第16讲原电池【练基础】1.某原电池装置如图所示。下列有关叙述中正确的是( )A.电池工作时,盐桥中的Cl-向负极移动B.负极反应式:2H++2e-===H2↑C.工作一段时间后,两烧杯中溶液pH均不变D.Fe作正极,发生氧化反应【答案】A【解析】根据原电池工作原理,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,盐桥的作用是构成闭合回路和平衡两烧杯中的电荷,所以Cl-向负极移动,故A正确;铁作负极,负极反应式为Fe-2e-===Fe2+,正极反应式为2H++2e-===H2↑,故B错误;左烧杯中pH基本不变,右烧杯中消耗H+,c(H+)减小,pH增大,故C错误;电池总反应式为Fe+2H+===Fe2++H2↑,铁作负极,发生氧化反应,故D错误。2.某小组为研究原电池原理,设计如图装置,下列叙述正确的是( )A.若X为Fe,Y为Cu,则铁为正极B.若X为Fe,Y为Cu,则电子由铜片流向铁片C.若X为Fe,Y为C,则碳棒上有红色固体析出D.若X为Cu,Y为Zn,则锌片发生还原反应【答案】C【解析】Fe比Cu活泼,Fe做负极,电子从Fe流向Cu,故A、B错误;若X为Fe,Y为C,电解质为硫酸铜,则正极碳棒上析出Cu,故C正确;Zn比Cu活泼,Zn做负极,发生氧化反应,故D错误。3.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。下列有关叙述中正确的
是( )A.铜电极上发生氧化反应B.电池工作一段时间后,甲池中的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【解析】活泼金属锌作负极,铜作正极,铜电极上发生还原反应,故A错误;电池工作一段时间后,甲池中的c(SO)不变,故B错误;铜电极上发生电极反应:Cu2++2e-===Cu,同时Zn2+通过阳离子交换膜从甲池移向乙池,由电荷守恒可知,乙池中每析出1molCu,则有1molZn2+从甲池移向乙池,因为M(Zn)>M(Cu),所以乙池溶液的总质量增加,故C正确;阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,阴离子不能通过阳离子交换膜,故D错误。4.根据下图判断,下列说法正确的是( )A.装置Ⅰ和装置Ⅱ中负极反应均是Fe-2e-===Fe2+B.装置Ⅰ和装置Ⅱ中正极反应均是O2+2H2O+4e-===4OH-C.装置Ⅰ和装置Ⅱ中盐桥中的阳离子均向右侧烧杯移动D.放电过程中,装置Ⅰ左侧烧杯和装置Ⅱ右侧烧杯中溶液的pH均增大【答案】D【解析】装置Ⅰ中的负极为Zn,A项错误;装置Ⅱ中的正极反应为2H++2e-===H2↑,B项错误;阳离子向正极移动,装置Ⅰ中阳离子向左侧烧杯移动,C项错误。5.将一张滤纸剪成四等份,用铜片、锌片、发光二极管、导线在玻璃片上连接成如图所示的装置,在
四张滤纸上滴加稀硫酸直至全部润湿。下列叙述中正确的是( )A.锌片上有气泡,铜片溶解B.Zn片发生还原反应C.电子都是从铜片经外电路流向锌片D.该装置至少有两种形式的能量转换【答案】D【解析】锌、铜、稀硫酸构成原电池,锌为负极,铜为正极,正极上发生还原反应生成氢气,故A错误;锌为负极,发生氧化反应,故B错误;电子从锌极经外电路流向铜极,故C错误;该装置存在电能与化学能、电能与光能的转化,故D正确。6.某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性:Cr2O>Fe3+,设计了盐桥式的原电池,如图所示。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-===Cr2O+14H+C.外电路的电流方向为从b到aD.电池工作时,盐桥中的SO移向乙烧杯【答案】C【解析】A项,甲烧杯中发生的反应为Fe2+-e-===Fe3+,为氧化反应,错误;B项,乙烧杯中Cr2O发生还原反应,得到电子,错误;C项,a极为负极,b极为正极,外电路的电流方向为从b到a,正确;D项,SO向负极移动,即移向甲烧杯,错误。7.某学习小组的同学查阅相关资料得到氧化性:Cr2O>Fe3+,
设计了如图所示的盐桥原电池。盐桥中装有含琼脂的饱和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.外电路的电流方向是从b极到a极C.电池工作时,盐桥中的SO移向乙烧杯D.乙烧杯中的电极反应式为2Cr3++7H2O-6e-===Cr2O+14H+【答案】B【解析】由于氧化性:Cr2O>Fe3+,即Cr2O可以将Fe2+氧化为Fe3+,故在原电池中,Fe2+失电子被氧化,则a极为负极;Cr2O得电子被还原,则b极为正极。Fe2+失电子被氧化,即甲烧杯的溶液中发生氧化反应,A错误;外电路中电流由正极流向负极,即由b极流向a极,B正确;原电池中,阴离子移向负极,则SO移向甲烧杯,C错误;乙烧杯中Cr2O得电子被还原,则电极反应式为Cr2O+6e-+14H+===2Cr3++7H2O,D错误。8.如图为以Pt为电极的氢氧燃料电池的工作原理示意图,稀H2SO4为电解质溶液。下列有关说法不正确的是( )A.a极为负极,电子由a极经外电路流向b极B.a极的电极反应式:H2-2e-===2H+C.电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)增大D.若将H2改为CH4,消耗等物质的量的CH4时,O2的用量增多【答案】C【解析】a极通入的H2发生氧化反应,为负极,电子由a极经外电路流向b极;以稀H2SO4
为电解质溶液时,负极的H2被氧化为H+;电池总反应为2H2+O2===2H2O,电池工作一段时间后,装置中c(H2SO4)减小;根据电池总反应2H2+O2===2H2O,CH4+2O2===CO2+2H2O可知,等物质的量的CH4比H2消耗O2多。9.一种新型的电池,总反应式为3Zn+2FeO+8H2O===2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )A.Zn极是负极,发生氧化反应B.随着反应的进行,溶液的pH增大C.电子由Zn极流出到石墨电极,再经过溶液回到Zn极,形成回路D.石墨电极上发生的反应为FeO+3e-+4H2O===Fe(OH)3↓+5OH-【答案】C【解析】根据电池总反应式,结合原电池的工作原理可知,锌作负极,发生氧化反应,A正确;根据电池总反应式可知,反应生成OH-、消耗H2O,溶液的pH增大,B正确;根据原电池的工作原理,电子从Zn电极流出,经外电路流向石墨,电子不能通过电解质溶液,C错误;负极的电极反应式为Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,正极的电极反应式为FeO+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH-,D正确。10.可充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性,其电池反应为Mg+2MnF3===2MnF2+MgF2。下列有关说法不正确的是( )A.镁为负极材料B.正极的电极反应式为MnF3+e-===MnF2+F-C.电子从镁极流出,经电解质流向正极D.每生成1molMnF2时转移1mol电子【答案】C【解析】由电池反应可知,镁失去电子,发生氧化反应,为负极,A项正确;电池反应中,三氟化锰发生还原反应,为正极,B项正确;电子由负极(镁极)流出经外电路流向正极,C项不正确;锰元素由+3价降至+2价,每生成1molMnF2转移1mol电子,D项正确。【练提升】
1.某原电池以银、铂为电极,用含Ag+的固体作电解质,Ag+可在固体电解质中自由移动。电池总反应式为2Ag+Cl2===2AgCl。利用该电池可以测定空气中Cl2的含量。下列说法中错误的是( )A.空气中c(Cl2)越大,消耗Ag的速率越快B.铂极的电极反应式为Cl2+2e-+2Ag+===2AgClC.电池工作时电解质中Ag+总数保持不变D.电子移动方向:银→固体电解质→铂【答案】D【解析】c(Cl2)越大,反应速率越快,则消耗银的速率也越快,A正确;银比铂活泼,铂作正极,Cl2在铂上得到电子发生还原反应生成Cl-,再与电解质中的Ag+结合,电极反应式为Cl2+2e-+2Ag+===2AgCl,B正确;根据电池总反应式可知,电解质中Ag+总数保持不变,C正确;原电池中,电子从负极经过外电路的导线流向正极,电子不能通过电解质,故电子移动方向应是银→外电路导线→铂,D错误。2.某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质,以CH4为燃料时,该电池工作原理如图所示,下列说法正确的是( )A.a为空气,b为CH4B.CO向正极移动C.此电池在常温时也能工作D.正极电极反应式为2CO2+O2+4e-===2CO【答案】D【解析】燃料电池中通入燃料的一极是负极,通入氧化剂的一极是正极,根据电子流向可知,左边电极是负极、右边电极是正极,所以a为CH4,b为空气,故A错误;原电池放电时,阴离子向负极移动,则CO向负极移动,故B错误;电解质为熔融碳酸盐,需要高温条件,故C错误;正极上O2得到电子和CO2反应生成CO,电极反应式为O2+2CO2+4e-===2CO,故D正确。3.最近科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2,同时产生电能,其原理示意如图。下列有关该电池的说法中正确的是( )
A.氧化银电极上的反应为Ag2O+2e-===2Ag+O2-B.石墨电极上的反应为C6H12O6+6H2O+24e-===6CO2↑+24H+C.每转移4mol电子,氧化银电极产生22.4LCO2气体(标准状况)D.每30gC6H12O6参与反应,有4molH+经质子交换膜进入正极区【答案】D【解析】C6H12O6在微生物作用下转化为CO2和H2O,C6H12O6被氧化,即石墨电极为负极,氧化银电极为正极,Ag2O发生得电子的还原反应,电极反应式为Ag2O+2H++2e-===2Ag+H2O,故A错误;石墨电极为负极,C6H12O6在负极发生失电子的氧化反应:C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2↑+24H+,故B错误;根据负极的电极反应式可知,每转移4mol电子,石墨电极产生22.4LCO2(标准状况),故C错误;30gC6H12O6的物质的量为=mol,根据B项负极的电极反应式可知,每30gC6H12O6参与反应,有4molH+经质子交换膜进入正极区,故D正确。4.三元电池成为我国电动汽车的新能源,其正极材料可表示为LixyzO2,且x+y+z=1。充电时电池总反应为LiNixCoyMnzO2+6C(石墨)===Li1-aNixCoyMnzO2+LiaC6,其电池工作原理如图所示,两极之间有一个允许特定的离子X通过的隔膜。下列说法正确的是( )A.允许离子X通过的隔膜属于阳离子交换膜B.充电时,A为阴极,发生氧化反应C.放电时,B为负极,发生氧化反应D.放电时,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-===LiNixCoyMnzO2【答案】AD【解析】根据充电时电池总反应可知,放电时负极反应式为LiaC6-ae-===6C(石墨)+aLi+
,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-===LiNixCoyMnzO2,将放电时负极、正极反应式左右颠倒,即分别得到充电时阴极、阳极反应式,D项正确;放电时,A是负极、B是正极,Li+向正极移动,则X是Li+,允许阳离子通过的隔膜为阳离子交换膜,A项正确,C项错误;充电时,A是阴极,发生还原反应,B项错误。5.新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图,该电池总反应方程式为NaBH4+4H2O2===NaBO2+6H2O。下列有关说法中正确的是( )A.电池正极区的电极反应为BH+8OH--8e-===BO+6H2OB.电极B为负极,纳米MnO2层的作用是提高原电池的工作效率C.放电过程中,Na+从正极区向负极区迁移D.在电池反应中,每消耗1L6mol·L-1H2O2溶液,理论上流过电路中的电子数为12NA【答案】D【解析】根据图示知,B电极上H2O2得电子生成OH-,所以B电极是正极,发生的电极反应为H2O2+2e-===2OH-,故A、B错误;根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的原则,放电时,阳离子向负电荷较多的正极移动,阴离子向正电荷较多的负极移动,所以Na+从负极区向正极区迁移,故C错误;在电池反应中,每消耗1L6mol·L-1H2O2溶液,消耗H2O2的物质的量为6mol,根据H2O2+2e-===2OH-知,理论上流过电路中的电子数为6mol×2×NAmol-1=12NA,故D正确。6.自然界中金属硫化物之间存在原电池反应。如图所示装置中电极Ⅰ为方铅矿(PbS),电极Ⅱ为含有方铅矿的硫铁矿,当有电解质溶液按如图所示方向流经该装置时,电流表指针偏转。若电极Ⅱ质量不断减少,a处溶液中加入KSCN溶液未出现红色,加入CuSO4溶液未出现黑色沉淀。下列有关说法中正确的是( )A.工业上利用该原理富集铁B.电极Ⅱ作正极C.溶液流经该装置后pH增大D.该装置负极的电极反应式为FeS2-15e-+8H2O===Fe3++2SO+16H+
【答案】A【解析】电极Ⅱ质量不断减少,说明电极Ⅱ为负极,a处溶液中加入KSCN溶液未出现红色,说明溶液中不存在Fe3+,加入CuSO4溶液未出现黑色沉淀,说明溶液中不存在S2-,则在该原电池中硫铁矿溶解生成Fe2+和SO。根据上述分析,通过该装置,硫铁矿溶解生成Fe2+,可以富集铁,故A正确;根据上述分析,电极Ⅱ作负极,故B错误;该装置负极的电极反应式为FeS2-14e-+8H2O===Fe2++2SO+16H+,反应生成H+,则溶液流经该装置后pH减小,故C、D错误。7.应用电化学原理,回答下列问题。(1)上述三个装置中,负极反应物化学性质上的共同特点是____________________________________。(2)甲中电流计指针偏移时,盐桥(装有含琼脂的KCl饱和溶液)中离子移动的方向是________________________________________________________________________。(3)乙中正极反应式为________________;若将H2换成CH4,则负极反应式为________________________________________________________________________。(4)丙中铅蓄电池放电一段时间后,进行充电时,要将外接电源的负极与铅蓄电池________极相连接。(5)应用原电池反应可以探究氧化还原反应进行的方向和程度。现连接如图装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应),进行实验:
ⅰ.K闭合时,指针偏移。放置一段时间后,指针偏移减小。ⅱ.随后向U形管左侧逐渐加入浓Fe2(SO4)3溶液,发现电流表指针的变化依次为偏移减小→回到零点→逆向偏移。①实验ⅰ中银作________极。②综合实验ⅰ、ⅱ的现象,得出Ag+和Fe2+反应的离子方程式是__________________________。【解析】(1)负极反应物中有元素化合价升高,发生氧化反应,相应物质本身具有还原性,即负极反应物化学性质上的共同特点是易失电子被氧化,具有还原性。(2)原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,则盐桥中的钾离子会移向硫酸铜溶液,氯离子移向硫酸锌溶液。(3)乙中装置为碱性氢氧燃料电池,正极上氧气得电子发生还原反应生成氢氧根离子,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-;若将H2换成CH4,则负极反应式为CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O。(4)丙中铅蓄电池放电一段时间后,进行充电时,要将负极中的硫酸铅变成单质铅,发生还原反应,所以应作电解池的阴极,则与电源的负极相连。(5)①亚铁离子失电子发生氧化反应,所以石墨电极作负极,银作正极;②综合实验ⅰ、ⅱ的现象,可知Ag+和Fe2+的反应可逆,故得出Ag+和Fe2+反应的离子方程式:Fe2++Ag+Fe3++Ag。【答案】(1)易失电子被氧化,具有还原性(2)钾离子移向硫酸铜溶液、氯离子移向硫酸锌溶液(3)O2+4e-+2H2O===4OH-CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O(4)负 (5)①正 ②Fe2++Ag+Fe3++Ag8.某兴趣小组做如下探究实验:(1)图Ⅰ为依据氧化还原反应设计的原电池装置,该反应的离子方程式为___________
。反应前,两电极质量相等,一段时间后,两电极质量相差12g,则导线中通过________mol电子。(2)如图Ⅰ,其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,石墨电极的反应式为________________________________________________________________________,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:_________________________________________________________。(3)如图Ⅱ,其他条件不变,将图Ⅰ中的盐桥换成铜丝与石墨(2)相连成n形,则乙装置中石墨(1)为________(填“正”“负”“阴”或“阳”)极,乙装置中与铜丝相连的石墨(2)电极上的电极反应式为__________________________________________。(4)将图Ⅱ乙装置中的CuCl2溶液改为400mLCuSO4溶液,一段时间后,若电极质量增重1.28g,则此时溶液的pH为________(不考虑反应中溶液体积的变化)。【解析】(1)Fe是活性电极,失电子被氧化生成Fe2+,石墨是惰性电极,溶液中Cu2+在石墨电极得电子被还原生成Cu,故该原电池反应为Fe+Cu2+===Fe2++Cu。工作过程中,Fe做负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,铁电极质量减少;石墨做正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,石墨电极质量增加;设两电极质量相差12g时电路中转移电子为xmol,则有xmol××56g·mol-1+xmol××64g·mol-1=12g,解得x=0.2。(2)NH4Cl溶液中NH发生水解反应:NH+H2ONH3·H2O+H+,使溶液呈酸性,故石墨电极(即正极)上发生的反应为2H++2e-===H2↑。(3)其他条件不变,若将盐桥换成铜丝与(2)石墨相连成n形,则甲装置为原电池,Fe做负极,Cu做正极;乙装置为电解池,则石墨(1)为阴极,石墨(2)为阳极,溶液中Cl-在阳极放电生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。(4)若将乙装置中的CuCl2溶液改为400mLCuSO4溶液,电解CuSO4溶液的总反应方程式为2CuSO4+2H2O2H2SO4+2Cu+O2↑,当电极质量增重1.28g(即析出0.02molCu)时,生成0.02molH2SO4,则c(H+)==0.1mol·L-1,pH=-lg0.1=1,故此时溶液的pH为1。【答案】(1)Fe+Cu2+===Fe2++Cu 0.2(2)2H++2e-===H2↑ 酸性 NH+H2ONH3·H2O+H+(3)阴 2Cl--2e-===Cl2↑ (4)19.某兴趣小组做如下探究实验:
(1)图Ⅰ为依据氧化还原反应设计的原电池装置,该反应的离子方程式为________________________________________________________________________。反应前,两电极质量相等,一段时间后,两电极质量相差12g,则导线中通过________mol电子。(2)如图Ⅰ,其他条件不变,若将CuCl2溶液换为NH4Cl溶液,石墨电极的反应式为________________________________________________________________________,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:____________________________________________________________________________。(3)如图Ⅱ,其他条件不变,将图Ⅰ中的盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n形,则乙装置中石墨(1)为________(填“正”“负”“阴”或“阳”)极,乙装置中与铜丝相连的石墨(2)电极上的电极反应式为__________________________________________________________。(4)将图Ⅱ乙装置中的CuCl2溶液改为400mLCuSO4溶液,一段时间后,若电极质量增重1.28g,则此时溶液的pH为________(不考虑反应中溶液体积的变化)。【解析】(1)Fe是活性电极,失电子被氧化生成Fe2+,石墨是惰性电极,溶液中的Cu2+在石墨电极得电子被还原生成Cu,故该原电池反应为Fe+Cu2+===Fe2++Cu。工作过程中,Fe作负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,铁电极质量减少;石墨作正极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,石墨电极质量增加;设两电极质量相差12g时电路中转移电子为xmol,则有xmol××56g·mol-1+xmol××64g·mol-1=12g,解得x=0.2。(2)NH4Cl溶液中NH会发生水解反应:NH+H2ONH3·H2O+H+,使溶液呈酸性,故石墨电极(即正极)上发生的反应为2H++2e-===H2↑。(3)其他条件不变,若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n形,则甲装置为原电池,Fe作负极,Cu作正极;乙装置为电解池,则石墨(1)为阴极,石墨(2)为阳极,溶液中的Cl-在阳极放电生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。(4)若将乙装置中的CuCl2溶液改为400mLCuSO4溶液,电解CuSO4溶液的总反应方程式为2CuSO4+2H2O2H2SO4+2Cu+O2↑,当电极质量增加1.28g(即析出0.02molCu)时,生成0.02molH2SO4,则c(H+)==0.1mol·L-1,pH=-lg0.1=1,故此时溶液的pH为1。【答案】(1)Fe+Cu2+===Fe2++Cu 0.2(2)2H++2e-===H2↑ 酸性 NH+H2ONH3·H2O+H+(3)阴 2Cl--2e-===Cl2↑ (4)110.(1)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池,其原理见图1,石墨Ⅰ为电池的________极;该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y,其电极反应式为____________________________________。
(2)化学家正在研究尿素动力燃料电池。用这种电池直接去除城市废水中的尿素,既能产生净化的水,又能发电,尿素燃料电池结构如图3所示:回答下列问题:电池中的负极为________(填“甲”或“乙”),甲的电极反应式为______________,电池工作时,理论上每净化1mol尿素,消耗O2的体积(标准状况下)约为________L。【解析】(1)该燃料电池中,正极上通入O2,石墨Ⅱ为正极,电极反应式为O2+2N2O5+4e-===4NO,负极上通入NO2,石墨Ⅰ为负极,电极反应式为NO2+NO-e-===N2O5。(2)根据图示可知,甲电极上CO(NH2)2反应生成二氧化碳和氮气,N元素化合价升高,失电子,为电源的负极,电解质溶液为酸性,则其电极反应式为CO(NH2)2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+,该反应的总方程式为2CO(NH2)2+3O2===2CO2+2N2+4H2O,根据关系式2CO(NH2)2~3O2可知,电池工作时,理论上每净化1mol尿素,消耗O2的体积为1.5mol×22.4L·mol-1=33.6L。【答案】(1)负 NO2+NO-e-===N2O5(2)甲 CO(NH2)2+H2O-6e-===CO2↑+N2↑+6H+ 33.6