■湖北省英山縣長沖高級(jí)中學(xué) 張進(jìn)華

原電池和化學(xué)電源是化學(xué)學(xué)科核心知識(shí),也是高頻考點(diǎn)。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(dòng))方向、離子移動(dòng)方向、根據(jù)反應(yīng)式進(jìn)行相關(guān)化學(xué)計(jì)算等。原電池和化學(xué)電源考題常以社會(huì)生活和科技前沿等熱點(diǎn)問題為背景,題目圖表符號(hào)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(qiáng)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(xué)習(xí)和考試的一個(gè)難點(diǎn)。那么如何學(xué)好原電池和化學(xué)電源知識(shí),這里筆者從化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí) ” 角度進(jìn)行初步探究。

模塊一:建立模型認(rèn)知

1.原電池建模。

原電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。其實(shí)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(dǎo)線傳給氧化劑,使氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在負(fù)、正兩極進(jìn)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(dǎo)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(rèn)知原電池模型。

(1)電極:較活潑的金屬為負(fù)極,較不活潑的金屬(或非金屬導(dǎo)體)為正極。

(2)反應(yīng):負(fù)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(fù)極,電子流入(電流流出)的為正極。正、負(fù)極通過的電子的量相等(電子守恒)。電子只能在導(dǎo)線中流動(dòng),不能在電解質(zhì)溶液里流動(dòng)(電子不下水)。

(4)離子:原電池工作時(shí)陽離子向正極運(yùn)動(dòng),陰離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)。

(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(jì)如下頁圖1所示原電池,下列說法錯(cuò)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(fù)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(xiàng)說法錯(cuò)誤。

答案:B

例2一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計(jì)的酒精檢測(cè)儀,負(fù)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(cè)時(shí),電解質(zhì)溶液中的H+向負(fù)極移動(dòng)

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

C.電 池 反 應(yīng) 的 化 學(xué) 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(dòng),故A 項(xiàng)錯(cuò)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(xiàng)錯(cuò)誤。轉(zhuǎn)移4 mol電子時(shí)消耗 1 mol O2,則轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時(shí)消耗2.24 L 標(biāo)準(zhǔn)狀況O2,故B 項(xiàng)錯(cuò)誤。電池反應(yīng)式即正、負(fù)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(xiàng)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(xiàng)則該反應(yīng)中每消耗1 mol CH4轉(zhuǎn)移6 mol電子,錯(cuò)誤。B 項(xiàng),該電池的傳導(dǎo)介質(zhì)為熔融的碳酸鹽,所以A電極即負(fù)極上H2參與的電極反應(yīng)為H2-,錯(cuò)誤。C 項(xiàng),原電池工作時(shí),陰離子移向負(fù)極,而B 極是正極,錯(cuò)誤。D 項(xiàng),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(xué)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(cuò)誤的是( )。

圖3

A.正極反應(yīng)中有CO2生成

B.微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移

C.質(zhì)子通過交換膜從負(fù)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(xiàng)錯(cuò)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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,B 項(xiàng)正確。負(fù)極發(fā)生反應(yīng)C6H12O6-24e-+6H2O ══6CO2+24H+,H+在負(fù)極區(qū)生成,移向正極區(qū),在正極被消耗,C 項(xiàng)正確。電池總反應(yīng)為C6H12O6+6O2══6CO2+6H2O,D 項(xiàng)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(qiáng)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(shí),負(fù)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(fù)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(xùn)練與提高

1.由我國科學(xué)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(shí)的說法不正確的是( )。

A.二氧化錳-石墨為電池正極

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

C.OH-不斷由負(fù)極向正極移動(dòng)

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(shí)電流由a極沿導(dǎo)線經(jīng)燈泡再到b極

C.電池負(fù)極的電極反應(yīng)為4H++O2+4e-══2H2O

D.電池工作時(shí),1 mol乙醇被氧化時(shí)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(shí)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(fù)極和正極移動(dòng),保持溶液中電荷平衡

參考答案:1.C 2.D 3.C