原电池原理的解读与应用(2012-01-03 21:16:06)

原电池原理的解读与应用
(2012-01-03 21:16:06)
2012年01月03日
　　有关原电池的知识一直是高考中的重点，要掌握此部分知识并达到灵活运用，一般要注意以下几点：
　　  一、构成原电池的条件
　　  构成原电池的条件有：
　　（1）电极材料。两种金属活动性不同的金属或金属和其它导电性（非金属或某些氧化物等）；
　　（2）两电极必须浸没在电解质溶液中；
　　（3）两电极之间要用导线连接，形成闭合回路。
　　说明：
　　①一般来说，能与电解质溶液中的某种成分发生氧化反应的是原电池的负极。
　　②很活泼的金属单质一般不作做原电池的负极，如K、Na、Ca等。
　　  二、原电池正负极的判断
　　 （1）由组成原电池的两极材料判断：一般来说，较活泼的或能和电解质溶液反应的金属为负极，较不活泼的金属或能导电的非金属为正极。但具体情况还要看电解质溶液，如镁、铝电极在稀硫酸在中构成原电池，镁为负极，铝为正极；但镁、铝电极在氢氧化钠溶液中形成原电池时，由于是铝和氢氧化钠溶液发生反应，失去电子，因此铝为负极，镁为正极。
　　（2）根据外电路电流的方向或电子的流向判断：在原电池的外电路，电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。
　　（3）根据内电路离子的移动方向判断：在原电池电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极。
　　（4）根据原电池两极发生的化学反应判断：原电池中，负极总是发生氧化反应，正极总是发生还原反应。因此可以根据总化学方程式中化合价的升降来判断。
　　（5）根据电极质量的变化判断：原电池工作后，若某一极质量增加，说明溶液中的阳离子在该电极得电子，该电极为正极，活泼性较弱；如果某一电极质量减轻，说明该电极溶解，电极为负极，活泼性较强。
　　（6）根据电极上产生的气体判断：原电池工作后，如果一电极上产生气体，通常是因为该电极发生了析出氢的反应，说明该电极为正极，活动性较弱。
　　（7）根据某电极附近pH的变化判断
　　析氢或吸氧的电极反应发生后，均能使该电极附近电解质溶液的pH增大，因而原电池工作后，该电极附近的pH增大了，说明该电极为正极，金属活动性较弱。
　　  三、电极反应式的书写
　　  （1）准确判断原电池的正负极是书写电极反应的关键
　　如果原电池的正负极判断失误，电极反应式的书写一定错误。上述判断正负极的方法是一般方法，但不是绝对的，例如铜片和铝片同时插入浓硝酸溶液中，由于铝片表明的钝化，这时铜失去电子，是负极，其电极反应为：
　　负极：Cu －2e－＝ Cu2＋
　　正极：NO3－ + 4H＋ + 2e－＝ 2H2O + 2NO2↑
　　再如镁片和铝片同时插入氢氧化钠溶液中，虽然镁比铝活泼，但由于镁不与氢氧化钠反应，而铝却反应，失去电子，是负极，其电极反应为：
　　负极：2Al + 8OH－－2×3e－ ＝2AlO2－ + 2H2O
　　正极：6H2O + 6e－＝ 6OH－ + 3H2↑
　　（2）要注意电解质溶液的酸碱性
　　在正负极上发生的电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系，如氢氧燃料电池有酸式和碱式，在酸溶液中，电极反应式中不能出现OH－，在碱溶液中，电极反应式中不  能出现H+，像CH4、CH3OH等燃料电池，在碱溶液中碳（C）元素以CO32－离子形式存在，而不是放出CO2气体。
　　（3）要考虑电子的转移数目
　　在同一个原电池中，负极失去电子数必然等于正极得到的电子数，所以在书写电极反应时，一定要考虑电荷守恒。防止由总反应方程式改写成电极反应式时所带来的失误，同时也可避免在有关计算中产生误差。
　　（4）要利用总的反应方程式
　　从理论上讲，任何一个自发的氧化还原反应均可设计成原电池，而两个电极反应相加即得总反应方程式。所以只要知道总反应方程式和其中一个电极反应，便可以写出另一个电极反应方程式。
　　  四、原电池原理的应用
　　  原电池原理在工农业生产、日常生活、科学研究中具有广泛的应用。
　　1. 化学电源：人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池。如干电池、蓄电池、充电电池以及高能燃料电池，以满足不同的需要。在现代生活、生产和科学研究以及科学技术的发展中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
　　2. 加快反应速率：如实验室用锌和稀硫酸反应制取氢气，用纯锌生成氢气的速率较慢，而用粗锌可大大加快化学反应速率，这是因为在粗锌中含有杂质，杂质和锌形成了无数个微小的原电池，加快了反应速率。
　　3. 比较金属的活动性强弱：一般来说，负极比正极活泼。
　　4. 防止金属的腐蚀：金属的腐蚀指的是金属或合金与周围接触到的气体或液体发生化学反应，使金属失去电子变为阳离子而消耗的过程。在金属腐蚀中，我们把不纯的金属与电解质溶液接触时形成的原电池反应而引起的腐蚀称为电化学腐蚀，电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀：在潮湿的空气中，钢铁表面吸附一层薄薄的水膜，里面溶解了少量的氧气、二氧化碳，含有少量的H＋和OH－形成电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳形成了无数个微小的原电池，铁作负极，碳作正极，发生吸氧腐蚀：
　　负极：2Fe －2×2e－ ＝2Fe2+
　　正极： O2 + 4e－+ 2H2O ＝ 4OH－
　　电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。因此可以用更活泼的金属与被保护的金属相连接，或者让金属与电源的负极相连接均可防止金属的腐蚀。
　　  五、链接高考
　　  【例题1】（2011浙江高考）将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少。下列说法正确的是
　　A．液滴中的Cl－由a区向b区迁移
　　B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：
　　O2 + 2H2O + 4e－=== 4OH－
　　C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈
　　D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu－2e－=== Cu2＋
　　  解析：液滴边缘O2多，在碳粒上发生正极反应O2 + 2H2O + 4e－=== 4OH－。液滴下的Fe发生负极反应，Fe－2e－=== Fe2＋，为腐蚀区（a）。A选项错误，Cl－由b区向a区迁移；B选项正确；C选项错误，液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀；D选项错误，Cu更稳定，作正极，反应为O2 + 2H2O + 4e－=== 4OH－。
　　  答案：B
　　  【例题2】（2011安徽高考）研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：
　　5MnO2 + 2Ag + 2NaCl === Na2Mn5O10 + 2AgCl，下列“水” 电池在海水中放电时的有关说法正确的是：
　　A. 正极反应式：Ag + Cl－－e－=AgCl    B. 每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
　　C. Na＋不断向“水”电池的负极移动      D.  AgCl是还原产物
　　  解析：由电池总反应可知银失去电子被氧化得氧化产物，即银做负极，产物AgCl是氧化产物，A、D都不正确；在原电池中阳离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移动，C错误；化合物Na2Mn5O10中Mn元素的化合价是+18/5价，所以每生成1 mol Na2Mn5O10转移电子的物质的量为(4－18/5)×5＝ 2mol，因此选项B正确。
　　  答案：B
　　  【例题3】（2011北京高考）结合下图判断，下列叙述正确的是
　　A. Ⅰ和Ⅱ中正极均被保护     
　　B. Ⅰ和Ⅱ中负极反应均是Fe－2e－=== Fe2＋
　　C. Ⅰ和Ⅱ中正极反应均是O2 + 2H2O + 4e－=== 4OH－
　　D. Ⅰ和Ⅱ中分别加入少量K3Fe(CN)6溶液，均有蓝色沉淀
　　          解析：锌比铁活泼，装置Ⅰ中锌作负极，方程式为Zn－2e－=Zn2＋。铁作正极，但溶液显中性，所以发生锌的吸氧腐蚀，正极反应是O2＋2H2O＋4e－=== 4OH－；铁比铜活泼，装置Ⅱ中铁作负极，负极反应为Fe－2e－=== Fe2＋。铜作正极，但溶液显酸性，所以正极是溶液中的氢离子得电子，方程式为2H+ + 2e－=== H2↑。因为装置Ⅰ中没有Fe2＋生成，所以装置Ⅰ中加入少量K3Fe(CN)6溶液时，没有蓝色沉淀产生。综上所叙，只有选项A是正确的。
　　  答案：A
　　    【例题4】（2011福建高考）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          D. 总反应为：2Li + 2H2O ===  2LiOH + H2↑
　　  解析：考生可能迅速选出C项是错误，因为原电池放电时OH－是向负极移动的。这个考点在备考时训练多次。这种电池名称叫锂水电池。可推测其总反应为：2Li + 2H2O===  2LiOH＋H2↑。再写出其电极反应如下：（―）2Li―2e―＝2Li+；（+）2H2O + 2e―＝2OH―+ H2↑，结合选项分析A、B、D都是正确的。此题情景是取材于新的化学电源，知识落脚点是原电池原理。
　　  答案：C
　　  【例题5】（2011广东高考）某小组为研究电化学原理，设计如图2装置。下列叙述不正确的是
　　A. a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出
　　B. a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu2＋ + 2e－=== Cu
　　C. 无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从蓝色逐渐变成浅绿色
　　D. a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动
　　  解析：本题考察原电池、电解池的原理、判断及其应用。若a和b不连接，则不能构成原电池，单质铁直接与Cu2＋发生氧化还原反应而置换出铜，方程式为：Fe + Cu2＋=== Fe2＋+ Cu，A正确；若a和b用导线连接，则构成原电池，此时铁作负极，铜作正极，方程式分别为：Fe－2e－=== Fe2＋、Cu2＋+ 2e－=== Cu，B正确；有A、B分析可知，选项C是正确的；若a和b分别连接直流电源正、负极，则构成电解池，此时铜作阳极失去电子被氧化，铁作阴极，在电解池中阳离子向阴极运动，因此选项D是错误的。
　　  答案：D
　　  【例题6】（2011海南）根据下图，下列判断中正确的是
　　A. 烧杯a中的溶液pH升高             B. 烧杯b中发生氧化反应
　　C. 烧杯a中发生的反应为2H+ +2e－=== H2  D. 烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－=== Cl2
　　  解析：题中给出的物质表明，该电池的总反应是2Zn + O2 + 2H2O === 2Zn(OH)2，a烧杯中电极反应为O2 + 2H2O + 4e－=== 4OH－， b中Zn－2e－=== Zn2+，所以正确项为A、B。
　　  答案：A、B
　　  点拨：原电池是高考热点。解题时主要是先要找到电池的总反应，然后根据反应中元素化合价的变化，结合电极周围酸碱性写出各电极反应，离子浓度变化及计算才能有据可依。
　　  六、巩固练习
　　  【练习1】某原电池发生的总的离子方程式为：Zn + Cu2＋=== Cu + Zn2＋，那么该原电池的正确组合为 [/b][b]解析：原电池的电极反应不仅跟电极材料有关，还与电解质溶液的性质有关。该题考查了原电池的组成，一般来说活泼金属为负极。且能与电解质溶液自发地发生氧化还原反应。
　　  答案：C、D
　　  【练习2】下列有关电池的说法不正确的是
　　A．手机上用的锂离子电池属于二次电池
　　B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
　　C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
　　D．锌锰干电池中，锌电极是负极
　　  解析：锂离子电池可以充用，再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B项错；电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。
　　  答案：B
　　  【练习3】如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序是
　　A. ②①③④⑤⑥    B. ⑤④③①②⑥    C. ⑤④②①③⑥   
　　D. ⑤③②④①⑥
　　  解析：①铁为负极，杂质碳为正极的原电池腐蚀，属于钢铁的吸氧腐蚀，腐蚀较慢。其电极反应式为：负极：Fe－2e－ ＝Fe2+，正极： 2H2O + O2 +4e－＝4OH－。②③④均为原电池装置。③中铁为正极，被保护；②④中铁为负极，均被腐蚀。但铁和铜的金属活泼性差别较铁和锡大，故铁、铜原电池中铁被腐蚀的快；⑤是铁接电源正极作阳极，铜接电源负极作阴极的电解腐蚀，加快了铁的腐蚀；⑥是铁接电源负极作阴极，铜接电源正极作阳极，阻止了铁的腐蚀。根据以上分析，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤＞④＞②＞①＞③＞⑥。
　　  答案：C
　　点拨：一审腐蚀类型：是原电池腐蚀还是电解池腐蚀；二审根据金属活泼性顺序进一步判断在具体的腐蚀类型中的腐蚀的快慢。
　　    【练习4】（2010年全国卷I）右图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏染料（S）涂覆在TiO2纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，电池中发生的反应为：
　　下列关于该电池叙述错误的是：
　　A．电池工作时，I－离子在镀铂导电玻璃电极上放电
　　B．电池工作时，是将太阳能转化为电能
　　C．电池的电解质溶液中I－和I3－的浓度不会减少
　　D．电池中镀铂导电玻璃为正极 [/b][b]解析：A选项错误，从示意图可看在外电路中电子由负极流向正极，也即镀铂电极做正极，发生还原反应：I3－+ 2e－＝ 3I－；B选项正确，这是个太阳能电池，从装置示意图可看出是个原电池，最终是将光能转化为化学能，因为把上面四个反应加起来可知，化学物质并没有减少；C正确，此太阳能电池中总的反应一部分实质就是：
　　I3－    3I－的转化
　　（还有I2  + I－ I3－），另一部分就是光敏有机物由激发态与基态的相互转化，所有化学物质最终均不被损耗；D选项正确，见A选项的解析。
　　  答案：A
　　  点评：该题考查的是新型原电池、原电池的两电极反应式、电子流向与电流流向、太阳能电池的工作原理以及原电池的总反应式等，同时还考查了考生的变通能力和心理素质，能否适应陌生的情境下应用所学知识解决新的问题等等，是一道考查能力的好题。
　　  【练习5】（2010年江苏卷）如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是
　　A．该系统中只存在3种形式的能量转化
　　B．装置Y中负极的电极反应式为：
　　O2 + 2H2O + 4e－===  4OH－
　　C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
　　D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化
　　  解析：A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2－2e－+ 2OH－＝ 2H2O；C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；D项，在反应过程中，有能力的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。综上分析可知，本题选C项。
　　  答案：C[
　　  点评：本题主要考查的是电化学知识。
　　  【练习6】（2010年山东卷）利用如图装置，可以模拟铁的电化学防护。
　　（1）若X为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于______处。
　　（2）若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为_______。
　　    解析：铁被保护，可以是做原电池的负极，或者电解池的阴极，故若X为碳棒，开关K应置于N处，Fe做阴极受到保护；若X为锌，开关K置于M处，铁是做负极，称为牺牲阳极保护法。
　　答案：见解析。
　　    【练习7】钢铁生锈过程发生如下反应：w.w.w.k.s.5.u.c.o.m
　　①2Fe+O2+2H2O＝2Fe(OH)2；②4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3；③2Fe(OH)3＝Fe2O3+3H2O。下列说法正确的是     A．反应①、②中电子转移数目相等
　　B．反应①中氧化剂是氧气和水
　　C．与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀
　　D．钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀
　　  解析：①②反应中消耗O2的量相等，两个反应也仅有O2作为氧化剂，故转移电子数是相等的，A项正确。①中H2O的H、O两元素的化合价没有变，故不作氧化剂，B项错；铜和钢构成原电池，腐蚀速度加快，C项错；钢铁是铁和碳的混合物，在潮湿的空气的中易发生吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，故D项错。
　　  答案：A
　　  【练习8】 控制适合的条件，将反应2Fe3+ + 2I－  2Fe2+ + I2设计成如右图所示的原电池。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. 电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
　　D. 电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固定，乙中石墨电极为负极
　　  解析：乙中I－失去电子放电，故为氧化反应，A项正确；由总反应方程式知，Fe3+ 被还原成Fe2＋，B项正确；当电流计为零时，即说明没有电子发生转移，可证明反应达平衡，C项正确。加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，而作为负极，D项错。
　　  答案：D
　　  【练习9】市场上经常见到的标记为Li―ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+ 的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为：
　　下列说法不正确的是              
　　A．放电时，负极的电极反应式：Li－e－=== Li +
　　B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应
　　C．该电池不能用水溶液作为电解质 
　　D．放电过程中Li+ 向负极移动
　　  解析：A项Li从零价升至正价，失去电子，作为负极，故正确；B项反应逆向进行时。反应物只有一种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应，故正确；C项由于Li可以与水反应，故电解质应为非水材料正确；D项原电池中阳离子应迁移至正极失电子，故错误。
　　  答案：D