2020版高考一轮复习化学通用版学案:第六章第4课时 化学能与电能(2)——新型化学电源(过题型)

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2020版高考一轮复习化学通用版学案:第六章第4课时 化学能与电能(2)——新型化学电源(过题型)

第4课时 化学能与电能(2)——新型化学电源(过题型)‎ 题型一 燃料电池 燃料电池是利用氢气、甲烷、甲醇、硼氢化物等为燃料与氧气或空气进行反应,将化学能直接转化为电能的一类原电池。其特点一是有两个相同的多孔电极,同时两个电极不参与电极反应;二是不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内;三是能量的转化率高,燃料电池具有高能环保、电压稳定、经久耐用等优点。因此,这类电池正成为科学研究、高考命题的重点。其主要命题角度有燃料电池正负极的判断,电池反应式的书写,电子、离子的移动及电解质溶液的组成变化情况分析等。‎ ‎[重难点拨]‎ 燃料电池电极反应式的书写 第一步:写出燃料电池反应的总反应式 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。‎ 如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为 CH4+2O2===CO2+2H2O①‎ CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②‎ ‎①式+②式得燃料电池总反应式为 CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。‎ 第二步:写出电池的正极反应式 根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:‎ ‎(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:‎ O2+4H++4e-===2H2O; ‎ ‎(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:‎ O2+2H2O+4e-===4OH-;‎ ‎(3)固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:‎ O2+4e-===2O2-;‎ ‎(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:‎ O2+2CO2+4e-===2CO。‎ 第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式 电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。‎ ‎[典例] 十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”,意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—‎ 空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,原理如图所示。下列说法正确的是(  )‎ A.该电池放电时质子从电极b移向电极a B.电极a附近发生的电极反应为SO2+2H2O-2e-===H2SO4+2H+‎ C.电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-‎ D.相同条件下,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1‎ ‎[解析] A项,放电时为原电池,质子向正极移动,电极a为负极,则该电池放电时质子从电极a移向电极b,错误;B项,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应为SO2+2H2O-2e-===SO+4H+,硫酸应当拆为离子形式,错误;C项,酸性条件下,氧气得电子与氢离子反应生成水,电极b附近发生的电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,错误;D项,由总反应式2SO2+O2+2H2O===2SO+4H+可知,放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1,正确。‎ ‎[答案] D ‎[备考方略] 新型燃料电池的分析模板 ‎[综合训练]‎ ‎1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪,具有自动吹气流量监测与控制的功能,下列有关说法正确的是(  )‎ A.电流由呼气所在的铂电极流出 B.H+通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极 C.电路中流过2 mol电子时,消耗11.2 L O2‎ D.该电池的负极反应为 CH3CH2OH+3H2O-12e-===2CO2↑+12H+‎ 解析:选B 呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸的反应,故为负极,而电流由正极流出,A项错误;H+通过质子交换膜流向正极(氧气所在的铂电极),B项正确;正极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,电路中流过2 mol电子时,消耗0.5 mol O2,在标准状况下体积为11.2 L,但题中未指明是否为标准状况,C项错误;该电池的负极反应为CH3CH2OH+H2O-4e-===CH3COOH+4H+,D项错误。‎ ‎2.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:选B 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(b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。‎ ‎3.为体现节能减排的理念,中国研制出了新型固态氧化物燃料电池(SOFC),该电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是(  )‎ A.电子从b极经导线流向a极 B.正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-‎ C.还可以选用NaOH固体作固态电解质 D.若反应中转移1 mol电子,则生成22.4 L(标准状况)CO2‎ 解析:选A 燃料电池通入氧气的电极为正极,则a为正极,电子从b极经导线流向a极,故A正确;介质为固态熔融介质,不存在水溶液,则正极的电极反应式为O2+4e-===2O2-,故B错误;CO2能与NaOH反应生成Na2CO3,则不可选用NaOH固体作固态电解质,故C错误;若反应中转移1 mol电子,参加反应的氧气为0.25 mol,生成CO2为0.5 mol,体积为11.2 L(标准状况),故D错误。‎ 题型二 可充电电池(二次电池)‎ 近几年高考中的新型可充电电池的种类较多,如“储氢电池”、“锂—空气电池”、“高铁电池”、“锂硫电池”等。总的来说,可充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的可多次利用的一类特殊电池。考题一般通过文字叙述、电池总反应或原理图提供信息,重点考查以下四点:一考“式子”,即考查原电池电极反应的书写;二考“运动”,即考查原电池工作过程中,离子、电子的移动方向;三考“量值”,即考查原电池工作过程中电子转移数目、电极上消耗或生成物质的物质的量;四考“应用”,即考查原电池原理在生产、生活、环境保护中的应用。‎ ‎[重难点拨]‎ ‎1.可充电电池的思维模型 因此,充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极,正接正后作阳极”。‎ ‎2.可充电电池的分析流程 ‎(1)可充电电池有充电和放电两个过程,放电时是原电池反应,充电时是电解池反应。‎ ‎(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应,放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。‎ ‎(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断 分析电池工作过程中电解质溶液的变化时,要结合电池总反应进行分析。‎ ‎①首先应分清电池是放电还是充电。‎ ‎②再判断出正、负极或阴、阳极。‎ ‎(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式 若已知电池放电时的总反应式,可先写出较易书写的一极的电极反应式,然后在电子守恒的基础上,由总反应式减去较易写出的一极的电极反应式,即得到较难写出的另一极的电极反应式。‎ ‎[典例] (2018·全国卷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+O2‎ ‎[解析] 由题意知,放电时负极反应为Li-e-===Li+,正极反应为(2-x)O2+4Li++4e-===2Li2O2-x(x=0或1),电池总反应为O2+2Li===Li2O2-x。该电池放电时,金属锂为负极,多孔碳材料为正极,A项错误;该电池放电时,外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极,B项错误;该电池放电时,电解质溶液中的Li+向多孔碳材料区迁移,充电时电解质溶液中的Li+向锂材料区迁移,C项错误;充电时电池总反应为Li2O2-x===2Li+(1-)O2,D项正确。‎ ‎[答案] D ‎ [综合训练]‎ ‎1.(2019·潍坊一模)一种新型可逆电池的工作原理如图所示。放电时总反应为Al+3Cn(AlCl4)+4AlCl4Al2Cl+3Cn(Cn表示石墨)。‎ 下列说法正确的是(  )‎ A.放电时负极电极反应为2Al-6e-+7Cl-===Al2Cl B.放电时AlCl移向正极 C.充电时阳极反应为AlCl-e-+Cn===Cn(AlCl4)‎ D.电路中每转移3 mol电子,最多有1 mol Cn(AlCl4)被还原 解析:选C A项,放电时铝作负极,失去电子被氧化为Al2Cl,电极反应为Al-3e-+7AlCl===4Al2Cl,错误;B项,放电时,AlCl移向负极,错误;C项,充电时阳极反应为Cn+AlCl-e-===Cn(AlCl4),正确;D项,由总反应可知每1 mol Cn(AlCl4)被还原仅得到1 mol电子,错误。‎ ‎2.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+‎ 解析:选C A.原电池中阳离子由负极向正极迁移,正确;B.放电时,负极发生氧化反应,电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6,正确;C.充电时,若转移1 mol电子,石墨电极质量将增重7 g,错误;D.充电时阳极发生氧化反应,电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,正确。‎ ‎3.(2017·全国卷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 解析:选D  原电池工作时,正极发生一系列得电子的还原反应,即:Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2,其中可能有2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4,A项正确;该电池工作时,每转移0.02 mol电子,负极有0.02 mol Li(质量为0.14 g)被氧化为Li+,则负极质量减少0.14 g,B项正确;石墨烯能导电,利用石墨烯作电极,可提高电极a的导电性,C项正确;充电过程中,Li2S2的量逐渐减少,当电池充满电时,相当于达到平衡状态,电池中Li2S2的量趋于不变,故不是电池充电时间越长,电池中Li2S2的量越多,D项错误。‎
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