】选D。由锂硫电池放电时反应为2Li+SLi2S可知,Li发生氧化反应,是原电池的负极反应,则Li作负极,故A、B错误;C.原电池工作时,电子经外电路由负极流向正极,故C错误;D.原电池是化学能转化为电能的装置,故D正确。
6.镁燃料电池具有能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于储运等特点。如图为镁-次氯酸盐燃料电池的工作原理图,下列有关说法不正确的是 ( )
A.放电过程中OH-移向正极
B.电池的总反应式为Mg+ClO-+H2OMg(OH)2↓+Cl-
C.镁电池中镁均为负极,发生氧化反应
D.正极反应式:ClO-+H2O+2e-Cl-+2OH-
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【解析】选A。根据工作原理图判断反应过程,判断正、负极,正确书写电极反应式。镁燃料电池,镁作负极失电子,碱性溶液中生成Mg(OH)2。ClO-在正极反应,由图可知有Cl-和OH-生成, 正极反应式:ClO-+H2O+2e-Cl-+2OH-,OH-向负极移动,生成Mg(OH)2。
二、非选择题(本题包括2小题,共20分)
7.(10分)锂锰电池的体积小,性能优良,是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示,其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中,Li+通过电解质转移到MnO2晶格中生成LiMnO2。请回答下列问题:
(1)外电路的电流方向是由________极流向________极(填字母)。
(2)负极的电极反应式为____________________。
(3)是否可用水代替电池中的混合有机溶剂?________(填“是”或“否”);原因是________________________________________。
【解析】(1)该电池中Li失去电子生成Li+,所以Li作电池的负极,则a是负极,b是正极,所以外电路中的电流方向由正极流向负极,所以从b流向a。
(2)负极发生氧化反应,即Li失去电子生成Li+,电极反应式为Li-e-Li+。
(3)不能用水代替电池中的混合有机溶剂,因为Li是活泼金属,与水反应,无法参与原电池反应,不能产生电流。
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答案:(1)b a (2)Li-e-Li+ (3)否 电极Li是活泼金属,能与水反应
8.(10分)氢气是未来最理想的能源之一,科学家最近研制出利用太阳能产生激光,并在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术:2H2O2H2↑+O2↑。制得的氢气可用于燃料电池。试回答下列问题:
(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现________能转变为________能。水分解时,断裂的化学键为________键,分解海水的反应属于________反应(填“放热”或“吸热”)。
(2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,两极上发生的电极反应分别为
A极:2H2+2O2--4e-2H2O;
B极:O2+4e-2O2-,
则A极是电池的________极;电子从该极________(填“流入”或“流出”)。
(3)有人以化学反应:2Zn+O2+4H+2Zn2++2H2O为基础设计出一种原电池,移入人体内作为心脏起搏器的能源,它靠人体内血液中溶有一定浓度的O2、H+进行工作。则原电池的负极材料是____________________,正极上发生反应的电极反应式为______________。
【解析】(1)海水分解生成的氢气用于燃料电池时,实现了化学能转变为电能。水分解时,断裂的化学键为共价键,
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分解海水的反应属于吸热反应。
(2)根据电极反应可知,A极发生氧化反应,应该是电池的负极,电子从该极流出。
(3)负极发生氧化反应,所以该原电池的负极材料是Zn,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,则正极上发生反应的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O。
答案:(1)化学 电 共价 吸热
(2)负 流出
(3)Zn O2+4H++4e-2H2O
【补偿训练】
(1)高铁电池是一种新型可充电电池,与普通电池相比,该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2 +2Fe(OH)3+4KOH。请回答下列问题:
①高铁电池的负极材料是________。
②放电时,正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应。已知正极反应为Fe+3e-+4H2OFe(OH)3+5OH-,则负极反应为__________________。
③放电时,______(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
(2)某种燃料电池的工作原理示意图如图所示,a、b均为惰性电极。
①使用时,空气从________口通入(填“A”或“B”)。
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②假设使用的“燃料”是甲醇(CH3OH),总反应式为2CH3OH+4OH-+3O22C+6H2O,a极的电极反应式为______________。
【解析】(1)高铁电池放电时为原电池,负极发生氧化反应,正极发生还原反应。总反应式减去正极反应式得负极反应式,正极生成OH-,故正极附近溶液碱性增强。(2)由电子流动方向可知a为负极,b为正极,空气应从B口通入,容易写出总反应式和正极反应式,两者相减得出负极反应式。
答案:(1)①Zn ②还原 Zn+2OH--2e-Zn(OH)2 ③正 (2)①B
②CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
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