濃差電池的化學原理及應用（學案）

濃差電池的化學原理及應用一、基礎知識濃差電池，顧名思義，是利用物質(zhì)的濃度差產(chǎn)生電勢的一種裝置。兩側(cè)半電池中的特定物質(zhì)有濃度差，由于濃度差導致半電池上發(fā)生的氧化還原反應程度不同，從而產(chǎn)生不同的電勢。1.電極濃差電池由兩個材料相同但濃度不同的金屬電極或氣壓不同的氣體電極構成，電解質(zhì)溶液中相應離子的濃度相同。(1)氣體電極構成的濃差電池兩個負載有不同壓力的氫氣的Pt片插入一定濃度的酸性介質(zhì)中構成的濃差電池：Pt，H2

(p1)∣H＋

(aq)∣H2

(p2)，PtP1>P2，則左側(cè)作極，反應為；右側(cè)作極，反應為。電池總反應：H2(p1)→H2(p2)。表觀上，高濃度氫氣(P1)轉(zhuǎn)化為低濃度氫氣(P2)而產(chǎn)生電動勢。(2)金屬汞齊電極構成的濃差電池兩個濃度不同的金屬鈉汞齊材料插入熔融的Na＋中也構成的濃差電池：Na(a%)―Hg∣Na＋(熔融)∣Na(b%)―Hga>b，則左側(cè)作極，反應為；右側(cè)作極，反應為。電池反應：Na(a)→Na(b)。表觀上，高濃度鈉汞齊(a)轉(zhuǎn)化為低濃度鈉汞齊(b)而產(chǎn)生電動勢。2.電解質(zhì)濃差電池電解質(zhì)濃差電池由兩個材料相同的金屬或金屬微溶鹽，插入濃度不同的相同電解質(zhì)溶液中構成。（1）金屬電極構成的電解質(zhì)濃差電池Ag∣AgNO3

(a1)‖AgNO3(a2)∣Ag電極A作極，反應為；電極B作極，反應為。硝酸根離子移向極。電池反應為：Ag＋(高)→Ag＋(低)。表觀上，高濃度電解質(zhì)離子Ag＋轉(zhuǎn)化為低濃度電解質(zhì)離子Ag＋而產(chǎn)生電動勢。金屬微溶電極構成的電解質(zhì)濃差電池Ag，AgCl(s)∣HCl(a1)‖HCl(a2)∣AgCl(s)，Ag電極A作極，反應為；電極B作極，反應為。氫離子移向極。真題突破題型一.濃差電池例1：（日照市2022屆第一次模擬）相同金屬在其不同濃度鹽溶液中可形成濃差電池，放電時兩個電極區(qū)的濃度差會逐漸減小，當兩個電極區(qū)硫酸銅溶液的濃度完全相等時放電停止。如圖所示裝置是利用濃差電池電解Na2SO4溶液(a、b電極均為石墨電極)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列說法不正確的是A．a(chǎn)電極的電極反應為2H2O+2e－=H2↑+2OH－B．電池從開始工作到停止放電，電解池理論上可制得80gNaOHC．電池放電過程中，Cu（l）電極上的電極反應為Cu2++2e－=CuD．c、d離子交換膜依次為陽離子交換膜和陰離子交換膜【答案】B【解析】A．電解槽中電極為陰極，水發(fā)生得電子的還原反應生成氫氣，電極反應為，故A正確；B．電池從開始工作到停止放電，兩側(cè)溶液中Cu2+濃度相等，設兩電極發(fā)生改變的Cu2+的物質(zhì)的量為a，由兩側(cè)濃度相等可得2.5mol/L2La=0.5mol/L2L+a，解得a=2，根據(jù)電子守恒有Cu~2e~2NaOH，電解池理論上生成NaOH的物質(zhì)的量n(NaOH)=4mol，則n(NaOH)=4mol40g/mol=160g，故B錯誤；C．濃差電池中，電極為正極，正極上Cu2+得電子生成Cu，電極反應為，故C正確；D．電極為陰極，陰極反應為，b電極為陽極，陽極反應為，則a極附近生成NaOH，b極附近生成H2SO4，所以鈉離子通過離子交換膜c生成NaOH，則c為陽離子交換膜，硫酸根通過離子交換膜d生成H2SO4，則d為陰離子交換膜，故D正確。例2：物質(zhì)有從濃度大的區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴散的趨勢，利用該趨勢可設計濃差電池。如圖所示裝置可測定氧氣的含量，參比側(cè)通入純氧，測量側(cè)氣壓調(diào)節(jié)到與參比測相同，接通電路，通過電勢差大小可測出測量側(cè)氣體的含氧量。下列說法不正確的是A．參比側(cè)為正極B．負極的電極反應式為2O2－4e－=O2↑C．測量側(cè)處于封閉環(huán)境時，初期的讀數(shù)比較準確D．相同壓強下，電勢差越大，測量側(cè)氣體中含氧量越高【答案】D【解析】由題給信息可知，參比側(cè)的鉑電極為濃差電池的正極，氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應生成氧氣，電極反應式為O2+4e－=2O2－，測量側(cè)的鉑電極為負極，氧離子在負極失去電子發(fā)生氧化反應生成氧氣，電極反應式為2O2－4e－=O2↑，相同壓強下，測量側(cè)氣體中氧氣含量越低，濃差電池的電勢差越大。A．由分析可知，參比側(cè)的鉑電極為濃差電池的正極，故A正確；B．由分析可知，測量側(cè)的鉑電極為負極，氧離子在負極失去電子發(fā)生氧化反應生成氧氣，電極反應式為2O2－4e－=O2↑，故B正確；C．由分析可知，測量側(cè)的鉑電極為負極，氧離子在負極失去電子發(fā)生氧化反應生成氧氣，測量側(cè)處于封閉環(huán)境時，初期的讀數(shù)與測量側(cè)氣體中含氧量有關，后期因為氧氣的生成導致讀數(shù)與測量側(cè)氣體中含氧量相差很大，所以初期的讀數(shù)比較準確，故C正確；D．由分析可知，相同壓強下，測量側(cè)氣體中氧氣含量越低，濃差電池的電勢差越大，故D錯誤。例3：（2019浙江）最近，科學家研發(fā)了“全氫電池”，其工作原理如圖所示。下列說法不正確的是A．右邊吸附層中發(fā)生了還原反應B．負極的電極反應是H2－2e－＋2OH－=2H2OC．電池的總反應是2H2＋O2=2H2OD．電解質(zhì)溶液中Na＋向右移動，ClO4－向左移動【答案】C【解析】由電子的流動方向可以得知左邊為負極，發(fā)生氧化反應；右邊為正極，發(fā)生還原反應，故選項A、B正確；電池的總反應沒有O2參與，總反應方程式不存在氧氣，故C選項不正確；在原電池中，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動，故D選項正確。答案選C。A.右邊吸附層中發(fā)生了還原反應，A正確；B.氫氣在負極上發(fā)生氧化反應，電解質(zhì)中有強堿，故負極的電極反應是H2－2e－＋2OH－=2H2O，B正確；C.沒有氧氣參與反應，C不正確；D.電解質(zhì)溶液中Na＋向右邊的正極移動，ClO4－向左邊的負極移動，D正確。題型二.氧濃差腐蝕如圖所示，兩塊鐵片浸在同一濃度的稀鹽水中，其中一塊鐵片與通入的空氣接觸，另一塊鐵片與通入的氮氣接觸。在這兩塊鐵片上負電荷密度本來應該是相同的，但是由于溶液中含氧量不同，在發(fā)生下列反應時所進行的程度也不同：O2+4e－+2H2O=4OH－。在通入空氣的鐵電極上，氧氣的還原反應較迅速，因而表面電子被中和，負電荷密度降低較多。在通入空氣的鐵電極上，氧氣的還原反應較迅速，因而表面電子被中和，負電荷密度降低較多。在通入氮氣的鐵電極上，因氧氣較少，還原反應難以進行，因此負電荷密度幾乎沒有什么變化。這樣，由于溶液中氧氣濃度的不同造成了電位差，產(chǎn)生了腐蝕電流。在上述電池中可觀察到，與氮氣接觸的鐵片發(fā)生了溶解，而與空氣接觸的鐵片沒有腐蝕例1：(2011浙江)將NaCl溶液滴在一塊光亮清潔的鐵板表面上，一段時間后發(fā)現(xiàn)液滴覆蓋的圓圈中心區(qū)（a）已被腐蝕而變暗，在液滴外沿形成棕色鐵銹環(huán)（b），如圖所示。導致現(xiàn)象的主要原因是液滴之下氧氣含量比邊緣處少。下列說法正確的是（）A．液滴中的Cl－由a區(qū)向b區(qū)遷移B．液滴邊緣是正極區(qū)，發(fā)生的電極反應為：O2+2H2O+4e－=4OH－C．液滴下的Fe因發(fā)生還原反應而被腐蝕，生成的Fe2+由a區(qū)向b區(qū)遷移，與b區(qū)的OH－形成Fe(OH)2，進一步氧化、脫水形成鐵銹D．若改用嵌有一銅螺絲釘?shù)蔫F板，在銅鐵接觸處滴加NaCl溶液，則負極發(fā)生的電極反應為：Cu2e－=Cu2+【答案】B【解析】液滴邊緣區(qū)域氧氣濃度大，中心區(qū)域氧氣濃度低。因此，邊緣區(qū)域為正極，中心區(qū)域為負極。A．根據(jù)在原電池中，陽離子移向正極，陰離子移向負極的規(guī)律，陰離子Cl應由b區(qū)向a區(qū)遷移，A錯誤；B．O2在液滴外沿反應，正極電極反應為：O2+2H2O+4e－=4OH－，發(fā)生還原反應，B正確；C．液滴下的Fe因發(fā)生氧化反應而被腐蝕，C錯誤；D．若改用嵌有一銅螺絲釘?shù)蔫F板，在銅鐵接觸處滴加NaCl溶液，由于Fe的金屬活動性比銅強，F(xiàn)e仍為負極，負極發(fā)生的電極反應為：Fe2e－=Fe2+，D錯誤；例2：（2014福建）鐵及其化合物與生產(chǎn)、生活關系密切，下圖是實驗室研究海水對鐵閘不同部位腐蝕情況的剖面示意圖。①該電化腐蝕稱為__________________。②圖中A、B、C、D四個區(qū)域，生成鐵銹最多的是_________(填字母)?！敬鸢浮课醺g

B

【解析】①鋼鐵在海水(中性環(huán)境)中發(fā)生的應該是吸氧腐蝕。②在B點的海水中氧氣濃度最大，發(fā)生的吸氧腐蝕最快，生成的鐵銹最多。D點為深水區(qū)，O2濃度低，理論上作為負極，但遠離正極，水電阻大，腐蝕并不嚴重。三、歸納總結氧濃差電池腐蝕是金屬常見的腐蝕現(xiàn)象。氧氣濃度大為正極，氧氣濃度低為負極。負極反應：Mne－→Mn+（M代表金屬單質(zhì)）正極反應：O2+2H2O+4e－→4OH－