■湖北省英山縣長沖高級中學 張進華

原電池和化學電源是化學學科核心知識,也是高頻考點。它側(cè)重考查原電池工作原理、電極判斷、電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式的書寫、電流(或電子流動)方向、離子移動方向、根據(jù)反應(yīng)式進行相關(guān)化學計算等。原電池和化學電源考題常以社會生活和科技前沿等熱點問題為背景,題目圖表符號多,信息豐富,命題往往“源于教材而又高于教材”,要求考生有較強的陌生情境下信息獲取能力和分析解決問題能力,從而成為考生學習和考試的一個難點。那么如何學好原電池和化學電源知識,這里筆者從化學學科五大核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理與模型認識 ” 角度進行初步探究。

模塊一:建立模型認知

1.原電池建模。

原電池是一種將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。其實質(zhì)是依據(jù)一定條件,將氧化還原反應(yīng)中還原劑失去的電子經(jīng)過導線傳給氧化劑,使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在負、正兩極進行。形成條件有:①有兩種活潑性不同的金屬(或一種是非金屬導體)作電極;②有電解質(zhì)溶液(一般與活潑的電極發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng));③形成閉合回路。

2.從電極的角度認知原電池模型。

(1)電極:較活潑的金屬為負極,較不活潑的金屬(或非金屬導體)為正極。

(2)反應(yīng):負極發(fā)生氧化反應(yīng),正極發(fā)生還原反應(yīng)。

(3)電子:電子流出(電流流入)的為負極,電子流入(電流流出)的為正極。正、負極通過的電子的量相等(電子守恒)。電子只能在導線中流動,不能在電解質(zhì)溶液里流動(電子不下水)。

(4)離子:原電池工作時陽離子向正極運動,陰離子向負極運動。

(5)介質(zhì):在酸性介質(zhì)的電極反應(yīng)式中不出現(xiàn)OH-,在堿性介質(zhì)的電極反應(yīng)式中不能有H+出現(xiàn)。

模塊二:典例講解

例1根據(jù)反應(yīng)2Ag++Cu══Cu2++2Ag,設(shè)計如下頁圖1所示原電池,下列說法錯誤的是( )。

圖1

A.X 可以是銀或石墨

B.Y 是硫酸銅溶液

C.電子從銅電極經(jīng)外電路流向X 電極

D.X 極上的電極反應(yīng)式為Ag++e-══Ag

解析:由電池反應(yīng)2Ag++Cu══2Ag+Cu2+可知,銅作負極,電極反應(yīng)為Cu-2e-══Cu2+;X 為正極,可以是比銅不活潑的銀或石墨等,電極反應(yīng)為Ag++e-══Ag。電解質(zhì)溶液中需含有Ag+,故B項說法錯誤。

答案:B

例2一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計的酒精檢測儀,負極上的反應(yīng)為CH3CH2OH-4e-+H2O ══CH3COOH+4H+。下列有關(guān)說法正確的是( )。

A.檢測時,電解質(zhì)溶液中的H+向負極移動

B.若有0.4 mol電子轉(zhuǎn)移,則在標準狀況下消耗4.48 L氧氣

C.電 池 反 應(yīng) 的 化 學 方 程 式 為CH3CH2OH+O2══CH3COOH+H2O

D.正極上發(fā)生的反應(yīng)為O2+4e-+2H2O ══4OH-

解析:在原電池中,陽離子要往正極移動,故A 項錯誤。因電解質(zhì)溶液是酸性的,不可能存在OH-,故正極的反應(yīng)式為O2+4H++4e-══2H2O,D 項錯誤。轉(zhuǎn)移4 mol電子時消耗 1 mol O2,則轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時消耗2.24 L 標準狀況O2,故B 項錯誤。電池反應(yīng)式即正、負極反應(yīng)式之和,將兩極的反應(yīng)式相加可得CH3CH2OH + O2══CH3COOH+H2O,故C項正確。

答案:C

例3一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示圖2所示。下列有關(guān)該電池的說法正確的是( )。

B.電極A 上H2參與的電極反應(yīng)為H2+2OH--2e-══2H2O

D.電極B 上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+

解析:A 項則該反應(yīng)中每消耗1 mol CH4轉(zhuǎn)移6 mol電子,錯誤。B 項,該電池的傳導介質(zhì)為熔融的碳酸鹽,所以A電極即負極上H2參與的電極反應(yīng)為H2-,錯誤。C 項,原電池工作時,陰離子移向負極,而B 極是正極,錯誤。D 項,B 電極即正極上O2參與的電極反應(yīng)為正確。

答案:D

例4微生物電池是指在微生物的作用下將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,其工作原理如圖3所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是( )。

圖3

A.正極反應(yīng)中有CO2生成

B.微生物促進了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C.質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)

D.電池總反應(yīng)為C6H12O6+6O2══6CO2+6H2O

解析:由題意可知,氧氣在正極反應(yīng),由于質(zhì)子交換膜只允許H+通過,則正極反應(yīng)為O2+4e-+4H+══2H2O,正極沒有CO2生成,A 項錯誤。微生物電池的原理是在微生物作用下O2與C6H12O6發(fā)生氧化還原反應(yīng),將化學能轉(zhuǎn)化為電能,B 項正確。負極發(fā)生反應(yīng)C6H12O6-24e-+6H2O ══6CO2+24H+,H+在負極區(qū)生成,移向正極區(qū),在正極被消耗,C 項正確。電池總反應(yīng)為C6H12O6+6O2══6CO2+6H2O,D 項正確。

答案:A

例5酸性鋅錳干電池是一種一次性電池,外殼為金屬鋅,中間是碳棒,其周圍是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等組成的糊狀填充物。該電池放電過程產(chǎn)生MnOOH。

(1)該電池的正極反應(yīng)式為_____,電池反應(yīng)的離子方程式為_____。

(2)維持電流強度為0.5 A,電池工作5 min,理論上消耗鋅____g。(已知F=96 500 C·mol-1)

解析:(1)根據(jù)酸性鋅錳干電池的構(gòu)造可知,放電時,負極Zn 失去電子生成Zn2+,正極MnO2得到電子生成MnOOH,從而可寫出正極和負極的電極反應(yīng)式,然后在遵循電子守恒的前提下將兩極反應(yīng)式加合可得電池反應(yīng)的離子方程式。

(2)電池工作5 min,通過的電量Q=0.5 A×5 min×60 s·min-1=150 C,因此通過電子的物質(zhì)的量

答案:(1)MnO2+e-+H+══MnOOH

Zn+2MnO2+2H+══Zn2++2MnOOH

(2)0.05

模塊三:訓練與提高

1.由我國科學家研發(fā)成功的鋁錳電池是一種比能量很高的新型干電池,以氯化鈉和稀氨水混合溶液為電解質(zhì),鋁和二氧化錳-石墨為兩極,其電池反應(yīng)為Al+3MnO2+3H2O ══3MnO(OH)+Al(OH)3。下列有關(guān)該電池放電時的說法不正確的是( )。

A.二氧化錳-石墨為電池正極

B.負極反應(yīng)式為Al-3e-+3NH3·H2O══Al(OH)3+3NH+4

C.OH-不斷由負極向正極移動

D.每生成1 mol MnO(OH)轉(zhuǎn)移1 mol電子

圖4

A.a極為電池的正極

B.電池工作時電流由a極沿導線經(jīng)燈泡再到b極

C.電池負極的電極反應(yīng)為4H++O2+4e-══2H2O

D.電池工作時,1 mol乙醇被氧化時有12 mol電子轉(zhuǎn)移

3.鋅銅原電池裝置如圖5 所示,其中陽離子交換膜只允許陽離子和水分子通過,下列有關(guān)敘述正確的是( )。

圖5

A.銅電極上發(fā)生氧化反應(yīng)

C.電池工作一段時間后,乙池溶液的總質(zhì)量增加

D.陰陽離子分別通過交換膜向負極和正極移動,保持溶液中電荷平衡

參考答案:1.C 2.D 3.C