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化学能转化为电能——电池
(时间:45分钟 满分:100分)
一、选择题(本题共10小题,每小题5分,共50分,每小题只有一个选项符合题目要求)
1.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是( )
A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重
B.图b中,开关由M改置于N时,Cu-Zn合金的腐蚀速率减小
C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的速率也增大
D.图d中,Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
答案:B
解析:A项,因液面处氧气的浓度大且与海水接触,故在液面处铁棒腐蚀最严重;C项,接通开关后形成原电池,Zn的腐蚀速率增大,H+在Pt电极上放电产生H2;D项,干电池自放电腐蚀是NH4Cl产生的H+的氧化作用引起的。
2.(2015全国Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是( )
A.正极反应中有CO2生成
B.微生物促进了反应中电子的转移
C.质子通过交换膜从负极区移向正极区
D.电池总反应为C6H12O6+6O26CO2+6H2O〚导学号95380249〛
答案:A
解析:C6H12O6中C的平均化合价为0价,二氧化碳中C的化合价为+4价,所以生成二氧化碳的反应为氧化反应,故CO2在负极生成,A选项错误;在微生物的作用下,该装置为原电池装置,反应速率加快,所以微生物促进了反应的发生,B项正确;质子交换膜只允许质子(即H+)通过,原电池中阳离子向正极移动,C项正确;电池的总反应实质是C6H12O6的氧化反应,D项正确。
3.(2014全国Ⅱ)2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是( )
A.a为电池的正极
B.电池充电反应为LiMn2O4Li1-xMn2O4+xLi
C.放电时,a极锂的化合价发生变化
D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移
答案:C
解析:由题给图可知:该电池的b极电极反应为Li-e-Li+,所以b极为负极,a极为正极,A项正确;B项正确;C项放电时,负极Li价态发生变化,a为正极,Li+价态不变,C项错误;D项放电时阳离子移向正极,D项正确。
4.(2014北京理综)下列电池工作时,O2在正极放电的是( )
答案:B
解析:选项中只有氢燃料电池中O2参与正极反应并放电。
5.(2014天津理综)已知:锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2
锂硫电池的总反应为2Li+SLi2S
有关上述两种电池说法正确的是( )
A.锂离子电池放电时,Li+向负极迁移
B.锂硫电池充电时,锂电极发生还原反应
C.理论上两种电池的比能量相同
D.右图表示用锂离子电池给锂硫电池充电〚导学号95380250〛
答案:B
解析:放电时为原电池,阳离子向正极迁移,A项错误;充电时,锂电极作阴极,发生还原反应,B正确;同质量产生的电量不相同,C项错误;锂离子电池为电解池,锂硫电池为原电池,D项错误。
6.控制适合的条件,将反应Fe3++AgFe2++Ag+设计成如图所示的原电池(盐桥装有琼脂-硝酸钾溶液;灵敏电流计的0刻度居中,左右均有刻度)。已知接通后,观察到电流计指针向右偏转。下列判断正确的是( )
A.在外电路中,电子从石墨电极流向银电极
B.盐桥中的K+移向乙烧杯
C.一段时间后,电流计指针反向偏转,越过0刻度,向左边偏转
D.电流计指针居中后,往甲烧杯中加入一定量的铁粉,电流计指针将向左偏转
答案:D
解析:Fe3+发生得电子的还原反应,所以石墨电极为正极,电子从负极流向正极,阳离子从负极移向正极,A、B选项错误;达到化学平衡后,电流计指针指向0刻度,不会越过,C选项错误;D选项,铁粉与Fe3+反应生成Fe2+,溶液中Fe2+浓度增大,反应Fe3++AgFe2++Ag+平衡左移,Ag+发生得电子的反应,Ag为正极,正确。
7.(2013全国Ⅰ)银质器皿日久表面会逐渐变黑,这是生成了Ag2S的缘故。根据电化学原理可进行如下处理:在铝质容器中加入食盐溶液,再将变黑的银器浸入该溶液中,一段时间后发现黑色会退去。下列说法正确的是( )
A.处理过程中银器一直保持恒重
B.银器为正极,Ag2S被还原生成单质银
C.该过程中总反应为2Al+3Ag2S6Ag+Al2S3
D.黑色退去的原因是黑色Ag2S转化为白色AgCl
答案:B
解析:由“电化学原理”可知正极反应为Ag2S+2e-2Ag+S2-,负极反应为Al-3e-Al3+;电解质溶液中发生反应Al3++3H2OAl(OH)3+3H+,S2-与H+结合生成H2S,使Al3++3H2OAl(OH)3+3H+的平衡右移,最终生成Al(OH)3沉淀,只有B选项正确。
8.(2015广东联考)一种新型的乙醇电池,它用磺酸类质子溶剂。电池总反应为C2H5OH+3O22CO2+3H2O,电池示意如图,下列说法中正确的是( )
A.a极为电池的正极
B.电池工作时电流由a极沿导线经灯泡再到b极
C.电池负极的电极反应:4H++O2+4e-2H2O
D.电池工作时,1 mol乙醇被氧化时有12 mol电子转移
答案:D
解析:燃料电池中,燃料在负极失电子,所以通入乙醇的电极即a极是负极,A项错误;电池工作时电子由a→b极,而电流由b→a极,B项错误;正极氧气得到电子被还原,电极反应式为4H++O2+4e-2H2O,C项错误;负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-2CO2↑+12H+,显然1 mol乙醇被氧化时,有12 mol电子转移,D项正确。
9.(2014福建理综)某原电池装置如图所示,电池总反应为2Ag+Cl22AgCl。下列说法正确的是( )
A.正极反应为AgCl+e-Ag+Cl-
B.放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C.若用NaCl溶液代替盐酸,则电池总反应随之改变
D.当电路中转移0.01 mol e-时,交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子〚导学号95380251〛
答案:D
解析:原电池的正极发生得电子的还原反应:Cl2+2e-2Cl-,负极发生失电子的氧化反应:Ag-e-+Cl-AgCl,阳离子交换膜右侧无白色沉淀生成;若用NaCl溶液代替盐酸,电池总反应不会改变;当电路中转移0.01 mol电子时,负极消耗0.01 mol Cl-,右侧正极生成0.01 mol Cl-,左侧溶液中应有0.01 mol H+移向右侧,约减少0.02 mol离子。
10.根据下图,下列判断中正确的是( )
①烧杯a中溶液的pH升高
②烧杯b中发生氧化反应
③烧杯a中发生的反应为2H++2e-H2↑
④烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
A.①② B.①②③ C.②④ D.①③
答案:A
解析:题中给出的物质表明,该电池的总反应是2Zn+O2+2H2O2Zn(OH)2,烧杯a中电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,b中电极反应为Zn-2e-Zn2+,所以正确选项为A。
二、非选择题(本题共4小题,共50分)
11.(2015遵义模拟)(12分)某校化学兴趣小组进行探究性活动:将氧化还原反应:2Fe3++2I-2Fe2++I2,设计成带盐桥的原电池。提供的试剂:FeCl3溶液,KI溶液;其他用品任选。请回答下列问题:
(1)请画出设计的原电池装置图,并标出电极材料,电极名称及电解质溶液。
(2)发生氧化反应的电极反应式为 。
(3)反应达到平衡时,外电路导线中 (填“有”或“无”)电流通过。
(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,当固体全部溶解后,则此时该溶液中电极变为 (填“正”或“负”)极。
答案:(1)如图
(2)2I--2e-I2 (3)无 (4)负
解析:(1)先分析氧化还原反应,找出正、负极反应,即可确定正负极区的电解质溶液。(2)发生氧化反应的电极是负极,I-失电子。(3)反应达到平衡时,无电子流动,故无电流产生。(4)平衡后向FeCl3溶液中加入少量FeCl2固体,平衡逆向移动,此时Fe2+失电子,电极变成负极。
12.(12分)依据氧化还原反应:2Ag+(aq)+Cu(s)Cu2+(aq)+2Ag(s)设计的原电池如图所示。
请回答下列问题:
(1)电极X的材料是 ;电解质溶液Y是 。
(2)银电极为电池的 极,发生的电极反应为 ;X电极上发生的电极反应为 。
(3)外电路中的电子是从 电极流向 电极。
答案:(1)铜 AgNO3溶液 (2)正 Ag++e-Ag(或2Ag++2e-2Ag) Cu-2e-C (3)铜 银
解析:根据所给反应的设计要求并结合所给装置可看出:X极是Cu,Y极电解质溶液必须是AgNO3溶液,因为Cu比Ag活泼,所以Cu为负极,Ag为正极,负极电极反应式:Cu-2e-C,正极电极反应式:Ag++e-Ag,在外电路,电子由负极Cu流向正极Ag。
13.(2014海南化学)(12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+通过电解质迁移入MnO2晶格中,生成LiMnO2。回答下列问题:
(1)外电路的电流方向是由 (填字母,下同)极流向 极。
(2)电池正极反应为 。
(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
。
(4)(2014湖南十三校二次联考)有学者想以如图所示装置用原电池原理将SO2转化为重要的化工原料。其负极反应为 ,当有0.25 mol SO2被吸收,则通过质子(H+)交换膜的H+的物质的量为 mol。
〚导学号95380252〛
答案:(1)b a
(2)MnO2+Li++e-LiMnO2
(3)否 电极Li是活泼金属,能与水反应
(4)SO2+2H2O-2e-S+4H+ 0.5
解析:由电极材料可知a为负极、b为正极,外电路电流由正极流向负极;正极中MnO2得一个电子生成LiMnO2,配平即可。(4)SO2失2个电子生成S,0.25 mol SO2则转移0.5 mol电子,依据守恒可知通过交换膜的H+的物质的量为0.5 mol。
14.(2015全国Ⅱ)(14分)酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。有关数据如下表所示:
溶解度/g
温度/℃
化合物
0
20
40
60
80
100
NH4Cl
29.3
37.2
45.8
55.3
65.6
77.3
ZnCl2
343
395
452
488
541
614
化合物
Zn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp近似值
10-17
10-17
10-39
回答下列问题:
(1)该电池的正极反应式为 ,
电池反应的离子方程式为 。
(2)维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,理论上消耗锌 g。(已知F=96 500 C·mol-1)
(3)废电池糊状填充物加水处理后,过滤,滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl,二者可通过 分离回收;滤渣的主要成分是MnO2、 和 ,欲从中得到较纯的MnO2,最简便的方法为 ,其原理是
。
(4)用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中,需除去锌皮中的少量杂质铁,其方法是:加稀硫酸和H2O2溶解,铁变为 ,加碱调节至pH为 时,铁刚好沉淀完全(离子浓度小于1×10-5 mol·L-1时,即可认为该离子沉淀完全);继续加碱至pH为 时,锌开始沉淀(假定Zn2+浓度为0.1 mol·L-1)。若上述过程不加H2O2后果是 ,原因是
。
答案:(1)MnO2+H++e-MnOOH 2MnO2+Zn+2H+2MnOOH+Zn2+[注:式中Zn2+可写为Zn(NH3、Zn(NH3)2Cl2等,H+可写为N]
(2)0.05
(3)加热浓缩、冷却结晶 碳粉 MnOOH 空气中加热 碳粉转变为CO2,MnOOH氧化为MnO2
(4)Fe3+ 2.7 6 Zn2+和Fe2+分离不开 Fe(OH)2和Zn(OH)2的Ksp相近
解析:(1)电池正极发生还原反应,所以正极反应式为MnO2+H++e-MnOOH,负极反应式为Zn-2e-Zn2+,所以电池反应为Zn+2MnO2+2H+Zn2++2MnOOH。
(2)因电流I=,所以Q=It=0.5 A×5 min×60 s·min-1=150 C
所以通过电子物质的量为=
所以消耗Zn的质量为:××65 g·mol-1=0.05 g。
(3)根据表中数据知ZnCl2和NH4Cl在水中溶解度差异较大,且受温度影响较大,所以可通过加热浓缩、冷却结晶分离回收;滤渣主要成分是MnO2、碳粉、MnOOH,要从中得到较纯MnO2,最简便方法为在空气中加热,因为加热时,C生成CO2,MnOOH生成MnO2。
(4)由Zn(OH)2、Fe(OH)2、Fe(OH)3的Ksp可分别计算出Zn2+、Fe2+、Fe3+完全沉淀时的pH为8、8、2.7。所以要除去Zn皮中的杂质铁,需先把Fe转化为Fe3+,再调节溶液pH=2.7时Fe3+恰好沉淀完全,再加碱至溶液pH=6时,Zn2+开始沉淀[因c(Zn2+)=0.1 mol·L-1,所以c(Zn2+)·c2(OH-)=10-17,得出对应pH=6]。所以溶解金属时加H2O2的目的就是使Fe转化为Fe3+,否则Fe2+和Zn2+一起沉淀,无法分离出杂质。
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