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高中化学新教材同步选择性必修第一册 第四章 第一节 第二课时 化学电源（同步讲义）
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第2课时 化学电源[核心素养发展目标] 1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。一、化学电源概述 一次电池1．化学电源概述(1) 化学电源的分类原电池是化学电源的雏形，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。②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。③燃料电池：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，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。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(1)干电池根据电解质的性质又可分为酸性电池、碱性电池、中性电池(√)(2)具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池(√)(3)废电池须进行集中处理的目的是防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染(√)(4)铅蓄电池应用广泛，主要优点是单位重量的电极材料释放的电能大(×)(5)燃料电池具有能量利用率高、可连续使用和污染轻等优点(√)(6)锂电池是一种高能电池，体积小、重量轻，比能量大(√)1．已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。比较Mg、Al二种金属－空气电池，“理论比能量”之比是________。答案 3∶4解析 假设质量都是1 g，这两种金属转移的电子的物质的量分别为：eq \f(1 g,24 g·mol－1)×2＝eq \f(1,12) mol、eq \f(1 g,27 g·mol－1)×3＝eq \f(1,9) mol。2．银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点，如图所示，总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。(1)负极反应物：________，正极反应物：________，电解质溶液____________。(2)电极反应式 ，负极：_________________________；正极：_________________________。答案 (1)锌粉 Ag2O KOH溶液(2)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－二、二次电池1．铅蓄电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋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＋SOeq \o\al(2－,4)－2e－===PbSO4 ；②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4)＋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＋SOeq \o\al(2－,4) ；②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4) ；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。即“负极接负极，正极接正极”。2．锂离子电池反应过程：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。(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(×)(2)可充电电池的充放电过程是可逆反应(×)(3)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电解质(√)(4)铅蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(×)(5)锂离子电池放电时，Li＋移向正极区(√)1．镍—镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。(1)放电时，负极发生________反应，反应式为________________________。(2)电池工作时，负极区pH________，正极区pH________。(3)该电池工作时，电解质溶液中的OH－向________移动答案 (1)氧化 Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2 (2)减小 增大 (3)负极2．锂空气电池放电时的工作原理如图所示。根据图示解答下列问题：(1)放电时Li＋由A极向B极移动。(2)电极反应式：①负极：4Li＋4OH－－4e－===4LiOH；②正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；③放电电池总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。(3)电解液a能否是氯化锂溶液？否(填“能”或“否”)，原因是：金属锂能与水反应，电解质中不能含有水。3．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＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：(1)高铁电池的负极材料是_________，放电时负极的电极反应式为_____________________。(2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为____________________________。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 2FeOeq \o\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－ 正解析 放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极的电极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，正极的电极反应式为2FeOeq \o\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。 化学电源电极反应式的书写(1)由装置图或电池总反应式确定电池的正极、负极及各极反应物。(2)电解质溶液中的其他离子的影响，若阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。(3)原电池的正极材料多数只起导电作用，而化学电源的正极材料大多数参与电极反应。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。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。2．氢氧燃料电池是一种清洁高效的燃料电池(1)基本构造(2)工作原理3.能量转换所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，只不过条件不同而已。理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。4．燃料电池电极的书写方法电极的负极反应物一定是燃料，正极反应物为O2或空气。据氧化还原反应规律，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应。特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。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CH4eq \o(―――→,\s\up7(O2))eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\co1(H2O,CO2\o(――→,\s\up7(KOH))CO\o\al(2－,3)＋H2O))故CH4的最终产物为COeq \o\al(2－,3)和H2O；第二步 确定价态变化及电子转移eq \o(C,\s\up6(－4))H4－8e－―→eq \o(C,\s\up6(＋4))Oeq \o\al(2－,3)＋H2O；第三步 依据电解质性质，用OH－使电荷守恒CH4－8e－＋10OH－―→COeq \o\al(2－,3)＋H2O；第四步 最后据氢原子守恒配平H2O的化学计量数CH4－8e－＋10OH－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O。(1)燃料电池所有能量均转化为电能(×)(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极(×)(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O(√)(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应(√)1．如图为肼燃料电池示意图，请写出正、负极电极反应式及总反应式。答案 负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O2．一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：____________________________________。(2)此电池的正极发生的电极反应式： __________________________________，负极发生的电极反应式：________________________________________________。(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。(4)使用该燃料电池的另一个好处是____________________________________________。答案 (1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋(3)正 负极 (4)对环境无污染解析 (1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。(2)电池的正极为O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池反应减去正极反应即可得出负极的电极反应式。(3)H＋移向正极，在正极生成水。(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。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，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即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着密切的关系。(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。随堂演练 知识落实1．下列说法错误的是( )A．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源B．化学电源中的负极材料不一定参加电极反应C．二次电池的充电和放电过程是可逆反应D．丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是资源的极大浪费答案 C解析 二次电池的充电和放电，是在不同条件下发生的过程，它们不是可逆反应。2．下列电池工作时，氧气在正极放电的是( )答案 B解析 燃料电池中在正极放电的物质都是氧气。3．某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是( )A．锌为电池的负极B．正极反应式为2FeOeq \o\al(2－,4)＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2OC．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D．电池工作时OH－向负极迁移答案 B解析 以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2；K2FeO4为正极，发生反应：2FeOeq \o\al(2－,4)＋8H2O＋6e－=== 2Fe(OH)3＋10OH－；放电过程中有OH－生成，则电解质溶液的浓度增大，OH－向负极迁移。4．(2020·广州清远调研)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用Li＋交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为：Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS。下列有关该电池的说法中，正确的是( )A．化合物LiAl具有强还原性，作负极材料B．放电时，电子从LiAl极经过Li＋交换膜流向FeS极C．放电时发生的总反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋FeD．为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液答案 C解析 LiAl是合金，不是化合物，A不正确；放电时，电子从LiAl极经过外电路流向FeS极，B不正确；放电时发生的总反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe，C正确；负极材料易与水发生反应，故不能用电解质的水溶液，D不正确。5．原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为__________________________________________________________________________________。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物作电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，其负极反应式为2CO＋2COeq \o\al(2－,3)－4e－===4CO2。①正极反应式是_____________________________________；②总电池反应式是___________________________________。答案 (1)①a CH4＋10OH－－8e－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O②减小(2)①O2＋2CO2＋4e－===2COeq \o\al(2－,3)②2CO＋O2===2CO2解析 (1)甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原反应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \o\al(2－,3)，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应式，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。题组一 一次电池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。2．日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NHeq \o\al(＋,4)＋2e－===2NH3＋H2{NH3与Zn2＋络合生成[Zn(NH3)4]2＋}。根据以上叙述判断下列结论不正确的是( )A．Zn为正极，碳为负极B．Zn为负极，碳为正极C．工作时电流由碳极经外电路流向Zn极D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器答案 A解析 由电极反应可知，Zn发生氧化反应，为电池的负极，碳棒为电池的正极。电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反。长时间连续使用时，MnO2吸收较多H2而体积膨胀，糊状物可能流出，因电解质呈酸性，故会腐蚀用电器。3．纽扣电池的两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液。放电时两个电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，下列说法中，正确的是( )A．锌是负极，氧化银是正极B．锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应C．溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动D．在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变答案 A解析 由电极反应式可知Zn作负极，Ag2O作正极，A正确；Zn发生氧化反应，Ag2O发生还原反应，B错误；溶液中的OH－向负极移动，K＋、H＋向正极移动，C错误；电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，电解质溶液为KOH溶液，因电池放电过程中不断消耗水，使溶液中c(OH－)增大，D错误。题组二 二次电池4．铅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．SOeq \o\al(2－,4)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；内电路中带负电荷的阴离子(SOeq \o\al(2－,4)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。5．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为FeB．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O答案 C解析 该充电电池中活泼金属Fe失去电子，为负极，得电子的Ni2O3为正极，因为放电时电极产物为氢氧化物，可以判断电解液为碱性溶液，选项A正确；放电时，负极铁失去电子生成Fe2＋，因为电解液为碱性溶液，所以负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，选项B正确；充电时，阴极发生还原反应：Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，所以阴极附近溶液的pH增大，选项C错误；电池充电时，阳极发生氧化反应，Ni(OH)2转化为Ni2O3，电极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，选项D正确。题组三 燃料电池6．(2019·安庆高二检测)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．电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2OC．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 因为电子从电极b流向电极a，所以电极b为负极，H2在该极发生氧化反应；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eq \f(1,2)O2＋2e－===O2－，则电池总反应式为2H2＋O2===2H2O。7．将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是( )①通入CO的电极为正极；②正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；③通入CO的电极反应式是2CO＋O2－4e－===2CO2；④负极的电极反应式是CO＋4OH－－2e－===COeq \o\al(2－,3)＋2H2O；⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动；⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动。A．①③⑤ B．②④⑥ C．④⑤⑥ D．①②③答案 B解析 据题意知，发生的反应为2CO＋O2===2CO2，反应产生的CO2处于KOH溶液中，又会转化为COeq \o\al(2－,3)，④正确，③错误；O2得e－被还原，在正极反应，①错误，②正确；阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，⑤错误，⑥正确。8．下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×eq \f(3,12) mol＝0.25 mol。9．电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如图。下列说法不正确的是( )A．O2在电极b上发生还原反应B．溶液中OH－向电极a移动C．反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为4∶5D．负极的电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O答案 C解析 氧气在电极b发生还原反应，则电极b为正极，电极a为负极，故A正确；因为电极a为负极，则溶液中的阴离子向负极移动，故B正确；反应中N元素化合价升高3价，O元素化合价共降低4价，根据得失电子守恒，消耗NH3与O2的物质的量之比为4∶3，故C错误；负极是氨气发生氧化反应变成氮气，且OH－向电极a移动参与反应，故电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，故D正确。题组四 新型电池10．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－===AgClB．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－===Mn5Oeq \o\al(2－,10)，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。11．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＋H2OC．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，根据“同性相吸”理解得到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。12．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－===2NHeq \o\al(＋,4)C．A溶液中所含溶质为NH4ClD．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L答案 D解析 N2＋3H22NH3，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－===2NHeq \o\al(＋,4)，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。13．最近科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2，同时产生电能，其原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )A．氧化银电极上的反应为Ag2O＋2e－===2Ag＋O2－B．石墨电极上的反应为C6H12O6＋6H2O＋24e－===6CO2↑＋24H＋C．每转移4 mol电子，氧化银电极产生22.4 L CO2气体(标准状况)D．30 g C6H12O6参与反应，有4 mol H＋经质子交换膜进入正极区答案 D解析 C6H12O6在微生物作用下转化为CO2和H2O，C6H12O6被氧化，即石墨电极为负极，氧化银电极为正极，Ag2O发生得电子的还原反应，电极反应式为Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2O，故A错误；石墨电极为负极，C6H12O6在负极发生失电子的氧化反应：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，故B错误；根据负极的电极反应式可知，每转移4 mol电子，石墨电极产生22.4 L CO2(标准状况)，故C错误；30 g C6H12O6的物质的量为eq \f(30 g,180 g·mol－1)＝eq \f(1,6) mol，根据负极的电极反应式可知，有4 mol H＋经质子交换膜进入正极区，故D正确。14．(1)二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池可以利用大气所含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B②SO2－2e－＋2H2O===SOeq \o\al(2－,4)＋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，正电荷由负极向正极移动，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===SOeq \o\al(2－,4)＋4H＋。(2)①a极通入氨气，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。15．燃料电池是利用燃料与氧气反应从而将化学能转化为电能的装置。(1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。①A为生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。②正极反应式为____________________________________________________________。③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移(填“正”或“负”)。④在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是________。(2)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＋FeCl2Fe＋2NaCl。放电时，电池的正极反应式为_____________________________________________________；充电时，________(写物质名称)电极接电源的负极，该电池的电解质为________________。答案 (1)①正 ②O2＋4H＋＋4e－===2H2O③负 正 ④22.4 L(2)Fe2＋＋2e－===Fe 钠 βAl2O3固体解析 (1)由图可知A为燃料电池的正极，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；B为燃料电池的负极，电极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋。放电过程中，H＋由负极区向正极区移动。葡萄糖燃料电池的总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1 mol O2～1 mol CO2，每消耗1 mol O2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4 L。 普通锌锰干电池碱性锌锰干电池示意图构造负极：锌正极：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－＋2NHeq \o\al(＋,4)===Zn(NH3)eq \o\al(2＋,2)＋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－xCoO2LiCoO2＋Cy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＋===2H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应2H2＋O2===2H2O
第2课时 化学电源[核心素养发展目标] 1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。一、化学电源概述 一次电池1．化学电源概述(1) 化学电源的分类原电池是化学电源的雏形，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。②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。③燃料电池：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，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。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(1)干电池根据电解质的性质又可分为酸性电池、碱性电池、中性电池(√)(2)具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池(√)(3)废电池须进行集中处理的目的是防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染(√)(4)铅蓄电池应用广泛，主要优点是单位重量的电极材料释放的电能大(×)(5)燃料电池具有能量利用率高、可连续使用和污染轻等优点(√)(6)锂电池是一种高能电池，体积小、重量轻，比能量大(√)1．已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。比较Mg、Al二种金属－空气电池，“理论比能量”之比是________。答案 3∶4解析 假设质量都是1 g，这两种金属转移的电子的物质的量分别为：eq \f(1 g,24 g·mol－1)×2＝eq \f(1,12) mol、eq \f(1 g,27 g·mol－1)×3＝eq \f(1,9) mol。2．银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点，如图所示，总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。(1)负极反应物：________，正极反应物：________，电解质溶液____________。(2)电极反应式 ，负极：_________________________；正极：_________________________。答案 (1)锌粉 Ag2O KOH溶液(2)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－二、二次电池1．铅蓄电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋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＋SOeq \o\al(2－,4)－2e－===PbSO4 ；②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4)＋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＋SOeq \o\al(2－,4) ；②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4) ；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。即“负极接负极，正极接正极”。2．锂离子电池反应过程：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。(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(×)(2)可充电电池的充放电过程是可逆反应(×)(3)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电解质(√)(4)铅蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(×)(5)锂离子电池放电时，Li＋移向正极区(√)1．镍—镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。(1)放电时，负极发生________反应，反应式为________________________。(2)电池工作时，负极区pH________，正极区pH________。(3)该电池工作时，电解质溶液中的OH－向________移动答案 (1)氧化 Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2 (2)减小 增大 (3)负极2．锂空气电池放电时的工作原理如图所示。根据图示解答下列问题：(1)放电时Li＋由A极向B极移动。(2)电极反应式：①负极：4Li＋4OH－－4e－===4LiOH；②正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；③放电电池总反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。(3)电解液a能否是氯化锂溶液？否(填“能”或“否”)，原因是：金属锂能与水反应，电解质中不能含有水。3．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＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：(1)高铁电池的负极材料是_________，放电时负极的电极反应式为_____________________。(2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为____________________________。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 2FeOeq \o\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－ 正解析 放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极的电极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，正极的电极反应式为2FeOeq \o\al(2－,4)＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。 化学电源电极反应式的书写(1)由装置图或电池总反应式确定电池的正极、负极及各极反应物。(2)电解质溶液中的其他离子的影响，若阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。(3)原电池的正极材料多数只起导电作用，而化学电源的正极材料大多数参与电极反应。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。燃料电池工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。2．氢氧燃料电池是一种清洁高效的燃料电池(1)基本构造(2)工作原理3.能量转换所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，只不过条件不同而已。理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。4．燃料电池电极的书写方法电极的负极反应物一定是燃料，正极反应物为O2或空气。据氧化还原反应规律，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应。特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。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CH4eq \o(―――→,\s\up7(O2))eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\co1(H2O,CO2\o(――→,\s\up7(KOH))CO\o\al(2－,3)＋H2O))故CH4的最终产物为COeq \o\al(2－,3)和H2O；第二步 确定价态变化及电子转移eq \o(C,\s\up6(－4))H4－8e－―→eq \o(C,\s\up6(＋4))Oeq \o\al(2－,3)＋H2O；第三步 依据电解质性质，用OH－使电荷守恒CH4－8e－＋10OH－―→COeq \o\al(2－,3)＋H2O；第四步 最后据氢原子守恒配平H2O的化学计量数CH4－8e－＋10OH－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O。(1)燃料电池所有能量均转化为电能(×)(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极(×)(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O(√)(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应(√)1．如图为肼燃料电池示意图，请写出正、负极电极反应式及总反应式。答案 负极：N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应式：N2H4＋O2===N2＋2H2O2．一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：____________________________________。(2)此电池的正极发生的电极反应式： __________________________________，负极发生的电极反应式：________________________________________________。(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。(4)使用该燃料电池的另一个好处是____________________________________________。答案 (1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋(3)正 负极 (4)对环境无污染解析 (1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。(2)电池的正极为O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池反应减去正极反应即可得出负极的电极反应式。(3)H＋移向正极，在正极生成水。(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。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，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即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着密切的关系。(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。随堂演练 知识落实1．下列说法错误的是( )A．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源B．化学电源中的负极材料不一定参加电极反应C．二次电池的充电和放电过程是可逆反应D．丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是资源的极大浪费答案 C解析 二次电池的充电和放电，是在不同条件下发生的过程，它们不是可逆反应。2．下列电池工作时，氧气在正极放电的是( )答案 B解析 燃料电池中在正极放电的物质都是氧气。3．某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是( )A．锌为电池的负极B．正极反应式为2FeOeq \o\al(2－,4)＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2OC．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D．电池工作时OH－向负极迁移答案 B解析 以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2；K2FeO4为正极，发生反应：2FeOeq \o\al(2－,4)＋8H2O＋6e－=== 2Fe(OH)3＋10OH－；放电过程中有OH－生成，则电解质溶液的浓度增大，OH－向负极迁移。4．(2020·广州清远调研)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用Li＋交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为：Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS。下列有关该电池的说法中，正确的是( )A．化合物LiAl具有强还原性，作负极材料B．放电时，电子从LiAl极经过Li＋交换膜流向FeS极C．放电时发生的总反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋FeD．为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液答案 C解析 LiAl是合金，不是化合物，A不正确；放电时，电子从LiAl极经过外电路流向FeS极，B不正确；放电时发生的总反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe，C正确；负极材料易与水发生反应，故不能用电解质的水溶液，D不正确。5．原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为__________________________________________________________________________________。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物作电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，其负极反应式为2CO＋2COeq \o\al(2－,3)－4e－===4CO2。①正极反应式是_____________________________________；②总电池反应式是___________________________________。答案 (1)①a CH4＋10OH－－8e－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O②减小(2)①O2＋2CO2＋4e－===2COeq \o\al(2－,3)②2CO＋O2===2CO2解析 (1)甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原反应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \o\al(2－,3)，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应式，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。题组一 一次电池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。2．日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NHeq \o\al(＋,4)＋2e－===2NH3＋H2{NH3与Zn2＋络合生成[Zn(NH3)4]2＋}。根据以上叙述判断下列结论不正确的是( )A．Zn为正极，碳为负极B．Zn为负极，碳为正极C．工作时电流由碳极经外电路流向Zn极D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器答案 A解析 由电极反应可知，Zn发生氧化反应，为电池的负极，碳棒为电池的正极。电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反。长时间连续使用时，MnO2吸收较多H2而体积膨胀，糊状物可能流出，因电解质呈酸性，故会腐蚀用电器。3．纽扣电池的两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液。放电时两个电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，下列说法中，正确的是( )A．锌是负极，氧化银是正极B．锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应C．溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动D．在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变答案 A解析 由电极反应式可知Zn作负极，Ag2O作正极，A正确；Zn发生氧化反应，Ag2O发生还原反应，B错误；溶液中的OH－向负极移动，K＋、H＋向正极移动，C错误；电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，电解质溶液为KOH溶液，因电池放电过程中不断消耗水，使溶液中c(OH－)增大，D错误。题组二 二次电池4．铅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．SOeq \o\al(2－,4)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；内电路中带负电荷的阴离子(SOeq \o\al(2－,4)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。5．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是( )A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为FeB．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O答案 C解析 该充电电池中活泼金属Fe失去电子，为负极，得电子的Ni2O3为正极，因为放电时电极产物为氢氧化物，可以判断电解液为碱性溶液，选项A正确；放电时，负极铁失去电子生成Fe2＋，因为电解液为碱性溶液，所以负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，选项B正确；充电时，阴极发生还原反应：Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，所以阴极附近溶液的pH增大，选项C错误；电池充电时，阳极发生氧化反应，Ni(OH)2转化为Ni2O3，电极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，选项D正确。题组三 燃料电池6．(2019·安庆高二检测)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．电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2OC．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 因为电子从电极b流向电极a，所以电极b为负极，H2在该极发生氧化反应；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eq \f(1,2)O2＋2e－===O2－，则电池总反应式为2H2＋O2===2H2O。7．将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是( )①通入CO的电极为正极；②正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；③通入CO的电极反应式是2CO＋O2－4e－===2CO2；④负极的电极反应式是CO＋4OH－－2e－===COeq \o\al(2－,3)＋2H2O；⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动；⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动。A．①③⑤ B．②④⑥ C．④⑤⑥ D．①②③答案 B解析 据题意知，发生的反应为2CO＋O2===2CO2，反应产生的CO2处于KOH溶液中，又会转化为COeq \o\al(2－,3)，④正确，③错误；O2得e－被还原，在正极反应，①错误，②正确；阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，⑤错误，⑥正确。8．下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×eq \f(3,12) mol＝0.25 mol。9．电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如图。下列说法不正确的是( )A．O2在电极b上发生还原反应B．溶液中OH－向电极a移动C．反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为4∶5D．负极的电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O答案 C解析 氧气在电极b发生还原反应，则电极b为正极，电极a为负极，故A正确；因为电极a为负极，则溶液中的阴离子向负极移动，故B正确；反应中N元素化合价升高3价，O元素化合价共降低4价，根据得失电子守恒，消耗NH3与O2的物质的量之比为4∶3，故C错误；负极是氨气发生氧化反应变成氮气，且OH－向电极a移动参与反应，故电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，故D正确。题组四 新型电池10．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－===AgClB．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－===Mn5Oeq \o\al(2－,10)，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。11．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＋H2OC．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，根据“同性相吸”理解得到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。12．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－===2NHeq \o\al(＋,4)C．A溶液中所含溶质为NH4ClD．当反应消耗1 mol N2时，则消耗的H2为67.2 L答案 D解析 N2＋3H22NH3，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－===2NHeq \o\al(＋,4)，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。13．最近科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2，同时产生电能，其原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )A．氧化银电极上的反应为Ag2O＋2e－===2Ag＋O2－B．石墨电极上的反应为C6H12O6＋6H2O＋24e－===6CO2↑＋24H＋C．每转移4 mol电子，氧化银电极产生22.4 L CO2气体(标准状况)D．30 g C6H12O6参与反应，有4 mol H＋经质子交换膜进入正极区答案 D解析 C6H12O6在微生物作用下转化为CO2和H2O，C6H12O6被氧化，即石墨电极为负极，氧化银电极为正极，Ag2O发生得电子的还原反应，电极反应式为Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2O，故A错误；石墨电极为负极，C6H12O6在负极发生失电子的氧化反应：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，故B错误；根据负极的电极反应式可知，每转移4 mol电子，石墨电极产生22.4 L CO2(标准状况)，故C错误；30 g C6H12O6的物质的量为eq \f(30 g,180 g·mol－1)＝eq \f(1,6) mol，根据负极的电极反应式可知，有4 mol H＋经质子交换膜进入正极区，故D正确。14．(1)二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池可以利用大气所含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B②SO2－2e－＋2H2O===SOeq \o\al(2－,4)＋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，正电荷由负极向正极移动，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===SOeq \o\al(2－,4)＋4H＋。(2)①a极通入氨气，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。15．燃料电池是利用燃料与氧气反应从而将化学能转化为电能的装置。(1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。①A为生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。②正极反应式为____________________________________________________________。③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移(填“正”或“负”)。④在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是________。(2)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＋FeCl2Fe＋2NaCl。放电时，电池的正极反应式为_____________________________________________________；充电时，________(写物质名称)电极接电源的负极，该电池的电解质为________________。答案 (1)①正 ②O2＋4H＋＋4e－===2H2O③负 正 ④22.4 L(2)Fe2＋＋2e－===Fe 钠 βAl2O3固体解析 (1)由图可知A为燃料电池的正极，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；B为燃料电池的负极，电极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋。放电过程中，H＋由负极区向正极区移动。葡萄糖燃料电池的总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1 mol O2～1 mol CO2，每消耗1 mol O2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4 L。 普通锌锰干电池碱性锌锰干电池示意图构造负极：锌正极：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－＋2NHeq \o\al(＋,4)===Zn(NH3)eq \o\al(2＋,2)＋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－xCoO2LiCoO2＋Cy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＋===2H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应2H2＋O2===2H2O
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