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在电化学中,原电池和电解池是众多同学常遇到的一大难点,也是历年高考中的一大热点。为帮助广大同学更好地掌握该知识点,下面将原电池考點作一小结,并以近年高考题为例加以分析,供参考。
一、判断两极名称或推断电极材料
解答该类问题主要是明确原电池的基本概念,从氧化还原反应的本质上认识负极为失电子物质,发生氧化反应;反之为正极。
例1 银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的充电和放电过程可以表示为:2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O。在此电池放电时,负极上发生反应的物质是()。
A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.Zn
解析 逆反应为放电反应,属于原电池反应,锌单质化合价升高,失电子,作负极,选D。
二、判断电极反应
此类问题在高考中经常遇到,熟练运用氧化还原反应的本质可轻易得出答案。
例2 ?摇钢铁发生电化学腐蚀时,负极发生的反应是()。
A.2H++2e-=H2B.2H2O+O2+4e-=4OH-
C.Fe-2e-=Fe2+D.4OH-+4e-=2H2O+O2
解析 钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时,负极为铁,正极为碳,电解质溶液为溶有O2或CO2等气体的水膜。当水膜呈弱酸性或中性时发生析氧腐蚀,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,正极反应为:2H2O+O2+4e-=4OH-;当水膜呈酸性时发生析氢腐蚀,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,正极反应为:2H++2e-=H2。钢铁的电化学腐蚀以析氧腐蚀为主。故答案为C项。
三、确定金属活动性顺序
当两种金属构成原电池两极时,一般较活泼的金属为负极。
例3 把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中,用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时,a为负极;c、d相连时,c为负极;a、c相连时,c为正极;b、d相连时,b为正极。则这四种金属的活动性顺序为()。
A.b>d>c>a B.a>b>c>d C.a>c>d>b D.c>a>b>d
答案:C。
四、比较金属腐蚀快慢
从电化学角度分析金属腐蚀快慢的规律是:按电解池的阳极、原电池的负极、金属正常状态、原电池的正极、电解池的阴极依次减慢。
例4 下图容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是()。
A.D>B>A>C B.B>A>C>D C.D>B>C>A D.C>B>D>A
解析 A中铁为正常状态,B中铁为负极,C中铁为正极,D中铁为阳极,由上述规律,可知答案为A。
五、比较反应速率
影响化学反应速率的因素有浓度、温度、压强、催化剂等,而构成原电池也可加快反应速率,这是同学们易忽视的知识点。
例5 100 mL浓度为2 mol·L-1的盐酸跟过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成氢气的总量,可采用的方法是()。
A.加入适量的6 mol·L-1的盐酸
B.加入数滴氯化铜溶液
C.加入适量蒸馏水
D.加入适量氯化钠溶液
解析 向溶液中再加入盐酸,H+的物质的量增加,生成H2的总量也增加,A错。加入氯化铜后,锌置换出的少量铜附在锌片上,形成了原电池反应,反应速率加快,又锌是过量的,生成H2的总量决定于盐酸的量,故B正确。向原溶液中加入水或氯化钠溶液都会引起溶液中H+浓度的下降,反应速率变慢,故C、D都不正确。本题答案为B项。
六、书写电极反应式和总反应式
该问题较难,特别是近年高考中常涉及燃料电池,一般均会遇到电极反应问题。
例6 熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混合气体为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池。完成有关的电池反应式。
正极反应式:________________
电池总反应式:______________
七、分析电极反应的结果
试题经常从反应后两极附近溶液pH值或酸碱性变化、反应后的现象、溶液中微粒的移动方向等角度命题。
例7 氢镍电池是近年开发出来的可充电电池,它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是:
根据此反应式判断下列叙述中正确的是()。
A.电池放电时,电池负极周围溶液的pH值不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池充电时,氢元素被还原
D.电池放电时,H2是负极
解析 电池的充、放电互为相反的过程,放电时是原电池反应,充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知,电解质溶液只能是强碱性溶液,不能是强酸性溶液,因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式:H2+2OH--2e-=2H2O,H2为负极,附近的pH值应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价,被还原,充电时氢元素由+1价变为0价,被还原。故答案为C、D项。
八、与化学计算相联系
例8 实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生如下反应:
今若制得Cl2 0.050 mol,这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是()。
A.0.025 molB.0.050 molC.0.10 molD.0.20 mol
解析 由已知电极反应式可知,当转移2 mol电子时需消耗2 mol H2SO4 ,现若制得Cl2 0.050 mol,则需转移0.1 mol电子。依据电子守衡,电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是0.10 mol,选C。
九、原电池知识的综合应用
例9 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。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)。
下列说法错误的是()。
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)
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,锌的质量理论上减小6.5 g
解析 该电池的电解液为KOH溶液,结合总反应式可写出负极反应式:Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=Zn(OH)2(s),用总反应式减去负极反应式,可得到正极反应式:2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极,失去电子,电子由负极通过外电路流向正极。1 mol Zn失去2 mol电子,外电路中每通过0.2 mol电子,Zn的质量理论上减小6.5 g。故答案为C项。
一、判断两极名称或推断电极材料
解答该类问题主要是明确原电池的基本概念,从氧化还原反应的本质上认识负极为失电子物质,发生氧化反应;反之为正极。
例1 银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源,它的充电和放电过程可以表示为:2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O。在此电池放电时,负极上发生反应的物质是()。
A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.Zn
解析 逆反应为放电反应,属于原电池反应,锌单质化合价升高,失电子,作负极,选D。
二、判断电极反应
此类问题在高考中经常遇到,熟练运用氧化还原反应的本质可轻易得出答案。
例2 ?摇钢铁发生电化学腐蚀时,负极发生的反应是()。
A.2H++2e-=H2B.2H2O+O2+4e-=4OH-
C.Fe-2e-=Fe2+D.4OH-+4e-=2H2O+O2
解析 钢铁在潮湿的空气中发生电化学腐蚀时,负极为铁,正极为碳,电解质溶液为溶有O2或CO2等气体的水膜。当水膜呈弱酸性或中性时发生析氧腐蚀,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,正极反应为:2H2O+O2+4e-=4OH-;当水膜呈酸性时发生析氢腐蚀,负极反应为:Fe-2e-=Fe2+,正极反应为:2H++2e-=H2。钢铁的电化学腐蚀以析氧腐蚀为主。故答案为C项。
三、确定金属活动性顺序
当两种金属构成原电池两极时,一般较活泼的金属为负极。
例3 把a、b、c、d四块金属片浸泡在稀硫酸中,用导线两两相连可以组成各种原电池。若a、b相连时,a为负极;c、d相连时,c为负极;a、c相连时,c为正极;b、d相连时,b为正极。则这四种金属的活动性顺序为()。
A.b>d>c>a B.a>b>c>d C.a>c>d>b D.c>a>b>d
答案:C。
四、比较金属腐蚀快慢
从电化学角度分析金属腐蚀快慢的规律是:按电解池的阳极、原电池的负极、金属正常状态、原电池的正极、电解池的阴极依次减慢。
例4 下图容器中盛有海水,铁在其中被腐蚀时由快到慢的顺序是()。
A.D>B>A>C B.B>A>C>D C.D>B>C>A D.C>B>D>A
解析 A中铁为正常状态,B中铁为负极,C中铁为正极,D中铁为阳极,由上述规律,可知答案为A。
五、比较反应速率
影响化学反应速率的因素有浓度、温度、压强、催化剂等,而构成原电池也可加快反应速率,这是同学们易忽视的知识点。
例5 100 mL浓度为2 mol·L-1的盐酸跟过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成氢气的总量,可采用的方法是()。
A.加入适量的6 mol·L-1的盐酸
B.加入数滴氯化铜溶液
C.加入适量蒸馏水
D.加入适量氯化钠溶液
解析 向溶液中再加入盐酸,H+的物质的量增加,生成H2的总量也增加,A错。加入氯化铜后,锌置换出的少量铜附在锌片上,形成了原电池反应,反应速率加快,又锌是过量的,生成H2的总量决定于盐酸的量,故B正确。向原溶液中加入水或氯化钠溶液都会引起溶液中H+浓度的下降,反应速率变慢,故C、D都不正确。本题答案为B项。
六、书写电极反应式和总反应式
该问题较难,特别是近年高考中常涉及燃料电池,一般均会遇到电极反应问题。
例6 熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混合气体为阴极助燃气,制得在650℃下工作的燃料电池。完成有关的电池反应式。
正极反应式:________________
电池总反应式:______________
七、分析电极反应的结果
试题经常从反应后两极附近溶液pH值或酸碱性变化、反应后的现象、溶液中微粒的移动方向等角度命题。
例7 氢镍电池是近年开发出来的可充电电池,它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是:
根据此反应式判断下列叙述中正确的是()。
A.电池放电时,电池负极周围溶液的pH值不断增大
B.电池放电时,镍元素被氧化
C.电池充电时,氢元素被还原
D.电池放电时,H2是负极
解析 电池的充、放电互为相反的过程,放电时是原电池反应,充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知,电解质溶液只能是强碱性溶液,不能是强酸性溶液,因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式:H2+2OH--2e-=2H2O,H2为负极,附近的pH值应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价,被还原,充电时氢元素由+1价变为0价,被还原。故答案为C、D项。
八、与化学计算相联系
例8 实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生如下反应:
今若制得Cl2 0.050 mol,这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是()。
A.0.025 molB.0.050 molC.0.10 molD.0.20 mol
解析 由已知电极反应式可知,当转移2 mol电子时需消耗2 mol H2SO4 ,现若制得Cl2 0.050 mol,则需转移0.1 mol电子。依据电子守衡,电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是0.10 mol,选C。
九、原电池知识的综合应用
例9 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。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液,电池总反应式为:
Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)。
下列说法错误的是()。
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极的电极反应式为:2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)
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,锌的质量理论上减小6.5 g
解析 该电池的电解液为KOH溶液,结合总反应式可写出负极反应式:Zn(s)+2OH-(aq)-2e-=Zn(OH)2(s),用总反应式减去负极反应式,可得到正极反应式:2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极,失去电子,电子由负极通过外电路流向正极。1 mol Zn失去2 mol电子,外电路中每通过0.2 mol电子,Zn的质量理论上减小6.5 g。故答案为C项。