第41讲 常考新型化学电源(综合应用)-【优化探究】2025年高考化学一轮复习高考总复习配套课件（苏教版2019）

第二单元 化学能转化为电能　 第41讲　常考新型化学电源 (综合应用) 优化探究 大单元四　化学反应原理 　专题9　化学反应与能量变化 考点1　微生物燃料电池 考点2　物质循环转化型电池 考点3　浓差电池 课时作业41　常考新型化学电源(综合应用) 考点1　微生物燃料电池 微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能 的装置。其基本工作原理是在负极室厌氧环境下，有机物在微生物作用 下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分 和负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子 通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(如氧气)在正极得到电子被还原。 掌握必备知识 筑牢应试根基 1. 利用某新型微生物电池可消除水中碳水化合物的污染，其工作原理如 图所示，下列有关说法正确的是(　B　) A. X电极是负极 B. Y电极上的反应：C m (H2O) n －4 m e－ m CO2↑＋( n －2 m )H2O＋4 m H＋ C. H＋由左向右移动 D. 有1 mol CO2生成时，消耗1 mol MnO2 B 提升关键能力 应对命题方式 根据装置图，X电极上MnO2转化成Mn2＋，化合价降低，发生还原反 应，X作正极，A错误；Y电极为负极，C m (H2O) n 中C的平均化合价由0 价升高为＋4价，电极反应为C m (H2O) n －4 m e－ m CO2↑＋( n －2 m )H2O＋4 m H＋，B正确；根据原电池工作原理，阳离子由负极向正极 移动，即H＋由右向左移动，C错误；正极 反应为MnO2＋2e－＋4H＋ Mn2＋＋ 2H2O，建立关系式为2 m MnO2～4 m e－ ～ m CO2，有1 mol CO2生成时，消耗 2 mol MnO2，D错误。 2. 利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋ 在电极与酶之间传递电子，如图所示。下列说法错误的是(　B　) A. 相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能 B. 阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋ 2H＋＋2MV＋ C. 正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3 D. 电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动 B 该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，A正 确；该生物燃料电池中，左端电极反应为MV＋－e－ MV2＋，则左端 电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋ 2H＋＋2MV＋，B错误；右 端电极反应为MV2＋＋e－ MV＋， 是正极，在正极区N2得到电子生成 NH3，发生还原反应，C正确；原电池中， 内电路中的H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，D正确。 考点2　物质循环转化型电池 根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极 区域，阴离子移向负极区域)判断电池的正、负极，是分析该电池的 关键。 掌握必备知识 筑牢应试根基 1. 液流电池是电化学储能领域的一个研究热点，其优点是储能容量大、 使用寿命长。下图为一种中性Zn/Fe液流电池的结构及工作原理图。下 列有关说法错误的是(　C　) A. 充电时电极A连电源负极 B. 放电时正极电极反应为 Fe(CN ＋e－ Fe(CN C. 放电时负极区离子浓度增大，正极区离子浓度减小 D. 充电时阴极电极反应为ZnB ＋2e－ Zn＋4Br－ C 提升关键能力 应对命题方式 由题图可知，放电时，电极A为负极，电极反应为Zn＋4Br－－2e－ ZnB ，放电时负极区离子浓度减小，故C错误；放电时，电极B为正 极，电极反应为Fe(CN ＋e－ Fe(CN ，故B正确；充电时，电 极A连电源负极，作电解池的阴极， 电极反应为ZnB ＋2e－ Zn ＋4Br－，故A、D正确。 2. (2023·福建漳州统考三模)某大学研究团队设计了一种水系分散的聚合 物微粒“泥浆”电池，该电池(如图)在充电过程中，聚对苯二酚被氧 化，H＋能通过半透膜，而有机聚合物不能通过半透膜，下列说法错误 的是(　D　) A. 放电时，b为负极，发生氧化反应 B. 放电时，a极上的电极反应： ＋2 n e－＋2 n H＋ C. 充电时，H＋由a极区向b极区迁移 D. 充电时， 在阴极被还原 答案：D 充电过程中，聚对苯二酚被氧化，a为阳极，b为阴极，所以放电时b为 负极，发生氧化反应，A正确；放电时，a极为正极，发生还原反应，电 极反应为 ＋2 n e－＋ 2 n H＋ ，B正确； 充电时，阳离子向阴极移动， a为阳极，b为阴极，所以H＋ 由a极区向b极区迁移，C正 确；充电时，阴极发生还原 反应生成 ，D错误。 考点3　浓差电池 1. 在浓差电池中，为了限定某些离子的移动，常涉及“离子交换膜”。 (1)常见的离子交换膜 阳离子交换膜 只允许阳离子(包括H＋)通过 阴离子交换膜 只允许阴离子通过 质子交换膜 只允许H＋通过 掌握必备知识 筑牢应试根基 (2)离子交换膜的作用 ①能将两极区隔离，阻止两极物质发生化学反应。 ②能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 (3)离子交换膜的选择依据 离子的定向移动。 2. “浓差电池”的分析方法 浓差电池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，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”，依据阴离子 移向负极区域，阳离子移向正极区域判断电池的正、负极，这是解题的 关键。 1. 浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池 的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能。 下列有关该电池的说法错误的是(　A　) A. 电池工作时，Li＋通过离子导体移向Y极区 B. 电流由X极通过外电路流向Y极 C. 正极发生的反应为2H＋＋2e－ H2↑ D. Y极每生成1 mol Cl2，X极区得到2 mol LiCl A 提升关键能力 应对命题方式 加入稀盐酸，X极上生成氢气，H＋发生还原反应：2H＋＋2e－ H2↑，X极为正极，Y极上Cl－发生氧化反应：2Cl－－2e－ Cl2↑，Y极 是负极，电池工作时，Li＋向X极区移动，A项错误，C项正确；在外电 路中电流由正极流向负极，B项正确； Y极每生成1 mol Cl2，转移2 mol电 子，有2 mol Li＋向正极移动，则X 极区得到2 mol LiCl，D项正确。 2. 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。某热再 生浓差电池工作原理如图所示，通入NH3时电池开始工作，左侧电极质 量减少，右侧电极质量增加，中间A为阴离子交换膜，放电后可利用废 热进行充电再生。下列说法不正确的是(　B　) B 已知：Cu2＋＋4NH3 Cu(NH3 。 A. 放电时，左侧电极发生氧化反应： Cu＋4NH3－2e－ Cu(NH3 B. 放电时，电池的总反应为Cu2＋＋4NH3 Cu(NH3 　Δ H ＞0 C. 放电时，N 经离子交换膜由右侧向左侧迁移 D. 上述原电池的形成说明相同条件下，Cu(NH3 的氧化性比Cu2＋的弱 通入NH3时电池开始工作，左侧电极质量减少，则左侧电极作负 极，电极反应为Cu＋4NH3－2e－ Cu(NH3 ；右侧电极质量 增加，则右侧电极作正极，电极反应为Cu2＋＋2e－ Cu，则放 电时电池的总反应为Cu2＋＋4NH3 Cu(NH3 ，结合题给信息 可知，Δ H ＜0，A项正确，B项错误；A为阴离子交换膜，则放电 时，N 经离子交换膜由右侧向左侧迁移， C项正确；负极反应中，Cu作还原剂，失电 子生成氧化产物Cu(NH3 ，正极反应中， Cu2＋作氧化剂，相同条件下，氧化剂的氧化 性大于氧化产物的氧化性，则氧化性：Cu2＋ ＞Cu(NH3 ，D项正确。 课时作业41　常考新型化学电源(综合应用) 1. 沉积物微生物燃料电池可处理含硫废水，其工作原理如图所示，下列 说法错误的是(　C　) A. 碳棒b的电极反应为 O2＋4e－＋4H＋ 2H2O B. 光照强度对电池的输出功率 有影响 C. 外电路的电流方向：碳棒a→碳棒b D. 酸性增强不利于菌落存活，故工作一段时间后，电池效率降低 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由题图可知，碳棒a为负极，碳棒b为正极。正极O2得电子生成水，电极 反应为O2＋4e－＋4H＋ 2H2O，故A正确；CO2在光照和光合菌的作 用下反应生成氧气，光照强度对电池的输出功率有影响，故B正确；电 流由正极经外电路流向负极， 即外电路的电流方向：碳棒b →碳棒a，故C错误；酸性增强 会使菌落失活，工作一段时间 后，电池效率降低，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2. (2024·河北保定检测)最新研究开发的锌－二氧化碳电池，是同时具备 二氧化碳固定、利用和能量转化、存储的电池技术，其工作原理如图所 示，其中X为锌电极，Y为多孔Pb纳米材料的催化剂电极，可以在水中 根据电流的方向高效、高选择性地催化二氧化碳和甲酸的相互转化。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 已知：双极膜是阴离子膜与阳离子膜的复合膜，该膜可在外加直流电场 的作用下将膜间的水解离成H＋和OH－，并分别向膜两侧提供。下列说 法错误的是(　C　) A. 放电时负极反应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH B. 标准状况下该电池固定CO2 2.24 L时，在电路中有0.2 mol电子通过 C. 双极膜中的X电极一侧为阴离子膜 D. 充电时Y极室溶液的pH降低 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据图示可知，放电时构成原电池，锌为负极，锌在负极失去电子生成 Zn(OH ，电极反应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH ；多孔Pd纳 米片为正极，二氧化碳在正极得到电子转化为甲酸，电极反应为CO2＋ 2H＋＋2e－ HCOOH，总电极反应为 Zn＋CO2＋4H2O Zn(OH ＋HCOOH＋2H＋；充电时的电极反应 与放电时的反应相反。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A. 由分析可知，放电时构成原电池，负极为锌，锌在负极失去电子生成 Zn(OH ，负极的电极反应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH ，A 正确；B. 二氧化碳在正极得到电子转化为甲酸，电极反应为CO2＋2H＋ ＋2e－ HCOOH，标准状况下该电池 固定CO2 2.24 L(即0.1 mol CO2)时，根据 电子守恒可知，在电路中有0.2 mol电子 通过，B正确； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C. 双极膜是阴离子膜与阳离子膜的复合膜，故双极膜中的X电极一侧不 单纯为阴离子膜，C错误；D. 充电时的电极反应与放电时的反应相反， 放电时多孔Pd纳米片为正极，二氧化碳在正极得到电子转化为甲酸，充 电时构成电解池，甲酸在多孔Pd纳米片表面转化为CO2，反应生成氢离 子，溶液酸性增强，pH降低，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3. 一种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。如 图是由Ag电极和硝酸银溶液组成的电池，工作时，b电极的质量不断增 大。下列说法错误的是(　C　) A. N 由交换膜右侧向左侧迁移 B. a极为负极，发生氧化反应 C. 交换膜左侧溶液浓度最终会大于交换膜右侧溶液 浓度 D. 原电池的总反应不一定是氧化还原反应 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由于存在阴离子交换膜，所以N 会从交换膜右侧(浓度大)向左侧(浓度 小)移动，原电池中阴离子向负极移动，则a极是负极，发生氧化反应， A、B项正确；电池工作一段时间后，两侧溶液浓度相等，电池将不再 工作，C项错误；该原电池的负极反应为Ag－e－ Ag＋，正极反应为 Ag＋＋e－ Ag，其总反应不是氧化还原反应，D项正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 4. (2024·河北保定检测)一种环保的水激活“纸基”电池(如图所示)主要 由1个平方厘米的电池单元组成，还包含3种印在长方形纸带上的油墨， 纸带上分布着NaCl固体。下列说法错误的是(　B　) 已知：上述3种油墨分别为含石墨薄 片的油墨、含锌粉的油墨、含石墨 薄片和炭黑的油墨(作导体)。 B A. 印有含石墨薄片的油墨的一面为 正极 B. 滴水激活“纸基”电池一段时间 后，该电池的质量会减小 C. 当有3.25×10－3 g锌粉溶解时，理论上转移的电子数为1×10－4 N A D. 该电池能够减少低功率废弃电子器件带来的环境影响 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由题干信息可知，正面石墨薄片为正极，发生的电极反应为O2＋4e－＋ 2H2O 4OH－，反面锌粉为负极，电极反应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH ，据此分析解题。 正极上氧气发生还原反应生成OH－， 石墨是该纸电池的正极，锌作负极， 故A正确；“纸基”电池工作时，总 反应式为2Zn＋O2＋2H2O＋4OH－ 2Zn(OH ，氧气参与电池反应，该电池的质量会增加，故B错误； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 3.25×10－3 g锌粉的物质的量为 n ＝ ＝ mol＝5×10－5 mol，电 极反应为Zn－2e－＋4OH－ Zn(OH ，理论上转移的电子数为 5×10－5×2× N A＝1×10－4 N A，故C正确；D. 该电池有质量小、柔韧性 好的优点，不产生污染性的废料，能 够减少低功率废弃电子器件带来的 环境影响，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 5. (2022·山东菏泽高三期末)我国科学家将二氧化锰和生物质置于一个由 滤纸制成的折纸通道内，形成如图所示电池，该电池可将可乐(pH＝2.5) 中的葡萄糖作为燃料产生能量。下列说法错误的是(　B　) A. 该电池是将化学能转化为电能的装置 B. 随着反应的进行，负极区的pH不断增大 C. 消耗0.01 mol葡萄糖，电路中转移0.02 mol电子 D. b极的电极反应为MnO2＋4H＋＋2e－ Mn2＋＋ 2H2O B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 根据题意，该装置为原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确； 负极区电极反应为C6H12O6－2e－ C6H10O6＋2H＋，负极区的溶液中 c (H＋)增大，则溶液的pH减小，B错误；消耗1 mol葡萄糖，外电路中转 移2 mol电子，则消耗0.01 mol葡萄糖，外电路中 转移0.02 mol电子，C正确；b电极上MnO2得电子 和H＋反应生成水和Mn2＋，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 6. “热电池”在航空航天领域有广泛应用。某热电池工作原理如图所 示，电池放电时，1 mol FeS2完全反应时转移4 mol 电子。下列说法错误 的是(　B　) A. 电子流向：Li(Al)极→用电器→FeS2极 B. 负极质量减少27 g时理论上有3 mol阴离子向负极迁移 C. 正极的电极反应为FeS2＋4e－ Fe＋2S2－ D. 如果用Li(Si)替代Li(Al)，电极反应和电池反应都不变化 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 观察图示知，Li(Al)合金电极为负极，FeS2电极为正极，电池放电时电 子由负极流出，经外电路流向正极，A正确；锂比铝活泼，放电时锂优 先发生氧化反应：Li－e－ Li＋， n (Li)＝ n (e－)＝ ≈4 mol， 液态电解质中阴离子均带1个单位负电荷，则约有4 mol阴离子向负极移 动，B错误；由题意知，正极上发生的还 原反应为FeS2＋4e－ Fe＋2S2－，C正 确；锂硅合金作负极，仍然是锂发生氧化 反应，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 7. 锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解质溶液，并在电池间不断循环。下 列有关说法正确的是(　A　) A. 充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜由左侧流向右侧 B. 放电时每转移1 mol电子，负极区溶液质量减少65 g C. 充电时阴极的电极反应为Br2＋2e－ 2Br－ D. 若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极也随之改变 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 充电时n接电源的负极，作电解池的阴极，Zn2＋通过阳离子交换膜向阴 极定向迁移，故由左侧流向右侧，A正确；放电时，负极Zn溶解生成 Zn2＋，Zn2＋通过阳离子交换膜向正极定向迁移，故负极区溶液质量不 变，B错误；充电时阴极的电极反应为Zn2＋ ＋2e－ Zn，C错误；若将阳离子交换膜 换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会改 变，Zn仍是负极，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 8. (2022·辽宁丹东高三模拟)微生物脱盐池是在微生物燃料电池的基础上 发展而来的新兴生物电化学系统，原理如图所示，下列说法错误的是 (　D　) A. b为正极 B. X膜为阴离子交换膜 C. 该装置能实现从海水中得到淡水，同时去除有机物并提供电能 D. 负极反应为CH3COO－＋7OH－－8e－ 2CO2↑＋5H2O D 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由题意可知，该装置为原电池，b极通入O2，则b为正极，A错误；原电 池内电路中：阳离子移向正极、阴离子移 向负极，从而达到脱盐目的，所 以Y膜为阳离子交换膜，X膜为 阴离子交换膜，B、C正确；a极 为负极，电极反应为CH3COO－ ＋2H2O－8e－ 2CO2↑＋7H＋，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 9. (2022·广东汕头高三模拟)锂铁(Li－FeS2)热激活电池常用作火箭、导 弹的工作电源，在接收到启动信号后引燃，加热片迅速放热使固体电解 质LiCl－KCl熔化从而激活电池，电池总反应为4Li＋FeS2 Fe＋ 2Li2S。下列有关说法不正确的是(　A　) A. 反应过程中负极质量将增加 B. 放电时正极发生还原反应 C. 电池在常温下较稳定，引燃时会迅速反应 D. 电池工作时电解质中Cl－移向Li电极 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 该电池为锂电池，根据电池总反应可知，负极反应为4Li－4e－ 4Li ＋，正极反应为FeS2＋4Li＋＋4e－ Fe＋2Li2S，负极Li溶解，质量减 少，故A说法错误；正极上得到电子，发生还原反应，故B说法正确； 根据题中信息可知，该电池在常温下稳定，引燃时会迅速反应，故C说 法正确；根据原电池工作原理，阴离子向负极移动，即Cl－向Li电极移 动，故D说法正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 10. (2024·河北正定检测)利用热再生氨电池可实现CuSO4电镀废液的浓 缩再生。电池装置如图所示，甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废 液，向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法错误的是(　B　) A. 甲室Cu电极为负极 B. 隔膜为阳离子膜 C. 电池总反应为Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋ D. NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 由题意可知，甲室通入氨气，氨气和铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2＋，导 致溶液中铜离子浓度减小，则铜电极失去电子发生氧化反应生成铜离 子，铜离子又和氨气反应生成[Cu(NH3)4]2＋，为负极，则右侧电极为正 极；A. 向甲室加入足量氨水后电池开始工作，则甲室Cu电极溶解，变 为铜离子与氨气反应生成[Cu(NH3)4]2＋，因 此甲室Cu电极为负极，故A正确；B. 在原电 池内电路中阳离子向正极移动，若隔膜为阳 离子膜，电极溶解，生成的铜离子要向右侧 移动，通入氨气消耗铜离子，左侧阳离 子不断减少，明显不利于电池反应正常进行，故B错误； 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C. 由分析可知，左侧负极电极反应是Cu－2e－＋4NH3 [Cu(NH3)4]2 ＋，正极铜极上铜离子得到电子发生还原反应生成铜：Cu2＋＋2e－ Cu，则电池总反应为Cu2＋＋4NH3 [Cu(NH3)4]2＋，故C正确；D. NH3 扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2＋， 铜离子浓度降低，铜离子得电子能力减弱，因 此将对电池电动势产生影响，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 11. (2024·河北八省联考)一种以Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子 电池，其放电时的反应原理为2Al＋3Fe[Fe(CN)6]＋14NaAlCl4 3Na2Fe[Fe(CN)6]＋8NaAl2Cl7。下列说法错误的是(　C　) A. 充电时，外接直流电源的负极应与Al电极连接 B. 充电时，外电路中通过0.2 mol电 子时，阳极质量变化4.6 g C. 放电时，每转移1 mol电子，负极 区电解质溶液质量增加9 g D. 放电时，正极电极反应为2Na＋＋ 2e－＋Fe[Fe(CN)6] Na2Fe[Fe(CN)6] C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 电池放电时的反应原理为2Al＋3Fe[Fe(CN)6]＋14NaAlCl4 3Na2Fe[Fe(CN)6]＋8NaAl2Cl7，结合题图可知，放电时，Al电极上 Al失去电子生成NaAl2Cl7，作负极，Mo箔上Fe[Fe(CN)6]得到电子 生成Na2Fe[Fe(CN)6]，作正极，充电时，Al作阴极，Mo箔作阳极， 以此解答。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 A. 充电时，Al作阴极，Mo箔作阳极，电源的负极应与Al连接，A正 确；B. 充电时，阳极反应为Na2Fe[Fe(CN)6]－2e－ Fe[Fe(CN)6]＋ 2Na＋，则外电路中通过0.2 mol电子时，阳极质量变化4.6 g，B正确；C. 由分析得到关系式：Al～3e－～3Na＋，则 m (Al)＝ ×27 g＝9 g，负极 区电解质溶液不仅增加了9 g Al，还要移走1 mol Na＋，即23 g，所以负 极区电解质溶液质量应减少23 g－9 g＝14 g，C错误；D. 放电时，正极 Mo箔上Fe[Fe(CN)6]得到电子生成Na2Fe [Fe(CN)6]，根据得失电子守恒和电荷守 恒可得，电极反应为2Na＋＋2e－＋Fe[Fe (CN)6] Na2Fe[Fe(CN)6]，D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$