高考常考题型新型化学电源.docx
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高考常考题型新型化学电源
高考常考题型：
新型化学电源
类型
（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。
1．新型燃料电池（FuelCell）的特点
（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）。
2．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＋2H2O ①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ②
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] （2019·全国卷Ⅰ）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，示意图如图所示。
下列说法错误的是（ ）
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应
H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
[解析] A对：
该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件。
B错：
该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。
C对：
右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应。
D对：
原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。
[答案] B
[解题方略] 燃料电池的思维流程
[过关训练]
1．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1mol电子，则生成22.4L（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1mol电子，参加反应的氧气为0.25mol，生成CO2为0.5mol，体积为11.2L（标准状况），故D错误。
2．（2020·新平一中月考）可用于电动汽车的铝－空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，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溶液为电解质溶液时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．以NaOH溶液为电解质溶液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－===Al（OH）3↓
C．以NaOH溶液为电解质溶液时，电池在工作过程中电解质溶液的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：
选A 正极O2得电子，溶液显碱性或中性时，正极反应都为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项正确；铝作负极，在碱性溶液（NaOH）中的负极反应为Al＋4OH－－3e－===AlO
＋2H2O，B项错误；在碱性电解质溶液中总的电池反应式为4Al＋3O2＋4OH－===4AlO
＋2H2O，溶液pH降低，C项错误；电池工作时，电子从负极流向正极，D项错误。
3．（2020·邹城期末）一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。
下列有关该电池说法正确的是（ ）
A．重油是石油分馏的产品，含有的主要元素是C、H、O
B．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO
C．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
D．电池工作时，CO
向电极B移动
解析：
选B 重油是原油提取汽油、柴油后剩余的重质油，主要由含碳原子数较多的烃类物质组成，故含有的主要元素是C、H，A错误；电极B是正极，O2、CO2通入电极B，发生还原反应生成CO
，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO
，B正确；CO和H2通入电极A，发生氧化反应生成CO2和H2O，电极反应式为H2＋CO＋2CO
－4e－===3CO2＋H2O，C错误；电极A是负极，电极B是正确，电池工作时，阴离子向负极移动，故CO
向电极A移动，D错误。
类型
（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。
1．可充电电池特点
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。
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。
放电
阳离子
正极，阴离子
负极
充电
阳离子
阴极，阴离子
阳极
总之：
（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] 镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，镁电池放电时电压高且平稳，因此成为人们研制绿色电池所关注的重点。
有一种镁二次电池的反应为xMg＋Mo3S4
MgxMo3S4。
下列说法错误的是（ ）
A．放电时Mg2＋向正极移动
B．放电时正极的电极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S
C．放电时Mo3S4发生氧化反应
D．充电时阴极的电极反应为xMg2＋＋2xe－===xMg
[解析] 放电时Mo3S4中元素的化合价降低，发生还原反应，C项错误。
[答案] C
[解题方略] 可充电电池的思维流程
[过关训练]
1．（2019·天津高考）我国科学家研制了一种新型的高比能量锌－碘溴液流电池，其工作原理示意图如图。
图中贮液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。
下列叙述不正确的是（ ）
A．放电时，a电极反应为I2Br－＋2e－===2I－＋Br－
B．放电时，溶液中离子的数目增大
C．充电时，b电极每增重0.65g，溶液中有0.02molI－被氧化
D．充电时，a电极接外电源负极
解析：
选D 根据题图，放电时，左侧a极发生I2Br－＋2e－===2I－＋Br－时，发生的是还原反应，A对；右侧b极发生Zn－2e－===Zn2＋，可以得出总反应为I2Br－＋Zn===Zn2＋＋Br－＋2I－，故b为原电池负极，a为原电池正极，放电时，由总反应可知离子数目增大，B对；C对：
充电时，b极每增重0.65g，被还原的Zn的物质的量为0.01mol，则消耗0.02molI－。
D错：
充电时，a极发生氧化反应，做阳极，接电源正极。
2．（2020·马鞍山二中月考）我国科学家成功研制出新型铝－石墨烯（Cn）可充电电池，电解质为阳离子（EMIM＋）与阴离子（AlCl
）组成的离子液体，该电池放电过程如图所示。
下列说法错误的是（ ）
A．放电时，负极的反应式为Al＋7AlCl
－3e－===4Al2Cl
B．放电时，正极的反应式为Cn[AlCl4]＋e－===Cn＋AlCl
C．充电时，石墨烯与电源的负极相连
D．充电时，电池的总反应式为3Cn＋4Al2Cl
Al＋4AlCl
＋3Cn[AlCl4]
解析：
选C 放电时，负极上Al失电子生成Al3＋，并与AlCl
结合生成Al2Cl
，则负极反应式为Al＋7AlCl
－3e－===4Al2Cl
，A正确；正极上Cn[AlCl4]被还原生成Cn和AlCl
，电极反应式为Cn[AlCl4]＋e－===Cn＋AlCl
，B正确；放电时石墨烯是正极，则充电时，石墨烯与电源的正极相连，C错误；充电时，阳极反应式为3Cn＋3AlCl
－3e－===3Cn[AlCl4]，阴极反应式为4Al2Cl
＋3e－===Al＋7AlCl
，结合阴、阳极反应可得，电池总反应式为3Cn＋4Al2Cl
Al＋4AlCl
＋3Cn[AlCl4]，D正确。
3．（2019·全国卷Ⅲ）为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3D Zn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D Zn—NiOOH二次电池，结构如图所示。
电池反应为Zn（s）＋2NiOOH（s）＋H2O（l）
ZnO（s）＋2Ni（OH）2（s）。
下列说法错误的是（ ）
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni（OH）2（s）＋OH－（aq）－e－===NiOOH（s）＋H2O（l）
C．放电时负极反应为Zn（s）＋2OH－（aq）－2e－===ZnO（s）＋H2O（l）
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
解析：
选D A对：
三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高。
B对：
二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，阳极反应为Ni（OH）2（s）＋OH－（aq）－e－===NiOOH（s）＋H2O（l）。
C对：
二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，原子失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn（s）＋2OH－（aq）－2e－===ZnO（s）＋H2O（l）。
D错：
二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动。
[课时跟踪检测]
1．
（2020·山西大学附属中学诊断）新华网报道，我国固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。
科学家利用该技术实现了H2S废气资源回收能量，并得到单质硫的原理如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A．电极b为电池负极
B．电路中每流过4mol电子，正极消耗44.8LH2S
C．电极b上的电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O
D．电极a上的电极反应为2H2S＋2O2－－4e－===S2＋2H2O
解析：
选D 由图中信息可知，该燃料电池的总反应为2H2S＋O2===S2＋2H2O，该反应中硫化氢是还原剂、氧气是氧化剂。
硫化氢通入到电极a，所以a电极是负极，发生的电极反应为2H2S＋2O2－－4e－===S2＋2H2O；氧气通入到电极b，所以b电极是正极。
该反应中电子转移数为4个电子，所以电路中每流过4mol电子，正极消耗1molO2，发生的电极反应为O2＋4e－===2O2－。
2．一种高寿命可循环的Zn/V2O5水性混合离子电池的结构示意图如下，放电时正极发生反应xLi＋＋xe－＋V2O5===LixV2O5。
下列说法正确的是（ ）
A．放电时，Li＋在正极被还原
B．充电时，溶液中Li＋浓度不断减小
C．放电时，电极A每减少6.5g，有0.1molLi＋嵌入电极B
D．充电时，电极B上的电势比电极A的高
解析：
选D 放电时，正极发生反应xLi＋＋xe－＋V2O5===LixV2O5，锂元素化合价未发生改变，没有被还原，故A错误；充电时，阳极发生反应LixV2O5－xe－===xLi＋＋V2O5，溶液中Li＋浓度不断增大，故B错误；放电时，A电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，每减少6.5gZn，则转移0.2mol电子，根据电荷守恒，有0.2molLi＋嵌入电极B，故C错误；充电时，电极B接电源正极，作阳极，电极A接电源负极，作阴极，所以电极B上的电势高于电极A，故D正确。
3．（2020·成都石室中学一诊）中国科学家用蘸墨汁书写后的纸张作为空气电极，设计并组装了轻型、柔性、能折叠的可充电锂空气电池如下左图，电池的工作原理如下右图。
下列有关说法正确的是（ ）
A．放电时，纸张中的纤维素作为锂电池的负极
B．充电时，若阳极放出1molO2，则有4mole－回到电源正极
C．开关K闭合给锂电池充电，X为直流电源负极
D．放电时，Li＋由正极经过有机电解质溶液移向负极
解析：
选C 由题图可知，放电（原电池）中，金属锂作负极，A项错误；充电时，阳极的电极反应为Li2O2－2e－===O2↑＋2Li＋，每生成1molO2失去2mole－，B项错误；充电时，原本原电池的负极接外电源的负极，C项正确；失电子发生氧化生成Li＋，阳离子Li＋向电池正极移动，即负极产生的Li＋由负极经过有机电解质溶液向正极迁移，D项错误。
4.
（2020·嘉兴市月考）一种新型的电池，总反应为3Zn＋2FeO
＋8H2O===2Fe（OH）3↓＋3Zn（OH）2↓＋4OH－，其工作原理如图所示。
下列说法不正确的是（ ）
A．Zn极是负极，发生氧化反应
B．随着反应的进行，溶液的pH增大
C．电子由Zn极流出到石墨电极，再经过溶液回到Zn极，形成回路
D．石墨电极上发生的反应为FeO
＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3↓＋5OH－
解析：
选C 根据电池总反应，Zn的化合价升高，根据原电池的工作原理，即锌作负极，发生氧化反应，故A说法正确；根据电池总反应方程式，生成OH－，溶液的pH增大，故B说法正确；根据原电池的工作原理，电子从Zn电极流出经外电路流向石墨，电解质溶液应是阴阳离子定向移动，没有电子通过，故C说法错误；负极电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2↓，正极反应式为FeO
＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3↓＋5OH－，故D说法正确。
5．（2020·湖北八市联考）LED系列产品是一类新型节能产品。
图甲是NaBH4/H2O2燃料电池，图乙是LED发光二极管的装置示意图。
下列叙述错误的是（ ）
A．电池总反应为BH
＋4H2O2===BO
＋6H2O
B．电池放电过程中，Na＋从B极区向A极区移动
C．电池放电过程中，B极区pH减小，A极区pH增大
D．要使LED发光二极管正常发光，图乙中的导线a应与图甲中的A极相连
解析：
选D 根据图知，负极反应式为BH
＋8OH－－8e－===BO
＋6H2O，正极电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－，电池总反应为BH
＋4H2O2===BO
＋6H2O，故A正确；电池放电过程中，阳离子移向正极，Na＋从负极区向正极区移动，故B正确；B电极为负极，A电极为正极，所以B极区pH减小，A极区pH增大，故C正确；由LED发光二极管的电路中的电子流动方向可以判断，图乙中的导线a应与图甲中的B极负极相连，故D错误。
6．（2020·福建省师范大学附属中学期中）RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池。
如图为RFC工作原理示意图，下列有关说法正确的是（ ）
A．图甲把化学能转化为电能，图乙把电能转化为化学能，水得到了循环使用
B．当有0.1mol电子转移时，a极产生0.56LO2（标准状况下）
C．c极上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．图乙中电子从c极流向d极，提供电能
解析：
选C 图甲有外接电源，所以该装置是将电能转化为化学能的装置，属于电解池，图乙能自发进行氧化还原反应，是将化学能转化为电能的装置，为原电池，选项A错误；a电极作电解池阴极，阴极上氢离子放电生成氢气，选项B错误；c电极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，选项C正确；图乙中c是正极，d是负极，电子从负极d流向正极c，选项D错误。
7．一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中有机物可用C6H10O5表示。
下列有关说法不正确的是（ ）
A．Cl－由中间室移向左室
B．X气体为CO2
C．处理后的含NO
废水的pH降低
D．电路中每通过4mol电子，产生X气体的体积在标准状况下为22.4L
解析：
选C 该原电池中，NO
得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO
＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应生成X，有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳。
放电时，电解质溶液中阴离子Cl－移向负极室（左室），A、B项正确；根据正极反应式可知H＋参加反应导致溶液酸性减小，溶液的pH增大，C项错误；根据负极上有机物失电子发生氧化反应，有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳，电极反应为C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋知，电路中每通过4mol电子，产生标准状况下X气体的体积为
×6×22.4L＝22.4L，D项正确。
8．（2020·衡水中学期中）下图是采用新能源储能器件将CO2转化为固体产物，实现CO2的固定和储能灵活应用的装置。
储能器件使用Li CO2电池，组成为：
钌电极/CO2饱和的LiClO4 DMSO电解液/锂片。
下列说法不正确的是（ ）
A．Li CO2电池的电解液由LiClO4和DMSO溶于水得到
B．CO2的固定中，每转移8mole－，生成6mol气体
C．过程Ⅱ中化学能转化为电能
D．过程Ⅰ的钌电极的电极反应式为2Li2CO3＋C－4e－===4Li＋＋3CO2↑
解析：
选A 金属锂能够与水反应，电解液不能由LiClO4和DMSO溶于水得到，A错误；根据电极反应方程式：
2Li2CO3===4Li＋＋2CO2↑＋O2↑＋4e－可知，得到4mole－，生成2molCO2气体和1molO2，现转移8mole－，生成6mol气体，B正确；通过图示可知，电子不断的流出，过程Ⅱ中化学能转化为电能，C正确；通过图示可知，碳变为二氧化碳，发生氧化反应，过程Ⅰ的钌电极的电极反应式为2Li2CO3＋C－4e－===4Li＋＋3CO2↑，D正确。
9．如图所示为新型的甲酸/铁离子燃料电池，具有原料安全、质子电导率高、能量密度高的特点，适合应用在规模化的供电场所。
电池外壳采用聚四氯乙烯板，石墨作电极，在M端加入甲酸钠和氢氧化钠的混合液，在N端加入氯化铁和氯化钠的混合液。
下列说法错误的是（ ）
A．放电时，N端是正极
B．M端的电极反应式为HCOO－＋OH－＋2e－===CO2↑＋H2O
C．电池放电后，N端的Fe2＋通氯气后转化为Fe3＋，实现电解质溶液的循环利用
D．采用多孔纳米电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，有利于扩散至催化层
解析：
选B A项，正极发生还原反应，Fe3＋得到电子生成Fe2＋，N端是正极，正确；B项，M端的电极反应式为HCOO－＋3OH－－2e－===CO
＋2H2O，错误；C项，电池放电后，N端的Fe2＋通氯气后，氯气具有氧化性能氧化Fe2＋转化为Fe3＋，Fe3＋在正极得到电子发生还原反应，实现电解质溶液的循环利用，正确；D项，反应物接触面积越大，反应速率越快，所以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，从而提高反应速率，正确。
10．（2020·济南中学月考）光能储存一般是指将光能转换为电能或化学能进行储存，利用太阳光、CO2和H2O生成甲醇的光能储存装置如图所示，制备开始时质子交换膜两侧的溶液质量相等。
下列叙述不正确的是（ ）
A．b极的电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O
B．a极的电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑
C．N型半导体为正极
D．当制备32g甲醇时，质子交换膜两侧溶液的质量相差104g
解析：
选C 由题图可知，左侧装置是太阳能电池，右侧装置是电解池。
CO2在b电极发生还原反应生成甲醇，则b电极是阴极，电极反应式为CO2＋6H＋＋6e－===CH3OH＋H2O，A正确；a极是阳极，发生氧化反应，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，B正确；根据电极连接方式可知，N型半导体是负极，P型半导体是正极，C错误；由得失电子守恒可得关系式：
6H2O～3O2～2CH3OH，当b极生成32gCH3OH时，a极消耗54g水，b极生成18g水，故质水交换膜两侧溶液的质量相差104g，D正确。
11．某种利用垃圾渗透液发电的装置示意图如下。
工作时，下列说法中不正确的是（ ）
A．盐桥中Cl－向Y极移动
B．化学能转化为电能
C．电子由X极沿导线流向Y极
D．Y极发生的反应为2NO
＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，周围pH增大
解析：
选A A项，NH3生成N2，氮元素化合价升高，失电子，发生氧化反应，X极作负极；NO
生成N2，氮元素化合价降低，得电子，发生还原反应，Y极作正极，盐桥中Cl－向负极X极移动，错误；B项，垃圾在微生物的作用下，发生氧化还原反应，形成了原电池，化学能转化为电能，正确；C
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