2022年高中化学必修2暑期练习：2.2.2 发展中的化学电源 Word版含解析

这是一份2022年高中化学必修2暑期练习：2.2.2 发展中的化学电源 Word版含解析，共14页。

第2课时　发展中的化学电源
目标导航]　1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。


1．锌锰干电池

(1)结构：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质。
(2)原理：锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O。
(3)缺陷与改进：锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。改进措施：①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。
2．充电电池

(1)充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是化学能电能。
(2)常见的充电电池
①铅蓄电池
负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。
②镍镉电池
以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。
③碱金属中的Li是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。
3．燃料电池

(1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。
(2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。
(3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：
负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O(氧化反应)；
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(还原反应)；
总反应：2H2＋O2===2H2O。
议一议
判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细(　　)
(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能(　　)
(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化(　　)
(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅(　　)
答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×

一、原电池电极反应式的书写
例1　锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是(　　)
A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋
B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋
C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO
D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋
解析　根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。
答案　B
归纳总结
1．电极反应方程式的书写方法
(1)负极反应式的书写
①活泼金属作负极(电极材料本身反应)
生成的阳离子与电解质溶液不反应时：M－ne－===Mn＋。
若生成的阳离子与电解质溶液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解质溶液反应的反应式”叠加写出。
②燃料电池(电极材料本身不反应)
H2—O2(H2SO4)燃料电池负极反应式：
H2－2e－===2H＋。
H2—O2(KOH)燃料电池负极反应式：
H2－2e－＋2OH－===2H2O⇒H2－2e－===2H＋；2H＋＋2OH－===2H2O。
(2)正极反应式的书写
①首先判断在正极反应的物质
当负极材料与电解质溶液能反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。
当负极材料与电解质溶液不反应时，在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2。
燃料电池中正极反应的物质是作氧化剂的物质。
②根据具体情况书写正极反应式(也要考虑是否与电解液反应)
H2—O2(H2SO4)的正极反应式：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
H2—O2(KOH)的正极反应式：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
2．书写原电池电极反应式时注意的问题
(1)正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。
(2)确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。
(3)在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。
变式训练1　可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是(　　)
A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．以NaOH溶液为电解质溶液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－===Al(OH)3↓
C．以NaOH溶液为电解质溶液时，电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变
D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
答案　A
解析　当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项是正确的；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为4Al＋3O2＋4OH－===4AlO＋2H2O，溶液的碱性减弱，C项是错误的；电池工作时，电子从负极流出来经过外电路流向正极，D项是错误的。
二、燃料电池
例2　燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是(　　)
A．负极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．负极反应式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C．随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变
D．放电时溶液中的阴离子向负极移动
解析　O2＋2H2O＋4e－===4OH－应为正极反应式。燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根。所以负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH－)将减小。
答案　D
归纳总结　常见的燃料电池
常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。燃料电池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电池以强碱溶液为电解质，其放电原理为
负极(H2)反应式：2H2－4e－＋4OH－===4H2O(氧化反应)
正极(O2)反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(还原反应)
电池总反应式：2H2＋O2===2H2O
氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为
负极(H2)反应式：2H2－4e－===4H＋(氧化反应)
正极(O2)反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O(还原反应)
电池总反应式：2H2＋O2===2H2O
变式训练2　燃料电池是目前电池研究的热点之一。

现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是(　　)
A．a极是负极，该电极上发生氧化反应
B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===2H2O
C．总反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
答案　B
解析　a极通H2为负极，电极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O发生氧化反应，A正确；b极通O2为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B不正确；正负极电极反应式相加得总反应为2H2＋O2===2H2O，C正确；氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源，D正确。

1．对化学电源的叙述正确的是(　　)
A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高
B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位
C．化学电源均是安全、无污染的
D．化学电源即为可充电电池
答案　A
解析　由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中间环节，所以化学电源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位；化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严重的污染；有些化学电源是可充电电源(如镍镉电池)，有些是不可充电的(如干电池)。
2．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是(　　)
A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气
B．碳棒取出洗净用作电极
C．把铜帽取下洗净回收利用
D．电池内部填有NH4Cl等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用
答案　D
解析　虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。
3．镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁－空气燃料电池，镁－海水燃料电池，镁－过氧化氢燃料电池，镁－次氯酸盐燃料电池。如图为镁－次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是(　　)
A．放电过程中OH－移向正极
B．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋H2O===Mg(OH)2↓＋Cl－
C．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应
D．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O
答案　A
解析　根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成Mg2＋，碱性溶液生成Mg(OH)2。ClO－在正极反应，由图可知有Cl－和OH－生成，OH－向负极移动，生成Mg(OH)2。
4．汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如下图所示，放电时的电池反应如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
根据此反应判断下列叙述中正确的是(　　)
A．PbO2是电池的负极
B．Pb是电池的负极
C．PbO2得电子，被氧化
D．电池放电时，溶液酸性增强
答案　B
解析　根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，B正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，A、C错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，D错误。
5．(1)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________。
②放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应；已知负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，则正极反应为_____________________________。
③放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
(2)某种燃料电池的工作原理示意图如图所示，a、b均为惰性电极。
①使用时，空气从________(填“A”或“B”)口通入。
②假设使用的“燃料”是甲醇(CH3OH)，a极的电极反应式为
_______________________________________________。
答案　(1)①Zn　②还原　FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－　③正　(2)①B　②CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
解析　(1)高铁电池放电时为原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。总反应式减去负极反应式得正极反应式，正极生成OH－，故此极附近溶液碱性增强。(2)由电子流动方向可知a为负极，b为正极，空气应从B口通入，容易写出总反应式和正极反应式，两者相减得出负极反应式。

基础过关]
题组1　电池及电极判断
1．下列说法正确的是(　　)
A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C．化学电池的反应基础是氧化还原反应
D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2
答案　C
解析　碱性锌锰干电池是一次电池，燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池，铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。
2．Mg－AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式：2AgCl＋ Mg===Mg2＋＋ 2Ag＋2Cl－ 。有关该电池的说法正确的是(　　)
A．Mg为电池的正极
B．负极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－
C．不能被KCl溶液激活
D．可用于海上应急照明供电
答案　D
解析　由电池反应方程式看出，Mg是还原剂、AgCl是氧化剂，Mg作负极，A错误； Mg作负极，其电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，B错误；因为该电池能被海水激活，故KCl溶液也可以激活电池，C错误；电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池工作时将化学能转化为电能，电能的产生可用于海上应急照明供电，D正确。
3．据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解质溶液和空气。则下列叙述正确的是(　　)
A．锌为正极，空气进入负极反应
B．负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
C．正极发生氧化反应
D．电解质溶液为强酸
答案　B
解析　Zn与O2反应的电子转移情况为－2===2ZnO，所以Zn作负极，负极发生氧化反应，Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O。O2是正极反应物，发生还原反应。若电解质溶液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
4．已知空气—锌电池的电极反应为
锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
碳棒：O2＋H2O＋2e－===2OH－，
据此判断，锌片是(　　)
A．正极并被还原 B．正极并被氧化
C．负极并被还原 D．负极并被氧化
答案　D
解析　Zn失电子作负极，被氧化。
题组2　各种燃料电池的突破
5．下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的装置。下列有关叙述正确的是(　　)

A．氢氧燃料电池中OH－向b极移动
B．该装置中只涉及两种形式的能量转化
C．电池正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．P－型半导体连接电池负极
答案　C
解析　由电子流向可知a为负极，b为正极，氢氧燃料电池中OH－移向负极，即向a极移动，A错误；该装置中涉及的能量转化形式有：化学能转化为电能，电能转化为光能和热能，B错误；b处通入氧气，b为电池正极，发生还原反应，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C正确；P—型半导体连接电池正极，D错误。
6．下图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是(　　)

A．该电池的负极反应式为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
B．该电池的正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O
C．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极
D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量
答案　A
解析　本题的关键是读图。由图示可知，呼气时进去的是CH3CH2OH出来的是CH3COOH，负极的电极反应式为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋，A错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成H2O，B正确；电流由正极流向负极，C正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D正确。
7．飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋CO－2e－===CO2↑＋H2O，则下列推断正确的是(　　)
A．电池工作时，CO向负极移动
B．电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极
C．正极的电极反应式为4OH－－2e－===O2↑＋2H2O
D．通氧气的电极为正极，发生氧化反应
答案　A
解析　原电池放电时，电子由负极经外电路流向正极，B错误；正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C错误；通氧气一极为正极，发生还原反应，D错误。
8．固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆－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下图所示，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放电的a极为电池的负极
B．O2－移向电池的正极
C．b极对应的电极反应为2H2－4e－＋2O2－===2H2O
D．a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
答案　C
解析　在燃料电池中，有O2放电的a极为原电池的正极，A错误；在燃料电池中，O2－移向电池的负极，B错误；在燃料电池中，有H2放电的b极为电池的负极，电极反应为2H2－4e－＋2O2－===2H2O，C错误；a极是正极，氧气在正极得电子，则对应的电极反应为O2＋4e－===2O2－，D错误。
题组3　有关电池的计算
9．实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取Cl2，已知铅蓄电池放电时发生如下反应：
负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4
正极：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
今欲制得Cl2 0.050 mol, 这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是(　　)
A．0.025 mol B．0.050 mol
C．0.10 mol D．0.20 mol
答案　C
解析　要求得硫酸的量，需首先找出铅蓄电池的总反应。将上述两个电极反应合并可得：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。而在制取Cl2时，每生成1 mol Cl2，电子转移2 mol，现需要转移电子0.050 mol×2＝0.100 mol。由铅蓄电池总反应可知，每转移0.100 mol电子，将消耗0.100 mol硫酸。
能力提升]
10．Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。
(1)该电池的负极材料是________。电池工作时，电子流向________(填“正极”或“负极”)。
(2)若ZnCl2－NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2＋，会加速其电极的腐蚀，______________。
欲除去Cu2＋，最好选用下列试剂中的________(填字母)。
A．NaOH B．Zn C．Fe D．NH3·H2O
答案　(1)Zn(或锌)　正极　(2)锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀　B
解析　(1)负极是失电子的一极，Zn失电子由负极经外电路流向正极。(2)锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2＋置换为单质而除去。
11．如下图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时]两种。试回答下列问题：

(1)酸式电池的电极反应：负极_________________________________________，
正极________________；电池总反应：_________________________________；
电解质溶液pH的变化________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
(2)碱式电池的电极反应：负极_________________________________________，
正极__________________；电池总反应：_______________________________；
电解质溶液pH的变化________(填“变大”、“变小”或“不变”)。
答案　(1)2H2－4e－===4H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　2H2＋O2===2H2O　变大
(2)2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　2H2＋O2===2H2O　变小
解析　(1)正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，酸性条件下与H＋结合生成H2O；负极上，H2失电子变为H＋，H＋进入电解质溶液。电池总反应为H2和O2生成H2O的反应，由于有H2O生成，溶液将逐渐变稀，故pH增大。
(2)正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，碱性条件下与H2O分子结合生成OH－；负极上，H2失去电子变为H＋，碱性条件下H＋不能大量存在，与OH－结合生成水。电池总反应也是H2和O2生成水的反应。同样，由于有水生成，c(OH－)变小，pH变小。
拓展探究]
12．Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质溶液是LiAlCl4—SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。
请回答下列问题：
(1)电池的负极材料为____________，发生的电极反应为________________________。
(2)电池正极发生的电极反应为_________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是_________________________________________
________________________________________________________________________，
反应的化学方程式为__________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案　(1)Li　Li－e－===Li＋
(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
(3)出现白雾，有刺激性气味的气体生成
SOCl2＋ H2O===SO2 ↑＋ 2HCl↑
(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
解析　分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂 ，SOCl2为氧化剂。
(1)负极材料为Li(还原剂)，发生反应：Li－e－===Li＋。
(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。
(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。
(4)因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。