人教版高考化学一轮复习第7章化学反应与能量第2节第1课时原电池化学电源学案含答案

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第1课时　原电池　化学电源原电池及其工作原理　[以练带忆]1．利用生活中常见的材料可以进行很多科学实验，甚至制作出一些有实际应用价值的装置来，下图就是一个用废旧材料制作的可用于驱动玩具的电池的示意图。该电池工作时，有关说法正确的是(　　)A．铝罐是负极发生氧化反应B．炭粒和炭棒上发生的反应为O2＋4e－===2O2－C．炭棒应与玩具电池的负极相连D．该电池工作一段时间后炭棒和炭粒的质量会减轻A　解析：由废铝罐、炭棒和食盐水等材料的电池知，铝作负极，发生氧化反应，A正确；炭棒作正极，炭棒上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B错误；炭棒应与玩具电池的正极相连，C错误；该电池工作一段时间后炭棒质量不变，D错误。2.某原电池装置如图所示。下列有关叙述中，正确的是(　　)A．Fe作正极，发生氧化反应B．负极反应：2H＋＋2e－===H2↑C．工作一段时间后，两烧杯中溶液pH均不变D．工作一段时间后，NaCl溶液中c(Cl－)增大D　解析：负极是铁发生氧化反应，A错误；正极是石墨，H＋在此发生还原反应，B错误；工作一段时间后，右池中H＋在石墨棒上被还原为H2，溶液的pH增大，C错误；盐桥中的Cl－移向负极，NaCl溶液中c(Cl－)增大，D正确。3．根据下图，下列判断中正确的是(　　)A．烧杯a中的溶液pH降低B．烧杯b中发生氧化反应C．烧杯a中发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑D．烧杯b中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑B　解析：由题给原电池装置中电子经过导线由Zn电极流向Fe电极，则O2在Fe电极发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，烧杯a中c(OH－)增大，溶液的pH升高，A、C错误；烧杯b中，Zn发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2＋，B正确、D错误。[练后梳理]1．定义原电池是把化学能转化为电能的装置。2．构成条件(1)反应本质：能发生自发进行的氧化还原反应(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。(2)两电极：一般是活泼性不同的两电极。(3)形成闭合回路需三个条件：①电解质溶液；②两电极直接或间接接触；③两电极插入电解质溶液中。3．工作原理以锌铜原电池为例(1)反应原理(2)盐桥的组成和作用①盐桥中装有饱和的KCl、NH4NO3等溶液和琼胶制成的胶冻。②盐桥的作用：a.连接内电路，形成闭合回路；b.平衡电荷，使原电池不断产生电流。4．原电池正负极的判断5．电池电极反应式书写的“三步骤”(1)在原电池中，正极本身一定不参与电极反应，只起导电作用，负极本身也不一定发生氧化反应，如燃料电池；但负极上一定发生氧化反应，正极上一定发生还原反应。(2)盐桥不能用一根导线连接，因为导线是不能传递阴、阳离子的。用导线连接后相当于一个是原电池，一个是电解池。常见化学电源的分类及其工作原理[以练带忆]1．电子计算机所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应式：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。下列判断正确的是(　　)A．锌为正极，Ag2O为负极B．锌为负极，Ag2O为正极C．原电池工作时，将电能转化成化学能D．原电池工作时，负极区溶液的pH增大B　解析：根据化合价变化可知Zn被氧化，应为原电池的负极，则正极为Ag2O，故A错误，B正确；原电池是将化学能转化为电能的装置，故C错误；原电池工作时，负极发生反应Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，溶液的pH减小，故D错误。2．铅蓄电池的示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)A．放电时，N为负极，其电极反应式：PbO2＋SOeq \o\al(2－,4)＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2OB．放电时，c(H2SO4)不变，两极的质量增加C．充电时，阳极反应式：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \o\al(2－,4)D．充电时，若N连电源正极，则该极生成PbO2D　解析：放电时铅是负极，A错误；放电时硫酸参与电极反应，浓度会减小，B错误；充电时，阳极发生氧化反应，失去电子，C错误；充电时正极连接到电源正极上作阳极，生成二氧化铅，D正确。3．下图为“甲醇燃料电池”的工作原理示意图，下列有关说法正确的是(　　)A．该燃料电池工作过程中电流方向从a极流向b极B．该燃料电池工作时电路中通过1 mol电子，消耗的O2的体积为5.6 LC．Pt(a)电极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋D．该燃料电池工作时H＋由b极室向a极室移动，电解质溶液的pH增大C　解析：b电极通入氧气，b电极是正极，a电极是负极，该燃料电池工作过程中电流方向从b极流向a极，A项错误；1 mol氧气得到4 mol 电子，该燃料电池工作时电路中通过1 mol电子，消耗的O2的物质的量是0.25 mol，其体积在标准状况下为 5.6 L，题中没注明标准状况，B项错误；Pt(a)电极为负极，甲醇在负极失去电子，发生氧化反应，由于电解质溶液显酸性，则负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，C项正确；原电池中阳离子向正极移动，该燃料电池工作时H＋由a极室向b极室移动，D项错误。[练后梳理]1．一次电池(1)碱性锌锰电池负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－；总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。(2)锌银电池负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。2．二次电池(可充电电池)铅酸蓄电池是常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。(1)放电时的反应①负极：Pb＋SOeq \o\al(2－,4)－2e－===PbSO4(氧化反应)。②正极：PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应)。③总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。(2)充电时的反应①阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \o\al(2－,4)(还原反应)。②阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \o\al(2－,4)(氧化反应)。③总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。3．燃料电池氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性和碱性两种。考点1　原电池原理的应用 [抓本质·悟考法]某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目：方案Ⅰ：有人提出将大小相等的铁片和铜片，分别同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为___________________________________________________________________。方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式。正极反应式：____________________________________________________；负极反应式：____________________________________________________。方案Ⅲ：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案：________________________(与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同)，用离子方程式表示其反应原理：_________________________________________________。【解题关键点】　解答本题时要明确利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法：将A、B两种金属用导线连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。【易错失分点】　画装置图时未注明电极材料与电解质溶液；盐桥画成导线；未形成闭合回路。[自主解答]________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________解析：方案Ⅰ：铁与酸反应产生气泡，Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，而铜与酸不反应。方案Ⅱ：设计原电池时以铁、铜为电极，电解质溶液为稀硫酸或盐酸等溶液。实验现象是铁溶解，而铜极上有无色气泡产生。在负极：Fe失去电子变为Fe2＋，Fe－2e－===Fe2＋；在正极，溶液中的H＋获得电子变为H2,2H＋＋2e－===H2↑。方案Ⅲ：设计简单实验时注意原理与方案Ⅰ及方案Ⅱ的原理不同，且现象明显，操作简单。将铁片置于CuSO4溶液中，若铁片表面覆盖一层铜，说明Fe比Cu活动性强，离子方程式为Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。答案：方案Ⅰ：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑方案Ⅱ：装置如图所示或2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋方案Ⅲ：将铁片置于CuSO4溶液中，若铁片表面覆盖一层铜，说明Fe比Cu活动性强　Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu(合理即可)[多角度·突破练]⊳角度1　判断金属的活动性强弱1．有a、b、c、d四个金属电极，有关的实验装置及部分实验现象如下：由此可判断这四种金属的活动性顺序是(　　)A．a＞b＞c＞d B．b＞c＞d＞aC．d＞a＞b＞c D．a＞b＞d＞cC　解析：把四个实验从左到右分别编号为①、②、③、④，则由实验①可知，a作原电池负极，b作原电池正极，金属活动性：a＞b；由实验②可知，b极有气体产生，c极无变化，则活动性：b＞c；由实验③可知，d极溶解，则d作原电池负极，c作正极，活动性：d＞c；由实验④可知，电流从a极流向d极，则d极为原电池负极，a极为原电池正极，活动性：d＞a。综上所述可知活动性：d＞a＞b＞c。2．根据下图可判断下列离子方程式中错误的是(　　)A．2Ag(s)＋Cd2＋(aq)===2Ag＋(aq)＋Cd(s)B．Co2＋(aq)＋Cd(s)===Co(s)＋Cd2＋(aq)C．2Ag＋(aq)＋Cd(s)===2Ag(s)＋Cd2＋(aq)D．2Ag＋(aq)＋Co(s)===2Ag(s)＋Co2＋(aq)A　解析：题图所示装置是原电池的构成装置，左图中Cd为负极，发生的是Cd置换出Co的反应，即Cd的金属活动性强于Co，B正确；右图中Co为负极，Co置换出Ag，说明Co的金属活动性强于Ag，D正确；综上可知，Cd的金属活动性强于Ag，所以Cd可以置换出Ag，C正确，A错误。利用原电池比较金属活动性强弱的方法如有两种金属A和B，用导线将A和B连接后，插入稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活动性：A＞B。⊳角度2　加快化学反应速率3．将两份过量的锌粉a、b分别加入一定量的稀硫酸中，同时向a中加入少量的CuSO4溶液，产生H2的体积V(L)与时间t(min)的关系正确的是(　　)B　解析：加入CuSO4溶液，Zn置换出Cu，形成原电池，加快反应速率，由于H2SO4定量，产生H2的体积一样多。在理解形成原电池可加快反应速率时，要注意对产物量的理解，Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液，锌足量时，不影响产生H2的物质的量，但稀硫酸足量时，产生H2的物质的量要减少。⊳角度3　设计原电池4．将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如图所示的原电池。下列说法不正确的是(　　)A．盐桥中的K＋移向FeCl3溶液B．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态D．电流计读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中石墨电极为负极D　解析：甲中石墨为正极，乙中石墨为负极，盐桥中阳离子向正极移动，所以K＋移向FeCl3溶液，A正确；反应开始时，因乙中I－失去电子放电，元素的化合价升高，则发生氧化反应，B正确；当电流计为零时，说明没有电子发生转移，则反应达到平衡，C正确；当加入Fe2＋，导致平衡逆向移动，则Fe2＋失去电子生成Fe3＋，作为负极，而乙中石墨成为正极，D错误。5．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：____________________________________________________________________。(2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：①负极：_________________________________________________________。②正极：_________________________________________________________。(3)在框中画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：解析：Fe3＋的氧化性比Cu2＋强，说明Fe3＋可将Cu氧化为Cu2＋，离子方程式为2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，可据此反应设计原电池装置。答案：(1)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋　(2)①Cu－2e－===Cu2＋　②2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋(3)设计原电池的方法考点2　形形色色的燃料电池 [抓本质·悟考法](1)燃料电池是一种高效低污染的新型电池。燃料电池所用燃料可以是氢气，也可以是其他燃料，如甲烷、肼等。如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为___________________________________________________________________。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)肼分子(H2N—NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水，利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池，请写出该电池的负极反应式：______________________，正极反应式：_________________________________________________________，总反应式：__________________________________________________________。(3)以甲醇(CH3OH)为燃料，空气为氧化剂，以熔融K2CO3为电解质环境的燃料电池，负极反应式为______________________________________________，正极反应式为_______________________________________________________。【解题关键点】　解答本题时需明确：①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。②根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，电解质溶液不同，其电极反应有所不同。③电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。【易错失分点】　①甲烷燃料电池在碱性介质和酸性介质中其电极反应式是不同的。此题在书写负极的电极反应时，易忽略电解质的碱性，将甲烷的氧化产物写成二氧化碳气体。②以熔融K2CO3为电解质环境时，书写电极反应时易忽视电解质中COeq \o\al(2－,3)的参与。[自主解答]________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________解析：(1)①甲烷失去电子，甲烷在负极通入，因此电池的负极是a电极，该极的电极反应式为CH4＋10OH－－8e－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O。②由于反应后产生Na2CO3，即电池工作过程中消耗OH－，因此电池工作一段时间后电解质溶液的pH减小。(2)肼在负极发生失去电子的氧化反应，该电池负极反应式为N2H4＋ 4OH－－4e－===4H2O＋N2↑。(3)甲醇为燃料在负极发生氧化反应，空气中的O2在正极上发生还原反应，但注意电解质中COeq \o\al(2－,3)的参与。答案：(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===COeq \o\al(2－,3)＋7H2O　②减小(2)N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑O2＋2H2O＋4e－===4OH－N2H4＋O2===N2＋2H2O(3)CH3OH＋3COeq \o\al(2－,3)－6e－===4CO2↑＋2H2Oeq \f(3,2)O2＋3CO2＋6e－===3COeq \o\al(2－,3)[多角度·突破练]⊳角度1　酸、碱性电解质燃料电池的有关判断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＋B　解析：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＋4H＋＋4e－===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．(双选)锌—空气燃料电池可作电动车的动力电源，电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋2H2O＋4OH－===2Zn(OH)2－4。下列说法正确的是　(　　)A．放电时，电解质溶液中K＋移向负极B．放电时，电解质溶液的pH减小C．充电时，阴极的反应为Zn(OH)2－4＋2e－===Zn＋4OH－D．充电时，当有4.48 L氧气(标准状况下)释放出来时，则析出固体Zn为13 gBC　解析：放电时，为原电池，溶液中阳离子向正极移动，即K＋向正极移动，故A错误；放电时，消耗氢氧根离子，碱性减弱，pH减小，故B正确；充电时，阴极上发生得电子的还原反应，则阴极反应为Zn(OH)2－4＋2e－===Zn＋4OH－，故C正确；产生1 mol氧气，转移电子为4 mol，充电时，当有4.48 L氧气(标准状况下)释放出来时，转移电子的物质的量为eq \f(4.48 L,22.4 L/mol)×4＝0.8 mol，根据Zn～2e－，则析出固体Zn：eq \f(0.8 mol,2)×65 g/mol＝26 g，故D错误。3．(2019·全国卷Ⅰ)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，示意图如下所示。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．负极区，在氢化酶作用下发生反应2H＋＋2MV＋===H2＋2MV2＋C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动B　解析：该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，A正确；该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，B错误；右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，C正确；原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，D正确。燃料电池的分析要领(1)对于燃料电池要注意介质是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。(2)通入负极的物质为燃料(还原剂)，通入正极的物质为氧气(氧化剂)。(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。⊳角度2　熔融盐、固体电解质燃料电池的有关判断4．以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如下图，在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，下列说法正确的是(　　)A．石墨Ⅰ是燃料电池的正极B．NOeq \o\al(－,3)向石墨Ⅱ电极移动C．此电池常温下也能工作D．石墨电极Ⅰ电极反应式为NO2＋ NOeq \o\al(－,3)－e－===N2O5D　解析：石墨电极Ⅱ上通入O2是正极，石墨Ⅰ是燃料电池的负极，NOeq \o\al(－,3)向负极移动，A、B错误；由于电解质是熔融盐，因此电池常温下不能工作，C错误；因为石墨电极Ⅱ上通入的O2得电子，故在石墨电极Ⅰ上NO2失电子，与迁移过来的NOeq \o\al(－,3)结合生成＋5价N的氧化物N2O5，电极反应式为NO2＋ NOeq \o\al(－,3)－e－===N2O5，D正确。5．科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。以下判断错误的是(　　)A．电池正极发生的反应：O2＋4e－===2O2－B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2OC．固体电解质里的O2－的移动方向：由正极移向负极D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)D　解析：因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)，所以正极反应式是O2＋4e－===2O2－，负极反应式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O，A、B正确。由上述电池的正、负极反应式可以看出：正极反应“源源不断”地产生O2－，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”地消耗O2－，故电池内O2－的移动方向是由正极移向负极，C正确。电池的负极发生氧化反应，失去电子，故外电路电子从负极流出，D错误。(1)氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结负极eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(H2－2e－===2H＋　酸作介质,H2＋2OH－－2e－===2H2O　碱作介质,H2＋O2－－2e－===H2O　熔融金属氧化,物作介质,H2＋CO\o\al(2－,3)－2e－===H2O＋CO2　熔融,碳酸盐作介质))正极eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(O2＋4H＋＋4e－===2H2O　酸作介质,O2＋2H2O＋4e－===4OH－　碱作介质,O2＋4e－===2O2－　熔融金属氧化物作介质,O2＋2CO2＋4e－===2CO\o\al(2－,3)　熔融碳酸盐,作介质))(2)明确燃料电池电极反应式的书写方法①燃料电池中，通入O2的一极为正极，书写方法是a．首先书写正极反应式酸性介质：4H＋＋O2＋4e－===2H2O；碱性介质：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。b．然后用总反应式减去正极反应式得到负极反应式，相减时要求两极得失电子总数相等(即将总反应式中的O2按比例消去)。②实例(以甲醇、O2的燃料电池为例)a．酸性介质，如H2SO4溶液CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体；O2在正极上得到电子，在H＋作用下生成H2O。电极反应式为负极：CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋；正极：eq \f(3,2)O2＋6H＋＋6e－===3H2O。b．碱性介质，如KOH溶液CH3OH在负极上失去电子，在碱性条件下生成COeq \o\al(2－,3)；O2在正极上得到电子生成OH－，电极反应式为负极：CH3OH＋8OH－－6e－===COeq \o\al(2－,3)＋6H2O；正极：eq \f(3,2)O2＋3H2O＋6e－===6OH－。c．熔融盐介质，如熔融K2CO3在电池工作时，COeq \o\al(2－,3)移向负极。CH3OH在负极上失去电子，在COeq \o\al(2－,3)的作用下生成CO2气体；O2在正极上得到电子，在CO2的作用下生成COeq \o\al(2－,3)。电极反应式为负极：CH3OH＋3COeq \o\al(2－,3)－6e－===4CO2↑＋2H2O；正极：eq \f(3,2)O2＋3CO2＋6e－===3COeq \o\al(2－,3)。注意：也可利用特定情境下氧化还原方程式的书写技巧，写出负极电极反应式，再利用总反应书写正极反应式。新型燃料电池[知识对接]解答新型燃料电池题目的思维模型：[应用体验]1．一种微生物燃料电池如图所示，下列关于该电池的说法正确的是(　　)A．a电极发生还原反应B．H＋由右室通过质子交换膜进入左室C．b电极反应式为2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2OD．电池工作时，电流由a电极沿导线流向b电极C　解析：b电极上N元素的化合价降低，所以b电极是正极，发生还原反应，故A错误；原电池中阳离子从负极移向正极，即H＋由左室通过质子交换膜进入右室，故B错误；b电极上发生还原反应，电极反应式为2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，故C正确；原电池中电流从正极流向负极，电流由b电极沿导线流向a电极，故D错误。2．(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)—空气电池如下图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VOeq \o\al(3－,4)＋2B(OH)eq \o\al(－,4)＋4H2O该电池工作时，下列说法错误的是　(　　)A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq \o\al(－,4)＋4VOeq \o\al(3－,4)D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极B　解析：根据总反应式知VB2失电子的反应生成VOeq \o\al(3－,4)和B(OH)eq \o\al(－,4)是负极，通空气的一极是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，当负极通过0.04 mol电子时，正极也通过0.04 mol电子，在标准状况下为0.224 L O2，A正确；反应过程中正极生成大量的OH－使正极区pH升高，负极消耗OH－使负极区OH－浓度减小pH降低，B错误；根据分析，电池的总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)eq \o\al(－,4)＋4VOeq \o\al(3－,4)，C正确；电池中，电子由VB2电极经负载流向复合碳电极，电流流向与电子流向相反，则电流流向为复合碳电极→负载→VB2电极→KOH溶液→复合碳电极，D正确。可充电电池[知识对接]四方面突破可充电电池[应用体验]3．(2020·天津高考)熔融钠－硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。下图中的电池反应为2Na＋xSeq \o(,\s\up8(放电),\s\do9(充电))Na2Sx(x＝5～3，难溶于熔融硫)，下列说法错误的是(　　)A．Na2S4的电子式为Na＋[]2－Na＋B. 放电时正极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2SxC．Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极D. 该电池是以Na－β－Al2O3为隔膜的二次电池C　解析：根据电池反应：2Na＋xSeq \o(,\s\up8(放电),\s\do9(充电))Na2Sx可知，放电时，钠作负极，发生氧化反应，电极反应为Na－e－===Na＋，硫作正极，发生还原反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2Sx，据此分析。Na2S4属于离子化合物，4个硫原子间形成三对共用电子对，电子式为Na＋[]2－Na＋，故A正确；放电时发生的是原电池反应，正极发生还原反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－===Na2Sx，故B正确；放电时，Na为电池的负极，正极为硫单质，故C错误；放电时，该电池是以钠作负极，硫作正极的原电池，充电时，是电解池，Na－β－Al2O3为隔膜，起到电解质溶液的作用，该电池为二次电池，故D正确。4．(2020·烟台模拟)以柏林绿Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池，其放电工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)A．放电时，Na＋由右室移向左室B．放电时，Mg箔为负极，该电极发生氧化反应C．充电时，阳极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]－2e－===Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋D．用铅酸蓄电池为该电池充电时，当有0.2 mol电子转移时，Pb电极质量减少20.7 gD　解析：由图可知，右室镁失电子发生氧化反应，Mg箔为负极，则Mo箔为正极，所以放电时，Na＋由右室移向左室，A、B正确；充电时，Mo(钼)箔接电源的正极，是电解池的阳极，阳极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]－2e－===Fe[Fe(CN)6]＋2Na＋，C正确；外电路中通过0.2 mol电子的电量时， Pb电极发生的反应为Pb－2e－＋SOeq \o\al(2－,4)===PbSO4，质量增加了9.6 g，D错误。5．(2020·青岛模拟)LiFePO4二次电池具有安全性能高、热稳定性好等优点，应用于新能源汽车。电池反应：Li1－xFePO4＋LixC6eq \o(,\s\up8(放电),\s\do7(充电))LiFePO4＋6C，石墨层和过渡金属氧化物为电极，离子导体由锂盐掺杂在液态的有机溶剂中形成(原理如图)。下列说法错误的是(　　)A．放电时，电流由石墨层经外电路流向过渡金属氧化物B．放电时，正极电极反应式：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4C．充电时，阴极电极反应式：xLi＋＋6C＋xe－===LixC6D．充电时，Li＋向石墨层电极移动，若电路中通过 1 mol电子，质量增加7 gD　解析：放电时是原电池的工作原理，电流从正极流向负极，即由石墨层经外电路流向过渡金属氧化物，故A正确；放电时，正极发生得电子的还原反应，电极反应式：Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，故B正确；充电时阴极发生得电子的还原反应：xLi＋＋6C＋xe－===LixC6，故C正确；充电时，Li＋向阴极即过渡金属氧化物电极移动，若电路中通过1 mol电子，质量增加7 g，故D错误。其他高效、环保型电池[知识对接]此类题目主要考查考生阅读相关材料、结合图示等综合分析的能力、知识的迁移应用能力，做题时注意提炼化合价变化、电极材料、电解质等关键信息。[应用体验]6．(双选) Li—SOCl2电池是迄今具有最高能量比的电池。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液(熔点－110 ℃、沸点78.8 ℃)是LiAlCl4—SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。下列说法正确的是(　　)A．该电池不能在寒冷地区正常工作B．SOCl2分子的空间结构是平面三角形C．该电池工作时，正极反应式为2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2D．该电池组装时，必须在无水无氧条件下进行CD　解析：该电池可以在－110～78.8 ℃环境下正常工作，所以在寒冷地区能正常工作，故A错误；SOCl2分子的中心原子为S，其价层电子对数＝3＋eq \f(1,2)(6－1×2－2×1)＝4，VSEPR模型为四面体形，中心原子上的孤电子对数＝eq \f(1,2)(6－1×2－2×1)＝1，则SOCl2分子的空间结构为三角锥形，故B错误；根据电池的总反应式4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2可知，Li在负极失去电子，SOCl2在正极得到电子，则正极反应式为2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2，故C正确；Li是活泼金属，易与O2反应，也能与水反应，SOCl2遇水会发生反应：SOCl2＋H2O===SO2＋2HCl，因此该电池组装时，必须在无水无氧条件下进行，故D正确。7．利用微生物可将废水中苯酚的化学能直接转化为电能，装置如图所示。电池工作时，下列说法正确的是(　　)A．a极为正极，发生氧化反应B．b极的电极反应式为2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋－10e－===N2↑＋6H2OC．中间室的Cl－向左室移动D．左室消耗苯酚(C6H5OH)9.4 g时，用电器流过2.4 mol电子C　解析：由题图可知，在b极上NOeq \o\al(－,3)转化为N2，发生得电子的还原反应，故b极为正极，a极为负极，A项错误；b极的电极反应式为2NOeq \o\al(－,3)＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O，B项错误；原电池中阴离子向负极移动，故C项正确；左室消耗苯酚的电极反应式为C6H5OH＋11H2O－28e－===6CO2↑＋28H＋，9.4 g苯酚的物质的量为0.1 mol，故用电器应流过2.8 mol电子，D项错误。1．(2021·泰安模拟)中科院科学家设计出一套利用 SO2和太阳能综合制氢方案，其基本工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)A．该电化学装置中，Pt电极作正极B．Pt电极的电势高于BiVO4电极的电势C．电子流向：Pt电极→导线→BiVO4电极→电解质溶液→Pt电极D．BiVO4电极上的反应式为SOeq \o\al(2－,3)＋2OH－－2e－===SOeq \o\al(2－,4)＋H2OC　解析：Pt电极上发生还原反应，Pt电极作正极，故A正确；Pt电极为正极，BiVO4电极为负极，所以Pt电极电势高于BiVO4电极电势，故B正确；电子从BiVO4电极(负极)经导线流向Pt电极(正极)，但不能进入溶液，故C错误；BiVO4电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为SOeq \o\al(2－,3)＋2OH－－2e－===SOeq \o\al(2－,4)＋H2O，故D正确。2．(2020·北京模拟)锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率，称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是(　　)A．两者正极材料不同B．MnO2的放电产物可能是KMnO4C．两者负极反应式均为Zn失电子D．原电池中Zn与稀硫酸存在自放电现象B　解析：题中左图为干电池，干电池的正极材料是碳棒，题中右图为原电池，正极材料是铜单质，两者正极材料不同， A正确；干电池中MnO2应作氧化剂，Mn的化合价降低， B错误；所给装置中Zn均为负极，Zn失去电子， C正确；根据自放电现象的定义，Zn与稀硫酸能够发生反应，即原电池中Zn与稀硫酸存在自放电现象， D正确。3．(2020·保定模拟)(双选)新华网报道，我国固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该科技实现了H2S废气资源回收能量，并得到单质硫的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)A．电极a为电池负极B．电路中每流过4 mol电子， 正极消耗1 mol O2C．电极b上的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2OD．电极a上的电极反应式：2H2S＋2O2－－2e－===S2＋2H2OAB　解析：电极a上H2S→S，硫元素化合价升高，发生氧化反应，为电池负极，故A正确；电路中每流过4 mol电子，正极消耗1 mol O2，故B正确；电极b上的电极反应式：O2＋4e－===2O2－，故C错误；电极a上的电极反应式：2H2S＋2O2－－4e－===S2＋2H2O，故D错误。4．我国科学家研制了一种新型的高比能量锌－碘溴液流电池，其工作原理示意图如图。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。下列叙述不正确的是(　　)A．放电时，a电极反应式为I2Br－＋2e－===2I－＋Br－B．放电时，溶液中离子的数目增大C．充电时，b电极每增重0.65 g，溶液中有0.02 mol I－被氧化D．充电时，a电极接外电源负极D　解析：根据电池的工作原理示意图，可知放电时a电极上I2Br－转化为Br－和I－，电极反应式为I2Br－＋2e－===2I－＋Br－，A项正确；放电时正极区I2Br－转化为Br－和I－，负极区Zn转化为Zn2＋，溶液中离子的数目增大，B项正确；充电时b电极发生反应Zn2＋＋2e－===Zn，b电极增重0.65 g时，转移0.02 mol e－，a电极发生反应2I－＋Br－－2e－===I2Br－，根据各电极上转移电子数相同，则有 0.02 mol I－被氧化，C项正确；放电时a电极为正极，充电时，a电极为阳极，接外电源正极，D项错误。5．(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn－CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。下列说法错误的是(　　)A．放电时，负极反应式为Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)eq \o\al(2－,4)B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 molC．充电时，电池总反应式为2Zn(OH)eq \o\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充电时，正极溶液中OH－浓度升高D　解析：由题可知，放电时，CO2转化为HCOOH，即CO2发生还原反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应生成Zn(OH)eq \o\al(2－,4)；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成O2，左侧为阴极，Zn(OH)eq \o\al(2－,4)发生还原反应生成Zn。放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为Zn＋4OH－－ 2e－===Zn(OH)eq \o\al(2－,4)，故A正确；放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1 mol CO2转化为HCOOH时，转移电子数为2 mol，故B正确；充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上Zn(OH)eq \o\al(2－,4)转化为Zn，电池总反应式为2Zn(OH)eq \o\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，故C正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，溶液中H＋浓度增大，溶液中c(H＋)·c(OH－)＝Kw，温度不变时，Kw不变，因此溶液中OH－浓度降低，故D错误。1．(命题情境：电能与能源发展的问题)氟离子电池是新型电池中的一匹黑马，其理论比能量高于锂电池。一种氟离子电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)A．放电时，b是电源的正极B．放电时，a极的电极反应为LaSrMnO4F2＋2e－===LaSrMnO4＋2F－C．充电时，电极a接外电源的负极D．可将含F－的有机溶液换成水溶液以增强导电性B　解析：由于Mg是活泼金属，Mg2＋氧化性弱，所以原电池放电时，Mg失去电子，作负极，即b为负极，a为正极，A错误；放电时，a为正极发生还原反应，电极反应为LaSrMnO4F2＋2e－===LaSrMnO4＋2F－，B正确；充电时电解池的阳极、阴极与原电池的正、负极对应，所以a极接外电源的正极，C错误；因为Mg能与水反应，因此不能将有机溶液换成水溶液，D错误。2．(命题情境：电能与国防安全的问题)热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl－KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。下列有关说法不正确的是(　　)A．负极反应式：Ca＋2Cl－－2e－===CaCl2B．放电过程中，Li＋向负极移动C．每转移0.2 mol电子，理论上生成20.7 g PbD．常温时，在正负极间接上电流表或检流计，指针不偏转B　解析：Ca为原电池的负极，电极反应式为Ca＋2Cl－－2e－===CaCl2，故A不符合题意；原电池中阳离子向正极移动，所以放电过程中，Li＋向正极移动，故B符合题意；根据电极反应式PbSO4＋2Li＋＋2e－===Li2SO4＋Pb，可知每转移0.2 mol电子，理论上生成0.1 mol Pb，质量为20.7 g，故C不符合题意；常温下，电解质不是熔融态，离子不能移动，不能产生电流，因此连接电流表或检流计，指针不偏转，故D不符合题意。3．(命题情境：电能与高分子材料的应用问题)我国科研工作者研制出基于聚丙烯酸钠电解质的Zn/NiCo－LDMH可充电电池，该电池具有高容量和超长循环稳定性，示意图如下，电池反应为5Zn＋6CoOOH＋4NiOOH＋5H2Oeq \o(,\s\up8(放电),\s\do9(充电))5ZnO＋6Co(OH)2＋4Ni(OH)2。聚丙烯酸钠是一种超强吸水聚合物，吸收大量Zn(CH3COO)2和KOH溶液作为水和离子含量调节剂形成水凝胶电解质。下列说法错误的是(　　)A．聚丙烯酸钠是一种有机高分子聚合物，在水溶液中不会发生电离B．聚丙烯酸钠具有超强吸水性，可避免电池充放电过程中因失水使离子导电率下降C．放电时，负极附近pH减小D．充电时，阳极反应为3Co(OH)2＋2Ni(OH)2＋5OH－－5e－===3CoOOH＋2NiOOH＋5H2OA　解析：由电池反应分析可知，电池放电时，Zn的化合价升高，失去电子，作负极，发生的电极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；CoOOH和NiOOH中Co和Ni的化合价降低，得到电子，作正极，发生的电极反应为3CoOOH＋2NiOOH＋5H2O＋5e－===3Co(OH)2＋2Ni(OH)2＋5OH－，充电时阳极反应式为放电时正极反应式的“逆反应”。聚丙烯酸钠是一种有机高分子聚合物，在水溶液中会电离出聚丙烯酸根离子和钠离子，A选项错误；根据题干信息，聚丙烯酸钠是一种超强吸水聚合物，具有超强吸水性，可避免电池充放电过程中因失水使离子导电率下降，B选项正确；由上分析可知放电时，负极附近OH－浓度降低，pH减小，C选项正确；充电时，Co(OH)2和Ni(OH)2在阳极失去电子生成CoOOH和NiOOH，电极反应式为3Co(OH)2＋2Ni(OH)2＋5OH－＋5e－===3CoOOH＋2NiOOH＋5H2O，D选项正确。4．(命题情境：电能与科技发展方向的问题)美国科学家John B．Goodenough荣获2019年诺贝尔化学奖，他指出固态体系锂电池是锂电池未来的发展方向。Kumar等人首次研究了固态可充电、安全性能优异的锂空气电池，其结构如图所示。已知单位质量的电极材料放出电能的大小称为电池的比能量。下列说法正确的是(　　)A．放电时，a极反应为Al－3e－===Al3＋，b极发生还原反应B．充电时，Li＋由a极通过固体电解液向b极移动C．与铅酸蓄电池相比，该电池的比能量小D．电路中转移4 mol e－，大约需要标准状况下112 L空气D　解析：锂比铝活泼，放电时a极为负极，锂单质失电子被氧化，反应为Li－e－===Li＋，b极为正极得电子，被还原，故A错误；充电时a电极锂离子被还原成锂单质为电解池的阴极，则b为阳极，电解池中阳离子向阴极即a极移动，故B错误；因为锂的摩尔质量远远小于铅的摩尔质量，失去等量电子需要的金属质量也是锂远远小于铅，因此锂电池的比能量大于铅蓄电池，故C错误；电路中转移4 mol e－，则消耗1 mol氧气，标准状况下体积为 22.4 L，空气中氧气约占20%，因此需要空气22.4 L×5＝112 L，故D正确。5．(命题情境：电能与物质制备、环境保护的问题)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Pt2电极经过内电路流到Pt1电极B．Pt1电极附近发生的反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋C．Pt2电极附近发生的反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1D　解析：放电时为原电池，质子向正极移动，Pt1电极SO2→H2SO4发生氧化反应，为负极，则该电池放电时质子从Pt1电极移向Pt2电极，A错误；Pt1电极为负极，发生氧化反应，SO2被氧化为硫酸，反应为SO2＋2H2O－2e－===SOeq \o\al(2－,4)＋4H＋，硫酸应当拆为离子形式，B错误；酸性条件下，氧气得电子生成水， C错误；相同条件下，放电过程中负极发生氧化反应2SO2＋4H2O－4e－===2SOeq \o\al(2－,4)＋8H＋，正极发生还原反应O2＋4H＋＋4e－===2H2O，根据转移电子数相等可知，相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，D正确。考试评价解读核心素养达成1.能分析解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。2．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。3．能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化分析、解决新型电池的开发等实际问题。宏观辨识与微观探析认识原电池的本质是氧化还原反应，能从多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转化。科学态度与社会责任通过原电池装置的应用，能对与化学有关的热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践。电极名称负极正极电极材料锌片铜片电极反应Zn－2e－===Zn2＋Cu2＋＋2e－===Cu反应类型氧化反应还原反应电子流向由Zn片沿导线流向Cu片盐桥中离子移向盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向正极，Cl－移向负极酸性碱性负极反应式2H2－4e－===4H＋2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极反应式O2＋4H＋＋4e－===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－电池总反应式2H2＋O2===2H2O实验装置部分实验现象a极质量减少；b极质量增加b极有气体产生；c极无变化d极溶解；c极有气体产生电流从a极流向d极①不含盐桥②含盐桥①不含盐桥②含盐桥