2021高三化学人教版一轮教师用书：第6章第2节原电池化学电源

第二节　原电池　化学电源
考纲定位
要点网络
1．理解原电池的构成、工作原理及应用，能写出电极反应和总反应方程式。
2．了解常见化学电源的种类及其工作原理。


原电池工作原理及其应用

1．原电池的构成
(1)概念和反应本质
原电池是把化学能转化为电能的装置，其反应本质是氧化还原反应。
(2)构成条件
反应
能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)
电极
一般是活泼性不同的两电极(金属或石墨)
闭合
回路
①电解质溶液
②两电极直接或间接接触
③两电极插入电解质溶液中
2．原电池的工作原理
如图是Cu­Zn原电池，请填空：

(1)两装置的差别
①图Ⅰ中Zn在CuSO4溶液中直接接触Cu2＋，会有一部分Zn与Cu2＋直接反应，该装置中既有化学能和电能的转化，又有一部分化学能转化成了热能，装置的温度会升高，电能效率低。
②图Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分别在两个池中，Zn与Cu2＋不直接接触，不存在Zn与Cu2＋直接反应的过程，所以仅是化学能转化成了电能，电流稳定，且持续时间长，电能效率高。
(2)反应原理
电极名称
负极
正极
电极材料
Zn
Cu
电极反应
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型
氧化反应
还原反应
(3)原电池中的三个方向
①电子方向：从负极流出沿导线流入正极。
②电流方向：从正极沿导线流向负极。
③离子的迁移方向：电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移。
(4)盐桥作用
①连接内电路，形成闭合回路。
②平衡电荷(盐桥中阴离子移向负极，阳离子移向正极)，使原电池不断产生电流。
3．原电池原理的应用
(1)比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
(2)加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率加快。例如，在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的反应速率加快。
(3)设计制作化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点，结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，负极用Cu，正极用Ag或C等，AgNO3为电解质溶液。
[补短板]
(1)原电池反应必须是氧化还原反应，但自行发生的氧化还原反应并不一定是电极与电解质溶液反应，也可能是电极与溶解的氧气等发生反应，如将铁与石墨相连插入食盐水中。
(2)在理解形成原电池可加快反应速率时，要注意对产物量的理解，Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，锌足量时，不影响产生H2的物质的量，但稀硫酸足量时，产生H2的物质的量要减少。
(3)原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。如在Mg－NaOH(aq)－Al原电池中Al为负极；在Cu－浓硝酸－Fe(Al)原电池中Cu为负极。

(1)在化学反应中，所有自发的放热反应均可以设计成原电池。(　　)
(2)在Mg－NaOH(aq)－Al电池中负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O。(　　)
(3)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。(　　)
(4)在锌铜原电池中，因为有电子通过电解质溶液形成闭合回路，所以有电流产生。(　　)
(5)含盐桥的原电池工作时，盐桥中的阳离子向负极迁移。(　　)
[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×

1．在如图所示的5个装置中，不能形成原电池的是_________(填序号)。③装置发生的电极反应式为______________________________________________
_________________________________________________________________。

[答案]　②④　负极：Fe－2e－===Fe2＋，正极：2H＋＋2e－===H2↑
2．依据氧化还原反应：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)设计的原电池如图所示(盐桥为盛有KNO3琼脂的U形管)。

请回答下列问题：
(1)电极X的材料是________；电解质溶液Y是________(填化学式)。
(2)银电极为电池的________极，其电极反应为_______________________
__________________________________________________________________。
(3)盐桥中的NO移向________溶液。
[答案]　(1)Cu　AgNO3溶液　(2)正　Ag＋＋e－===Ag　(3)Cu(NO3)2

命题点1　原电池的工作原理
1．(2019·武汉调研)下列装置为某实验小组设计的Cu­Zn原电池，下列说法错误的是(　　)

甲　　　　 　　 　乙
A．装置甲中电子流动方向为：Zn→电流表→Cu
B．装置乙比装置甲提供的电流更稳定
C．装置乙盐桥中可用装有琼胶的Na2CO3饱和溶液
D．若装置乙中盐桥用铁丝替代，反应原理发生改变
C　[装置甲中Zn电极为负极，Cu电极为正极，电子从负极流出经导线流入正极，故电子流动方向：Zn→电流表→Cu，A项正确；装置甲中Zn与CuSO4溶液直接反应生成的Cu会附着在Zn电极上，使电池效率降低，装置乙为带有盐桥的原电池，氧化反应和还原反应在两池中分别发生，提供的电流更稳定，B项正确；装置乙盐桥中若用装有琼胶的Na2CO3饱和溶液，则CO向ZnSO4溶液中迁移，ZnSO4溶液中会产生沉淀，C项错误；若装置乙中盐桥用铁丝替代，则形成两个串联的原电池，反应原理改变，D项正确。]
2．(2019·海淀区模拟)全钒电池以惰性材料作电极，在电解质溶液中发生的原电池反应为VO(黄色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(蓝色)＋H2O＋V3＋(绿色)。

下列说法不正确的是(　　)
A．正极反应为VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O
B．负极附近的溶液由紫色逐渐变为绿色
C．反应每生成1 mol H2O时转移电子的物质的量为0.5 mol
D．原电池使用过程中溶液的pH逐渐增大
C　[由电池总反应VO(黄色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(蓝色)＋H2O＋V3＋(绿色)可得，VO为正极的活性物质，V2＋为负极的活性物质，所以左室为正极室，右室为负极室。正极反应为VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O，A项正确；负极反应为V2＋－e－===V3＋，所以负极附近溶液的颜色由紫色逐渐变为绿色，B项正确；由电极反应VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O可知，反应每生成1 mol H2O时转移电子的物质的量为1 mol，C项错误；由原电池总反应可知，反应过程中H＋被不断消耗，所以溶液的pH逐渐增大，D项正确。]
3．(2019·厦门模拟)将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。

下列说法不正确的是 (　　)
A．盐桥中的K＋移向FeCl3溶液
B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应
C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态
D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极
D　[A项，甲池中石墨电极为正极，乙池中石墨电极为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K＋向FeCl3溶液迁移，正确；B项，反应开始时，乙中I－失去电子，发生氧化反应，正确；C项，当电流计读数为零时，说明没有电子发生转移，反应达到平衡，正确；D项，当加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，错误。]

原电池的工作原理简图

注意：①若有盐桥，盐桥中的阴离子移向负极区，阳离子移向正极区。
②若有交换膜，离子可选择性通过交换膜，如阳离子交换膜，阳离子可通过交换膜移向正极。
命题点2　原电池原理的应用
4．等质量的两份锌粉a、b，分别加入过量的稀H2SO4中，同时向a中滴入少量的CuSO4溶液，如图表示产生H2的体积(V)与时间(t)的关系，其中正确的是
(　　)

A　　　B　　 　C　　　D
D　[a中Zn与CuSO4溶液反应置换出Cu，Zn的量减少，产生H2的量减少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原电池，加快反应速率，D项图示符合要求。]
5．M、N、P、E四种金属，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出；③N、E用导线连接放入E的硫酸盐溶液中，电极反应为E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。则这四种金属的还原性由强到弱的顺序是 (　　)
A．P>M>N>E　　　　　 B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
A　[由①知，金属活动性：M>N；M、P用导线连接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量气泡逸出，说明M作原电池的正极，故金属活动性：P>M；N、E构成的原电池中，N作负极，故金属活动性：N>E。]
6．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。
(1)负极反应式：________________________________________________。
(2)正极反应式：________________________________________________。
(3)电池总反应方程式：__________________________________________。
(4)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：
①不含盐桥



②含盐桥



[答案]　(1)Cu－2e－===Cu2＋
(2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①　②

原电池设计的一般思路
(1)正、负极材料的选择：根据氧化还原关系找出正、负极材料，一般选择活泼性较强的金属作为负极；活泼性较弱的金属或可导电的非金属(如石墨等)作为正极。
(2)电解质溶液的选择：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。但如果氧化反应和还原反应分别在两个容器中进行(中间连接盐桥)，则两个容器中的电解质溶液一般选择与电极材料相同的阳离子溶液。
(3)画装置图：注明电极材料与电解质溶液。但应注意盐桥不能画成导线，要形成闭合回路。
常见化学电源的分类及其工作原理

1．一次电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)锂电池
锂电池是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。其电极反应如下：
负极：8Li－8e－===8Li＋；
正极：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SO＋2S；
总反应：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
2．二次电池
铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

[补短板]
(1)二次电池充电时的电极连接

即正极接正极，负极接负极。
(2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反，充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。
3．燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
以氢氧燃料电池为例
介质
酸性
碱性
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式
2H2＋O2===2H2O
注意：①燃料电池的电极不参加电极反应，通入的燃料发生负极反应，O2发生正极反应。
②书写电极反应式时，注意介质参与的反应。

1．某碱性蓄电池的总反应式为
Fe＋Ni2O3＋3H2OFe(OH)2＋2Ni(OH)2。
写出充、放电时电极反应式：
(1)放电时：负极：____________________________________________，
正极：_____________________________________________________。
(2)充电时：阴极：____________________________________________，
阳极：_____________________________________________________。
[答案]　(1)Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2
Ni2O3＋2e－＋3H2O===2Ni(OH)2＋2OH－
(2)Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－
2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式
(1)
(2)碱性溶液
(3)
(4)
[答案]　(1)正极：O2＋6e－＋6H＋===3H2O
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
(2)正极：O2＋6e－＋3H2O===6OH－
负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
(3)正极：O2＋6e－===3O2－
负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(4)正极：O2＋6e－＋3CO2===3CO
负极：CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O


化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物；
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物；
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物；
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

命题点1　一次电池与二次电池的工作原理分析
1．O2辅助的Al­CO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大，能有效利用CO2，电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。该电池多孔碳电极的反应式为6O2＋6e－===6O，6CO2＋6O===3C2O＋6O2。该装置工作时下列说法不正确的是(　　)

A．多孔碳电极有利于气体扩散至电极表面
B．铝电极上的电势比多孔碳电极上的高
C．反应过程中O2的作用是催化剂
D．该电池的总反应式为：2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3
B　[多孔碳电极可以增大与气体的接触面积，有利于气体扩散至电极表面，A项正确；铝电极为负极，多孔碳电极为正极，因此铝电极的电势比多孔碳电极的电势低，B项错误；根据多孔碳电极的反应式可知，正极总反应为6CO2＋6e－===3C2O，O2不参与正极的总反应，其作用是催化剂，C项正确；铝电极为负极，负极反应为2Al－6e－===2Al3＋，正极总反应为6CO2＋6e－===3C2O，则电池总反应为2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3，D项正确。]
2．(2019·济宁模拟)一种可充电钙离子电池放电时的工作原理如图所示，其中以Ca7Sn6和石墨烯为电极材料，以溶有六氟磷酸钙[Ca(PF6)2]的碳酸酯类溶剂为电解质溶液。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，石墨烯为负极
B．放电时，外电路电子由石墨烯电极流向Ca7Sn6电极
C．充电时，电解质溶液中的PF向石墨烯电极区迁移
D．充电时，a电极的电极反应式为Ca7Sn6－14e－===7Ca2＋＋6Sn
C　[由题图中离子移动方向知，电池放电时，Ca7Sn6为负极，石墨烯为正极，A项错误；放电时，外电路电子由Ca7Sn6电极流向石墨烯电极，B项错误；电池充电时电解质溶液中的PF向石墨烯电极区迁移，C项正确；充电时，a电极的电极反应式为7Ca2＋＋6Sn＋14e－===Ca7Sn6，D项错误。]
3．(2019·陕西六校联考)摩拜单车可利用车篮处的太阳能电池板向智能锁中的锂离子电池充电，锂离子电池反应原理为LiCoO2＋6CLi1－xCoO2＋LixC6，装置示意图如图所示。

下列说法错误的是(　　)
A．充电时，阴极质量增加，发生还原反应
B．充电时，电路中每有1 mol电子通过，则有1 mol Li＋通过聚合物电解质膜
C．该锂离子电池放电时，化学能转化为电能
D．放电时，正极的电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
D　[充电时，阴极的电极反应式为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6，阴极质量增加，发生还原反应，A正确；充电时，电路中每有1 mol电子通过，则有1 mol Li＋由装置左侧通过聚合物电解质膜移向右侧，B正确；该锂离子电池放电时，化学能转化为电能，C正确；放电时，正极应该是Li1－xCoO2得电子发生还原反应，D错误。]
命题点2　应用广泛的各类燃料电池的工作原理分析
4．某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质、以CH4为燃料时，该电池工作原理如图。下列说法正确的是 (　　)

A．a为CH4，b为CO2
B．CO向正极移动
C．此电池在常温下也能工作
D．正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO
D　[电极反应式如下：
负极：CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
正极：2O2＋8e－＋4CO2===4CO
根据图示中电子的移向，可以判断a处通入甲烷，b处通入空气，CO应移向负极，由于电解质是熔融盐，故此电池在常温下不能工作。]
5．(2019·湖北七市联考)现有二氧化硫­空气质子交换膜燃料电池，其原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．该电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合
B．该电池工作时质子从Pt1电极经过内电路流到Pt2电极
C．Pt1电极附近发生的反应为SO2＋2H2O－2e－===SO＋
4H＋
D．Pt2电极附近发生的反应为O2＋2e－＋2H2O===4H＋
D　[二氧化硫­空气质子交换膜燃料电池，吸收了空气中的二氧化硫起到了环保的作用，产物中有硫酸，而且发电，A项不符合题意；SO2失去电子生成SO，失电子，为负极，在原电池中，阳离子向正极移动，H＋从Pt1(负极)向Pt2(正极)移动，B项不符合题意； SO2失去电子生成SO，电解质溶液为酸性，根据得失电子守恒，负极的方程式为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，C项不符合题意；选项中的方程式O2＋2e－＋2H2O===4H＋，电荷不守恒，应该为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，D项符合题意。]
6．(2019·贵阳模拟)一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是(　　)

A．b电极是负极
B．a电极的电极反应式：N2H4＋4OH－＋4e－===N2↑＋4H2O
C．放电时，电子从a电极经过负载流向b电极
D．电池工作时，K＋从正极移向负极
C　[燃料电池中正极上通入空气，故b电极为正极，A项错误；a电极为负极，负极上N2H4发生氧化反应：N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O，B项错误；放电时，电子从负极(a电极)经过负载流向正极(b电极)，C项正确；该装置交换膜为阴离子交换膜，电池工作时，OH－从正极移向负极，D项错误。]

燃料电池电极反应式书写模板
(1)首先写出正极反应式
①酸性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
②碱性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
③固体氧化物电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－；
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：
O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(2)根据总反应式减去正极反应式确定负极反应式。
命题点3　原电池原理在实际生活中的应用
7．FFC剑桥法可由金属氧化物直接电解制备金属单质，西北稀有金属材料研究院利用此法成功电解制备钽粉(Ta)，其原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．该装置将化学能转化为电能
B．a极为电源的正极
C．Ta2O5极发生的电极反应为Ta2O5＋10e－===2Ta＋5O2－
D．石墨电极上生成22.4 L O2，则电路中通过的电子数为4×6.02×1023
C　[由题给装置可知，该装置有外接电源，属于电解池，可将电能转化为化学能，A项错误；由O2－移动方向可知，Ta2O5极为阴极，则a极为电源的负极，B项错误；Ta2O5极发生还原反应，电极反应式为Ta2O5＋10e－===2Ta＋5O2－，C项正确；石墨电极发生的电极反应为2O2－－4e－===O2↑(石墨电极与生成的氧气进一步反应生成CO、CO2)，题中没有说明O2所处的温度和压强，无法计算氧气的物质的量和电路中通过的电子数，D项错误。]
8．(2019·肇庆模拟)如图是利用一种微生物将废水中的有机物(如淀粉)和废气NO的化学能直接转化为电能，下列说法中一定正确的是(　　)

A．质子透过阳离子交换膜由右向左移动
B．电子流动方向为N→Y→X→M
C．M电极反应式：(C6H10O5)n＋7nH2O－24ne－===6nCO2↑＋24nH＋
D．当M电极微生物将废水中16.2 g淀粉转化掉时，N电极产生134.4 L N2(标准状况下)
C　[由题给信息可知，该装置为原电池，由图可得：电解质溶液为酸性溶液，NO发生还原反应生成N2，因为原电池中，正极上得电子发生还原反应，负极上失电子发生氧化反应，则N为正极，M为负极，质子透过阳离子交换膜由负极区移动到正极区，即由左向右移动，A错误；电子从负极(M极)流出，经外电路到X，经Y流入正极(N极)，B错误；16.2 g淀粉(即0.1 mol C6H10O5)反应，转移2.4 mol电子，因为正极(N极)反应为2NO＋4H＋＋4e－===N2＋2H2O，则N电极产生0.6 mol氮气，在标准状况下的体积为13.44 L，D错误。]
9．(2019·厦门第一次质量检测)铁碳微电解技术是利用原电池原理处理酸性污水的一种工艺，装置如图。若上端开口关闭，可得到强还原性的H·(氢原子)；若上端开口打开，并鼓入空气，可得到强氧化性的·OH(羟基自由基)。下列说法错误的是(　　)

A．无论是否鼓入空气，负极的电极反应式均为Fe－2e－===
Fe2＋
B．不鼓入空气时，正极的电极反应式为H＋＋e－===H·
C．鼓入空气时，每生成1 mol·OH有2 mol电子发生转移
D．处理含有草酸(H2C2O4)的污水时，上端开口应打开并鼓入空气
C　[根据铁碳微电解装置示意图可知，Fe为原电池负极，发生氧化反应：Fe－2e－===Fe2＋，故A正确；由题意可知上端开口关闭，可得到强还原性的H·，则不鼓入空气时，正极的电极反应式为H＋＋e－===H·，故B正确；鼓入空气时，正极的电极反应式为O2＋
2H＋＋2e－===2·OH，每生成1 mol·OH有1 mol电子发生转移，故C错误；处理含有草酸(H2C2O4)的污水时，因C2O具有很强的还原性，与氧化剂作用易被氧化为CO2和H2O，则上端开口应打开并鼓入空气生成强氧化性的·OH，以氧化H2C2O4处理污水，故D正确。]

新型化学电池与间接电池
——科学探究与社会责任

分析近三年高考试题，新型化学电池与间接电池的原理分析在三套全国卷中特别受到关注。此类试题题材广、信息新、陌生度高，对考生的要求特别高。但往往是起点高，落点低，只要细心分析，实际得分较高。体现了“科学探究和社会责任”的化学核心素养。


1．命题分析
命题专家往往根据新型电池与间接电池的装置特点、结合新背景、新介质、新电极材料等方面，关注下列命题角度：
(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。
(2)两极产物及两极反应类型的判断。
(3)两极附近溶液的pH变化或计算。
(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。
(5)电子守恒的相关计算。
2．新型电池的原理示例分析
(1)镍氢电池(KOH溶液)：NiOOH＋MHNi(OH)2＋M
负极反应式：MH－e－＋OH－===M＋H2O；
正极反应式：NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－。
(2)锂离子电池总反应式：xLi＋Li1－xMn2O4LiMn2O4
负极反应式：xLi－xe－===xLi＋；
正极反应式：Li1－xMn2O4＋xe－＋xLi＋===LiMn2O4。
(3)研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池，Al、Cn为电极，有机阳离子与阴离子(AlCl、Al2Cl)组成的离子液体为电解质，如图为该电池放电过程示意图。

负极反应式：Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl；
正极反应式：3Cn[AlCl4]＋3e－===3Cn＋3AlCl。
(4)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应式：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。
负极反应：4Na－4e－===4Na＋
正极反应：3CO2＋4e－===C＋2CO
注意：平时复习时，要多积累新型电池的电极反应。
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(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是
(　　)

A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
[思路点拨]　


B　[A项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，错误；C项，右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。]

间接电化学反应原理分析
(1)定义：间接电化学反应是以具有“电子传递”功能的物质为媒质(催化剂)，对反应基质进行间接氧化或还原，从而得到目的产物。
(2)原理：媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电
解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。
其原理如下图所示：


题型1　新型化学电池的原理分析
1．(2019·抚顺一模)有一种新型二次电池其放电时的工作原理如图所示：电池两极区用阳离子交换膜隔开，下列说法错误的是(　　)

A．电池放电时的正极反应为I＋2e－===3I－
B．电池充电时，电解质为K2S2和K2S4极区的电极连接外加电源的负极
C．电池放电时当有0.2 mol K＋通过离子交换膜，电路中转移了0.2 mol e－
D．电池充电时，阴极反应式为2S－2e－===S
D　[放电时，由图知K＋从K2S2和K2S4极区移向KI3­KI极区，则K2S2和K2S4极区为负极，KI3­KI极区为正极，正极反应为I＋2e－===3I－，A项正确；电池充电时，K2S2和K2S4极区得到电子发生还原反应为阴极，电极连接外加电源的负极，KI3­KI极区失去电子发生氧化反应为阳极，电极连接外加电源的正极，B项正确；电池放电时，负极的电极反应式为2S－2e－===S，故当有0.2 mol K＋通过离子交换膜，电路中转移0.2 mol e－，C项正确；充电时，阴极发生还原反应，得电子，D错误。]
2．(2019·青岛一模)水系锌离子电池是一种新型二次电池，工作原理如下图。该电池以粉末多孔锌电极(锌粉、活性炭及粘结剂等)为负极，V2O5为正极，三氟甲磺酸锌[Zn(CF3SO3)2]为电解液。下列叙述错误的是(　　)

A．放电时，Zn2＋向V2O5电极移动
B．充电时，阳极区电解液的浓度变大
C．充电时，粉末多孔锌电极发生还原反应
D．放电时，V2O5电极上的电极反应式为V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5
B　[放电时，阳离子向正极移动，所以Zn2＋向V2O5电极移动，故正确；充电时，阳极区发生氧化反应，锌离子通过阳离子交换向左移动，所以阳极区电解液的浓度变小，故错误；充电时，粉末多孔锌电极为阴极，发生还原反应，故正确；放电时，V2O5电极上的电极反应式为V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，故正确。]
题型2　间接电池的原理分析
3．(2019·茂名模拟)煤的电化学脱硫是借助煤在电解槽阳极发生的电化学氧化反应，将煤中黄铁矿(FeS2)或有机硫化物氧化成可溶于水的含硫化合物而达到净煤目的，如图是一种脱硫机理，则下列说法正确的是(　　)

①—电极a　②—黄铁矿　③—MnSO4、H2SO4混合溶液　④—未反应黄铁矿　⑤—电解产品
A．Mn3＋充当了电解脱硫过程的催化剂
B．电极a应与电源负极相连
C．脱硫过程中存在的离子反应为8H2O＋FeS2＋15Mn3＋===
Fe3＋＋16H＋＋2SO＋15Mn2＋
D．阴极发生的反应为2H2O＋2e－===4H＋＋O2↑

C　[电解初期，电极a发生Mn2＋－e－===Mn3＋，电解后期
Mn3＋又被还原，Mn3＋充当了电解脱硫过程的中间产物，A错误；电极a发生为Mn2＋－e－===Mn3＋，是电解池的阳极，应与电源的正极相连，B错误；脱硫过程中Mn3＋将FeS2氧化成Fe3＋和SO，存在的离子反应为8H2O＋FeS2＋15Mn3＋===Fe3＋＋16H＋＋2SO＋
15Mn2＋，C正确；阴极发生的反应为4H＋＋4e－＋O2===2H2O，D错误。]
4．(2019·河南、河北两省名校省际联考)世界某著名学术刊物近期介绍了一种新型中温全瓷铁­空气电池，其结构如图所示。

下列有关该电池放电时的说法正确的是(　　)
A．a极发生氧化反应
B．正极的电极反应式为FeOx＋2xe－===Fe＋xO2－
C．若有22.4 L(标准状况下)空气参与反应，则电路中有4 mol电子转移
D．铁表面发生的反应为xH2O(g)＋Fe===FeOx＋xH2
D　[a极是O2得电子，发生还原反应，A错误；正极反应为O2＋4e－===
2O2－，B错误；22.4 L(标准状况下)空气中的O2小于1 mol，转移电子的物质的量小于4 mol，C错误。]

1．(2019·全国卷Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D­Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D­Zn—NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。

下列说法错误的是(　　)
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
D　[A项，三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动，错误。]
2．(2018·全国卷Ⅱ)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na­CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是 (　　)

A．放电时，ClO向负极移动
B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2
C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C
D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na
D　[结合总反应式和题图可知，该电池放电时Na为负极，CO2为正极。Na­CO2二次电池放电时为原电池，充电时为电解池。
电池放电时，ClO向负极移动，A项正确；结合总反应可知放电时吸收CO2，而充电时释放出CO2，B项正确；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应式为3CO2＋4e－===2CO＋C，C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。]
3．(2018·全国卷Ⅲ)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，多孔碳材料电极为负极
B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移
D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2
D　[根据电池工作原理，多孔碳材料吸附O2，O2在此获得电子，所以多孔碳材料电极为电池的正极，A项错误；放电时电子从负极(锂电极)流出，通过外电路流向正极(多孔碳材料电极)，B项错误；Li＋带正电荷，充电时，应该向电解池的阴极(锂电极)迁移，C项错误；充电时，电池总反应为===2Li＋O2，D项正确。]
4．(2017·全国卷Ⅲ)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列说法错误的是(　　)

A．电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4
B．电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
C．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D．电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多
D　[充电时间越长，电池中Li2S2的量越少，D错误。]
5．(2015·全国卷Ⅰ)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(　　)

A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
A　[图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋
4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，两式相加得电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正确。]