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原电池与电解池练习题及解析

时间:2010-04-04


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化学专题 6 原电池与电解池
[高考考向]
学科内重点热点分析 原电池与电解池是高考每年都涉及的内容, 本专题的考查要求为: 理解原电池原理。 (1) 熟记金属活动性顺序。了解化学腐蚀与电化学腐蚀及一般防腐蚀方法。 (2)了解电解和电 镀的基本原理及应用。 高考考查的方式除了以课本知识为基点的原

电池和电解池原理的直接 考查外, 还给出以最新电池等新科技和新知识为信息的信息迁移题, 以考查学生对课本知识 的灵活运用和信息处理能力。 跨学科重点热点分析 以原电池和电解池原理为主的电化学是主要与物理学科交叉的重要契合点之一。 原电池 和电解池均与物理中的电学相关, 它们之间沟通的最主要途径是电路中通过的电子电量, 由 此可发散至电路的连接、电功率、电流强度、电压、电阻等的计算。

[学科内综合能力测试例释]
[例 1] 下列关于铜电极的叙述正确的是 A.铜锌原电池中铜是正极 B.用电解法精炼铜时粗铜作阴极 C.在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极 D.电解稀硫酸制 H2、O2 时铜作阳极 [解析]本题通过对铜电极的判定,将原电池和电解池综合在一起进行考查,意在从中了 解考生对电能与化学能转变原理的理解。题目有一定的知识跨度,在考查知识的同时,也考 查了考生思维的严密性和整体性。在铜锌原电池中,与铜相比,锌易失去电子,因而锌极是 负极,则铜极是正极,选项 A 正确;精炼铜时,需将其中的铜变成铜离子,再在阴极还原 成铜。因而在电解池中粗铜应作为阳极,选项 B 错误;在工件上镀铜时,需要将溶液中的 铜离子还原成铜而沉积在工件上。用作向溶液中供给铜离子的通则必须作为阳极,选项 C 正确;电解硫酸时,金属铜如果作为阳极,它将以铜离子的形式被溶解而进入电解液,当电 解液内有 H+、Cu2+两种离子共存时,后者将在阴极放电。这样阴极的生成物将是铜而不是 氢气,达不到制氢气和氧气的目的。选项 D 不对。 [答案]A、C [例 2]将质量分数为 0.052 的 NaOH 溶液 1L(密度为 1.06g·cm-3)用铂电极电解,当溶 液中 NaOH 的质量分数改变了 0.010 时停止电解,则这时溶液中应符合的关系是 NaOH 的质量分数 A B C D 0.062 0.062 0.042 0.042 阴极析出的物质的质量/g 19 152 1.2 9.4 阳极析出的物质的质量/g 152 19 9.4 1.2

[解析]本题考查考生对电解原理的理解。在设计试题时有意提供了某些可应用于速解的 信息,借以考查考生思维的敏捷性。常规解:由题设条件可知,1LNaOH 溶液中含有的溶质 质量为:1000mL×1.06g·cm-3×0.052=55.12g,电解稀硫酸事实上消耗了水,使溶液浓度增
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大,停止电解时溶质的质量分数为 0.062,停止电解时溶液的质量为:

55 .12 g ? 889 g 。则 0.062

被电解的水为:1060g-889g=171g。根据电解水的化学方程式不难算出:在阳极析出的氧气 为: 171 g ?

16 2 ? 152 g ,在阴极析出的氢气为:171g ? ? 19 g ,选项 B 正确;非常规 18 18

解:根据电解 NaOH 溶液事实上是电解水这一结论,可看出随着电解的进行,溶液中溶质 的质量分数增加,这样,C、D 两项应予否定。电解水是阳极析出的是氧气,阴极析出的是 氢气,它们的物质的量之比应为 2︰1,前者质量大于后者,只有选项 B 符合题意。 [答案]B [例 3]将质量相等的铜片和铂片插入硫酸铜溶液中,铜片与电源正极相连,铂片与电源 负极相连, 以电流强度 1A 通电 10min, 然后将电源反接, 以电流`强度为 2A 继续通电 10min。 试回答: (1)铜电极和铂电极质量为横坐标,时间为纵坐标,分别作出铜电极、铂电极的质量和时 间的关系图。 (2)上述过程中发生的现象是:铜电极 ; 铂电极 。 (3)最后时刻两电极的电极反应式: 铜电极 ; 铂电极 。 [解析]作图题是近年来出现的一种新题型,这类题提供一些化学变化过程和必要的数据 等条件,要求学生按照题中规定作出相关化学图像。由于学生必须根据题中制定的情景或数 据,将化学知识按内在联系统摄成规律,并将其抽象为数学问题,利用数学工具解决化学问 题, 所以这类题对考生的深层次思维能力的考查还是很有成效的。 本题将电解原理和化学图 像相结合,对学生的化学知识的考查更加深入。 开始 10min,阳极反应为:Cu-2e=Cu2+,阴极为:Cu2++2e=Cu。所以铜片质量减少,铂 片质量增加,铜片上所溶解的铜与铂片上析出的铜的质量相等。后 10min,电源反接,表面 附有铜的铂片成为阳极,铜片成为阴极。又由于电流强度为开始的 2 倍,附着在铂片上的铜 在 5min 时即完全溶解,后 5min,阳极的电极反应式为:4OH-—4e=O2↑+H2O,此时阳极铂 片质量不发生变化。作为阴极的铜片在 5min 即恢复到开始时的质量,后 5min 质量继续增 加。 [答案](1) m(Cu)/g m(Pt)/g

10 15 20

t/min

10 15 20

t/min

(2)由上述分析可知:铜片先变薄,后增厚;铂片先有铜沉积,后铜溶解,铜溶解完, 又有气体产生。 (3)铜电极:Cu2++2e=Cu;铂电极:4OH-—4e=O2↑+2H2O。

[跨学科知识板块渗透统整表]
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(1)电路的联接 (2)电流强度、电量 之间的换算 (3)电能与化学能之 间的转化关系 (4)电功、电功率、 电源电动势等的计算

(1)原电池的基本原理、电极反应、 生物电现象 正负极的判断、外电路中电子物质的 量的计算 (2)电解的基本原理、电极反应、阴 阳极的判断、电路中电子的物质的量 的计算 (3)各种实用电池 (4) 原电池或电解池中有关物质的生 消量与消耗电量的计算

[跨学科综合能测试例释]
[例题] 某学生试图用电解法根据电极上析出物质的质量来验证阿佛加德罗常数值,其 实验方案的要点为: ① 用直流电电解氯化铜溶液,所用仪器如图:

②在电流强度为 I 安培,通电时间为 ts 钟后,精确测得某电极上析出的铜的质量为 mg。 试回答: (1) 连接这些仪器的正确顺序为 (用图中标注仪器接线柱的英文字母表示。 下同) 接 E , C接 , 接 F。 实验线路中的电流方向为 → → →C→ → 。 (2)写出 B 电极上发生反应的离子方程式 ,G 试管中淀粉 KI 溶液变化的现象为 ,相应的离子方程式是 。 (3)为精确测定电极上析出铜的质量,所必需的实验步骤的先后顺序应是 。 (选 填下列操作步骤的编号) ①称量电解前电极的质量 ②刮下电解后电极上的铜并清洗 ③用蒸馏水清洗电解后电极 ④低温烘干电极后称量 ⑤低温烘干刮下的铜后称量 ⑥再次烘干后称量至恒重 ( 4 ) 已 知 电 子 的 电 量 为 1.6 × 10-19C 。 试 列 出 阿 佛 加 德 罗 常 数 的 计 算 表 达 式 : NA 。 [解析]本题将物理中电路连接与化学中仪器连接相结合,将电学知识与电解原理相结 合, 并设置一个利用电解方法来验证阿佛加德罗常数的全新情境, 具有一定的深度和灵活性。 解题时应将理化相关知识有机融合,方能解决相关问题。 (1)由于 U 形管右侧有一处理气体的支管,所以可断定 B 电极为有 Cl2 生成的一极,即为 阳极。显然 F 应与 B 连接,A 为阴极,结合安培计接入线路的物理知识,A 应接 C,D 接 E。 (2)电解 CuCl2,阴、阳两极的电极反应式为: - 阴极:Cu2++2e=Cu;阳极:2Cl -2e=Cl2↑
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生成的 Cl2 通入 G 试管,与 KI 反应,置换出 I2,I2 可使淀粉溶液呈现蓝色。 (3) 为了精确测定电极上析出的铜的质量, 显然应采用测定电解前后 A 电极的增重的方法。 具体操作为:在电解前先称量 A 电极的质量,电解后先用蒸馏水清洗电极(洗去附着的离 子) ,然后需将电极烘干(除去附着的水) ,为防止 Cu 被氧化,应在低温下烘干后再进行称 量,为防止误差,还应再低温烘干称量,直至恒重。 (4)电解时,当电流强度为 IA,通电时间为 ts 钟内,通过的总电量为:Q=ItC,通过的电 子的物质的量为

It mol。由题意知阴极析出 mgCu,转移的电子的物质的量为 1.6 ? 10?19 ? N A
由此式即可得 NA

m It m ? 2mol 。由上述分析可建立等式: ? ? 2, ?19 64 1.6 ? 10 ? N A 64
的表达式。 [答案](1)E 接 D、C 接 A、B 接 F;F→B→A→C→D→E - - - (2)2Cl -2e=Cl2↑;变蓝色;Cl2+2I =2Cl +I2 (3)①③④⑥ (4) N A ?

64 It 2m ? 1.6 ? 10 ?19

[综合能力测试]
一、选择题(每题 4 分,共 64 分) 1.钢铁发生吸氧腐蚀时,正极上发生的电极反应是 A.2H++2e == H2↑ B.Fe2++2e == Fe C.2H2O+O2+4e == 4OHD.Fe3++e == Fe2+ 2.以下现象与电化腐蚀无关的是 A 黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易产生铜绿 B 生铁比软铁芯(几乎是纯铁)容易生锈 C 锈质器件附有铜质配件,在接触处易生铁锈 D 银质奖牌久置后表面变暗 3.A、B、C 是三种金属,根据下列①、②两个实验,确定它们的还原性强弱顺序为 ①将 A 与 B 浸在稀硫酸中用导线相连,A 上有气泡逸出,B 逐渐溶解 ②电解物质的量浓度相同的 A、C 盐溶液时,阴极上先析出 C(使用惰性电极) A.A>B>C B.B>C>A C.C>A>B D.B>A>C 4.下列关于实验现象的描述不正确的是 ... A.把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中,铜片表面出现气泡 B.用锌片做阳极,铁片做做阴极,电解氯化锌溶液,铁片表面出现一层锌 C.把铜片插入三氯化铁溶液中,在铜片表面出现一层铁 D.把锌粒放入盛有盐酸的试管中,加入几滴氯化铜溶液,气泡放出速率加快 5.在外界提供相同电量的条件,Cu2+或 Ag+分别按 Cu2++2e→Cu 或 Ag++e→Ag 在电极上放 电,电极上析出铜的质量为 1.92g,则析出银的质量为 A.1.62g B.6.48g C.3.24g D.12.96g 6.100 mL 浓度为 2 mol/L 的盐酸跟过量的锌片反应,为加快反应速率,又不影响生成的氢 气的总量,可采用的方法是
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A.加入适量的 6 mol/L 的盐酸 B.加入数滴氯化铜溶液 C.加入适量蒸馏水 D.加入适量的氯化钠溶液 7.用两支惰性电极插入 500 mL AgNO3 溶液中,通电电解。当电解液的 pH 从 6.0 变为 3.0 时(设电解时阴极没有氢气析出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略) ,电极上析出银 的质量大约是 A.27 mg B.54 mg C.108 mg D.216 mg 8.氢镍电池是近年开发出来的可充电电池,它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池 的总反应式是

根据此反应式判断,下列叙述中正确的是 A.电池放电时,电池负极周围溶液的 PH 不断增大 B.电池放电时,镍元素被氧化 C.电池充电时,氢元素被还原 D.电池放电时, H 2 是负极 9.用惰性电极电解 M(NO3)x 的水溶液,当阴极上增重 ag 时,在阳极上同时产生 bL 氧气 (标准状况) :从而可知 M 的原子量为 A.

22.4ax b

B.

11 .2 ax b

C.

5.6ax b

D.

2.5ax b

10.实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取氯气,已知铅蓄电池放电时发生如下反应:

今若制得 Cl20.050mol,这时电池内消耗的 H2SO4 的物质的量至少是 A.0.025mol B.0.050mol C.0.10mol D.0.20mol 11.将分别盛有熔融的氯化钾、氯化镁、氧化铝的三个电解槽串联,在一定条件下通电一段 时间后,析出钾、镁、铝的物质的量之比为 A.1:2:3 B.3:2:1 C.6:3:1 D.6:3:2 12.右图中 x、y 分别是直流电源的两极,通电后发现 a 极板质量增加,b 极板处有无色无臭气 体放出,符合这一情况的是

13.将 Al 片和 Cu 片用导线相连,一组插入浓 HNO3 溶液中,一组插入稀 NaOH 溶液中, 分别形成了原电池,则在这两个原电池中,正极分别为 A Al 片、Cu 片 B Cu 片、Al 片 C Al 片、Al 片 D Cu 片、Cu 片 14.盐溶液电解时,在相同时间作用下,析出金属物质的量取决于 A 电极的性质 B 电流强度
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C 所加电压 D 金属离子的价数 15.A、B、C 三个电解槽,A 槽是 CuCl2 水溶液,纯铜片做阴极,B、C 都是 AgNO3 水溶 液,纯银丝做阴极,先将 A、B 槽并联,再与 C 槽串联进行电解,当 B 槽中银丝质量增加 0.108g,C 槽银丝质量增加 0.216g 时,A 槽中铜片质量增加为 A 0.216g B 0.108g C 0.064g D 0.032g 16.锂电池是新型高能电池,它以质轻、容量大而受到普遍重视,目前已经制成多种功能的 锂电池,某种锂电池的总反应可表示为 Li+MnO2→LiMnO2,若该电池提供 0.5C 电量,则 消耗正极材料的质量约为(其他损耗忽略不计) - A 3.5g B 7g C 4.52×10 4g D 43.5g 二、综合题(共 86 分) 17. (17 分)工业上为了除去含 Cr2O72-离子的酸性废水,采用以下处理方法: 往工业废水中加入适量的食盐水 1~2g/L; 以铁作为电极进行电解: 鼓入空气,经过一段时间后,使废水中的含铬(有毒)量降到可排放的标准。其原理是: 将 Cr2O72-离子还原为可溶性三价铬离子; 在电解除铬过程中,溶液的 pH 不断升高,使工业废水由酸性变为碱性,再把三价铬离子变 成不溶性氢氧化物除去。根据上述原理回答下列问题: (1)用 铁 作 为 电 极 电 解 时, 电 极 反 应 式 为: 阳 极 ,阴 极 ;加入食盐的目的是 。 (2)在水溶液中将 Cr2O72-离子还原成 Cr3+离子的还原剂为溶液中的 离子,此氧化还 原反应的离子方程式是 。 (3)在处理废水的过程中, 溶液的 pH 不断升高, 由酸性变为碱性是通过 和 途 径来实现的。 (4)将 Cr3+转变成不溶性氢氧化物的离子方程式为 ,同时还有 沉淀生成。 18. (30 分)人们应用原电池原理制作了多种电池,以满足不同的需要。在现代生活、生产 和科学技术的发展中,电池发挥着越来越重要的作用,大至宇宙火箭、人造卫星、空间电视 转播站、飞机、轮船,小至电脑、收音机、照相机、电话、助听器、电子手表、心脏起搏器 等,都离不开各式各样的电池。以下每小题中的电池即为广泛使用于日常生活、生产和科学 技术等方面的实用电池,请根据题中提供的信息,填写空格。 (1)电子表和电子计算器中所用的是钮扣式的微型银锌电池,其电极分别为 Ag2O 和 Zn, 电解液为 KOH 溶液。工作时电池总反应为:Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2。 ①工作时电流从 极流向 极(两空均选填“Ag2O”或“Zn”。 ) ②电极反应式为:正极 ,负极 。 ③工作时电池正极区的 pH (选填“增大” “减小”或“不变”。 ) (2)蓄电池在放电时起原电池作用,在充电时起电解池的作用。爱迪生蓄电池
放电

分别在充电和放电时发生的反应为:Fe+NiO2+2H2O

充电

Fe(OH)2+Ni(OH)2。

①放电时,正极为 。正极的电极反应式为 。 ②充电时,阴极的电极反应式为 。 ③该蓄电池中的电解质溶液应为 (选填“酸性”或“碱性” )溶液。
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(3)1991 年我国首创以铝—空气—海水电池为能源的新型海水标志灯已经研制成功。这种 灯以海水为电解质溶液, 靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。 只要把灯放入海水数分钟 就发出耀眼的闪光,其能量比干电池高 20~50 倍。试写出这种新型电池的电极反应式:正 极 ,负极 。 (4)熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视。可用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐 混合物作电解质,CO 为负极燃气,空气与 CO2 的混合气为正极助燃气,制得在 650℃下工 作 的 燃 料 电 池 。 已 知 负 极 反 应 式 为 : 2CO+2CO32-=4CO2+4e 。 则 正 极 反 应 式 为 ,总电池反应式为 。 (5)氢镍电池是新型的二次电池,它的突出优点是循环寿命长,1987 年起在地球同步轨道 条件下工作寿命超过 10 年。其正极为氧化镍,负极为氢电极。电解质溶液为密度 1.3g/cm3 左右的氢氧化钾水溶液。电池总反应为:H2+2NiOOH 2Ni(OH)2。则放电时的电极反应 式为:正极 ,负极 。 19. 分)银制器皿日久表面因生成硫化银而变黑色。有人设计用原电池原理加以除去, (6 其具体做法是:将一定浓度的食盐水放入一铝制容器中,再将表面变黑的银器沉入其中,放 置一段时间后,不仅能褪去黑色,而且还不损失银。试回答: (1)该原电池的负极反应式是 ; (2)该原电池的总反应式是 。 20. (13 分)取 Pt 和 Zn 为电极材料埋入人体内作为心脏起搏器的能源,它跟人体的体液中 含有一定浓度的溶解 O2、H+和 Zn2+进行作用。 (1)其正极的反应式为 负极的反应式为 (2)该电池在 0.8V、40uw 条件下进行工作,则工作电流为 A。 (3) 5g 锌埋入人体内, 将 则可维持多少年才需要第二次手术进行更换 (取二位有效数字) ? (4)心脏起搏器是一种人造心脏激励器。它向心脏发送小的电脉冲,以使心脏有规则地跳 动。 大多数起搏器是由锂电池或银锌电池驱动。 有一种心脏起搏器中使用的新型 Li—I2 电池 使 用 寿 命 可 超 过 10 年 , 其 反 应 可 简 化 为 : 2Li+I2=2LiI 。 则 工 作 时 负 极 的 电 极 反 应 为 ,根据你所学的碱金属的有关知识判断:该新型锂电池中能否用 LiI 水溶液作电解液? (选填“能”或“不能” )原因是 。 21. (10 分)如右图所示是某位同学设计的一个进行电解硫酸铜溶液 实验的电路。电源由 10 个电压为 1.5V 的电池串联组成电池组,测得 其总内阻为 0.5Ω,电解质溶液为 500mL,1.0mol/L 的硫酸铜溶液, 以铂做电极。20min 后 a 极增重 1.6g(设电解过程中溶液体积保持不 变,且不考虑电解池的反电动势) 。 (1)M 是 极,b 是 极; (2)电解池的平均电阻是 Ω; (3)若要使电解池中溶液恢复至电解前的状态,可加入 A CuSO4 固体 B 水 C CuO D Cu(OH)2 (4)电解后溶液的 pH 值为 。 22. (10 分)如右图所示,一金属杆 ab 在两水平平行的导轨间向右做匀速 直线运动,其速度为 v=1m/s,导轨电阻不计。导轨间的宽度为 l=1m, 其间有一竖直向下的匀强磁场,磁感强度 B=1T,现用导线与插入电解槽
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中两惰性电极 CD 相连,回路的总电阻为 1Ω,电解液为 CuSO4,问: (l)哪一个电极为负极,析出何种物质? (2)写出电解 CuSO4 水溶液的离子方程式。 (3)析出的物质质量为多少克?

参考答案
一、选择题 1.C 2.D 3.D 4.C 5.B 6.B 7.B 8.CD 9.C 10.C 11.D 12.A 13.A 14.BD 15.D 16.C 二、综合题 17.(1) 阳极:Fe-2e=Fe2+,阴极:2H++2e=H2↑,加入食盐的目的是增大溶液的导电性。 (2) Fe2+,Cr2O72-+6 Fe2++14H+=2 Cr3++6 Fe3++7H2O。 (3)上述离子反应消耗 H+和阴极 H+放电生成氢气 (4) Cr3++3 OH-=Cr(OH)3↓,Fe(OH)3。 18. (1)①电子从 Zn 流向 Ag2O,电流流向则相反;②正极:Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH-,负 极:Zn-2e+2 OH-= Zn(OH)2;③增大 (2)正极为 NiO2, NiO2+2e+2H2O=Ni(OH)2+2OH-;②Fe(OH)2+2e=Fe+2OH-;③碱性 (3)正极:3O2+12e+6H2O=12OH-,负极:4Al-12e=4Al3+。 (4)正极:O2+2CO2+4e=2CO32-,总反应:2CO+O2=2CO2。 (5)正极:2NiOOH+2e+ 2H2O = 2Ni(OH)2+2OH-,负极:H2-2e+2OH-=2H2O。 19. (1)Al-3e=Al3+ 2Al+3Ag2S+6H2O=2Al(OH)3↓+6Ag↓+3H2S↑ 20. (1)正极反应式为:O2+4H++4e==2H2O; 负极反应式为:2Zn-4e==2Zn2+ - (2)工作电流:5.0×10 5A (3) Zn 反应完毕之前要进行第二次手术更换 Zn, 在 反应完毕所需要的时间为 t=2.96×108s =9.386 年。考虑实际情况,答案应取 9.3 年。 (4)负极:2Li-2e=2Li+,不能,原因是:Li 在常温时能跟水剧烈反应。

21. (1)负 (2)3.24 (3)C (4)1



22. (1)由右手定则判断金属杆的 a 为正极,故电解槽中 D 为负极,析出铜。 (2) 离子方程式: 2++2H2O 2Cu 2Cu+O2↑+4H+ (3)感生电动势ε=1V;电流 I=1A;通过电解槽的电量:Q=5C;可析出的铜的物质的 - - 量为:n=2.6×10 5mol;其质量为:1.66×10 3g。
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