第二单元 化学能与电能的转化 第2课时 （同步讲义）化学苏教版2019选择性必修1

专题1 化学反应与能量变化 第二单元 化学能与电能的转化 第2课时 化学电源 教学目标 1．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。 2．能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决新型电池的开发问题。 3．了解化学电源的分类及常见化学电源的构成。 重点和难点 重点：常见的化学电源；燃料电池的工作原理。 难点：化学电池电极反应式的书写。 ◆知识点一 化学电源 一次电池 1．化学电源 (1)化学电源的分类 化学电源按其反应原理常分为如下三类： ①一次电池：一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能_______。使用最广泛的一次电池是_______。 ②二次电池：又称___________或蓄电池，放电后可以再_______使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。 ③燃料电池：是利用_______和_______之间发生的氧化还原反应，将_______直接转化为电能的化学电池。 另外，化学电源按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。 (2)化学电池的回收利用 使用后的废旧电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废旧电池要进行回收利用。 (3)化学电源的发展方向 不断研制小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。 2．一次电池 (1)普通锌锰干电池 ①构造 负极：_______；正极：_______；电解质溶液：氯化铵和氯化锌 ②工作原理 电池反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnOOH 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：___________________________________ (2)碱性锌锰电池 ①构造 负极反应物：___________；正极反应物：___________；电解质溶液：___________ ②工作原理 电池反应式：Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2 负极反应式：__________________________________________； 正极反应式：__________________________________________。 (2)银锌纽扣电池： ①构造 负极反应物：_______；正极反应物：_______；电解质溶液：______________。 ②原理 电池反应式：Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。 负极反应式：___________________________________。 正极反应式：___________________________________。 即学即练 1．日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋，2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　) A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极 B．干电池可实现电能向化学能的转化 C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器 D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒 2．体温枪能快速检测人体体温，该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如图所示)，电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的说法正确的是(　　) A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应 B．该电池放电时溶液中的K＋向Zn电极移动 C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板流向Zn电极 D．该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 ◆知识点二 二次电池 1．铅蓄电池 构造 由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸 装置 放电 负极 正极 电池反应 Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO===2PbSO4＋2H2O 充电 阴极 阳极 总反应 2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO 合并总反应 Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O 特点 优点：性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电； 缺点：比能量低，废弃后会污染环境等 2．锂离子电池 (1)锂离子电池的优点：质量小、体积小、储存和输出能量大。 (2)锂离子电池的组成 正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4）或钴酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子________或________结构的化合物； 负极材料大多数是________材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。 电解质溶液是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的________中。 (3)常见锂离子电池的工作原理(以钴酸锂-石墨锂电池为例) 工作原理示意图 放电 负极：________________________________ Li＋从负极脱出，嵌入到正极 正极：________________________________ 电池反应：LixC6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C 在充放电过程中，Li＋在正、负极间不断的进行可逆脱嵌 (4)锂离子电池的应用 便携式电子设备(手机、笔记本电脑等)、交通工具(电动汽车、电动自行车等)、大型储能电站等。 即学即练 1．下列关于电池的说法正确的是(　　) A．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 B．电池工作时，电子从负极经外电路流向正极，再经过电解质流回负极 C．铅酸蓄电池放电时的正极反应为PbO2＋2e－＋4H＋===Pb2＋＋2H2O D．氢氧燃料电池，通入氢气的电极为电池的负极 2．如图为铅蓄电池示意图，其总反应为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2PbSO4＋2H2O。下列说法错误的(　　) A．放电时，左侧电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O B．放电时，电解质溶液的浓度逐渐增大 C．充电时，B电极与外接直流电源的负极相连 D．放电时，两电极的质量均增大 ◆知识点三 燃料电池 1．燃料电池 (1)概念： 燃料电池是利用________和________之间发生的氧化还原反应，将化学能________转化为电能的化学电池。氢气、甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作为燃料。 (2)特点：氧化剂和还原剂在工作时不断从________，同时将电极反应产物不断________。 2．氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理(电解液为KOH溶液) 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生______反应和______反应。 负极：________________________________ 正极：________________________________ 电池反应：________________________________ 3．基础实验——制作简单的燃料电池 (1)实验步骤 ①将石墨棒和玻璃导管插入橡胶塞中，将橡胶塞塞入U形管管口中，检查________，标记_________到达的位置； ②取出橡胶塞，往U形管中注入稀硫酸，以接近________________的位置为宜； ③塞紧橡胶塞，接通学生电源，当一端玻璃管内的________接近溢出时，切断学生电源； ④取出时钟内的干电池，将________与时钟的正、负极相连，观察时钟指针。 (2)实验现象 ①接通学生电源，________________________________________________________________。 ②连接时钟，________________________。 (3)判断燃料电池中正、负极的方法 接通学生电源时，玻璃管内液柱先接近溢出的电极产生的气体是______，该电极为燃料电池的_______极；另外一个电极产生的是_____，该电解为燃料电池的______极。 4．燃料电池的优点 (1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，能连续不断地提供电能。 (2)能量转换率高，有利于节约能源。 (3)排放的废弃物少，绿色环保。 即学即练 1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　) A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 2．新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的电极反应式为正极：FePO4＋ Li＋＋ e－===LiFePO4，负极：Li－e－===Li＋。下列说法正确的是(　　) A．充电时电池反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4 B．放电时电池内部Li＋向负极移动 C．充电时动力电池的阳极应与外接电源的正极相连 D．放电时，在正极上Li＋得电子被还原 一、常见的化学电源 1．化学电池的分类 化学电池的种类很多，常分为以下三类。 种类 特点(分类依据) 实例 一次电池 放完电以后不能再使用 普通锌锰电池、碱性锌锰电池 二次电池 充电、放电可循环进行 铅蓄电池、镍氢电池 燃料电池 可通过不断充入燃料、氧化剂，连续使用 氢氧燃料电池、CH4燃料电池 2．常见化学电池的比较 (1)一次电池：活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。 (2)二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。 (3)燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。 3．化学电池的特点 化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池(充电电池)、燃料电池(连续电池)。使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸、碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。 实践应用 1．下列说法不正确的是(　　) A．原电池中发生的可逆反应达到平衡时，该电池仍有电流产生 B．铅蓄电池的缺点是比能量低、笨重 C．普通锌锰电池与碱性锌锰电池的比能量不同 D．燃料电池能量转换率高，活性物质由外界加入，可实现连续不间断供电 2．鱼雷采用Al-Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解质溶液，电池反应为2Al＋3Ag2O＋2KOH===6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列说法错误的是(　　) A．Ag2O为电池的正极 B．电子由Ag2O极经外电路流向Al极 C．Al在电池反应中被氧化 D．溶液中的OH－向Al极迁移 二、燃料电池 1．燃料电池的工作原理 一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2) 得电子发生还原反应。 2．常见的四种类型的氢氧燃料电池 名称 电解质 电极反应和总反应 酸性氢氧燃料电池 H2SO4 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H++4e-=2H2O 总反应：2H2+O2=2H2O 碱性氢氧燃料电池 KOH 负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应：2H2+O2=2H2O 熔融盐氢氧燃料电池 熔融碳酸盐 负极：2H2-4e-+2CO=2CO2+2H2O 正极：2CO2+4e-+O2= 2CO 总反应：2H2+O2=2H2O 固体氧化物燃料电池 固体氧化物 负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O 正极：O2+4e-=2O2- 总反应：2H2+O2=2H2O 实践应用 1．从理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。请写出以下原电池的电极反应： (1)甲烷燃料电池 ①电解质溶液：KOH溶液 正极：________________________________；负极：________________________________； 总反应：________________________________。 ②电解质溶液：稀硫酸 正极：________________________________； 负极：________________________________； 总反应：________________________________。 (2)乙醇燃料电池 ①电解质溶液：KOH溶液 正极：________________________________________； 负极：________________________________________； 总反应式：________________________________________。 ②电解质溶液：稀硫酸 正极：________________________________________； 负极：________________________________________； 总反应式：________________________________________。 2．法国格勒诺布尔(Grenoble)约瑟夫·傅立叶大学的研究小组发明了第一块可植入人体为人造器官提供电能的葡萄糖生物燃料电池，其基本原理是葡萄糖和氧气在人体中酶的作用下发生反应：C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O(酸性环境)。下列有关该电池的说法不正确的是(　　) A．该生物燃料电池不可以在高温下工作 B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋ C．消耗1 mol氧气时转移4 mol e－，H＋向负极移动 D．今后的研究方向是设法提高葡萄糖生物燃料电池的效率，从而使其在将来可以为任何可植入医疗设备提供电能 三、化学电源的电极反应式的书写 1．可充电电池电极反应式的书写 (1)在书写可充电电池电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向都能反应，所以要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。 (2)原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素的化合价升高。 (3)原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素的化合价降低。 2．燃料电池电极反应式的书写方法 (1)负极为燃料，失电子，发生氧化反应。 如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法： 第一步　确定生成物 CH4； 第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒 H4－8e－―→O＋H2O； 第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O； 第四步　最后根据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 (2)正极为氧气，得电子，发生还原反应。 由于电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同， 酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－； 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 实践应用 1．(1)某新型锂离子电池以含Li＋导电固体为电解质，电池反应为Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。该电池的负极材料是__________，正极反应式为_________________________________。 (2)另一种锂电池由于它的比容量(单位质量电极材料所能转换的电量)特别大而广泛应用于心脏起搏器。电池总反应可表示为Li＋MnO2===LiMnO2，锂电池比容量特别大的原因是__________________________。 (3)不管哪种锂电池都标明“严禁投入水中”，试用化学方程式解释其原因：_______________________。 2．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题： (1)高铁电池的负极材料是__________，放电时负极反应式为_______________________________。 (2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应，正极反应式为____________________________。放电时，_______(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。 考点一 化学电源 【例1】下列图示都是原电池原理在化学电源中的应用。 下列有关说法中正确的是( ) A．铅蓄电池在放电时，其负极是铅电极 B．氢氧燃料电池中，H2所在电极发生的反应为H2-2e-+2OH-===2H2O C．氢氧燃料电池中，通入O2的一极为负极 D．铅蓄电池放电后，PbO2极质量减小 【变式1-1】下列关于铅蓄电池的说法中正确的是(　　 ) A．在放电时，正极发生的反应是Pb+SO42-===PbSO4+2e- B．在放电时，该电池的负极材料是铅板 C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小 D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4+2e-===Pb+ SO42- 【变式1-2】新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的正极反应式为FePO4+Li++e-===LiFePO4，负极反应式为Li-e-===Li+。下列说法中正确的是(　 　) A．充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连 B．放电时电池总反应为FePO4+Li++e-===LiFePO4 C．放电时电池内部Li+向负极移动 D．放电时，在正极上Li+得电子被还原 考点二 燃料电池 【例2】氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用 B．负极反应式为H2－2e－＋CO===CO2＋H2O[来源:学#科#网Z#X#X#K] C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放 D．电池工作时，外电路中流过0.2 mol电子，消耗3.2 g O2 解题要点 燃料电池电极反应式书写的注意事项 (1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧。 (2)书写电极反应式及总反应式时，若产物与电解质溶液能反应，电解质溶液要写在总反应式中。 (3)燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有密切的关系。 【变式2-1】燃料电池是利用燃料(如CO、H2、CH4等)与氧化剂反应，将反应物的化学能转化为电能的装置，通常用氢氧化钾作电解质。回答下列问题： (1)已知某燃料电池的总反应为CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，电池中有一极的电极反应式为CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O，该电极是燃料电池的　　　　(填“正”或“负”)极，另一个电极上的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (2)随着电池不断放电，电解质溶液的碱性逐渐　　　　(填“增强”“减弱”或“不变”)  (3)通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率　　　(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷燃烧的能量利用率。  考点三 化学电源电极反应式的书写 【例3】(1)利用原电池检测CO的原理如图所示，完成下列问题： 负极反应式为______________________，正极反应式为_____________________。 电池总反应为_________________________________。 (2)废气中NH3的发电原理如图所示，完成下列问题： 负极反应式为_________________________，正极反应式为_________________________。 电池总反应为____________________________。 (3)氢氧燃料固体电池(传导H＋固体电解质)如图所示，回答下列问题： 负极反应式为______________________，正极反应式为_____________________。 电池总反应为_________________________________。 解题要点 书写电极反应式时，必须遵循的三个原则 (1)在电极反应式中，只有能溶于水的强电解质才能写成离子。 (2)在酸性溶液中，可发生消耗H＋和产生H＋的反应，不可能发生消耗OH－和产生OH－的反应，同理在碱性溶液中，可发生消耗OH－和产生OH－的反应，不可能发生消耗H＋和产生H＋的反应。 (3)明确电解质形态是溶液的、熔盐的还是固态的；电极反应的产物与电解质溶液中的物质有没有后续反应；体系中有没有不共存的微粒存在。。 【变式3-1】人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。电池发挥着越来越重要的作用，如在宇宙飞船、人造卫星、电脑、照相机等，都离不开各式各样的电池，同时废弃的电池随便丢弃也会对环境造成污染。请根据题中提供的信息，回答下列问题： (1)研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池反应可表示为：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl ①该电池的负极反应式是______________； ②在电池中，Na+不断移动到“水”电池的_______极(填“正”或“负”)； ③外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是______________。 (2)中国科学院应用化学研究所在甲醇(CH3OH是一种可燃物)燃料电池技术方面获得新突破。甲醇燃料电池的工作原理如右图所示。 ①该电池工作时，b口通入的物质为______________。 ②该电池负极的电极反应式_________________________。 ③工作一段时间后，当6.4g甲醇完全反应生成CO2时，有______NA个电子转移。 (3)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，当银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池反应方程式：____________________。 考点四 新型化学电源 【例4】锰酸锂是一种可充电锂离子电池的电极材料，该电池的反应方程式为Li1－xMn2O4＋LixC6LiMn2O4＋C6(x<1)。下列说法错误的是(　　) A．放电时，b为正极，电极反应式为Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4 B．放电时，Li＋由a极区域移向b极区域 C．充电时，阴极电极反应式为C6＋xe－＋xLi＋===LixC6 D．充电时，b电极与电源的负极相连 解题要点 新型电池中正、负极的判断方法 判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是失电子(发生氧化反应)的一极是负极，得电子(发生还原反应)的一极是正极。如果给出一个化学方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，化合价升高、发生氧化反应的一极为负极，化合价降低、发生还原反应的一极为正极。 【变式4-1】化学家描绘出了一种使用DMSO(二甲亚砜)作为电解液，并用多孔黄金作为电极的锂-空气电池的实验模型，该电池放电时在多孔黄金上氧分子与锂离子反应，形成过氧化锂，其装置图如图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A．DMSO电解液能传递Li＋和电子，不能换成水溶液 B．该电池放电时每消耗2 mol O2，转移4 mol电子 C．给该锂-空气电池充电时，金属锂接电源的正极 D．多孔黄金为电池正极，电极反应式可能为O2＋4e－===2O2－ 【变式4-2】全钒液流储能电池一次性充电后，续航能力可达1 000 km，而充电时间只需3～5 min，被誉为“完美电池”，其原理如图所示(已知溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色)。电池放电时，左槽溶液质量增加。下列说法正确的是(　　) A．充电时的阴极反应：VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O B．放电时的正极反应：V3＋＋e－===V2＋ C．放电过程中，右槽溶液由紫色变为绿色 D．若负载为用石墨电极电解食盐水的装置，生成4 g NaOH时该电池中消耗0.1 mol H＋ 基础达标 1．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其总反应为Ag2O+Zn+H2O=Zn(OH)2+2Ag。下列叙述中正确的是(　　)。 A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH逐渐增大 B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn C．Zn是负极，Ag2O是正极 D．Zn发生还原反应，Ag2O发生氧化反应 2．研究发现一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，其在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如图为酸性有机污水处理的实验装置。下列说法正确的是(　　) A．工作过程中正极室的溶液pH降低 B．工作过程中H+由正极室向负极室迁移 C．若底物为CH3CHO，则负极反应式为CH3CHO-10e-+3H2O===2CO2↑+10H+ D．若底物为CH3CHO，且放出44 g CO2，至少消耗28.0 L O2 3．电子表和电子计算器的电源通常用微型银­锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法正确的是(　　) A．Ag2O是正极，Zn是负极 B．Zn是正极，Ag2O是负极 C．工作时，电池负极区溶液pH增大 D．工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极 4．一种镁氧电池电极材料为金属膜和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液，如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－ B．负极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2 C．电子的移动方向是由a经外电路到b D．该电池在工作过程中，电解液KOH的浓度保持不变 5．火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时(　　) A．负极上发生还原反应 B． CO2在正极上得电子 C．阳离子由正极移向负极 D. 将电能转化为化学能 6．“自煮火锅”发热包的成分为碳酸钠、硅藻土、铁粉、铝粉、活性炭、焦炭粉、NaCl、生石灰，向发热包中加入冷水，可用来蒸煮食物。下列说法错误的是(　　) A．活性炭作正极，正极上发生还原反应 B．负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O C．Na＋由活性炭区向铝粉表面区迁移 D．硅藻土结构疏松，使各物质分散并混合均匀，充分接触 7．镍镉电池是一种可充电电池，使用寿命为10~15年。镍镉电池的总反应为Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2。下列说法不正确的是(　　) A．放电时，负极发生氧化反应，电极反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2 B．充电时，阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O C．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小 D．该电池充电时将电能转化为化学能 8．我国科学家发明了一种“可固氮”的锂-氮二次电池，用可传递Li+的醚类作电解质，电池的总反应为6Li+N22Li3N。下列说法正确的是(　　) A．固氮时，锂电极上发生还原反应 B．脱氮时，钌复合电极的电极反应式：2Li3N-6e-=6Li++N2↑ C．固氮时，外电路中电子由钌复合电极流向锂电极 D．固氮时，钌复合电极作负极 9．某实验室设计了如图装置制备N2H4。双极膜是阴、阳复合膜，层间的H2O解离成和OH-并分别通过阴、阳膜定向移动。下列说法错误的是( ) A．Pt为负极 B．石墨电极反应式为ClO-+2e-+2H+=Cl- +H2O C．双极膜中产生的OH-移向Pt电极 D．每消耗11.2LNH3时双极膜中消耗1molH2O 10．微生物燃料电池(MFC)以厌氧微生物催化氧化有机物(如葡萄糖)，同时处理含Cu2+废水，装置如图所示，下列说法正确的是( ) A．N极发生氧化反应 B．温度越高，反应速率越快，电池工作效率越高 C．原电池中电子的移动方向是：M→导线→N→电解质溶液→M，阴离子移向M极 D．N极的电极反应式：Cu2++2e-===Cu 综合应用 11．下面是最近研发的Ca-LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li＋通过，电池反应为xCa2＋＋2LiFePO4xCa＋2Li1－xFePO4＋2xLi＋。下列说法错误的是(　　) A．放电时，负极反应为LiFePO4－xe－===2Li1－xFePO4＋xLi＋ B．充电时，Li1－xFePO4/LiFePO4电极发生Li＋脱嵌，放电时发生Li＋嵌入 C．充电时，当转移0.2 mol电子时，理论上左室中电解质的质量减轻2.6 g D．LiPF6-LiAsF6为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子 12．镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　　) A．放电时，Cl－向上层方向移动 B．放电时，Mg(液)层的质量减小 C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极 D．充电时，阴极的电极反应式为Mg2＋＋2e－===Mg 13．微生物电池具有高效、清洁、环保等优点。某微生物电池工作原理如图所示，下列说法错误的是(　　) A．a极为该电池的负极 B．b极的电极反应式为[Fe(CN)6]4－－e－===[Fe(CN)6]3－ C．放电过程中a极附近溶液pH降低 D．当外电路通过1 mol e－时，理论上溶液中会有1 mol H＋通过质子交换膜移向b极 14．水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)和V2O5为电极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液，总反应为xZn＋V2O5===ZnxV2O5(s)。下列叙述错误的是(　　) A．充电时，多孔锌电极连接电池的负极 B．放电时，V2O5电极上发生的反应为V2O5＋2e－＋xZn2＋===ZnxV2O5 C．充电时，Zn2＋通过阳膜由右池移向左池 D．理论上，充放电过程中电解质溶液的质量均未改变 15．(1)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动，其装置示意图如图： ①质子的流动方向为____________(填“从A到B”或“从B到A”)。 ②负极的电极反应式为____________________________。 (2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示： ①a极为电池的__________(填“正”或“负”)极。 ②当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为_______________。 16．(1)据文献报道，科学家利用氮化镓材料与铜组成如图所示的人工光合系统装置，成功地以CO2和H2O为原料合成了CH4。 ①写出铜电极表面的电极反应式：_________________________________________。 ②为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量________(填“盐酸”或“硫酸”)。 (2)某负载二次镍氢电池放电时的工作原理如图所示，其中隔膜为________(填“阴”或“阳”)离子交换膜，负极的电极反应式为____________________________________________。 (3)利用反应NO2＋NH3―→N2＋H2O(未配平)消除烟气中NO2的简易装置如图所示，A、B两池溶液均为200 mL 0.01 mol·L－1 NaOH溶液，过程中溶液的体积和温度变化忽略不计。 电极a的电极反应式为____________________________。 拓展培优 17．新华网报道，我国高温固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该技术实现了废气资源回收能量，并得到单质硫原理如图所示，下列说法正确的是( ) A．电极b为电池负极 B．电极a上的电极反应为：2H2S+2O2-_4e-===S2+2H2O C．该电池消耗1molH2S转化成的电能理论上等于其燃烧热值 D．电路中每通过4mol电子，正极消耗448LH2S 18．一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化成电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其原理如图所示。下列说法错误的是( ) A．Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势 B．燃料电池总反应为 C．Pt1电极附近发生的反应为NO+2H2O+3e-=+4H+ D．该电池放电时H+从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动 19．原电池原理广泛应用于科技、生产和生活中。 (1)一种处理垃圾渗透液并用其发电的装置工作示意图如下。 ①在空气中，微生物将垃圾渗透液硝化，该反应的离子方程式为 。 ②Y电极的电极反应式为 。 ③盐桥中移向 (填“X或Y”)极；当转移0.15mol电子时，生成标准状况下的体积为 L。 (2)用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示。 ①电极X是该电池的 (填“正”或“负”)极，电池总反应式为 。 ②电池工作时，质子通过交换膜 (填“从左向右”或“从右向左”)迁移。 20．均为有毒气体，对废气的资源化利用是目前的研究热点。如图甲为质子膜燃料电池的示意图，图乙为利用原电池原理处理的示意图。 Ⅰ.根据图甲，回答下列问题： (1)电池负极为_______(填“电极a”或“电极b”，下同)，发生还原反应的电极为______________________。 (2)电极b的电极反应式为________________________；电池总反应为__________________________。 (3)当电路中通过8mol电子时，有_______mol 经质子固体电解质膜进入正极区。 Ⅱ.根据图乙，回答下列问题： (4)负极反应式为_______________________________________。 (5)利用该原理制得的化工原料C为_______(填化学式)。 (6)处理32g，理论上需要消耗的体积为_______L(标准状况下)。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 专题1 化学反应与能量变化 第二单元 化学能与电能的转化 第2课时 化学电源 教学目标 1．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。 2．能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决新型电池的开发问题。 3．了解化学电源的分类及常见化学电源的构成。 重点和难点 重点：常见的化学电源；燃料电池的工作原理。 难点：化学电池电极反应式的书写。 ◆知识点一 化学电源 一次电池 1．化学电源 (1)化学电源的分类 化学电源按其反应原理常分为如下三类： ①一次电池：一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用。使用最广泛的一次电池是干电池。 ②二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。 ③燃料电池：是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。 另外，化学电源按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。 (2)化学电池的回收利用 使用后的废旧电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废旧电池要进行回收利用。 (3)化学电源的发展方向 不断研制小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。 2．一次电池 (1)普通锌锰干电池 ①构造 负极：锌筒；正极：石墨棒；电解质溶液：氯化铵和氯化锌 ②工作原理 电池反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnOOH 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH (2)碱性锌锰电池 ①构造 负极反应物：锌粉；正极反应物：二氧化锰；电解质溶液：氢氧化钾溶液。 ②工作原理 电池反应式：Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2 负极反应式：Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2； 正极反应式：MnO2+2e-+2H2O===2MnO(OH)+2OH-。 (2)银锌纽扣电池： ①构造 负极反应物：锌粉；正极反应物：Ag2O；电解质溶液：KOH溶液。 ②原理 电池反应式：Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag。 负极反应式：Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2。 正极反应式：Ag2O+2e-+2H2O===2Ag+2OH-。 即学即练 1．日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋，2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　) A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极 B．干电池可实现电能向化学能的转化 C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器 D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒 答案　C 解析　干电池中锌筒作负极，非金属石墨棒作正极，A错误；干电池是一次电池，不能实现电能向化学能的转化，B错误；NH4Cl是强酸弱碱盐，水解呈酸性，所以干电池长时间连续使用时内装糊状物可能流出腐蚀用电器，C正确；干电池工作时，电流由正极石墨棒经外电路流向负极锌筒，D错误。 2．体温枪能快速检测人体体温，该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如图所示)，电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的说法正确的是(　　) A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应 B．该电池放电时溶液中的K＋向Zn电极移动 C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板流向Zn电极 D．该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 答案　D 解析　根据总反应式可知，Ag2O中银元素化合价降低，得到电子，作原电池正极，发生还原反应，溶液中的K＋向Ag2O电极移动，A、B错误；电池工作时，电流从Ag2O电极经过外电路流向Zn电极，C错误；Zn化合价升高，作原电池负极，根据总反应式可得该电极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，D正确。 ◆知识点二 二次电池 1．铅蓄电池 构造 由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸 装置 放电 负极 Pb＋SO－2e－===PbSO4 正极 PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O 电池反应 Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO===2PbSO4＋2H2O 充电 阴极 PbSO4＋2e－===Pb＋SO 阳极 PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO 总反应 2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO 合并总反应 Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O 特点 优点：性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电； 缺点：比能量低，废弃后会污染环境等 2．锂离子电池 (1)锂离子电池的优点：质量小、体积小、储存和输出能量大。 (2)锂离子电池的组成 正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4）或钴酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌结构的化合物； 负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。 电解质溶液是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中。 (3)常见锂离子电池的工作原理(以钴酸锂-石墨锂电池为例) 工作原理示意图 放电 负极：LixC6－xe－===xLi＋＋6C Li＋从负极脱出，嵌入到正极 正极：Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 电池反应：LixC6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C 在充放电过程中，Li＋在正、负极间不断的进行可逆脱嵌 (4)锂离子电池的应用 便携式电子设备(手机、笔记本电脑等)、交通工具(电动汽车、电动自行车等)、大型储能电站等。 即学即练 1．下列关于电池的说法正确的是(　　) A．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 B．电池工作时，电子从负极经外电路流向正极，再经过电解质流回负极 C．铅酸蓄电池放电时的正极反应为PbO2＋2e－＋4H＋===Pb2＋＋2H2O D．氢氧燃料电池，通入氢气的电极为电池的负极 答案：D 解析：太阳能电池的主要材料是高纯度硅，光导纤维的主要材料是二氧化硅，故A错误；电池工作时，电子从负极经外电路流向正极，溶液中离子发生移动，电子不经过溶液，故B错误；铅酸蓄电池放电时的正极反应为PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O，故C错误；氢氧燃料电池中，负极上氢气失电子而发生氧化反应，则氢气被氧化，故D正确。 2．如图为铅蓄电池示意图，其总反应为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2PbSO4＋2H2O。下列说法错误的(　　) A．放电时，左侧电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O B．放电时，电解质溶液的浓度逐渐增大 C．充电时，B电极与外接直流电源的负极相连 D．放电时，两电极的质量均增大 答案　B 解析　放电时，B电极为负极，则充电时，B电极应与外接直流电源的负极相连，C项正确；由电极反应式可知，放电时，两电极的质量均增大，D项正确。 ◆知识点三 燃料电池 1．燃料电池 (1)概念： 燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。氢气、甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作为燃料。 (2)特点：氧化剂和还原剂在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池。 2．氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理(电解液为KOH溶液) 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生氧化反应和还原反应。 负极：2H2 - 4e- + 4OH- === 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH- 电池反应：2H2+O2===2H2O 3．基础实验——制作简单的燃料电池 (1)实验步骤 ①将石墨棒和玻璃导管插入橡胶塞中，将橡胶塞塞入U形管管口中，检查气密性，标记橡胶塞底部到达的位置； ②取出橡胶塞，往U形管中注入稀硫酸，以接近橡胶塞底部标记的位置为宜； ③塞紧橡胶塞，接通学生电源，当一端玻璃管内的液柱接近溢出时，切断学生电源； ④取出时钟内的干电池，将导线与时钟的正、负极相连，观察时钟指针。 (2)实验现象 ①接通学生电源，两个石墨棒上都有气泡产生，U形管内液面下降，玻璃管液面上升。 ②连接时钟，时钟指针又开始走动。 (3)判断燃料电池中正、负极的方法 接通学生电源时，玻璃管内液柱先接近溢出的电极产生的气体是H2，该电极为燃料电池的负极；另外一个电极产生的是O2，该电解为燃料电池的正极。 4．燃料电池的优点 (1)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，能连续不断地提供电能。 (2)能量转换率高，有利于节约能源。 (3)排放的废弃物少，绿色环保。 即学即练 1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　) A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 答案　B 2．新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的电极反应式为正极：FePO4＋ Li＋＋ e－===LiFePO4，负极：Li－e－===Li＋。下列说法正确的是(　　) A．充电时电池反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4 B．放电时电池内部Li＋向负极移动 C．充电时动力电池的阳极应与外接电源的正极相连 D．放电时，在正极上Li＋得电子被还原 答案　C 解析　根据原电池的电极反应得到电池总反应：FePO4＋Li===LiFePO4，则充电时电池反应为LiFePO4===FePO4＋Li，A错误；根据原电池的正极反应：FePO4＋ Li＋＋e－===LiFePO4可判断放电时电池内部Li＋向正极移动，Li元素的化合价未变，铁元素得到电子，化合价发生变化，B、D错误；充电时动力电池上的阳极应与外接电源的正极相连，发生氧化反应：LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋，C正确。 一、常见的化学电源 1．化学电池的分类 化学电池的种类很多，常分为以下三类。 种类 特点(分类依据) 实例 一次电池 放完电以后不能再使用 普通锌锰电池、碱性锌锰电池 二次电池 充电、放电可循环进行 铅蓄电池、镍氢电池 燃料电池 可通过不断充入燃料、氧化剂，连续使用 氢氧燃料电池、CH4燃料电池 2．常见化学电池的比较 (1)一次电池：活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。 (2)二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。 (3)燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。 3．化学电池的特点 化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池(充电电池)、燃料电池(连续电池)。使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸、碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。 实践应用 1．下列说法不正确的是(　　) A．原电池中发生的可逆反应达到平衡时，该电池仍有电流产生 B．铅蓄电池的缺点是比能量低、笨重 C．普通锌锰电池与碱性锌锰电池的比能量不同 D．燃料电池能量转换率高，活性物质由外界加入，可实现连续不间断供电 答案：A 解析：原电池中发生的可逆反应达到平衡时，正、逆反应速率相等，各物质的浓度不变，不再有电流产生，A错误；铅蓄电池的缺点是比能量(单位质量所蓄电能)低，十分笨重，对环境腐蚀性强，循环使用寿命短，B正确；碱性锌锰电池中负极反应更充分，比能量比普通锌锰电池高，C正确；燃料电池为一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，能量转换率高，活性物质由外界加入，可实现连续不间断供电，D正确。 2．鱼雷采用Al-Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解质溶液，电池反应为2Al＋3Ag2O＋2KOH===6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列说法错误的是(　　) A．Ag2O为电池的正极 B．电子由Ag2O极经外电路流向Al极 C．Al在电池反应中被氧化 D．溶液中的OH－向Al极迁移 答案：B 解析：该原电池中，Al元素化合价由0价升高为＋3价，发生氧化反应，所以Al为负极，Ag2O为正极，A、C正确；放电时，电子从负极沿导线流向正极即电子由Al极通过外电路流向Ag2O极，B错误；放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，即溶液中的OH－向Al极迁移，D正确。 二、燃料电池 1．燃料电池的工作原理 一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2) 得电子发生还原反应。 2．常见的四种类型的氢氧燃料电池 名称 电解质 电极反应和总反应 酸性氢氧燃料电池 H2SO4 负极：2H2-4e-=4H+ 正极：O2+4H++4e-=2H2O 总反应：2H2+O2=2H2O 碱性氢氧燃料电池 KOH 负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应：2H2+O2=2H2O 熔融盐氢氧燃料电池 熔融碳酸盐 负极：2H2-4e-+2CO=2CO2+2H2O 正极：2CO2+4e-+O2= 2CO 总反应：2H2+O2=2H2O 固体氧化物燃料电池 固体氧化物 负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O 正极：O2+4e-=2O2- 总反应：2H2+O2=2H2O 实践应用 1．从理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。请写出以下原电池的电极反应： (1)甲烷燃料电池 ①电解质溶液：KOH溶液 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O； 总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O。 ②电解质溶液：稀硫酸 正极：2O2＋8H＋＋8e－===4H2O； 负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋； 总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。 (2)乙醇燃料电池 ①电解质溶液：KOH溶液 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－； 负极：C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O； 总反应式：C2H5OH＋3O2＋4OH－===2CO＋5H2O。 ②电解质溶液：稀硫酸 正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O； 负极：C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋； 总反应式：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O。 2．法国格勒诺布尔(Grenoble)约瑟夫·傅立叶大学的研究小组发明了第一块可植入人体为人造器官提供电能的葡萄糖生物燃料电池，其基本原理是葡萄糖和氧气在人体中酶的作用下发生反应：C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O(酸性环境)。下列有关该电池的说法不正确的是(　　) A．该生物燃料电池不可以在高温下工作 B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋ C．消耗1 mol氧气时转移4 mol e－，H＋向负极移动 D．今后的研究方向是设法提高葡萄糖生物燃料电池的效率，从而使其在将来可以为任何可植入医疗设备提供电能 答案：C 解析：大部分酶属于蛋白质，在高温下会发生变性，失去生理活性，所以该生物燃料电池不可以在高温下工作，故A正确；葡萄糖生物燃料电池中葡萄糖在负极失电子发生氧化反应生成二氧化碳，其电极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋，故B正确；氧气在正极得电子，其电极方程式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，消耗1 mol氧气则转移4 mol e－，在溶液中阳离子向正极移动，所以H＋会向正极移动，故C错误；提高葡萄糖生物燃料电池的效率，能提高葡萄糖的能量利用率，向外提供更多的电量，故D正确；答案选C。 三、化学电源的电极反应式的书写 1．可充电电池电极反应式的书写 (1)在书写可充电电池电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向都能反应，所以要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。 (2)原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素的化合价升高。 (3)原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素的化合价降低。 2．燃料电池电极反应式的书写方法 (1)负极为燃料，失电子，发生氧化反应。 如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法： 第一步　确定生成物 CH4； 第二步　确定电子转移和变价元素原子守恒 H4－8e－―→O＋H2O； 第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O； 第四步　最后根据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 (2)正极为氧气，得电子，发生还原反应。 由于电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同， 酸性电解质溶液：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 碱性电解质溶液：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－； 熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。 实践应用 1．(1)某新型锂离子电池以含Li＋导电固体为电解质，电池反应为Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。该电池的负极材料是__________，正极反应式为_________________________________。 (2)另一种锂电池由于它的比容量(单位质量电极材料所能转换的电量)特别大而广泛应用于心脏起搏器。电池总反应可表示为Li＋MnO2===LiMnO2，锂电池比容量特别大的原因是__________________________。 (3)不管哪种锂电池都标明“严禁投入水中”，试用化学方程式解释其原因：_______________________。 答案　(1)Li　LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4 (2)Li相对原子质量较小，单位质量的Li释放的电子多　(3)2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 解析　(1)Li的化合价升高作负极；LiMn2O4作正极，正极反应式为LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4。(3)Li是一种碱金属元素，很活泼，化学性质与钠类似，会与水发生反应。 2．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题： (1)高铁电池的负极材料是__________，放电时负极反应式为_______________________________。 (2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应，正极反应式为____________________________。放电时，_______(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。 答案：(1)Zn　3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2 (2)还原　2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－　正 解析：放电时，电池的负极上发生氧化反应，电极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，电极反应式为2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。 考点一 化学电源 【例1】下列图示都是原电池原理在化学电源中的应用。 下列有关说法中正确的是( ) A．铅蓄电池在放电时，其负极是铅电极 B．氢氧燃料电池中，H2所在电极发生的反应为H2-2e-+2OH-===2H2O C．氢氧燃料电池中，通入O2的一极为负极 D．铅蓄电池放电后，PbO2极质量减小 答案 A 解析 A项，铅蓄电池在放电时，铅是负极，由铅变成硫酸铅，A正确；B项，氢氧燃料电池中，电解质溶液为酸性，所以H2所在电极发生的反应为H2-2e-=2H+，B错误；C项，氢氧燃料电池中，通入O2的一极为正极，C错误；D项，铅蓄电池放电后，PbO2极变成PbSO4，质量增重，D错误；故选A。 【变式1-1】下列关于铅蓄电池的说法中正确的是(　　 ) A．在放电时，正极发生的反应是Pb+SO42-===PbSO4+2e- B．在放电时，该电池的负极材料是铅板 C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小 D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4+2e-===Pb+ SO42- 答案 B 解析 A项，电池放电时正极发生还原反应，电极反应为PbO2+4H++2e-+SO42-===PbSO4+2H2O；C项，电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项，电池充电时阳极应发生氧化反应。 【变式1-2】新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的正极反应式为FePO4+Li++e-===LiFePO4，负极反应式为Li-e-===Li+。下列说法中正确的是(　 　) A．充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连 B．放电时电池总反应为FePO4+Li++e-===LiFePO4 C．放电时电池内部Li+向负极移动 D．放电时，在正极上Li+得电子被还原 答案 A 解析 B项，放电时电池总反应为FePO4+Li=LiFePO4；C项，放电时电池内部Li+向正极移动；D项，在正极上FePO4得电子被还原。 考点二 燃料电池 【例2】氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用 B．负极反应式为H2－2e－＋CO===CO2＋H2O[来源:学#科#网Z#X#X#K] C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放 D．电池工作时，外电路中流过0.2 mol电子，消耗3.2 g O2 答案 B 解析 根据图示，在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中，通入氢气的电极为负极，负极发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋CO===CO2＋H2O，通入氧气的电极为正极，正极发生还原反应，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO，总反应为2H2＋O2===2H2O。根据上述分析，电池工作时，熔融碳酸盐参与了电极反应，故A错误；负极发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋CO===CO2＋H2O，故B正确；根据总反应，该电池工作时没有消耗二氧化碳，不能减少温室气体的排放，故C错误；电池工作时，外电路中流过0.2 mol电子，消耗0.5 mol氧气，质量为16 g O2，故D错误。 解题要点 燃料电池电极反应式书写的注意事项 (1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧。 (2)书写电极反应式及总反应式时，若产物与电解质溶液能反应，电解质溶液要写在总反应式中。 (3)燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有密切的关系。 【变式2-1】燃料电池是利用燃料(如CO、H2、CH4等)与氧化剂反应，将反应物的化学能转化为电能的装置，通常用氢氧化钾作电解质。回答下列问题： (1)已知某燃料电池的总反应为CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，电池中有一极的电极反应式为CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O，该电极是燃料电池的　　　　(填“正”或“负”)极，另一个电极上的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (2)随着电池不断放电，电解质溶液的碱性逐渐　　　　(填“增强”“减弱”或“不变”)  (3)通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率　　　(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷燃烧的能量利用率。  答案 (1)负　4H2O+2O2+8e-=8OH- (2)减弱 (3)大于 解析 (1)根据电极反应式可知，甲烷失去电子，作电池的负极，正极反应式可以用电池总反应式减去负极反应式得到。(2)从电池总反应可知反应过程消耗KOH，所以溶液的碱性减弱。 考点三 化学电源电极反应式的书写 【例3】(1)利用原电池检测CO的原理如图所示，完成下列问题： 负极反应式为______________________，正极反应式为_____________________。 电池总反应为_________________________________。 (2)废气中NH3的发电原理如图所示，完成下列问题： 负极反应式为_________________________，正极反应式为_________________________。 电池总反应为____________________________。 (3)氢氧燃料固体电池(传导H＋固体电解质)如图所示，回答下列问题： 负极反应式为______________________，正极反应式为_____________________。 电池总反应为_________________________________。 答案 (1)CO－2e－＋O2－===CO2 O2＋4e－===2O2－　2CO＋O2===2CO2 (2)2NH3－6e－＋3O2－===N2＋3H2O O2＋4e－===2O2－　4NH3＋3O2===2N2＋6H2O (3)H2－2e－===2H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O　2H2＋O2===2H2O 解析 (1)CO为还原剂，在负极发生氧化反应，负极反应式为CO－2e－＋O2－===CO2；O2为氧化剂，在正极发生还原反应，正极反应式为O2＋4e－===2O2－，电池总反应为2CO＋O2===2CO2。 (2)NH3为还原剂，在负极发生氧化反应，负极反应式为2NH3－6e－＋3O2－===N2＋3H2O，O2为氧化剂，在正极发生还原反应，正极反应式为O2＋4e－===2O2－，电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O。 (3)根据题意，该装置为氢氧燃料电池，燃料电池中通入燃料的一极为负极，通入氧气(或空气)的一极为正极，结合图示，通入氢气的Pt电极为负极，通入氧气的Pt电极为正极，据此分析解答。 (1)结合分析，H2是负极反应物，负极反应式为H2－2e－===2H＋；(2)结合分析，O2是正极反应物，负极产生的H＋移向正极，正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，正极和负极电极反应式加和，电池总反应为2H2＋O2=== 2H2O。 解题要点 书写电极反应式时，必须遵循的三个原则 (1)在电极反应式中，只有能溶于水的强电解质才能写成离子。 (2)在酸性溶液中，可发生消耗H＋和产生H＋的反应，不可能发生消耗OH－和产生OH－的反应，同理在碱性溶液中，可发生消耗OH－和产生OH－的反应，不可能发生消耗H＋和产生H＋的反应。 (3)明确电解质形态是溶液的、熔盐的还是固态的；电极反应的产物与电解质溶液中的物质有没有后续反应；体系中有没有不共存的微粒存在。。 【变式3-1】人们应用原电池原理制作了多种电池以满足不同的需要。电池发挥着越来越重要的作用，如在宇宙飞船、人造卫星、电脑、照相机等，都离不开各式各样的电池，同时废弃的电池随便丢弃也会对环境造成污染。请根据题中提供的信息，回答下列问题： (1)研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的差别进行发电，在海水中电池反应可表示为：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl ①该电池的负极反应式是______________； ②在电池中，Na+不断移动到“水”电池的_______极(填“正”或“负”)； ③外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是______________。 (2)中国科学院应用化学研究所在甲醇(CH3OH是一种可燃物)燃料电池技术方面获得新突破。甲醇燃料电池的工作原理如右图所示。 ①该电池工作时，b口通入的物质为______________。 ②该电池负极的电极反应式_________________________。 ③工作一段时间后，当6.4g甲醇完全反应生成CO2时，有______NA个电子转移。 (3)Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，当银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，写出该电池反应方程式：____________________。 答案(1)①Ag—e—+Cl—=AgCl ②正 ③2mol (2)①CH3OH ②CH3OH—6e—+H2O=CO2+6H+ ③1.2 (3)Ag2O2+2Zn+4KOH+2H2O==2K2Zn(OH)4+2Ag 解析 (1)①根据电池总反应：5MnO2+2Ag+2NaCl=Na2Mn5O10+2AgCl，可判断出Ag应为原电池的负极，负极发生反应的电极方程式为：Ag+Cl--e-=AgCl。②在原电池中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，所以钠离子向正极移动。③根据方程式中5MnO2生成1Na2Mn5O10，化合价共降低了2价，所以每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子，则外电路每通过4mol电子时，生成Na2Mn5O10的物质的量是2mol。(2)①据氢离子移动方向知，右侧电极为正极，左侧电极为负极，负极上通入燃料甲醇。②正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：3O2+12H++12e-=6H2O，负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子，电极反应式为CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。③根据2CH3OH-12e-+2H2O=2CO2+12H+知，甲醇和转移电子之间的关系式得，当6.4g甲醇完全反应生成CO2时，转移电子的物质的量==1.2mol，则转移电子个数为1.2NA。(3)电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn(OH)4，正极电极反应式为Ag2O2+4e-+2H2O═2Ag+4OH-，负极电极反应式为2Zn-4e-+8OH-═2Zn(OH)42-，反应还应有KOH参加，反应的总方程式为：Ag2O2+2Zn+4KOH+2H2O═2K2Zn(OH)4+2Ag。 考点四 新型化学电源 【例4】锰酸锂是一种可充电锂离子电池的电极材料，该电池的反应方程式为Li1－xMn2O4＋LixC6LiMn2O4＋C6(x<1)。下列说法错误的是(　　) A．放电时，b为正极，电极反应式为Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4 B．放电时，Li＋由a极区域移向b极区域 C．充电时，阴极电极反应式为C6＋xe－＋xLi＋===LixC6 D．充电时，b电极与电源的负极相连 答案　D 解析　根据题图中电子的流向可知b为正极，发生得电子的还原反应，电极反应式为Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4，A正确；原电池中阳离子向正极移动，故Li＋由a极区域移向b极区域，B正确；充电时，a为阴极，电极反应式为C6＋xe－＋xLi＋===LixC6，C正确；充电时，原电池的负极与直流电源的负极相连，原电池的正极与直流电源的正极相连，故b电极与电源的正极相连，D错误。 解题要点 新型电池中正、负极的判断方法 判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是失电子(发生氧化反应)的一极是负极，得电子(发生还原反应)的一极是正极。如果给出一个化学方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，化合价升高、发生氧化反应的一极为负极，化合价降低、发生还原反应的一极为正极。 【变式4-1】化学家描绘出了一种使用DMSO(二甲亚砜)作为电解液，并用多孔黄金作为电极的锂-空气电池的实验模型，该电池放电时在多孔黄金上氧分子与锂离子反应，形成过氧化锂，其装置图如图所示。下列有关叙述正确的是(　　) A．DMSO电解液能传递Li＋和电子，不能换成水溶液 B．该电池放电时每消耗2 mol O2，转移4 mol电子 C．给该锂-空气电池充电时，金属锂接电源的正极 D．多孔黄金为电池正极，电极反应式可能为O2＋4e－===2O2－ 答案　B 解析　DMSO电解液能传递Li＋，但不能传递电子，A错误；该电池放电时O2转化为O，所以每消耗2 mol O2，转移4 mol电子，B正确；放电时，金属锂为负极，充电时，金属锂应接电源的负极，C错误；多孔黄金为电池正极，电极反应式为2Li＋＋O2＋2e－===Li2O2，D错误。 【变式4-2】全钒液流储能电池一次性充电后，续航能力可达1 000 km，而充电时间只需3～5 min，被誉为“完美电池”，其原理如图所示(已知溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色)。电池放电时，左槽溶液质量增加。下列说法正确的是(　　) A．充电时的阴极反应：VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O B．放电时的正极反应：V3＋＋e－===V2＋ C．放电过程中，右槽溶液由紫色变为绿色 D．若负载为用石墨电极电解食盐水的装置，生成4 g NaOH时该电池中消耗0.1 mol H＋ 答案　C 解析　电池放电时，左槽溶液质量增加，发生反应VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O，左槽中电极为正极，充电时，左槽中电极为阳极，右槽中电极为阴极，阴极反应为V3＋＋e－===V2＋，故A、B错误；放电过程中，右槽中发生反应V2＋－e－===V3＋，溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色，则右槽溶液由紫色变为绿色，故C正确；若负载为用石墨电极电解食盐水的装置，由2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑、VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O可知，生成1 mol NaOH转移1 mol电子，电池中消耗2 mol H＋，则生成4 g NaOH(即0.1 mol)时，该电池中消耗0.2 mol H＋，故D错误。 基础达标 1．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其总反应为Ag2O+Zn+H2O=Zn(OH)2+2Ag。下列叙述中正确的是(　　)。 A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH逐渐增大 B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn C．Zn是负极，Ag2O是正极 D．Zn发生还原反应，Ag2O发生氧化反应 答案 C 解析 根据电池反应可知，Zn失电子被氧化，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极；负极在反应时消耗OH-，则负极区溶液的pH应逐渐减小；原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，即电子由Zn经外电路流向Ag2O；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。 2．研究发现一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，其在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如图为酸性有机污水处理的实验装置。下列说法正确的是(　　) A．工作过程中正极室的溶液pH降低 B．工作过程中H+由正极室向负极室迁移 C．若底物为CH3CHO，则负极反应式为CH3CHO-10e-+3H2O===2CO2↑+10H+ D．若底物为CH3CHO，且放出44 g CO2，至少消耗28.0 L O2 答案 C 解析 A项，正极的电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，溶液的pH升高，错误。B项，H+由负极室向正极室迁移，错误。D项，没有标明O2所处温度、压强，不能计算O2的体积。 3．电子表和电子计算器的电源通常用微型银­锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法正确的是(　　) A．Ag2O是正极，Zn是负极 B．Zn是正极，Ag2O是负极 C．工作时，电池负极区溶液pH增大 D．工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极 答案A 解析 根据总反应式可知，金属锌失去电子发生氧化反应，作该电池的负极，氧化银得到电子发生还原反应，作该电池的正极，A项正确，B项错误；负极区锌离子与氢氧根离子结合，溶液中氢氧根离子浓度减小，则其pH减小，C项错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D项错误。 4．一种镁氧电池电极材料为金属膜和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液，如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－ B．负极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2 C．电子的移动方向是由a经外电路到b D．该电池在工作过程中，电解液KOH的浓度保持不变 答案 D 解析 A.Mg电极a作负极、活性炭电极b作正极，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故A正确；B.Mg作负极，失电子生成Mg(OH)2，电极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2，故B正确；C.电子从负极a经外电路到正极b，故C正确；D.根据以上分析，原电池总反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2，消耗水使KOH的浓度增大，故D错误。 5．火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时(　　) A．负极上发生还原反应 B． CO2在正极上得电子 C．阳离子由正极移向负极 D. 将电能转化为化学能 答案 B 解析 根据题干信息可知，放电时总反应为4Na＋3CO2===2Na2CO3＋C。放电时负极上Na发生氧化反应失去电子生成Na＋，故A错误；放电时正极为CO2得到电子生成C，故B正确；放电时阳离子由负极移向正极，故C错误；放电时装置为原电池，能量转化关系为化学能转化为电能，故D错误。 6．“自煮火锅”发热包的成分为碳酸钠、硅藻土、铁粉、铝粉、活性炭、焦炭粉、NaCl、生石灰，向发热包中加入冷水，可用来蒸煮食物。下列说法错误的是(　　) A．活性炭作正极，正极上发生还原反应 B．负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O C．Na＋由活性炭区向铝粉表面区迁移 D．硅藻土结构疏松，使各物质分散并混合均匀，充分接触 答案　C 解析　发热包发热过程中有微小原电池形成，如铝粉和活性炭，在水溶液中活性炭作正极，O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A正确；铝粉作负极，失去电子发生氧化反应，电极反应式为Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O，B正确；活性炭作正极，原电池中阳离子向正极移动，即Na＋向活性炭区迁移，C错误；硅藻土结构疏松，可以使各物质分散并混合均匀，充分接触，D正确。 7．镍镉电池是一种可充电电池，使用寿命为10~15年。镍镉电池的总反应为Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2。下列说法不正确的是(　　) A．放电时，负极发生氧化反应，电极反应式为Cd+2OH--2e-===Cd(OH)2 B．充电时，阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e-===NiOOH+H2O C．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小 D．该电池充电时将电能转化为化学能 答案 C 解析 由电池反应可知，放电时负极反应式为Cd+2OH--2e-=Cd(OH)2，负极区OH-浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-，正极区OH-浓度增大，pH增大，A项正确，C项错误；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2+OH--e-=NiOOH+H2O，B项正确；二次电池放电时将化学能转化为电能，充电时将电能转化为化学能，D项正确。 8．我国科学家发明了一种“可固氮”的锂-氮二次电池，用可传递Li+的醚类作电解质，电池的总反应为6Li+N22Li3N。下列说法正确的是(　　) A．固氮时，锂电极上发生还原反应 B．脱氮时，钌复合电极的电极反应式：2Li3N-6e-=6Li++N2↑ C．固氮时，外电路中电子由钌复合电极流向锂电极 D．固氮时，钌复合电极作负极 答案 B 解析 根据电池总反应6Li+N22Li3N可知，固氮时，锂电极作负极，发生氧化反应，负极反应式为6Li-6e-=6Li+，钌复合电极作正极，Li+移向正极，氮气在正极得电子，发生还原反应，电极反应式为6Li++N2+6e-=2Li3N。 9．某实验室设计了如图装置制备N2H4。双极膜是阴、阳复合膜，层间的H2O解离成和OH-并分别通过阴、阳膜定向移动。下列说法错误的是( ) A．Pt为负极 B．石墨电极反应式为ClO-+2e-+2H+=Cl- +H2O C．双极膜中产生的OH-移向Pt电极 D．每消耗11.2LNH3时双极膜中消耗1molH2O 答案 D 解析 A项，Pt电极一侧NH3生成N2H4，发生了失电子的氧化反应，所以为负极，故A正确；B项，双极膜中的H+移向正极，ClO-得电子发生还原反应，故B正确；C项，阴离子移向负极，故C正确；D项，没有说明气体的存在状况，无法计算物质的量，故D错误；故选D。 10．微生物燃料电池(MFC)以厌氧微生物催化氧化有机物(如葡萄糖)，同时处理含Cu2+废水，装置如图所示，下列说法正确的是( ) A．N极发生氧化反应 B．温度越高，反应速率越快，电池工作效率越高 C．原电池中电子的移动方向是：M→导线→N→电解质溶液→M，阴离子移向M极 D．N极的电极反应式：Cu2++2e-===Cu 答案 D 解析 该微生物燃料电池工作时，厌氧微生物催化氧化葡萄糖，同时处理含Cu2+废水，则葡萄糖所在的M电极为负极，负极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-＝6CO2↑+24H+，N电极为正极，正极反应式为Cu2++2e-=Cu。A项，由题意可知，厌氧微生物催化氧化葡萄糖，即葡萄糖发生失电子的氧化反应，则所在的M电极为负极，N电极为正极，发生还原反应，故A错误；B项，高温环境能使蛋白质凝固变性，导致电池不能正常工作，所以该电池不能在高温环境中工作，故B错误；C项，原电池工作时，废水中阴离子移向负极，电子通过导线由负极流向正极，不能通过溶液传递，故C错误；D项，N电极为原电池的正极，Cu2+得电子生成Cu，电极反应式为Cu2++2e-=Cu，故D正确；故选D。 综合应用 11．下面是最近研发的Ca-LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li＋通过，电池反应为xCa2＋＋2LiFePO4xCa＋2Li1－xFePO4＋2xLi＋。下列说法错误的是(　　) A．放电时，负极反应为LiFePO4－xe－===2Li1－xFePO4＋xLi＋ B．充电时，Li1－xFePO4/LiFePO4电极发生Li＋脱嵌，放电时发生Li＋嵌入 C．充电时，当转移0.2 mol电子时，理论上左室中电解质的质量减轻2.6 g D．LiPF6-LiAsF6为非水电解质，其与Li2SO4溶液的主要作用都是传递离子 答案　A 解析　放电时负极反应为 Ca－2e－===Ca2＋，使左室中正电荷数目增多，锂离子导体膜只允许Li＋通过，使LiPF6-LiAsF6电解质中的Li＋通过锂离子导体膜移入右室，正极反应为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，电极发生Li＋嵌入，充电时，阳极发生：LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4，电极发生Li＋脱嵌，转移0.2 mol电子时，有0.2 mol Li＋从右室通过锂离子导体膜移入左室，左室电解质中有0.1 mol Ca2＋得电子生成Ca沉积在钙电极上，故左室中电解质的质量减轻40 g·mol－1×0.1 mol －7 g·mol－1×0.2 mol＝2.6 g，A错误，B、C正确；钙与水能够剧烈反应，左室中的LiPF6-LiAsF6电解质一定为非水电解质，Li2SO4溶液为右室中的电解质溶液，主要作用都是传递离子，形成电流，构成闭合回路，D正确。 12．镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　　) A．放电时，Cl－向上层方向移动 B．放电时，Mg(液)层的质量减小 C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极 D．充电时，阴极的电极反应式为Mg2＋＋2e－===Mg 答案　C 解析　根据电流方向可知放电时Mg作负极、Mg-Sb作正极，则充电时Mg为阴极，Mg-Sb为阳极。放电时为原电池，阴离子向负极移动，Cl－向上层方向移动，A正确；放电时Mg(液)层为负极，电极反应：Mg－2e－===Mg2＋，产生的Mg2＋移向中间层，质量减小，B正确；则充电时为阴极，电极反应式为Mg2＋＋2e－===Mg，D正确。 13．微生物电池具有高效、清洁、环保等优点。某微生物电池工作原理如图所示，下列说法错误的是(　　) A．a极为该电池的负极 B．b极的电极反应式为[Fe(CN)6]4－－e－===[Fe(CN)6]3－ C．放电过程中a极附近溶液pH降低 D．当外电路通过1 mol e－时，理论上溶液中会有1 mol H＋通过质子交换膜移向b极 答案　B 解析　该电池中CH3OH作还原剂，所以a极为该电池的负极，A正确；b极的电极反应式为[Fe(CN)6]3－＋e－===[Fe(CN)6]4－，B错误；放电过程中a极的电极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，所以其附近溶液pH降低，C正确；H＋通过质子交换膜移向b极，D正确。 14．水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)和V2O5为电极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液，总反应为xZn＋V2O5===ZnxV2O5(s)。下列叙述错误的是(　　) A．充电时，多孔锌电极连接电池的负极 B．放电时，V2O5电极上发生的反应为V2O5＋2e－＋xZn2＋===ZnxV2O5 C．充电时，Zn2＋通过阳膜由右池移向左池 D．理论上，充放电过程中电解质溶液的质量均未改变 答案　B 解析　由放电时的总反应xZn＋V2O5===ZnxV2O5(s)可知，Zn失电子，作负极，V2O5发生还原反应，作正极。充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，连接电池的负极，A正确；放电时，V2O5电极上发生的反应为V2O5＋2xe－＋xZn2＋===ZnxV2O5，B错误；充电时，阳离子向阴极移动，所以Zn2＋通过阳膜由右池移向左池，C正确；由放电总反应xZn＋V2O5===ZnxV2O5(s)可知，电解质溶液中的成分没有参加总反应，故充放电过程中电解质溶液的质量均未改变，D正确。 15．(1)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动，其装置示意图如图： ①质子的流动方向为____________(填“从A到B”或“从B到A”)。 ②负极的电极反应式为____________________________。 (2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示： ①a极为电池的__________(填“正”或“负”)极。 ②当生成1 mol N2时，电路中流过电子的物质的量为_______________。 答案　(1)①从A到B ②SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋ (2)①负　②6 mol 解析　(1)①根据图示，A为燃料电池的负极，B为燃料电池的正极，在原电池电解质溶液中，质子由负极向正极移动，即从A到B。②负极发生氧化反应，二氧化硫被氧化为硫酸根离子，电极反应式为SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋。 (2)①a极通入氨，是负极，b极通入氧气，是正极。②N的化合价由－3变成0，当生成1 mol N2时，转移6 mol电子。 16．(1)据文献报道，科学家利用氮化镓材料与铜组成如图所示的人工光合系统装置，成功地以CO2和H2O为原料合成了CH4。 ①写出铜电极表面的电极反应式：_________________________________________。 ②为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量________(填“盐酸”或“硫酸”)。 (2)某负载二次镍氢电池放电时的工作原理如图所示，其中隔膜为________(填“阴”或“阳”)离子交换膜，负极的电极反应式为____________________________________________。 (3)利用反应NO2＋NH3―→N2＋H2O(未配平)消除烟气中NO2的简易装置如图所示，A、B两池溶液均为200 mL 0.01 mol·L－1 NaOH溶液，过程中溶液的体积和温度变化忽略不计。 电极a的电极反应式为____________________________。 答案　(1)①CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O　②硫酸 (2)阴　LaNi5H6＋6OH－－6e－===LaNi5＋6H2O (3)2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O 解析　(1)①原电池中电子从负极流向正极，根据图像中电子流向可知，铜电极为正极，正极上二氧化碳得电子生成甲烷，则铜电极表面的电极反应式为CO2＋8e－＋8H＋===CH4＋2H2O；负极水失电子产生氧气，电极反应式为4H2O－8e－===2O2＋8H＋。②电池中有质子交换膜，说明电解质溶液显酸性，必须加入酸，在光的作用下，盐酸中的Cl－易失电子产生Cl2，且盐酸易挥发，故应选硫酸。(2)由图像可知，NiO(OH)为电池的正极，电极反应为NiO(OH)＋e－===NiO＋OH－，LaNi5H6为电池的负极，电极反应为LaNi5H6＋6OH－－6e－===LaNi5＋6H2O。根据上述分析，OH－需从正极区到负极区，因此隔膜为阴离子交换膜。(3)根据化学方程式，NO2发生还原反应，为正极反应物，NH3发生氧化反应，为负极反应物，故电极a是负极，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O。 拓展培优 17．新华网报道，我国高温固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该技术实现了废气资源回收能量，并得到单质硫原理如图所示，下列说法正确的是( ) A．电极b为电池负极 B．电极a上的电极反应为：2H2S+2O2-_4e-===S2+2H2O C．该电池消耗1molH2S转化成的电能理论上等于其燃烧热值 D．电路中每通过4mol电子，正极消耗448LH2S 答案 B 解析 由电池装置图分析可知，通入硫化氢生成单质硫，化合价升高，故电极a为负极；通入氧气的电极b为正极。 A．电极b为电池正极，氧化剂氧气要得到电子化合价降低，A错误；B．由装置分析，可知硫化氢在负极失去电子同时结合氧离子生成硫单质和水，电极a上的电极反应为：2H2S+2O2-_4e-=S2+2H2O，B正确；C．该电池消耗1molH2S转化成的电能理论上不等于其燃烧热值，硫化氢燃烧要生成二氧化硫，释放的热量更多，C错误；D．H2S体积未给标况，无法计算其物质的量，D错误； 故选B。 18．一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化成电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其原理如图所示。下列说法错误的是( ) A．Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势 B．燃料电池总反应为 C．Pt1电极附近发生的反应为NO+2H2O+3e-=+4H+ D．该电池放电时H+从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动 答案 C 解析 A．根据NO和水变为硝酸，化合价升高，说明Pt1电极为负极，因此Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势，故A正确；B．根据正极反应式和负极反应式得到燃料电池总反应为，故B正确；C．Pt1电极NO变为硝酸，则负极附近发生的反应为NO+2H2O−3e－=+4H+，故C错误；D．原电池“同性相吸”，则该电池放电时H+从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动，故D正确。综上所述，答案为C。 19．原电池原理广泛应用于科技、生产和生活中。 (1)一种处理垃圾渗透液并用其发电的装置工作示意图如下。 ①在空气中，微生物将垃圾渗透液硝化，该反应的离子方程式为 。 ②Y电极的电极反应式为 。 ③盐桥中移向 (填“X或Y”)极；当转移0.15mol电子时，生成标准状况下的体积为 L。 (2)用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示。 ①电极X是该电池的 (填“正”或“负”)极，电池总反应式为 。 ②电池工作时，质子通过交换膜 (填“从左向右”或“从右向左”)迁移。 答案 (1)① ② ③X 0.896 (2)①负 ②从左向右 【分析】(1)由图可知，X电极上NH3转化成N2，发生氧化反应，为负极，Y电极上结合转化为和，发生了还原反应，为正极； (2) 由图可知，乙醇的酸性燃料电池中，乙醇发生氧化反应转化成乙酸，O2发生还原反应生成H2O。 【解析】（1）在空气中，微生物将垃圾渗透液硝化，被氧化为，该反应的离子方程式为：；Y电极上结合转化为和，发生了还原反应，为正极，其电极反应式为：；原电池中阴离子向负极移动，所以Cl-向X移动；负极反应式为：，据正负两极电极反应式得出原电池总反应式为：，转移0.15mol生成n(N2)=0.04mol，标准状况下体积为0.896L。 （2）X电极上乙醇发生氧化反应转化成乙酸，为负极，其电池总反应式为：；原电池工作时阳离子向正极移动，所以质子通过交换膜从左向右迁移。 20．均为有毒气体，对废气的资源化利用是目前的研究热点。如图甲为质子膜燃料电池的示意图，图乙为利用原电池原理处理的示意图。 Ⅰ.根据图甲，回答下列问题： (1)电池负极为_______(填“电极a”或“电极b”，下同)，发生还原反应的电极为______________________。 (2)电极b的电极反应式为________________________；电池总反应为__________________________。 (3)当电路中通过8mol电子时，有_______mol 经质子固体电解质膜进入正极区。 Ⅱ.根据图乙，回答下列问题： (4)负极反应式为_______________________________________。 (5)利用该原理制得的化工原料C为_______(填化学式)。 (6)处理32g，理论上需要消耗的体积为_______L(标准状况下)。 答案 (1) 电极a； 电极b (2) ； (3)8 (4) (5) (6)5.6 解析 图甲中电极a上H2S失去电子转化为S2，为负极，则电极b为正极；图乙左侧SO2失电子转化为H2SO4，为负极，则右侧为正极。 （1）由图甲可知，在电极a上发生氧化反应生成，在电极b上发生还原反应生成，则电极a为负极，电极b为正极。 （2）)在电极b(正极)上得到电子，与结合生成，电极反应式为；电池总反应为。 （3）由正极反应式可知，当电路中通过8mol电子时，有8mol经质子固体电解质膜进入正极区。 （4）在负极上失去电子：，利用使其两边电荷相等：，利用使其两边原子数相等，可得负极反应式为。 （5）由上述分析可知，利用该原理制得的化工原料C为。 （6）在正极上得到电子，与结合生成，结合负极反应式可得关系式：，故处理32g(0.5mol)，转移电子数为1mol，理论上需要消耗0.25mol，标准状况下的体积为0.25mol×22.4Lmol-1=5.6L。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$