高中化学有效问题知识梳理（140）——浓差电池的原理及应用

万人计划化学名师工作室 邓瑶苔

【知识归纳】

1.浓差电池的定义

物质由高浓度向低浓度扩散而引发的一类电池称为浓差电池。浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。

2.浓差电池的工作原理

如右图所示：

右侧硝酸银浓度较大，NO₃^-移向a极，左侧Ag失去电子，电子经导线运动到右侧，右侧Ag⁺得到电子生成Ag，形成闭合回路,电流表指针发生偏转，化学能转化为电能，形成了原电池。

电极反应式：负极：Ag-e^﹣＝Ag⁺        正极：Ag⁺+e^﹣＝Ag

一段时间后电流计指针归零，此时两池银离子浓度相等

3.浓差电池的分类

浓差电池可分为电极浓差电池和电解质浓差电池。

（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浓度相同。

①气体浓度差构成的浓差电池：

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（如图，P₁>P₂）

负极：H₂-2e^﹣＝2H⁺                    

正极：2H⁺+2e^﹣＝H₂

②金属汞齐电池构成的浓差电池：

  两个浓度不同的金属钠汞齐材料插入电解质中构成的浓差电池

负极：Na-e^﹣＝Na⁺                   

正极：Na⁺+e^﹣＝Na

4.浓差电池的应用

解释缝隙腐蚀产生的原因：金属部件在介质中，由于金属与金属或金属与非金属之间形成很小的缝隙，使缝隙介质处于滞留状态，引起缝内金属加速腐蚀。氧浓差电池的形成促进缝隙腐蚀的开始：

由于缝隙内贫氧，缝隙内外形成氧浓差电池。缝隙内金属表面为负极，缝隙外表面为正极。

负极：M-ne^﹣＝Mⁿ⁺                   

正极：O₂+4e^﹣+2H₂O＝4OH^﹣

再经过后续的变化，最终被锈蚀。

【模型方法】

解决浓差电池的题目，关键点是认可形成电池的原因是浓度差异，然后再结合我们学习的原电池的工作原理，写出电极反应式，整个电池依然符合负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

理解缝隙腐蚀的原理，氧气浓度大的为正极。

【对点训练】

1．由相同金属电极及其不同浓度的盐溶液组成的电池，称为浓差电池，电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极。如图所示装置中，X电极与Y电极初始质量相等。进行实验时，先闭合K₂，断开K₁，一段时间后，再断开K₂，闭合K₁，即可形成浓差电池，电流计指针偏转。下列不正确的是

A．充电前，该电池两电极存在电势差

B．放电时，右池中的NO₃^－通过离了交换膜移向左池

C．充电时，当外电路通过0.1 mol电子时，两电极的质量差为21.6 g

D．放电时，电极Y为电池的正极

1．【答案】A

【解析】先闭合K₂，断开K₁，形成电解池，X电极是阴极，电极反应是Ag⁺ + e^－＝Ag，Y是阳极，电极反应式是Ag - e^－＝Ag⁺，NO₃^－通过离子交换膜进入右池，所以左池浓度小于右池；再断开K₂，闭合K₁，形成原电池，电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极，X是负极、Y是正极，据此判断：

A. 充电前，左右两池浓度相同，该电池两电极不存在电势差，故A错误

B. 放电时，电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极，X是负极、Y是正极，右池中的NO₃^－通过离了交换膜移向左池，故B正确

C. 充电时，当外电路通过0.1 mol电子时，X电极消耗0.1 mol Ag，Y电极生成0.1 mol Ag，所以两电极的质量差为21.6 g，故C正确

D. 电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极，充电后左池浓度小于右池，所以放电时，电极Y为电池的正极，故D正确

2．一种浓差电池如下图所示，阴、阳离子交换膜交替放置，中间的间隔交替充以河水和海水，选择性透过Cl^－和Na^＋，在两电极板形成电势差，进而在外部产生电流。下列关于该电池的说法错误的是

A．a电极为电池的正极，电极反应为2H⁺+2e^－＝H₂↑
B．A为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜
C．阳极负极隔室的电中性溶液通过阳极表面的氧化作用维持
D．该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵，电极产物也没有经济价值

2．【答案】D
【解析】本题借浓差电池考查原电池的基本知识和分析问题的能力：

A项，b电极电子流出，b为电池的负极，a电极为电池的正极，电极反应为2H⁺+2e^－＝H₂↑，正确
B项，钠离子向a电极方向移动，氯离子向b电极方向移动，所以A为阴离子交换膜，C为阳离子交换膜，正确
C项，阳极(负极)隔室中氯离子放电产生氯气，保持溶液中的电荷守恒，正确
D项，电极产物经济价值是非常高的，错误

3．某小组设计如图装置探究浓差电池工作原理。左、右两池中均为2 mol/L CuSO₄溶液，X、Y均为Cu电极。实验开始时先闭合K₂，断开K₁．一段时间后，断开K₂，闭合K₁，形成浓差电池，电流表指针偏转（Cu²⁺浓度越大，其氧化性越强）。下列有关说法正确的是

A．断开K₁，闭合K₂时，Y极发生还原反应
B．断开K₁，闭合K₂时，右池溶液浓度减小
C．断开K₂，闭合K₁时，SO₄^2－由交换膜右侧向左侧迁移
D．断开K₂，闭合K₁时，当转移0.2 mol电子时右池溶液质量减少9.6 g

3．【答案】C

【解析】

A项，断开K₁，闭合K₂，装置为电解池，Y为阳极，发生氧化反应，故A错误
B项，断开K₁，闭合K₂，右池发生氧化反应，Cu - 2e^－＝ Cu²⁺，溶液浓度增大，故B错误
C项，断开K₂，闭合K₁，为原电池，右侧Cu²⁺浓度大，发生还原反应，为电源正极，SO₄^2－向负极移动，即向左迁移，故C正确
D项，断开K₂，闭合K₁，当转移0.2 mol电子时，有0.1 mol SO₄^2－向负极移动，即向左迁移，同时有0.1 mol Cu²⁺生成Cu，则右池溶液质量减少16 g，故D错误

4．利用电解质溶液的浓度对电极电势的影响，可设计浓差电池。下图为一套浓差电池和电解质溶液再生的配套装置示意图，闭合开关K之前，两个Cu电极的质量相等。下列有关这套装置的说法中错误的是

A．循环物质E为水

B．乙池中Cu电极为正极，发生还原反应
C．甲池中的电极反应式为Cu^2＋+ 2e^－＝Cu
D．若外电路中通过1 mol电子，两电极的质量差为64 g

4．【答案】B
【解析】由原电池的工作示意图可知：SO₄^2-由浓CuSO₄溶液一极向稀CuSO₄溶液一极定向移动，则左边的Cu电极为原电池的正极，正极的电极反应为：Cu²⁺ + 2e^-＝ Cu；右边的Cu电极为原电池的负极，Cu-2e^-＝Cu²⁺，据此解答：
A项，循环物质E为溶液蒸发得到的水，蒸发负极得到的CuSO₄溶液，实现电解质溶液的再生，故A正确
B项，乙池中Cu电极为原电池的负极，发生氧化反应，故B错误
C项，由分析可知甲池中的电极为正极，电极反应式为Cu^2＋+ 2e^－＝Cu，故C正确
D项，若外电路中通过1 mol电子，正极质量增加32 g，负极质量减少32 g，故两电极的质量差为64 g，故D正确。

5．已知：相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。热再生氨电池工作原理如图所示，通入NH₃发生反应Cu²⁺+4NH₃[Cu(NH₃₎₄]²⁺，电池开始工作，左边电极质量减少，右边电极质量增加，放电后利用废热进行充电。下列说法正确的是

A．放电、充电过程中，能量主要是在电能与化学能之间转变

B． Cu²⁺+4NH₃  [Cu(NH₃)₄]²⁺正反应为吸热反应
C．通过中间离子交换膜移向右侧极区
D. 放电时，外电路有 0.2 mol 电子通过时，右池溶液质量减少18.8 g

5．【答案】D

【解析】

A项，放电后利用废热进行充电，存在热能、电能、化学能之间的能量转变，故A错误
B项，放电后利用废热进行充电，加热使 Cu^2 + + 4NH₃ [Cu(NH₃)₄]²⁺平衡逆向移动，故正反应为放热反应，故B错误
C项，电池工作是由于 Cu²⁺浓度不同引发的，Cu²⁺不可能通过中间离子交换膜，中间离子交换膜应为阴离子交换膜，故C错误
D项，放电时，右电极发生 Cu²⁺ + 2e^－＝Cu，当外电路有 0.2 mol 电子通过时，铜析出 0.1 mol，减少 6.4 g，溶液中有 0.2 molNO₃^－通过中间阴离子交换膜移向左边，减少 12.4 g，右池溶液质量共减少 18.8 g，故D正确