2022届新高考化学二轮复习原电池化学电源学案

原电池化学电源1.(2021·山东等级考)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池，下列说法正确的是 ()A.放电过程中，K+均向负极移动B.放电过程中，KOH物质的量均减小C.消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大D.消耗1molO2时，理论上N2H4-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L【解析】选C。碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反应为N2H4+O2=N2+2H2O；(CH3)2NNH2中C和N的化合价均为-2价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O，据此结合原电池的工作原理分析解答。A.根据放电过程为原电池工作原理，钾离子均向正极移动，A错误；B.根据上述分析可知，N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗KOH，所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应可知，KOH的物质的量减小，B错误；C.理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg，则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是eq\f(mg,32g·mol－1)×6、eq\f(mg,32g·mol－1)×4、eq\f(mg,60g·mol－1)×16，通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大，C正确；D.根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1molO2生成的氮气的物质的量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误。2.(2021·广东选择考)火星大气中含有大量CO2，一种有CO2参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时 ()A.负极上发生还原反应B.CO2在正极上得电子C.阳离子由正极移向负极D.将电能转化为化学能【解析】选B。根据题干信息可知，放电时总反应为4Na+3CO2=2Na2CO3+C。放电时负极上Na发生氧化反应失去电子生成Na+，故A错误；放电时正极为CO2得到电子生成C，故B正确；放电时阳离子由负极移向正极，故C错误；放电时装置为原电池，能量转化关系为化学能转化为电能，故D错误。3.(2020·全国卷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Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))B.放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC.充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))=2Zn+O2↑+4OH-+2H2OD.充电时，正极溶液中OH-浓度升高【解析】选D。放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，故A正确；放电时，CO2转化为HCOOH，C元素化合价降低2，则1molCO2转化为HCOOH时，转移电子数为2mol，故B正确；充电时，阳极上H2O转化为O2，负极上Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))转化为Zn，电池总反应为2Zn(OH)eq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))=2Zn+O2↑+4OH-+2H2O，故C正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑，溶液中H+浓度增大，溶液中c(H+)·c(OH-)=KW，温度不变时，KW不变，因此溶液中OH-浓度降低，故D错误。4.(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-=VOeq\o\al(\s\up1(3－),\s\do1(4))+2B(OH)eq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))+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)eq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))+4VOeq\o\al(\s\up1(3－),\s\do1(4))D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极【解析】选B。该电池中O2在正极发生的反应为O2+2H2O+4e-=4OH-，所以负载通过0.04mol电子时，有0.224L(标准状况)O2参与反应，A正确；根据正负极电极反应式可知使用过程中负极区溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高，B错误；根据两极电极反应式可知电池总反应为4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)eq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(4))+4VOeq\o\al(\s\up1(3－),\s\do1(4))，C正确；VB2电极和复合碳电极分别为电池的负极、正极，根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极，D正确。1.试题特点原电池、化学电源是氧化还原反应知识的应用和延伸，高考试题中一定涉及，试题注重了题材的生活化、实用化、情境化，同时也加强了不同知识间的相互渗透与融合，试题的背景较为新颖，通常考查的知识点是从闭合回路的形成角度分析原电池、化学电源的工作原理，电极的判断，电极反应式的书写，电子的转移或电流的方向和溶液中离子的移动方向的判断。2.命题角度预计高考会继续以新型电池为背景的选择题和以电极反应式书写为主的填空题，考查化学电源中正负极的判断、电极反应式的书写及有关化学电源的计算等知识点。原电池的工作原理及正负极的判断1.原电池的结构及工作原理(以Cu、Zn和稀硫酸构成的原电池为例)负极装置正极活泼金属，电子流出，阴离子移向负极，发生氧化反应“惰性”材料，电子流入，阳离子移向正极，发生还原反应Zn-2e-=Zn2+总反应：2H++Zn=H2↑+Zn2+2H++2e-=H2↑化学能→电能2.原电池正、负极的判断：(1)依据构成原电池两极的电极材料判断。一般是较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。(2)依据原电池两极发生反应的类型判断。负极发生氧化反应，正极发生还原反应。(3)依据电子流向或电流方向判断。在外电路中，电子由负极流向正极，电流由正极流向负极。(4)依据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断。阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。(5)依据原电池盐桥中离子的移动方向判断。阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。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。写出正极与负极反应的电极反应式。负极：______________________；

正极：______________________。

【解析】左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成MV2+，电极反应式为MV+-e-=MV2+，放电生成的MV2+在氢化酶的作用下与H2反应生成H+和MV+，反应的方程式为H2+2MV2+=2H++2MV+。答案：MV+-e-=MV2+MV2++e-=MV+【补偿训练】固体电解质可以通过离子迁移传递电荷，利用固体电解质RbAg4I5可以制成电化学气敏传感器，其中迁移的物种全是Ag+。如图是一种测定O2含量的气体传感器示意图，O2可以透过聚四氟乙烯薄膜，根据电池电动势变化可以测得O2的含量。(1)根据电极材料判断，银电极为极。

(2)写出电极反应式：负极：。

正极：。

答案：(1)负(2)Ag-e-=Ag+I2+2Ag++2e-=2AgI二次电池的工作原理1.二次电池充放电时电极对应关系2.可充电电池电极反应的书写(1)列物质写式子负极反应式：符合“还原剂-ne-→氧化产物”的形式；正极反应式：符合“氧化剂+ne-→还原产物”的形式。(2)看环境配守恒检查是否符合原子守恒、电荷守恒；若是酸性介质：多余的“O”，加“H＋”转化为H2O，不能出现OH－；若是碱性介质：多余的“O”加“H2O”转化为OH－，不能出现H＋。若是在熔融态电解质中进行的反应，则可添加熔融态电解质中的相应离子。例如：全钒液流电池的总反应为VOeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do1(2))+2H++V2+V3++VO2++H2O。正极反应式先写成：VOeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do1(2))+e-VO2+，多余的“O”，加“H”转化为H2O，则正极反应式为VOeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do1(2))+2H++e-=VO2++H2O。(3)两式加验总式两电极反应式相加，与总反应式对照验证(对于较复杂的电极反应式，可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到)。某高能LiFePO4电池工作原理为(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCnLiFePO4+nC。写出下列反应的电极反应式：正极：_____________________；

阳极：_____________________。

【解析】根据电池工作原理：(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCnLiFePO4+nC可知，放电时为原电池，C的化合价升高，发生失电子的氧化反应，电极反应式为LixCn-xe-=xLi++nC，则LixCn所在电极为负极，FePO4所在电极为正极，发生得电子的还原反应，正极电极反应式为xFePO4+xLi++xe-=xLiFePO4；充电时为电解池，原电池的正、负极分别与电源的正、负极相接、作电解池的阳极、阴极，阳、阴极电极反应与原电池正、负极的恰好相反。放电时，正极上FePO4发生得电子的还原反应，电极反应为xFePO4+xLi++xe-=xLiFePO4；充电时，阳极上LiFePO4失电子发生氧化反应，阳极的电极反应为LiFePO4-e-=FePO4+Li+。答案：xFePO4+xLi++xe-=xLiFePO4LiFePO4-e-=FePO4+Li+【补偿训练】2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一种锂离子电池的结构如图所示，电池反应式为LixC6+Li1-xCoO2C6+LiCoO2(x<1)。写出下列反应的电极反应式：正极：_____________________，

负极：_____________________；

阳极：_____________________，

阴极：_____________________。

【解析】根据电池总反应式：LixC6+Li1-xCoO2C6+LiCoO2(x<1)可知，Li的化合价升高、发生失去电子的氧化反应，则b电极为负极，负极反应式为LixC6-xe-=C6+xLi+；Co的化合价降低、发生得电子的还原反应，a电极为正极，正极反应式为Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2。放电时，阳离子移向正极、阴离子移向负极；充电时，阴极、阳极分别与外电源的负极、正极相接。答案：Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2LixC6-xe-=C6+xLi+LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi++xe-C6+xLi++xe-=LixC6关于新型化学电源的计算新型化学电源解题步骤以柏林绿Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池，其放电工作原理如图所示。下列说法错误的是 ()A.放电时，Na+由右室移向左室B.放电时，Mg箔为负极，该电极发生氧化反应C.充电时，阳极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]-2e-=Fe[Fe(CN)6]+2Na+D.用铅蓄电池为该电池充电时，当有0.2mol电子转移时，Pb电极质量减少20.7g【解析】选D。由图可知，右室镁失电子发生氧化反应，Mg箔为负极，则Mo箔为正极，所以放电时，Na+由右室移向左室，A、B正确；充电时，Mo(钼)箔接电源的正极，是电解池的阳极，阳极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]-2e-=Fe[Fe(CN)6]+2Na+，C正确；外电路中通过0.2mol电子的电量时，Pb电极发生的反应为SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))+Pb-2e-=PbSO4，质量增加了9.6g，D错误。【典例】(2020·天津等级考)熔融钠-硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电池。如图中的电池反应为2Na+xSNa2Sx(x=5～3，难溶于熔融硫)。下列说法错误的是 ()A.Na2S4的电子式为Na＋[eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))]2－Na＋B.放电时正极反应为xS+2Na++2e-=Na2SxC.Na和Na2Sx分别为电池的负极和正极D.该电池是以Na-β-Al2O3为隔膜的二次电池【解析】选C。Na2S4为离子化合物，构成离子为Na＋、Seq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，电子式为Na＋[eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))eq\o(S,\s\up6(··),\s\do4(··))eq\o\al(\s\up1(·),\s\do1(·))]2－Na＋，A项正确；根据电池总反应，放电时正极上S发生还原反应，且Na＋向正极移动参与反应，电极反应为xS＋2Na＋＋2e－=Na2Sx，B项正确；Na为电池的负极，S为电池的正极，C项错误；根据电池总反应及示意图，可知该电池是以Na­β­Al2O3为隔膜的二次电池，D项正确。(物质不变装置变)钠—硫电池是一种以熔融金属钠和熔融非金属硫为电极材料，以陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。如图所示为钠—硫电池的工作原理，根据图示判断下列叙述正确的是 ()A.该电池的优点是容量大，使用温度为常温，便于操控B.放电时，负极反应式为xS+2Na++2e-=Na2SxC.充电时，e为充电器正极，f为负极D.充电时，阴极反应式为Na++e-=Na【解析】选D。由题干信息熔融状态的钠和硫可知该电池不能在常温下工作，A项错误；放电时是原电池，钠在负极发生失去电子的氧化反应，硫在正极发生得到电子的还原反应，正极反应式为xS+2Na++2e-=Na2Sx，B项错误；放电时，a为电池负极，b为正极，则充电时，电池正极接充电器正极，负极接充电器负极，即充电时，e为充电器负极，f为正极，C项错误；充电时，Na+在阴极得电子生成Na，则充电时，阴极反应式为Na++e-=Na，D项正确。解答可逆电池试题的思维模型常规原电池1.(2021·潍坊重点高中高三联考)我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是 ()A.a为电池的正极B.电池充电反应为LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLiC.放电时，a极锂的化合价发生变化D.放电时，溶液中Li+从b向a迁移【解析】选C。原电池放电时，D电极Li失电子，作负极，电极反应式：Li-e-=Li+；a极作正极，LiMn2O4得电子，电极反应式：Li1-xMn2O4+xe-+xL+=LiMn2O4，总反应式：Li1-xMn2O4+xLi=LiMn2O4。Li发生氧化反应，所以a为正极，故A正确；电池充电反应为LiMn2O4=Li1-xMn2O4+xLi，故B正确；放电时，b极锂的化合价升高发生氧化反应，故C错误；a为正极，放电时溶液中Li+从b向a迁移，故D正确。可充电电池2.(2021·衡水中学二模)利用碳纳米管能够吸附氢气，设计一种新型二次电池，其装置如图所示。关于该电池的叙述不正确的是 ()A.电池放电时K+移向正极B.电池放电时负极反应为H2-2e-+2OH-=2H2OC.电池充电时镍电极上NiOOH转化为Ni(OH)2D.电池充电时碳纳米管电极与电源的负极相连【解析】选C。原电池放电时，阳离子向正极移动，A项正确；该电池中H2在负极上失电子，发生氧化反应，因电解质溶液为碱性溶液，故OH-参与反应，B项正确；放电时，正极(镍电极)上发生化合价降低的还原反应，即由NiOOH转化为Ni(OH)2，充电时正好相反，由Ni(OH)2转化为NiOOH，C项错误；充电时，该新型二次电池在外加电流的作用下，碳纳米管电极上发生还原反应，故碳钠米管电极作阴极，与电源负极相连，D项正确。3.(2021·武汉一中高三第二次模拟)中国科学院研发了一种新型钾电池，有望成为锂电池的替代品。该电池的电解质为CF3SO3K溶液，其简要组成如图所示。电池放电时的总反应为2KC14H10+xMnFe(CN)6=2K1-xC14H10+xK2MnFe(CN)6，则下列说法中，正确的是 ()A.放电时，电子从电极A经过CF3SO3K溶液流向电极BB.充电时，电极A质量增加，电极B质量减少C.放电时，CF3SO3K溶液的浓度变大D.充电时，阳极反应为K2MnFe(CN)6-2e-=2K++MnFe(CN)6【解析】选D。放电时，该装置为原电池装置，即放电时电子不可能经过电解质溶液，故A错误；放电时，负极(电极B)反应式为KC14H10-xe-=K1-xC14H10+xK+，正极(电极A)反应式为MnFe(CN)6+2e-+2K+=K2MnFe(CN)6，充电时应将放电反应倒过来看，显然电极A的质量是减少的，电极B的质量是增加的，故B错误；根据B分析，放电时，CF3SO3K溶液的浓度不发生变化，故C错误；充电时，电池的正极接电源的正极，充电时的电极反应式应是放电时电极反应逆过程，即阳极反应式为K2MnFe(CN)6-2e-=2K++MnFe(CN)6，故D正确。燃料电池4.(2021·东营一模)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，下列说法错误的是 ()A.b电极发生还原反应：4H++O2+4e-=2H2OB.电路中有4mol电子发生转移，大约消耗标准状况下22.4L空气C.维持两种细菌存在，该装置才能持续将有机物氧化成CO2并产生电子D.HS-在硫氧化菌作用下转化为SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))的反应是HS-+4H2O-8e-=SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))+9H+【解析】选B。燃料电池通氧气的电极为正极，则b电极为正极，发生还原反应，电极反应为4H＋＋O2＋4e－=2H2O，故A正确；电路中有4mol电子发生转移，消耗氧气的物质的量为eq\f(4mol,4)＝1mol，标准状况下体积为22.4L，则大约消耗标准状况下空气22.4L×5＝112L，故B错误；硫酸盐还原菌可以将有机物氧化成二氧化碳，而硫氧化菌可以将HS－氧化成SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，则两种细菌存在，就会循环把有机物氧化成CO2放出电子，故C正确；负极上HS－在硫氧化菌作用下转化为SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，失电子发生氧化反应，电极反应式是HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋9H＋，故D正确。【补偿训练】1.(2021·济南历城二中模拟)法国格勒诺布尔(Grenoble)约瑟夫·傅立叶大学的研究小组发明了第一块可植入人体为人造器官提供电能的葡萄糖生物燃料电池，其基本原理是葡萄糖和氧气在人体中酶的作用下发生反应：C6H12O6+6O2eq\o(=,\s\up7(酶))6CO2+6H2O(酸性环境)。下列有关该电池的说法不正确的是 ()A.该生物燃料电池不可以在高温下工作B.电池的负极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2↑+24H+C.消耗1mol氧气时转移4mole-，H+向负极移动D.今后的研究方向是设法提高葡萄糖生物燃料电池的效率，从而使其在将来可以为任何可植入医疗设备提供电能【解析】选C。酶在