2022年高考化学一轮复习讲义第6章第30讲 微专题16　新型电源及电极反应式的书写 (含解析)

16　新型电源及电极反应式的书写

1．电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的书写)

2．新型燃料电池

(1)燃料电池常用的燃料

H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如CH3OH)、肼(N2H4)等。

(2)燃料电池常用的电解质

①酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物；④熔融碳酸盐，如K2CO3；⑤质子交换膜等。

(3)燃料电池电极反应式书写的常用方法

第一步，写出电池总反应式。

燃料电池的总反应与燃料燃烧的反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。

如甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应如下：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O　①

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O　②

①＋②可得甲烷燃料电池的总反应式：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都是O2，因电解质溶液不同，故其电极反应也会有所不同：

①酸性电解质：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

②碱性电解质：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

③固体电解质(高温下能传导O2－)：O2＋4e－===2O2－。

④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)：O2＋2CO2＋4e－===2CO。

第三步，电池的总反应式－电池的正极反应式＝电池的负极反应式。

3．新型可逆电池

(1)铁镍电池(负极—Fe，正极—NiO2，电解液—KOH溶液)

已知：Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2，则

放电：

负极：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2；

正极：NiO2＋2H2O＋2e－===Ni(OH)2＋2OH－。

充电：

阴极：Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－；

阳极：Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O。

(2)LiFePO4电池(正极—LiFePO4，负极—Li，含Li＋导电固体为电解质)

已知：FePO4＋LiLiFePO4，则

放电：

负极：Li－e－===Li＋；

正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。

充电：

阴极：Li＋＋e－===Li；

阳极：LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋。

(3)高铁电池(负极—Zn，正极—石墨，电解质为浸湿的固态碱性物质)

已知：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，则

放电：

负极：3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2；

正极：2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－。

充电：

阴极：3Zn(OH)2＋6e－===3Zn＋6OH－；

阳极：2Fe(OH)3－6e－＋10OH－===2FeO＋8H2O。

题组一　新型燃料电池

1．以甲烷燃料电池为例，分析不同的环境下电极反应式的书写。

(1)酸性介质(如H2SO4)

总反应式：_______________________。

负极：___________________________。

正极：___________________________。

答案　CH4＋2O2===CO2＋2H2O

CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

2O2＋8e－＋8H＋===4H2O

(2)碱性介质(如KOH)

总反应式：__________________________________。

负极：______________________________________。

正极：______________________________________。

答案　CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O

CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O

2O2＋8e－＋4H2O===8OH－

(3)固体电解质(高温下能传导O2－)

总反应式：____________________________________。

负极：________________________________________。

正极：________________________________________。

答案　CH4＋2O2===CO2＋2H2O

CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

2．(1)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、正极反应式：________________________________、________________________________________________________________________。

(2)化学家正在研究尿素动力燃料电池，用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电。尿素燃料电池结构如图所示，写出该电池的负极反应式：______________

_______________________________________________________________________________。

答案　(1)N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2　O2＋4e－＋2H2O===4OH－

(2)CO(NH2)2＋H2O－6e－===CO2＋N2＋6H＋

(1)新型燃料电池的分析模板

(2)解答燃料电池题目的几个关键点

①通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。

②注意介质的成分，是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。

③通过介质中离子的移动方向，可以判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。

题组二　新型可逆电池

3．锂离子电池充放电电池总反应：LixC6＋Li1－xCoO2LiCoO2＋C6，该电池充、放电的工作示意图如图。下列有关说法不正确的是(　　)

A．该电池具有很高的比能量

B．负极的反应式：LixC6－xe－===xLi＋＋C6

C．放电时，Li＋从石墨晶体中脱出回到正极氧化物晶格中

D．充电时，若转移1 mol e－，石墨电极将增重7x g

答案　D

解析　锂是摩尔质量最小的金属元素，因此制成的电池具有很高的比能量，A正确；根据总反应可判断，负极反应式为LixC6－xe－===xLi＋＋C6，B正确；从图示可知，放电时锂离子从石墨晶格中脱出，通过电解质迁移到层状正极表面后嵌入正极氧化物晶格中，C正确；充电时，石墨(C6)电极嵌入Li＋变成LixC6，电极反应式为xLi＋＋C6＋xe－===LixC6，则石墨电极增重的质量就是Li＋的质量，根据关系式：

xLi＋　　～　　xe－

1 mol　　　 　1 mol

可知若转移1 mol e－，石墨电极将增多1 mol Li＋，即增重7 g，D错误。

4．我国科学家发明的水溶液锂电池为电动汽车发展扫除了障碍，装置原理如图所示，其中固体薄膜只允许Li＋通过。锂离子电池的总反应为xLi＋Li1－xMn2O4LiMn2O4。下列有关说法错误的是(　　)

A．放电时，Li＋穿过固体薄膜进入水溶液电解质中

B．放电时，正极反应为Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4

C．充电时，电极b为阳极，发生氧化反应

D．该电池的缺点是存在副反应：2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

答案　D

解析　Li为活泼金属，放电时，发生氧化反应，故电极a为负极，阳离子从负极移向正极，即Li＋穿过固体薄膜进入水溶液电解质中，然后移向电极b，A、B项正确；充电时，电池正极接电源正极，发生氧化反应，是阳极，C项正确；由于固体薄膜只允许Li＋通过，水不能与Li接触，故不存在Li与水的反应，D项错误。

锂离子电池充放电分析

常见的锂离子电极材料

正极材料：LiMO2(M：Co、Ni、Mn等)

LiM2O4(M：Co、Ni、Mn等)

LiMPO4(M：Fe等)

负极材料：石墨(能吸附锂原子)

负极反应：LixCn－xe－===xLi＋＋Cn，

正极反应：Li1－xMO2＋xLi＋＋xe－===LiMO2，

总反应：Li1－xMO2＋LixCnCn＋LiMO2

5．(2018·全国卷Ⅱ，12)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＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是(　　)

A．放电时，ClO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－===2CO＋C

D．充电时，正极反应为Na＋＋e－===Na

答案　D

解析　根据电池的总反应知，放电时，负极反应：

4Na－4e－===4Na＋

正极反应：3CO2＋4e－===2CO＋C

充电时，阴极反应：4Na＋＋4e－===4Na

阳极反应：2CO＋C－4e－===3CO2

放电时，ClO向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知，充电时释放CO2，放电时吸收CO2。

题组三　复杂电极反应式的书写方法

6．铁炭混合物(铁屑和活性炭的混合物)在水溶液中可形成许多微电池。将含有Cr2O的酸性废水通过铁炭混合物，在微电池正极上Cr2O转化为Cr3＋，其电极反应式为___________。

答案　Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O

7．用零价铁(Fe)去除水体中的硝酸盐(NO)已成为环境修复研究的热点之一。

Fe还原水体中NO的反应原理如图所示。

(1)作负极的物质是________。

(2)正极的电极反应式是_______________________________________。

答案　(1)铁　(2)NO＋8e－＋10H＋===NH＋3H2O

8.如图为钠高能电池的结构示意图，该电池的工作温度为320 ℃左右，电池的反应式为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为____________________________________________。M(由Na2O和Al2O3制得)的两个作用是____________________________。

答案　xS＋2e－===S(或2Na＋＋xS＋2e－===Na2Sx)　导电和隔离钠与硫

根据题干信息找出放电粒子→正确判断产物→根据电子守恒配电子→根据电荷守恒配电荷(注意电解质的环境，酸性溶液还是碱性溶液，还是非水体系)→根据质量守恒配原子。