2021届高考化学大一轮核心突破：化学电源【核心透析、核心训练】

1 ——化学电源 【核心透析】 1．一次电池 2.二次电池 铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为2 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 放电 充电 2PbSO4(s)＋2H2O(l) 3．燃料电池 (1)总反应式的书写：燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃 料燃烧的产物相同，燃烧反应方程式即为燃料电池的总反应方程式， 但不同电解质中反应终产物不同。 (2)正极反应式的书写：正极反应的本质都是 O2 放电得电子生成 O2－，电解质溶液酸碱性不同，电极反应式不同。 ①酸性电解质溶液环境下正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 ②碱性电解质溶液环境下正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 ③固体电解质(高温下能传导 O2－)环境下正极反应式：O2＋4e－ ===2O2－。 ④熔融碳酸盐(如：熔融 K2CO3)环境下正极反应：O2＋2CO2＋4e－ ===2CO2－3 。 (3)负极反应式的书写：在电子守恒的基础上用总反应式减去正 极反应式即得负极反应式。 ①氢氧燃料电池。 总反应均为 2H2＋O2===2H2O3 碱性电解液：H2－2e－＋2OH－===2H2O 酸性电解液：H2－2e－===2H＋ 固体或熔融：固体电解质在熔融状态传导 O2－： H2－2e－＋O2－===H2O 熔融碳酸盐：H2－2e－＋CO2－3 ===CO2＋H2O ②甲醇、空气(含 CO2)，与碳酸锂熔融盐燃料电池。 总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O 负极：CH3OH－6e－＋3CO2－3 ===4CO2＋2H2O ③甲烷、空气、KOH 燃料电池： 总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO2－3 ＋3H2O 负极：CH4－8e－＋10OH－===CO2－3 ＋7H2O ④丁烷、空气燃料电池，其电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆 (ZrO2)晶体，在熔融状态能传导 O2－。 总反应：2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O 负极：C4H10－26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O 1．锂电池不能选用水作电解液。因为锂是比较活泼的金属，会 和水发生反应。 2．可充电电池的放电反应和充电反应因反应条件不同不互为可 逆反应；其中充电时的阴极反应式为“放电”时负极的逆反应，阳极 反应式为“放电”时正极的逆反应。 3．充电电池充电时，电池的负极外接电源的负极，正极外接电 源的正极。 4．化学电源的电池总反应一般较复杂，写电极反应式常用加减4 法。 ①写出总反应，如 Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。②写出其中容易写 出的一个半反应(正极或负极)。如 Li－e－===Li＋(负极)。③利用总 反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即 LiMn2O4＋ Li＋＋e－===Li2Mn2O4(正极)。 电极反应式书写的步骤和方法 1 电极反应式书写的一般步骤 2 电极反应式书写的一般方法 (1)如果题目给出的是图示装置，先确定原电池的正负极上的反 应物质，再根据正负极反应规律写电极反应。 (2)如果题目给出的是总反应，可分析此反应中的氧化反应或还 原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)，写出较易写的电极反应， 然后用总反应减去写出的电极反应即得另一极的电极反应。5 (3)对于可充电电池的反应，需清楚“充电”“放电”的方向，放 电过程应用原电池原理，充电过程应用电解原理。充电时的电极反应 与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应为放电时的正极反 应的逆过程，充电时的阴极反应为放电时的负极反应的逆过程，图示 如下： (4)对于燃料电池，一般在正极上发生还原反应的物质都是 O2， 随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记 以下四种情况： ①酸性电解质溶液环境下电极反应式： O2＋4H＋＋4e－=== 2H2O。 ②碱性电解质溶液环境下电极反应式： O2＋2H2O＋4e－=== 4OH－。 ③固体电解质(高温下能传导 O2－)环境下电极反应式： O2＋4e－=== 2O2－。 ④熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电极反应式： O2＋2CO2＋4e－=== 2CO2－3 。 再根据电池总反应式减正极反应式写出电池的负极反应式。图示 如下：6 【核心训练】 1．有一种一面镀锌、一面镀二氧化锰的超薄纸质电池，在使用 印刷与压层技术后，变成一张可任意裁剪大小的“电纸”，纸内的离 子“流过”水和氧化锌组成的电解质溶液，电池总反应式为 Zn＋2MnO2 ＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)。下列说法不正确的是(　D　) A．该电池的负极材料为锌 B．该电池反应中二氧化锰发生了还原反应 C．电池的正极反应式为 MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－ D．当有 0.1 mol 锌溶解时，流经电解质溶液的电子数为 1.204× 1023 解析：锌失去电子作负极，A 正确；二氧化锰得电子，发生还原 反应，B 正确；负极反应为 Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，用总反应式 减去负极反应式得正极反应式为 MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－，C 正确；电子不能在电解质溶液中流动，D 错误。 2．微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能 的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示，下列说法正确的是7 (　B　) A．电子从 b 流出，经外电路流向 a B．HS－在硫氧化菌作用下转化为 SO 2－4 的反应是 HS－＋4H2O－8e－ ===SO2－4 ＋9H＋ C．如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化 D．若该电池电路中有 0.4 mol 电子发生转移，则有 0.5 mol H＋ 通过质子交换膜 解析：b 电极通入氧气，是正极，a 电极是负极，电子从 a 流出， 经外电路流向 b，A 错误；a 电极是负极，发生失去电子的氧化反应， 即 HS－在硫氧化菌作用下转化为 SO2－4 ，电极反应是 HS－＋4H2O－8e－ ===SO2－4 ＋9H＋，B 正确；如果将反应物直接燃烧，会有部分化学能转 化为光能，因此能量的利用率会变化，C 错误；若该电池电路中有 0.4 mol 电子发生转移，根据电荷守恒可知有 0.4 mol H＋通过质子交 换膜与 0.1 mol 氧气结合转化为水，D 错误。 3．近几年科学家发明的一种新型可控电池——锂水电池，工作 原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　C　)8 A．碳极发生的反应是 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ B．有机电解质和水溶液不可以互换区域 C．标准状况下产生 22.4 L 的氢气时，正极消耗锂的质量为 14 g D．该装置不仅可提供电能，还可得到清洁的氢气 解析：根据图示信息可知，碳电极上产生氢气，应该是正极，该 电极上发生得电子的还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A 正确； 由于金属 Li 可以和水反应生成氢氧化锂和氢气，但是和有机电解质 不反应，所以有机电解质和水溶液不可以互换区域，B 正确；金属 Li 和水发生反应 2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，标准状况下产生 22.4 L 的 氢气时，金属锂是负极，负极消耗锂的质量为 14 g，C 错误；该装置 是将化学能转化为电能的装置，装置不仅可提供电能，并且反应产物 是氢气，能提供能源，D 正确。 4．高铁电池是一种新型可充电电池，电解质溶液为 KOH 溶液， 该电池能长时间保持稳定的放电电压，放电时的总反应为：3Zn＋ 2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列判断不正确的是 (　D　) A．放电时，负极反应为 Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 B．充电时，阴极 pH 增大 C．放电时，若有 6 mol 电子转移，则正极有 10 mol OH－移向负9 极 D．充电时，阳极反应为 Fe(OH)3＋5OH－＋3e－===FeO2－4 ＋4H2O 解析：根据放电时的总反应可知，高铁电池放电时必定是锌在负 极失去电子，电极反应为 Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，故 A 项正确； 充电时阴极发生 Zn(OH)2 得电子的还原反应，电极反应为 Zn(OH)2＋ 2e－===Zn＋2OH－，所以阴极 pH 增大，故 B 项正确；放电时正极反应 为 FeO2－4 ＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，每转移 6 mol e－产生 10 mol OH－，OH－移向负极与 Zn2＋结合为 Zn(OH)2，故 C 项正确；充电时阳 极发生氧化反应失去电子，故 D 项错误。 5．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反 应为 CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是 (　C　) A．检测时，电解质溶液中的 H＋向负极移动 B．若有 0.4 mol 电子转移，则在标准状况下消耗 4.48 L 氧气 C．电池反应的化学方程式为 CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应为 O2＋4e－＋2H2O=== 4OH－ 解析：原电池中 H＋移向电池的正极，A 项错误；该原电池的总 反应为 CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O，C 项正确；用 C 项的方程式进 行判断，有 0.4 mol 的电子转移时，消耗的氧气为 0.1 mol，标准状 况下为 2.24 L，B 项错误；酸性介质的原电池中不可能生成 OH－，D 项错误。 6．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。下列有关该 电池的说法正确的是(　D　)10 A．反应 CH4＋H2O ===== 催化剂 △ 3H2＋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，CO 2－3 向电极 B 移动 D．电极 B 上发生的电极反应为 O2＋2CO2＋4e－===2CO2－3 解析：A 选项，甲烷中的 C 为－4 价，CO 中的 C 为＋2 价，每个 碳原子失去 6 个电子，因此每消耗 1 mol 甲烷失去 6 mol 电子，错误； B 选项，熔融盐中没有 OH－，因此 OH－不能参与电极反应，电极反应 式应为 H2＋CO＋2CO2－3 －4e－===3CO2＋H2O，错误；C 选项，CO 2－3 应向 负极移动，即向电极 A 移动，错误；D 选项，电极 B 上 O2 和 CO2 得电 子生成 CO2－3 ，正确。 7．“天宫二号”飞行器白天靠太阳能帆板产生电流向镍氢电池 充电，夜间镍氢电池向飞行器供电。镍氢电池的结构示意图如图所示。 若电池总反应为 2Ni(OH)2 充电 放电 2NiOOH＋H2。则下列说法正确的是 (　C　)11 A．放电时，NiOOH 发生氧化反应 B．充电时，a 电极的 pH 增大，K＋移向 b 电极 C．充电时，a 电极的电极反应为 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ D．放电时，负极反应为 NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ 解析：放电时，NiOOH 在正极上得电子变成 Ni(OH)2，发生还原 反应，A 错误；充电时，a 电极作阴极，电极反应式为 2H2O＋2e－===H2 ↑＋2OH－，pH 增大，K＋移向 a 电极，B 错误、C 正确；放电时，负 极上 H2 放电，D 错误。 8．全钒液流电池是一种新型的绿色环保储能电池，该电池性能 优良，其电池总反应为 V3＋＋VO2＋＋H2O 充电 放电 VO＋2 ＋2H＋＋V2＋。下列 叙述正确的是(　B　) A．放电过程中电解质溶液中阴离子移向正极 B．放电时每转移 0.5 mol 电子，负极有 0.5 mol V2＋被氧化 C．充电时阳极附近溶液的酸性减弱 D．充电时阳极反应式为 VO＋2 ＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O 解析：放电时发生的反应为 VO＋2 ＋2H＋＋V2＋===V3＋＋VO2＋＋H2O， 阴离子移向负极，A 错误；负极 V2＋被氧化成 V3＋，每转移 0.5mol 电 子，负极有 0.5 mol V2＋被氧化，B 正确；充电时的总反应为 V3＋＋VO212 ＋＋H2O===VO＋2 ＋2H＋＋V2＋。阳极反应为 VO2＋＋H2O－e－===VO＋2 ＋2H＋ 阳极附近溶液的酸性增强，C、D 错误。 9．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＋LixC6===LiCoO2＋C6(x