2024届鲁科版高考化学一轮复习第5章第2节化学能转化为电能——电池作业含答案

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第5章 第2节 化学能转化为电能——电池
[基础练]
1．几位同学用相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，得到的实验数据如下表所示，下列说法不正确的是(　　)
实验编号
水果种类
电极间距离/cm
电流大小/μA
①
西红柿
1
98.7
②
西红柿
2
72.5
③
苹果
2
7.2
A．该实验的目的是探究水果种类和电极间距离对水果电池电流大小的影响
B．能表明水果种类对电流大小有影响的实验编号是②和③
C．上述装置中，锌片为负极，电极反应为Zn＋2e－===Zn2＋
D．其他条件相同时，改变电极插入水果的深度可能影响水果电池的电流大小
解析：锌比铜活泼，锌为负极，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，C错误。
答案：C
2．(2021·广东卷，9)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
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；放电时阳离子移向还原电极，即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正确。
答案：B
3．镍镉(Ni­Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电反应按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是(　　)
A．充电时阳极反应式：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
解析：放电时Cd的化合价升高，Cd作负极，Ni的化合价降低，NiOOH作正极，则充电时Cd(OH)2作阴极，Ni(OH)2作阳极，阳极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A正确；充电过程是电能转化为化学能的过程，B错误；放电时负极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，Cd电极周围OH－的浓度减小，C错误；放电时电解质溶液中的OH－向负极移动，D错误。
答案：A
4．微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置，利用微生物处理有机废水获得电能，同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水，采用惰性电极，用下图装置处理有机废水(以含CH3COO－的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)

A．负极反应为CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
B.隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜
C．当电路中转移1 mol电子时，模拟海水理论上除盐58.5 g
D．电池工作一段时间后，正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
解析：结合图示可知放电时的电极反应如下：
电极名称
电极反应
负极(a极)
CH3COO－＋2H2O－8e－===2CO2↑＋7H＋
正极(b极)
2H＋＋2e－===H2↑
根据上述分析可知，A正确；该电池工作时，Cl－向a极移动，Na＋向b极移动，即隔膜1为阴离子交换膜，隔膜2为阳离子交换膜，B错误；电路中转移1 mol电子时，向a极和b极分别移动1 mol Cl－和1 mol Na＋，则模拟海水理论上可除盐58.5 g，C正确；电池工作时负极产生CO2，正极产生H2，结合正、负极的电极反应知，一段时间后，正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1，D正确。
答案：B
5．(2022·天津模拟)某同学设计如下原电池，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．该装置将化学能转化为电能
B．负极的电极反应式是Ag＋I－－e－===AgI
C．电池的总反应式是Ag＋＋I－===AgI
D．盐桥(含KNO3的琼脂)中NO从左向右移动
解析：左侧电极为负极，右侧电极为正极，NO带负电荷，向负极移动，所以NO应该从右向左移动，D错误。
答案：D
6．(2022·山东青岛一模)我国电动汽车多采用三元锂电池，该电池电解质为有机锂盐溶液，放电时工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．放电时，外电路中电子由M极流向N极
B．放电时，正极电极反应式为Li1－xNiaCobMncO2＋xLi＋＋xe－===LiNiaCobMncO2
C．充电时，当电路中通过0.2 mol电子时，M极质量增加1.4x g
D．该电池通过Li＋在两极之间来回嵌入和脱嵌，实现化学能与电能的相互转化
解析：由锂离子移动方向可知，N极为正极，放电时，外电路中电子由负极向正极运动，故由M极流向N极，A正确；放电时，正极发生还原反应得到电子，反应式为Li1－xNiaCobMncO2＋xLi＋＋xe－===LiNiaCobMncO2，B正确；充电时，锂离子在M极得到电子发生还原反应，xLi＋xe－＋6C===LixC6，当电路中通过0.2 mol电子时，M极质量增加1.4 g，C错误；由题图可知，该电池通过Li＋在两极之间来回嵌入和脱嵌，构成内电路实现化学能与电能的相互转化，D正确。
答案：C
7．(2022·山东淄博一模)在微生物参与下，采用惰性电极处理污水中有机物的某微生物燃料电池原理如图。下列说法错误的是(　　)

A．有机物在微生物作用下被氧化并释放质子
B．升高温度可提高电池的能量转化效率
C．B极发生的电极反应为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O、2NO＋12H＋＋10e－===N2＋6H2O
D．若该有机物为CH3OH，则反应1 mol CH3OH时转移6 mol e－
解析：据图可知阳极上有机物被氧化为CO2，释放电子，根据图示离子的迁移可知，同时有氢离子(质子)释放，A正确；高温条件下微生物会被杀死，故升高温度不一定能提高电池的能量转化效率，B错误；据图可知阴极B上O2、NO被还原，根据该装置的作用可知产物应无污染，所以O2被还原生成水，NO被还原生成N2，电极方程式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O、2NO＋12H＋＋10e－===N2＋6H2O，C正确；32 g CH3OH的物质的量为1 mol，CH3OH被氧化为CO2时C元素化合价升高6价，所以转移6 mol电子，D正确。
答案：B
[提升练]
8．(2022·福建南平一模)中国科学技术大学陈维教授团队结合其前期工作基础，开发了一种高性能的水系锰基锌电池。其工作原理如图所示，已知该装置工作一段时间后，K2SO4溶液的浓度增大，下列说法正确的是(　　)

A．负极的电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O
B．装置工作一段时间后，正极区溶液的pH降低
C．a膜为阴离子交换膜，b膜为阳离子交换膜
D．电子流向：Zn电极→b膜→a膜→MnO2电极→负载→Zn电极
解析：Zn电极为负极，电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===Zn4，A错误；MnO2电极为正极，电极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，反应消耗H＋，故一段时间后，正极区溶液的pH升高，B错误；由装置工作一段时间后K2SO4溶液的浓度增大可知，a膜为能使SO通过的阴离子交换膜，B膜为能使K＋通过的阳离子交换膜，C正确；电子只能在电极和导线上传导，不能在溶液中传导，正确的电子流向为Zn电极→负载→MnO2电极，D错误。
答案：C
9．(2022·山东临沂三模)(双选)无膜氯液流电池是一种先进的低成本高储能电池，可广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等，工作原理如题图所示，M为多孔碳电极，N为Na3Ti2(PO4)3和NaTi2(PO4)3电极。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，M极电势高于N极
B．放电时，N极的电极反应式为NaTi2(PO4)3＋2Na＋ ＋2e－===Na3Ti2(PO4)3
C．充电时，左侧储液器中Cl2的浓度减小
D．充电时，电路中每转移1 mol e－，两电极质量变化的差值为23 g
解析：无膜氯液流电池工作原理如题图所示，Cl2在M极参加反应，Cl2得到电子生成Cl－，发生还原反应，则M极为正极，电极反应为Cl2＋2e－===2Cl－，N极为负极，电极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋。由分析可知，放电时，M极电势高于N极，A正确；由分析可知，放电时，N极为负极，电极反应为Na3Ti2(PO4)3－2e－===NaTi2(PO4)3＋2Na＋，B错误；充电时，M极为阳极，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2，左侧储液器中Cl2的浓度增大，C错误；充电时，M极的质量不变，N极上的电极反应为NaTi2(PO4)3＋2Na＋＋2e－===Na3Ti2(PO4)3，则电路中每转移1 mol e－，N极上有1 mol Na＋参与反应，N极的质量增加23 g，故两电极质量变化的差值为23 g，D正确。
答案：AD
10．(2022·山东泰安一模)(双选)我国科研团队设计了一种表面锂掺杂的锡纳米粒子催化剂s­SnLi，可提高电催化制甲酸盐的产率，同时释放电能，实验原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．充电时，Zn电极周围pH降低
B．放电时，每生成1 mol HCOO－，转移NA个电子
C．使用催化剂Sn或者s­SnLi均能有效减少副产物CO的生成
D．使用s­SnLi催化剂，中间产物更不稳定
解析：根据装置图可知，充电时，外电路电子流向Zn电极，即Zn电极为阴极，发生还原反应，反应式为Zn(OH)＋2e－===Zn＋4OH－，c(OH－)增大，pH增大，故A错误；根据装置图可知，放电时，右侧电极为正极，发生还原反应，反应式为CO2＋2e－＋H2O===HCOO－＋OH－，生成1 mol HCOO－时，转移电子物质的量为2 mol，故B错误；根据反应路径图可知，在使用催化剂Sn或s­SnLi生成CO时活化能大，活化能大反应速率慢，且CO能量比HCOOH能量高，能量越低，物质越稳定，因此使用催化剂Sn或s­SnLi可以减少副产物CO的生成，故C正确；根据反应路径图可知，使用催化剂s­SnLi，中间产物能量高，不稳定，故D正确。
答案：CD
[综合练]
11．(1)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池，其原理见图1，石墨Ⅰ为电池的________极；该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，其电极反应式为________________________________。

(2)图2所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量检测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。则该电池的负极反应为______________________，正极反应为________________________。
(3)化学家正在研究尿素动力燃料电池。用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电，尿素燃料电池结构如图3所示：

回答下列问题：
电池中的负极为________(填“甲”或“乙”)，甲的电极反应式为________________，电池工作时，理论上每净化1 mol 尿素，消耗O2的体积(标准状况下)约为______L。
解析：(1)该燃料电池中，正极上通入O2，石墨Ⅱ为正极，电极反应式为O2＋2N2O5＋4e－===4NO，负极上通入NO2，石墨Ⅰ为负极，电极反应式为NO2＋NO－e－===N2O5。(2)由信息可知，电解质溶液为酸性，正极上1个O2得到4个电子生成H2O，CH3CH2OH、CH3COOH的分子式分别为C2H6O、C2H4O2，碳元素化合价分别为－2、0，可得CH3CH2OH－4e－―→CH3COOH，依据电荷守恒前面减4个负电荷，后面加4个H＋，最后用水配平，为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋。(3)根据图示可知，甲电极上CO(NH2)2反应生成二氧化碳和氮气，N元素化合价升高，失电子，为电源的负极，电解质溶液为酸性，则其电极反应式为CO(NH2)2＋H2O－6e－===CO2↑＋N2↑＋6H＋，该反应的总方程式为2CO(NH2)2＋3O2===2CO2＋2N2＋4H2O，根据关系式2CO(NH2)2～3O2可知，电池工作时，理论上每净化1 mol尿素，消耗O2的体积为1.5 mol×22.4 L/mol＝33.6 L。
答案：(1)负　NO2＋NO－e－===N2O5
(2)CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　(3)甲　CO(NH2)2＋H2O－6e－===CO2↑＋N2↑＋6H＋　33.6
12．空军通信卫星电源是以硼氢化合物NaBH4(B元素的化合价为＋3价)和H2O2为原料的燃料电池，电极材料均采用Pt，其工作原理如图所示。回答下列问题：

(1)该燃料电池能量转化的主要形式是____________________，外电路中电子的流动方向为________(填标号)。
①电极a→用电器→电极b；②电极b→用电器→电极a；③电极a→离子交换膜→电极b；④电极b→离子交换膜→电极a。
(2)电极a上的电极反应式为_______________________________________________。
(3)图中离子交换膜为______(填“阴”或“阳”)离子交换膜，电池工作时，Na＋往________(填“电极a”或“电极b”)方向迁移。
(4)每生成0.01 mol OH－，转移的电子数为________NA，需要H2O2溶液(质量分数2%)的质量为________g。
(5)若用LiAlH4代替NaBH4进行上述反应，则该电池的总反应为
________________________________________。
解析：(1)燃料电池以原电池的原理设计，所以能量转化的主要形式是化学能转化为电能，外电路中电子从负极经过用电器到正极，所以电子流向为电极a→用电器→电极b。
(2)电极a为负极，BH失去电子，生成了BO，电极反应式为BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2O。
(3)图中钠离子可通过离子交换膜，所以离子交换膜为阳离子交换膜，电池工作时，阳离子向正极移动，所以Na＋往电极b方向迁移。
(4)正极的电极反应为：H2O2＋2e－===2OH－，所以每生成0.01 mol OH－，转移的电子数为0.01NA，需要H2O2的物质的量为0.005 mol，质量为 g＝8.5 g。
(5)若用LiAlH4代替NaBH4进行上述反应，LiAlH4失电子，作负极，生成了LiAlO2；H2O2得电子，作正极，该电池的总反应为LiAlH4＋4H2O2===LiAlO2＋6H2O。
答案：(1)化学能转化为电能　①　(2)BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2O　(3)阳　电极b　(4)0.01　8.5
(5)LiAlH4＋4H2O2===LiAlO2＋6H2O