第4课时 核心价值——新型化学电源及分析(学科育人价值)高考试题中新型化学电源的种类繁多，如“储氢电池”“高铁电池”“海洋电池”“燃料电池”“锂离子电池”“新型ZnCO2水介质电池”等，这些新型化学电源常以选择题形式呈现，侧重考查原电池的工作原理(放电)和电解原理(充电)，涉及电极的判断、电极反应式、电解质溶液中离子的移动等，体现《中国高考评价体系》中对“学习掌握”“实践探索”等学科素养的要求，依据物质及其变化的信息建构原电池模型和电解池模型，建立解决复杂化学问题的思维框架，渗透化学学科育人价值。新型化学电源试题取材新颖，大多与最新科研成果相联系，体现化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重大贡献，彰显化学学科的社会价值。1．分析新型化学电源中正、负极材料新型化学电池2．根据化学电源装置书写电极和电池反应式(1)先分析题目给定的图示位置，确定原电池正、负极上的反应物质。(2)电极反应式的书写①负极：一般为活泼金属失去电子生成阳离子，也可以是H2、CH4等；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应。如铅蓄电池，负极反应为Pb＋SO－2e－===PbSO4。②正极：阳离子得到电子或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：电解质溶液呈碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电解质溶液呈酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。(3)正、负电极反应相加得电池总反应3．结合电池总反应式，书写电极反应式(1)逐步分析法(类似于氧化还原反应方程式的书写)
(2)易写电极反应式突破法根据总反应方程式和电解质特点，写出较易写的电极反应式，然后用总反应方程式减去该电池反应式可得另一极的电极反应式。＝—(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB2)－空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是( )A．负载通过0.04mol电子时，有0.224L(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)＋4VOD．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 [根据题中所给的VB2电极上的反应式可知，该原电池中VB2电极为负极，复合碳电极为正极。正极电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。根据电子守恒可知，当负载通过0.04mol电子时，正极参加反应的氧气为0.01mol，在标准状况下的体积为0.224L，A项正确；根据正、负极的电极反应式可知，负极消耗OH－，pH降低，而正极区生成OH－，pH升高，B项错误；依据负极反应式VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O和正极反应式O2＋4e－＋2H2O===4OH－，在遵循电子守恒的基础上，将正、负极电极反应式加和可得该碱性硼化钒—空气电池的总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO，C项正确；电流方向与电子的流向相反，电流方向为正极(复合碳电极)→负载→负极(VB2电极)→KOH溶液→正极，D项正确。](2019·全国卷Ⅲ)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(3DZn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3DZnNiOOH二次电池，结构如下图所示。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D [A对：三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高；B对：二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)；C对：二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)；D错：二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动。][训练1](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．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NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动B [A对：现有工业合成氨的条件是高温、高压、催化剂，题给方法在酶的作用下合成氨，条件温和，并能提供电能。B错：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，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。C对：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。D对：原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。][训练2](2021·天津塘沽一中检测)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下。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0.65g，溶液中有0.02molI－被氧化D．充电时，a电极接外电源负极D [根据电池工作原理示意图可以看出，a为电池的正极，电极反应为I2Br－＋2e－===2I－＋Br－，A项正确；根据正极放电反应可知，阴离子数增加，根据负极放电反应Zn－2e－===Zn2＋可知，阳离子数增加，B项正确；充电时，b极电极反应为Zn2＋＋2e－===Zn，b电极每增重0.65g，转移0.02mole—，故有0.02molI－被氧化，C项正确；充电时a电极发生氧化反应，应接电源正极，D项错误。][训练3](2021·检测)
一种钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池的原理及电池中发生的主要反应如图所示。下列叙述中正确的是( )A．镀铂导电玻璃的作用是传递I－B．电池工作时，光能转变为电能，X为电池的正极C．电池的电解质溶液中I－和I的浓度均不断减小D．电解质溶液中发生反应2Ru3＋＋3I－===2Ru2＋＋ID [I－在电解质中移动，镀铂导电玻璃的作用是传递电子，A项错误；电子由电极X流出，则X为电池的负极，B项错误；图中I在正极上得电子被还原为3I－，后又被氧化为I，I和I－相互转化，I－和I的浓度均不变，C项错误；电解质溶液中发生转化：Ru3＋→Ru2＋、I－→I，则发生反应为2Ru3＋＋3I－===2Ru2＋＋I，D项正确。][训练4](2021·福建福州六校联考)2019年诺贝尔化学奖授予了三名科学家，以奖励他们在锂电池发展上做出的杰出贡献，LiFePO4电池具有稳定性高、安全、环保等优点，其工作原理如图所示，下列说法正确的是( )A．充电时，电极a与电源的正极连接，电极b与电源负极连接B．电池驱动汽车前进时，正极的电极反应为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4C．电池驱动汽车后退时，负极材料每减重1.4g，转移0.4mol电子D．整个过程的能量转化只涉及化学能转化为电能B [根据电池工作原理图示中Li＋的移动方向推知，电极a是负极，电极b是正极。充电时，电极a与电源的负极相连，电极b与电源的正极相连，A项错误；电池驱动汽车前进时，正极发生氧化反应，电极反应式为Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4，B项正确；负极材料减重1.4g，其物质的量为0.2mol，则转移电子为0.2mol，C项错误；整个过程中，电池放电过程中，化学能转化为电能和热能，电池充电过程中，电能转化为化学能和热能，
D项错误。][训练5](2021·质检)复旦大学的王永刚教授研究团队在柔性电池研究方面取得了新突破，发展了一种基于有机物电极材料的柔性水系锌电池。充放电过程中实现了芘四酮(PTO)与PTOZn的相互转化，原理如图所示。下列说法不正确的是( )A．放电时，Zn电极发生氧化反应B．放电时，Y电极反应式可表示为PTO＋Zn2＋＋2e—===PTOZnC．充电时，Zn2＋向Y极移动D．充电时，X电极与电源的负极相连C [Zn是活泼金属，放电时，Zn作原电池的负极，发生氧化反应生成Zn2＋，A项正确；放电时，Y电极是正极，发生还原反应，电极反应式为PTO＋Zn2＋＋2e—===PTOZn，B项正确；充电时，该装置为电解池，X电极与外加电源的负极相连，Y电极与电源的正极相连，则Zn2＋向X电极移动，C项错误，D项正确。]训练(三十) 新型化学电源及分析1．(2021·重庆南川中学检测)化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是( )A．甲：正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－B．乙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄C．丙：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降D．丁：Zn2＋向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H＋浓度增加D [纽扣式银锌电池中，电解质溶液是KOH溶液，Ag2O是正极，发生还原反应，电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，A项正确；锌锰干电池中，锌筒作负极，
锌发生氧化反应生成Zn2＋进入电解质溶液，锌筒会变薄，B项正确；酸性氢氧燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O，反应生成H2O，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，C项正确；原电池中阳离子向正极移动，则Zn2＋向Cu电极移动；Cu电极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，反应消耗H＋，则Cu电极附近溶液中H＋浓度减小，D项错误。]2．(2021·黑龙江哈尔滨检测)微型银－锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2，下列说法正确的是( )A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低B．电池工作过程中，电解液中OH－向正极迁移C．负极发生反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2D．正极发生反应：Ag2O＋2H＋＋2e－===2Ag＋H2OC [由电池总反应可知，反应中消耗H2O，KOH溶液浓度升高，A项错误；原电池中阴离子向负极移动，故电池工作过程中，电解液中OH－向负极迁移，B项错误；Zn是负极，发生氧化反应生成Zn(OH)2，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，C项正确；电解质为KOH溶液，正极上Ag2O发生还原反应，电极反应式为Ag2O＋2H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，D项错误。]3．(2021·山东检测)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＋2H2O===2Mg(OH)2B．正极反应式为Mg－2e－===Mg2＋C．活性炭可以加快O2在正极上的反应速率D．电子的移动方向由a经外电路到bB [由图可知，Mg是负极，发生氧化反应生成Mg2＋，空气中O2在活性炭(正极)发生还原反应生成OH－，电池总反应式为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2，A项正确；空气中O2在正极发生还原反应，则正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，B项错误；O2在正极上发生反应，活性炭的比表面积大，可加快O2在正极的反应速率，C项正确；原电池中电子由负极流向正极，则电子的移动方向由a经外电路到b，D项正确。]4．(2021·天津河东区一模)室温下，利用下图，可回收酸性废水中低浓度的铜，下列说法错误的是( )
A．电极2为正极，只发生反应：Cu2＋＋2e－===CuB．Y为阴离子交换膜，2室流出的溶液是Na2SO4溶液C．每8molNaOH参加反应，有8mol电子转移D．此装置在回收铜的同时还有电流产生A [由图可知，Cu2＋、H＋在电极2被还原，则电极2为正极，电极反应式有2H＋＋2e－===H2↑，Cu2＋＋2e－===Cu，A项错误；电极1上BH转化为B(OH)，电极反应式为BH＋8OH－－8e－===B(OH)＋4H2O，1室中Na＋透过X膜向2室迁移，3室中SO透过Y膜向2室迁移，故Y为阴离子交换膜，X为阳离子交换膜，2室中流出Na2SO4溶液，B项正确；由负极反应式可知，消耗8molNaOH时，转移8mol电子，C项正确；该装置形成原电池，在回收铜的同时，有电流产生，D项正确。]5．(2021·湖南常德一模)2019年化学诺贝尔奖授予拓展锂离子电池应用的三位科学家。如图是某锂空气充电电池的工作原理示意图，下列叙述正确的是( )A．电解质溶液可选用可溶性锂盐的水溶液B．电池放电时间越长，Li2O2含量越少C．电池工作时，正极可发生Li＋＋O2－e－===LiO2D．充电时，b端应接电源的负极D [锂是非常活泼金属，可与水反应生成LiOH和H2，故电解质溶液不能选用可溶性锂盐的水溶液，A项错误；电池放电过程生成Li2O2，放电时间越长，Li2O2含量越多，B项错误；电池工作时，正极发生还原反应，电极反应是Li＋＋O2＋e－===LiO2，C项错误；充电时，负极接外加电源的负极，故b端接电源的负极，D项正确。]
6．(2020·江苏南京、盐城一模)2019年11月《Science》杂志报道了王浩天教授团队发明的制取H2O2的绿色方法，原理如图所示(已知：H2O2H＋＋HO，Ka＝2.4×10－12)。下列说法错误的是( )A．a极的电势低于b极B．Y膜为选择性阴离子交换膜C．每转移0.4mole－，就有0.1molH2O2生成D．b极的电极反应为O2＋2e－＋H2O===HO＋OH－C [电极a通入H2，电极b通入O2，二者反应生成H2O2，则a极是负极，b极是正极，故a极的电势低于b极，A项正确；该装置用于制取H2O2，电极b必然生成HO，电极反应式为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－，HO透过Y膜，H＋透过X膜，并结合生成H2O2，故X膜为阳离子交换膜，Y膜为阴离子交换膜，B、D项均正确；由b极反应可知，转移2mol电子时，生成1molHO，最终生成1molH2O2，故转移0.4mole－，有0.2molH2O2生成，C项错误。]7．(2021·广西柳州一中检测)一种可充电锂空气电池如图所示。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)。下列说法正确的是( )A．放电时，多孔碳材料电极为负极B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极C．充电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移D．充电时，电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2
D [由题意知，放电时负极反应为Li－e－===Li＋，正极反应为(2－x)O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，电池总反应为O2＋2Li===Li2O2－x。充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li＋O2，D项正确；该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，B项错误；该电池放电时，电解质溶液中Li＋向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的Li＋向锂电极迁移，C项错误。]8．(2021·检测)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。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CO2C．放电时，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋CD．充电时，正极反应为Na＋＋e－===NaD [根据电池的总反应知，放电时负极反应为4Na－4e－===4Na＋，正极反应为3CO2＋4e－===2CO＋C。根据充、放电时电极反应的“互逆性”推知，充电时，阴极反应为4Na＋＋4e－===4Na，阳极反应为2CO＋C－4e－===3CO2↑，C项正确，D项错误；放电时，ClO向负极移动，A项正确；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，B项正确。]9．(2021·广东广州六校联考)用一种吸附氢气的碳纳米管材料制备的二次电池如图所示，该电池的电解质为6mol/LKOH溶液，下列说法中正确的是( )
A．充电时，OH－从镍电极移向碳电极B．放电时，电池负极的电极反应为H2－2e－===2H＋C．放电时，电池正极的电极反应为NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－D．该电池充电时，将碳电极与电源的正极相连C [由放电时电子流动方向可知，镍电极是正极，碳电极是负极，则充电时，阴离子向阳极移动，OH－从碳电极移向镍电极，A项错误；放电时，电池的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O，B项错误；放电时，NiO(OH)在正极得电子被还原，则正极反应式为NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，C项正确；碳电极是负极，该电池充电时，将碳电极与电源的负极相连，D项错误。]10．(2021·河南信阳一中检测)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＋xS8===8Li2Sx(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－===3Li2S4B．电池工作时，外电路中流过0.02mol电子，负极材料减重0.14gC．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D [根据放电时，Li＋的移动方向判断，电极a是正极，电极b是负极；由图可知，正极依次发生还原反应：Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2，故正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4，A项正确；负极反应式为Li－e－===Li＋，外电路中流过0.02mol电子，负极消耗0.02molLi，则负极材料减重为0.02mol×7g/mol＝0.14g，B项正确；S8分子不易导电，电极a常用掺有石墨烯的S8材料，据此推测石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性，C项正确；电池充电时为电解池，电池总反应为8Li2Sx===16Li＋xS8(2≤x≤8)，故电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越少，D项错误。]11．(2021·山西大同学情调研)锌空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，可作为新能源汽车的电源，总反应式为2Zn＋O2＋2H2O===2Zn(OH)2。有关该电池的说法正确的是( )
A．电池可以用稀硫酸作电解质溶液B．电池工作时，电子由a电极沿导线流向b电极C．空气扩散电极上的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－D．电池工作时，电路中通过2mol电子，标准状况下消耗氧气22.4LC [氢氧化锌能溶于稀硫酸，因此该电池不可以用稀硫酸做电解质溶液，A项错误；锌是负极，电池工作时，电子由b电极沿导线流向a电极，B项错误；空气扩散电极是正极，氧气得到电子，电极上的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C项正确；电池工作时，电路中通过2mol电子，根据电子得失守恒可知消耗0.5mol氧气，则标准状况下消耗氧气11.2L，D项错误。]12．(2021·吉林白城期初调研)中科院深圳研究院成功开发出一种新型铝石墨双离子电池，可大幅度提升电动汽车的使用性能，其工作原理如图所示。充电过程中，石墨电极发生阴离子插层反应，而铝电极发生铝锂合金化反应，下列叙述正确的是( )A．放电时，电解质中的Li＋向左端电极移动B．充电时，与外加电源负极相连一端电极反应为AlLi－e－===Li＋＋AlC．放电时，正极反应式为Cn(PF6)＋e－===PF＋CnD．充电时，若转移0.2mol电子，则铝电极上增重5.4gC [据图中电子移动方向可知，放电时左侧电极是负极，右侧电极是正极，放电时，Li＋向正极移动，A项错误；充电时，与外加电源负极相连的一端电极是阴极，得电子，发生还原反应，B项错误；由于题意“充电过程中，石墨电极发生阴离子插层反应”，根据充、放电过程的可逆性，放电时，正极应为阴离子(PF)从石墨电极中脱离而出，C项正确；充电时，铝电极发生还原反应，电极反应式为Li＋＋Al＋e－===AlLi，则转移0.2mol电子时，铝电极增重的质量为1.4g，D项错误。]13．(2021·湖北检测)Cu既是常见的催化剂，又是常见的电极材料。
(1)图1表示的是利用CO2的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当直接传递的电子物质的量为2mol时，则参加反应的CO2的物质的量为________。(2)图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图，CO2在Cu电极上可以转化为CH4，该电极反应的方程式为______________________________________。解析 (1)由图可知，CO2被还原生成C2H4，C由＋4价降低到－2价，反应消耗1molCO2时转移6mol电子，则转移2mol电子时，参加反应的CO2的物质的量为mol。(2)Cu电极是阴极，CO2在Cu电极上被还原转化为CH4，电极反应式为CO2＋6H2O＋8e－===CH4＋8OH－答案 (1)mol (2)CO2＋6H2O＋8e－===CH4＋8OH－
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