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第五章 化学反应中的能量的转化
第二节 化学能转化为电能——电池
题号 1 1－1 1－2 1－3 2 3 3－1 3－2 4 5 6 7 8
答案
一、单项选择题
1．(2011•新课标高考)铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。
下列有关该电池的说法不正确的是( )
A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe
B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2
C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D．电池充电时，阳极反应为
2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
1题变式
1－1.(2012•唐山期末测试)碱性锌锰电池的总反应为：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)，下列说法不正确的是( )
A．该电池Zn为负极，MnO2为正极，电解质是KOH
B．放电时外电路电流由Zn流向MnO2
C．电池工作时OH－向锌电极移动
D．该电池的正极反应为：MnO2＋e－＋H2O===MnO(OH)＋OH－
1－2.2011年1月丰田汽车表示正从事镁离子电池技术开发工作，该种电池蓄能水平达到锂电池的两倍，可为电动车提供更优越的动力源。其中一种镁电池的反应原理为：MgxMo3S4 xMg＋Mo3S4，下列说法不正确的是( )
A．放电时，Mo3S4发生氧化反应
B．放电时，正极反应式：Mo3S4＋2xe－===Mo3S2x－4
C．充电时，Mg2＋向阴极迁移
D．充电时，阴极反应式：xMg2＋＋2xe－===xMg
1－3.(2012•山东莱芜期末测试)锂钒氧化物电池的能量密度远远超过其他材料电池，电池总反应式为：V2O5＋xLi―→LixV2O5，下列说法不正确的是( )
A．向外供电时，锂离子向负极移动
B．负极上反应的物质是锂，正极上反应的物质是V2O5
C．正极的电极反应为：V2O5＋xe－＋xLi＋―→LixV2O5
D．负极的电极反应为：xLi－xe－―→xLi＋
2．(2012•广州执信中学三模)“固体离子导体”是因为离子能在固体中迁移传递电荷。如下图，空气中的O2与AlI3在聚四氟乙烯膜中反应生成I2，I2与Ag形成原电池，在RbAg4I5晶体中迁移的离子全是Ag＋。下列说法中错误的是( )
A．电子从银电极迁移流向石墨电极
B．Ag＋从下往上移动
C．石墨电极为正极，银电极为负极
D．银电极的电极反应式是：Ag－e－===Ag＋
3．(2011•揭阳一模)将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。已知，通入CH4•7H2O；通入O2的一极，其电极反应式是：2O2＋8e－＋4H2O===8OH－。下列叙述不正确的是( )
A．通入CH4的电极为负极
B．正极发生氧化反应
C．燃料电池工作时，溶液中的OH－向负极移动
D．该电池使用一段时间后应补充KOH
3题变式
3－1.某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为：2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是( )
A．电子通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2
D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极
3－2.(2012•山东郓城一中检测)据报道，以硼氢化合物NaBH4(B元素的化合价为＋3价)和H2O2作原料的燃料电池，负极材料采用Pt/C，正极材料采用MnO2，用作空军通信卫星电源，其工作原理如下图所示。下列说法错误的是( )
A．电池放电时Na＋从a极区移向b极区
B．电极b采用MnO2，MnO2既作电极材料又有催化作用
C．该电池的负极反应为：BH－4＋8OH－－8e－===BO－2＋6H2O
D．每消耗3 mol H2O2，转移的电子为3 mol
4．原电池电极的“正”与“负”不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是( )
A．由Fe、Cu和FeCl3溶液组成的原电池中，负极反应式为：
Cu－2e－===Cu2＋
B．由Al、Cu和稀硫酸组成的原电池中，负极反应式为：
Cu－2e－===Cu2＋
C．由Al、Mg和NaOH溶液组成的原电池中，负极反应式为：Al＋4OH－－3e－===AlO－2＋2H2O
D．由Al、Cu和浓HNO3溶液组成的原电池中，负极反应式为：Al－3e－===Al3＋
5．用X、Y、Z、W四种金属进行如下实验：
1 将X与Y用导线连接，浸入电解质溶液中，Y极上有气泡产生
2 将片状的X、W分别投入等浓度盐酸中都有气体产生，W比X反应剧烈
3 用惰性电极电解等物质的量浓度的Y和Z的硝酸盐混合溶液，在阴极上首先析出单质Z
根据以上事实，下列判断或推测错误的是( )
A．Z的阳离子氧化性最强
B．W的还原性强于Y的还原性
C．Z放入CuSO4溶液中一定有Cu析出
D．用X、Z和稀硫酸可构成原电池，X作负极
6．(2011•济南外国语学校质检)如下图所示，杠杆AB两端分别挂有体积相同、质量相同的空心铜球和空心铁球，调节杠杆使其在水中保持平衡，然后小心地向烧杯中央滴入CuSO4溶液，一段时间后，下列有关杠杆的偏向判断正确的是(实验过程中，不考虑铁丝反应及两边浮力的变化)( )
A．无论杠杆为导体还是绝缘体，均为A端高B端低
B．无论杠杆为导体还是绝缘体，均为A端低B端高
C．当杠杆为绝缘体时，A端低B端高；为导体时，A端高B端低
D．当杠杆为绝缘体时，A端高B端低；为导体时，A端低B端高
二、双项选择题
7．(2011•海南高考)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
8．镍镉(NiCd)可充电电池在充、放电时按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2O Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有关该电池的说法正确的是( )
A．电解质溶液可以选用稀硫酸溶液
B．充电过程是电能转化为化学能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e—＋OH—===NiOOH＋H2O
三、非选择题
9．(2011•山师附中模拟)铅酸蓄电池应用广泛，其电解液是一定浓度的硫酸溶液，总反应是：
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
(1)该蓄电池放电工作时的负极材料是________，充电时，该极接直流电源的________(填“正极”或“负极”)。
(2)远洋轮船的钢铁船体在海水中易发生电化学腐蚀中的__________腐蚀。为防止发生这种腐蚀，通常把船体与浸在海水里的Zn块相连，或与像铅酸蓄电池这样的直流电源的________极(填“正”或“负”)相连。钢铁在呈中性的潮湿环境下的腐蚀比呈酸性时缓慢，在碱性潮湿环境下的腐蚀更缓慢，试从化学平衡角度解释碱性时比中性时更缓慢的原因：____________________ (写出电极反应式及必要的文字叙述)。
(3)Cu2O是一种半导体材料，可通过下图的电解装置制取，电解总反应为2Cu＋H2O=====通电Cu2O＋H2↑，阴极的电极反应式是____________________。若用铅酸蓄电池作为电源进行电解，当蓄电池中有0.2 mol H＋被消耗时，Cu2O的理论产量为________。
10．(2012•海南高考)氮元素的氢化物和氧化物在工业生产和国防建设中都有广泛应用，回答下列问题：
(1)氮元素原子的L层电子数为________________。
(2)NH3与NaClO反应可得到肼(N2H4)，该反应的化学方程式为________________________。
(3)肼可作为火箭发动机的燃料，与氧化剂N2O4反应生成N2和水蒸气。
已知：①N2(g)＋2O2(g)===N2O4(l)
ΔH1＝－19.5 kJ•mol－1
②(1)N2H4(l)＋O2(g)===N2(g)＋2H2O(g)
ΔH2＝－534.2 kJ•mol－1
写出肼和N2O4反应的热化学方程式_________。
(4)肼空气燃料电池是一种碱性电池，该电池放电时，负极的反应式为____________________________________。
11．(2012•石景山模拟)金属铜不溶于稀硫酸，可溶于铁盐溶液生成铜盐与亚铁盐。
现将一定量的铜片加入到100 mL稀硫酸和硫酸铁的混合溶液中，铜片完全溶解(不考虑盐的水解及溶液体积的变化)。
(1)写出铜溶解于上述混合溶液的离子方程式____________。
(2)若铜完全溶解时，溶液中的Fe3＋、Cu2＋、H＋三种离子的物质的量浓度相等，且测得溶液的pH＝1，则溶解铜的质量是________g，溶液中的c(SO2－4)＝________ mol/L。
(3)若欲在上图所示的装置中发生(1)中的反应，则X极是______(填“正极”或“负极”)，电极反应式_______________。Y极的材料名称是________，电极反应式______________。
12．如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。
(1)该系统中能量转化形式主要是_____________________。
(2)装置Y中，电解质溶液为稀硫酸，氢气在________极发生________反应，氧气参与的电极反应式为_________。
(3)下列说法正确的是( )
A．装置X能实现化学能转化为电能
B．电容量大的锂铝合金材料能作装置Y的电极
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之间的完全转化
参考答案
一、单项选择题
1．解析：A项，由电池反应可知，Ni2O3→Ni(OH)2，Ni的化合价由＋3价→＋2价，化合价降低，发生还原反应，故Ni2O3为正极，Fe→Fe(OH)2，Fe的化合价由0价变为＋2价，化合价升高，发生氧化反应，故Fe为负极，正确；B项，负极发生氧化反应，Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，正确；C项，阴极发生还原反应，Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，c(OH－)增大，溶液的pH增大，故错误；D项，阳极发生氧化反应，电极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，D项正确。
答案：C
1题变式
1－1.解析：放电时，Zn为负极，MnO2为正极反应物，电子从Zn流向MnO2，电流方向与电子流向相反，故B项错误。
答案：B
1－2.解析：放电时反应由右向左进行，Mg为负极，失去电子，发生氧化反应，Mo3S4发生还原反应，故A项错误、B项正确；充电时反应由左向右进行，故阴极反应式：xMg2＋＋2xe－===xMg，Mg2＋向阴极迁移，C、D均正确。
答案：A
1－3.解析：该电池的负极为锂，产生的Li＋移向正极，A项错误。
答案：A
2．解析：该反应电极材料本身不参加反应，电子从负极移向正极，故银电极为负极，发生反应：2I－－2e－===I2，D错误；石墨电极为正极，阳离子移向正极。
答案：D
3．解析：CH4失电子在负极上发生反应，A项正确；O2在正极上得电子发生还原反应，B项错误，从题干提供的两极反应式可知，负极消耗OH－，正极产生OH－，因此OH－是由正极通过内电路流向负极，C项正确；每产生8 mol e－，负极消耗OH－10 mol，而正极只生成8 mol OH－，所以工作一段时间后需补充KOH，D项正确。故选B项。
答案：B
3题变式
3－1.解析：该原电池的化学原理是H2被氧化，在负极(a极)发生反应：H2－2e－===2H＋，H＋由a极转移到b极，D项正确；O2发生还原反应，在正极(b极)发生反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，则电子通过外电路从a极流向b极，A、B两项不正确；C项因未指明气体所处的温度和压强，不正确。
答案：D
3－2.解析：每消耗3 mol H2O2，转移的电子为6 mol。
答案：D
4．解析：前两项都按常规应该是活泼金属作负极；C项中Al能与NaOH溶液反应，作负极。D项中Al在浓HNO3中钝化，Cu为负极。
答案：C
5．解析：由实验1可知，金属活动性X＞Y，由实验2可知W＞X，由实验3可知Y＞Z，所以金属活动性顺序为W＞X＞Y＞Z。那么，A、B、D三项都是正确的，而Z的金属活动性可能比Cu弱，C项错误。
答案：C
6．解析：当杠杆AB为导体时，Cu、Fe两球在CuSO4溶液中构成原电池，Fe球端为负极，溶解，质量减小，而铜球端为正极，发生反应：Cu2＋＋2e－===Cu，生成的单质铜附着在铜球表面使其质量增加，从而引起A端低B端高；当杠杆AB为绝缘体时，A端铜球与CuSO4溶液不反应，因而质量不变，而B端铁球发生反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，即每56 g铁溶解的同时又有64 g铜附着在铁球表面，因而铁球质量增加，所以A端高B端低。故选D项。
答案：D
二、双项选择题
7．解析：由图知，烧杯b中的Zn棒失去电子，发生氧化反应，电子转移到Fe棒上，烧杯a中通入的氧气在Fe棒表面得电子生成氢氧根离子，使a中溶液的pH升高。所以正确的为A、B两项。
答案：AB
8．解析：充电时的反应物Cd(OH)2和Ni(OH)2均属于碱，可与酸反应，故电解质不可选用酸溶液，A错误；充电是电能转化为化学能的过程，B正确；放电时负极反应式为：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极附近溶液的碱性减弱，C错误。
答案：BD
三、非选择题
9．解析：(1)放电时充当原电池，此时Pb失电子生成PbSO4。因此，负极材料为Pb；充电时充当电解池，需让该极生成的PbSO4还原为Pb。因此应与电源的负极相连；(2)轮船的铁船体与海水(中性)接触，在空气中发生的应为吸氧腐蚀；吸氧腐蚀的正极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，碱性环境比中性时的OH－的浓度大，抑制了上述电极反应的发生，所以腐蚀得慢；(3)阴极发生还原反应，即：2H＋＋2e－===H2↑，当蓄电池中消耗0.2 mol H＋时，转移的是0.1 mol e－，得到Cu2O的理论物质的量可由阳极反应式：2Cu＋H2O－2e－===Cu2O＋2H＋得为0.05 mol，质量为0.05 mol×144 g•mol－1＝7.2 g。
答案：(1)Pb 负极
(2)吸氧 负 碱性环境时，OH－抑制了反应O2＋4e－＋2H2O===4OH－的进行，因此腐蚀缓慢
(3)2H＋＋2e－===H2↑ 7.2 g
10．解析：(1)N原子的原子结构示意图为： ，故其L层上有5个电子；(2)NH3＋NaClO―→N2H4，根据元素守恒还应生成NaCl和H2O，观察法可配平方程式为2NH3＋NaClO===N2H4＋NaCl＋H2O；(3)肼与N2O4反应生成N2和水蒸气：2N2H4＋N2O4===3N2＋4H2O，观察已知的两个热方程式可知，②×2－①得：2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝ΔH2×2－ΔH1＝－1 048.9 kJ•mol－1；(4)“肼空气燃料电池是一种碱性电池”中O2在正极反应，故负极是肼发生反应：N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O。
答案：(1)5
(2)2NH3＋NaClO===N2H4＋NaCl＋H2O
(3)2N2H4(l)＋N2O4(l)===3N2(g)＋4H2O(g) ΔH＝－1 048.9 kJ•mol－1
(4)N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O
11．解析：(2)溶液的pH＝1，c(H＋)＝0.1 mol•L－1，则m(Cu)＝0.01 mol×64 g•mol－1＝0.64 g。2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，生成的FeSO4浓度为0.2 mol•L－1，根据电荷守恒：c(SO2－4)＝3＋2＋12×0.1 mol•L－1＋0.2 mol•L－1＝0.5 mol•L－1。
(3)原电池中电子流向从负极流向正极，故X为负极：Cu－2e－===Cu2＋；Y为正极：2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。
答案：(1)Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋
(2)0.64 0.5
(3)负极 Cu－2e－===Cu2＋ 碳(石墨、金、铂、银)
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
12．解析：本题考查新能源在科学研究中的应用。(1)该系统中能量转化形式有太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为电能、电能转化为机械能(工作马达)等；(2)装置Y是原电池，负极发生氧化反应：H2－2e－===2H＋，正极发生还原反应，H＋参与电极反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O；(3)装置X利用太阳能电池电解水，电能转化为化学能，Y装置实现化学能转化为电能，A选项错误；装置Y有水生成，锂能与水反应，锂材料不能作Y电池的电极，B选项错误；X装置电解水：2H2O=====通电2H2↑＋O2↑，产生的氢气和氧气分别作装置X的燃料和氧化剂(循环再生)，C选项正确；电能转化为化学能或化学能转化为电能过程中，有一部分能量转化成其他形式的能量，如光能、机械能等，能量转化率小于1，D选项错误。
答案：(1)太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为电能、电能转化为机械能(工作马达)等
(2)负 氧化 O2＋4e－＋4H＋===2H2O (3)C