第23讲 化学电源（含答案）【暑假弯道超车】2024年新高二化学暑假讲义+习题（人教版2019选择性必修1）

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1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。
2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
一、化学电源概述 一次电池
1．化学电源概述
(1)化学电源的分类
是各种化学电源的雏形，常分为如下三类：
①一次电池：也叫做 ，放电后不可再充电的电池。
②二次电池：又称 或 ，放电后可以再充电而反复使用的电池。
③燃料电池：一种连续地将 和 的化学能直接转化为电能的化学电源。
(2)判断电池优劣的主要标准
①比能量： 或 所能输出 的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。
②比功率： 或 所能输出 的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
③电池可储存时间的长短。
(3)化学电池的回收利用
使用后的废弃电池中含有大量的 、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行 利用。
(4)化学电源的发展方向
小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如 电池、 电池等。
2．一次电池：锌锰干电池
二、二次电池
1．铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
(1)负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4 ；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O ；
③放电过程中，负极质量的变化是 ，H2SO4溶液的浓度 。
(3)充电反应原理
①阴极(还原反应)反应式是 PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4) ；
②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4) ；
③充电时，铅蓄电池正极与直流电源 相连，负极与直流电源 相连。即“负极接负极，正极接正极”。
铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程相反。
2．锂离子电池
反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向 ，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从 晶体中脱嵌，由 极回到 极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。
【归纳总结】化学电源电极反应式的书写
(1)根据电源总反应式或装置确定正、负极的反应物；原电池的正极大多数只起导电作用，而化学电源的正极材料得电子参与电极反应。
(2)根据电源总反应式的产物或装置中微粒的种类确定稳定的产物。特别注意溶液的酸碱性和离子共存问题。
(3)利用氧化还原配平方法配平电极反应式，运用原子守恒和电荷守恒进行检查。
三、燃料电池
1．燃料电池
燃料电池是一种连续地将 和 的化学能直接转化为 的化学电源。电极本身不包含 ，只是一个催化转化元件。
2．氢氧燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
3.能量转换
所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，条件不同。
理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超高。
4．燃料电池电极反应式的书写方法
负极为燃料失电子发生氧化反应。
正极为O2得电子发生还原反应。
如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法：
第一步：确定生成物
CH4eq \(――→,\s\up7(O2))eq \b\lc\[\rc\ (\a\vs4\al\c1(H2O,CO2\(――→,\s\up7(KOH))CO\\al(2－,3)＋H2O))
第二步：确定电子转移和变价元素原子守恒
eq \(C,\s\up6(－4))H4－8e－―→eq \(C,\s\up6(＋4))Oeq \\al(2－,3)＋H2O；
第三步：依据电解质性质，用OH－使电荷守恒
CH4－8e－＋10OH－―→COeq \\al(2－,3)＋H2O；
第四步：依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
CH4－8e－＋10OH－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O。
【归纳总结】常见燃料电池
(1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤气等均可作为燃料电池的燃料。
(2)电解液可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH)也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。
(3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系，酸性溶液中电极反应式不能出现OH－，碱性溶液中电极反应式不能出现H＋
四、新型化学电源
1．常见考查方向
①电极的判断，②电子或电流的流向，③溶液中离子的流向，④电极的反应类型，⑤pH的变化，⑥电子的转移数目，⑦电极反应式的书写。
2．正、负极的判断
(1)根据装置图判断：①电子流向或电流流向，②电解质溶液中离子流向，③加入或生成物质的化合价变化。
(2)根据总方程式判断：根据化合价变化，化合价升高的为负极，化合价降低的为正极。
3．电极反应式的书写
(1)放电时电极反应式的书写
根据电极反应中化合价变化的物质，找出反应物和生成物，然后利用氧化还原反应的配平方法，写出电极反应式。
(2)充电时的电极反应式，利用放电时电极反应的逆方向书写。
4．常见新型化学电源类型
(1)新型燃料电池，如肼、Li­Cu空气电池、有机物等。
(2)新型熔融盐电池。
(3)新型元素形成的电池，如B、V。
(4)浓差电池。
考点01 一次电池
【例1】碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，其结构示意图如图所示，电池总反应式为：。下列说法中不正确的是
A．电池工作时，电子转移方向是由经外电路流向
B．电池正极反应式为
C．电池工作时，不参与反应
D．电池工作时，发生氧化反应，发生还原反应
【答案】C
【解析】A．失电子的一极是负极，电子从负极流向正极，负极是金属锌失电子，电子转移方向是由Zn经外电路流向MnO2，故A正确；
B．正极上得电子，发生还原反应，所以正极的电极反应式为：，故B正确；
C．电池工作时，KOH电离出离子，增大溶液的导电性，KOH不参与反应，但是能提高溶液的导电性，故C错误；
D．负极上锌失电子，Zn发生氧化反应，正极得电子，发生还原反应，则MnO2发生还原反应，故D正确；
故选：C。
【变式1-1】下列有关化学电源的描述正确的是
①一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生
②二次电池也叫可充电电池，通过充电可使其活性物质再生
③任何电池都是依据原电池的原理制造的
④化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点
⑤比能量与比功率，是判断电池优劣的主要标准
A．①②③④⑤B．①②④⑤C．③④⑤D．①②③⑤
【答案】B
【解析】①一次电池中电解质溶液为胶状，无法流动，故也叫做干电池，干电池中发生氧化还原反应的活性物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了，故正确；
②二次电池放电后可以再充电，使活性物质获得再生，故正确；
③有些电池不是依据原电池的原理制造的，如太阳能电池，故错误；
④化学电源可以制成各种形状、大小不同的电池，与其他能源相比，具有携带方便，故正确；
⑤比能量与比功率越大说明电池单位质量或单位体积所能输出的电能越大或者输出功率越大，比能量与比功率是判断电池优劣的主要标准，故正确；
①②④⑤正确，故选B。
【变式1-2】下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是( )

A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏
C．铅蓄电池工作过程中，每通过2 ml电子，负极质量减轻207 g
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
【答案】C
【解析】A．干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，A选项正确；
B．在干电池中，Zn作负极，被氧化，因此长时间使用后，锌筒被破坏，B选项正确；
C．铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，C选项错误；
D．氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D选项正确；
答案选C。
考点02 二次电池
【例2】关于铅蓄电池的说法正确的是
A．在放电时，电池的正极材料是铅板
B．在放电时，电池的负极材料质量减小
C．在放电时，向正极迁移
D．在放电时，正极发生的反应是：
【答案】D
【分析】铅蓄电池中，放电过程为原电池原理。Pb作负极，发生失电子的氧化反应；PbO2作正极，发生得电子的还原反应，放电的总反应方程式为：，据此结合二次电池的工作原理分析解答。
【解析】A．在放电时，电池的正极材料是PbO2，A错误；
B．在放电时，电池的负极材料Pb放电转化为，电极质量增大，B错误；
C．上述铅蓄电池放电时，阴离子移向负极，所以向负极迁移，C错误；
D．在放电时，正极PbO2发生得电子的还原反应转化为，其电极反应式为：，D正确；
故选D。
【变式2-1】某科研团队提出了一种碱—酸Zn-—混合充放电电池，其放电时的工作原理如图所示，下列说法正确的是
A．放电时，M极为正极
B．放电时，从中间室移向左极室
C．充电时，N极发生的电极反应式为
D．充电时，M极质量每增加32.5g，外电路中通过2ml电子
【答案】C
【分析】由图可知，放电时，M极为原电池的负极，碱性条件下锌失去电子发生氧化反应生成四羟基合锌离子，电极反应式为Zn—2e—+4OH—=Zn(OH)，N电极为正极，酸性条件下二氧化铅在正极得到电子发生还原反应生成硫酸铅和水PbO2+2e—+SO+4H+=PbSO4+2H2O，充电时，与直流电源负极相连的M极为阴极，N电极为阳极。
【解析】A．由分析可知，放电时，M极为原电池的负极，故A错误；
B．由分析可知，放电时，M极为原电池的负极，N电极为正极，则阳离子钾离子从中间室移向右极室，故B错误；
C．由分析可知，充电时，N极为阳极，水分子作用下硫酸铅在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化铅、硫酸根离子和氢离子，电极反应式为，故C正确；
D．由分析可知，充电时，与直流电源负极相连的M极为阴极，N电极为阳极，当M极质量每增加32.5g，外电路中通过电子的物质的量为×2=1ml，故D错误；
故选C。
【变式2-2】电池是一种二次电池。将溶于有机溶剂作为电解液，和负载碳纳米管的网分别作电极材料，结构如图所示。电池的总反应：，下列说法正确的是
A．放电时，向正极移动
B．放电时，作电池的负极
C．放电时，电子从负极经电解液回到正极
D．充电时，阳极反应为：
【答案】B
【解析】A．放电时，Na失电子作负极、Ni作正极，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以向负极移动，A错误；
B．放电时，Na失电子作负极、Ni作正极，B正确；
C．放电时，电子从负极经导线回到正极，不能流经电解液，C错误；
D．充电时，原来的正极Ni作电解池的阳极，Na作电解池阴极，则阳极发生的反应为原来正极反应式的逆反应：，D错误；
答案选B。
考点03 燃料电池
【例3】一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是
A．
B．
C．
D．
【答案】C
【解析】该燃料电池的总反应为2CH3OH＋3O2=4H2O＋2CO2①
正极反应为O2＋4H＋＋4e-=2H2O②
①-②×3得：2CH3OH＋2H2O-12e-=2CO2＋12H＋，即CH3OH＋H2O-6e-=CO2＋6H＋。故C正确；
故选C。
【变式3-1】HCOOH燃料电池的装置如图，两电极间用阳离子交换膜隔开。下列说法正确的是
A．电池工作时，电子由a电极经外电路流向b电极
B．负极的电极反应式为
C．若X为，通入发生的反应为
D．理论上每消耗标准状况下22.4 L ，有2 ml 通过阳离子交换膜
【答案】A
【分析】根据图示可知，该燃料电池的a极区HCOOH在KOH环境被氧化为，说明a极失去电子，是负极；b极区Fe3+得到电子生成Fe2+，Fe2+通过外循环被O2氧化又生成Fe3+，b是正极；负极区的K+通过阳离子交换膜进入正极区，构成回路。
【解析】A．据分析，a极是负极，b极是正极，电池工作时，电子由a电极(负极)经外电路流向b电极(正极)，A正确；
B．据分析，该电池负极是在KOH环境，负极的电极反应式为，B错误；
C．据分析，Fe2+通过外循环被O2氧化生成Fe3+，若X为，通入发生的反应为，C错误；
D．理论上每消耗标准状况下22.4 L ，物质的量是1ml，则有4ml电子发生转移，有4 ml 通过阳离子交换膜，D错误；
故选A。
【变式3-2】某甲烷燃料电池的构造如图所示，a、b为电极，C、D为选择性离子交换膜，只允许一种离子通过。下列说法正确的是
A．b是电池负极
B．电流由b沿导线流向a，再由a通过电解质溶液流回b
C．出口Y中KOH的质量分数小于ω%
D．a电极的电极反应式为：CH4−8e－+8OH－＝CO2+6H2O
【答案】B
【分析】某甲烷燃料电池的构造如图所示，根据图中分析甲烷是还原剂，因此a为原电池负极，氧气为氧化剂，因此b为原电池正极。
【解析】A．根据前面分析b是电池正极，a是电池负极，故A错误；
B．电流由正极经导线流向负极即电流由b沿导线流向a，再由a通过电解质溶液流回b，故B正确；
C．KOH溶液中的钾离子穿过D膜向b移动，氧气变为氢氧根离子，因此出口Y中KOH的质量分数大于ω%，故C错误；
D．a电极上甲烷变为碳酸根，其电极反应式为：CH4−8e－+10OH－＝+7H2O，故D错误。
综上所述，答案为B。
考点04 新型电池
【例4】科学家研发了一种以Al和Pd@石墨烯为电极的Al-电池，电池以离子液体作电解质，放电时在提供能量的同时实现了人工固氮，示意图如下。下列说法不正确的是
A．充电时Al电极是阴极
B．放电时离子浓度增大，离子浓度减少
C．放电时正极反应为
D．放电时电路中每通过6ml ，电池总质量理论上增加28g
【答案】B
【解析】A．充电时，Al电极发生反应是，8+6e-=2Al+14，发生还原反应，故作为阴极，A正确；
B．放电时，Al作为负极，发生氧化反应，电极反应是2Al+14-6e－=8。正极发生反应是，总反应是2Al+N2=2AlN，，浓度均不变，B错误；
C．放电时，正极发生反应是，C正确；
D．由以上电极反应可知，放电时电池总质量增加相当于是增加了N2，每通过6ml电子，参加反应N2是1ml，增加质量是28g/ml×1ml=28g，D正确；
故选B。
【变式4-1】氨不仅应用于化肥生产，也可以应用于能源领域，与氢氧燃料电池比，氨氧燃料电池有其独特优势，某研究小组设计的氨氧燃料电池装置如图，下列有关说法正确的是
A．电极2为负极，发生氧化反应
B．电极1的电极反应式为：2NH3-6e-=N2↑+6H+
C．放电过程中溶液中的OH-朝正极移动
D．标准状况下，2.24 LO2参加反应，转移电子数为0.4NA
【答案】D
【解析】A．根据图示可知：在电极1上NH3失去电子变为N2、H2O，则电极1为负极；在电极2上O2得到电子发生还原反应，电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-，故电极2为正极，A错误；
B．电解质溶液显碱性，不可能大量存在H+，B错误；
C．在放电过程中溶液中的OH-向正电荷较多的负极移动，C错误；
D．标准状况下，2.24 LO2的物质的量是0.1 ml，若其参加反应，电子转移的物质的量是0.1 ml×4=0.4 ml，则转移的电子数目是0.4NA，D正确；
故合理选项是D。
【变式4-2】科学家利用垃圾渗透液研发出新型环保电池，实现发电、环保二位一体化结合的装置如图。
当该装置工作时，下列说法正确的是
A．盐桥中K+向X极移动，Cl-向Y极移动
B．电路中流过3.75 ml电子时，产生N2的体积为22.4 L(标准状况)
C．电流由X极沿导线流向Y极
D．Y极反应式为2+10e-+12H+=N2↑+6H2O
【答案】B
【解析】A．在X电极上NH3失去电子被氧化变为N2，所以X为负极；在Y电极上得到电子被还原变为N2，所以Y电极为正极。根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，可知盐桥中K+向负电荷较多的Y极移动，Cl-向正电荷较多的X极移动，A错误；
B．根据氧化还原反应中电子守恒可知反应方程式：5NH3+3=4N2+6H2O+3OH-，转移15 ml电子，反应产生4 ml N2，若转移3.75 ml电子，则反应产生N2的物质的量n(N2)=，其在标准状况下的体积V=1 ml×22.4 L/ml=22.4 L，B正确；
C．电子由负极X经导线流向正极Y，电流方向是正电荷的移动方向，所以电流是由正极Y极沿导线流向负极X极，C错误；
D．电解质溶液显碱性，不可能含有大量H+，Y电极的电极反应式为：2+10e-+6H2O =N2↑+12OH-，D错误；
故合理选项是B。
1．下列有关化学电池的说法中正确的是
A．化学电池只能将化学能转化为电能
B．燃料电池能将全部化学能转化为电能
C．锌银电池比能量大，电压稳定，储存时间长
D．一次电池包括干电池和蓄电池
【答案】C
【解析】A．蓄电池不但可以将化学能转化为电能(放电)，也可以将电能转化为化学能(充电)，故A错误；
B．燃料电池的能量转换率超过80%，但不可能100%转换，故B错误；
C．锌银电池具有比能量大，电压稳定，储存时间长等特点，故C正确；
D．蓄电池可重复使用，属于二次电池，故D错误。
答案选C。
2．下列说法正确的是( )
A．碱性锌锰电池是二次电池
B．铅蓄电池是一次电池
C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生
D．燃料电池的活性物质大量储存在电池内部
【答案】C
【解析】A.锌锰干电池只能放电不能充电，所以属于一次电池，故A错误；
B.铅蓄电池是二次电池，故B错误；
C.蓄电池是二次电池放电后可以充电重新使用，使活性物质获得再生，故C正确；
D.燃料在两个电极上发生氧化还原反应把化学能转化为电能，不是在电池内部燃烧，故D错误；
故答案为C。
3．化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法正确的是
A．图甲：锂电池放电时，电解质溶液中向锂电极迁移
B．图乙：锌筒作正极
C．图丙：负极的电极反应为：
D．图丙：电池放电过程中，溶液的pH增大
【答案】D
【解析】A．原电池放电时，阳离子从负极流向正极，该装置中多孔碳材料是正极、锂是负极，所以放电时溶液中Li+从锂电极向多孔碳材料电极迁移，故A错误；
B．该装置中Zn易失电子作负极，故B错误；
C．PbSO4为难溶于水的盐，故负极的电极反应式为Pb+SO-2e-=PbSO4，故C错误；
D．放电时，电池反应式为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)，消耗硫酸且生成水，导致反应后硫酸浓度减小，故D正确；
故选D。
4．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2，下列说法中不正确的是
A．工作时，正极上发生反应的物质是Ag2O
B．负极发生的反应是Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2
C．工作时，负极区溶液c(OH-)减小
D．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动
【答案】D
【解析】A．Ag2O中Ag化合价降低，发生还原反应，在正极反应，故A正确；
B．Zn在负极上失电子，电解质溶液为KOH溶液，所以负极反应为Zn+2OH−−2e−=Zn(OH)2，故B正确；
C．负极发生反应Zn+2OH－-2e－=Zn(OH)2，消耗氢氧根离子，因此负极c(OH-)减小，故C正确；
D．原电池原理中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，因此放电时，电解质溶液中OH－向负极移动，K＋、H＋向正极移动，故D错误；
故选D。
5．一种电化学装置的工作原理：首先，太阳能转化为电能，先对碱性镍铁二次电池充电，实现电能储存；当镍铁电池充电完成后，过剩的电能再接着用于电解水，实现氢能储存。下列说法不正确的是
A．镍铁电池充电时，从B电极移向A电极
B．镍铁电池充电完成后，继续通电所产生的气体I为
C．镍铁电池放电时，理论上每消耗0.1mlNiOOH，则Fe失去电子数为
D．镍铁电池放电时，正极反应为：
【答案】C
【分析】由题意可知，放电时，A电极为原电池的正极，在水分子作用下NiOOH在正极得到电子发生还原反应生成Ni(OH)2和氢氧根离子，电极反应式为NiOOH+e—+H2O= Ni(OH)2+OH—，B电极为负极，碱性条件下铁在负极失去电子发生氧化反应生成氢氧化亚铁；电极反应式为Fe—2e—+2OH—=Fe(OH)2，充电时，与光伏电池的正极相连的A电极为电解池的阳极，碱性条件下Ni(OH)2在阳极失去电子发生氧化反应生成NiOOH和水，B电极为阴极，在水分子作用下氢氧化亚铁在阴极得到电子发生还原反应生成铁和氢氧根离子，当镍铁电池充电完成后，继续通电，氢氧根离子在阳极B电极上失去电子发生氧化反应生成氧气和水，水在阴极A电极上得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子。
【解析】A．由分析可知，镍铁电池充电时，A电极为电解池的阳极，B电极为阴极，氢氧根离子从阴极B电极移向阳极A电极，故A正确；
B．由分析可知，当镍铁电池充电完成后，继续通电，氢氧根离子在阳极B电极上失去电子发生氧化反应生成氧气和水，则继续通电所产生的气体I为氧气，故B正确；
C．由得失电子数目守恒可知，镍铁电池放电时，理论上每消耗0.1mlNiOOH时，铁失去电子数为0.1NA,故C错误；
D．由分析可知，放电时，A电极为原电池的正极，在水分子作用下NiOOH在正极得到电子发生还原反应生成Ni(OH)2和氢氧根离子，电极反应式为NiOOH+e—+H2O= Ni(OH)2+OH—，故D正确；
故选C。
6．我国科研人员研制出一种可充电电池，该电池中锂箔作负极，多孔碳布作正极，玻璃纤维作隔板，其电池结构如图所示，电池总反应为。下列说法错误的是
A．该电池属于二次电池
B．放电时正极反应式为
C．正、负极室均可用锂盐水溶液作电解质溶液
D．该电池的放电过程是一种固氮过程
【答案】C
【解析】A．该电池为可充电电池，属于二次电池，故A正确；
B．放电时，得到电子，参与反应，电极反应式为，故B正确；
C．Li作负极，能与水发生反应，则负极室不可用锂盐水溶液作电解质溶液，故C错误；
D．放电时，电极反应式为，属于固氮过程，故D正确；
故选C。
7．锂离子蓄电池放电时的反应如下：Li1-xCO2+LixC6=6C+LiCO2(x