第2节 化学能转化为电能 第2课时（同步讲义）化学鲁科版2019选择性必修1

第1章 化学反应与能量转化 第2节 化学能转化为电能 第2课时 化学电源 教学目标 1.了解化学电源的分类。通过对常见化学电源的分析，提高对原电池本质的认识。 2.通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理。 3.会正确地判断电极和电极反应式书写。 重点和难点 重点：电源的分类及工作原理。 难点：电极反应式书写与判断。 ◆知识点一 化学电源及其分类 一次电池 1．化学电源的分类 （1）电源的分类 是各种化学电源的雏形，常分为如下三类： ①一次电池：也叫做 ，放电后不可再充电的电池。 ②二次电池：又称 或 ，放电后可以再充电而反复使用的电池。 ③燃料电池：一种连续地将 和 的化学能直接转化为电能的化学电源。 （2）判断电池优劣的主要标准 ①比能量： 或 所能输出 的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。 ②比功率： 或 所能输出 的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。 ③电池可储存时间的长短。 （3）化学电池的回收利用 使用后的废弃电池中含有大量的 、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行回收利用。 （4）化学电源的发展方向 小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如镍氢电池、锂离子电池等。 2．一次电池（锌锰干电池） 普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池 示意图 构造 负极： 正极： 电解质溶液：氯化铵和氯化锌 负极反应物： 正极反应物： 电解质溶液： 工作原理 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2 即学即练 1．碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列关于该电池的说法正确的是(　　) A．Zn为负极，MnO2为正极 B．电池工作时，电子由MnO2经外电路流向Zn C．电池工作时，OH－移向正极 D．电池放电过程中，溶液的酸碱性一定不变 2．（24-25高三上·北京海淀·期末）碱性锌锰干电池的结构示意图如下图。该电池放电时发生反应：。下列说法正确的是 A．Zn发生还原反应 B．正极发生反应 C．电池工作时向正极方向移动 D．理论上，每转移0.1mol电子，有8.8gMnOOH生成 ◆知识点二 二次电池 1．铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O (1)负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 。 (2)放电反应原理 ①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4 ； ②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ； ③放电过程中，负极质量的变化是 ，H2SO4溶液的浓度 。 (3)充电反应原理 ①阴极(还原反应)反应式是 PbSO4＋2e－===Pb＋SO ； ②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO ； ③充电时，铅蓄电池正极与直流电源 相连，负极与直流电源 相连。 【方法技巧】可充电电池电极反应式的书写方法 已知电池总反应式书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。 2．锂离子电池 电极 电极反应 负极 嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 正极 钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 总反应 LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy 反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。 即学即练 1．LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　) A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液 B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动 C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋ D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐减少 2．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“－”的接线柱，下列说法正确的是(　　) A．充电时作阳极，放电时作正极 B．充电时作阳极，放电时作负极 C．充电时作阴极，放电时作负极 D．充电时作阴极，放电时作正极 ◆知识点三 燃料电池 1．燃料电池 燃料电池是一种连续地将 和 的化学能直接转化为 的化学电源。电极本身不包含 ，只是一个催化转化元件。 2．氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)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 反应，氧气在原电池正极发生 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。 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O 【易错提醒】 燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。 3．燃料电池电极反应式的书写方法 如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法： 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　依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 即学即练 1．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．通入氧气的电极发生氧化反应 B．通入氢气的电极为正极 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 2．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O C．电池工作时，CO向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO 一、燃料电池探究 1．常见的四种典型燃料电池 名称 电解质 电极反应和总反应 氢氧 燃料 电池 KOH 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O 总反应：2H2＋O2===2H2O H2SO4 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 负极：2H2－4e－===4H＋ 总反应：2H2＋O2===2H2O 甲烷 燃料 电池 KOH 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ 负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O 总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O 甲醇 燃料 电池 KOH 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－ 负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O 总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O 肼燃 料电 池　 KOH 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O 总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O 2．书写燃料电池电极反应式的三步骤 —— —— —— 3.燃料电池注意事项 (1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤气等均可作为燃料电池的燃料。 (2)电解液可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH)也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。 (3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系，酸性溶液中电极反应式不能出现OH－，碱性溶液中电极反应式不能出现H＋。 (4)酸溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。 (5)碱溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。 实践应用 1．氢氧燃料电池是一种能在航天飞机上使用的特殊电池，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法中不正确的是(　　) A．由于A、B两电极没有活动性差别，不能构成原电池 B．A电极是负极，电极上发生氧化反应 C．产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池 D．外电路中电流由B电极通过导线流向A电极 2．燃料电池是一种利用能源物质的新形式，比如我们可用熔融的K2CO3作电解质，惰性材料作电极，一极通CH2===CH2，另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　) A．电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O B．正极发生的电极反应为3O2＋6CO2＋12e－===6CO C．负极发生的电极反应为CH2===CH2＋6CO－12e－===8CO2＋2H2O D．通入乙烯的一极为正极 考点一 一次电池 【例1】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 【变式1-1】（24-25高二上·北京昌平·期末）酸性锌锰干电池与碱性锌锰干电池的构造示意图如下图所示，碱性锌锰干电池的总反应为：Zn + 2MnO2 + H2O = 2MnO(OH) + ZnO。 关于两电池及其工作原理，下列说法中正确的是 A．碱性锌锰干电池中锌粉发生的电极反应为：Zn –2e−+ 2OH-= ZnO B．两电池中MnO2均发生氧化反应 C．每生成1 mol MnOOH，转移2 mol电子 D．用KOH替代NH4Cl，可降低对金属外壳的腐蚀 【变式1-2】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋2MnO(OH)(s)。下列说法中错误的是(　　) A．电池工作时，锌失去电子 B．电池正极的电极反应式为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnO(OH)(s)＋2OH－(aq) C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量减少6.5 g 考点二 二次电池 【例2】铅酸蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。下列结论正确的是(　　) A．Pb为正极，被氧化 B．溶液的pH不断减小 C．SO只向PbO2处移动 D．电解质溶液的密度不断减小 【变式2-1】我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。 下列有关说法不正确的是(　　) A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极 B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替 C．电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气 【变式2-2】下列关于铅酸蓄电池的说法正确的是(　　) A．放电时，正极上发生的反应是Pb＋SO－2e－===PbSO4 B．放电时，该电池的负极材料是铅板 C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小 D．充电时，阳极上发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO 考点三 燃料电池 【例3】固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　) A．有O2参加反应的电极a为电池的负极 B．多孔电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2O C．多孔电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．该电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O 【变式3-1】乙烯催化氧化成乙醛(CH3CHO)可设计成如图所示的燃料电池，下列说法正确的是(　　) A．每有0.1 mol O2反应，则迁移H＋ 0.4 mol B．正极反应式为CH2===CH2－2e－＋2OH－===CH3CHO＋H2O C．电子移动方向：电极a→导线→电极b→电解质溶液→电极a D．该电池为可充电电池 【变式3-2】如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是(　　) A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇 B．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋ D．该电池提供1 mol e－，消耗氧气0.25 mol 考点四 新型电池 【例4】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差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是(　　) A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 C．Na＋不断向“水”电池的负极移动 D．AgCl是还原产物 【变式4-1】环境监察局常用“定电位”NOx传感器来监测化工厂的氮氧化物气体是否达到排放标准，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．“对电极”是正极 B．“工作电极”上发生的电极反应为NO2＋2H＋－2e－===NO＋H2O C．传感器工作时，H＋由“工作电极”移向“对电极” D．“对电极”的材料可能为活泼金属锌 【变式4-2】以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．b电极为负极，发生氧化反应 B．a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===2NH C．A溶液中所含溶质为NH4Cl D．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L 基础达标 1．下列电池不属于化学电源的是(　　) A．碱性锌锰电池 B．铅酸蓄电池 C．燃料电池 D．太阳能电池 2．下列有关原电池的叙述不正确的是(　　) A．水果电池是方便实用的家用电池 B．铅酸蓄电池是一种常用的二次电池 C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置 D．碱性锌锰电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄 3．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　) A．Zn　　　 B．碳 C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3 4．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成可充电电池，下列4个电极反应： ①Br2＋2e－===2Br－　 ②2Br－－2e－===Br2 ③Zn－2e－===Zn2＋　 ④Zn2＋＋2e－===Zn 其中表示充电时的阳极反应和放电时的负极反应的分别是(　　) A．②和③　　 B．②和① C．③和① D．④和① 5．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是(　　) A．电子通过外电路从b极流向a极 B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极 6．电池在生产、生活中应用越来越广泛。下列说法错误的是(　　) A．化学电池有一次电池、二次电池和燃料电池等，一次电池只能放电，不能充电 B．铅酸蓄电池应用广泛，主要优点是单位质量的电极材料释放的电能大 C．燃料电池具有能量利用率高、可连续使用和污染轻等优点 D．锂电池是一种高能电池，体积小、重量轻，单位质量比能量大 7．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 8．下列四个常用电化学装置的叙述错误的是(　　) A．图Ⅰ所示电池中，电子从锌片流出 B．图Ⅱ所示干电池中石墨为负极 C．图Ⅲ所示电池为二次电池 D．图Ⅳ所示电池中正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 9．如图是一种新型锂电池原理示意图，下列有关叙述正确的是(　　) A．a为电池正极 B．外电路中电流由a电极流向b电极 C．离子交换膜为阳离子交换膜 D．b电极处，O2失电子生成OH－ 10．某氨气燃料电池如图所示，下列说法错误的是(　　) A．正极的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O B．电子流向：电极1→负载→电极2 C．Na＋由左向右移动 D．NH3在电极1上发生氧化反应 综合应用 11．(双选)生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　) A．需要定期补充硫酸 B．放电时Pb是负极，PbO2是正极 C．放电时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4 D．放电时电解质溶液的密度增大 12．有一种电池，它的一个电极材料是NiO2(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是＋2价的镍的化合物)，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是(　　) A．此电池不用密封 B．铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2＋，负极反应是Fe－2e－===Fe2＋ C．放电时，正极反应为NiO2＋2e－===Ni2＋＋2O2－ D．放电时的总反应为Fe＋NiO2＋2H2O===Fe(OH)2＋Ni(OH)2 13．（24-25高二上·黑龙江哈尔滨·期末）美国NASA曾开发一种铁—空气二次电池。该电池放电时，其原理如下图所示，电池反应为：。有关该电池放电时的说法正确的是 A．由电能转变为化学能 B．a极质量增加 C．b极为电池负极 D．电流由a极经负载流向b极 14．（24-25高二上·福建南平·期中）新能源汽车是国家战略产业的重要组成部分，电池是能源汽车关键部件之一，其工作原理如图所示，电池工作时的总反应为。下列说法正确的是 A．充电时，电极b与电源负极连接，电极a与电源正极连接 B．电池工作时，正极的电极反应为 C．电池工作时，负极材料质量减少，转移电子 D．电池进水不会影响其使用寿命 15．（24-25高二上·江西·期中）水系电池具有环境友好和高功率等优点，一种水系锌二次电池放电时的原理如图所示，单一钠离子交换膜只允许通过。放电时，复合电极中的转化为，下列叙述正确的是 A．该电池放电后不可以再充电而反复使用 B．放电过程中，负极附近电解质溶液的会增大 C．放电时，总反应为 D．放电时每转移，理论上复合电极的质量减少 16．（24-25高三上·黑龙江大庆·期中）锂离子电池是目前世界上主流的手机电池。科学家近期研发的一种新型的Ca-LiFePO4可充电电池的原理示意图如图，电池反应为：下列说法错误的是 A．放电时，钙电极为负极，发生氧化反应 B．充电时，Ca2+在阴极处得电子 C．LiPF6-LiAsF6电解质可以换成水溶液做电解质 D．充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4电极的电极反应式为 17．（24-25高二上·广西柳州·期中）一种—空气燃料电池的工作原理如图所示，该电池工作时，下列说法正确的是 A．通过质子交换膜向左侧多孔石墨棒移动 B．负极的电极反应式为 C．若产生1mol，则通入的体积等于16.8L D．电子的流动方向为从负极经电解质溶液流向正极 18．（24-25高二上·黑龙江齐齐哈尔·期中）一种以某固体氧化物为电解质的新型燃料电池，可在该固体氧化物电解质中自由移动，产物对环境无污染。下列说法正确的是 A．若A为氢气，则正极反应式为 B．若B为氧气，则该电极反应式为 C．若A为甲烷，则消耗甲烷外电路中流过的电子数目为 D．若A为肼()，B为氧气，则电池总反应为 拓展培优 19．（24-25高二上·陕西西安·期末）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是 A．反应，每消耗1mol转移12mol电子 B．电极A上参与的电极反应为 C．电池工作时，向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为 20．（24-25高二上·湖南长沙·期末）我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K+、H+通过)。下列说法错误的是 A．左侧电极为电池负极，电极反应式为HCOO--2e-+2OH-=+H2O B．电池放电时，左侧有K+通过半透膜移向右侧 C．物质A可以是硫酸氢钾 D．为保持Fe3+浓度稳定，需不断向电解质溶液中补充Fe3+ 21．（24-25高二上·福建泉州·期中）一种电池系统，具有同时合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示，下列说法错误的是 A．电极为负极，电极为正极 B．电极的反应式为 C．电池工作过程中，透过双极膜向左侧移动 D．电池工作一段时间后，负极区溶液的增大 22．（24-25高二上·广东茂名·期末）我国科学家研发了一种水系可逆电池，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液，充、放电时，复合膜层间的解离成和，工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．放电时正极的电极反应式为 B．放电时正极区升高 C．充电时与外接直流电源正极相连，将电能转化为化学能 D．当放电时，复合膜层间有解离时，正极区溶液增重 23．(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_______________。 24．Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。 请回答下列问题： (1)电池的负极材料为____________，发生的电极反应为___________________________________。 (2)电池正极发生的电极反应为_____________________________________。 (3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴入SOCl2中，实验现象是___________________________，反应的化学方程式为____________________________。 (4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是__________________________________________。 (5)熔融状态下，钠的单质和FeCl2能组成可充电电池(装置示意图如图)，反应原理为2Na＋FeCl2===Fe＋2NaCl。 放电时，电池的正极反应式为__________________________；该电池的电解质为________________。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第1章 化学反应与能量转化 第2节 化学能转化为电能 第2课时 化学电源 教学目标 1.了解化学电源的分类。通过对常见化学电源的分析，提高对原电池本质的认识。 2.通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理。 3.会正确地判断电极和电极反应式书写。 重点和难点 重点：电源的分类及工作原理。 难点：电极反应式书写与判断。 ◆知识点一 化学电源及其分类 一次电池 1．化学电源的分类 （1）电源的分类 原电池是各种化学电源的雏形，常分为如下三类： ①一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电的电池。 ②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电而反复使用的电池。 ③燃料电池：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 （2）判断电池优劣的主要标准 ①比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。 ②比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。 ③电池可储存时间的长短。 （3）化学电池的回收利用 使用后的废弃电池中含有大量的重金属、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行回收利用。 （4）化学电源的发展方向 小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如镍氢电池、锂离子电池等。 2．一次电池（锌锰干电池） 普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池 示意图 构造 负极：锌筒 正极：石墨棒 电解质溶液：氯化铵和氯化锌 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 工作原理 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2 即学即练 1．碱性锌锰电池的总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列关于该电池的说法正确的是(　　) A．Zn为负极，MnO2为正极 B．电池工作时，电子由MnO2经外电路流向Zn C．电池工作时，OH－移向正极 D．电池放电过程中，溶液的酸碱性一定不变 【答案】A 【解析】由碱性锌锰电池的总反应可知，正极MnO2得电子被还原，负极金属锌失电子被氧化，故A正确；电池工作时，外电路电子由负极流向正极，即电子由Zn经外电路流向MnO2，故B错误；电池工作时，阴离子OH－向负极移动，故C错误；碱性锌锰电池中的电解质为KOH，由碱性锌锰电池的总反应可知，电池放电过程中，KOH的物质的量不变，但反应消耗水，溶液中OH－浓度增大，则碱性增强，故D错误。 2．（24-25高三上·北京海淀·期末）碱性锌锰干电池的结构示意图如下图。该电池放电时发生反应：。下列说法正确的是 A．Zn发生还原反应 B．正极发生反应 C．电池工作时向正极方向移动 D．理论上，每转移0.1mol电子，有8.8gMnOOH生成 【答案】D 【分析】碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O═ZnO+2MnOOH，负极为锌失电子，发生氧化反应，正极为二氧化锰，发生还原反应，电极反应式为：MnO2+H2O+e-=MnOOH+OH-，据此分析。 【解析】负极是金属锌，失电子，发生氧化反应，故A错误；正极上得电子，发生还原反应，所以正极的电极反应式为：MnO2+H2O+e-=MnOOH+OH-，故B错误；电池工作时，阴离子向负极移动，则OH-通过向负极移动，故C错误；反应中锰元素的化合价由+4价降低到+3价，则每转移0.1mol电子，有0.1mol×88g/mol=8.8gMnOOH生成，故D正确；故选D。 ◆知识点二 二次电池 1．铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O (1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。 (2)放电反应原理 ①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4 ； ②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ； ③放电过程中，负极质量的变化是增大，H2SO4溶液的浓度减小。 (3)充电反应原理 ①阴极(还原反应)反应式是 PbSO4＋2e－===Pb＋SO ； ②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO ； ③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。 【方法技巧】可充电电池电极反应式的书写方法 已知电池总反应式书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。 2．锂离子电池 电极 电极反应 负极 嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 正极 钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 总反应 LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy 反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。 即学即练 1．LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　) A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液 B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动 C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋ D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐减少 【答案】C 【解析】H2SO4溶液作电解质溶液时，将会与Li发生反应，A项错误；该电池放电时，阳离子Li＋移向正极，B项错误；该电池充电时，阳极发生的是失去电子的氧化反应，C项正确；在该电池的放电过程中，正极上不断有LiFePO4生成，正极的质量逐渐增大，D项错误。 2．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“－”的接线柱，下列说法正确的是(　　) A．充电时作阳极，放电时作正极 B．充电时作阳极，放电时作负极 C．充电时作阴极，放电时作负极 D．充电时作阴极，放电时作正极 【答案】C 【解析】“－”接线柱放电时为原电池的负极，失去电子发生氧化反应，充电时与外接电源负极相连，作电解池的阴极，得到电子发生还原反应，C项正确。 ◆知识点三 燃料电池 1．燃料电池 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。 2．氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)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。 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O 【易错提醒】 燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。 3．燃料电池电极反应式的书写方法 如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法： 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　依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数 CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 即学即练 1．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．通入氧气的电极发生氧化反应 B．通入氢气的电极为正极 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 【答案】D 【解析】通入氧气的电极是正极，正极上得电子发生还原反应，故A错误；通入氢气的电极是负极，负极上失电子发生氧化反应，故B错误；质子移向正极，故C错误；正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故D正确。 2．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O C．电池工作时，CO向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO 【答案】D 【解析】A项，H4→O，则该反应中每消耗1 mol CH4转移6 mol电子，错误；B项，该电池的传导介质为熔融的碳酸盐，所以电极A即负极上H2参与的电极反应为H2－2e－＋CO===CO2＋H2O，错误；C项，原电池工作时，阴离子移向负极，而电极B是正极，错误；D项，电极B即正极上O2参与的电极反应为O2＋4e－＋2CO2===2CO，正确。 一、燃料电池探究 1．常见的四种典型燃料电池 名称 电解质 电极反应和总反应 氢氧 燃料 电池 KOH 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O 总反应：2H2＋O2===2H2O H2SO4 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 负极：2H2－4e－===4H＋ 总反应：2H2＋O2===2H2O 甲烷 燃料 电池 KOH 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ 负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O 总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O 甲醇 燃料 电池 KOH 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－ 负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O 总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O 肼燃 料电 池　 KOH 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O 总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O 2．书写燃料电池电极反应式的三步骤 —— —— —— 3.燃料电池注意事项 (1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤气等均可作为燃料电池的燃料。 (2)电解液可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH)也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。 (3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系，酸性溶液中电极反应式不能出现OH－，碱性溶液中电极反应式不能出现H＋。 (4)酸溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。 (5)碱溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。 实践应用 1．氢氧燃料电池是一种能在航天飞机上使用的特殊电池，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法中不正确的是(　　) A．由于A、B两电极没有活动性差别，不能构成原电池 B．A电极是负极，电极上发生氧化反应 C．产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池 D．外电路中电流由B电极通过导线流向A电极 【答案】A　 【解析】燃料电池中电极的活泼性可以是相同的，通入氢气的电极为负极，通入氧气的电极为正极，A错误；A电极通入的是氢气，H2为负极反应物，电极上发生氧化反应，B正确；氢氧燃料电池反应产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池，C正确；B电极是正极，则外电路中电流由B电极通过导线流向A电极，D正确。 2．燃料电池是一种利用能源物质的新形式，比如我们可用熔融的K2CO3作电解质，惰性材料作电极，一极通CH2===CH2，另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　) A．电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O B．正极发生的电极反应为3O2＋6CO2＋12e－===6CO C．负极发生的电极反应为CH2===CH2＋6CO－12e－===8CO2＋2H2O D．通入乙烯的一极为正极 【答案】D　 【解析】燃料电池中可燃性气体作负极，D项错误；该燃料电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O，产物CO2、H2O均不与熔融的K2CO3反应，A项正确；正极O2得到电子生成O2－、O2－与CO2反应生成CO，B项正确；总反应式减去正极反应式即为负极反应式，C项正确。 考点一 一次电池 【例1】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正确，B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错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D错误。 【变式1-1】（24-25高二上·北京昌平·期末）酸性锌锰干电池与碱性锌锰干电池的构造示意图如下图所示，碱性锌锰干电池的总反应为：Zn + 2MnO2 + H2O = 2MnO(OH) + ZnO。 关于两电池及其工作原理，下列说法中正确的是 A．碱性锌锰干电池中锌粉发生的电极反应为：Zn –2e−+ 2OH-= ZnO B．两电池中MnO2均发生氧化反应 C．每生成1 mol MnOOH，转移2 mol电子 D．用KOH替代NH4Cl，可降低对金属外壳的腐蚀 【答案】D 【分析】酸性锌锰干电池负极反应式‌：，正极反应式‌：，总反应式为：，由碱性锌锰电池的总反应：2MnO2+Zn+H2O=2MnO (OH)+ZnO，可知电池的负极Zn失去电子被氧化，电极反应式为：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O，正极MnO2得电子被还原生成MnO (OH)，电极反应式为2MnO2+2H2O+2e-=2 MnO (OH)+2OH-，据此分析解答。 【解析】由分析可知，碱性锌锰干电池中锌粉发生的电极反应为：Zn –2e−+ 2OH-= ZnO+H2O，A错误；结合分析可知，两个反应中，两电池中MnO2作氧化剂，发生还原反应，B错误；结合分析可知，每生成1 mol MnOOH，转移1 mol电子，C错误；氯化铵溶液显酸性，可以和金属反应，则用KOH替代NH4Cl，可降低对金属外壳的腐蚀，D正确；故选D。 【变式1-2】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋2MnO(OH)(s)。下列说法中错误的是(　　) A．电池工作时，锌失去电子 B．电池正极的电极反应式为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnO(OH)(s)＋2OH－(aq) C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量减少6.5 g 【答案】C 【解析】由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极。外电路中每通过0.2 mol电子，参加反应的锌理论上为0.1 mol，即质量减少6.5 g。故选C。 考点二 二次电池 【例2】铅酸蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。下列结论正确的是(　　) A．Pb为正极，被氧化 B．溶液的pH不断减小 C．SO只向PbO2处移动 D．电解质溶液的密度不断减小 【答案】D 【解析】由电池总反应方程式可知，铅是负极，二氧化铅是正极；原电池工作时，外电路中电子由负极流向正极；内电路中的阴离子(SO和OH－)移向负极；硫酸不断被消耗， pH不断增大，硫酸浓度减小，溶液密度减小。故选D。 【变式2-1】我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。 下列有关说法不正确的是(　　) A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极 B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替 C．电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气 【答案】B 【解析】锂电极为负极，石墨电极为正极，电子从负极流出，经导线流向正极，A正确；负极材料锂能与水反应，不可用水溶液代替有机电解质，B错误；电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，C正确；由电池总反应知，该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气，D正确。故选B。 【变式2-2】下列关于铅酸蓄电池的说法正确的是(　　) A．放电时，正极上发生的反应是Pb＋SO－2e－===PbSO4 B．放电时，该电池的负极材料是铅板 C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小 D．充电时，阳极上发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO 【答案】B 【解析】电池放电时正极上应发生还原反应，电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，A错误；电池充电时，硫酸的浓度应不断增大，C错误；电池充电时，阳极应发生氧化反应，D错误。 考点三 燃料电池 【例3】固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　) A．有O2参加反应的电极a为电池的负极 B．多孔电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2O C．多孔电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．该电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O 【答案】D 【解析】因为电子从多孔电极b流向多孔电极a，所以多孔电极b为负极，H2在该极发生氧化反应；多孔电极a为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池负极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O，正极的电极反应式为O2＋2e－===O2－，则电池总反应式为2H2＋O2===2H2O。 【变式3-1】乙烯催化氧化成乙醛(CH3CHO)可设计成如图所示的燃料电池，下列说法正确的是(　　) A．每有0.1 mol O2反应，则迁移H＋ 0.4 mol B．正极反应式为CH2===CH2－2e－＋2OH－===CH3CHO＋H2O C．电子移动方向：电极a→导线→电极b→电解质溶液→电极a D．该电池为可充电电池 【答案】A 【解析】根据O2＋4H＋＋4e－===2H2O知，每有0.1 mol O2反应，则迁移H＋0.4 mol，A项正确；正极上氧气得电子，发生还原反应，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，B项错误；放电时电子从电极a沿导线流向电极b，C项错误；充电时，不能生成乙烯和氧气，故该电池不是可充电电池，D项错误。 【变式3-2】如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是(　　) A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇 B．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋ D．该电池提供1 mol e－，消耗氧气0.25 mol 【答案】B 【解析】负极反应式为2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋，正极反应式为3O2＋12e－＋12H＋===6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供 1 mol 电子时，消耗O2为1× mol＝0.25 mol。 考点四 新型电池 【例4】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差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是(　　) A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 C．Na＋不断向“水”电池的负极移动 D．AgCl是还原产物 【答案】B 【解析】根据总反应中元素化合价的升降和正、负极的反应原理，正极反应为5MnO2＋2e－===Mn5O，负极反应为2Ag＋2Cl－－2e－===2AgCl，A项错误，B项正确；C项，阳离子向正极移动，错误；D项，AgCl是氧化产物，错误。 【变式4-1】环境监察局常用“定电位”NOx传感器来监测化工厂的氮氧化物气体是否达到排放标准，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．“对电极”是正极 B．“工作电极”上发生的电极反应为NO2＋2H＋－2e－===NO＋H2O C．传感器工作时，H＋由“工作电极”移向“对电极” D．“对电极”的材料可能为活泼金属锌 【答案】D 【解析】工作电极是NO2变为NO，化合价降低，是原电池的正极，对电极为负极，故A错误；“工作电极”上发生的电极反应为NO2＋2H＋＋2e－===NO＋H2O，故B错误；传感器工作时，H＋由“对电极”移向“工作电极”，故C错误；对电极为负极，“对电极”的材料可能为活泼金属锌，故D正确。 【变式4-2】以N2和H2为反应物、溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制成能固氮的新型燃料电池，原理如图所示。下列说法不正确的是(　　) A．b电极为负极，发生氧化反应 B．a电极发生的反应为N2＋8H＋＋6e－===2NH C．A溶液中所含溶质为NH4Cl D．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L 【答案】D 【解析】N2＋3H22NH3，反应中氢元素的化合价升高，H2失去电子，因此b电极为负极，发生氧化反应，故A项正确；a电极作正极，电解质溶液含盐酸，因此电极反应式为N2＋ 8H＋＋6e－===2NH，故B项正确；根据B选项的分析，A溶液中所含溶质为NH4Cl，故C项正确；没有说明外界条件，故D项错误。 基础达标 1．下列电池不属于化学电源的是(　　) A．碱性锌锰电池 B．铅酸蓄电池 C．燃料电池 D．太阳能电池 【答案】D 【解析】常见的化学电源：碱性锌锰电池、铅酸蓄电池、燃料电池，可以将化学能转化为电能；而太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置，不是化学电源，故选D。 2．下列有关原电池的叙述不正确的是(　　) A．水果电池是方便实用的家用电池 B．铅酸蓄电池是一种常用的二次电池 C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置 D．碱性锌锰电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄 【答案】A 【解析】水果电池只能说明原电池原理，不能作为稳定的电源使用，不是方便实用的家用电池，A错误；铅酸蓄电池可以反复多次充电、放电，是一种常用的二次电池，B正确；氢氧燃料电池是一种高效的化学电源，其产物为H2O，故是一种高效、无污染的原电池，C正确；碱性锌锰电池是一次电池，工作一段时间后，锌失电子，不断溶解，外壳逐渐变薄，D正确。 3．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　) A．Zn　　　 B．碳 C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3 【答案】C　 【解析】Zn在负极上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正极上被还原得到Mn2O3、NH3。 4．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成可充电电池，下列4个电极反应： ①Br2＋2e－===2Br－　 ②2Br－－2e－===Br2 ③Zn－2e－===Zn2＋　 ④Zn2＋＋2e－===Zn 其中表示充电时的阳极反应和放电时的负极反应的分别是(　　) A．②和③　　 B．②和① C．③和① D．④和① 【答案】A 【解析】充电时的阳极和放电时的负极均发生氧化反应。 5．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是(　　) A．电子通过外电路从b极流向a极 B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极 【答案】D 【解析】由电池总反应方程式及原电池原理可知，充入H2的一极即a极是负极，充入O2的一极即b极是正极；电子由负极经外电路流向正极；电池内部阳离子即H＋移向正极，正极即b极的电极反应式应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故A、B项错误，D项正确；C项没有指明标准状况，故C项错误。 6．电池在生产、生活中应用越来越广泛。下列说法错误的是(　　) A．化学电池有一次电池、二次电池和燃料电池等，一次电池只能放电，不能充电 B．铅酸蓄电池应用广泛，主要优点是单位质量的电极材料释放的电能大 C．燃料电池具有能量利用率高、可连续使用和污染轻等优点 D．锂电池是一种高能电池，体积小、重量轻，单位质量比能量大 【答案】B 【解析】B项，铅酸蓄电池应用广泛，主要优点是制作方便，但质量重，单位质量的电极材料释放的电能小，错误。 7．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】金属钠为负极，负极上发生失电子的氧化反应，A错误；碳纳米管为正极，CO2在正极上得电子，发生还原反应，B正确；放电时，阳离子由负极移向正极，C错误；原电池是将化学能转化为电能的装置，D错误。 8．下列四个常用电化学装置的叙述错误的是(　　) A．图Ⅰ所示电池中，电子从锌片流出 B．图Ⅱ所示干电池中石墨为负极 C．图Ⅲ所示电池为二次电池 D．图Ⅳ所示电池中正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O 【答案】B 【解析】原电池工作时，电子从负极流出，图Ⅰ所示电池中，锌为负极，则电子从锌片流出，A正确；图Ⅱ所示干电池中石墨为正极、锌为负极，B错误；铅酸蓄电池对外供电时，铅为负极、二氧化铅为正极，当充电时，铅为阴极、二氧化铅为阳极，可反复使用，故图Ⅲ所示电池为二次电池，C正确；图Ⅳ所示电池为氢氧燃料电池，其中，氧气在正极得到电子发生还原反应，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D正确。 9．如图是一种新型锂电池原理示意图，下列有关叙述正确的是(　　) A．a为电池正极 B．外电路中电流由a电极流向b电极 C．离子交换膜为阳离子交换膜 D．b电极处，O2失电子生成OH－ 【答案】C 【解析】Li失电子，为电池负极，A错误；电流方向与电子方向相反，故外电路中电流由b电极流向a电极，B错误；由题图可知，Li＋可穿过离子交换膜，故离子交换膜为阳离子交换膜，C正确；由题图可知，b电极处，O2得电子生成OH－，D错误。 10．某氨气燃料电池如图所示，下列说法错误的是(　　) A．正极的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O B．电子流向：电极1→负载→电极2 C．Na＋由左向右移动 D．NH3在电极1上发生氧化反应 【答案】A 【解析】通入氧气的一极为正极，电解质溶液为NaOH溶液，所以氧气得电子生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，A错误；原电池中电子由负极经导线流向正极，电极1为负极，电极2为正极，所以电子的流向为电极1→负载→电极2，B正确；原电池中阳离子移向正极，所以钠离子由左向右移动，C正确；据题图可知，NH3在电极1上转化为N2和H2O，失电子发生氧化反应，D正确。 综合应用 11．(双选)生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　) A．需要定期补充硫酸 B．放电时Pb是负极，PbO2是正极 C．放电时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4 D．放电时电解质溶液的密度增大 【答案】AD 【解析】由电池反应式可知，不需要定期补充硫酸，A项错误；铅蓄电池放电时，相当于原电池，则发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极，B项正确；放电时，负极上铅失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO结合生成PbSO4，电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，C项正确；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也减小，D项错误。 12．有一种电池，它的一个电极材料是NiO2(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是＋2价的镍的化合物)，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是(　　) A．此电池不用密封 B．铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2＋，负极反应是Fe－2e－===Fe2＋ C．放电时，正极反应为NiO2＋2e－===Ni2＋＋2O2－ D．放电时的总反应为Fe＋NiO2＋2H2O===Fe(OH)2＋Ni(OH)2 【答案】D　 【解析】因该电池的电解质溶液是KOH溶液，应防止与空气接触，否则KOH会与空气中的CO2发生反应生成K2CO3，所以A选项错误；在KOH溶液中，负极反应的产物是Fe(OH)2：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，正极反应为NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，因此B、C选项均错误。 13．（24-25高二上·黑龙江哈尔滨·期末）美国NASA曾开发一种铁—空气二次电池。该电池放电时，其原理如下图所示，电池反应为：。有关该电池放电时的说法正确的是 A．由电能转变为化学能 B．a极质量增加 C．b极为电池负极 D．电流由a极经负载流向b极 【答案】B 【分析】根据电池反应为：可知，负极Fe失去电子在碱性条件下生成氢氧化亚铁，正极氧气得电子生成氢氧根离子，据此分析解答。 【解析】上述铁-空气二次电池放电时由化学能转化为电能，充电时由电能转化为化学能，A错误；a极为放电的负极，铁失电子转化为氢氧化亚铁，电极质量增加，B正确；根据分析可知，放电时，b极为电池的正极，C错误；电流从电源的正极（b极）经负载流向a极，D错误；故选B。 14．（24-25高二上·福建南平·期中）新能源汽车是国家战略产业的重要组成部分，电池是能源汽车关键部件之一，其工作原理如图所示，电池工作时的总反应为。下列说法正确的是 A．充电时，电极b与电源负极连接，电极a与电源正极连接 B．电池工作时，正极的电极反应为 C．电池工作时，负极材料质量减少，转移电子 D．电池进水不会影响其使用寿命 【答案】B 【分析】由锂离子的移动方向可知，放电时，电极a为原电池的负极，LixC6在负极失去电子发生氧化反应生成锂离子和碳，电极反应式为LixC6—xe—=xLi++6C，Li1—xFePO4为正极，Li1—xFePO4在正极得到电子结合锂离子发生还原反应生成LiFePO4，电极反应式为；充电时，与直流电源正极相连的电极b做电解池的阳极，电极a与电源负极连接做阴极。 【解析】由分析可知，充电时，与直流电源正极相连的电极b做电解池的阳极，电极a与电源负极连接做阴极，故A错误；由分析可知，电池工作时，Li1—xFePO4为正极，Li1—xFePO4在正极得到电子结合锂离子发生还原反应生成LiFePO4，电极反应式为，故B正确；由分析可知，电池工作时，电极a为原电池的负极，LixC6在负极失去电子发生氧化反应生成锂离子和碳，电极反应式为LixC6—xe—=xLi++6C，则负极材料质量减少1.4g时，转移电子的物质的量为×1=0.2mol，故C错误；锂与水反应生成氢氧化锂和氢气，则电池进水后，锂会与水反应，导致放电能力下降，大大降低原电池的使用寿命，故D错误；故选B。 15．（24-25高二上·江西·期中）水系电池具有环境友好和高功率等优点，一种水系锌二次电池放电时的原理如图所示，单一钠离子交换膜只允许通过。放电时，复合电极中的转化为，下列叙述正确的是 A．该电池放电后不可以再充电而反复使用 B．放电过程中，负极附近电解质溶液的会增大 C．放电时，总反应为 D．放电时每转移，理论上复合电极的质量减少 【答案】C 【分析】放电时，负极反应为，正极反应为，总反应为； 【解析】该电池为二次电池，是放电后可以再充电而反复使用的电池，A项错误；放电时，负极反应为，同时有移向S—C复合电极，负极附近电解质溶液中减小，会减小，B项错误；由分析可知，总反应为，C项正确；由正极反应可知，每转移，理论上复合电极的质量增加，D项错误；故选C。 16．（24-25高三上·黑龙江大庆·期中）锂离子电池是目前世界上主流的手机电池。科学家近期研发的一种新型的Ca-LiFePO4可充电电池的原理示意图如图，电池反应为：下列说法错误的是 A．放电时，钙电极为负极，发生氧化反应 B．充电时，Ca2+在阴极处得电子 C．LiPF6-LiAsF6电解质可以换成水溶液做电解质 D．充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4电极的电极反应式为 【答案】C 【分析】放电时，Ca失电子转化为Ca2+，则钙电极为负极，Li1-xFePO4/LiFePO4电极为正极；充电时，钙电极为阴极，Li1-xFePO4/LiFePO4电极为阳极。 【解析】由分析可知，放电时，钙电极为负极，失电子发生氧化反应，A正确；充电时，Ca电极为阴极，Ca2+得电子转化为Ca，B正确；Ca的金属性强，能与水发生剧烈反应，所以采用非水电解质，不能换成水溶液，C错误；充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4电极为阳极，电极反应式为LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4+xLi+，D正确；故选C。 17．（24-25高二上·广西柳州·期中）一种—空气燃料电池的工作原理如图所示，该电池工作时，下列说法正确的是 A．通过质子交换膜向左侧多孔石墨棒移动 B．负极的电极反应式为 C．若产生1mol，则通入的体积等于16.8L D．电子的流动方向为从负极经电解质溶液流向正极 【答案】B 【分析】由图可知，通入一氧化氮的多孔石墨电极为负极，水分子作用下一氧化氮在负极失去电子发生氧化反应生成硝酸根离子和氢离子，电极反应式为，通入氧气的多孔石墨电极为正极，酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O。 【解析】由分析可知，通入一氧化氮的多孔石墨电极为负极，通入氧气的多孔石墨电极为正极，则电池工作时，氢离子通过质子交换膜向右侧多孔石墨棒移动，故A错误；由分析可知，通入一氧化氮的多孔石墨电极为负极，水分子作用下一氧化氮在负极失去电子发生氧化反应生成硝酸根离子和氢离子，电极反应式为，故B正确；缺标准状况下，无法计算产生1mol硝酸时，通入氧气的体积，故C错误；原电池中电子从负极经导线流向正极，溶液不能传递电子，故D错误；故选B。 18．（24-25高二上·黑龙江齐齐哈尔·期中）一种以某固体氧化物为电解质的新型燃料电池，可在该固体氧化物电解质中自由移动，产物对环境无污染。下列说法正确的是 A．若A为氢气，则正极反应式为 B．若B为氧气，则该电极反应式为 C．若A为甲烷，则消耗甲烷外电路中流过的电子数目为 D．若A为肼()，B为氧气，则电池总反应为 【答案】C 【分析】由电子流动方向可知，电极甲为负极，电极乙为正极。 【解析】电极甲为负极，若A为氢气，则负极反应式为H2-2e-+O2-=H2O，故A错误；电极乙为正极，若B为氧气，则该电极反应式为O2+4e-=2O2-，故B错误；电极甲为负极，若A为甲烷，电极反应式为CH4-8e-+5O2-=CO+2H2O，32g甲烷的物质的量为=2mol，电路中流过的电子为8×2NA=16NA，故C正确；电极甲为负极，若A为肼(N2H4)，B为氧气，则产物为氮气(产物对环境无污染)和水，故D错误；故选C。 拓展培优 19．（24-25高二上·陕西西安·期末）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是 A．反应，每消耗1mol转移12mol电子 B．电极A上参与的电极反应为 C．电池工作时，向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为 【答案】D 【分析】该装置为原电池装置，电极B通入氧气，作正极，根据已知信息，正极反应式为；电极A为负极，CO和氢气在负极放电，CO和H2被氧化生成二氧化碳和水； 【解析】反应，每消耗转移电子，A错误；负极上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，电极A上氢气参与的反应为：，B错误；原电池中，阴离子流向负极，阳离子流向正极，A为负极，电池工作时，碳酸根向电极A移动，C错误；B为正极，正极为氧气得电子生成，反应为，D正确；故选D。 20．（24-25高二上·湖南长沙·期末）我国科学家设计的一种甲酸(HCOOH)燃料电池如图所示(半透膜只允许K+、H+通过)。下列说法错误的是 A．左侧电极为电池负极，电极反应式为HCOO--2e-+2OH-=+H2O B．电池放电时，左侧有K+通过半透膜移向右侧 C．物质A可以是硫酸氢钾 D．为保持Fe3+浓度稳定，需不断向电解质溶液中补充Fe3+ 【答案】D 【分析】HCOOH燃料电池中，HCOOH发生失去电子被氧化生成，所在电极为负极，电极反应式为：HCOO-+2OH--2e-=+H2O，正极上铁离子得到电子被还原成Fe2+，Fe2+被氧气氧化成Fe3+循环利用，从装置中分离出的物质为K2SO4，则物质A为硫酸氢钾或H2SO4，HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应将化学能转化为电能，总反应为2HCOOH+2OH-+O2=2+2H2O，原电池工作时K+通过半透膜移向正极。 【解析】燃料电池中HCOOH发生失去电子被氧化生成，所在电极为负极，电极反应式为：HCOO-+2OH--2e-=+H2O，A正确；由分析可知原电池工作时K+通过半透膜移向正极（右侧），B正确；由图可知，原电池工作时K+通过半透膜移向正极(右侧)，右侧电极反应为：Fe3++e-=Fe2+，从装置中分离出的物质为K2SO4，放电过程中需补充的物质A是H2SO4或硫酸氢钾，C正确；右侧电极反应为：Fe3++e-=Fe2+，在氧气的作用下亚铁离子又被氧化成三价铁离子循环利用，故不需补充Fe3+，D错误；故选D。 21．（24-25高二上·福建泉州·期中）一种电池系统，具有同时合成氨和对外供电的功能，其工作原理如图所示，下列说法错误的是 A．电极为负极，电极为正极 B．电极的反应式为 C．电池工作过程中，透过双极膜向左侧移动 D．电池工作一段时间后，负极区溶液的增大 【答案】D 【分析】由图可知，得到电子发生还原反应生成氨气和水，电极反应式为，则为原电池的正极，那么电极为负极，碱性条件下锌失去电子发生氧化反应，电极反应式为。 【解析】根据分析可知，为原电池的正极，电极为负极，A正确；得到电子发生还原反应生成氨气和水，电极反应式为，B正确；电池工作过程中，透过双极膜向负极，也就是左侧移动，C正确；负极反应为，氢氧根离子被消耗，碱性减小，减小，D错误；故选D。 22．（24-25高二上·广东茂名·期末）我国科学家研发了一种水系可逆电池，将两组阴离子、阳离子复合膜反向放置分隔两室电解液，充、放电时，复合膜层间的解离成和，工作原理如图所示。下列说法正确的是 A．放电时正极的电极反应式为 B．放电时正极区升高 C．充电时与外接直流电源正极相连，将电能转化为化学能 D．当放电时，复合膜层间有解离时，正极区溶液增重 【答案】D 【分析】根据图示可知，放电时是原电池，放电时，负极为锌，锌在负极失去电子生成锌离子，结合复合膜层电离出的氢氧根离子生成，负极的电极反应式为，多孔纳米片为正极，二氧化碳在正极得到电子转化为甲酸，电极反应为，总的电极反应为： ，充电时的电极反应与放电时的反应相反，由此分析。 【解析】据分析，放电时，多孔纳米片为正极，二氧化碳在正极得到电子转化为甲酸，电极反应为，故A错误；由分析可知，放电时，多孔纳米片为正极，酸性条件下二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，电极反应式为，甲酸在氯化钠溶液中电离出氢离子使电极附近溶液减小，故B错误；放电时为负极发生氧化反应，因此充电时与直流电源的负极相连，故C错误；由分析可知，放电时，多孔纳米片为正极，酸性条件下二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸，电极反应式为，复合膜层间有水解离时，外电路转移电子，则正极增加的质量为，故D正确；故选D。 23．(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；②氨气中N的化合价由－3变成0，当生成1 mol N2时，转移电子的物质的量为6 mol。 24．Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。 请回答下列问题： (1)电池的负极材料为____________，发生的电极反应为___________________________________。 (2)电池正极发生的电极反应为_____________________________________。 (3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴入SOCl2中，实验现象是___________________________，反应的化学方程式为____________________________。 (4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是__________________________________________。 (5)熔融状态下，钠的单质和FeCl2能组成可充电电池(装置示意图如图)，反应原理为2Na＋FeCl2===Fe＋2NaCl。 放电时，电池的正极反应式为__________________________；该电池的电解质为________________。 【答案】(1)Li　Li－e－===Li＋　(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑ (3)出现白雾，有刺激性气味气体生成　SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑ (4)构成电池的主要成分Li能与氧气、水反应，SOCl2也与水反应　(5)Fe2＋＋2e－===Fe　β-Al2O3固体 【解析】(1)分析反应中元素的化合价变化，可得Li为还原剂(作负极)，失电子：Li－e－===Li＋。 (2)SOCl2为氧化剂，得电子，从题给电池反应可推出产物为Cl－、S、SO2(或用总反应减去负极反应)。 (3)题中已给出信息：碱液吸收时的产物是Na2SO3和NaCl，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，进而推出现象。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $$