2018届一轮复习人教版化学电源学案

2018届一轮复习人教版化学电源学案

‎1．电池的分类：‎ ‎2．常见的化学电源 ‎（1）一次电池 普通锌锰电池 碱性锌锰电池 装置 电极 反应 负极：Zn−2e−Zn2+‎ 正极：2+2MnO2+2e−2NH3+Mn2O3+H2O 总反应：‎ Zn+2MnO2+2Zn2++2NH3+Mn2O3+H2O 负极：Zn+2OH−−2e−Zn(OH)2‎ 正极：2MnO2+2H2O+2e−2MnOOH ‎+2OH−‎ 总反应：‎ Zn + 2MnO2+2H2O2MnOOH+‎ 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)+(aq)−2e−PbSO4(s)　(氧化反应)‎ 正极：PbO2(s)+4H+(aq)+(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)+(aq)　(还原反应) ‎ 阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)−2e−PbO2(s)+4H+(aq)+(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+O22H2O 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)学科*网 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 直接甲醇燃料电池(DMFC)有望取代传统电池，它主要由阴极极板、阳极极板和膜电极构成，其中膜电极包括质子膜、催化剂层和气体扩散层(如图)。下列关于DMFC工作原理的叙述正确的是 A．通入O2的电极反应式为O2+4e−+2H2O4OH−‎ B．电池内部H+由正极渗过交换膜向负极移动 C．甲醇在正极发生反应，电流经过外电路流向负极 D．注入CH3OH的电极反应式为CH3OH+H2O−6e−CO2↑+6H+‎ ‎【答案】D ‎1．糖生物电池是一种酶催化燃料电池(EFC)，它使用便宜的酶代替贵金属催化剂，利用空气氧化糖类产生电流。下列有关判断不合理的是 A．该电池不宜在高温下工作 B．若该电池为酸性介质，正极反应式为O2+4e−+4H+===2H2O C．放电过程中，电池内阳离子向正极迁移 D．若该电池为碱性介质，以葡萄糖为原料并完全氧化，负极反应式为C6H12O6−24e−+6H2O===6CO2↑+‎ ‎24H+‎ 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1 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LiMn2O4Li1−xMn2O4+xLi C．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 ‎【答案】C ‎2．现在污水治理越来越引起人们重视，可以通过膜电池除去废水中的乙酸钠和对氯苯酚，其原理如图所示，下列说法正确的是 A．电流方向从B极沿导线经小灯泡流向A极 B．A极的电极反应式为+e−Cl−+‎ C．当外电路中有0.2 mol e−转移时，通过质子交换膜的H+的个数为0.2NA D．B极为电池的正极，发生还原反应 ‎1．某种聚合物锂离子电池放电时的反应为Li1－xCoO2＋LixC6===6C＋LiCoO2，其电池如图所示。下列说法不正确的是 A．放电时，LixC6发生氧化反应 B．充电时，Li＋通过交换膜从左向右移动，阴极反应式为6C＋xe－＋xLi＋===LixC6‎ C．充电时，将电池的负极与外接电源的负极相连 D．放电时，电池的正极反应为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2‎ ‎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NO向石墨Ⅱ电极迁移 C．石墨Ⅰ附近发生的反应：3NO2 ＋2e－===NO＋ 2NO 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．光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图，当光照在表面涂有氯化银的银片上时，AgCl (s)Ag (s)＋Cl(AgCl)，[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面]，接着Cl(AgCl)＋e－===Cl－ (aq)，若将光源移除，电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是 A．光照时，电流由X流向Y B．光照时，Pt电极发生的反应为2Cl－＋2e－===Cl2↑‎ C．光照时，Cl－向Pt电极移动 D．光照时，电池总反应为AgCl (s)＋Cu＋(aq)Ag(s)＋Cu2＋ (aq)＋Cl－(aq)‎ ‎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．世博会中国馆、主题馆等建筑使用光伏并网发电，总功率达4 MW，是历届世博会之最。通过并网，上海市使用半导体照明(LED)。已知发出白光的LED是由氮化镓(GaN)芯片与钇铝石榴石(YAG，化学式：Y3Al5O12)芯片封装在一起做成的。下列有关叙述正确的是 A．光伏电池实现了太阳能和电能的相互转化 B．图中N型半导体为正极，P型半导体为负极 C．电流从a流向b D．LED中的Ga和Y都显＋3价 ‎6．研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl。下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是 A．正极反应式：Ag＋Cl－－e－===AgCl B．每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子 C．Na＋不断向“水”电池的负极移动 D．AgCl是还原产物 ‎7．有一种新颖的固体氧化物型燃料电池(SOFC)，该电池工作时，一极通入空气，另一极通入丁烷；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在高温熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池说法正确的是 A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极 B．电池的总反应式：2C4H10＋13O28CO2＋10H2O C．通入空气的一极是正极，电极反应式：O2－4e－===2O2－‎ D．通入丁烷的一极是正极，电极反应式：C4H10＋26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O ‎8．将CH4设计成燃料电池，其利用率更高，装置如图所示(A、B为多孔性碳棒)持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积V L。则下列说法正确的是 A．OH－由A端移向B端 B．0＜V≤22.4 L时，电池总反应的化学方程式为CH4 ＋ 2O2 ＋ KOH===KHCO3 ＋ 2H2O C．22.4 L＜V≤44.8 L时，负极电极反应为CH4 －8e－ ＋ 9CO＋3H2O===10HCO D．V＝33.6 L时，溶液中阴离子浓度大小关系为c(CO )＞c(HCO )＞c(OH－)‎ ‎9．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：‎ ‎（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是______________，在导线中电子流动方向为________(用a、b表示)。‎ ‎（2）负极反应式为________________。‎ ‎（3）电极表面镀铂粉的原因为：______________________。‎ ‎（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：‎ Ⅰ.2Li+H22LiH Ⅱ.LiH+H2O===LiOH+H2↑‎ ‎①反应Ⅰ中的还原剂是________，反应Ⅱ中的氧化剂是________。‎ ‎②已知LiH固体密度为‎0.82 g·cm−3，用锂吸收‎224 L(标准状况)H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为_______。‎ ‎③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。‎ ‎1．[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 ‎2．[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−+2H2O2。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− D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)‎ ‎3．[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+LixC6LiCoO2+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+‎ ‎4．[2016·浙江]金属(M)−空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M+nO2+2nH2O4M(OH)n。‎ 已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是 A．采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面 B．比较Mg、Al、Zn三种金属−空气电池，Al−空气电池的理论比能量最高 C．M−空气电池放电过程的正极反应式：4Mn++nO2+2nH2O+4ne−4M(OH)n D．在Mg−空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜 ‎5．[2015·新课标Ⅰ]微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是 A．正极反应中有CO2生成 B．微生物促进了反应中电子的转移 C．质子通过交换膜从负极区移向正极区 D．电池总反应为C6H12O6+6O26CO2+6H2O 变式拓展 ‎1．【答案】D ‎【解析】酶在高温下会失去生理活性，A项合理；若该电池为酸性介质，则H+会在正极与O2发生反应，正极反应式为：O2+4e−+4H+===2H2O，B项合理；根据原电池反应原理可知，放电过程中阳离子移向正极，C项合理；若该电池为碱性介质，则负极反应式为C6H12O6+36OH−−24e−===6+24H2O，D项不合理。‎ ‎2．【答案】C 考点冲关 ‎1．【答案】B ‎【解析】放电时为原电池，C元素化合价升高，发生氧化反应，A正确；充电时为电解池，阳离子移向阴极，左侧为电解池的阴极，发生反应为6C＋xe－＋xLi＋===LixC6，则Li＋由右向左移动，B错误；放电时电池的负极发生氧化反应，则充电时负极应该发生还原反应，故与外接电源的负极相连，C正确；放电时正极发生获得电子的还原反应，D正确。‎ ‎2．【答案】D ‎【解析】石墨Ⅱ通入氧气，发生还原反应，为原电池的正极，电极方程式为O2＋2N2O5＋4e－===4NO，A错误；原电池中阴离子移向负极，NO向石墨Ⅰ电极迁移，B错误；石墨Ⅰ为原电池的负极，发生氧化反应，电极方程式为NO2＋NO－e－===N2O5，C错误；电极方程式分别为NO2＋NO－e－===N2O5、O2＋2N2O5＋4e－===4NO，则放电过程中消耗的NO2和O2的体积比为4∶1，D正确。‎ ‎3．【答案】B ‎【解析】该装置中氯原子在银电极上得电子发生还原反应，所以银作正极、铂作负极。光照时，电流从正极银X流向负极铂Y，A正确；光照时，Pt电极作负极，负极上亚铜离子失电子发生氧化反应，电极反应式为Cu＋(aq)－e－===Cu2＋‎ ‎(aq)，B错误；光照时，该装置是原电池，银作正极，铂作负极，电解质中氯离子向负极铂移动，C正确；光照时，正极上氯原子得电子发生还原反应，负极上亚铜离子失电子，所以电池反应式为AgCl(s)＋Cu＋(aq)Ag(s)＋Cu2＋(aq)＋Cl－(aq)，D正确。‎ ‎4．【答案】C ‎【解析】该原电池为甲烷燃料电池，通入燃料的电极为负极、通入氧化剂的电极为正极，负极反应式为CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O，正极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO，负极上产生的二氧化碳可以为正极所利用，所以A是负极，B是正极。燃料电池中通入燃料的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，原电池放电时，阳离子向正极移动，Li＋、K＋向右侧电极移动，A错误；外电路中电子由负极流向正极，即从左侧电极移向右侧电极，B错误；负极反应式为CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O，正极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO，通入1 mol甲烷气体时，左侧电极上生成5 mol CO2，C正确；相同条件下通入气体B与气体C的体积比为1∶2，D错误。‎ ‎5．【答案】D ‎6．【答案】B ‎【解析】由电池总反应式可知，银失去电子被氧化得氧化产物，即银作负极，产物AgCl是氧化产物，A、D都不正确；化合物Na2Mn5O10中Mn元素的化合价是＋价，所以每生成1 mol Na2Mn5O10转移电子的物质的量为(4－)×5＝2 mol，B正确；在原电池中阳离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移动，C错误。‎ ‎7．【答案】B ‎【解析】由题意可知，通入丁烷的电极是负极，发生氧化反应，通入空气的电极是正极，发生还原反应。熔融电解质中，O2－由正极移向负极，A错误、B正确；电极反应式为O2＋4e－===2O2－，C错误；通入丁烷的一极应是负极，电极反应式为C4H10－26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O，D错误。‎ ‎8．【答案】C ‎【解析】燃料电池中，通入CH4的一端为原电池的负极，通入空气的一端为原电池的正极，n(KOH)＝2 mol·L－1×1 L＝2 mol，可能先后发生反应①CH4＋2O2===CO2＋2H2O，②CO2＋2KOH===K2CO3＋H2O，③K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3，在原电池中阴离子向负极移动，OH－由B端移向A端，A错误；当0＜V≤22.4 L时，0＜n(CH4)≤1 mol，则0＜n(CO2)≤1 mol，只发生反应①②‎ ‎，且KOH过量，则电池总反应式为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，B错误；当22.4 L＜V≤44.8 L，1 mol＜n(CH4)≤2 mol，则1 mol＜n(CO2)≤2 mol，发生反应①②③，得到K2CO3和KHCO3溶液，则负极反应式为CH4－8e－＋9CO＋3H2O===10HCO，C正确；当V＝33.6 L时，n(CH4)＝1.5 mol，n(CO2)＝1.5 mol，则电池总反应式为3CH4＋6O2＋4KOH===K2CO3＋2KHCO3＋7H2O，则得到0.5 mol K2CO3和1 mol KHCO3的溶液，则c(HCO)＞c(CO)＞c(OH－)，D错误。学@科网 ‎9．【答案】（1） 由a到b 由化学能转变为电能 ‎（2） 2H2+4OH−−4e−===4H2O(或H2+2OH−−2e−===2H2O)‎ ‎（3） 增大电极单位面积吸附H2、O2分子数，加快电极反应速率 ‎（4）①Li H2O ② ③32‎ ‎③LiH+H2O===LiOH+H2↑‎ ‎8 g‎ 1 mol ‎160 g LiH与H2O作用生成20 mol H2，H2完全被氧化失40 mol电子，若能量转化率为80%，则导线中通过的电子的物质的量为40 mol×80%＝32 mol。‎ 直通高考 ‎1．【答案】D ‎【解析】A．原电池工作时，Li+向正极移动，则a为正极，正极上发生还原反应，随放电的进行可能发生多种反应，其中可能发生反应2Li2S6+2Li++2e−=3Li2S4，故A正确；B．原电池工作时，转移0.02 mol电子时，氧化Li的物质的量为0.02 mol，质量为0.14 g，故B正确；C．石墨烯能导电，S8不能导电，利用掺有石墨烯的S8材料作电极，可提高电极a的导电性，故C正确；D．电池充电时间越长，转移电子数越多，生成的Li和S8越多，即电池中Li2S2的量越少，故D错误。答案为A。‎ ‎2．【答案】C ‎【解析】本题的解题关键是电极反应式的书写，首先根据氧化还原反应与原电池的关系，正确判断出Zn为电池负极，O2在正极获得电子，正极反应为O2+4e−+2H2O4OH−，该电极反应极为重要，1 mol O2反应转移4 mol电子，常用于相关计算。A、充电时阳离子向阴极移动，故错误；B、放电时总反应为：2Zn+O2+4KOH+2H2O===2K2Zn(OH)4，则充电时生成氢氧化钾，溶液中的氢氧根离子浓度增大，故错误；C、放电时，锌在负极失去电子，故正确；D、标准状况下22.4 L氧气的物质的量为1 mol，对应转移4 mol电子，故错误。‎ ‎3．【答案】C ‎4．【答案】C ‎【解析】明确原电池内部离子的移动方向。A项，采用多孔电极可以增大电极与电解质溶液的接触面积，且有利于氧气扩散至电极表面，正确；B项，根据“已知”信息：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能，可知单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多，则得到的电能越多，假设质量都是1g时，这三种金属转移电子物质的量分别为、、，所以铝的比能量比Mg、Zn的高，正确；C项，M−空气电池放电过程中，正极为氧气得到电子生成OH−，错误；D项，为了避免正极生成的OH−移至负极，应选用阳离子交换膜，正确。‎ ‎5．【答案】A ‎【解析】本题考查原电池知识，意在考查考生的理解和记忆能力，以及分析、判断能力。负极发生氧化反应，生成CO2气体，A项错误；微生物电池中的化学反应速率较快，即微生物促进了反应中电子的转移，B项正确；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，C项正确；电池总反应是C6H12O6与O2反应生成CO2和H2O，D项正确。‎