2021版新高考化學(xué)（人教版）一輪復(fù)習(xí)教師用書：第1部分第6章第2節(jié)原電池化學(xué)電源-學(xué)案下載-教習(xí)網(wǎng)

考綱定位
要點網(wǎng)絡(luò)
1．理解原電池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用，能寫出電極反應(yīng)和總反應(yīng)方程式。
2．了解常見化學(xué)電源的種類及其工作原理。

原電池工作原理及其應(yīng)用

1．原電池的構(gòu)成
(1)概念和反應(yīng)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)是氧化還原反應(yīng)。
(2)構(gòu)成條件
反應(yīng)
能發(fā)生自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)(一般是活潑性強的金屬與電解質(zhì)溶液反應(yīng))
電極
一般是活潑性不同的兩電極(金屬或石墨)
閉合
回路
①電解質(zhì)溶液
②兩電極直接或間接接觸
③兩電極插入電解質(zhì)溶液中
2．原電池的工作原理
如圖是Cu-Zn原電池，請?zhí)羁眨?br />
(1)兩裝置的差別
①圖Ⅰ中Zn在CuSO4溶液中直接接觸Cu2＋，會有一部分Zn與Cu2＋直接反應(yīng)，該裝置中既有化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)化，又有一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能，裝置的溫度會升高，電能效率低。
②圖Ⅱ中Zn和CuSO4溶液分別在兩個池中，Zn與Cu2＋不直接接觸，不存在Zn與Cu2＋直接反應(yīng)的過程，所以僅是化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了電能，電流穩(wěn)定，且持續(xù)時間長，電能效率高。
(2)反應(yīng)原理
電極名稱
負極
正極
電極材料
Zn
Cu
電極反應(yīng)
Zn－2e－===Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
反應(yīng)類型
氧化反應(yīng)
還原反應(yīng)
(3)原電池中的三個方向
①電子方向：從負極流出沿導(dǎo)線流入正極。
②電流方向：從正極沿導(dǎo)線流向負極。
③離子的遷移方向：電解質(zhì)溶液中，陰離子向負極遷移，陽離子向正極遷移。
(4)鹽橋作用
①連接內(nèi)電路，形成閉合回路。
②平衡電荷(鹽橋中陰離子移向負極，陽離子移向正極)，使原電池不斷產(chǎn)生電流。
3．原電池原理的應(yīng)用
(1)比較金屬活動性強弱
兩種金屬分別作原電池的兩極時，一般作負極的金屬比作正極的金屬活潑。
(2)加快氧化還原反應(yīng)的速率
一個自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)，設(shè)計成原電池時反應(yīng)速率加快。例如，在Zn與稀硫酸反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液能使產(chǎn)生H2的反應(yīng)速率加快。
(3)設(shè)計制作化學(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)原電池的反應(yīng)特點，結(jié)合兩個半反應(yīng)找出正、負極材料和電解質(zhì)溶液。
如Cu＋2AgNO3===2Ag＋Cu(NO3)2，負極用Cu，正極用Ag或C等，AgNO3為電解質(zhì)溶液。
[補短板]
(1)原電池反應(yīng)必須是氧化還原反應(yīng)，但自行發(fā)生的氧化還原反應(yīng)并不一定是電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng)，也可能是電極與溶解的氧氣等發(fā)生反應(yīng)，如將鐵與石墨相連插入食鹽水中。
(2)在理解形成原電池可加快反應(yīng)速率時，要注意對產(chǎn)物量的理解，Zn與稀硫酸反應(yīng)時加入少量CuSO4溶液，鋅足量時，不影響產(chǎn)生H2的物質(zhì)的量，但稀硫酸足量時，產(chǎn)生H2的物質(zhì)的量要減少。
(3)原電池的正極和負極與電極材料的性質(zhì)有關(guān)，也與電解質(zhì)溶液有關(guān)，不要形成活潑電極一定作負極的思維定勢。如在Mg－NaOH(aq)－Al原電池中Al為負極；在Cu－濃硝酸－Fe(Al)原電池中Cu為負極。

(1)在化學(xué)反應(yīng)中，所有自發(fā)的放熱反應(yīng)均可以設(shè)計成原電池。(　　)
(2)在Mg－NaOH(aq)－Al電池中負極反應(yīng)為Al－3e－＋4OH－===AlO＋2H2O。(　　)
(3)在原電池中，正極本身一定不參與電極反應(yīng)，負極本身一定要發(fā)生氧化反應(yīng)。(　　)
(4)在鋅銅原電池中，因為有電子通過電解質(zhì)溶液形成閉合回路，所以有電流產(chǎn)生。(　　)
(5)含鹽橋的原電池工作時，鹽橋中的陽離子向負極遷移。(　　)
[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×

1．在如圖所示的5個裝置中，不能形成原電池的是_________(填序號)。③裝置發(fā)生的電極反應(yīng)式為______________________________________________
_________________________________________________________________。

[答案]?、冖堋∝摌O：Fe－2e－===Fe2＋，正極：2H＋＋2e－===H2↑
2．依據(jù)氧化還原反應(yīng)：2Ag＋(aq)＋Cu(s)===Cu2＋(aq)＋2Ag(s)設(shè)計的原電池如圖所示(鹽橋為盛有KNO3瓊脂的U形管)。

請回答下列問題：
(1)電極X的材料是________；電解質(zhì)溶液Y是________(填化學(xué)式)。
(2)銀電極為電池的________極，其電極反應(yīng)為_______________________
__________________________________________________________________。
(3)鹽橋中的NO移向________溶液。
[答案]　(1)Cu　AgNO3溶液　(2)正　Ag＋＋e－===Ag　(3)Cu(NO3)2

命題點1　原電池的工作原理
1．(2019·武漢調(diào)研)下列裝置為某實驗小組設(shè)計的Cu-Zn原電池，下列說法錯誤的是(　　)

甲　　　　　　　乙
A．裝置甲中電子流動方向為：Zn→電流表→Cu
B．裝置乙比裝置甲提供的電流更穩(wěn)定
C．裝置乙鹽橋中可用裝有瓊膠的Na2CO3飽和溶液
D．若裝置乙中鹽橋用鐵絲替代，反應(yīng)原理發(fā)生改變
C　[裝置甲中Zn電極為負極，Cu電極為正極，電子從負極流出經(jīng)導(dǎo)線流入正極，故電子流動方向：Zn→電流表→Cu，A項正確；裝置甲中Zn與CuSO4溶液直接反應(yīng)生成的Cu會附著在Zn電極上，使電池效率降低，裝置乙為帶有鹽橋的原電池，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在兩池中分別發(fā)生，提供的電流更穩(wěn)定，B項正確；裝置乙鹽橋中若用裝有瓊膠的Na2CO3飽和溶液，則CO向ZnSO4溶液中遷移，ZnSO4溶液中會產(chǎn)生沉淀，C項錯誤；若裝置乙中鹽橋用鐵絲替代，則形成兩個串聯(lián)的原電池，反應(yīng)原理改變，D項正確。]
2．(2019·海淀區(qū)模擬)全釩電池以惰性材料作電極，在電解質(zhì)溶液中發(fā)生的原電池反應(yīng)為VO(黃色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(藍色)＋H2O＋V3＋(綠色)。

下列說法不正確的是(　　)
A．正極反應(yīng)為VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O
B．負極附近的溶液由紫色逐漸變?yōu)榫G色
C．反應(yīng)每生成1 mol H2O時轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.5 mol
D．原電池使用過程中溶液的pH逐漸增大
C　[由電池總反應(yīng)VO(黃色)＋V2＋(紫色)＋2H＋===VO2＋(藍色)＋H2O＋V3＋(綠色)可得，VO為正極的活性物質(zhì)，V2＋為負極的活性物質(zhì)，所以左室為正極室，右室為負極室。正極反應(yīng)為VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O，A項正確；負極反應(yīng)為V2＋－e－===V3＋，所以負極附近溶液的顏色由紫色逐漸變?yōu)榫G色，B項正確；由電極反應(yīng)VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O可知，反應(yīng)每生成1 mol H2O時轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為1 mol，C項錯誤；由原電池總反應(yīng)可知，反應(yīng)過程中H＋被不斷消耗，所以溶液的pH逐漸增大，D項正確。]
3．(2019·廈門模擬)將反應(yīng)2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2設(shè)計成如圖所示的原電池。

下列說法不正確的是 (　　)
A．鹽橋中的K＋移向FeCl3溶液
B．反應(yīng)開始時，乙中石墨電極上發(fā)生氧化反應(yīng)
C．電流計讀數(shù)為零時，反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)
D．電流計讀數(shù)為零后，在甲中溶入FeCl2固體，乙中石墨電極為負極
D　[A項，甲池中石墨電極為正極，乙池中石墨電極為負極，鹽橋中陽離子向正極移動，所以K＋向FeCl3溶液遷移，正確；B項，反應(yīng)開始時，乙中I－失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，正確；C項，當電流計讀數(shù)為零時，說明沒有電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，反應(yīng)達到平衡，正確；D項，當加入Fe2＋，導(dǎo)致平衡逆向移動，則Fe2＋失去電子生成Fe3＋，作為負極，而乙中石墨成為正極，錯誤。]

原電池的工作原理簡圖

注意：①若有鹽橋，鹽橋中的陰離子移向負極區(qū)，陽離子移向正極區(qū)。
②若有交換膜，離子可選擇性通過交換膜，如陽離子交換膜，陽離子可通過交換膜移向正極。
命題點2　原電池原理的應(yīng)用
4．等質(zhì)量的兩份鋅粉a、b，分別加入過量的稀H2SO4中，同時向a中滴入少量的CuSO4溶液，如圖表示產(chǎn)生H2的體積(V)與時間(t)的關(guān)系，其中正確的是
(　　)

A　　　B　　　C　　　D
D　[a中Zn與CuSO4溶液反應(yīng)置換出Cu，Zn的量減少，產(chǎn)生H2的量減少，但Zn、Cu和稀H2SO4形成原電池，加快反應(yīng)速率，D項圖示符合要求。]
5．M、N、P、E四種金屬，已知：①M＋N2＋===N＋M2＋；②M、P用導(dǎo)線連接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量氣泡逸出；③N、E用導(dǎo)線連接放入E的硫酸鹽溶液中，電極反應(yīng)為E2＋＋2e－===E，N－2e－===N2＋。則這四種金屬的還原性由強到弱的順序是 (　　)
A．P>M>N>E　　　　　 B．E>N>M>P
C．P>N>M>E D．E>P>M>N
A　[由①知，金屬活動性：M>N；M、P用導(dǎo)線連接放入NaHSO4溶液中，M表面有大量氣泡逸出，說明M作原電池的正極，故金屬活動性：P>M；N、E構(gòu)成的原電池中，N作負極，故金屬活動性：N>E。]
6．設(shè)計原電池裝置證明Fe3＋的氧化性比Cu2＋強。
(1)負極反應(yīng)式：________________________________________________。
(2)正極反應(yīng)式：________________________________________________。
(3)電池總反應(yīng)方程式：__________________________________________。
(4)在框中畫出裝置圖，指出電極材料和電解質(zhì)溶液：
①不含鹽橋

②含鹽橋

[答案]　(1)Cu－2e－===Cu2＋
(2)2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋
(3)2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
(4)①?、?br />
原電池設(shè)計的一般思路
(1)正、負極材料的選擇：根據(jù)氧化還原關(guān)系找出正、負極材料，一般選擇活潑性較強的金屬作為負極；活潑性較弱的金屬或可導(dǎo)電的非金屬(如石墨等)作為正極。
(2)電解質(zhì)溶液的選擇：電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應(yīng)，或者電解質(zhì)溶液中溶解的其他物質(zhì)能與負極發(fā)生反應(yīng)(如溶解于溶液中的空氣)。但如果氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在兩個容器中進行(中間連接鹽橋)，則兩個容器中的電解質(zhì)溶液一般選擇與電極材料相同的陽離子溶液。
(3)畫裝置圖：注明電極材料與電解質(zhì)溶液。但應(yīng)注意鹽橋不能畫成導(dǎo)線，要形成閉合回路。
常見化學(xué)電源的分類及其工作原理

1．一次電池
(1)堿性鋅錳電池
堿性鋅錳電池的負極是Zn，正極是MnO2，電解質(zhì)是KOH，其電極反應(yīng)如下：
負極：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正極：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)銀鋅電池
銀鋅電池的負極是Zn，正極是Ag2O，電解質(zhì)是KOH，其電極反應(yīng)如下：
負極：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正極：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
總反應(yīng)：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(3)鋰電池
鋰電池是用金屬鋰作負極，石墨作正極，電解質(zhì)溶液由四氯化鋁鋰(LiAlCl4)溶解在亞硫酰氯(SOCl2)中組成。其電極反應(yīng)如下：
負極：8Li－8e－===8Li＋；
正極：3SOCl2＋8e－===6Cl－＋SO＋2S；
總反應(yīng)：8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
2．二次電池
鉛蓄電池是最常見的二次電池，總反應(yīng)為Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)

[補短板]
(1)二次電池充電時的電極連接

即正極接正極，負極接負極。
(2)充電時的電極反應(yīng)與放電時的電極反應(yīng)過程相反，充電時的陽極反應(yīng)與放電時的正極反應(yīng)相反，充電時的陰極反應(yīng)與放電時的負極反應(yīng)相反。
3．燃料電池
燃料電池中的常見燃料有氫氣、烴(CH4、C2H6)、烴的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金屬(Al、Li等)，燃料在電池中的負極發(fā)生反應(yīng)。
以氫氧燃料電池為例
介質(zhì)
酸性
堿性
負極反應(yīng)式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正極反應(yīng)式
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
電池總反應(yīng)式
2H2＋O2===2H2O
注意：①燃料電池的電極不參加電極反應(yīng)，通入的燃料發(fā)生負極反應(yīng)，O2發(fā)生正極反應(yīng)。
②書寫電極反應(yīng)式時，注意介質(zhì)參與的反應(yīng)。

1．某堿性蓄電池的總反應(yīng)式為
Fe＋Ni2O3＋3H2OFe(OH)2＋2Ni(OH)2。
寫出充、放電時電極反應(yīng)式：
(1)放電時：負極：____________________________________________，
正極：_____________________________________________________。
(2)充電時：陰極：____________________________________________，
陽極：_____________________________________________________。
[答案]　(1)Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2
Ni2O3＋2e－＋3H2O===2Ni(OH)2＋2OH－
(2)Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－
2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
2．以甲醇為燃料，寫出下列介質(zhì)中的電極反應(yīng)式
(1)
(2)堿性溶液
(3)
(4)
[答案]　(1)正極：O2＋6e－＋6H＋===3H2O
負極：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
(2)正極：O2＋6e－＋3H2O===6OH－
負極：CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O
(3)正極：O2＋6e－===3O2－
負極：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O
(4)正極：O2＋6e－＋3CO2===3CO
負極：CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O

化學(xué)電源中電極反應(yīng)式書寫的一般方法
(1)明確兩極的反應(yīng)物；
(2)明確直接產(chǎn)物：根據(jù)負極氧化、正極還原，明確兩極的直接產(chǎn)物；
(3)確定最終產(chǎn)物：根據(jù)介質(zhì)環(huán)境和共存原則，找出參與的介質(zhì)粒子，確定最終產(chǎn)物；
(4)配平：根據(jù)電荷守恒、原子守恒配平電極反應(yīng)式。
注意：①H＋在堿性環(huán)境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性環(huán)境中結(jié)合H＋，生成H2O，在中性或堿性環(huán)境結(jié)合H2O，生成OH－；③若已知總反應(yīng)式時，可先寫出較易書寫的一極的電極反應(yīng)式，然后在電子守恒的基礎(chǔ)上，總反應(yīng)式減去較易寫出的一極的電極反應(yīng)式，即得到較難寫出的另一極的電極反應(yīng)式。

命題點1　一次電池與二次電池的工作原理分析
1．O2輔助的Al-CO2電池工作原理如圖所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應(yīng)產(chǎn)物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。該電池多孔碳電極的反應(yīng)式為6O2＋6e－===6O，6CO2＋6O===3C2O＋6O2。該裝置工作時下列說法不正確的是(　　)

A．多孔碳電極有利于氣體擴散至電極表面
B．鋁電極上的電勢比多孔碳電極上的高
C．反應(yīng)過程中O2的作用是催化劑
D．該電池的總反應(yīng)式為：2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3
B　[多孔碳電極可以增大與氣體的接觸面積，有利于氣體擴散至電極表面，A項正確；鋁電極為負極，多孔碳電極為正極，因此鋁電極的電勢比多孔碳電極的電勢低，B項錯誤；根據(jù)多孔碳電極的反應(yīng)式可知，正極總反應(yīng)為6CO2＋6e－===3C2O，O2不參與正極的總反應(yīng)，其作用是催化劑，C項正確；鋁電極為負極，負極反應(yīng)為2Al－6e－===2Al3＋，正極總反應(yīng)為6CO2＋6e－===3C2O，則電池總反應(yīng)為2Al＋6CO2===Al2(C2O4)3，D項正確。]
2．(2019·濟寧模擬)一種可充電鈣離子電池放電時的工作原理如圖所示，其中以Ca7Sn6和石墨烯為電極材料，以溶有六氟磷酸鈣[Ca(PF6)2]的碳酸酯類溶劑為電解質(zhì)溶液。下列說法正確的是(　　)

A．放電時，石墨烯為負極
B．放電時，外電路電子由石墨烯電極流向Ca7Sn6電極
C．充電時，電解質(zhì)溶液中的PF向石墨烯電極區(qū)遷移
D．充電時，a電極的電極反應(yīng)式為Ca7Sn6－14e－===7Ca2＋＋6Sn
C　[由題圖中離子移動方向知，電池放電時，Ca7Sn6為負極，石墨烯為正極，A項錯誤；放電時，外電路電子由Ca7Sn6電極流向石墨烯電極，B項錯誤；電池充電時電解質(zhì)溶液中的PF向石墨烯電極區(qū)遷移，C項正確；充電時，a電極的電極反應(yīng)式為7Ca2＋＋6Sn＋14e－===Ca7Sn6，D項錯誤。]
3．(2019·陜西六校聯(lián)考)摩拜單車可利用車籃處的太陽能電池板向智能鎖中的鋰離子電池充電，鋰離子電池反應(yīng)原理為LiCoO2＋6CLi1－xCoO2＋LixC6，裝置示意圖如圖所示。

下列說法錯誤的是(　　)
A．充電時，陰極質(zhì)量增加，發(fā)生還原反應(yīng)
B．充電時，電路中每有1 mol電子通過，則有1 mol Li＋通過聚合物電解質(zhì)膜
C．該鋰離子電池放電時，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能
D．放電時，正極的電極反應(yīng)式為LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
D　[充電時，陰極的電極反應(yīng)式為6C＋xLi＋＋xe－===LixC6，陰極質(zhì)量增加，發(fā)生還原反應(yīng)，A正確；充電時，電路中每有1 mol電子通過，則有1 mol Li＋由裝置左側(cè)通過聚合物電解質(zhì)膜移向右側(cè)，B正確；該鋰離子電池放電時，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，C正確；放電時，正極應(yīng)該是Li1－xCoO2得電子發(fā)生還原反應(yīng)，D錯誤。]
命題點2　應(yīng)用廣泛的各類燃料電池的工作原理分析
4．某種熔融碳酸鹽燃料電池以Li2CO3、K2CO3為電解質(zhì)、以CH4為燃料時，該電池工作原理如圖。下列說法正確的是 (　　)

A．a(chǎn)為CH4，b為CO2
B．CO向正極移動
C．此電池在常溫下也能工作
D．正極的電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－===2CO
D　[電極反應(yīng)式如下：
負極：CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
正極：2O2＋8e－＋4CO2===4CO
根據(jù)圖示中電子的移向，可以判斷a處通入甲烷，b處通入空氣，CO應(yīng)移向負極，由于電解質(zhì)是熔融鹽，故此電池在常溫下不能工作。]
5．(2019·湖北七市聯(lián)考)現(xiàn)有二氧化硫-空氣質(zhì)子交換膜燃料電池，其原理如圖所示。下列說法不正確的是(　　)

A．該電池實現(xiàn)了制硫酸、發(fā)電、環(huán)保三位一體的結(jié)合
B．該電池工作時質(zhì)子從Pt1電極經(jīng)過內(nèi)電路流到Pt2電極
C．Pt1電極附近發(fā)生的反應(yīng)為SO2＋2H2O－2e－===SO＋
4H＋
D．Pt2電極附近發(fā)生的反應(yīng)為O2＋2e－＋2H2O===4H＋
D　[二氧化硫-空氣質(zhì)子交換膜燃料電池，吸收了空氣中的二氧化硫起到了環(huán)保的作用，產(chǎn)物中有硫酸，而且發(fā)電，A項不符合題意；SO2失去電子生成SO，失電子，為負極，在原電池中，陽離子向正極移動，H＋從Pt1(負極)向Pt2(正極)移動，B項不符合題意； SO2失去電子生成SO，電解質(zhì)溶液為酸性，根據(jù)得失電子守恒，負極的方程式為SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，C項不符合題意；選項中的方程式O2＋2e－＋2H2O===4H＋，電荷不守恒，應(yīng)該為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，D項符合題意。]
6．(2019·貴陽模擬)一種以液態(tài)肼(N2H4)為燃料的電池裝置如圖所示，該電池用空氣中的氧氣作為氧化劑，KOH溶液作為電解質(zhì)溶液。下列關(guān)于該電池的敘述正確的是(　　)

A．b電極是負極
B．a(chǎn)電極的電極反應(yīng)式：N2H4＋4OH－＋4e－===N2↑＋4H2O
C．放電時，電子從a電極經(jīng)過負載流向b電極
D．電池工作時，K＋從正極移向負極
C　[燃料電池中正極上通入空氣，故b電極為正極，A項錯誤；a電極為負極，負極上N2H4發(fā)生氧化反應(yīng)：N2H4－4e－＋4OH－===N2↑＋4H2O，B項錯誤；放電時，電子從負極(a電極)經(jīng)過負載流向正極(b電極)，C項正確；該裝置交換膜為陰離子交換膜，電池工作時，OH－從正極移向負極，D項錯誤。]

燃料電池電極反應(yīng)式書寫模板
(1)首先寫出正極反應(yīng)式
①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
②堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：
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)式：O2＋4e－===2O2－；
④熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)式：
O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(2)根據(jù)總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式確定負極反應(yīng)式。
命題點3　原電池原理在實際生活中的應(yīng)用
7．FFC劍橋法可由金屬氧化物直接電解制備金屬單質(zhì)，西北稀有金屬材料研究院利用此法成功電解制備鉭粉(Ta)，其原理如圖所示。下列說法正確的是(　　)

A．該裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能
B．a(chǎn)極為電源的正極
C．Ta2O5極發(fā)生的電極反應(yīng)為Ta2O5＋10e－===2Ta＋5O2－
D．石墨電極上生成22.4 L O2，則電路中通過的電子數(shù)為4×6.02×1023
C　[由題給裝置可知，該裝置有外接電源，屬于電解池，可將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，A項錯誤；由O2－移動方向可知，Ta2O5極為陰極，則a極為電源的負極，B項錯誤；Ta2O5極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Ta2O5＋10e－===2Ta＋5O2－，C項正確；石墨電極發(fā)生的電極反應(yīng)為2O2－－4e－===O2↑(石墨電極與生成的氧氣進一步反應(yīng)生成CO、CO2)，題中沒有說明O2所處的溫度和壓強，無法計算氧氣的物質(zhì)的量和電路中通過的電子數(shù)，D項錯誤。]
8．(2019·肇慶模擬)如圖是利用一種微生物將廢水中的有機物(如淀粉)和廢氣NO的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，下列說法中一定正確的是(　　)

A．質(zhì)子透過陽離子交換膜由右向左移動
B．電子流動方向為N→Y→X→M
C．M電極反應(yīng)式：(C6H10O5)n＋7nH2O－24ne－===6nCO2↑＋24nH＋
D．當M電極微生物將廢水中16.2 g淀粉轉(zhuǎn)化掉時，N電極產(chǎn)生134.4 L N2(標準狀況下)
C　[由題給信息可知，該裝置為原電池，由圖可得：電解質(zhì)溶液為酸性溶液，NO發(fā)生還原反應(yīng)生成N2，因為原電池中，正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，負極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則N為正極，M為負極，質(zhì)子透過陽離子交換膜由負極區(qū)移動到正極區(qū)，即由左向右移動，A錯誤；電子從負極(M極)流出，經(jīng)外電路到X，經(jīng)Y流入正極(N極)，B錯誤；16.2 g淀粉(即0.1 mol C6H10O5)反應(yīng)，轉(zhuǎn)移2.4 mol電子，因為正極(N極)反應(yīng)為2NO＋4H＋＋4e－===N2＋2H2O，則N電極產(chǎn)生0.6 mol氮氣，在標準狀況下的體積為13.44 L，D錯誤。]
9．(2019·廈門第一次質(zhì)量檢測)鐵碳微電解技術(shù)是利用原電池原理處理酸性污水的一種工藝，裝置如圖。若上端開口關(guān)閉，可得到強還原性的H·(氫原子)；若上端開口打開，并鼓入空氣，可得到強氧化性的·OH(羥基自由基)。下列說法錯誤的是(　　)

A．無論是否鼓入空氣，負極的電極反應(yīng)式均為Fe－2e－===
Fe2＋
B．不鼓入空氣時，正極的電極反應(yīng)式為H＋＋e－===H·
C．鼓入空氣時，每生成1 mol·OH有2 mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移
D．處理含有草酸(H2C2O4)的污水時，上端開口應(yīng)打開并鼓入空氣
C　[根據(jù)鐵碳微電解裝置示意圖可知，F(xiàn)e為原電池負極，發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe－2e－===Fe2＋，故A正確；由題意可知上端開口關(guān)閉，可得到強還原性的H·，則不鼓入空氣時，正極的電極反應(yīng)式為H＋＋e－===H·，故B正確；鼓入空氣時，正極的電極反應(yīng)式為O2＋
2H＋＋2e－===2·OH，每生成1 mol·OH有1 mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，故C錯誤；處理含有草酸(H2C2O4)的污水時，因C2O具有很強的還原性，與氧化劑作用易被氧化為CO2和H2O，則上端開口應(yīng)打開并鼓入空氣生成強氧化性的·OH，以氧化H2C2O4處理污水，故D正確。]

新型化學(xué)電池與間接電池
——科學(xué)探究與社會責(zé)任

分析近三年高考試題，新型化學(xué)電池與間接電池的原理分析在三套全國卷中特別受到關(guān)注。此類試題題材廣、信息新、陌生度高，對考生的要求特別高。但往往是起點高，落點低，只要細心分析，實際得分較高。體現(xiàn)了“科學(xué)探究和社會責(zé)任”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

1．命題分析
命題專家往往根據(jù)新型電池與間接電池的裝置特點、結(jié)合新背景、新介質(zhì)、新電極材料等方面，關(guān)注下列命題角度：
(1)電極的判斷及其電極反應(yīng)式的書寫或判斷。
(2)兩極產(chǎn)物及兩極反應(yīng)類型的判斷。
(3)兩極附近溶液的pH變化或計算。
(4)電子、電流、離子移動方向，交換膜的判斷。
(5)電子守恒的相關(guān)計算。
2．新型電池的原理示例分析
(1)鎳氫電池(KOH溶液)：NiOOH＋MHNi(OH)2＋M
負極反應(yīng)式：MH－e－＋OH－===M＋H2O；
正極反應(yīng)式：NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－。
(2)鋰離子電池總反應(yīng)式：xLi＋Li1－xMn2O4LiMn2O4
負極反應(yīng)式：xLi－xe－===xLi＋；
正極反應(yīng)式：Li1－xMn2O4＋xe－＋xLi＋===LiMn2O4。
(3)研究人員研制出一種可快速充放電的超性能鋁離子電池，Al、Cn為電極，有機陽離子與陰離子(AlCl、Al2Cl)組成的離子液體為電解質(zhì)，如圖為該電池放電過程示意圖。

負極反應(yīng)式：Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl；
正極反應(yīng)式：3Cn[AlCl4]＋3e－===3Cn＋3AlCl。
(4)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溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料，電池的總反應(yīng)式：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。
負極反應(yīng)：4Na－4e－===4Na＋
正極反應(yīng)：3CO2＋4e－===C＋2CO
注意：平時復(fù)習(xí)時，要多積累新型電池的電極反應(yīng)。
[典例導(dǎo)航]
(2019·全國卷Ⅰ)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說法錯誤的是
(　　)

A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能
B．陰極區(qū)，在氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3
D．電池工作時質(zhì)子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
[思路點撥]　

B　[A項，該反應(yīng)中，可產(chǎn)生電流，反應(yīng)條件比較溫和，沒有高溫高壓條件，正確；B項，該生物燃料電池中，左端電極反應(yīng)式為MV＋－e－===MV2＋，則左端電極是負極，應(yīng)為負極區(qū)，在氫化酶作用下，發(fā)生反應(yīng)H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，錯誤；C項，右端電極反應(yīng)式為MV2＋＋e－===MV＋，是正極，在正極區(qū)N2得到電子生成NH3，發(fā)生還原反應(yīng)，正確；D項，原電池中，內(nèi)電路中H＋通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動，正確。]

間接電化學(xué)反應(yīng)原理分析
(1)定義：間接電化學(xué)反應(yīng)是以具有“電子傳遞”功能的物質(zhì)為媒質(zhì)(催化劑)，對反應(yīng)基質(zhì)進行間接氧化或還原，從而得到目的產(chǎn)物。
(2)原理：媒質(zhì)也稱為“電對”或“介對”，其首先在電極表面失去(或得到)電子，形成氧化態(tài)(或還原態(tài))在電
解溶液中進一步氧化(或還原)反應(yīng)基質(zhì)，最終生成目的產(chǎn)物。
其原理如下圖所示：

題型1　新型化學(xué)電池的原理分析
1．(2019·撫順一模)有一種新型二次電池其放電時的工作原理如圖所示：電池兩極區(qū)用陽離子交換膜隔開，下列說法錯誤的是(　　)

A．電池放電時的正極反應(yīng)為I＋2e－===3I－
B．電池充電時，電解質(zhì)為K2S2和K2S4極區(qū)的電極連接外加電源的負極
C．電池放電時當有0.2 mol K＋通過離子交換膜，電路中轉(zhuǎn)移了0.2 mol e－
D．電池充電時，陰極反應(yīng)式為2S－2e－===S
D　[放電時，由圖知K＋從K2S2和K2S4極區(qū)移向KI3-KI極區(qū)，則K2S2和K2S4極區(qū)為負極，KI3-KI極區(qū)為正極，正極反應(yīng)為I＋2e－===3I－，A項正確；電池充電時，K2S2和K2S4極區(qū)得到電子發(fā)生還原反應(yīng)為陰極，電極連接外加電源的負極，KI3-KI極區(qū)失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)為陽極，電極連接外加電源的正極，B項正確；電池放電時，負極的電極反應(yīng)式為2S－2e－===S，故當有0.2 mol K＋通過離子交換膜，電路中轉(zhuǎn)移0.2 mol e－，C項正確；充電時，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，得電子，D錯誤。]
2．(2019·青島一模)水系鋅離子電池是一種新型二次電池，工作原理如下圖。該電池以粉末多孔鋅電極(鋅粉、活性炭及粘結(jié)劑等)為負極，V2O5為正極，三氟甲磺酸鋅[Zn(CF3SO3)2]為電解液。下列敘述錯誤的是(　　)

A．放電時，Zn2＋向V2O5電極移動
B．充電時，陽極區(qū)電解液的濃度變大
C．充電時，粉末多孔鋅電極發(fā)生還原反應(yīng)
D．放電時，V2O5電極上的電極反應(yīng)式為V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5
B　[放電時，陽離子向正極移動，所以Zn2＋向V2O5電極移動，故正確；充電時，陽極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅離子通過陽離子交換向左移動，所以陽極區(qū)電解液的濃度變小，故錯誤；充電時，粉末多孔鋅電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，故正確；放電時，V2O5電極上的電極反應(yīng)式為V2O5＋xZn2＋＋2xe－===ZnxV2O5，故正確。]
題型2　間接電池的原理分析
3．(2019·茂名模擬)煤的電化學(xué)脫硫是借助煤在電解槽陽極發(fā)生的電化學(xué)氧化反應(yīng)，將煤中黃鐵礦(FeS2)或有機硫化物氧化成可溶于水的含硫化合物而達到凈煤目的，如圖是一種脫硫機理，則下列說法正確的是(　　)

①—電極a?、凇S鐵礦?、邸狹nSO4、H2SO4混合溶液?、堋捶磻?yīng)黃鐵礦?、荨娊猱a(chǎn)品
A．Mn3＋充當了電解脫硫過程的催化劑
B．電極a應(yīng)與電源負極相連
C．脫硫過程中存在的離子反應(yīng)為8H2O＋FeS2＋15Mn3＋===
Fe3＋＋16H＋＋2SO＋15Mn2＋
D．陰極發(fā)生的反應(yīng)為2H2O＋2e－===4H＋＋O2↑

C　[電解初期，電極a發(fā)生Mn2＋－e－===Mn3＋，電解后期
Mn3＋又被還原，Mn3＋充當了電解脫硫過程的中間產(chǎn)物，A錯誤；電極a發(fā)生為Mn2＋－e－===Mn3＋，是電解池的陽極，應(yīng)與電源的正極相連，B錯誤；脫硫過程中Mn3＋將FeS2氧化成Fe3＋和SO，存在的離子反應(yīng)為8H2O＋FeS2＋15Mn3＋===Fe3＋＋16H＋＋2SO＋
15Mn2＋，C正確；陰極發(fā)生的反應(yīng)為4H＋＋4e－＋O2===2H2O，D錯誤。]
4．(2019·河南、河北兩省名校省際聯(lián)考)世界某著名學(xué)術(shù)刊物近期介紹了一種新型中溫全瓷鐵-空氣電池，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

下列有關(guān)該電池放電時的說法正確的是(　　)
A．a(chǎn)極發(fā)生氧化反應(yīng)
B．正極的電極反應(yīng)式為FeOx＋2xe－===Fe＋xO2－
C．若有22.4 L(標準狀況下)空氣參與反應(yīng)，則電路中有4 mol電子轉(zhuǎn)移
D．鐵表面發(fā)生的反應(yīng)為xH2O(g)＋Fe===FeOx＋xH2
D　[a極是O2得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，A錯誤；正極反應(yīng)為O2＋4e－===
2O2－，B錯誤；22.4 L(標準狀況下)空氣中的O2小于1 mol，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量小于4 mol，C錯誤。]

1．(2019·全國卷Ⅲ)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，設(shè)計了采用強堿性電解質(zhì)的3D-Zn—NiOOH二次電池，結(jié)構(gòu)如圖所示。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－通過隔膜從負極區(qū)移向正極區(qū)
D　[A項，三維多孔海綿狀Zn為多孔結(jié)構(gòu)，具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高，正確；B項，二次電池充電時作為電解池使用，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，元素化合價升高，原子失去電子，陽極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正確；C項，二次電池放電時作為原電池使用，負極發(fā)生氧化反應(yīng)，元素化合價升高，原子失去電子，由電池總反應(yīng)可知負極反應(yīng)為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正確；D項，二次電池放電時作為原電池使用，陰離子從正極區(qū)向負極區(qū)移動，錯誤。]
2．(2018·全國卷Ⅱ)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溶于有機溶劑作為電解液，鈉和負載碳納米管的鎳網(wǎng)分別作為電極材料，電池的總反應(yīng)為3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列說法錯誤的是 (　　)

A．放電時，ClO向負極移動
B．充電時釋放CO2，放電時吸收CO2
C．放電時，正極反應(yīng)為3CO2＋4e－===2CO＋C
D．充電時，正極反應(yīng)為Na＋＋e－===Na
D　[結(jié)合總反應(yīng)式和題圖可知，該電池放電時Na為負極，CO2為正極。Na-CO2二次電池放電時為原電池，充電時為電解池。
電池放電時，ClO向負極移動，A項正確；結(jié)合總反應(yīng)可知放電時吸收CO2，而充電時釋放出CO2，B項正確；放電時，正極CO2得電子被還原生成單質(zhì)C，即電極反應(yīng)式為3CO2＋4e－===2CO＋C，C項正確；充電時陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，即C被氧化生成CO2，D項錯誤。]
3．(2018·全國卷Ⅲ)一種可充電鋰—空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li＋在多孔碳材料電極處生成Li2O2－x(x＝0或1)。下列說法正確的是(　　)

A．放電時，多孔碳材料電極為負極
B．放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極
C．充電時，電解質(zhì)溶液中Li＋向多孔碳材料區(qū)遷移
D．充電時，電池總反應(yīng)為Li2O2－x===2Li＋O2
D　[根據(jù)電池工作原理，多孔碳材料吸附O2，O2在此獲得電子，所以多孔碳材料電極為電池的正極，A項錯誤；放電時電子從負極(鋰電極)流出，通過外電路流向正極(多孔碳材料電極)，B項錯誤；Li＋帶正電荷，充電時，應(yīng)該向電解池的陰極(鋰電極)遷移，C項錯誤；充電時，電池總反應(yīng)為===2Li＋O2，D項正確。]
4．(2017·全國卷Ⅲ)全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為16Li＋xS8===8Li2Sx(2≤x≤8)。下列說法錯誤的是(　　)

A．電池工作時，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4
B．電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g
C．石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性
D．電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多
D　[充電時間越長，電池中Li2S2的量越少，D錯誤。]
5．(2015·全國卷Ⅰ)微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說法錯誤的是(　　)

A．正極反應(yīng)中有CO2生成
B．微生物促進了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移
C．質(zhì)子通過交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)
D．電池總反應(yīng)為C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
A　[圖示所給出的是原電池裝置。A.有氧氣反應(yīng)的一極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，因為有質(zhì)子通過，故正極電極反應(yīng)式為O2＋
4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，負極上有CO2產(chǎn)生，故A不正確。B.微生物電池是指在微生物作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，所以微生物促進了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移，故B正確。C.質(zhì)子是陽離子，陽離子由負極區(qū)移向正極區(qū)，故C正確。D.正極的電極反應(yīng)式為6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，負極的電極反應(yīng)式為C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，兩式相加得電池總反應(yīng)為C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正確。]