2018届一轮复习苏教版新型化学电源学案

2018届一轮复习苏教版新型化学电源学案

新型化学电源 ‎[课时诠释]‎ 随着全球能源逐渐枯竭，研发、推广新型能源迫在眉睫，因此，化学中的新型电源，成为科学家研究的重点方向之一，也成了高考的高频考点。高考中的新型化学电源，有“氢镍电池”、“高铁电池”、“锌锰碱性电池”、“海洋电池”、“燃料电池”、“锂离子电池”、“银锌电池”、“纽扣电池”等，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。由于该类试题题材广、信息新、陌生度大，因此许多考生感觉难度大。虽然该类试题题材新颖，但应用的解题原理还是原电池的知识，只要细心分析，实际上得分相对比较容易。‎ 微点聚焦一　新型燃料电池的分析与判断 燃料电池(Fuel Cell)是利用氢气、碳、甲醇、硼氢化物、天然气等为燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化成电能的一类原电池。其特点是：(1)有两个相同的多孔电极，同时电极不参与反应 (掺杂适当的催化剂)。(2)不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内 。(3)能量转换率较高，超过80%(普通燃烧能量转换率30%多) 。‎ ‎[典题示例]‎ ‎【示例1】 (2016·课标全国Ⅲ，11)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[Zn(OH)4]2－。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－===[Zn(OH)4]2－‎ D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)‎ 解析　A项，充电时，电解质溶液中K＋向阴极移动，错误；B项，充电时，总反应方程式为2[Zn(OH)4]2－2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，所以电解质溶液中c(OH－)逐渐增大，错误；C项，在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2＋‎ 将与OH―结合生成[Zn(OH)4]2－，正确；D项，O2～4e－，故电路中通过2 mol电子，消耗氧气0.5 mol，在标准状况体积为11.2 L，错误。‎ 答案　C ‎【解法指导】‎ 理顺书写燃料电池电极反应式的三大步骤 ‎1．先写出燃料电池总反应式 虽然可燃性物质与氧气在不同的燃料电池中电极反应不同，但其总反应方程式一般都是可燃物在氧气中的燃烧反应方程式。由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物还可能要与电解质溶液反应，然后再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式相加，从而得到总反应方程式。‎ ‎2．再写出燃料电池正极的电极反应式 由于燃料电池正极都是O2得到电子发生还原反应，基础反应式为O2＋4e－===2O2－，由于电解质的状态和电解质溶液的酸碱性不同，电池正极的电极反应也不相同。电解质为固体时，该固体电解质在高温下可允许O2－在其间自由通过，此时O2－不与任何离子结合，正极的电极反应式为O2＋4e－===2O2－。电解质为熔融的碳酸盐时，正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。当电解质为中性或碱性环境时，正极的电极反应式为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；当电解质为酸性环境时，正极的电极反应式为：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。‎ ‎3．最后写出燃料电池负极的电极反应式 由于原电池是将氧化还原反应中的氧化反应和还原反应分开在两极(负、正两极)上发生，故燃料电池负极的电极反应式＝燃料电池总反应式－燃料电池正极的电极反应式。在利用此法写出燃料电池负极的电极反应式时一要注意消去总反应和正极反应中的O2，二要注意两极反应式和总反应式电子转移相同。[来源:学科网]‎ ‎[体验感悟]‎ ‎1．(2017·保定模拟)液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如下图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是(　　)‎ A．b极发生氧化反应 B．a极的反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O C．放电时，电流从a极经过负载流向b极 D．其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜 解析　燃料电池燃料(N2H4)在负极(a极)发生氧化反应N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，O2在正极发生还原反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，A项错误，B项正确；放电时电流由正极流向负极，C项错误；OH－在正极生成，移向负极消耗，所以离子交换膜应让OH－通过，故选用阴离子交换膜，D项错误。‎ 答案　B ‎2．如图为一种微生物燃料电池结构示意图，关于该电池叙述正确的是(　　)‎ A．分子组成为Cm(H2O)n的物质一定是糖类 B．微生物所在电极区放电时发生还原反应 C.放电过程中，H＋从正极区移向负极区 D．正极反应式为：MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O 解析　分子组成为Cm(H2O)n的物质不一定是糖类，如乙酸的分子组成为C2(H2O)2，A错误；由电池示意图可知，微生物所在电极区Cm(H2O)n转化为CO2，发生的是氧化反应，是负极，则另一极是正极，MnO2发生还原反应在酸性条件下生成Mn2＋，B错误，D正确；放电时发生的是原电池反应，H＋应该从负极区移向正极区，C错误。‎ 答案　D ‎【解题模板】‎ ‎3．(解题规范)SO2、CO、CO2、NOx是对环境影响较大的几种气体，对它们的合理控制和治理是优化我们生存环境的有效途径。‎ ‎(1)利用电化学原理将CO、SO2转化为重要化工原料，装置如图所示：‎ ‎①若A为CO，B为H2，C为CH3OH，则通入CO的一极为________极。‎ ‎②若A为SO2，B为O2，C为H2SO4，则负极的电极反应式为_________________________________________________________________。‎ ‎③若A为NH3，B为O2，C为HNO3，则正极的电极反应式为_________________________________________________________________。‎ ‎(2)某研究小组利用下列装置用N2O4生产新型硝化剂N2O5。‎ ‎①现以H2、O2、熔融盐Na2CO3组成燃料电池，采用电解法制备N2O5，装置如图所示，其中Y为CO2。在该电极上同时还引入CO2的目的是__________________________________________________________________。‎ ‎②电解过程中，生成N2O5的电极反应方程式为_________________________________________________________________。‎ 标准答案 评分细则 ‎(1)①正　②SO2－2e－＋2H2O===SO＋4H＋‎ ‎③O2＋4e－＋4H＋===2H2O ‎(2)①在电极上与O2共同转化为CO，‎ ‎(1)②不配平不给分，写成：SO2＋2H2O===SO＋4H＋＋2e－不扣分 ‎③漏掉电荷或未配平不给分 ‎(2)①其他合理解释也可给分 保持熔融盐成分不变　②N2O4＋2HNO3－2e－===2N2O5＋2H＋‎ ‎②HNO3拆写成离子不给分 ‎【规范点评】‎ 学生在解答Ⅱ卷题目时，不能挖掘出题干所隐含信息，不能把所学知识灵活地运用到解题上，如本题第(1)①问CO和H2合成甲醇过程是H元素化合价升高，碳元素化合价降低过程，因此H2被氧化作负极，CO被还原作正极；另外在写半反应时有些学生粗心大意，把正极写成负极，把阴极反应写成阳极反应而失分，这种不规范的审答题习惯应引起注意。‎ 微点聚焦二　可充电电池　(对应学生用书P149)‎ 对于一般的电池而言，充电电池具有一定的可逆性，在放电时，它是原电池装置；在充电时，它是电解过程，是一种经济、环保、电量足、适合大功率、长时间使用的电器。‎ ‎[典题示例]‎ ‎【示例2】 (2016·四川理综，5)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池的总反应为：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＋‎ 解析　放电时，负极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋C6，正极反应为Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2，A、B正确；充电时，阴极反应为：xLi＋＋C6＋xe－===LixC6，转移1 mol e－时，石墨C6电极将增重 7 g，C项错误；充电时，阳极反应为放电时正极反应的逆反应：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋，D项正确。‎ 答案　C ‎【解法归纳】‎ 可充电电池电极反应式的书写技巧 书写可充电电池电极反应式时，一般都是先书写放电的电极反应式。书写放电时的电极反应式时，一般要遵守三个步骤：第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，找出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液反应)；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。‎ 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。根据正确书写的电极反应式，可顺利判断各电极周围溶液pH的变化。‎ ‎[体验感悟]‎ ‎1．(2014·天津理综，6)已知：锂离子电池的总反应为：LixC＋Li1－xCoO2C＋LiCoO2‎ 锂硫电池的总反应为：2Li＋SLi2S 有关上述两种电池说法正确的是(　　)‎ A．锂离子电池放电时，Li＋向负极迁移 B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应 C．理论上两种电池的比能量相同 D．如图表示用锂离子电池给锂硫电池充电 解析　A项，在原电池内部，阳离子应移向正极，错误；二次电池充电过程为电解的过程，阴极发生还原反应，B项正确；C项，比能量是指这种电池单位质量或单位体积所能输出的电能，当二者质量相同时，转移电子的物质的量不相等，即比能量不同，错误；D项，左边装置已经是放完电的电池，应为锂硫电池给锂离子电池充电，错误。‎ 答案　B ‎2.(2016·温州返校联考)装置(Ⅰ)为铁镍(Fe－Ni)可充电电池：Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2；装置(Ⅱ)为电解示意图。当闭合开关K时，Y附近溶液先变红。下列说法正确的是(　　)‎ A．闭合K时，X的电极反应式为：2H＋＋2e－===H2↑‎ B．闭合K时，A电极反应式为：NiO2＋2e－＋2H＋===Ni(OH)2‎ C．给装置(Ⅰ)充电时，B极参与反应的物质被氧化 D．给装置(Ⅰ)充电时，OH－通过阴离子交换膜移向A电极 解析　当闭合开关K时，Y附近溶液先变红，说明Y电极处H2O得电子生成H2和OH－，Y为阴极，则X为阳极，Cl－在阳极上失去电子，电极反应式为：2Cl－－2e－===Cl2↑，A项错误；A为正极，电极反应式为：NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，B项错误；给装置(Ⅰ)充电时，B为阴极，B极参与反应的物质得电子，被还原，C项错误；给装置(Ⅰ)充电时，A为阳极，OH－通过阴离子交换膜移向A电极，D项正确。‎ 答案　D ‎【解题模板】‎ 微点聚焦三　其他新型、高效环保电池 环保电池，是指近年来已投入使用或正在研制、开发的一类高性能、无污染电池，目前已经大量使用的金属氢化物镍蓄电池、塑料蓄电池、微生物电池等都属于这一范畴。‎ ‎[典题示例]‎ ‎【示例3】 (2016·浙江理综，11)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＋2nH2O===4M(OH)n。[来源:学.科.网Z.X.X.K]‎ 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 解析　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的表面，正确；B项，单位质量的Mg、Al、Zn释放的电子分别为 mol、 mol、 mol，显然铝的比能量比Mg、Zn高，正确；C项，电池放电过程正极O2得电子生成OH－，但负极生成的金属阳离子不能透过阴离子交换膜移至正极，故正极不能生成M(OH)n，反应式应为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误；D项，为避免OH－移至负极而生成M(OH)n，可采用中性电解质及阳离子交换膜阻止OH－，正确。‎ 答案　C ‎[体验感悟]‎ ‎1．环保、安全的铝—空气电池的工作原理如图所示，下列有关叙述错误的是(　　)‎ ‎[来源:学科网]‎ A．NaCl的作用是增强溶液的导电性 B．正极的电极反应式为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－‎ C．电池工作过程中，电解质溶液的pH不断增大 D．用该电池做电源电解KI溶液制取1 mol KIO3，消耗铝电极的质量为54 g 解析　由图示可知Al电极为负极，电极反应式为：Al－3e－＋3OH－===Al(OH)3，O2在正极反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，总反应方程式为：4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3↓，pH基本不变，A、B正确，C项错误；D项，1 mol KI制得1 mol KIO3转移6 mol电子，消耗2 mol Al，即54 g铝，正确。‎ 答案　C ‎2．(2016·豫晋冀三调)酶生物电池通常以葡萄糖作为反应原料，葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOX)和辅酶的作用下被氧化成葡萄糖酸(C6H12O7)，其工作原理如图所示。下列有关说法中正确的是(　　)‎ A．该电池可以在高温条件下使用 B．H＋通过交换膜从b极区移向a极区 C．电极a是正极 D．电池负极的电极反应式为C6H12O6＋H2O－2e－===C6H12O7＋2H＋[来源:学_科_网]‎ 解析　酶的主要成分为蛋白质，在高温条件下变性，丧失催化作用，A项错误；由图示电子的移动方向可知a为电池的负极，发生氧化反应：C6H12O6＋H2O－2e－===C6H12O7＋2H＋，b为电池的正极，发生还原反应：H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O，H＋通过交换膜从a极移向b极，D项正确，B、C项错误。‎ 答案　D ‎【方法归纳】‎ 电极反应式书写与判断的三个步骤 步骤一：负极失去电子发生氧化反应；正极上，溶液中阳离子(或氧化性强的离子)得到电子，发生还原反应，充电时则正好相反；‎ 步骤二：两电极转移电子数守恒，符合正极反应加负极反应等于电池反应的原则；‎ 步骤三：注意电极产物是否与电解质溶液反应，若反应，一般要将电极反应和电极产物与电解质溶液发生的反应合并。‎