解题技能新型化学电源的高考命题角度及解题指导1.ppt

解题技能 9.新型化学电源的高考 命题角度及解题指导 章末考能特训 高考中的新型电池，有“氢镍电池”、“高铁 电池”、“锌阿萨德啊池”、我国首创的“海洋 电池”、“燃料电池”（如新型细菌燃料电池、氢 氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料 电池、CO燃料电池）、“锂离子电池”、“银锌电 池”、“纽扣电池”等。这些电池一般具有高能环 保、经久耐用、电压稳定、比能量（单位质量释放 的能量）高等特点。 取材于这些知识点的试题，由于题材广、信息 新、陌生度大，所以，大多数考生对这类试题感到 难，而难在何处又十分迷茫。实际上这些题目主要 考查的是学生迁移应用的能力。具体有以下几种考 查角度： 角度一 新型电池“放电”时正极、负极的判断 【知识基础】在Zn-Cu原电池中，较活泼的金属 材料作负极，较不活泼的金属材料或非金属材料作 正极。负极：Zn-2e- Zn2+；正极：2H+2e- H2。 【解题指导】 新型电池中 负极材料 正极材料 元素化合价升高的物质 发生氧化反应的物质 元素化合价降低的物质 发生还原反应的物质 【典例导析1】被称之为“软电池”的纸质电池，采 用一个薄层纸片作为传导体，在其一边镀锌，而在 其另一边镀二氧化锰。在纸内的离子“流过”水和 氧化锌组成的电解液。电池总反应为Zn+2MnO2+H2O ZnO+2MnO(OH)。下列说 法正确的是（） A.该电池的正极为锌 B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用 C.当0.1 mol Zn完全溶解时，流经电解液的电子个 数为1.2041023 D.电池正极反应式为2MnO2+2e-+2H2O 2MnO(OH)+2OH- 解析 由总反应式可知,二氧化锰为氧化剂而不是催 化剂，锌为还原剂，应为原电池的负极，A、B错； 电子只能经外电路流动，而不能在电解液中流动， 电解液内电流的形成是由于阴、阳离子的定向移 动，C错；电池负极反应式为Zn-2e-+H2O ZnO+2H+, 用总反应式减去负极反应式得正极反应式 为2MnO2+2e-+2H2O 2MnO(OH)+2OH-。 答案D 角度二 新型电池“放电”时正极、负极上电极反应 式的书写 【知识基础】铅蓄电池Pb-PbO2(H2SO4溶液) 电极反应的书写： 负极：Pb-2e-Pb2+;Pb2+SO PbSO4 。 把二者合起来，即负极反应式：Pb-2e-+SO PbSO4。 正极：PbO2得电子变为Pb2+，PbO2+2e-+4H+ Pb2+2H2O；Pb2+跟SO 结合生成PbSO4，Pb2+SO PbSO4。把二者合起来，即正极反应式： PbO2 +2e-+4H+SOPbSO4+2H2O。 总反应式=正极反应式+负极反应式，即： PbO2+Pb+4H+2SO 2PbSO4+2H2O。 【解题指导】 首先分析物质得失电子的情况，然后再考虑电极反 应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应。 对于较为复杂的电极反应，可以利用总反应-较简单 一极电极反应式=较复杂一极电极反应式的方法解决。 【典例导析2】（2009广东，14）可用于电动汽车 的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液 为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列 说法正确的是（） A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应 都为：O2+2H2O+4e- 4OH- B.以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al+3OH- -3e- Al(OH)3 C.以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电 解液的pH保持不变 D.电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极 解析 电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电 极 反应为：O2+2H2O+4e-4OH-,A正确；电解液为 NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2而不是 l(OH)3,B错误；电池的总反应为：4Al+3O2+4NaOH 4NaAlO2+2H2O,消耗NaOH，pH减小;电池工 作 时，电子通过外电路由负极流向正极。 答案 A 角度三 新型电池“充电”时阴极、阳极的判断 【知识基础】充电的实质就是把放电时发生的变化再 复原的过程。如铅蓄电池： 首先应搞明白原电池放电时的正、负极，再根据 电池充电时，阳极接正极，阴极接负极的原理，进 行分析。 【解题指导】 【典例导析3】（2009浙江理综，12）市场上经常 见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。 它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金 属锂的载体），电解质为一种能传导Li+的高分子 材料。这种锂离子电池的电池反应式为： Li+2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2 下列说法不正确的是（） A.放电时，负极的电极反应式：Li-e- Li+ B.充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原 反应 C.该电池不能用水溶液作为电解质 D.放电过程中Li+向负极移动 解析 A项，Li从零价升至正价，失去电子，作为负 极，正确；B项，反应逆向进行时，反应物只有一 种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反 应又发生还原反应，正确；C项，由于Li可以与水反 应，故应为非水材料，正确；D项，原电池中阳离子 应迁移至正极失电子，故错。 答案 D 角度四 新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移 动方向的判断 【知识基础】原电池中，阳离子移向正极，阴离子 移向负极，如Zn-Cu（稀H2SO4）电池中：H+移向 Cu极；SO 移向Zn极。电解池中，阳离子移向阴 极，阴离子移向阳极，符合带电微粒在电场中的运 动规律。 首先应分清电池是放电还是充电；再判断出正、负 极或阴、阳极，进而即可确定离子的移动方向。 【解题指导】 【典例导析4】（2008广东，16改编）LiFePO4电池具有稳 定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。 电池反应为：FePO4+Li LiFePO4,电池的正极材 料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为 电解质。下列有关LiFePO4电池说法不正确的是（ ） A.可加入硫酸以提高电解质的导电性 B.放电时电池内部Li+向正极移动 C.充电过程中，电池正极材料的质量减少 D.放电时电池正极反应为：FePO4+Li+e-LiFePO4 解析 由于Li能和稀H2SO4、H2O反应,因此电解质不 能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电池中， 阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动；充电 过程是电解的过程,电解池的阳极失电子,即LiFePO4 -e- Li+FePO4，因此阳极材料（LiFePO4）质量 会减少；将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正 极反应。综合上述分析可知D正确。 答案 D 迁移应用 3.（2009四川，29）新型锂离子电池在新能源的开 发中占有重要地位，可用作节能环保电动汽车的动 力电池。磷酸亚铁锂（LiFePO4）是新型锂离子电 池的首选电极材料，它的制备方法如下： 方法一：将碳酸锂、乙酸亚铁(CH3COO)2Fe、 磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研磨后，在 800左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚 铁锂,同时生成的乙酸及其他产物均以气体逸出。 方法二：将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合 溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为阴极，电 解析出磷酸亚铁锂沉淀。沉淀经过滤、洗涤、干燥 ，在800左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷 酸亚铁锂。 在锂离子的电池中，需要一种有机聚合物作为正、 负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体 之一（用M表示）的结构简式如下： 请回答下列问题： （1）上述两种方法制备磷酸亚铁锂的过程都必须在 惰性气体氛围中进行。其原因是 。 （2）在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、 乙酸外，还有、 、 （填化学 式）生成。 （3）在方法二中，阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应 式为 。 （4）写出M与足量氢氧化钠溶液反应的化学方程式： 。 （5）已知该锂离子电池在充电过程中，阳极的磷酸 亚铁锂生成磷酸铁，则该电池放电时正极的电极反 应式为 。 解析 （1）LiFePO4中有Fe2+，Fe2+容易被氧化，所以 制备LiFePO4时要在无氧条件下操作。 （2）根据信息给定的方法一所发生的反应中的反应 物和部分生成物，再根据元素守恒，可写出该反应 的化学方程式： Li2CO3+2(CH3COO)2Fe+2NH4H2PO4 2LiFePO4 +4CH3COOH+2NH3+H2O+CO2。 （3）方法二中，阳极Fe放电生成Fe2+，Fe2+再与 H2PO 、Li+反应生成LiFePO4。 （5）该锂离子电池在充电过程中，阳极的LiFePO4 生成FePO4,则该电池放电时正极的反应是FePO4生成 LiFePO4,其电极反应式是FePO4+Li+e- LiFePO4 。 答案（1）为防止亚铁化合物被氧化 （2）CO2H2ONH3 （3）Fe+H2PO +Li+-2e- LiFePO4+2H+ （4） （5）FePO4+Li+e- LiFePO4 电化学原理在生产、生活中的应用非常广泛， 在化学实验中的作用亦不可低估。如改变反应速率 、制备通常方法难以制备的物质等很多方面，现分 别列举如下： 应应用一 加快氧化还还原反应应的速率 一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电 池时反应速率增大。如实验室制H2时，在Zn与稀 H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，就能使产生H2的 反应速率加快。 实验突破 9.电化学原理在实验中的应用 应应用二 比较较金属活动动性的强弱 两种金属分别做原电池的两极时，一般作负 极的金属比作正极的金属活泼。 应应用三 制备备通常方法难难以制备备的物质质 电解是最强有力的氧化还原手段，可以制备F2 等氧化性很强的物质，也可以制备Na、Mg、Al等还 原性很强的物质等。 应应用四 利用有关量的关系进进行某些测测量或测测定 可以利用电子与物质间的关系测元素的相对 原子质量、阿伏加德罗常数等。 【典例导析1】 下图、分别是甲、乙两组同学 将反应AsO +2I-+2H+ AsO +I2+H2O设计 成的原电池 装置，其中C1、C2均为碳棒。甲组向图烧杯中逐 滴加入适量浓盐酸；乙组向图B烧杯中逐滴加入 适量40% NaOH溶液。 下列叙述正确的是（） A.甲组操作时，微安表指针发生偏转 B.甲组操作时，溶液颜色不变 C.乙组操作时，C2作正极 D.乙组操作时，C1上发生的电极反应式为I2+2e- 2I- 解析 甲组操作时发生的反应为AsO +2I- +2H+ AsO +I2+H2O，有碘单质生成，因此溶液的颜色变 深，但装置构成的原电池中两极直接接触（一极是 AsO /AsO ，另一极是I2/I-），呈短路状态， 因此 微安表中无电流通过，A、B错；乙组操作时，由 于向图B烧杯中逐滴加入烧碱，此时原电池发生的 反应为AsO +I2+H2OAsO +2I-+2H+，此时C2 棒上发生氧化反应，作负极，C1棒上发生还原反 应，作正极，电极反应式为I2+2e- 2I-。 答案 D 迁移应用 1.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: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：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.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、不 能雷同）： ， 用离子方程式表示其反应原理： 。 解析 比较或验证金属活动性方案有很多，可以 利用金属与酸反应的难易来判断或验证；也可以利 用原电池原理，负极是较活泼的金属；也可以利用 金属单质间的置换反应来完成。 答案 方案:Fe+2H+ Fe2+H2 方案: 2H+2e- H2 Fe-2e- Fe2+ 方案:把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观 察铁片表面是否生成红色物质 Fe+Cu2+ Cu+Fe2+ 2.（1）将锌片和银片浸入稀硫酸中组成原电池，两 电极间连接一个电流计。 锌片上发生的电极反应： ； 银片上发生的电极反应： 。 （2）若该电池中两电极的总质量为60 g，工作一段 时间后，取出锌片和银片洗净干燥后称重，总质量 为47 g，试计算： 产生氢气的体积（标准状况）； 若已知电子电荷为1.6010-19 C，通过导线的电 量为3.85104 C，试计算阿伏加德罗常数NA。 解析 （1）锌片与银片和稀硫酸构成原电池,锌片为 负极，发生氧化反应：Zn-2e-Zn2+;银片为正极, 发生还原反应：2H+2e- H2 。 （2）锌片与银片减少的质量等于生成氢气所消耗 的锌的质量，设产生的氢气体积为x。 Zn+2H+ Zn2+H2 65 g 22.4 L 60 g-47 g=13 g x x=13 g22.4 L65 g=4.48 L 反应消耗的锌为:13 g65 g/mol=0.20 mol 1 mol Zn变为Zn2+时，转移2 mol e-，则通过的电量可 表示为：0.20 mol2NA1.6010-19 C=3.85104 C 解之得：NA=6.021023 mol-1。 答案 （1）Zn-2e- Zn2+ 2H+2e- H2 （2）4.48 L 6.021023 mol-1 1.（2009浙江理综，12）市场上经常见到的标 记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它 的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为 金属锂的载体），电解质为一种能传导Li+的高 分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为： Li+2Li0.35NiO2 2Li0.85NiO2 下列说法不正确的是 ( ) A.放电时，负极的电极反应式：Li-e- Li+ B.充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生 还原反应 C.该电池不能用水溶液作为电解质 D.放电过程中Li+向负极移动 放电 充电 易错题重练 解析 A项，Li从零价升至正价，失去电子，作 为 负极，正确；B项，反应逆向进行时，反应物只有 一种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧 化反应又发生还原反应，正确；C项，由于Li可以 与水反应，故应为非水材料，正确；D项，原电池 中阳离子应迁移至正极失电子，故错。 答案 D 2.用酸性氢氧燃料电池电解苦卤水（含Cl-、Br- 、 Na+、Mg2+）的装置如图所示（a、b为石墨电 极）。下列说法中，正确的是 （ ） A.电池工作时，正极反应式为：O2+2H2O+4e- 4OH- B.电解时，a电极周围首先生成Cl2 C.电解时，电子流动路径是：负极外电路阴 极溶液阳极正极 D.忽略能量损耗，当电池中消耗0.02 g H2时，b 极 周围会产生0.02 g H2 解析 由于磷酸为电解质，电池的正极反应为 ： O2+4H+4e- 2H2O,A错；a电极与原电池正极 相 连，为电解池的阳极，由于Br-还原性强于Cl-，因 此Br-先放电，B错；电解时，电子流动路径是： 负极阴极，阳极正极，电子不能从溶液中通 过，C错；根据通过的电子守恒，当电池中消耗 0.02 g H2时，b极周围会产生0.02 g H2,D对。 答案 D 3.某同学按如图所示的装置进行实验，A、B为常 见金属，它们的硫酸盐可溶于水。当K闭合 后，在交换膜处 从右向左移动。下列分 析不正确的是 （ ） A.溶液中c(A2+)增大 B.B的电极反应：B-2e- B2+ C.y电极上有Cl2产生，发生氧化反应 D.反应初期x电极周围出现白色沉淀，随后沉 淀 消失 解析 选项A，当K闭合后，在交换膜处 从 右向左移动，说明A为原电池的负极，该极的金 属A失去电子：A-2e- A2+，c(A2+)增大；选 项 B，若金属B是不活泼金属，溶液中的B2+获得电 子生成B。选项D，x电极为阴极，y电极为阳极， 电解初期，AlCl3溶液中的H2O电离出的H+在x电极 获得电子生成H2，同时生成OH-，反应方程式为： 2H2O+2e- H2+2OH-，产生的OH-与Al3+ 结合生成Al(OH) 3沉淀。 答案 B 4.日常生活中常用的普通锌-锰干电池有7种物 质：NH3、Mn2O3、ZnCl2、MnO2、NH4Cl、Zn 和H2O，它们分别是锌-锰电池中氧化还原反 应 的反应物和生成物，该干电池的结构如图所 示。下列说法正确的是 （ ） A.普通锌-锰干电池中电解质溶液为ZnCl2、 MnCl2 B.石墨电极发生的反应为：2MnO2+2NH +2e- Mn2O3+2NH3+H2O C.放电时，NH 向负极移动 D.用该电池电解饱和AlCl3溶液，析出2.7 g Al时 ， 溶解9.75 g Zn 解析 选项A，题目提供的7种物质中，只有NH4Cl 和ZnCl2是可溶性的,分析元素价态变化可知Zn失 去电子为原电池的负极：Zn-2e- Zn2+，所以 电池中电解质溶液为NH4Cl；选项B，石墨为正极 材料，7种物质中，MnO2在该极获得电子生成 Mn2O3:2MnO2+2NH +2e- Mn2O3+2NH3+H2O；选 项C，正极消耗NH ，所以放电时NH 向正极移 动；选项D，根据离子的放电能力，电解饱和 AlCl3溶液时，首先是H+在阴极放电生成H2，而不 是析出Al。 答案 B 5.LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好 等优点，可用于电动汽车。电池反应为： FePO4+Li LiFePO4。电池的正极材料是 LiFePO4，负极材料是石墨，含有导电固体为 电 解质。下列有关LiFePO4电池的说法不正确的 是 ( ) A.可加入硫酸以提高电解质的导电性 B.放电时电池内部Li+向正极移动 C.充电过程中，电池正极材料的质量减少 D.放电时电池正极反应为：FePO4+Li+e- LiFePO4 放电 充电 解析 由于Li能和稀H2SO4、H2O反应，因此电解 质不能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电 池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移 动；充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电 子，即LiFePO4-e- Li+FePO4，因此阳极材料 （LiFePO4）质量会减少；将电解池阳极反应倒过 来就是原电池的正极反应。综合上述分析可知 B、C、D正确。 答案 A 1.电极