知識梳理1.原電池定義及本質(zhì)原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其反應(yīng)本質(zhì)是自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。
2.原電池的構(gòu)成條件
3.原電池的工作原理(以銅鋅原電池為例)
4.原電池中的三個移動方向(1)電子移動方向:從負(fù)極流出沿導(dǎo)線流入正極。(2)電流方向:從正極沿導(dǎo)線流向負(fù)極。(3)離子遷移方向:電解質(zhì)溶液中,陰離子向負(fù)極遷移,陽離子向正極遷移。溫馨提示在原電池反應(yīng)過程中,“離子不上線,電子不下水”。
5.原電池原理的四大應(yīng)用(1)比較金屬的活潑性強(qiáng)弱。原電池中,負(fù)極一般是活潑性較強(qiáng)的金屬,正極一般是活潑性較弱的金屬(或非金屬)。(2)加快化學(xué)反應(yīng)速率。氧化還原反應(yīng)形成原電池時,反應(yīng)速率加快。
(3)用于金屬的防護(hù)。將需要保護(hù)的金屬制品作為原電池的正極而受到保護(hù)。如要保護(hù)一個鐵質(zhì)的輸水管道不被腐蝕,可用導(dǎo)線將其與一塊鋅塊相連,鋅塊為原電池的負(fù)極。(4)設(shè)計(jì)制作化學(xué)電源。①首先將氧化還原反應(yīng)分成兩個半反應(yīng)。②根據(jù)原電池的工作原理,結(jié)合兩個半反應(yīng),選擇正、負(fù)電極材料以及電解質(zhì)溶液。
自我診斷1.判斷正誤,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)理論上,任何自發(fā)的氧化還原反應(yīng)都可設(shè)計(jì)成原電池。(　　)(2)在原電池中,發(fā)生氧化反應(yīng)的一極一定是負(fù)極。(　　)(3)在鋅銅原電池中,因?yàn)橛须娮油ㄟ^電解質(zhì)溶液形成閉合回路,所以有電流產(chǎn)生。(　　)(4)兩種活潑性不同的金屬組成原電池的兩極,活潑金屬一定為負(fù)極。(　　)
(5)原電池工作時,溶液中的陽離子向負(fù)極移動,鹽橋中的陽離子向正極移動。(　　)(6)某原電池反應(yīng)為Cu+2AgNO3==Cu(NO3)2+2Ag,裝置中的鹽橋內(nèi)可以是含KCl飽和溶液的瓊脂。(　　)(7)因?yàn)殍F的活潑性強(qiáng)于銅,所以將鐵、銅用導(dǎo)線連接后放入濃硝酸中組成原電池,必是鐵為負(fù)極、銅為正極。(　　)
答案 (1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)×　(7)×
2.在如圖所示的4個裝置中,不能形成原電池的是　　　　　(填序號),并指出原因　　　　　　。?
答案 ①④?、僦芯凭欠请娊赓|(zhì);④中未形成閉合回路
考向1　原電池工作原理
【典例1】 (2020天津化學(xué),11)熔融鈉-硫電池性能優(yōu)良,是具有應(yīng)用前景的儲能電池。右圖中的電池反應(yīng)為2Na+xS Na2Sx(x=5~3,難溶于熔融硫)。下列說法錯誤的是(　　)
B.放電時正極反應(yīng)為xS+2Na++2e-==Na2SxC.Na和Na2Sx分別為電池的負(fù)極和正極D.該電池是以Na-β-Al2O3為隔膜的二次電池
對點(diǎn)演練1圖中四種電池裝置是依據(jù)原電池原理設(shè)計(jì)的,下列有關(guān)敘述錯誤的是(　　)
A.①中鋅電極發(fā)生氧化反應(yīng)B.②中電子由a電極經(jīng)電流表流向b電極C.③中電流由A電極流向B電極D.④中LixC6作負(fù)極
答案 C　解析 ①中鋅、鐵為電極,較活潑的鋅為負(fù)極,失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),A正確;②中NH3轉(zhuǎn)化為N2,氮元素化合價升高,發(fā)生氧化反應(yīng),a電極為負(fù)極,電子由負(fù)極經(jīng)外電路流向正極,B正確;③中根據(jù)離子的移動方向,A電極為負(fù)極,電流由正極(B電極)流向負(fù)極(A電極),C錯誤;④中根據(jù)電子流向判斷出LixC6為負(fù)極,D正確。
規(guī)律小結(jié) 判斷原電池正、負(fù)極的五種方法
注意:原電池的正極和負(fù)極與電極材料的性質(zhì)有關(guān),也與電解質(zhì)溶液有關(guān),不能認(rèn)為活潑金屬電極一定為負(fù)極。
考向2　原電池電極反應(yīng)的書寫
對點(diǎn)演練2(1)在Fe、Cu和稀硫酸組成的原電池中,負(fù)極反應(yīng)為　　　　　　　　　　,正極反應(yīng)為　　　　　　　　　,電池總反應(yīng)為　　　　　　　　　　　　　。?(2)由Pb、Cu與氯化鐵溶液組成的原電池,其正極反應(yīng)為　　　　　　　　　,負(fù)極反應(yīng)為　　　　　　　　　。?(3)由Al、Cu與濃硝酸組成的原電池,其負(fù)極反應(yīng)為　　　　　　　　。?(4)與MnO2-Zn電池類似,K2FeO4-Zn也可以組成堿性電池,K2FeO4在電池中作為正極材料,其電極反應(yīng)為　　　　　　　　　　,該電池總反應(yīng)的離子方程式為　　　　　　　　　　　　。?
答案 (1)Fe-2e-==Fe2+　2H++2e-==H2↑　Fe+2H+==Fe2++H2↑(2)Fe3++e-==Fe2+　Pb-2e-==Pb2+(3)Cu-2e-==Cu2+
解析 (1)Fe比Cu活潑,Fe為負(fù)極,電極反應(yīng)為Fe-2e-==Fe2+;Cu為正極,電極反應(yīng)為2H++2e-==H2↑。(2)由Pb、Cu與氯化鐵溶液組成的原電池,正極為Cu,電極反應(yīng)為Fe3++e-==Fe2+;負(fù)極為Pb,電極反應(yīng)為Pb-2e-==Pb2+。(3)由Al、Cu與濃硝酸組成的原電池,Al遇濃硝酸鈍化,Cu為負(fù)極,電極反應(yīng)為Cu-2e-==Cu2+。
易錯警示 原電池電極反應(yīng)書寫時的注意事項(xiàng)(1)負(fù)失氧、正得還。(2)注意溶液的酸堿性,視情況在電極反應(yīng)方程式兩邊添加H+、OH-、H2O等,使其符合電荷守恒和質(zhì)量守恒。(3)注意電極反應(yīng)產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。(4)活潑金屬不一定為負(fù)極,如鎂、鋁和氫氧化鈉溶液組成的電池中,鋁為負(fù)極。
考向3　原電池原理的應(yīng)用【典例3】 有a、b、c、d四個金屬電極,有關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置及部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下:
由此可判斷這四種金屬的活潑性順序是(　　)A.a>b>c>d　　　　B.b>c>d>aC.d>a>b>c D.a>b>d>c
答案 C　解析 把四個實(shí)驗(yàn)從左到右分別編號為①、②、③、④,則由實(shí)驗(yàn)①可知,a為原電池負(fù)極,b為原電池正極,金屬活潑性:a>b;由實(shí)驗(yàn)②可知,b極有氣體產(chǎn)生,c極無變化,則活潑性:b>c;由實(shí)驗(yàn)③可知,d極溶解,則d為原電池負(fù)極,c為正極,活潑性:d>c;由實(shí)驗(yàn)④可知,電流從a極流向d極,則d極為原電池負(fù)極,a極為原電池正極,活潑性:d>a。綜上所述可知活潑性:d>a>b>c。
對點(diǎn)演練3依據(jù)氧化還原反應(yīng):2Ag+(aq)+Cu(s) ==Cu2+(aq)+2Ag(s)設(shè)計(jì)的原電池如圖所示(鹽橋中裝有含KNO3飽和溶液的瓊膠)。
答案 (1)Cu　AgNO3　(2)正　Ag++e-==Ag　(3)Cu(NO3)2
方法點(diǎn)撥 設(shè)計(jì)原電池的步驟
將氧化還原反應(yīng)分成兩個半反應(yīng)
還原劑(一般為比較活潑的金屬)為負(fù)極,活潑性比負(fù)極弱的金屬或非金屬導(dǎo)體為正極
如果兩個半反應(yīng)分別在兩個容器中進(jìn)行(中間連接鹽橋),則兩個容器中的電解質(zhì)溶液應(yīng)含有與電極材料相同元素的金屬陽離子
結(jié)合要求及反應(yīng)特點(diǎn),畫出原電池裝置圖,標(biāo)出電極材料名稱、正極和負(fù)極及電解質(zhì)溶液等
Zn+2OH--2e-==Zn(OH)2
2MnO2+2H2O+2e-==2MnO(OH)+2OH-
Zn+2MnO2+2H2O==2MnO(OH)+Zn(OH)2
Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-
Zn+Ag2O+H2O==Zn(OH)2+2Ag
2.二次電池鉛酸蓄電池是一種常見的二次電池,總反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
3.燃料電池(1)氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,可分為酸性和堿性兩種。
2H2-4e-==4H+
2H2+4OH--4e-==4H2O
O2+4H++4e-==2H2O
O2+2H2O+4e-==4OH-
2H2+O2==2H2O
(2)以CO為燃料氣,請分別寫出電解質(zhì)符合下列條件的正、負(fù)極的電極反應(yīng)和總反應(yīng)。
O2+4e-+4H+==2H2O
CO-4e-+2H2O==2CO2+4H+　
2CO+O2==2CO2
O2+4e-+2H2O==4OH-
O2+4e-==2O2-
2CO-4e-+2O2-==2CO2
(3)鋁-空氣-海水電池。負(fù)極材料為鋁片,正極材料為鉑片,電解質(zhì)溶液為海水。負(fù)極反應(yīng):　 。?正極反應(yīng):　 。?總反應(yīng):　 。?
4Al-12e-==4Al3+
3O2+12e-+6H2O==12OH-　
4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)3
自我診斷1.判斷正誤,正確的打“√”,錯誤的打“×”。(1)堿性鋅錳干電池是一次電池,其中MnO2是催化劑,可使鋅錳干電池的比能量高、可儲存時間長。(　　)(2)手機(jī)、電腦中使用的鋰電池屬于一次電池。(　　)(3)鉛酸蓄電池放電時,正極與負(fù)極質(zhì)量均增加。(　　)(4)若使反應(yīng)Fe+2F ==3Fe2+以原電池方式進(jìn)行,可用鋅、鐵為電極材料。(　　)
(5)燃料電池工作時燃料在電池中燃燒,然后熱能轉(zhuǎn)化為電能。(　　)(6)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)甲醇燃料電池負(fù)極反應(yīng)為2CH3OH-12e-+6O2-==2CO2↑+4H2O。(　　)(7)堿性氫氧燃料電池中負(fù)極反應(yīng)為2H2-4e-==4H+。(　　)(8)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下,甲烷燃料電池正極電極反應(yīng)為O2+4e-+2CO2==2C 。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)√
2.如圖是甲烷燃料電池的工作原理示意圖,根據(jù)燃料電池有關(guān)知識回答:
a電極為燃料電池的　　　　　(填“正極”或“負(fù)極”),其電極反應(yīng)為　　　　　　　　　;電池總反應(yīng)為　　　　　　　　　　　。?
考向1　一次電池【典例1】 普通鋅錳干電池的簡圖如圖所示,它是用鋅皮制成的鋅筒作為電極,中央插一根石墨棒,石墨棒頂端加一銅帽。在石墨棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物,并用離子可以通過的長纖維紙包裹作隔膜,隔膜外是用氯化鋅、氯化銨和淀粉等調(diào)成糊狀作電解質(zhì)溶液。該電池工作時的總反應(yīng)為Zn+2N +2MnO2== [Zn(NH3)2]2++2MnO(OH)。下列關(guān)于鋅錳干電池的說法中正確的是(　　)
A.當(dāng)該電池電壓逐漸下降后,利用電解原理能重新充電復(fù)原B.電池負(fù)極反應(yīng)為2MnO2+2N +2e-==Mn2O3+2NH3+H2OC.原電池工作時,電子從負(fù)極通過外電路流向正極D.外電路中每通過0.1 ml 電子,鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g
答案 C　解析 普通鋅錳干電池是一次電池,不能充電復(fù)原,A項(xiàng)錯誤;根據(jù)原電池工作原理,負(fù)極失電子,B項(xiàng)錯誤;由電池總反應(yīng)可知,每通過0.1 ml 電子,消耗鋅的質(zhì)量為65 g·ml-1× =3.25 g,D項(xiàng)錯誤。
A.電池工作時,K+向負(fù)極區(qū)移動B.Al電極發(fā)生還原反應(yīng)C.正極的電極反應(yīng)式為Mn +4H++3e-==MnO2+2H2OD.理論上電路中每通過1 ml電子,負(fù)極質(zhì)量減小9 g
方法技巧 化學(xué)電源中電極反應(yīng)的書寫方法(1)拆分法:①寫出原電池的總反應(yīng),如2Fe3++Cu==2Fe2++Cu2+。②把總反應(yīng)按氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)拆分為兩個半反應(yīng),注明正、負(fù)極,并依據(jù)質(zhì)量守恒、電荷守恒及電子得失守恒配平兩個半反應(yīng):(正極)2Fe3++2e-==2Fe2+,(負(fù)極)Cu-2e-==Cu2+。
(2)加減法:①寫出總反應(yīng)。如Li+LiMn2O4==Li2Mn2O4。②寫出其中容易寫出的一個電極反應(yīng)(正極反應(yīng)或負(fù)極反應(yīng))。如Li-e-==Li+(負(fù)極反應(yīng))。③利用總反應(yīng)減去容易寫出的一個電極反應(yīng),得到另一個電極反應(yīng),如LiMn2O4+Li++e-==Li2Mn2O4(正極反應(yīng))。
考向2　新型可充電電池【典例2】 (2020全國1,12)科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn-CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如下,電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時,溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲氫物質(zhì)甲酸等,為解決環(huán)境和能源問題提供了一種新途徑。
下列說法錯誤的是(　　)A.放電時,負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e-+4OH-== [Zn(OH)4]2-B.放電時,1 ml CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH,轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2 mlC.充電時,電池總反應(yīng)為2[Zn(OH)4]2-==2Zn+O2↑+4OH-+2H2OD.充電時,正極溶液中OH-濃度升高
答案 D　解析 依據(jù)題給文字及圖示信息,可確定該裝置為二次電池。當(dāng)放電時(即原電池),負(fù)極為Zn,電極反應(yīng)為Zn+4OH--2e-== [Zn(OH)4]2-;正極發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為CO2+2H++2e-==HCOOH,A、B兩項(xiàng)正確。當(dāng)充電時(即電解池),陽極反應(yīng)為2H2O-4e-==O2↑+4H+;陰極反應(yīng)為[Zn(OH)4]2-+2e-==Zn+4OH-,總反應(yīng)為2[Zn(OH)4]2-==2Zn+O2↑+4OH-+2H2O,C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯誤。
對點(diǎn)演練2(2018全國2,12)我國科學(xué)家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的Na-CO2二次電池。將NaClO4溶于有機(jī)溶劑作為電解液,鈉和負(fù)載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料,電池的總反應(yīng)為:3CO2+4Na 2Na2CO3+C,下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時,Cl 向負(fù)極移動B.充電時釋放CO2,放電時吸收CO2C.放電時,正極反應(yīng)為:3CO2+4e-==2C +CD.充電時,正極反應(yīng)為:Na++e-==Na
答案 D　解析 放電時裝置為原電池,陰離子向負(fù)極移動,A項(xiàng)正確;根據(jù)總反應(yīng)可知,放電時二氧化碳在正極得電子被吸收,充電時又被釋放出來,B項(xiàng)正確;放電時,負(fù)極上Na失電子,正極上CO2得電子,正極電極反應(yīng)為3CO2+4e-==2C +C,C項(xiàng)正確;充電時陰極反應(yīng)為Na++e-==Na,D項(xiàng)錯誤。
方法技巧 充電電池類題目的解答方法(1)電池放電時發(fā)生原電池反應(yīng),充電時發(fā)生電解池反應(yīng),在充電時電池的負(fù)極接電源的負(fù)極,即負(fù)極接負(fù)極后為陰極,正極接正極后為陽極。(2)充電時的陰極反應(yīng)與放電時的負(fù)極反應(yīng)、充電時的陽極反應(yīng)與放電時的正極反應(yīng)分別互為逆反應(yīng)。(3)陽極和負(fù)極都發(fā)生氧化反應(yīng),陰極和正極都發(fā)生還原反應(yīng)。(4)充電電池放電時,電解質(zhì)溶液中的陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極,電子從負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極;電池充電時,電解質(zhì)溶液中的陽離子移向陰極,陰離子移向陽極。(5)電極附近溶液的pH的變化,根據(jù)電極反應(yīng)進(jìn)行分析。
考向3　燃料電池【典例3】 (2020河南濮陽模擬)氫氧熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫電池(600~700 ℃),具有效率高、噪音低、無污染、燃料多樣、余熱利用價值高等優(yōu)點(diǎn)。氫氧熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理如圖所示。下列有關(guān)該電池的說法不正確的是(　　)
A.電池工作時,熔融碳酸鹽起到導(dǎo)電的作用并參與電極反應(yīng)B.負(fù)極反應(yīng)式為H2-2e-+C ==CO2+H2OC.該電池可利用工廠中排出的CO2,減少溫室氣體的排放D.電池工作時,外電路中流過0.2 ml電子,消耗1.6 g O2
答案 C　解析 根據(jù)圖示,在氫氧熔融碳酸鹽燃料電池中,通入氫氣的電極為負(fù)極,負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為H2-2e-+C ==CO2+H2O,通入氧氣的電極為正極,正極發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e-==2C ,總反應(yīng)為2H2+O2==2H2O,故B項(xiàng)正確;電池工作時,熔融碳酸鹽參與了電極反應(yīng),A項(xiàng)正確;該電池工作時總反應(yīng)沒有消耗二氧化碳,不能減少溫室氣體的排放,C項(xiàng)錯誤;電池工作時,外電路中流過0.2 ml電子,消耗0.05 ml氧氣,質(zhì)量為1.6 g,D項(xiàng)正確。
對點(diǎn)演練3(2020江蘇蘇州聯(lián)考)科學(xué)家設(shè)計(jì)出質(zhì)子膜H2S燃料電池,實(shí)現(xiàn)了利用H2S廢氣資源回收能量并得到單質(zhì)硫。質(zhì)子膜H2S燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.電極a為電池的負(fù)極B.電極b上發(fā)生的電極反應(yīng):O2+4H++4e-==2H2OC.電路中每通過4 ml 電子,在正極消耗44.8 L H2SD.每17 g H2S參與反應(yīng),有1 ml H+經(jīng)質(zhì)子膜進(jìn)入正極區(qū)
答案 C　解析 根據(jù)題目可知,該電池為燃料電池,根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),通氧氣的一極為正極,故電極b為正極,電極a為負(fù)極,A項(xiàng)正確;電極b為正極,氧氣得電子與H+結(jié)合生成水,B項(xiàng)正確;從裝置圖可以看出,電池總反應(yīng)為2H2S+O2==S2+2H2O,電路中每通過4 ml電子,正極應(yīng)該消耗1 ml O2,負(fù)極應(yīng)該有2 ml H2S反應(yīng),但是題目中沒有說明是標(biāo)準(zhǔn)狀況下,所以不一定是44.8 L,故C錯誤;17 g H2S的物質(zhì)的量為0.5 ml,每0.5 ml H2S參與反應(yīng)會消耗0.25 ml O2,根據(jù)正極反應(yīng)O2+4H++4e-==2H2O可知,有1 ml H+經(jīng)質(zhì)子膜進(jìn)入正極,故D正確。
方法技巧 書寫燃料電池電極反應(yīng)的技巧(1)首先寫出正極反應(yīng)(一般參加反應(yīng)的是O2)①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)為O2+4H++4e-==2H2O。堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-==4OH-。③固體氧化物電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)環(huán)境下電極反應(yīng)為O2+4e-==2O2-。④熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-==2C 。(2)根據(jù)電池總反應(yīng)減去正極反應(yīng)確定負(fù)極反應(yīng)。注意要消去總反應(yīng)和正極反應(yīng)中的O2。
1.原電池中的能量轉(zhuǎn)化及本質(zhì)(1)能量轉(zhuǎn)化:化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(2)反應(yīng)本質(zhì):自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。2.原電池中粒子的“移動方向”(1)外電路中電子移動方向:負(fù)極→正極。(2)外電路中電流方向:正極→負(fù)極。(3)電池內(nèi)部離子移動方向:陰離子→負(fù)極,陽離子→正極。(4)鹽橋中(含飽和KCl溶液)離子移動方向:K+→正極,Cl-→負(fù)極。3.判斷原電池正、負(fù)極的五種方法電極材料、電極反應(yīng)現(xiàn)象、電子移動方向、離子移動方向、得失電子。
素養(yǎng)解讀高考中的新型電池,有“氫鎳電池”“高鐵電池”“堿性鋅錳電池”“海洋電池”“燃料電池”(如新型細(xì)菌燃料電池、氫氧燃料電池、丁烷燃料電池、甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池、CO燃料電池)“鋰離子電池”“銀鋅電池”“紐扣電池”等。這些電池一般具有高能環(huán)保、經(jīng)久耐用,電壓穩(wěn)定、比能量(單位質(zhì)量釋放的能量)高等特點(diǎn)。取材于這些知識點(diǎn)的試題題材廣、信息新,體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用,可提升學(xué)習(xí)者的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。
案例探究情境:金屬釩和單質(zhì)硼按一定配比混合在真空或惰性氣氛中經(jīng)高溫反應(yīng)可制得硼化釩(VB2)。硼化釩可用作精細(xì)陶瓷原料粉,用于生產(chǎn)耐磨及半導(dǎo)體薄膜。
【典例】 (2020全國3,12)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)-空氣電池如圖所示,其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng):VB2+16OH--11e-== +4H2O。該電池工作時,下列說法錯誤的是(　　)A.負(fù)載通過0.04 ml電子時,有0.224 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)B.正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高C.電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O==D.電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極
解析 根據(jù)題中所給的VB2電極上的反應(yīng)式可知,該原電池中VB2電極為負(fù)極,復(fù)合碳電極為正極。正極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O==4OH-。根據(jù)電子守恒可知,當(dāng)負(fù)極通過0.04 ml電子時,正極參加反應(yīng)的氧氣為0.01 ml,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為0.224 L,A項(xiàng)正確;根據(jù)正、負(fù)極的電極反應(yīng)可知,負(fù)極消耗OH-,溶液的pH降低,而正極生成OH-,溶液的pH升高,B項(xiàng)錯誤;根據(jù)電子守恒由負(fù)極反應(yīng):VB2+16OH--11e-== +4H2O和正極反應(yīng):O2+4e-+2H2O==4OH-,可得該堿性硼化釩-空氣電池的總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O== ,C項(xiàng)正確;電流方向與電子的流向相反,電流方向?yàn)?復(fù)合碳電極→負(fù)載→VB2電極→KOH溶液→復(fù)合碳電極,D項(xiàng)正確。
方法規(guī)律關(guān)于新型電源的考查,具體有以下幾種考查角度:1.新型電池“放電”時正極、負(fù)極的判斷
2.新型電池電極反應(yīng)的書寫首先分析物質(zhì)得失電子的情況,然后再考慮電極反應(yīng)生成的物質(zhì)是否跟電解質(zhì)溶液中的離子發(fā)生反應(yīng)。對于較為復(fù)雜的電極反應(yīng),可以利用“總反應(yīng)-較簡單一極電極反應(yīng)=較復(fù)雜一極電極反應(yīng)”的方法解決。3.新型電池充、放電時陰極、陽極的判斷首先應(yīng)搞明白原電池放電時的正、負(fù)極。再根據(jù)電池充電時,陽極接正極、陰極接負(fù)極的原理進(jìn)行分析。充電的實(shí)質(zhì)就是把放電時發(fā)生的變化再復(fù)原的過程,即充電時的電極反應(yīng)是放電時電極反應(yīng)的逆過程。
4.新型電池充、放電時,電解質(zhì)溶液中離子的移動方向解題時,首先應(yīng)分清電池是放電還是充電,放電時為原電池,充電時為電解池,然后再判斷出正、負(fù)極或陰、陽極。原電池中,陽離子移向正極,陰離子移向負(fù)極;電解池中,陽離子移向陰極,陰離子移向陽極。
素養(yǎng)提升1.(2019全國3,13)為提升電池循環(huán)效率和穩(wěn)定性,科學(xué)家近期利用三維多孔海綿狀Zn(3D-Zn)可以高效沉積ZnO的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了采用強(qiáng)堿性電解質(zhì)的3D-Zn-NiOOH二次電池,結(jié)構(gòu)如下圖所示。電池反應(yīng)為Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列說法錯誤的是(　　)
A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積,所沉積的ZnO分散度高B.充電時陽極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-==NiOOH(s)+H2O(l)C.放電時負(fù)極反應(yīng)為Zn(s)+2OH-(aq)-2e-==ZnO(s)+H2O(l)D.放電過程中OH-通過隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)
解析 三維多孔海綿狀Zn類似于活性炭,故表面積較大,可高效沉積ZnO,所沉積的ZnO分散度也高,A項(xiàng)正確;根據(jù)總反應(yīng)式Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)可知,充電時Ni(OH)2(s)在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-==NiOOH(s)+H2O(l),B項(xiàng)正確;放電時Zn在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)Zn(s)+2OH-(aq)-2e-==ZnO(s)+H2O(l),C項(xiàng)正確;在放電過程中,陰離子應(yīng)向負(fù)極移動,D項(xiàng)錯誤。
2.(2019天津化學(xué),6)我國科學(xué)家研制了一種新型的高比能量鋅-碘溴液流電池,其工作原理示意圖如下。圖中貯液器可儲存電解質(zhì)溶液,提高電池的容量。下列敘述不正確的是(　　)
A.放電時,a電極反應(yīng)為I2Br-+2e-==2I-+Br-B.放電時,溶液中離子的數(shù)目增大C.充電時,b電極每增重0.65 g, 溶液中有0.02 ml I-被氧化D.充電時,a電極接外電源負(fù)極
答案 D　解析 根據(jù)離子和電子的移動方向可知,a電極是正極,b電極是負(fù)極。放電時,負(fù)極電極反應(yīng)為Zn-2e-==Zn2+,正極電極反應(yīng)為I2Br-+2e-==2I-+Br-,顯然A、B正確;充電時,b電極電極反應(yīng)為Zn2++2e-==Zn,每增重0.65 g轉(zhuǎn)移0.02 ml e-,根據(jù)以上分析,可知溶液中有0.02 ml I-被氧化,C正確;充電時,陽極接電源正極,故D錯誤。
3.(2020江蘇化學(xué),20節(jié)選)HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖所示,兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過的半透膜隔開。
(1)電池負(fù)極電極反應(yīng)為　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;放電過程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為　　　　(填化學(xué)式)。?(2)圖中所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過HCOOH與O2的反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,其反應(yīng)的離子方程式為　　　　　　　　　　　　　　　　　　。?
解析 (1)該裝置為原電池,負(fù)極失去電子,HCOO-中的C為+2價,反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為HC 中的+4價的C,化合價升高失去電子,則1 ml HCOO-轉(zhuǎn)化為1 ml HC 失去2 ml e-,電解質(zhì)為KOH,故可用OH-平衡電荷。正極處為Fe3+得電子生成Fe2+,Fe2+又被O2氧化生成Fe3+,此反應(yīng)為酸性條件,若為堿性條件,則生成Fe(OH)3,根據(jù)裝置中流出K2SO4溶液,K+從負(fù)極區(qū)經(jīng)半透膜移向正極區(qū),則物質(zhì)A應(yīng)為H2SO4,發(fā)生反應(yīng):4Fe2++O2+4H+==4Fe3++2H2O。
(2)HCOOH被O2氧化生成HC ,根據(jù)得失電子守恒、電荷守恒及質(zhì)量守恒可得反應(yīng)的離子方程式為

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