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2020高考化学刷题冲刺含最新模拟题专题十四原电池讲义含解析
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专题十四 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3NO3-+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,ClO4-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-2CO32-+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(SO42-)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VO2+(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VO2++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VO2++V2++2H+VO2++H2O+V3+可知,正极反应为VO2++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VO2++2H++e-VO2++H2O可知,反应每生成1molH2O时转移电子的物质的量为1mol,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
CO32-
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:IO3-在酸性溶液中被氧化为I-,离子反应方程式为IO3-+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IO3-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0.5A,电池工作5分钟,则通过的电荷量Q=It=0.5×5×60C=150C,因此转移电子的物质的量是150C96500C·mol-1≈0.00155mol,1molZn在反应中失去2mol电子,则理论消耗Zn的质量是0.00155mol2×65g·mol-1≈0.05g。(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10-5mol·L-1,则溶液中c(OH-)=310-3910-5mol·L-1≈5×10-12mol·L-1,所以氢离子的浓度是2×10-3mol·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0.1mol·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10-170.1mol·L-1=10-8mol·L-1,氢离子浓度是10-6mol·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)42+、Zn(NH3)2Cl2等,H+可写为NH4+] (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+NO2-。
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,CO32-向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-2CO32-
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1molCH4转移6mole-,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,CO32-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CO32-,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)42-,总反应式为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH)42-
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 1mol 电子时,阴极(C6电极)析出1molLi,增重 7g,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-x2)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
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3NO3-+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,ClO4-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-2CO32-+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(SO42-)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VO2+(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VO2++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VO2++V2++2H+VO2++H2O+V3+可知,正极反应为VO2++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VO2++2H++e-VO2++H2O可知,反应每生成1molH2O时转移电子的物质的量为1mol,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
CO32-
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:IO3-在酸性溶液中被氧化为I-,离子反应方程式为IO3-+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IO3-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0.5A,电池工作5分钟,则通过的电荷量Q=It=0.5×5×60C=150C,因此转移电子的物质的量是150C96500C·mol-1≈0.00155mol,1molZn在反应中失去2mol电子,则理论消耗Zn的质量是0.00155mol2×65g·mol-1≈0.05g。(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10-5mol·L-1,则溶液中c(OH-)=310-3910-5mol·L-1≈5×10-12mol·L-1,所以氢离子的浓度是2×10-3mol·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0.1mol·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10-170.1mol·L-1=10-8mol·L-1,氢离子浓度是10-6mol·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)42+、Zn(NH3)2Cl2等,H+可写为NH4+] (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+NO2-。
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,CO32-向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-2CO32-
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1molCH4转移6mole-,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,CO32-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CO32-,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)42-,总反应式为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn(OH)42-
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 1mol 电子时,阴极(C6电极)析出1molLi,增重 7g,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-x2)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
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