备战2021 高考化学 考点34 化学电源（原卷版）

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考点 34 化学电源 1．电池的分类： 2．常见的化学电源 （1）一次电池 ①锌银电池 锌银电池负极是 Zn，正极是 Ag2O，电解质溶液是 KOH 溶液，其电极反应如下： 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2； 正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－； 电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。 ② 普通锌锰电池 碱性锌锰电池 装置 电极 负极：Zn−2e− Zn2+ 负极：Zn+2OH−−2e− Zn(OH)2 反应 正极：2 + 4NH +2MnO2+2e− 2NH3+Mn2O3+H2O 总反应： Zn+2MnO2+2 + 4NH Zn2++2NH3+Mn2O3+H2O 正极：2MnO2+2H2O+2e− 2MnOOH +2OH− 总反应： Zn + 2MnO2+2H2O 2MnOOH+ Zn(OH)2 特点 优点：制作简单，价格便宜； 缺点：新电池会发生自动放电，使存放时间缩短， 放电后电压下降较快 优点：克服了普通锌锰干电池的缺点，单 位质量所输出的电能多且储存时间长，适 用于大电流和连续放电 （2）二次电池 铅蓄电池是最常见的二次电池 ① 放电时的电极反应 负极：Pb(s)+ 2 4SO  (aq)−2e− PbSO4(s) (氧化反应) 正极：PbO2(s)+4H+(aq)+ 2 4SO  (aq)+2e− PbSO4(s)+2H2O(l) (还原反应) 总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l) ② 充电时的电极反应 阴极：PbSO4(s)+2e− Pb(s)+ 2 4SO  (aq) (还原反应) 阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)−2e− PbO2(s)+4H+(aq)+ 2 4SO  (aq) (氧化反应) 总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) （3）燃料电池 是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。燃料电池的优点：能量转换率高、 废弃物少、运行噪音低。 A、氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分酸性和碱性两种。 装置 电池总反应 2H2+O2 2H2O 介 质 酸性(H+) 负极：2H2−4e− 4H+ 正极：O2+4H++4e− 2H2O 中性(Na2SO4) 负极：2H2−4e− 4H+ 正极：O2+2H2O+4e− 4OH− 碱性(OH−) 负极：2H2+4OH−−4e− 4H2O 正极：O2+2H2O+4e− 4OH− B、甲醇燃料电池 甲醇燃料电池以铂为两极，用碱或酸作为电解质： ①碱性电解质(KOH 溶液为例) 总反应式：2CH3OH + 3O2 +4KOH=== 2K2CO3 + 6H2O 正极的电极反应式为：3O2 + 12e− + 6H2O===12OH− 负极的电极反应式为：CH3OH – 6e− +8OH− === CO32−+ 6H2O ②酸性电解质(H2SO4溶液为例) 总反应：2CH3OH +3O2 ===2CO2 + 4H2O 正极的电极反应式为：3O2+12e−+12H+ === 6H2O 负极的电极反应式为：2CH3OH −12e−+2H2O ===12H++ 2CO2 说明：乙醇燃料电池与甲醇燃料电池原理基本相同。 C、甲烷燃料电池 甲烷燃料电池以多孔镍板为两极，电解质溶液为 KOH，生成的 CO2还要与 KOH 反应生成 K2CO3，所 以总反应为：CH4 + 2KOH+ 2O2=== K2CO3+3H2O。 负极发生的反应：CH4− 8e− +8OH−===CO2 + 6H2O、CO2 + 2OH−===CO32− + H2O，所以： 负极的电极反应式为：CH4 +10OH− + 8e− === CO32− + 7H2O 正极发生的反应有：O2 + 4e− ===2O2−和 O2− + H2O === 2OH−，所以： 正极的电极反应式为：O2 + 2H2O + 4e− === 4OH− 说明：掌握了甲烷燃料电池的电极反应式，就掌握了其它气态烃燃料电池的电极反应式。 D、铝—空气—海水电池 我国首创以铝—空气—海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝 不断被氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光。 电源负极材料为：铝；电源正极材料为：石墨、铂网等能导电的惰性材料。 负极的电极反应式为：4Al−12e−===4Al3+ 正极的电极反应式为：3O2+6H2O+12e−===12OH− 总反应式为：4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3 说明：铝板要及时更换，铂做成网状是为了增大与氧气的接触面积。 考向一 燃料电池 典例 1 直接碳固体氧化物燃料电池作为全固态的能量转换装置，采用固体碳作为燃料，以多孔 Pt 作电极、 氧化锆为电解质，其工作原理如下图。下列说法不正确的是 已知：CO2(g)+C=2CO(g) △ H=+172.5kJ•mol-1 CO(g)+ 1 2 O2(g)=CO2(g) △ H=-283kJ•mol-1 A．电极 a 为正极，电子由 b 经过导线到 a B．电极 b 发生的电极反应为：CO+O2--2e-=CO2 C．依据装置原理可推测，该条件下 CO 放电比固体 C 更容易 D．若 1molC(s)充分燃烧，理论上放出的热量为 110.5kJ 1．美国 G－TEC 燃料电池以利用民用燃气为原料气，其结构如下图，有关该电池的说法不正确的是 A．电池工作时，电流由负荷的 a 流向 b B．电池工作一段时间后，电解质物质的量理论上保持不变 C．通入空气的一极的电极反应式是：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．外电路中每通过 0.2 mol 电子，所消耗的燃料体积不小于 2.24 L(标况下) 燃料电池电极反应书写的注意事项 （1）燃料电池的负极是可燃性气体，失去电子发生氧化反应；正极多为氧气或空气，得到电子发生还 原反应，可根据电荷守恒来配平。 （2）燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。 （3）燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能生成 OH−，碱性溶液中不能生成 H+；水溶液中不能生成 O2−，而熔融电解质中 O2 被还原为 O2−。 （4）正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产 物与电解质溶液反应的叠加反应。 考向二 新型电池 典例 2 某新型电池以 NaBH4(B 的化合价为＋3 价)和 H2O2 作原料，负极材料采用 Pt，正极材料采用 MnO2(既 作电极材料又对该极的电极反应具有催化作用)，该电池可用作卫星、深水勘探等无空气环境电源，其 工作原理如图所示。下列说法不正确的是 A．每消耗 3 mol H2O2，转移 6 mol e－ B．电池工作时 Na＋从 b 极区移向 a 极区 C．a 极上的电极反应式为 BH－ 4 ＋8OH－－8e－===BO－ 2 ＋6H2O D．b 极材料是 MnO2，该电池总反应方程式：NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O 2．甲图为一种新型污水处理装置，该装置可利用一种微生物将有机废水的化学能直接转化为电能，乙图是 一种用惰性电极电解饱和食盐水的消毒液发生器。关于甲、乙的说法正确的是( ) A．装置乙中的 b 极要与装置甲的 X 极连接 B．装置乙中 a 极的电极反应式为 2Cl--2e-＝Cl2↑ C．当 N 极消耗 5.6 L(标准状况下)气体时，则有 2NA 个 H+通过质子交换膜 D．若有机废水中主要含有葡萄糖(C6H12O6)，则装置甲中 M 极发生的电极反应为 C6H12O6+6H2O-24e- ＝ 6CO2↑+24H+ 1．汽车的启动电源常用铅蓄电池，放电时的电池反应：PbO2+Pb+2H2SO4  放电 充电 2PbSO4+2H2O，根据此反应判 断下列叙述中正确的是 A．PbO2 是电池的负极 B．电子从 Pb 极流出 C．PbO2 得电子，被氧化 D．电池放电时，溶液酸性增强 2．NO2、O2 和熔融 KNO3 可制作燃料电池，其原理如图，该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物 Y， Y 可循环使用。下列说法正确的是 A．O2 在石墨Ⅱ附近发生氧化反应 B．该电池放电时 3NO 向石墨Ⅱ电极迁移 C．石墨Ⅰ附近发生的反应：3NO2 ＋2e－===NO＋2 3NO D．相同条件下，放电过程中消耗的 NO2 和 O2 的体积比为 4∶1 3．充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性，在充电和放电时，其电池反应为 Mg＋ 2MnF3 2MnF2＋MgF2。下列说法不正确的是 A．放电时，镁为负极材料 B．放电时，电子从镁极流出，经电解质溶液流向正极 C．充电时，阳极的电极反应式为 MnF2＋F－－e－===MnF3 D．充电时，外加直流电源的负极应与原电池的 Mg 极相连 4．熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样化、余热利用价值高和 电池构造材料价廉等诸多优点，是未来的绿色电站。某种熔融碳酸盐燃料电池以 Li2CO3、K2CO3 为电解 质、以 CH4 为燃料时，该电池工作原理见下图。下列说法正确的是 A．Li＋、K＋移向左侧电极 B．外电路中电子由右侧电极移向左侧电极 C．通入 1 mol 气体 A 时，左侧电极上生成 5 mol CO2 D．相同条件下通入气体 B 与气体 C 的体积比为 2∶1 5．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是 干电池示意图 铅蓄电池示意图 氢氧燃料电池示意图 A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池 B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏 C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．铅蓄电池工作过程中，每通过 2 mol 电子，负极质量减轻 207 g 6．一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可 用 C6H10O5 表示。下列有关说法不正确的是 A．Cl－由中间室移向左室 B．X 气体为 CO2 C．处理后的含 NO － 3 废水的 pH 降低 D．电路中每通过 4 mol 电子，产生标准状况下 X 气体的体积为 22.4 L 7．燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。 （1）以多孔铂为电极，如图甲装置中 A、B 口分别通入 CH3CH2OH 和 O2 构成乙醇燃料电池，则 b 电极 是________(填“正极”或“负极”)，该电池的负极的电极反应式为___________________________。 （2）科学家研究了转化温室气体的方法，利用图乙所示装置可以将 CO2 转化为气体燃料 CO，该电池负 极反应式为__________________________，工作时的总反应式为________________________。 （3）绿色电源“二甲醚－氧气燃料电池”的工作原理如图丙所示。 ①氧气应从 c 处通入，则电极 Y 为________极，发生的电极反应式为_______________________； ②二甲醚(CH3OCH3)应从 b 处加入，电极 X 上发生的电极反应式为_____________________________； ③电池在放电过程中，电极 X 周围溶液的 pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。 （4）合成气(H2、CO)不仅是化工原料，也是清洁能源。如果 H2 和 CO 以体积比 1 1 组成的混合气体与 空气构成碱性燃料电池(KOH 溶液为电解质溶液且足量)，假设 CO 和 H2 同时按比例发生反应，则燃料电 池负极的电极反应式为__________________。 （5）如图丁是甲烷燃料电池原理示意图。 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”)。 8．（1）高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，而且高铁电池的研制也在进行中。如图 1 所示是高 铁电池的模拟实验装置。 图 1 图 2 ①该电池放电时正极的电极反应式为________________________________。 若维持电流强度为 1 A，电池工作十分钟，理论消耗 Zn________g(已知 F＝96 500 C·mol－1)。 ②盐桥中盛有饱和 KCl 溶液，此盐桥中氯离子向__________(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代 替盐桥，则钾离子向__________(填“左”或“右”)移动。 ③ 图 2 为 高 铁 电 池 和 常 用 的 高 能 碱 性 电 池 的 放 电 曲 线 ， 由 此 可 得 出 高 铁 电 池 的 优 点 有 ______________________________。 （2）有人设想以 N2 和 H2 为反应物，以溶有 A 的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能，又能 固氮的新型燃料电池，装置如下图所示，电池正极的电极反应式是_____________________________，A 是____________。 （3）利用原电池工作原理测定汽车尾气中 CO 的浓度，其装置如下图所示。该电池中 O2－可以在固体介 质 NASICON(固溶体)内自由移动，工作时 O2－的移动方向___________(填“从 a 到 b”或“从 b 到 a”)，负极 发生的电极反应式为_________________________。 1.（2020·新课标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，负极反应为 2 4Zn 2e 4OH Zn(OH)     B. 放电时，1 mol CO2 转化为 HCOOH，转移的电子数为 2 mol C. 充电时，电池总反应为 2 4 2 22Zn OH) 2Zn O 4OH O( 2H      D. 充电时，正极溶液中 OH−浓度升高 2．[2019新课标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（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，结构如下图所示。电池反应为 Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)  放电 充电 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 3．[2019 天津]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 2I Br 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 0.02mol I 被氧化 D．充电时，a 电极接外电源负极 4．[2018 新课标Ⅲ]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+（1－ 2 x ）O2 5．[2018 新课标Ⅱ]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，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 6．[2017 新课标Ⅲ]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−=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 7．[2016·新课标Ⅲ]锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为 KOH 溶液，反应为 2Zn+O2+4OH−+2H2O 2 2 4Zn(OH)  。下列说法正确的是 A．充电时，电解质溶液中 K+向阳极移动 B．充电时，电解质溶液中 c(OH−)逐渐减小 C．放电时，负极反应为：Zn+4OH−−2e− 2 4Zn(OH)  D．放电时，电路中通过 2 mol 电子，消耗氧气 22.4 L(标准状况) 8．[2016·四川]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<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+