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2020届二轮复习 原电池 学案（全国通用） (1)
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原电池
考点1 原电池
1.[2019全国卷Ⅰ,12,6分]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,示意图如图所示。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
本题突出了原电池原理的实际创新应用,考查考生对原理图的理解能力。试题素材新颖,难度适中,解题时需要注意题中“正极区”“阴极区”的说法。分析装置图时,弄清离子的移动方向与物质间的转化等。
解题模型:链接考法4命题角度1
2.[2018全国卷Ⅰ,13,6分]最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应:
①EDTA-Fe2+-e-EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是 ( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
中学化学教材在原电池相关内容中没有明确说明电势的概念,而本题选项C在该知识点设题,需结合物理学科中“电池中正极的电势高于负极”的相关知识解题,提醒考生关注跨学科的知识。
解题模型:链接考法1命题角度3
3.[2019甘肃天水第一中学第五次联考]垃圾渗滤液会污染地下水,因此科研人员设计了一种处理垃圾渗滤液并利用其进行发电的装置,该装置的工作原理如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.电池工作时,盐桥中的K+和Cl-不发生移动
B.电池工作时,电子由Y极经导线流向X极
C.电池工作时,X极和Y极周围溶液的pH均降低
D.电池工作时,电池总反应为3N+5NH3+3H+4N2+9H2O
体现“变废为宝”的化学思想，试题选材的价值取向好，考查考生获取信息和运用信息解决实际问题的能力。
解题模型:链接考法1命题角度3
考点2 常见的化学电源
4.[2019全国卷Ⅲ,13,6分]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(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,
设计了采用强碱性电解质的3D-Zn—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
解题时,结合题意和题图可知,放电时相当于原电池,充电时相当于电解池,结合反应前后Zn、Ni的化合价变化可写出充、放电时的电极反应式。
解题模型:链接考法1命题角度3
5.[2018全国卷Ⅱ,12,6分]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,电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是 ( )
A.放电时,Cl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-2C+C
D.充电时,正极反应为Na++e-Na
以我国科学家的科研成果为素材设计高考试题,起点很高,但考查的内容并不难,落脚于电化学基本理论,主要考查二次电池充、放电的电极反应及离子移动方向等,注重对基础知识的考查。
解题模型:链接考点2
6.[2017全国卷Ⅲ,11,6分]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+xS88Li2Sx(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
通过原理图呈现全固态锂硫电池的反应原理,考查考生观察理解能力以及书写陌生电极反应式的能力。
解题模型:链接考法4命题角度3
7.[2019江苏南京、盐城第一次模拟]Mg-LiFePO4电池的电池反应为xMg2++2LiFePO4xMg+2Li1-xFePO4+2xLi+,其装置示意图如图所示。
下列说法正确的是 ( )
A.放电时,Li+被还原
B.充电时,化学能转变为电能
C.放电时,电路中每流过2 mol电子,就有1 mol Mg2+迁移至正极区
D.充电时,阳极上发生的电极反应为LiFePO4-xe-Li1-xFePO4+xLi+
2019年诺贝尔化学奖授予在锂电池发展上作出杰出贡献的三名科学家。可充电的锂电池已被广泛用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。不同锂电池的原理及其发展,值得中学师生持续重视。
解题模型:链接考法4命题角度3
考点1 原电池
考法1 原电池正、负极的判断及电极反应式的书写
命题角度1 原电池正、负极的判断
1 [2017浙江4月选考,17,2分]银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
本题考查原电池原理。根据电池总反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag可知,Zn电极为负极,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,A项正确,C项正确。Ag2O电极为正极,发生还原反应,B项正确。由于放电过程中不断消耗水,故放电后电解质溶液的pH增大,D项错误。
D
1. 根据原理图判断下列电池的电极名称,并指出离子移动方向。
电池
种类
硫/碘体系的液流电池
氨硼烷(NH3·BH3)电池
三室微生物燃料电池
原
理
图
电极
名称
(1)左侧室的电极为 (填“正”或“负”)极
(3)右侧室的电极为 (填“正”或“负”)极
(5)a极为 (填“阴”或“阳”,下同)极,b极为 极
离子
移动
方向
(2)电池工作时,K+由 (填“左”或“右”,下同)侧移向 侧
(4)电池工作时,H+由 (填“左”或“右”,下同)侧移向 侧
(6)电池工作时,Na+移向 (填“a”或“b”,下同)极,Cl-移向 极
命题角度2 原电池的工作原理
2 [2019湖北武汉部分市级示范高中联考]某化学小组拟设计微生物燃料电池将污水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化成对环境友好的物质,工作原理如图所示(a、b电极均为石墨电极)。下列分析正确的是
A.a电极发生反应:H2N(CH2)2NH2+16e-+4H2O2CO2↑+N2↑+16H+
B.H+透过质子交换膜由右室向左室移动
C.该电池在微生物作用下将化学能转化为电能
D.开始放电时b电极附近溶液的pH不变
该微生物燃料电池可将污水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化成对环境友好的物质,则产物为CO2和N2,根据氧化还原反应原理可知,a电极发生氧化反应,为负极,b电极发生还原反应,为正极。由分析可知负极的电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4H2O-16e-2CO2↑+N2↑+16H+,A项错误。原电池中阳离子向正极移动,所以H+透过质子交换膜由左室向右室移动,B项错误。该装置是原电池,所以将化学能转化为电能,C项正确。b电极发生反应O2+4e-+4H+2H2O,所以开始放电时,b电极附近溶液的pH变大, D项错误。
C
考点扫描
1.[2019浙江4月选考,12改编]铜锌原电池(电解质溶液为H2SO4溶液)中,Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加( )
2.[2016全国卷Ⅱ,11改编]Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。负极反应式为 ,正极反应式为 ,电池放电时Cl-由 极向 极迁移,负极会发生副反应: 。
3.[2015天津,4改编]锌铜原电池装置如图1所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。电池工作一段时间后,甲池的c(S)减小,乙池溶液的总质量增加( )
图1 图2
4.[2015北京,12改编]在通风橱中进行如图2所示实验, Fe、Cu接触后,其表面均产生红棕色气泡,则在Fe、Cu之间连接电流计,可判断Fe是否被氧化( )
提示: 1.✕ 2.Mg-2e-Mg2+ AgCl+e-Ag+Cl- 正 负 Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑ 3.✕ 4.√
命题角度3 新型电池的电极反应式的书写
3 [2019北京海淀区期中]全钒电池以惰性材料作电极,电解质溶液显酸性,电池总反应为V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)。
下列说法错误的是
A.正极反应为V+2H++e-VO2++H2O
B.负极附近的溶液由紫色逐渐变为绿色
C.每生成1 mol H2O时转移电子的物质的量为0.5 mol
D.放电过程中溶液的pH逐渐增大
运用“公式法”书写全钒电池的电极反应式:
由题图和电池总反应V+V2++2H+VO2++H2O+V3+可知,正极反应为V+2H++e-VO2++H2O,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,A、B项正确。由电极反应V+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。由电池总反应可知,放电过程中H+不断被消耗,所以溶液的pH逐渐增大,D项正确。
C
2. 运用“加减法”书写下列三种常见燃料电池的电极反应式。
电池种类
导电离子
总反应方程式
正极反
应式
负极反
应式
(1)酸性甲醇燃料电池
H+
2CH3OH+3O22CO2+4H2O
(2)丁烷固体氧化物燃料电池
O2-
2C4H10+13O28CO2+10H2O
(3)CO熔融碳酸盐燃料电池
C
2CO+O22CO2
考法2 原电池原理的应用
命题角度1 比较不同金属活动性强弱
4 M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+N+M2+;②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,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
由①知,金属活动性强弱顺序为M>N;M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属活动性强弱顺序为P>M;N、E构成的原电池中,N作负极,故金属活动性强弱顺序为N>E。综合可知,A正确。
A
命题角度2 原电池的设计(新角度)
5利用反应2FeCl3+Cu 2FeCl2+CuCl2,设计一个原电池装置。
(1)画出简易装置图,标明电极材料和电解质溶液。
(2)简易装置的效率不高,电流在短时间内就会衰减。为解决上述问题,常将原电池设计成带盐桥的装置,画出该原电池带盐桥的装置,标明电极材料和电解质溶液。
(3)写出两个电极的电极反应。
负极: ,正极: 。
首先确定两电极,分析原电池的电极反应,然后根据电极反应确定电解质溶液。
首先将已知的反应拆成两个半反应:Cu-2e- Cu2+、2Fe3++2e- 2Fe2+,然后结合原电池的电极反应特点分析可知,
该原电池的负极材料为Cu,正极材料选用比铜活动性差且能导电的材料即可。
(1)(合理即可) (2) (合理即可)
(3)Cu-2e- Cu2+ 2Fe3++2e- 2Fe2+
考法点睛·应用实践
原电池设计类试题的解题思路为(1)利用氧化还原反应知识判断题给总反应中的氧化反应、还原反应;(2)选择合适的电极材料和电解质溶液;(3)画出原电池装置图。画图时应注意:电极材料和导线的粗细差异;电解质溶液也要画出;简易装置图和带有盐桥的装置图的区别。
3. [探究未知反应]已知:I在酸性溶液中被氧化为I-,离子反应方程式为I+5I-+6H+3I2+3H2O。研究Na2SO3溶液和KIO3溶液反应的过程,装置如图所示。实验:开关K闭合后,灵敏电流表的指针偏转情况如表所示。
表盘
时间/s
0~t1
t2~t3
t4
偏转
位置
向右偏至
“Y”处
指针回到“0”处,又返至“X”处;如此周期性往复多次
指针回到“0”处
(1)t4 s时,取b极区溶液并向其中加入盐酸酸化的BaCl2溶液,现象是 。
(2)0~t1 s时,取少量a极区溶液于试管中,滴加淀粉溶液,溶液变蓝;直接向a极区滴加淀粉溶液,溶液未变蓝。则I在a极放电的产物是 。
(3)结合反应解释t2~t3 s时指针回到“0”处的原因: 。
考点2 常见的化学电源
考法3 常见电池
命题角度1 结合实验图表创设新情境考查锌锰电池材料的回收利用
6 [2015新课标全国卷Ⅱ,26改编]酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由炭粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。有关数据如下表所示:
溶解度/(g/100 g水)
温度/℃
化合物
0
20
40
60
80
100
NH4Cl
29.3
37.2
45.8
55.3
65.6
77.3
ZnCl2
343
395
452
488
541
614
化合物
Zn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp近似值
10-17
10-17
10-39
回答下列问题:
(1)该电池的正极反应式为 ,电池反应的离子方程式为 。
(2)维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,理论上消耗锌 g。(已知F=96 500 C·mol-1)
(3)废电池糊状填充物加水处理后,过滤,滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl,二者可通过 分离回收;滤渣的主要成分是MnO2、 和 ,欲从中得到较纯的MnO2,最简便的方法为 ,其原理是 。
(4)用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中,需除去锌皮中的少量杂质铁,其方法是加稀H2SO4和H2O2溶解,铁变为 ,加碱调节至pH为 时,铁刚好沉淀完全(离子浓度小于1×10-5 mol·L-1时,即可认为该离子沉淀完全);继续加碱至pH为 时,Zn2+开始沉淀(假定Zn2+浓度为 0.1 mol·L-1)。若上述过程不加H2O2后果是 ,原因是 。
(1)酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,是负极,电解质显酸性,则负极反应式为Zn-2e- Zn2+。中间是碳棒,碳棒是正极,其中二氧化锰得到电子转化为MnOOH,则正极反应式为MnO2+e-+H+ MnOOH,总反应式为Zn+2MnO2+2H+ Zn2++2MnOOH。(2)维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,则通过的电荷量Q=It=0.5×5×60 C=150 C,因此转移电子的物质的量是≈0.001 55 mol,1 mol Zn在反应中失去2 mol电子,则理论消耗Zn的质量是×65 g·mol-1≈0.05 g。(3)根据表中数据可知氯化锌的溶解度受温度影响较大,因此二者可以通过加热浓缩、冷却结晶进行分离。二氧化锰、炭粉和MnOOH均难溶于水,因此滤渣的主要成分是二氧化锰、炭粉和MnOOH。由于炭粉燃烧生成CO2,MnOOH能被氧化为二氧化锰,所以欲从中得到较纯的二氧化锰,最简便的方法是在空气中加热。(4)H2O2具有强氧化性,能把铁氧化为铁离子,因此加入稀硫酸和H2O2,铁变为硫酸铁。根据氢氧化铁的溶度积常数可知,当铁离子刚好完全沉淀时溶液中铁离子的浓度为10-5 mol·L-1,则溶液中c(OH-)= mol·L-1≈5×10-12 mol·L-1,所以氢离子的浓度是2×10-3 mol·L-1,pH≈2.7,因此加碱调节pH为2.7时,Fe3+刚好完全沉淀。Zn2+的浓度为0.1 mol·L-1,根据氢氧化锌的溶度积常数可知,Zn2+开始沉淀时的OH-浓度为 mol·L-1=10-8 mol·L-1,氢离子浓度是10-6 mol·L-1,pH=6,即继续加碱调节pH为6时Zn2+开始沉淀。如果不加H2O2,则铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁,由于氢氧化亚铁和氢氧化锌的Ksp相近,因此在沉淀锌离子的同时亚铁离子也沉淀,导致生成的氢氧化锌不纯,无法分离开Zn2+和Fe2+。
(1)MnO2+H++e-MnOOH 2MnO2+Zn+2H+ 2MnOOH+Zn2+[注:式中Zn2+可写为Zn(NH3、Zn(NH3)2Cl2等,H+可写为N] (2)0.05 (3)加热浓缩、冷却结晶 炭粉 MnOOH 在空气中加热 炭粉转变为CO2,MnOOH氧化为MnO2 (4)Fe3+ 2.7 6 Zn2+和Fe2+分离不开 Fe(OH)2和Zn(OH)2的Ksp相近
考法点睛·学习理解
电池材料的回收利用对环境保护意义重大,是近几年考查的热点之一,从常见的锌锰干电池到复杂的锂离子电池,其材料的回收利用均已考查过。一般电池材料成分复杂,其分离提纯工艺复杂,易利用实验图表或化工流程图创设情境。本题的电化学部分主要考查原电池原理的应用,涉及电极反应式的书写和电解计算等。书写电极反应式时,除了要分析清楚电子得失及元素化合价的升降,还应特别注意体系环境及各反应物、生成物的形态,避免把Zn2+写成ZnCl2或Zn(OH)2。计算时把握住已知数据与所求量的关系,找准比例并用好比例。
命题角度2 铅蓄电池
7 [2019成都毕业班摸底考试]铅蓄电池是汽车常用的蓄电池,其构造如图所示。下列说法不正确的是
A.电池放电时,负极质量减轻
B.电池放电时,c(H+)减小
C.电池充电时总反应为2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4
D.铅蓄电池的缺点是笨重、比能量低
放电时负极Pb失去电子转化为PbSO4,负极质量增加,A项错误。放电过程中消耗H2SO4,溶液中c(H+)减小,B项正确。电池充电时总反应为2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO4,C项正确。铅蓄电池的缺点是笨重、比能量低,废弃电池污染环境,D项正确。
A
命题角度3 储氢电池
8 [2014大纲卷,9,6分]如图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH-Ni电池)。下列有关说法不正确的是
A.放电时正极反应为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
B.电池的电解液可为KOH溶液
C.充电时负极反应为MH+OH-H2O+M+e-
D.MH是一类储氢材料,其氢密度越大,电池的能量密度越高
电池放电时,正极发生得电子的还原反应,A项正确。由电池示意图及放电时正极的电极反应知,该电池的电解液呈碱性,可为KOH溶液,B项正确。充电时的负极实质上为阴极,发生还原反应,C项错误。MH的氢密度越大,表明单位体积的MH所能储存的电子越多,能量密度越大,D项正确。
C
考法点睛·学习理解
镍氢电池的电极反应式
放电时
充电时
KOH
作电
解液
负极:MH+OH-M+H2O+e-;
正极:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
阴极:M+H2O+e-MH+OH-;
阳极:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O
总反应为M+Ni(OH)2MH+NiOOH
4. [2014浙江,11,6分]镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。NiMH中的M表示储氢金属或合金。该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH。
已知:6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+N。
下列说法正确的是 ( )
A.NiMH电池放电过程中,正极的电极反应式:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
B.充电过程中OH-离子从阳极向阴极迁移
C.充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-MH+OH-,H2O中的H被M还原
D.NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液
考法4 新型电池
命题角度1 燃料电池
燃料电池是一种高效、对环境友好的发电装置,是一种将燃料与氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。
1.一般解题思维流程
2.不同环境中的正极反应式书写
9 [甲烷燃料电池][2015江苏,10,2分]一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。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,C向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-2C
运用“加减法”书写熔融碳酸盐燃料电池的电极反应式:
CH4中的C为-4价,反应后生成的CO中C为+2价,每消耗1 mol CH4转移6 mol e-,A项错误;从装置图看,电池工作过程中没有OH-参与,B项错误;该燃料电池中,电极B为正极,电极A为负极,电池工作时,C移向负极, C项错误;在电极B上O2得到电子与CO2反应转化为C, D项正确。
D
考法点睛·学习理解
甲烷燃料电池在四种常见介质中的负极电极反应总结
10 [2015新课标全国卷Ⅰ,11,6分]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
负极发生氧化反应,生成CO2气体,A项错误;微生物电池中的化学反应速率较快,即微生物促进了反应中电子的转移,B项正确;原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C项正确;电池总反应是C6H12O6与O2反应生成CO2和H2O,D项正确。
A
拓展延伸·学习理解
本题还可以从以下角度设置问题:
(1)100 ℃时该电池的反应速率是不是比常温下的反应速率快?
提示:不是。因为这是一个微生物电池,温度为100 ℃时会导致微生物死亡,所以反应速率不会加快。
(2)写出该电池正、负极的电极反应式。
提示:负极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-6CO2↑+24H+,正极反应式为 6O2+24H++24e-12H2O。
命题角度2 金属-空气电池(热点角度)
金属-空气电池模型
电解质为中性或碱性水溶液时,此类金属-空气电池的正极反应式一般为O2+2H2O+4e-4OH-
镁-空气中性电池
负极为金属镁,电解质溶液为中性的NaCl溶液,放电时负极反应式为Mg-2e-Mg2+,总反应式为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2。由于镁是活泼金属,所以负极易发生副反应:Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
海洋电池(铝-空气海水电池)
铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,放电时负极反应式为Al-3e-Al3+,总反应式为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3
锌-空气碱性电池
锌为负极,电解质溶液为KOH溶液,放电时负极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,总反应式为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH
11 [2016浙江,11,6分]金属(M)-空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O4M(OH)n。
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。下列说法不正确的是
A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至电极表面
B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池,Al-空气电池的理论比能量最高
C.M-空气电池放电过程的正极反应式:4Mn++nO2+2nH2O+4ne-4M(OH)n
D.在Mg-空气电池中,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用中性电解质及阳离子交换膜
A项,采用多孔电极可以增大电极与电解质溶液的接触面积,且有利于氧气扩散至电极表面,正确;B项,根据“已知”信息知铝的比能量比Mg、Zn的高,正确;C项,M-空气电池放电过程中,正极为氧气得到电子生成OH-,错误;D项,为了避免正极生成的OH-移至负极,应选用阳离子交换膜,正确。
C
5. [2018海南,8,4分][双选]一种镁氧电池如图所示,电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭,电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是 ( )
A.电池总反应式为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2
B.正极反应式为Mg-2e-Mg2+
C.活性炭可以加快O2在负极上的反应速率
D.电子的移动方向由a经外电路到b
命题角度3 锂电池(热点角度)
锂电池分为锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池的负极材料是金属锂或锂合金,工作时金属锂失去电子被氧化为Li+,负极反应均为Li-e-Li+,负极生成的Li+经过电解质定向移动到正极。由于单质锂是活泼金属,易与空气中的H2O、O2反应,所以必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池。锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe- 6C+xLi+。
1.常见的锂金属电池
锂锰电池(全称为锂-二氧化锰电池)
正极活性物质是MnO2,电解质是高氯酸锂(LiClO4),溶于混合有机溶剂中,正极反应式为MnO2+Li++e-LiMnO2,总反应为Li+MnO2LiMnO2
锂亚硫酰氯电池
该电池的电解液是无水四氯铝酸锂(LiAlCl4)的亚硫酰氯(SOCl2)溶液,正极反应式为2SOCl2+4e-4Cl-+S+SO2↑,电池的总反应式为4Li+2SOCl24LiCl+S+SO2↑。由于锂是活泼金属,易与H2O、O2反应,SOCl2也可与水反应(SOCl2+H2OSO2↑+2HCl↑),所以组装该电池时必须在无水、无氧的条件下进行
全固态锂硫电池
电池反应为16Li+xS88Li2Sx(2≤x≤8)。原理如图所示。
放电时正极a的变化过程为S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2,正极发生的反应依次为S8+2Li++2e-Li2S8、3Li2S8+2Li++2e-4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-2Li2S2
2.常见的锂离子电池
锂离子电池充电、放电时不同正极材料上的电极反应、电池总反应如表所示。
正极材料
充电时阳极反应
放电时正极反应
电池总反应
LiFePO4
LiFePO4-xe-xLi++Li1-xFePO4
Li1-xFePO4+xLi++xe-LiFePO4
LiFePO4+6CLi1-xFePO4+LixC6
LiCoO2
LiCoO2-xe-xLi++Li1-xCoO2
Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6
LiMn2O4
LiMn2O4-xe-xLi++Li1-xMn2O4
Li1-xMn2O4+xLi++xe-LiMn2O4
LiMn2O4+6CLi1-xMn2O4+LixC6
12 [2016四川, 5,6分]某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-xLi++C6
C.充电时,若转移1 mol e-,石墨(C6)电极将增重7x g
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
电池放电时,阳离子由负极移向正极,A项正确;由放电时的总反应看出,LixC6在负极发生失电子的氧化反应,B项正确;充电时,阴极发生得电子的还原反应:C6+xe-+xLi+ LixC6,当转移 1 mol 电子时,阴极(C6电极)析出1 mol Li,增重 7 g,C项错误;充电时阳极发生失电子的氧化反应:LiCoO2-xe- Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
C
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅲ,11D改编]一种可充电锂-空气电池,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)。充电时,电池总反应为Li2O2-x2Li+(1-)O2( )
2.[2018浙江4月选考,17D改编]Li-空气电池的工作原理如图所示,电池总反应式为4Li+O2+2H2O4LiOH( )
3.[2014天津,6改编]锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2。锂硫电池的总反应为2Li+SLi2S。锂离子电池放电时,Li+向正极迁移;锂硫电池充电时,锂电极发生还原反应( )
提示:1.√ 2.√ 3.√
6. 我国新能源电动汽车使用三元电池已经成为趋势,镍钴锰三元材料通常可以表示为LiNixCoyMnzO2,且x+y+z=1。充电时电池总反应为LiNixCoyMnzO2+6CLi1-aNixCoyMnzO2+LiaC6,其电池工作原理如图所示,两极之间有一个允许特定的离子X通过的隔膜,石墨锂(LiaC6)为锂离子嵌入石墨中形成的负极材料。下列说法不正确的是 ( )
A.允许离子X通过的隔膜为阳离子交换膜
B.充电时,LiaC6电极为阴极,Li+被还原
C.放电时,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-LiNixCoyMnzO2
D.可从无法充电的废旧石墨电极中回收金属锂
参考答案
讲义部分
1.B 由题意知,电池总反应为3H2+N22NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确。观察题图知,左边电极发生氧化反应MV+-e-MV2+,为负极,不是阴极,B项错误。正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确。电池工作时,H+通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。
2.C 阴极发生还原反应,氢离子由交换膜右侧向左侧迁移,阴极的电极反应式为CO2+2H++2e-CO+H2O,A项正确。结合阳极区发生的反应,可知协同转化总反应为CO2+H2SS+CO+H2O,B项正确。石墨烯作阳极,其电势高于ZnO@石墨烯的,C项错误。F、Fe2+在碱性或中性介质中会生成沉淀,它们只稳定存在于酸性较强的介质中,D项正确。
【图像分析】 根据题图中物质的转化关系分析电极反应类型,如EDTA-Fe2+生成EDTA-Fe3+,发生了氧化反应,EDTA-Fe3+将H2S氧化成S,本身被还原成EDTA-Fe2+,EDTA-Fe3+和EDTA-Fe2+可循环使用,故石墨烯电极为阳极,阳极与光伏电池的正极连接。CO2发生还原反应生成CO,故ZnO@石墨烯电极为阴极。
【知识储备】 在电解池中,阳极为惰性电极时,电极本身不参与反应,而阴极本身一定不参与反应。电势是大学物理化学中的概念,引入高考题中有一定难度。在自发反应中,失去电子能力越强的电极,其电势越低,所以,原电池的负极电势低于正极电势;但电解池的阳极电势高于阴极电势。例如,镁、铝电极的电势分别为-2.4 V、-1.7 V。解答本题时可采用排除法,从而回避电势的概念。
3.D 电池工作时,盐桥中的Cl-向X极移动,K+向Y极移动,A错误。电池工作时,X极为电池的负极,则电子由X极沿导线流向Y极,B错误。电池工作时,X极的电极反应式为2NH3-6e-N2+6H+,X极周围溶液的pH减小,Y极的电极反应式为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,Y极周围溶液的pH增大,C错误。根据得失电子守恒将X极和Y极的电极反应式相加,可得电池总反应为3N+5NH3+3H+4N2+9H2O,D正确。
4.D 该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积,可以高效沉积ZnO,且所沉积的ZnO分散度高,A正确。根据题干中总反应可知该电池充电时,Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH,其电极反应式为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l),B正确。放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO,电极反应式为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l),C正确。电池放电过程中,OH-等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区,D错误。
5.D 电池放电时阴离子移向负极,A项正确。由电池总反应和题图知,放电时吸收CO2,充电时释放CO2,B项正确。放电时,正极上CO2得电子被还原为单质C,电极反应式为3CO2+4e-2C+C,C项正确。充电时,阳极上C被氧化为CO2,电极反应式为C+2C-4e-3CO2,阴极上Na+被还原为Na,电极反应式为Na++e-Na,D项错误。
6.D 原理图中金属锂失去电子被氧化为Li+,故电极b作电池负极,电极a作电池正极。放电时电极a的变化过程依次为S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2,正极可发生的反应依次有S8+2Li++2e-Li2S8、3Li2S8+2Li++2e-4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-2Li2S2,A正确。负极反应为Li-e-Li+,“外电路中流过0.02 mol电子”表明有0.02 mol Li被氧化,负极材料减重7 g/mol×0.02 mol=0.14 g,B正确。石墨烯具有良好的导电性,单质硫(S8)不导电,掺石墨烯能提高电极a的导电性,C正确。充电反应是放电反应的逆过程,由电池反应“16Li+xS88Li2Sx”知,充电反应为“8Li2Sx16Li+xS8”,电池充电时间越长,电池中金属锂和单质硫(S8)的量越多,Li2Sx的量越少,当电池充满电时,相当于达到平衡状态,电池中Li2S2的量不变,D错误。
7.D 根据装置图以及原电池工作原理知,放电时活泼金属Mg为负极,其电极反应式为Mg-2e-Mg2+,正极反应式为Li1-xFePO4+xe-+xLi+LiFePO4,Li的化合价没有发生变化,A错误。充电时该装置为电解池,将电能转化成化学能,B错误。根据装置图可知,交换膜是锂离子导体膜,Mg2+不能透过锂离子导体膜移向正极区,C错误。充电时阳极反应式为LiFePO4-xe-Li1-xFePO4+xLi+,D正确。
1.(1)负 (2)左 右 (3)正 (4)左 右 (5)阳 阴 (6)b a
【解析】 (3)酸性溶液中H2O2具有强氧化性,发生还原反应。
2.(1)3O2+12H++12e-6H2O 2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+ (2)13O2+52e-26O2- 2C4H10+26O2--52e-8CO2+10H2O (3)O2+4e-+2CO22C 2CO-4e-+2C4CO2
3.(1)生成白色沉淀 (2)I- (3)此时,a极区发生反应I+5I-+6H+3I2+3H2O,外电路无电流通过
【解析】 (1)开关K闭合后,指针发生偏转说明I与S发生了氧化还原反应,S被氧化为S,t4 s时S完全反应,b极区溶液为硫酸钠溶液,故加入盐酸酸化的BaCl2溶液,会产生难溶于盐酸的白色沉淀硫酸钡。 (2)0~t1 s时,取少量a极区溶液于试管中,滴加淀粉溶液,溶液变蓝,而直接向a极区滴加淀粉溶液,溶液未变蓝,说明I在a极放电生成了I-,生成的I-与I反应生成了I2。(3)t2~t3 s时,a极区的还原产物I-与过量的
I发生氧化还原反应:I+5I-+6H+3I2+3H2O,外电路无电流通过。
4.A NiMH电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH,说明该电池放电时负极为MH放电,电极反应式为MH-e-+OH-M+H2O;正极活性物质为NiOOH,放电时的电极反应式为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,A项正确。充电过程中,溶液中的阴离子从阴极向阳极移动,B项错误。MH极为负极,充电过程中该电极为阴极,对应的电极反应式为M+H2O+e-MH+OH-,H2O中的H是由于电解而被还原,不是被M还原所得,C项错误。若用氨水作为电解质溶液,则NiOOH会与NH3反应,D项错误。
【易错警示】 本题最困难的是对C项的判断,在放电过程中MH极为负极,所以其在充电时应该作为阴极,相应的电极反应式为M+H2O+e-MH+OH-,这一过程中H被还原,而还原H的应该是阳极发生电极反应的物质。
5.BC 镁氧电池中Mg为负极,发生氧化反应,活性炭为正极,O2在正极上发生还原反应,电池总反应为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2,A项正确、B项错误。活性炭为正极,活性炭的表面积大,可以加快O2在正极上的反应速率,C项错误。电子从负极a经外电路到正极b,D项正确。
6.D 根据充电时电池总反应知,放电时负极反应式为LiaC6-ae-6C+aLi+,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-LiNixCoyMnzO2,C项正确。放电时,LiaC6电极是负极,Li+向正极移动,则离子X是Li+,允许阳离子通过的隔膜为阳离子交换膜,A项正确。充电时,LiaC6电极是阴极,Li+得到电子被还原,B项正确。根据充电时电池总反应知,充电时Li+得电子生成LiaC6,此时才能从石墨电极中回收金属锂,D项错误。
1.D 由题图可知,此装置为原电池,且a极发生氧化反应为负极,b极为正极,A项错误。原电池中阳离子移向正极,故氢离子由左向右移动,B项错误。从左上口进入的水的量不确定,所以无法判断从左下口流出的硫酸溶液的质量分数,C项错误。负极反应式为SO2+2H2O-2e-S+4H+,D项正确。
2.C 由题图分析可知Al为负极,失电子,电子沿导线经过用电器到Pt电极,A正确。电池工作时,负极反应为Al -3e-+ 4OH- Al+2H2O,消耗了电解质溶液中的OH-,因此负极附近溶液 pH 减小,B正确。电解质溶液为碱性溶液,C错误。Al与OH-接触会发生副反应: 2Al + 2OH-+2H2O 2Al+ 3H2↑,D正确。
【图像分析】 H中O为-1价,根据电池总反应可知负极上Al放电,正极上H放电,对电池的工作原理分析如下:
3.D 题图为原电池装置,能提供电能, A项正确。b极为负极,a极为正极,所以b 极的电势比a极的低,B项正确。a极上对氯苯酚被还原为苯酚,C项正确。电池工作时,负极(b极)产生的H+通过质子交换膜向正极(a极)移动, D项错误。
【图像分析】 根据各电极上物质转化关系和H+移动方向进行如下分析:
4.D 原电池工作时,电子从负极流出经导线流向正极,即电子从铜电极流向石墨电极,A项错误;原电池中阴离子向负极移动,即Cl-向铜电极移动,B项错误;根据总反应式可知负极反应式为Cu-e-+Cl-CuCl(s),即每转移1 mol电子,负极质量增加35.5 g,C项错误;结合总反应式和负极反应式可写出正极反应式HN3+2e-+3H+N2↑+N,D项正确。
5.C 根据题中信息“化学能直接转化为电能”,可知该装置为原电池装置,结合N极NON2+H2O氮元素化合价变化可知,N电极为正极,则M电极为负极。结合上述分析可知M电极为负极,A项错误;原电池中电子从负极流出经导线流回正极,即电子流动方向为M→N,B项错误;N电极上NO得电子被还原,其电极反应式为2NO+4e-+4H+N2+2H2O,C项正确;质子(即H+)向正极移动,即透过阳离子交换膜由左向右移动,D项错误。
6.B “吸入”CO2时是原电池装置,由题图分析可知,A项错误,B项正确;“呼出”CO2时是电解池装置,钠箔是阴极,多壁碳纳米管是阳极,在电解池内部,阳离子向阴极移动,故Na+移向钠箔,C项错误;标准状况下每“呼出”22.4 L CO2,即1 mol CO2时,根据阳极的电极反应式2Na2CO3+C-4e-4Na++3CO2↑,可知转移电子 mol,D项错误。
【图像分析】
7.C 由题图知,充电时,碳纤维电极表面Mn2+发生氧化反应生成MnO2,则碳纤维电极作阳极,A项正确;放电时,碳纤维电极为正极,Pt/C电极为负极,则电子由Pt/C电极经导线流向碳纤维电极,B项正确;结合电池总反应知,充电时,碳纤维电极发生的反应为M+2H2O-2e-MnO2 +4H+,则碳纤维电极附近溶液的pH减小,C项错误;放电时,碳纤维电极表面MnO2发生还原反应生成Mn2+,电极反应式为MnO2 +4H++ 2e-M+2H2O,D项正确。
8.D
电极
电极反应
放电
(原电池)
负极(金属锂和石墨的复合材料)
Li-e-Li+
正极(Fe2O3)
Fe2O3+6Li++6e-2Fe+3Li2O
充电
(电解池)
阴极(金属锂和石墨的复合材料)
Li++e-Li
阳极(Fe2O3)
2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+
由上述分析可知,放电时,负极是金属锂和石墨的复合材料,Li可与水反应,故不能用Li2SO4溶液作电解质溶液,A项错误;放电时,Li+向正极移动生成Li2O,B项错误;放电时,金属锂和石墨的复合材料作负极,电池不能被磁铁吸引,C项错误;由上述分析知,D项正确。
1.D 根据题图中电子的移动方向可知放电时,Zn为负极,失去电子生成K2Zn(OH)4,NiOOH为正极,得到电子生成Ni(OH)2。原电池中阳离子向正极移动,A项错误;充电时阴极发生的电极反应是Zn(OH+2e-Zn+4OH-,阴极附近溶液的pH升高,B项错误;放电时正极上NiOOH得到电子生成Ni(OH)2,电解质溶液显碱性,故正极反应为NiOOH+e-+H2ONi(OH)2+OH-,C项错误;负极质量每减少6.5 g,即0.1 mol Zn参加反应,则转移0.2 mol电子,正极上0.2 mol NiOOH转化为0.2 mol Ni(OH)2,质量增加0.2 g,根据质量守恒知,溶液质量增加6.5 g-0.2 g=6.3 g,D项正确。
2.B 由题图分析可知,A项正确;放电时,Li极上失去的电子通过负载向Cu极移动,B项错误;根据2Li+Cu2O+H2O2Cu+2Li++2OH-,可知通空气时,铜被腐蚀,表面产生Cu2O,C项正确;通空气时,铜被氧化产生Cu2O,放电时Cu2O被还原为Cu,故整个反应过程中,铜相当于催化剂,氧化剂为O2,D项正确。
【图像分析】 由放电过程的反应方程式可进行如下分析:
3.D 根据题图可知,b电极有电子流出,即为浓差电池负极,a电极为浓差电池正极,正极上H2O得电子,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,选项A正确;钠离子向正极移动,氯离子向负极移动,所以A为阴离子交换膜,C为阳离子交换膜,选项B正确;d室中刚开始通入的是河水,H2O放电产生O2,随着Cl-通过阴离子交换膜进入d室,Cl-开始放电产生Cl2,发生氧化反应,保持d室溶液中的电荷守恒,选项C正确;该电池的缺点确实是离子交换膜价格昂贵,但两电极产物(H2与Cl2)是很好的化工原料,并不是没有经济价值,选项D错误。
4.C 首先判断电极:根据题图可知,N极N得电子生成氮气,发生还原反应,则N极为正极,M极为负极。负极CH3COO-失电子生成二氧化碳,发生氧化反应,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O2CO2↑+7H+,选项A正确;原电池工作时,阳离子向正极区移动,即H+由M极区移向N极区,选项B正确;生成1 mol CO2转移4 mol电子,生成1 mol N2转移10 mol电子,根据得失电子守恒,M极区生成的CO2与N极区生成的N2的物质的量之比为5∶2,相同条件下的体积之比为5∶2,选项C错误;由题图可知,好氧微生物反应器中的进料为N、O2,产物为N,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒配平该反应为N+2O2N+2H++H2O,选项D正确。
5.D 结合题图知Fe失电子,化合价升高,被氧化,A项错误;铁锈结构疏松,不能保护内层金属,B项错误;铁片腐蚀时,Fe作负极,发生氧化反应:Fe-2e-Fe2+, C项错误;铁片上的NaCl溶液为铁与碳形成原电池提供了电解质溶液, D项正确。
6.C 由题图可知,碳呼吸电池为原电池,钠硫电池充电装置为电解池,根据各电极上物质变化及固体氧化铝陶瓷可传导Na+进行分析:
电极
电极反应
碳呼吸电池
(原电池)
Al电极(负极)
2Al+3C2-6e-Al2(C2O4)3
多孔碳电极(正极)
2CO2+2e-C2
总反应:2Al+6CO2Al2(C2O4)3
钠硫电池
充电装置
(电解池)
M极(阴极)
Na++e-Na
N极(阳极)
-2e-xS
总反应:Na2Sx 2Na+xS
由上述分析知N极为阳极,应接外接电源的正极,故b极为碳呼吸电池的正极,即b极为多孔碳电极,A项正确;电解池中,阳离子向阴极移动,即Na+移向M极,B项正确;由碳呼吸电池的总反应知,C2浓度不变,C项错误;由各电极上转移电子数相等可知,每消耗1 mol Al,N极上可生成1.5x mol S单质,D项正确。
7.D 原电池中阳离子移向正极,放电时,Li+通过隔膜移向正极,A项正确;放电时Li+右移,铝箔是负极、铜箔是正极,电子由铝箔沿导线流向铜箔,B项正确;根据充电时阳极反应式,可知放电时正极反应为Li1-xFePO4+xLi++xe-LiFePO4,C项正确;磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,Li、Fe的化合价发生变化, D项错误。
8.A Fe在NaCl溶液中发生吸氧腐蚀,加热铁片Ⅰ所在烧杯使铁片Ⅰ失电子的速率加快,导致铁片Ⅰ失电子速率大于铁片Ⅱ失电子速率,会有电子通过电流计,电流计指针会发生偏转,A正确;题中右图装置中“电流计指针发生偏转”说明形成了原电池,左边烧杯中氯化钠溶液浓度较大,腐蚀速率较快,铁片Ⅲ作负极,失电子生成亚铁离子,向其附近溶液中加KSCN溶液无现象,铁片Ⅳ作正极被保护,向其附近溶液中加KSCN溶液也无现象,因此不能判断电池的正、负极,B错误;题中左图装置没有形成原电池,右图装置形成了原电池,形成原电池会加快反应速率,故铁片Ⅲ的腐蚀速率比铁片Ⅰ的腐蚀速率快,C错误; 铁片Ⅰ、Ⅱ都发生了吸氧腐蚀,但二者的腐蚀速率相同,故“电流计指针未发生偏转”,D错误。
9.B 由题意知,RbAg4I5是只能传导Ag+的固体电解质,所以b电极上Ag失电子生成Ag+,Ag电极作负极,多孔石墨电极为正极。因O2可以通过
聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成Al2O3和I2,则正极的放电物质应为I2,其得电子转化为I-,结合RbAg4I5固体电解质中的Ag+生成AgI,根据原子守恒及电荷守恒配平得到的正极反应为I2+2Ag++2e-2AgI,选项A错误;负极反应为Ag-e-Ag+,原电池总反应为2Ag+I22AgI,结合正极区的转化反应4AlI3+3O22Al2O3+6I2,可得该气体传感器的总反应为3O2+4AlI3+12Ag2Al2O3+12AgI,选项B正确;由得失电子守恒知当外电路转移0.01 mol电子时,消耗0.002 5 mol O2,由于没有指明温度和压强,无法计算氧气的体积,选项C错误;气体传感器充电时,Ag+向阴极移动,即向Ag电极移动,选项D错误。
10.D 由题图可知,A极为负极,发生的电极反应为MV+-e-MV2+,B极为正极,发生的电极反应为MV2++e-MV+,A、B均正确;电池工作时电子由负极(A极)流出,经负载流入正极(B极), C正确;没有指明气体是否在标准状况下,D错误。
11.C 甲烧杯中发生氧化反应,乙烧杯中发生还原反应,A项错误;乙烧杯中Cr2发生还原反应,电极反应式为Cr2+14H++6e-2Cr3++7H2O,B项错误;外电路中电流从正极流向负极,即从b到a,C项正确;电池工作时,盐桥中的S向负极移动,即移向甲烧杯,D项错误。
12.(1)N2+6e-+6H+2NH3(2分) (2)(2分)
【解析】 (1)该装置为原电池,正极发生的反应为N2得电子转化为NH3,电极反应式为N2+6e-+6H+2NH3。(2)合成氨反应转移的电子数n=6,又Eθ=a V,代入lg K=,即可得K=。
13.(1)MnO2(1分) N+H2ONH3·H2O+H+(2分) (2)Zn+MnO2+2H2SO4ZnSO4+MnSO4+2H2O(2分) 增大锌粉与二氧化锰粉末的接触面积(1分) (3)能量转换效率高、环境友好(2分) CH4-8e-+10OH-C+7H2O(2分) (4)减小(1分) Zn2++Mn2++2H2OZn+MnO2+4H+(2分) (5)75%(2分)
【解析】 (1) 普通锌锰干电池的构造:外壳为锌筒,中间是石墨棒,其周围是由MnO2和NH4Cl等组成的糊状填充物,还原剂锌在负极失去电子被氧化,氧化剂MnO2在正极得到电子被还原,电解质氯化铵水解(N+H2ONH3·H2O+H+)使电解液呈酸性。(2)“酸浸”时首先会想到活泼金属锌与稀硫酸反应,Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑,结合“滤液”的溶质为ZnSO4和MnSO4可推知,在酸性溶液中强还原剂锌把强氧化剂MnO2还原为Mn2+:Zn+MnO2+2H2SO4ZnSO4+MnSO4+2H2O;进而由“滤液中c(ZnSO4)略大于c(MnSO4)”判断,粉碎的重要作用是增大锌粉与MnO2粉末的接触面积,使上述两个反应中的第二个反应成为主要反应。(3)燃料电池的优点是能量转换效率高、环境友好。碱性燃料电池中,甲烷的氧化产物为C:CH4-8e-+10OH-C+7H2O。(4)铝电极与通甲烷的铂负极相连,作电解池的阴极,电解时溶液中的锌离子在铝电极上得到电子被还原为单质锌,Zn2++2e-Zn,阳极上是Mn2+失去电子被氧化为MnO2,Mn2+-2e-+2H2OMnO2+4H+,生成的氢离子使阳极附近溶液的pH减小。阴、阳极反应相加即为电解池中的总反应:Zn2++Mn2++2H2OZn+MnO2+4H+。(5)燃料电池中:n(CH4)==0.1 mol,由负极反应知,消耗0.1 mol甲烷时转移0.8 mol电子。电解池中:n(Zn)==0.3 mol,由阴极反应知,生成0.3 mol Zn时消耗0.6 mol电子,故图2装置的电流效率η=×100%=75%。
考点1 原电池
1.[2019全国卷Ⅰ,12,6分]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,示意图如图所示。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
本题突出了原电池原理的实际创新应用,考查考生对原理图的理解能力。试题素材新颖,难度适中,解题时需要注意题中“正极区”“阴极区”的说法。分析装置图时,弄清离子的移动方向与物质间的转化等。
解题模型:链接考法4命题角度1
2.[2018全国卷Ⅰ,13,6分]最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应:
①EDTA-Fe2+-e-EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是 ( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
中学化学教材在原电池相关内容中没有明确说明电势的概念,而本题选项C在该知识点设题,需结合物理学科中“电池中正极的电势高于负极”的相关知识解题,提醒考生关注跨学科的知识。
解题模型:链接考法1命题角度3
3.[2019甘肃天水第一中学第五次联考]垃圾渗滤液会污染地下水,因此科研人员设计了一种处理垃圾渗滤液并利用其进行发电的装置,该装置的工作原理如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.电池工作时,盐桥中的K+和Cl-不发生移动
B.电池工作时,电子由Y极经导线流向X极
C.电池工作时,X极和Y极周围溶液的pH均降低
D.电池工作时,电池总反应为3N+5NH3+3H+4N2+9H2O
体现“变废为宝”的化学思想，试题选材的价值取向好，考查考生获取信息和运用信息解决实际问题的能力。
解题模型:链接考法1命题角度3
考点2 常见的化学电源
4.[2019全国卷Ⅲ,13,6分]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(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,
设计了采用强碱性电解质的3D-Zn—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
解题时,结合题意和题图可知,放电时相当于原电池,充电时相当于电解池,结合反应前后Zn、Ni的化合价变化可写出充、放电时的电极反应式。
解题模型:链接考法1命题角度3
5.[2018全国卷Ⅱ,12,6分]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,电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是 ( )
A.放电时,Cl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-2C+C
D.充电时,正极反应为Na++e-Na
以我国科学家的科研成果为素材设计高考试题,起点很高,但考查的内容并不难,落脚于电化学基本理论,主要考查二次电池充、放电的电极反应及离子移动方向等,注重对基础知识的考查。
解题模型:链接考点2
6.[2017全国卷Ⅲ,11,6分]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+xS88Li2Sx(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
通过原理图呈现全固态锂硫电池的反应原理,考查考生观察理解能力以及书写陌生电极反应式的能力。
解题模型:链接考法4命题角度3
7.[2019江苏南京、盐城第一次模拟]Mg-LiFePO4电池的电池反应为xMg2++2LiFePO4xMg+2Li1-xFePO4+2xLi+,其装置示意图如图所示。
下列说法正确的是 ( )
A.放电时,Li+被还原
B.充电时,化学能转变为电能
C.放电时,电路中每流过2 mol电子,就有1 mol Mg2+迁移至正极区
D.充电时,阳极上发生的电极反应为LiFePO4-xe-Li1-xFePO4+xLi+
2019年诺贝尔化学奖授予在锂电池发展上作出杰出贡献的三名科学家。可充电的锂电池已被广泛用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。不同锂电池的原理及其发展,值得中学师生持续重视。
解题模型:链接考法4命题角度3
考点1 原电池
考法1 原电池正、负极的判断及电极反应式的书写
命题角度1 原电池正、负极的判断
1 [2017浙江4月选考,17,2分]银锌电池是一种常见化学电源,其反应原理:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是
A.Zn电极是负极
B.Ag2O电极发生还原反应
C.Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
D.放电前后电解质溶液的pH保持不变
本题考查原电池原理。根据电池总反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag可知,Zn电极为负极,发生氧化反应,电极反应式为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,A项正确,C项正确。Ag2O电极为正极,发生还原反应,B项正确。由于放电过程中不断消耗水,故放电后电解质溶液的pH增大,D项错误。
D
1. 根据原理图判断下列电池的电极名称,并指出离子移动方向。
电池
种类
硫/碘体系的液流电池
氨硼烷(NH3·BH3)电池
三室微生物燃料电池
原
理
图
电极
名称
(1)左侧室的电极为 (填“正”或“负”)极
(3)右侧室的电极为 (填“正”或“负”)极
(5)a极为 (填“阴”或“阳”,下同)极,b极为 极
离子
移动
方向
(2)电池工作时,K+由 (填“左”或“右”,下同)侧移向 侧
(4)电池工作时,H+由 (填“左”或“右”,下同)侧移向 侧
(6)电池工作时,Na+移向 (填“a”或“b”,下同)极,Cl-移向 极
命题角度2 原电池的工作原理
2 [2019湖北武汉部分市级示范高中联考]某化学小组拟设计微生物燃料电池将污水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化成对环境友好的物质,工作原理如图所示(a、b电极均为石墨电极)。下列分析正确的是
A.a电极发生反应:H2N(CH2)2NH2+16e-+4H2O2CO2↑+N2↑+16H+
B.H+透过质子交换膜由右室向左室移动
C.该电池在微生物作用下将化学能转化为电能
D.开始放电时b电极附近溶液的pH不变
该微生物燃料电池可将污水中的乙二胺[H2N(CH2)2NH2]氧化成对环境友好的物质,则产物为CO2和N2,根据氧化还原反应原理可知,a电极发生氧化反应,为负极,b电极发生还原反应,为正极。由分析可知负极的电极反应式为H2N(CH2)2NH2+4H2O-16e-2CO2↑+N2↑+16H+,A项错误。原电池中阳离子向正极移动,所以H+透过质子交换膜由左室向右室移动,B项错误。该装置是原电池,所以将化学能转化为电能,C项正确。b电极发生反应O2+4e-+4H+2H2O,所以开始放电时,b电极附近溶液的pH变大, D项错误。
C
考点扫描
1.[2019浙江4月选考,12改编]铜锌原电池(电解质溶液为H2SO4溶液)中,Zn2+向Cu电极方向移动,Cu电极附近溶液中H+浓度增加( )
2.[2016全国卷Ⅱ,11改编]Mg-AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。负极反应式为 ,正极反应式为 ,电池放电时Cl-由 极向 极迁移,负极会发生副反应: 。
3.[2015天津,4改编]锌铜原电池装置如图1所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过。电池工作一段时间后,甲池的c(S)减小,乙池溶液的总质量增加( )
图1 图2
4.[2015北京,12改编]在通风橱中进行如图2所示实验, Fe、Cu接触后,其表面均产生红棕色气泡,则在Fe、Cu之间连接电流计,可判断Fe是否被氧化( )
提示: 1.✕ 2.Mg-2e-Mg2+ AgCl+e-Ag+Cl- 正 负 Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑ 3.✕ 4.√
命题角度3 新型电池的电极反应式的书写
3 [2019北京海淀区期中]全钒电池以惰性材料作电极,电解质溶液显酸性,电池总反应为V(黄色)+V2+(紫色)+2H+VO2+(蓝色)+H2O+V3+(绿色)。
下列说法错误的是
A.正极反应为V+2H++e-VO2++H2O
B.负极附近的溶液由紫色逐渐变为绿色
C.每生成1 mol H2O时转移电子的物质的量为0.5 mol
D.放电过程中溶液的pH逐渐增大
运用“公式法”书写全钒电池的电极反应式:
由题图和电池总反应V+V2++2H+VO2++H2O+V3+可知,正极反应为V+2H++e-VO2++H2O,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,A、B项正确。由电极反应V+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。由电池总反应可知,放电过程中H+不断被消耗,所以溶液的pH逐渐增大,D项正确。
C
2. 运用“加减法”书写下列三种常见燃料电池的电极反应式。
电池种类
导电离子
总反应方程式
正极反
应式
负极反
应式
(1)酸性甲醇燃料电池
H+
2CH3OH+3O22CO2+4H2O
(2)丁烷固体氧化物燃料电池
O2-
2C4H10+13O28CO2+10H2O
(3)CO熔融碳酸盐燃料电池
C
2CO+O22CO2
考法2 原电池原理的应用
命题角度1 比较不同金属活动性强弱
4 M、N、P、E四种金属,已知:①M+N2+N+M2+;②M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,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
由①知,金属活动性强弱顺序为M>N;M、P用导线连接放入硫酸氢钠溶液中,M表面有大量气泡逸出,说明M作原电池的正极,故金属活动性强弱顺序为P>M;N、E构成的原电池中,N作负极,故金属活动性强弱顺序为N>E。综合可知,A正确。
A
命题角度2 原电池的设计(新角度)
5利用反应2FeCl3+Cu 2FeCl2+CuCl2,设计一个原电池装置。
(1)画出简易装置图,标明电极材料和电解质溶液。
(2)简易装置的效率不高,电流在短时间内就会衰减。为解决上述问题,常将原电池设计成带盐桥的装置,画出该原电池带盐桥的装置,标明电极材料和电解质溶液。
(3)写出两个电极的电极反应。
负极: ,正极: 。
首先确定两电极,分析原电池的电极反应,然后根据电极反应确定电解质溶液。
首先将已知的反应拆成两个半反应:Cu-2e- Cu2+、2Fe3++2e- 2Fe2+,然后结合原电池的电极反应特点分析可知,
该原电池的负极材料为Cu,正极材料选用比铜活动性差且能导电的材料即可。
(1)(合理即可) (2) (合理即可)
(3)Cu-2e- Cu2+ 2Fe3++2e- 2Fe2+
考法点睛·应用实践
原电池设计类试题的解题思路为(1)利用氧化还原反应知识判断题给总反应中的氧化反应、还原反应;(2)选择合适的电极材料和电解质溶液;(3)画出原电池装置图。画图时应注意:电极材料和导线的粗细差异;电解质溶液也要画出;简易装置图和带有盐桥的装置图的区别。
3. [探究未知反应]已知:I在酸性溶液中被氧化为I-,离子反应方程式为I+5I-+6H+3I2+3H2O。研究Na2SO3溶液和KIO3溶液反应的过程,装置如图所示。实验:开关K闭合后,灵敏电流表的指针偏转情况如表所示。
表盘
时间/s
0~t1
t2~t3
t4
偏转
位置
向右偏至
“Y”处
指针回到“0”处,又返至“X”处;如此周期性往复多次
指针回到“0”处
(1)t4 s时,取b极区溶液并向其中加入盐酸酸化的BaCl2溶液,现象是 。
(2)0~t1 s时,取少量a极区溶液于试管中,滴加淀粉溶液,溶液变蓝;直接向a极区滴加淀粉溶液,溶液未变蓝。则I在a极放电的产物是 。
(3)结合反应解释t2~t3 s时指针回到“0”处的原因: 。
考点2 常见的化学电源
考法3 常见电池
命题角度1 结合实验图表创设新情境考查锌锰电池材料的回收利用
6 [2015新课标全国卷Ⅱ,26改编]酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,中间是碳棒,其周围是由炭粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。有关数据如下表所示:
溶解度/(g/100 g水)
温度/℃
化合物
0
20
40
60
80
100
NH4Cl
29.3
37.2
45.8
55.3
65.6
77.3
ZnCl2
343
395
452
488
541
614
化合物
Zn(OH)2
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Ksp近似值
10-17
10-17
10-39
回答下列问题:
(1)该电池的正极反应式为 ,电池反应的离子方程式为 。
(2)维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,理论上消耗锌 g。(已知F=96 500 C·mol-1)
(3)废电池糊状填充物加水处理后,过滤,滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl,二者可通过 分离回收;滤渣的主要成分是MnO2、 和 ,欲从中得到较纯的MnO2,最简便的方法为 ,其原理是 。
(4)用废电池的锌皮制备ZnSO4·7H2O的过程中,需除去锌皮中的少量杂质铁,其方法是加稀H2SO4和H2O2溶解,铁变为 ,加碱调节至pH为 时,铁刚好沉淀完全(离子浓度小于1×10-5 mol·L-1时,即可认为该离子沉淀完全);继续加碱至pH为 时,Zn2+开始沉淀(假定Zn2+浓度为 0.1 mol·L-1)。若上述过程不加H2O2后果是 ,原因是 。
(1)酸性锌锰干电池是一种一次性电池,外壳为金属锌,是负极,电解质显酸性,则负极反应式为Zn-2e- Zn2+。中间是碳棒,碳棒是正极,其中二氧化锰得到电子转化为MnOOH,则正极反应式为MnO2+e-+H+ MnOOH,总反应式为Zn+2MnO2+2H+ Zn2++2MnOOH。(2)维持电流为0.5 A,电池工作5分钟,则通过的电荷量Q=It=0.5×5×60 C=150 C,因此转移电子的物质的量是≈0.001 55 mol,1 mol Zn在反应中失去2 mol电子,则理论消耗Zn的质量是×65 g·mol-1≈0.05 g。(3)根据表中数据可知氯化锌的溶解度受温度影响较大,因此二者可以通过加热浓缩、冷却结晶进行分离。二氧化锰、炭粉和MnOOH均难溶于水,因此滤渣的主要成分是二氧化锰、炭粉和MnOOH。由于炭粉燃烧生成CO2,MnOOH能被氧化为二氧化锰,所以欲从中得到较纯的二氧化锰,最简便的方法是在空气中加热。(4)H2O2具有强氧化性,能把铁氧化为铁离子,因此加入稀硫酸和H2O2,铁变为硫酸铁。根据氢氧化铁的溶度积常数可知,当铁离子刚好完全沉淀时溶液中铁离子的浓度为10-5 mol·L-1,则溶液中c(OH-)= mol·L-1≈5×10-12 mol·L-1,所以氢离子的浓度是2×10-3 mol·L-1,pH≈2.7,因此加碱调节pH为2.7时,Fe3+刚好完全沉淀。Zn2+的浓度为0.1 mol·L-1,根据氢氧化锌的溶度积常数可知,Zn2+开始沉淀时的OH-浓度为 mol·L-1=10-8 mol·L-1,氢离子浓度是10-6 mol·L-1,pH=6,即继续加碱调节pH为6时Zn2+开始沉淀。如果不加H2O2,则铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁,由于氢氧化亚铁和氢氧化锌的Ksp相近,因此在沉淀锌离子的同时亚铁离子也沉淀,导致生成的氢氧化锌不纯,无法分离开Zn2+和Fe2+。
(1)MnO2+H++e-MnOOH 2MnO2+Zn+2H+ 2MnOOH+Zn2+[注:式中Zn2+可写为Zn(NH3、Zn(NH3)2Cl2等,H+可写为N] (2)0.05 (3)加热浓缩、冷却结晶 炭粉 MnOOH 在空气中加热 炭粉转变为CO2,MnOOH氧化为MnO2 (4)Fe3+ 2.7 6 Zn2+和Fe2+分离不开 Fe(OH)2和Zn(OH)2的Ksp相近
考法点睛·学习理解
电池材料的回收利用对环境保护意义重大,是近几年考查的热点之一,从常见的锌锰干电池到复杂的锂离子电池,其材料的回收利用均已考查过。一般电池材料成分复杂,其分离提纯工艺复杂,易利用实验图表或化工流程图创设情境。本题的电化学部分主要考查原电池原理的应用,涉及电极反应式的书写和电解计算等。书写电极反应式时,除了要分析清楚电子得失及元素化合价的升降,还应特别注意体系环境及各反应物、生成物的形态,避免把Zn2+写成ZnCl2或Zn(OH)2。计算时把握住已知数据与所求量的关系,找准比例并用好比例。
命题角度2 铅蓄电池
7 [2019成都毕业班摸底考试]铅蓄电池是汽车常用的蓄电池,其构造如图所示。下列说法不正确的是
A.电池放电时,负极质量减轻
B.电池放电时,c(H+)减小
C.电池充电时总反应为2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4
D.铅蓄电池的缺点是笨重、比能量低
放电时负极Pb失去电子转化为PbSO4,负极质量增加,A项错误。放电过程中消耗H2SO4,溶液中c(H+)减小,B项正确。电池充电时总反应为2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO4,C项正确。铅蓄电池的缺点是笨重、比能量低,废弃电池污染环境,D项正确。
A
命题角度3 储氢电池
8 [2014大纲卷,9,6分]如图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH-Ni电池)。下列有关说法不正确的是
A.放电时正极反应为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
B.电池的电解液可为KOH溶液
C.充电时负极反应为MH+OH-H2O+M+e-
D.MH是一类储氢材料,其氢密度越大,电池的能量密度越高
电池放电时,正极发生得电子的还原反应,A项正确。由电池示意图及放电时正极的电极反应知,该电池的电解液呈碱性,可为KOH溶液,B项正确。充电时的负极实质上为阴极,发生还原反应,C项错误。MH的氢密度越大,表明单位体积的MH所能储存的电子越多,能量密度越大,D项正确。
C
考法点睛·学习理解
镍氢电池的电极反应式
放电时
充电时
KOH
作电
解液
负极:MH+OH-M+H2O+e-;
正极:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
阴极:M+H2O+e-MH+OH-;
阳极:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O
总反应为M+Ni(OH)2MH+NiOOH
4. [2014浙江,11,6分]镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。NiMH中的M表示储氢金属或合金。该电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH。
已知:6NiOOH+NH3+H2O+OH-6Ni(OH)2+N。
下列说法正确的是 ( )
A.NiMH电池放电过程中,正极的电极反应式:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-
B.充电过程中OH-离子从阳极向阴极迁移
C.充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-MH+OH-,H2O中的H被M还原
D.NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液
考法4 新型电池
命题角度1 燃料电池
燃料电池是一种高效、对环境友好的发电装置,是一种将燃料与氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。
1.一般解题思维流程
2.不同环境中的正极反应式书写
9 [甲烷燃料电池][2015江苏,10,2分]一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。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,C向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-2C
运用“加减法”书写熔融碳酸盐燃料电池的电极反应式:
CH4中的C为-4价,反应后生成的CO中C为+2价,每消耗1 mol CH4转移6 mol e-,A项错误;从装置图看,电池工作过程中没有OH-参与,B项错误;该燃料电池中,电极B为正极,电极A为负极,电池工作时,C移向负极, C项错误;在电极B上O2得到电子与CO2反应转化为C, D项正确。
D
考法点睛·学习理解
甲烷燃料电池在四种常见介质中的负极电极反应总结
10 [2015新课标全国卷Ⅰ,11,6分]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
负极发生氧化反应,生成CO2气体,A项错误;微生物电池中的化学反应速率较快,即微生物促进了反应中电子的转移,B项正确;原电池中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,C项正确;电池总反应是C6H12O6与O2反应生成CO2和H2O,D项正确。
A
拓展延伸·学习理解
本题还可以从以下角度设置问题:
(1)100 ℃时该电池的反应速率是不是比常温下的反应速率快?
提示:不是。因为这是一个微生物电池,温度为100 ℃时会导致微生物死亡,所以反应速率不会加快。
(2)写出该电池正、负极的电极反应式。
提示:负极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-6CO2↑+24H+,正极反应式为 6O2+24H++24e-12H2O。
命题角度2 金属-空气电池(热点角度)
金属-空气电池模型
电解质为中性或碱性水溶液时,此类金属-空气电池的正极反应式一般为O2+2H2O+4e-4OH-
镁-空气中性电池
负极为金属镁,电解质溶液为中性的NaCl溶液,放电时负极反应式为Mg-2e-Mg2+,总反应式为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2。由于镁是活泼金属,所以负极易发生副反应:Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑
海洋电池(铝-空气海水电池)
铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,放电时负极反应式为Al-3e-Al3+,总反应式为4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3
锌-空气碱性电池
锌为负极,电解质溶液为KOH溶液,放电时负极反应式为Zn-2e-+4OH-Zn(OH,总反应式为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH
11 [2016浙江,11,6分]金属(M)-空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点,有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O4M(OH)n。
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。下列说法不正确的是
A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至电极表面
B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池,Al-空气电池的理论比能量最高
C.M-空气电池放电过程的正极反应式:4Mn++nO2+2nH2O+4ne-4M(OH)n
D.在Mg-空气电池中,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用中性电解质及阳离子交换膜
A项,采用多孔电极可以增大电极与电解质溶液的接触面积,且有利于氧气扩散至电极表面,正确;B项,根据“已知”信息知铝的比能量比Mg、Zn的高,正确;C项,M-空气电池放电过程中,正极为氧气得到电子生成OH-,错误;D项,为了避免正极生成的OH-移至负极,应选用阳离子交换膜,正确。
C
5. [2018海南,8,4分][双选]一种镁氧电池如图所示,电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭,电解液为KOH浓溶液。下列说法错误的是 ( )
A.电池总反应式为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2
B.正极反应式为Mg-2e-Mg2+
C.活性炭可以加快O2在负极上的反应速率
D.电子的移动方向由a经外电路到b
命题角度3 锂电池(热点角度)
锂电池分为锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池的负极材料是金属锂或锂合金,工作时金属锂失去电子被氧化为Li+,负极反应均为Li-e-Li+,负极生成的Li+经过电解质定向移动到正极。由于单质锂是活泼金属,易与空气中的H2O、O2反应,所以必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池。锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe- 6C+xLi+。
1.常见的锂金属电池
锂锰电池(全称为锂-二氧化锰电池)
正极活性物质是MnO2,电解质是高氯酸锂(LiClO4),溶于混合有机溶剂中,正极反应式为MnO2+Li++e-LiMnO2,总反应为Li+MnO2LiMnO2
锂亚硫酰氯电池
该电池的电解液是无水四氯铝酸锂(LiAlCl4)的亚硫酰氯(SOCl2)溶液,正极反应式为2SOCl2+4e-4Cl-+S+SO2↑,电池的总反应式为4Li+2SOCl24LiCl+S+SO2↑。由于锂是活泼金属,易与H2O、O2反应,SOCl2也可与水反应(SOCl2+H2OSO2↑+2HCl↑),所以组装该电池时必须在无水、无氧的条件下进行
全固态锂硫电池
电池反应为16Li+xS88Li2Sx(2≤x≤8)。原理如图所示。
放电时正极a的变化过程为S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2,正极发生的反应依次为S8+2Li++2e-Li2S8、3Li2S8+2Li++2e-4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-2Li2S2
2.常见的锂离子电池
锂离子电池充电、放电时不同正极材料上的电极反应、电池总反应如表所示。
正极材料
充电时阳极反应
放电时正极反应
电池总反应
LiFePO4
LiFePO4-xe-xLi++Li1-xFePO4
Li1-xFePO4+xLi++xe-LiFePO4
LiFePO4+6CLi1-xFePO4+LixC6
LiCoO2
LiCoO2-xe-xLi++Li1-xCoO2
Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6
LiMn2O4
LiMn2O4-xe-xLi++Li1-xMn2O4
Li1-xMn2O4+xLi++xe-LiMn2O4
LiMn2O4+6CLi1-xMn2O4+LixC6
12 [2016四川, 5,6分]某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-xLi++C6
C.充电时,若转移1 mol e-,石墨(C6)电极将增重7x g
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
电池放电时,阳离子由负极移向正极,A项正确;由放电时的总反应看出,LixC6在负极发生失电子的氧化反应,B项正确;充电时,阴极发生得电子的还原反应:C6+xe-+xLi+ LixC6,当转移 1 mol 电子时,阴极(C6电极)析出1 mol Li,增重 7 g,C项错误;充电时阳极发生失电子的氧化反应:LiCoO2-xe- Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
C
考点扫描
1.[2018全国卷Ⅲ,11D改编]一种可充电锂-空气电池,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)。充电时,电池总反应为Li2O2-x2Li+(1-)O2( )
2.[2018浙江4月选考,17D改编]Li-空气电池的工作原理如图所示,电池总反应式为4Li+O2+2H2O4LiOH( )
3.[2014天津,6改编]锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2C+LiCoO2。锂硫电池的总反应为2Li+SLi2S。锂离子电池放电时,Li+向正极迁移;锂硫电池充电时,锂电极发生还原反应( )
提示:1.√ 2.√ 3.√
6. 我国新能源电动汽车使用三元电池已经成为趋势,镍钴锰三元材料通常可以表示为LiNixCoyMnzO2,且x+y+z=1。充电时电池总反应为LiNixCoyMnzO2+6CLi1-aNixCoyMnzO2+LiaC6,其电池工作原理如图所示,两极之间有一个允许特定的离子X通过的隔膜,石墨锂(LiaC6)为锂离子嵌入石墨中形成的负极材料。下列说法不正确的是 ( )
A.允许离子X通过的隔膜为阳离子交换膜
B.充电时,LiaC6电极为阴极,Li+被还原
C.放电时,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-LiNixCoyMnzO2
D.可从无法充电的废旧石墨电极中回收金属锂
参考答案
讲义部分
1.B 由题意知,电池总反应为3H2+N22NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确。观察题图知,左边电极发生氧化反应MV+-e-MV2+,为负极,不是阴极,B项错误。正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确。电池工作时,H+通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。
2.C 阴极发生还原反应,氢离子由交换膜右侧向左侧迁移,阴极的电极反应式为CO2+2H++2e-CO+H2O,A项正确。结合阳极区发生的反应,可知协同转化总反应为CO2+H2SS+CO+H2O,B项正确。石墨烯作阳极,其电势高于ZnO@石墨烯的,C项错误。F、Fe2+在碱性或中性介质中会生成沉淀,它们只稳定存在于酸性较强的介质中,D项正确。
【图像分析】 根据题图中物质的转化关系分析电极反应类型,如EDTA-Fe2+生成EDTA-Fe3+,发生了氧化反应,EDTA-Fe3+将H2S氧化成S,本身被还原成EDTA-Fe2+,EDTA-Fe3+和EDTA-Fe2+可循环使用,故石墨烯电极为阳极,阳极与光伏电池的正极连接。CO2发生还原反应生成CO,故ZnO@石墨烯电极为阴极。
【知识储备】 在电解池中,阳极为惰性电极时,电极本身不参与反应,而阴极本身一定不参与反应。电势是大学物理化学中的概念,引入高考题中有一定难度。在自发反应中,失去电子能力越强的电极,其电势越低,所以,原电池的负极电势低于正极电势;但电解池的阳极电势高于阴极电势。例如,镁、铝电极的电势分别为-2.4 V、-1.7 V。解答本题时可采用排除法,从而回避电势的概念。
3.D 电池工作时,盐桥中的Cl-向X极移动,K+向Y极移动,A错误。电池工作时,X极为电池的负极,则电子由X极沿导线流向Y极,B错误。电池工作时,X极的电极反应式为2NH3-6e-N2+6H+,X极周围溶液的pH减小,Y极的电极反应式为2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,Y极周围溶液的pH增大,C错误。根据得失电子守恒将X极和Y极的电极反应式相加,可得电池总反应为3N+5NH3+3H+4N2+9H2O,D正确。
4.D 该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积,可以高效沉积ZnO,且所沉积的ZnO分散度高,A正确。根据题干中总反应可知该电池充电时,Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH,其电极反应式为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l),B正确。放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO,电极反应式为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l),C正确。电池放电过程中,OH-等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区,D错误。
5.D 电池放电时阴离子移向负极,A项正确。由电池总反应和题图知,放电时吸收CO2,充电时释放CO2,B项正确。放电时,正极上CO2得电子被还原为单质C,电极反应式为3CO2+4e-2C+C,C项正确。充电时,阳极上C被氧化为CO2,电极反应式为C+2C-4e-3CO2,阴极上Na+被还原为Na,电极反应式为Na++e-Na,D项错误。
6.D 原理图中金属锂失去电子被氧化为Li+,故电极b作电池负极,电极a作电池正极。放电时电极a的变化过程依次为S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2,正极可发生的反应依次有S8+2Li++2e-Li2S8、3Li2S8+2Li++2e-4Li2S6、2Li2S6+2Li++2e-3Li2S4、Li2S4+2Li++2e-2Li2S2,A正确。负极反应为Li-e-Li+,“外电路中流过0.02 mol电子”表明有0.02 mol Li被氧化,负极材料减重7 g/mol×0.02 mol=0.14 g,B正确。石墨烯具有良好的导电性,单质硫(S8)不导电,掺石墨烯能提高电极a的导电性,C正确。充电反应是放电反应的逆过程,由电池反应“16Li+xS88Li2Sx”知,充电反应为“8Li2Sx16Li+xS8”,电池充电时间越长,电池中金属锂和单质硫(S8)的量越多,Li2Sx的量越少,当电池充满电时,相当于达到平衡状态,电池中Li2S2的量不变,D错误。
7.D 根据装置图以及原电池工作原理知,放电时活泼金属Mg为负极,其电极反应式为Mg-2e-Mg2+,正极反应式为Li1-xFePO4+xe-+xLi+LiFePO4,Li的化合价没有发生变化,A错误。充电时该装置为电解池,将电能转化成化学能,B错误。根据装置图可知,交换膜是锂离子导体膜,Mg2+不能透过锂离子导体膜移向正极区,C错误。充电时阳极反应式为LiFePO4-xe-Li1-xFePO4+xLi+,D正确。
1.(1)负 (2)左 右 (3)正 (4)左 右 (5)阳 阴 (6)b a
【解析】 (3)酸性溶液中H2O2具有强氧化性,发生还原反应。
2.(1)3O2+12H++12e-6H2O 2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+ (2)13O2+52e-26O2- 2C4H10+26O2--52e-8CO2+10H2O (3)O2+4e-+2CO22C 2CO-4e-+2C4CO2
3.(1)生成白色沉淀 (2)I- (3)此时,a极区发生反应I+5I-+6H+3I2+3H2O,外电路无电流通过
【解析】 (1)开关K闭合后,指针发生偏转说明I与S发生了氧化还原反应,S被氧化为S,t4 s时S完全反应,b极区溶液为硫酸钠溶液,故加入盐酸酸化的BaCl2溶液,会产生难溶于盐酸的白色沉淀硫酸钡。 (2)0~t1 s时,取少量a极区溶液于试管中,滴加淀粉溶液,溶液变蓝,而直接向a极区滴加淀粉溶液,溶液未变蓝,说明I在a极放电生成了I-,生成的I-与I反应生成了I2。(3)t2~t3 s时,a极区的还原产物I-与过量的
I发生氧化还原反应:I+5I-+6H+3I2+3H2O,外电路无电流通过。
4.A NiMH电池在充电过程中的总反应方程式是Ni(OH)2+MNiOOH+MH,说明该电池放电时负极为MH放电,电极反应式为MH-e-+OH-M+H2O;正极活性物质为NiOOH,放电时的电极反应式为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,A项正确。充电过程中,溶液中的阴离子从阴极向阳极移动,B项错误。MH极为负极,充电过程中该电极为阴极,对应的电极反应式为M+H2O+e-MH+OH-,H2O中的H是由于电解而被还原,不是被M还原所得,C项错误。若用氨水作为电解质溶液,则NiOOH会与NH3反应,D项错误。
【易错警示】 本题最困难的是对C项的判断,在放电过程中MH极为负极,所以其在充电时应该作为阴极,相应的电极反应式为M+H2O+e-MH+OH-,这一过程中H被还原,而还原H的应该是阳极发生电极反应的物质。
5.BC 镁氧电池中Mg为负极,发生氧化反应,活性炭为正极,O2在正极上发生还原反应,电池总反应为2Mg+O2+2H2O2Mg(OH)2,A项正确、B项错误。活性炭为正极,活性炭的表面积大,可以加快O2在正极上的反应速率,C项错误。电子从负极a经外电路到正极b,D项正确。
6.D 根据充电时电池总反应知,放电时负极反应式为LiaC6-ae-6C+aLi+,正极反应式为Li1-aNixCoyMnzO2+aLi++ae-LiNixCoyMnzO2,C项正确。放电时,LiaC6电极是负极,Li+向正极移动,则离子X是Li+,允许阳离子通过的隔膜为阳离子交换膜,A项正确。充电时,LiaC6电极是阴极,Li+得到电子被还原,B项正确。根据充电时电池总反应知,充电时Li+得电子生成LiaC6,此时才能从石墨电极中回收金属锂,D项错误。
1.D 由题图可知,此装置为原电池,且a极发生氧化反应为负极,b极为正极,A项错误。原电池中阳离子移向正极,故氢离子由左向右移动,B项错误。从左上口进入的水的量不确定,所以无法判断从左下口流出的硫酸溶液的质量分数,C项错误。负极反应式为SO2+2H2O-2e-S+4H+,D项正确。
2.C 由题图分析可知Al为负极,失电子,电子沿导线经过用电器到Pt电极,A正确。电池工作时,负极反应为Al -3e-+ 4OH- Al+2H2O,消耗了电解质溶液中的OH-,因此负极附近溶液 pH 减小,B正确。电解质溶液为碱性溶液,C错误。Al与OH-接触会发生副反应: 2Al + 2OH-+2H2O 2Al+ 3H2↑,D正确。
【图像分析】 H中O为-1价,根据电池总反应可知负极上Al放电,正极上H放电,对电池的工作原理分析如下:
3.D 题图为原电池装置,能提供电能, A项正确。b极为负极,a极为正极,所以b 极的电势比a极的低,B项正确。a极上对氯苯酚被还原为苯酚,C项正确。电池工作时,负极(b极)产生的H+通过质子交换膜向正极(a极)移动, D项错误。
【图像分析】 根据各电极上物质转化关系和H+移动方向进行如下分析:
4.D 原电池工作时,电子从负极流出经导线流向正极,即电子从铜电极流向石墨电极,A项错误;原电池中阴离子向负极移动,即Cl-向铜电极移动,B项错误;根据总反应式可知负极反应式为Cu-e-+Cl-CuCl(s),即每转移1 mol电子,负极质量增加35.5 g,C项错误;结合总反应式和负极反应式可写出正极反应式HN3+2e-+3H+N2↑+N,D项正确。
5.C 根据题中信息“化学能直接转化为电能”,可知该装置为原电池装置,结合N极NON2+H2O氮元素化合价变化可知,N电极为正极,则M电极为负极。结合上述分析可知M电极为负极,A项错误;原电池中电子从负极流出经导线流回正极,即电子流动方向为M→N,B项错误;N电极上NO得电子被还原,其电极反应式为2NO+4e-+4H+N2+2H2O,C项正确;质子(即H+)向正极移动,即透过阳离子交换膜由左向右移动,D项错误。
6.B “吸入”CO2时是原电池装置,由题图分析可知,A项错误,B项正确;“呼出”CO2时是电解池装置,钠箔是阴极,多壁碳纳米管是阳极,在电解池内部,阳离子向阴极移动,故Na+移向钠箔,C项错误;标准状况下每“呼出”22.4 L CO2,即1 mol CO2时,根据阳极的电极反应式2Na2CO3+C-4e-4Na++3CO2↑,可知转移电子 mol,D项错误。
【图像分析】
7.C 由题图知,充电时,碳纤维电极表面Mn2+发生氧化反应生成MnO2,则碳纤维电极作阳极,A项正确;放电时,碳纤维电极为正极,Pt/C电极为负极,则电子由Pt/C电极经导线流向碳纤维电极,B项正确;结合电池总反应知,充电时,碳纤维电极发生的反应为M+2H2O-2e-MnO2 +4H+,则碳纤维电极附近溶液的pH减小,C项错误;放电时,碳纤维电极表面MnO2发生还原反应生成Mn2+,电极反应式为MnO2 +4H++ 2e-M+2H2O,D项正确。
8.D
电极
电极反应
放电
(原电池)
负极(金属锂和石墨的复合材料)
Li-e-Li+
正极(Fe2O3)
Fe2O3+6Li++6e-2Fe+3Li2O
充电
(电解池)
阴极(金属锂和石墨的复合材料)
Li++e-Li
阳极(Fe2O3)
2Fe+3Li2O-6e-Fe2O3+6Li+
由上述分析可知,放电时,负极是金属锂和石墨的复合材料,Li可与水反应,故不能用Li2SO4溶液作电解质溶液,A项错误;放电时,Li+向正极移动生成Li2O,B项错误;放电时,金属锂和石墨的复合材料作负极,电池不能被磁铁吸引,C项错误;由上述分析知,D项正确。
1.D 根据题图中电子的移动方向可知放电时,Zn为负极,失去电子生成K2Zn(OH)4,NiOOH为正极,得到电子生成Ni(OH)2。原电池中阳离子向正极移动,A项错误;充电时阴极发生的电极反应是Zn(OH+2e-Zn+4OH-,阴极附近溶液的pH升高,B项错误;放电时正极上NiOOH得到电子生成Ni(OH)2,电解质溶液显碱性,故正极反应为NiOOH+e-+H2ONi(OH)2+OH-,C项错误;负极质量每减少6.5 g,即0.1 mol Zn参加反应,则转移0.2 mol电子,正极上0.2 mol NiOOH转化为0.2 mol Ni(OH)2,质量增加0.2 g,根据质量守恒知,溶液质量增加6.5 g-0.2 g=6.3 g,D项正确。
2.B 由题图分析可知,A项正确;放电时,Li极上失去的电子通过负载向Cu极移动,B项错误;根据2Li+Cu2O+H2O2Cu+2Li++2OH-,可知通空气时,铜被腐蚀,表面产生Cu2O,C项正确;通空气时,铜被氧化产生Cu2O,放电时Cu2O被还原为Cu,故整个反应过程中,铜相当于催化剂,氧化剂为O2,D项正确。
【图像分析】 由放电过程的反应方程式可进行如下分析:
3.D 根据题图可知,b电极有电子流出,即为浓差电池负极,a电极为浓差电池正极,正极上H2O得电子,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,选项A正确;钠离子向正极移动,氯离子向负极移动,所以A为阴离子交换膜,C为阳离子交换膜,选项B正确;d室中刚开始通入的是河水,H2O放电产生O2,随着Cl-通过阴离子交换膜进入d室,Cl-开始放电产生Cl2,发生氧化反应,保持d室溶液中的电荷守恒,选项C正确;该电池的缺点确实是离子交换膜价格昂贵,但两电极产物(H2与Cl2)是很好的化工原料,并不是没有经济价值,选项D错误。
4.C 首先判断电极:根据题图可知,N极N得电子生成氮气,发生还原反应,则N极为正极,M极为负极。负极CH3COO-失电子生成二氧化碳,发生氧化反应,电极反应式为CH3COO--8e-+2H2O2CO2↑+7H+,选项A正确;原电池工作时,阳离子向正极区移动,即H+由M极区移向N极区,选项B正确;生成1 mol CO2转移4 mol电子,生成1 mol N2转移10 mol电子,根据得失电子守恒,M极区生成的CO2与N极区生成的N2的物质的量之比为5∶2,相同条件下的体积之比为5∶2,选项C错误;由题图可知,好氧微生物反应器中的进料为N、O2,产物为N,根据得失电子守恒、原子守恒和电荷守恒配平该反应为N+2O2N+2H++H2O,选项D正确。
5.D 结合题图知Fe失电子,化合价升高,被氧化,A项错误;铁锈结构疏松,不能保护内层金属,B项错误;铁片腐蚀时,Fe作负极,发生氧化反应:Fe-2e-Fe2+, C项错误;铁片上的NaCl溶液为铁与碳形成原电池提供了电解质溶液, D项正确。
6.C 由题图可知,碳呼吸电池为原电池,钠硫电池充电装置为电解池,根据各电极上物质变化及固体氧化铝陶瓷可传导Na+进行分析:
电极
电极反应
碳呼吸电池
(原电池)
Al电极(负极)
2Al+3C2-6e-Al2(C2O4)3
多孔碳电极(正极)
2CO2+2e-C2
总反应:2Al+6CO2Al2(C2O4)3
钠硫电池
充电装置
(电解池)
M极(阴极)
Na++e-Na
N极(阳极)
-2e-xS
总反应:Na2Sx 2Na+xS
由上述分析知N极为阳极,应接外接电源的正极,故b极为碳呼吸电池的正极,即b极为多孔碳电极,A项正确;电解池中,阳离子向阴极移动,即Na+移向M极,B项正确;由碳呼吸电池的总反应知,C2浓度不变,C项错误;由各电极上转移电子数相等可知,每消耗1 mol Al,N极上可生成1.5x mol S单质,D项正确。
7.D 原电池中阳离子移向正极,放电时,Li+通过隔膜移向正极,A项正确;放电时Li+右移,铝箔是负极、铜箔是正极,电子由铝箔沿导线流向铜箔,B项正确;根据充电时阳极反应式,可知放电时正极反应为Li1-xFePO4+xLi++xe-LiFePO4,C项正确;磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现,Li、Fe的化合价发生变化, D项错误。
8.A Fe在NaCl溶液中发生吸氧腐蚀,加热铁片Ⅰ所在烧杯使铁片Ⅰ失电子的速率加快,导致铁片Ⅰ失电子速率大于铁片Ⅱ失电子速率,会有电子通过电流计,电流计指针会发生偏转,A正确;题中右图装置中“电流计指针发生偏转”说明形成了原电池,左边烧杯中氯化钠溶液浓度较大,腐蚀速率较快,铁片Ⅲ作负极,失电子生成亚铁离子,向其附近溶液中加KSCN溶液无现象,铁片Ⅳ作正极被保护,向其附近溶液中加KSCN溶液也无现象,因此不能判断电池的正、负极,B错误;题中左图装置没有形成原电池,右图装置形成了原电池,形成原电池会加快反应速率,故铁片Ⅲ的腐蚀速率比铁片Ⅰ的腐蚀速率快,C错误; 铁片Ⅰ、Ⅱ都发生了吸氧腐蚀,但二者的腐蚀速率相同,故“电流计指针未发生偏转”,D错误。
9.B 由题意知,RbAg4I5是只能传导Ag+的固体电解质,所以b电极上Ag失电子生成Ag+,Ag电极作负极,多孔石墨电极为正极。因O2可以通过
聚四氟乙烯膜与AlI3反应生成Al2O3和I2,则正极的放电物质应为I2,其得电子转化为I-,结合RbAg4I5固体电解质中的Ag+生成AgI,根据原子守恒及电荷守恒配平得到的正极反应为I2+2Ag++2e-2AgI,选项A错误;负极反应为Ag-e-Ag+,原电池总反应为2Ag+I22AgI,结合正极区的转化反应4AlI3+3O22Al2O3+6I2,可得该气体传感器的总反应为3O2+4AlI3+12Ag2Al2O3+12AgI,选项B正确;由得失电子守恒知当外电路转移0.01 mol电子时,消耗0.002 5 mol O2,由于没有指明温度和压强,无法计算氧气的体积,选项C错误;气体传感器充电时,Ag+向阴极移动,即向Ag电极移动,选项D错误。
10.D 由题图可知,A极为负极,发生的电极反应为MV+-e-MV2+,B极为正极,发生的电极反应为MV2++e-MV+,A、B均正确;电池工作时电子由负极(A极)流出,经负载流入正极(B极), C正确;没有指明气体是否在标准状况下,D错误。
11.C 甲烧杯中发生氧化反应,乙烧杯中发生还原反应,A项错误;乙烧杯中Cr2发生还原反应,电极反应式为Cr2+14H++6e-2Cr3++7H2O,B项错误;外电路中电流从正极流向负极,即从b到a,C项正确;电池工作时,盐桥中的S向负极移动,即移向甲烧杯,D项错误。
12.(1)N2+6e-+6H+2NH3(2分) (2)(2分)
【解析】 (1)该装置为原电池,正极发生的反应为N2得电子转化为NH3,电极反应式为N2+6e-+6H+2NH3。(2)合成氨反应转移的电子数n=6,又Eθ=a V,代入lg K=,即可得K=。
13.(1)MnO2(1分) N+H2ONH3·H2O+H+(2分) (2)Zn+MnO2+2H2SO4ZnSO4+MnSO4+2H2O(2分) 增大锌粉与二氧化锰粉末的接触面积(1分) (3)能量转换效率高、环境友好(2分) CH4-8e-+10OH-C+7H2O(2分) (4)减小(1分) Zn2++Mn2++2H2OZn+MnO2+4H+(2分) (5)75%(2分)
【解析】 (1) 普通锌锰干电池的构造:外壳为锌筒,中间是石墨棒,其周围是由MnO2和NH4Cl等组成的糊状填充物,还原剂锌在负极失去电子被氧化,氧化剂MnO2在正极得到电子被还原,电解质氯化铵水解(N+H2ONH3·H2O+H+)使电解液呈酸性。(2)“酸浸”时首先会想到活泼金属锌与稀硫酸反应,Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑,结合“滤液”的溶质为ZnSO4和MnSO4可推知,在酸性溶液中强还原剂锌把强氧化剂MnO2还原为Mn2+:Zn+MnO2+2H2SO4ZnSO4+MnSO4+2H2O;进而由“滤液中c(ZnSO4)略大于c(MnSO4)”判断,粉碎的重要作用是增大锌粉与MnO2粉末的接触面积,使上述两个反应中的第二个反应成为主要反应。(3)燃料电池的优点是能量转换效率高、环境友好。碱性燃料电池中,甲烷的氧化产物为C:CH4-8e-+10OH-C+7H2O。(4)铝电极与通甲烷的铂负极相连,作电解池的阴极,电解时溶液中的锌离子在铝电极上得到电子被还原为单质锌,Zn2++2e-Zn,阳极上是Mn2+失去电子被氧化为MnO2,Mn2+-2e-+2H2OMnO2+4H+,生成的氢离子使阳极附近溶液的pH减小。阴、阳极反应相加即为电解池中的总反应:Zn2++Mn2++2H2OZn+MnO2+4H+。(5)燃料电池中:n(CH4)==0.1 mol,由负极反应知,消耗0.1 mol甲烷时转移0.8 mol电子。电解池中:n(Zn)==0.3 mol,由阴极反应知,生成0.3 mol Zn时消耗0.6 mol电子,故图2装置的电流效率η=×100%=75%。
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