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高二化学选修四第四章 第二节 化学电源习题


第二节

化学电源

[目标要求] 1.了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。2.了解一次电池、二 次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3.正确书写原电池的电极反应 式和电池反应方程式。

一、化学电池 化学电池是利用原电池原理,将化学能转化为电能的装置。 二、常用电池 1.一次电池 碱性锌锰电池 锌银电池 负极:Zn 负极:Zn 电池结构 正极:MnO2 正极:Ag2O 电解质溶液:KOH 溶液 电解质溶液:KOH 溶液 - 2MnO2+2e +2H2O===2MnOOH - - 正极 Ag2O+2e +H2O===2Ag+2OH 电极 - +2OH 反应 - - - - 负极 Zn-2e +2OH ===Zn(OH)2 Zn+2OH -2e ===Zn(OH)2 Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+ 总反应式 2Ag +Zn(OH)2 2.二次电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池 负极:Pb 负极:H2 电池结构 正极:PbO2 正极:O2 电解质溶液:H2SO4 溶液 电解质:酸性电解质 - + PbO2(s)+SO2 (aq)+4H (aq)+2e + - 4 正极 O2+4H +4e ===2H2O - 电极 ===PbSO4(s)+2H2O(l) - - 反应 Pb(s)+SO2 (aq)-2e - + 4 负极 2H2-4e ===4H ===PbSO4(s) Pb(s)+PbO2(s)+ 总反应式 2H2+O2===2H2O 2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+ 2H2O(l)

知识点一 化学电池 1.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点,因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧 化钾溶液为电解液,电池总反应式为 Zn+MnO2+H2O===ZnO+Mn(OH)2 下列说法中,错误的是( ) A.电池工作时,锌失去电子 B.电池正极的电极反应式为 - - MnO2+2H2O+2e ===Mn(OH)2+2OH C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极 D.外电路中每通过 0.2 mol 电子,锌的质量理论上减少 6.5 g 答案 C 解析 本题要求利用原电池的原理,分析碱性锌锰电池:锌为负极,在反应中失去电子, 故 A 正确;电池工作时,电流由正极通过外电路流向负极,而电子定向移动方向与电流方向 相反,故 C 错误;由电子守恒知 D 项正确;由该电池反应的总反应式和原电池的原理写出正

极反应式知 B 正确。 2.某新型可充电电池,能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为 3Zn+ 2K2FeO4+8H2O
放电 充电

3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,以下说法不正确的是(
- -

)

A.放电时负极反应式为 Zn-2e +2OH ===Zn(OH)2 - - - B.放电时正极反应式为 FeO2 +4H2O+3e ===Fe(OH)3+5OH 4 C.放电时每转移 3 mol 电子,正极有 1 mol K2FeO4 被氧化 D.充电时阳极附近的溶液的碱性减弱 答案 C - - 解析 选项 A,放电时,在碱性条件下,Zn 失去电子为电池的负极:Zn-2e +2OH ===Zn(OH)2;选项 B,根据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相等)可得放电时 - - - 正极反应式为 FeO2 +4H2O+3e ===Fe(OH)3+5OH ;选项 C,放电时,K2FeO4 被还原;选 4 - 项 D,充电是放电的逆向反应,所以充电时,阳极消耗 OH ,导致阳极附近的溶液的碱性减 弱。 3.生产铅蓄电池时,在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的 PbSO4,干燥后再
放电

安装,充电后即可使用,发生的反应是 2PbSO4+2H2O 充电 PbO2+Pb+2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法错误的是( ) A.需要定期补充硫酸 B.工作时铅是负极,PbO2 是正极 - - C.工作时负极上发生的反应是 Pb-2e +SO2 ===PbSO4 4 D.工作时电解质的密度减小 答案 A 解析 铅蓄电池放电时相当于原电池,Pb 是负极,PbO2 是正极,负极发生的反应是 Pb + + - 失去电子生成 Pb2 ,Pb2 与溶液中的 SO2 生成 PbSO4 沉淀,放电时消耗的硫酸与充电时生 4 成的硫酸相等,在电池制备时,PbSO4 的量是一定的,制成膏状,干燥后再安装,说明 H2SO4 不用补充;放电时,H2SO4 被消耗,溶液中的 H2SO4 的物质的量浓度减小,所以溶液的密度 也随之减小。 知识点二 燃料电池 4. 固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质, 这种固体电解质在高温下允 2- 许氧离子(O )在其间通过。该电池的工作原理如下图所示,其中多孔电极 a、b 均不参与电 极反应。

下列判断正确的是( ) A.有 O2 参加反应的 a 极为电池的负极 - - B.b 极的电极反应式为 H2-2e +O2 ===H2O - - C.a 极对应的电极反应式为 O2+2H2O+4e ===4OH D.该电池的总反应式为 2H2+O2=====2H2O 答案 D 解析 因为电子从 b 电极流向 a 电极,所以 b 电极为负极,H2 在该极发生氧化反应;a - + 电极为正极,O2 在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为 H2-2e ===2H , 1 高温 - - 正极电极反应式为 O2+2e ===O2 ,则电池总反应式为 2H2+O2=====2H2O。 2 5.有位科学家说:“甲烷是 21 世纪的新燃料。”甲烷作为燃料的用途之一就是用于制
高温

作燃料电池。有科技工作者制造了一种甲烷燃料电池,一个电极通入空气,另一个电极通入 - 甲烷,电解质是掺杂了 Y2O3 的 ZrO2 晶体,它在高温下能传导 O2 。以下判断错误的是( ) - - A.电池正极发生的反应:O2+4e ===2O2 - - B.电池负极发生的反应:CH4+4O2 -8e ===CO2+2H2O - C.固体电解质里的 O2 的移动方向:由正极流向负极 D.向外电路释放电子的电极:正极(即电子由正极流向负极) 答案 D 解析 因为放电时,电池正极发生还原反应(元素化合价降低),负极发生氧化反应(元素 - - - - 化合价升高)。所以正极反应式是 O2+4e ===2O2 ,负极反应式是 CH4+4O2 -8e ===CO2 - +2H2O。由上述电池的正、负极反应式可以看出:正极反应“源源不断”地产生 O2 ,负极 - - 反应要持续进行,则需要“持续不断”的 O2 供应,故电池内 O2 的移动方向是由正极流向 负极。电池的负极发生氧化反应,失去电子,故外电路电子从负极流出,所以 D 错误。

练基础落实 1.铅蓄电池的两极分别为 Pb、PbO2,电解质溶液为 H2SO4,工作时的电池反应式为 Pb +PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,下列结论正确的是( ) A.Pb 为正极被氧化 B.溶液的 pH 不断减小 - C.SO2 只向 PbO2 处移动 D.电解质溶液的 pH 不断增大 4 答案 D 解析 由题给电极反应式可以看出 H2SO4 不断被消耗, pH 不断增大, 故 所以 B 不正确, D 正确;由 Pb 元素化合价的变化,可以看出 Pb 是负极,所以 A 不正确;原电池工作时,整 个电路中负电荷的流向是一致的,外电路中,电子由 Pb 极流向 PbO2 极;内电路中,负电荷 - - (SO2 和 OH )移向 Pb 极,所以 C 不正确。 4 2.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种银锌电池,其电极分别是 Ag2O 和 Zn,电解质溶液为 KOH 溶液,电极反应式为 - - Zn+2OH -2e ===ZnO+H2O - - Ag2O+H2O+2e ===2Ag+2OH 总反应式为 Ag2O+Zn===ZnO+2Ag 根据上述反应式,判断下列叙述中正确的是( ) A.在使用过程中,电池负极区溶液的 pH 增大 B.在使用过程中,电子由 Ag2O 经外电路流向 Zn 极 C.Zn 是负极,Ag2O 是正极 D.Zn 极发生还原反应,Ag2O 极发生氧化反应 答案 C 解析 (1)根据电极反应式可知 Zn 失电子被氧化而溶解,Ag2O 得电子被还原,故 Zn 是 - 负极,Ag2O 是正极,所以 C 正确;(2)负极(即 Zn 极)在反应时消耗 OH ,则负极区溶液的 pH 应减小,故 A 错误;(3)发生原电池反应时,电子由负极经外电路到正极,即电子从 Zn 极经外电路到 Ag2O 极,故 B 错误;(4)在原电池中,负极发生氧化反应,正极发生还原反应, 故 D 错误。 3.有人设计出利用 CH4 和 O2 的反应,用铂电极在 KOH 溶液中构成原电池。电池的总 反应类似于 CH4 在 O2 中燃烧,则下列说法正确的是( ) - ①每消耗 1 mol CH4 可以向外电路提供 8 mol e ②负极上 CH4 失去电子,电极反应式 - - - 为 CH4+10OH -8e ===CO2 +7H2O ③负极上是 O2 获得电子,电极反应式为 O2+2H2O 3 - - +4e ===4OH ④电池放电后,溶液的 pH 不断升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ 答案 A 解析 CH4 在铂电极上发生类似于 CH4 在 O2 中燃烧的反应,即 CH4→CO2,严格地讲生 成的 CO2 还与 KOH 反应生成 K2CO3,化合价升高,失去电子,是电池的负极,电极反应式 - - - - 为 CH4-8e +10OH ===CO2 +7H2O,1 mol CH4 参加反应有 8 mol e 发生转移,O2 在正极上 3 - - - 发生反应,获得电子,电极反应式为 O2+2H2O+4e ===4OH 。虽然正极产生 OH ,负极消

耗 OH ,但从总反应式 CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O 可看出是消耗了 KOH,所以电 池放电时溶液的 pH 值不断下降,故①②正确,③④错误。 练方法技巧 4.锌锰干电池在放电时,电池总反应方程式可以表示为 Zn+2MnO2+2NH4 ===Zn2 + Mn2O3+2NH3+H2O,此电池放电时,在正极(碳棒)上发生反应的物质是( )
+ +



A.Zn B.碳 C.MnO2 和 NH4 D.Zn2 和 NH3 答案 C 解析 根据原电池原理,锌为负极,碳棒为正极,锌应参加负极反应,而 MnO2 在反应 + 中得到电子,应当在正极区发生反应,又由于 NH4 移向正极,在正极发生反应生成 NH3。本 题考查原电池电极反应式的书写,阳离子移动的方向。 5.氢氧燃料电池用于航天飞机,电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水,其 电极反应式如下: - - 负极:2H2+4OH -4e ===4H2O - - 正极:O2+2H2O+4e ===4OH 当得到 1.8 L 饮用水时,电池内转移的电子数约为( ) A.1.8 mol B.3.6 mol C.100 mol D.200 mol 答案 D 1.8×103 g 解析 n(H2O)= - =100 mol 18 g· mol 1 - 2H2+O4e 2===2H2O - - 即每生成 1 mol H2O 则转移 2 mol e ,当生成 100 mol H2O 时,转移 200 mol e 。 6. 乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂, 200℃左右时供电, 在 电池总反应式为 C2H5OH +3O2===2CO2+3H2O,电池示意图,下列说法中正确的是( )





A.电池工作时,质子向电池的负极迁移 B.电池工作时,电流由 b 极沿导线流向 a 极 - + C.a 极上发生的电极反应是 C2H5OH+3H2O+12e ===2CO2+12H - - D.b 极上发生的电极反应是 2H2O+O2+4e ===4OH 答案 B 解析 通入乙醇的一极(a 极)为负极,发生氧化反应;通入氧气的一极(b 极)为正极,发 生还原反应。电池工作时,阳离子(质子)向电池的正极迁移,A 项不正确;电流方向与电子 流向相反,电流由 b 极沿导线流向 a 极,B 项正确;a 极上乙醇应该失电子被氧化,所以 C - 项不正确;因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂,所以电极反应式中不能出现 OH ,D 项不 正确。

练综合拓展 7.科学家预言,燃料电池将是 21 世纪获得电力的重要途径,美国已计划将甲醇燃料电 池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂,在稀硫酸电解质中直接 加入纯化后的甲醇,同时向一个电极通入空气。回答下列问题: (1)这种电池放电时发生的化学反应方程式: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (1) 此电池的正极发生的电极反应: ________________________________________________________________________, 负极发生的电极反应:_____________________________________________________。 + (3)电解液中 H 向________极移动,向外电路释放电子的电极是________。 (4)使用该燃料电池的另一个好处是________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O + - (2)3O2+12H +12e ===6H2O - + 2CH3OH+2H2O-12e ===2CO2+12H (3)正 负极 (4)对环境无污染 解析 (1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应, 在酸性条件下生成的 CO2 不与 H2SO4 反应,故电池总反应式为 2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O。 (2)电池的正极 O2 得电子,由于是酸性环境,所以会生成 H2O,用电池总反应式减去正 极反应式即可得出负极的电极反应式。 + (3)H 移向正极,在正极生成水。 (4)产物是 CO2 和 H2O,不会对环境造成污染。 8.氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图,该电池电极 表面镀了一层细小的铂粉,铂吸附气体的能力强,性质稳定。请回答:

(1) 氢氧燃料电池的能量转化主要形式是________________,在导线中电子流动方向为 ________(用 a、b 表示)。 (2)负极反应式为_________________________________________________________。 (3)电极表面镀铂粉的原因为______________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)该电池工作时,H2 和 O2 连续由外部供给,电池可连续不断地提供电能。因此,大量 安全储氢是关键技术之一。 金属锂是一种重要的储氢材料,吸氢和放氢原理如下: Ⅰ.2Li+H2=====2LiH Ⅱ.LiH+H2O===LiOH+H2↑ ①反应Ⅰ中的还原剂是__________,反应Ⅱ中的氧化剂是________。 - ②已知 LiH 固体密度为 0.82 g· 3,用锂吸收 224 L(标准状况)H2,生成的 LiH 体积与 cm 被吸收的 H2 体积比为________。 ③由②生成的 LiH 与 H2O 作用,放出的 H2 用作电池燃料,若能量转化率为 80%,则导 线中通过电子的物质的量为________mol。 - - - - 答案 (1)化学能转变为电能 a 到 b (2)2H2+4OH -4e ===4H2O 或 H2+2OH -2e ===2H2O (3)增大电极单位面积吸附 H2 、O2 的分子数,加快电极反应速率(4)①Li H2O - ②1/1 148 或 8.71×10 4 ③32 解析 (1)电池是把化学能转变为电能的装置;在电池中,电子从负极经导线流向正极,


而氢氧燃料电池中通入 H2 的一极是负极,故电子由 a 流动到 b。 - - (2)H2 在负极失电子,因为电解质溶液是 KOH 溶液,故负极反应式为 2H2+4OH -4e ===4H2O。 (3)电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附 H2、O2 的分子数,从而增大反应速率。 (4)LiH 中 Li 为+1 价,H 为-1 价,故反应Ⅰ中还原剂是 Li,反应Ⅱ中氧化剂是 H2O。 160 g 由反应Ⅰ可知吸收标准状况下 224 L H2 时生成 160 g LiH, 则生成的 LiH 的体积是 -3, 0.82 g·cm 160 1 则生成的 LiH 的体积与被吸收的 H2 的体积之比为 。 由②生成的 20 mol 3= 0.82×224×10 1 148 - LiH 与 H2O 反应,由反应Ⅱ可知生成 20 mol H2,H2~2e ,能量转化率为 80%,则通过的电子 的物质的量为 20 mol×2×80%=32 mol。


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