浓差电池的化学原理及应用（学案）

浓差电池的化学原理及应用一、基础知识浓差电池，顾名思义，是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，由于浓度差导致半电池上发生的氧化还原反应程度不同，从而产生不同的电势。1.电极浓差电池由两个材料相同但浓度不同的金属电极或气压不同的气体电极构成，电解质溶液中相应离子的浓度相同。(1)气体电极构成的浓差电池两个负载有不同压力的氢气的Pt片插入一定浓度的酸性介质中构成的浓差电池：Pt，H2

(p1)∣H＋

(aq)∣H2

(p2)，PtP1>P2，则左侧作极，反应为；右侧作极，反应为。电池总反应：H2(p1)→H2(p2)。表观上，高浓度氢气(P1)转化为低浓度氢气(P2)而产生电动势。(2)金属汞齐电极构成的浓差电池两个浓度不同的金属钠汞齐材料插入熔融的Na＋中也构成的浓差电池：Na(a%)―Hg∣Na＋(熔融)∣Na(b%)―Hga>b，则左侧作极，反应为；右侧作极，反应为。电池反应：Na(a)→Na(b)。表观上，高浓度钠汞齐(a)转化为低浓度钠汞齐(b)而产生电动势。2.电解质浓差电池电解质浓差电池由两个材料相同的金属或金属微溶盐，插入浓度不同的相同电解质溶液中构成。（1）金属电极构成的电解质浓差电池Ag∣AgNO3

(a1)‖AgNO3(a2)∣Ag电极A作极，反应为；电极B作极，反应为。硝酸根离子移向极。电池反应为：Ag＋(高)→Ag＋(低)。表观上，高浓度电解质离子Ag＋转化为低浓度电解质离子Ag＋而产生电动势。金属微溶电极构成的电解质浓差电池Ag，AgCl(s)∣HCl(a1)‖HCl(a2)∣AgCl(s)，Ag电极A作极，反应为；电极B作极，反应为。氢离子移向极。真题突破题型一.浓差电池例1：（日照市2022届第一次模拟）相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池，放电时两个电极区的浓度差会逐渐减小，当两个电极区硫酸铜溶液的浓度完全相等时放电停止。如图所示装置是利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可以制得O2、H2、H2SO4和NaOH。下列说法不正确的是A．a电极的电极反应为2H2O+2e－=H2↑+2OH－B．电池从开始工作到停止放电，电解池理论上可制得80gNaOHC．电池放电过程中，Cu（l）电极上的电极反应为Cu2++2e－=CuD．c、d离子交换膜依次为阳离子交换膜和阴离子交换膜【答案】B【解析】A．电解槽中电极为阴极，水发生得电子的还原反应生成氢气，电极反应为，故A正确；B．电池从开始工作到停止放电，两侧溶液中Cu2+浓度相等，设两电极发生改变的Cu2+的物质的量为a，由两侧浓度相等可得2.5mol/L2La=0.5mol/L2L+a，解得a=2，根据电子守恒有Cu~2e~2NaOH，电解池理论上生成NaOH的物质的量n(NaOH)=4mol，则n(NaOH)=4mol40g/mol=160g，故B错误；C．浓差电池中，电极为正极，正极上Cu2+得电子生成Cu，电极反应为，故C正确；D．电极为阴极，阴极反应为，b电极为阳极，阳极反应为，则a极附近生成NaOH，b极附近生成H2SO4，所以钠离子通过离子交换膜c生成NaOH，则c为阳离子交换膜，硫酸根通过离子交换膜d生成H2SO4，则d为阴离子交换膜，故D正确。例2：物质有从浓度大的区域向浓度小的区域扩散的趋势，利用该趋势可设计浓差电池。如图所示装置可测定氧气的含量，参比侧通入纯氧，测量侧气压调节到与参比测相同，接通电路，通过电势差大小可测出测量侧气体的含氧量。下列说法不正确的是A．参比侧为正极B．负极的电极反应式为2O2－4e－=O2↑C．测量侧处于封闭环境时，初期的读数比较准确D．相同压强下，电势差越大，测量侧气体中含氧量越高【答案】D【解析】由题给信息可知，参比侧的铂电极为浓差电池的正极，氧气在正极得到电子发生还原反应生成氧气，电极反应式为O2+4e－=2O2－，测量侧的铂电极为负极，氧离子在负极失去电子发生氧化反应生成氧气，电极反应式为2O2－4e－=O2↑，相同压强下，测量侧气体中氧气含量越低，浓差电池的电势差越大。A．由分析可知，参比侧的铂电极为浓差电池的正极，故A正确；B．由分析可知，测量侧的铂电极为负极，氧离子在负极失去电子发生氧化反应生成氧气，电极反应式为2O2－4e－=O2↑，故B正确；C．由分析可知，测量侧的铂电极为负极，氧离子在负极失去电子发生氧化反应生成氧气，测量侧处于封闭环境时，初期的读数与测量侧气体中含氧量有关，后期因为氧气的生成导致读数与测量侧气体中含氧量相差很大，所以初期的读数比较准确，故C正确；D．由分析可知，相同压强下，测量侧气体中氧气含量越低，浓差电池的电势差越大，故D错误。例3：（2019浙江）最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是A．右边吸附层中发生了还原反应B．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－=2H2OC．电池的总反应是2H2＋O2=2H2OD．电解质溶液中Na＋向右移动，ClO4－向左移动【答案】C【解析】由电子的流动方向可以得知左边为负极，发生氧化反应；右边为正极，发生还原反应，故选项A、B正确；电池的总反应没有O2参与，总反应方程式不存在氧气，故C选项不正确；在原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故D选项正确。答案选C。A.右边吸附层中发生了还原反应，A正确；B.氢气在负极上发生氧化反应，电解质中有强碱，故负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－=2H2O，B正确；C.没有氧气参与反应，C不正确；D.电解质溶液中Na＋向右边的正极移动，ClO4－向左边的负极移动，D正确。题型二.氧浓差腐蚀如图所示，两块铁片浸在同一浓度的稀盐水中，其中一块铁片与通入的空气接触，另一块铁片与通入的氮气接触。在这两块铁片上负电荷密度本来应该是相同的，但是由于溶液中含氧量不同，在发生下列反应时所进行的程度也不同：O2+4e－+2H2O=4OH－。在通入空气的铁电极上，氧气的还原反应较迅速，因而表面电子被中和，负电荷密度降低较多。在通入空气的铁电极上，氧气的还原反应较迅速，因而表面电子被中和，负电荷密度降低较多。在通入氮气的铁电极上，因氧气较少，还原反应难以进行，因此负电荷密度几乎没有什么变化。这样，由于溶液中氧气浓度的不同造成了电位差，产生了腐蚀电流。在上述电池中可观察到，与氮气接触的铁片发生了溶解，而与空气接触的铁片没有腐蚀例1：(2011浙江)将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环（b），如图所示。导致现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是（）A．液滴中的Cl－由a区向b区迁移B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2+2H2O+4e－=4OH－C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2+由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu2e－=Cu2+【答案】B【解析】液滴边缘区域氧气浓度大，中心区域氧气浓度低。因此，边缘区域为正极，中心区域为负极。A．根据在原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极的规律，阴离子Cl应由b区向a区迁移，A错误；B．O2在液滴外沿反应，正极电极反应为：O2+2H2O+4e－=4OH－，发生还原反应，B正确；C．液滴下的Fe因发生氧化反应而被腐蚀，C错误；D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，由于Fe的金属活动性比铜强，Fe仍为负极，负极发生的电极反应为：Fe2e－=Fe2+，D错误；例2：（2014福建）铁及其化合物与生产、生活关系密切，下图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。①该电化腐蚀称为__________________。②图中A、B、C、D四个区域，生成铁锈最多的是_________(填字母)。【答案】吸氧腐蚀

B

【解析】①钢铁在海水(中性环境)中发生的应该是吸氧腐蚀。②在B点的海水中氧气浓度最大，发生的吸氧腐蚀最快，生成的铁锈最多。D点为深水区，O2浓度低，理论上作为负极，但远离正极，水电阻大，腐蚀并不严重。三、归纳总结氧浓差电池腐蚀是金属常见的腐蚀现象。氧气浓度大为正极，氧气浓度低为负极。负极反应：Mne－→Mn+（M代表金属单质）正极反应：O2+2H2O+4e－→4OH－