热点强化19 整合物理学科的电池知识，计算电化学转化效率-【优化探究】2025年高考化学一轮复习高考总复习配套课件（鲁科版2019 双选版）

热点强化19　 整合物理学科的电池知识，计算电化学转化效率 优化探究 大单元四　化学反应原理 　第9章　化学反应与能量 　方法指导：电化学计算的三种方法 技法指导 4e－～ ～ (式中 M 为金属， n 为其离子的化合价数值) 该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应，灵活运用 关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。 装置、过程和效率是电化学研究的三驾马车，效率问题作为电化学重要 的组成之一，教材中出现了比能量和比功率的定义，但很少引起关注。 如以电路中通过4 mol e－为桥梁可构建以下关系式： 化学变化过程又存在着物质变化和能量变化，同时遵守质量守恒定律和 能量守恒定律。原电池和电解池的电极反应直接计算，不考虑效率问题 属于理想状态；若用实际析出物质的数据计算，因存在其他副反应，要 考虑电流效率问题。 此类计算在命题中一般会涉及两个角度：一是理论消耗量或析出量的相 关计算；二是能量转化效率的相关计算。 解答此类问题时需要注意如下几点： 1. 理清法拉第常数与阿伏加德罗常数的关系 电化学中传递电子的数量是计算的核心，宏观测量的电流强度和时间， 通过法拉第常数或阿伏加德罗常数都能获得电子的物质的量。 1个电子电量是1.6×10－19C，1 mol电子数约为6.02×1023，1 mol电子所 带电量的绝对值即 F ＝6.02×1023 mol－1×1.6×10－19 C＝96 320 C/mol， 试题中经常提供的数值为 F ＝96 500 C/mol。 电源或电池提供电量 Q ＝ I · t (注意单位：电流强度单位为A，时间单位 为s)， n (e－)＝ 。 若试题中没有提供法拉第常数，可以将电量除以1个电子所带的电量得 到电子个数，再除以阿伏加德罗常数得到电子的物质的量，即 n (e－)＝ 。 2. 充分利用题中的新定义信息 (1)比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少[单位： (W·h)/kg或(W·h)/L]。 (2)比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小[单位：W/kg 或W/L]， P ＝ UI 。 (3)电流利用效率＝ ×100％，负载利用电量是通过电解计 算出转移电子的物质的量，电池输出电量是电流表和钟表测定值 Q ＝ I · t ，再通过法拉第常数将 Q 转化为电子的物质的量。 1. (2023·重庆市九龙坡区学业质量调研)我国科研人员利用双极膜技术构 造出一类具有高能量密度、优异的循环性能的新型水系电池，模拟装置 如图所示。已知电极材料分别为Zn和MnO2，相应的产物为 和Mn2＋。下列说法错误的是(　D　) A. M电极材料为Zn，N电极材料为MnO2 B. 电池工作一段时间后，NaOH溶液的pH变小 C. N电极的电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－ Mn2＋＋2H2O D. 若电路中通过2 mol e－，则稀硫酸溶液质量增加87 g D 热点训练 由题干信息可知，Zn生成 ，MnO2生成Mn2＋，则M电极材 料为Zn，为负极，N电极材料为MnO2，为正极，A正确；负极电极反应 为Zn＋4OH－－2e－ ，每转移2 mol e－，有2 mol OH－ 移向NaOH溶液，而消耗4 mol OH－，故电池工作一段时间后，NaOH溶 液的pH变小，B正确；N电极为MnO2，MnO2在正极得到电子生成Mn2 ＋，电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－ Mn2＋＋2H2O，C正确；若电路中 通过2 mol e－，双极膜中有2 mol H＋ 移向稀硫酸，同时溶解1 mol MnO2， 稀硫酸溶液质量增加2 mol×1 g/mol ＋1 mol×87 g/mol＝89 g，D错误。 2. (2023·辽宁丹东高三模拟)锌铁液流电池由于安全、稳定、电解液成本 低等优点成为电化学储能热点技术之一。某碱性锌铁液流电池工作原理 如图所示，下列说法错误的是(　C　) A. 电子流动方向：Zn电极→导线→ 惰性电极 B. 放电时左池中溶液pH逐渐减小 C. 当0.2 mol OH－通过PBI膜时，Zn 电极质量减少13.0 g D. 电池总反应为：2Fe(CN ＋Zn ＋4OH－ Zn(OH ＋2Fe(CN C 由题图可知，Zn极为负极，惰性电极为正极，原电池中电子流动方向： Zn电极→导线→惰性电极，故A正确；放电 过程中，右侧Zn是负极，电极反 应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH ， 该过程需要OH－由左池经过PBI膜进 入右池，左池中OH－浓度降低，酸性 增强，pH逐渐减小，故B正确； Zn极为负极，电极反应为Zn＋4OH－－2e－ Zn(OH ，当0.2 mol OH－通过PBI膜时，转移0.2 mol电子，消耗0.1 mol Zn，Zn电极质量减少65 g/mol ×0.1 mol＝6.5 g，故C错误；Zn极为 负极，电极反应为Zn＋4OH－－2e－ Zn(OH 惰性电极为正极， 电极反应为Fe(CN ＋e－ Fe (CN ，电池总反应为2Fe(CN ＋Zn＋4OH－ Zn(OH ＋2Fe(CN ，故D正确。 3. 以石墨为电极，用电流强度为 I (安培)的直流电电解足量RCl y 的水溶 液， t min后，精确测得电极上析出 n g 金属R，设金属R的摩尔质量为 M g·mol－1，则阿伏加德罗常数的计算式可表示为(每个电子电量：1.6×10 －19 C)(　C　) A. N A＝ B. N A＝ C. N A＝ D. N A＝ C 阴极析出金属，电极反应为 R y ＋＋ y e－ R M g y mol n g n (e－) 将 n (e－)＝ 代入 ＝ ，整理得 N A＝ 。 4. 二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲 醇直接燃料电池[5.93 (kW·h)/kg]。电解质为酸性溶液，该电池的理论输 出电压为1.20 V，能量密度 E ＝ (已知能量密度＝ ， F ＝96 500 C/mol，1 kW·h＝3.6×106 J)。 8.39 (kW·h)/kg　 假设消耗1 kg的CH3OCH3，依据 W ＝ U × Q ，1 mol CH3OCH3中有2 mol 的－2价碳被氧化为＋4价CO2，转移12 mol电子，1 kg CH3OCH3反应产 生的电量 Q ＝ ×12×96 500 C/mol， W ＝ U × Q ＝1.20 V× ×12×96 500 C/mol，所得电功单位是J，需要换算成kW·h， W ＝ ，能量密度＝ ＝ ≈8.39(kW·h)/kg。 5. 酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其 周围是由碳粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的糊状填充物。该电 池在放电过程中产生MnO(OH)，维持电流强度为0.5 A，电池工作5 min，理论消耗Zn的质量为 g。(已知 F ＝96 500 C/mol) 0.05　 锌是活泼金属，为负极，电极反应： Zn － 2e－ Zn2＋ 65 g 2 mol m n (e－) ＝ ，将 n (e－)＝ ＝ ＝ 代入，解得 m ≈0.05 g。 6. 若用放电电流强度 I ＝2.0 A的电池工作10 min，电解精炼铜得到铜 0.32 g，则电流利用效率为 (保留小数点后一位)(已知 F ＝96 500 C/mol，电流利用效率＝ ×100％)。 80.4％　 通过电流利用效率表达式可知，负载利用电量用来电解精炼铜，电池输 出电量是电流表和钟表测定值。电解精炼铜得到铜0.32 g时， n (Cu)＝ ＝0.005 mol， n (e－)＝2 n (Cu)＝0.01 mol，电解消耗的电量 Q 1＝ 0.01 mol×96 500 C/mol＝965 C。根据放电的电流强度 I ＝2.0 A，电池工 作10 min，计算得电池的输出电量 Q ＝ I × t ＝2.0 A×10×60 s＝1 200 C，电流利用效率＝ ×100％≈80.4％。 $$