2020版高考一轮复习化学通用版学案：第六章第4课时　化学能与电能（2）——新型化学电源（过题型）

第4课时　化学能与电能(2)——新型化学电源(过题型)题型一　燃料电池燃料电池是利用氢气、甲烷、甲醇、硼氢化物等为燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化为电能的一类原电池。其特点一是有两个相同的多孔电极，同时两个电极不参与电极反应；二是不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内；三是能量的转化率高，燃料电池具有高能环保、电压稳定、经久耐用等优点。因此，这类电池正成为科学研究、高考命题的重点。其主要命题角度有燃料电池正负极的判断，电池反应式的书写，电子、离子的移动及电解质溶液的组成变化情况分析等。[重难点拨]燃料电池电极反应式的书写第一步：写出燃料电池反应的总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为CH4＋2O2===CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O②①式＋②式得燃料电池总反应式为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。第二步：写出电池的正极反应式根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：(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。第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。因为O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除O2。[典例]　十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是(　　)A．该电池放电时质子从电极b移向电极aB．电极a附近发生的电极反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋C．电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1[解析]　A项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极a为负极，则该电池放电时质子从电极a移向电极b，错误；B项，电极a为负极，发生氧化反应，电极反应为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，硫酸应当拆为离子形式，错误；C项，酸性条件下，氧气得电子与氢离子反应生成水，电极b附近发生的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，错误；D项，由总反应式2SO2＋O2＋2H2O===2SO＋4H＋可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，正确。[答案]　D[备考方略]　新型燃料电池的分析模板[综合训练]1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是(　　)A．电流由呼气所在的铂电极流出B．H＋通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋解析：选B　呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸的反应，故为负极，而电流由正极流出，A项错误；H＋通过质子交换膜流向正极(氧气所在的铂电极)，B项正确；正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，电路中流过2 mol电子时，消耗0.5 mol O2，在标准状况下体积为11.2 L，但题中未指明是否为标准状况，C项错误；该电池的负极反应为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D项错误。2.液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。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极发生氧化反应B．a极的反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2OC．放电时，电流从a极经过负载流向b极D．其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜解析：选B　燃料电池燃料(N2H4)在负极(a极)发生氧化反应：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，O2在正极(b极)发生还原反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，A项错误，B项正确；放电时电流由正极流向负极，C项错误；OH－在正极生成，移向负极消耗，所以离子交换膜应让OH－通过，故选用阴离子交换膜，D项错误。3．为体现节能减排的理念，中国研制出了新型固态氧化物燃料电池(SOFC)，该电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)A．电子从b极经导线流向a极B．正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－C．还可以选用NaOH固体作固态电解质D．若反应中转移1 mol电子，则生成22.4 L(标准状况)CO2解析：选A　燃料电池通入氧气的电极为正极，则a为正极，电子从b极经导线流向a极，故A正确；介质为固态熔融介质，不存在水溶液，则正极的电极反应式为O2＋4e－===2O2－，故B错误；CO2能与NaOH反应生成Na2CO3，则不可选用NaOH固体作固态电解质，故C错误；若反应中转移1 mol电子，参加反应的氧气为0.25 mol，生成CO2为0.5 mol，体积为11.2 L(标准状况)，故D错误。题型二　可充电电池(二次电池)近几年高考中的新型可充电电池的种类较多，如“储氢电池”、“锂—空气电池”、“高铁电池”、“锂硫电池”等。总的来说，可充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的可多次利用的一类特殊电池。考题一般通过文字叙述、电池总反应或原理图提供信息，重点考查以下四点：一考“式子”，即考查原电池电极反应的书写；二考“运动”，即考查原电池工作过程中，离子、电子的移动方向；三考“量值”，即考查原电池工作过程中电子转移数目、电极上消耗或生成物质的物质的量；四考“应用”，即考查原电池原理在生产、生活、环境保护中的应用。[重难点拨]1．可充电电池的思维模型因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。2．可充电电池的分析流程(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。①首先应分清电池是放电还是充电。②再判断出正、负极或阴、阳极。(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式若已知电池放电时的总反应式，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，由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。[典例]　(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[解析]　由题意知，放电时负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为(2－x)O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，电池总反应为O2＋2Li===Li2O2－x。该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中的Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂材料区迁移，C项错误；充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li＋(1－)O2，D项正确。[答案]　D [综合训练]1.(2019·潍坊一模)一种新型可逆电池的工作原理如图所示。放电时总反应为Al＋3Cn(AlCl4)＋4AlCl4Al2Cl＋3Cn(Cn表示石墨)。下列说法正确的是(　　)A．放电时负极电极反应为2Al－6e－＋7Cl－===Al2ClB．放电时AlCl移向正极C．充电时阳极反应为AlCl－e－＋Cn===Cn(AlCl4)D．电路中每转移3 mol电子，最多有1 mol Cn(AlCl4)被还原解析：选C　A项，放电时铝作负极，失去电子被氧化为Al2Cl，电极反应为Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl，错误；B项，放电时，AlCl移向负极，错误；C项，充电时阳极反应为Cn＋AlCl－e－===Cn(AlCl4)，正确；D项，由总反应可知每1 mol Cn(AlCl4)被还原仅得到1 mol电子，错误。2．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＋LixC6===LiCoO2＋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＋＋C6C．充电时，若转移1 mol e－，石墨(C6)电极将增重7x gD．充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋解析：选C　A．原电池中阳离子由负极向正极迁移，正确；B.放电时，负极发生氧化反应，电极反应式为LixC6－xe－===xLi＋＋C6，正确；C.充电时，若转移1 mol电子，石墨电极质量将增重7 g，错误；D.充电时阳极发生氧化反应，电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋，正确。3．(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－===3Li2S4B．电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 gC．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的量越多解析：选D　 原电池工作时，正极发生一系列得电子的还原反应，即：Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2，其中可能有2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4，A项正确；该电池工作时，每转移0.02 mol电子，负极有0.02 mol  Li(质量为0.14 g)被氧化为Li＋，则负极质量减少0.14 g，B项正确；石墨烯能导电，利用石墨烯作电极，可提高电极a的导电性，C项正确；充电过程中，Li2S2的量逐渐减少，当电池充满电时，相当于达到平衡状态，电池中Li2S2的量趋于不变，故不是电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多，D项错误。