高中化學(xué)二輪精準(zhǔn)復(fù)習(xí)45講四類(lèi)新型電源反應(yīng)原理分析2023第21講命題角度分析命題專(zhuān)家命題時(shí)，用最新電池的科技成果為情境素材，如新型燃料電池、二次電池和間接電池等。特別關(guān)注的命題角度：(1)電極的判斷及其電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)或判斷。(2)兩極產(chǎn)物及兩極反應(yīng)類(lèi)型的判斷。(3)兩極附近溶液的pH變化。(4)電子、電流、離子移動(dòng)方向，交換膜的判斷。(5)電子守恒的相關(guān)計(jì)算。(6)設(shè)置的特定問(wèn)題分析。微生物燃料電池是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。其基本工作原理是：在負(fù)極室厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和負(fù)極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過(guò)外電路傳遞到正極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到正極，氧化劑(一般為氧氣)在正極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。四類(lèi)新型電源反應(yīng)原理示例分析考向1

新型燃料電池考向1

新型燃料電池微生物燃料電池(MFC)為可再生能源的開(kāi)發(fā)和難降解廢物的處理提供了一條新途徑。電池工作示意圖如圖所示(假設(shè)有機(jī)物為乙酸鹽)。①a極為負(fù)極：CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋②b極為正極：O2＋4H＋＋4e－===2H2O③總反應(yīng)為CH3COO－＋2O2＋H＋===2CO2↑＋2H2O以KOH溶液為離子導(dǎo)體,分別組成CH3OH-O2、N2H4-O2

(CH3)2NNH2-O2清潔燃料電池,下列說(shuō)法正確的是(

)A.放電過(guò)程中,K+均向負(fù)極移動(dòng)B.放電過(guò)程中,KOH的物質(zhì)的量均減小C.消耗等質(zhì)量燃料,(CH3)2NNH2-O2燃料電池的理論放電量最大D.消耗1molO2時(shí),理論上N2H4-O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2LC【真題示例1】

【解題思路】

一種高性能的①②電池如圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng)：VB2＋16OH－－11e－===VO43－＋2B(OH)

4

－＋4H2O③。該電池工作時(shí)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)

A．負(fù)載通過(guò)0.04mol電子時(shí)，有0.224L(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===8B(OH)

4－＋4VO43－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【真題示例2】

B【解析】該電池中O2在正極發(fā)生的反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－

，所以負(fù)載通過(guò)0.04mol電子時(shí)，有0.224L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)，A正確；根據(jù)正負(fù)極電極反應(yīng)式可知使用過(guò)程中負(fù)極區(qū)溶液的pH降低、正極區(qū)溶液的pH升高，B錯(cuò)誤；根據(jù)兩極電極反應(yīng)式可知電池總反應(yīng)為4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)4－＋4VO43－，C正確；VB2電極和復(fù)合碳電極分別為電池的負(fù)極、正極，根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可知電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極，D正確。歸納總結(jié)1.燃料電池認(rèn)知模型。

2.燃料電池中通入氧氣的一極的電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。

3.新型化學(xué)電源中電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)[精練1]一種微生物燃料電池如圖所示，下列關(guān)于該電池說(shuō)法正確的是(

)A.a電極是該電池的正極B．電池工作時(shí)，電流由a電極沿導(dǎo)線流向b電極C．b電極發(fā)生還原反應(yīng)D．H＋由右室通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入左室【解析】a電極上，苯酚轉(zhuǎn)化為CO2，C元素的化合價(jià)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)，故a電極是該電池的負(fù)極，A項(xiàng)錯(cuò)誤；a電極為負(fù)極，b電極為正極，則電池工作時(shí)，電流由b電極沿導(dǎo)線流向a電極，B項(xiàng)錯(cuò)誤；b電極上，NO3－轉(zhuǎn)化為N2，N元素化合價(jià)降低，發(fā)生還原反應(yīng)，C項(xiàng)正確；陽(yáng)離子向電池正極移動(dòng)，b電極為正極，故H＋由左室通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入右室，D項(xiàng)錯(cuò)誤。C

C

考向2

新型二次電池2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆與吉野彰這三位被稱為“鋰電池之父”的科學(xué)家，以表彰他們?cè)阡囯x子電池領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)。如圖是一種最新研制的聚合物鋰電池，a極為含有Li、Co、Ni、Mn、O等元素組成的混鹽，電解【真題示例3】

科學(xué)家近年發(fā)明了一種新型Zn－CO2水介質(zhì)電池。電池示意圖如圖，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時(shí)，溫室氣體CO2被轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)氫物質(zhì)甲酸等，為解決環(huán)境和能源問(wèn)題提供了一種新途徑。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)

A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)

42－B．放電時(shí)，1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為2molC．充電時(shí)，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)

42－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充電時(shí)，正極溶液中OH－濃度升高D【解析】放電時(shí)，負(fù)極上Zn發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)42－，故A正確；放電時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH，C元素化合價(jià)降低2，則1molCO2轉(zhuǎn)化為HCOOH時(shí)，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol，故B正確；充電時(shí)，陽(yáng)極上H2O轉(zhuǎn)化為O2，負(fù)極上Zn(OH)42－轉(zhuǎn)化為Zn，電池總反應(yīng)為2Zn(OH)42－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，故C正確；充電時(shí)，正極即為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，溶液中H＋濃度增大，溶液中c(H＋)·c(OH－)＝KW，溫度不變時(shí)，KW不變，因此溶液中OH－濃度降低，故D錯(cuò)誤。電致變色器件可智能調(diào)控太陽(yáng)光透過(guò)率,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。下圖是某電致變色器件的示意圖。當(dāng)通電時(shí),Ag+注入無(wú)色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈現(xiàn)藍(lán)色。對(duì)于該變化過(guò)程,下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A.Ag為陽(yáng)極B.Ag+由銀電極向變色層遷移C.W元素的化合價(jià)升高D.總反應(yīng)為WO3+xAg===AgxWO3

C

【真題示例4】

【解題思路】第一步,根據(jù)圖示判斷電化學(xué)裝置的類(lèi)型。該裝置為電解裝置。第二步,根據(jù)粒子變化,判斷陰、陽(yáng)極。由通電產(chǎn)生Ag+可知,通電時(shí)Ag極失電子,作陽(yáng)極;透明導(dǎo)電層作陰極。第三步,根據(jù)電極反應(yīng)原理確定各電極上發(fā)生的反應(yīng)。陽(yáng)極反應(yīng)為Ag-e-===Ag+;陰極反應(yīng)為xAg++WO3+xe-===AgxWO3。第四步,逐項(xiàng)分析判斷。

(1)可充電電池的分析流程①可充電電池有充電和放電兩個(gè)過(guò)程，放電時(shí)是原電池反應(yīng)，充電時(shí)是電解池反應(yīng)。②放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)和充電時(shí)的陰極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，放電時(shí)的正極反應(yīng)和充電時(shí)的陽(yáng)極反應(yīng)互為逆反應(yīng)。將負(fù)(正)極反應(yīng)式變換方向并將電子移項(xiàng)即可得出陰(陽(yáng))極反應(yīng)式。方法技巧有關(guān)可充電電池的解題思路:③充、放電時(shí)電解質(zhì)溶液中離子移動(dòng)方向的判斷分析電池工作過(guò)程中電解質(zhì)溶液的變化時(shí)，要結(jié)合電池總反應(yīng)進(jìn)行分析。a.首先應(yīng)分清電池是放電還是充電。b.再判斷出正、負(fù)極或陰、陽(yáng)極。放電陽(yáng)離子正極，陰離子負(fù)極充電陽(yáng)離子陰極，陰離子陽(yáng)極總之：陽(yáng)離子發(fā)生還原反應(yīng)的電極陰離子發(fā)生氧化反應(yīng)的電極(2)可充電電池的思維模型因此，充電時(shí)電極的連接可簡(jiǎn)記為“負(fù)接負(fù)后作陰極，正接正后作陽(yáng)極”。[精練1]我國(guó)科學(xué)家成功研制出鋁-石墨烯(Cn)可充電電池,電解質(zhì)為陽(yáng)離子(EMIM+)與陰離子()組成的離子液體,該電池放電過(guò)程如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A.放電時(shí)負(fù)極的反應(yīng)式為Cn+

AlCl4--e-==Cn(AlCl4)B.放電時(shí)石墨烯為正極,發(fā)生還原反應(yīng)C.充電時(shí)石墨烯與電源的正極相連D.充電時(shí)的總反應(yīng)為:3Cn+4Al2Cl7-==Al+4AlCl4-+3Cn(AlCl4)【解析】由示意圖可知放電時(shí)鋁為負(fù)極,被氧化生成Al2Cl7-,電極方程式為Al+7AlCl4--3e-====4

Al2Cl7-,正極反應(yīng)為3Cn(AlCl4)+3e-==3Cn+3AlCl4-,電解時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為3Cn+3AlCl4--3e-=3Cn(AlCl4),陰極發(fā)生還原反應(yīng),電極方程式為4Al2Cl7-+3e-=Al+7AlCl4-,據(jù)此分析解答。放電時(shí)鋁為負(fù)極,被氧化生成Al2Cl7-,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為Al+7

AlCl4--3e-=4Al2Cl7-,A錯(cuò)誤;放電時(shí),石墨烯為正極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為3Cn(AlCl4)+3e-====3Cn+3AlCl4-,B正確;放電時(shí),石墨烯為正極,充電時(shí),Cn為陽(yáng)極,與電源的正極相連,C正確;充電時(shí),陽(yáng)極電極反應(yīng)為3Cn+3

AlCl4--3e-====3Cn(AlCl4),陰極電極方程式為4Al2Cl7-+3e-====Al+7AlCl4-,因此充電時(shí)的總反應(yīng)為3Cn+4Al2Cl7-==Al+4AlCl4-+3Cn(AlCl4),D正確。A正極是NiOOH被還原為Ni(OH)2負(fù)極是Zn，被氧化為ZnO[精練2]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(shuō)法錯(cuò)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(shí)陽(yáng)極反應(yīng)為Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)C.放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)D.放電過(guò)程中OH－通過(guò)隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)充電相當(dāng)于是電解池，陽(yáng)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)總反應(yīng)式可知陽(yáng)極是Ni(OH)2失去電子轉(zhuǎn)化為NiOOH，電極反應(yīng)式為Ni(OH)2(s)＋OH?(aq)?e?＝NiOOH(s)＋H2O(l)，B正確放電時(shí)相當(dāng)于是原電池，負(fù)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)總反應(yīng)式可知負(fù)極反應(yīng)式為Zn(s)＋2OH?(aq)?2e?＝ZnO(s)＋H2O(l)，C正確原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，則放電過(guò)程中OH?通過(guò)隔膜從正極區(qū)移向負(fù)極區(qū)，D錯(cuò)誤D陰離子向負(fù)極移動(dòng)根據(jù)物質(zhì)轉(zhuǎn)化中，元素化合價(jià)的變化或離子的移動(dòng)(陽(yáng)離子移向正極區(qū)域，陰離子移向負(fù)極區(qū)域)，判斷電池的正、負(fù)極，是分析該電池的關(guān)鍵。考向3

間接協(xié)同電池電極協(xié)同反應(yīng)(1)電極反應(yīng)的產(chǎn)物，再與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的情況，形成電極反應(yīng)與協(xié)同反應(yīng)的多步反應(yīng)，通常發(fā)生在電極的一個(gè)區(qū)域。(2)要分清三種反應(yīng)：①電極反應(yīng)，②電極區(qū)反應(yīng)，③總反應(yīng)。利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2＋/MV＋在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。

最近我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種CO2＋H2S協(xié)同轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣中CO2和H2S的高效去除。示意圖如圖所示，其中電極分別為ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯電極區(qū)發(fā)生反應(yīng)為：①EDTA－Fe2＋－e－===EDTA－Fe3＋②2EDTA－Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA－Fe2＋該裝置工作時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是(

)A.陰極的電極反應(yīng)：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB.協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC.石墨烯上的電勢(shì)比ZnO@石墨烯上的低D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA－Fe3＋/EDTA－Fe2＋，溶液需為酸性解析陰極發(fā)生還原反應(yīng)，氫離子由交換膜右側(cè)向左側(cè)遷移，陰極的電極反應(yīng)式為CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A項(xiàng)正確；結(jié)合陽(yáng)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)，可知協(xié)同轉(zhuǎn)化總反應(yīng)為CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B項(xiàng)正確；石墨烯作陽(yáng)極，其電勢(shì)高于ZnO@石墨烯的，C項(xiàng)錯(cuò)誤；Fe3＋、Fe2＋在堿性或中性介質(zhì)中會(huì)生成沉淀，它們只穩(wěn)定存在于酸性較強(qiáng)的介質(zhì)中，D項(xiàng)正確。陰陽(yáng)

C【真題示例5】

[精練1]研究發(fā)現(xiàn)，在酸性乙醇燃料電池中加入硝酸，可使電池持續(xù)大電流放電，其工作原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)A．加入HNO3降低了正極反應(yīng)的活化能B．電池工作時(shí)正極區(qū)溶液的pH增大C．1molCH3CH2OH被完全氧化時(shí)有1.5molO2被還原D．正極附近的溶液中會(huì)發(fā)生反應(yīng)：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3解析:從示意圖可以看出HNO3起催化劑作用，降低反應(yīng)的活化能，A正確；正極區(qū)的反應(yīng)可寫(xiě)為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，c(H＋)減小，pH增大，B正確；根據(jù)電子守恒，1molCH3CH2OH變?yōu)镃O2失去12mole－，需要3molO2，C錯(cuò)誤；D正確。C

[精練2]我國(guó)科學(xué)家在天然氣脫硫研究方面取得了新進(jìn)展，利用如圖裝置可發(fā)生反應(yīng)：H2S＋O2===H2O2＋S↓，已知甲池中發(fā)生的反應(yīng)為下列說(shuō)法不正確的是A.甲池中碳棒上發(fā)生的電極反應(yīng)式為AQ＋2H＋

＋2e－===H2AQB.乙池溶液中發(fā)生的反應(yīng)為H2S＋

I3－===3I－＋S↓

＋2H＋C.該裝置將電能轉(zhuǎn)化為光能D.H＋從甲池移向乙池CD

根據(jù)題圖中的電子流向可判斷出甲池中碳棒是正極，該電極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，即AQ＋2H＋＋2e－===H2AQ，A正確；根據(jù)題圖中信息可知該裝置將光能轉(zhuǎn)化為電能，C錯(cuò)誤；該裝置是原電池裝置，陽(yáng)離子移向正極，甲池中碳棒是正極，所以H＋從乙池移向甲池，D錯(cuò)誤。返回【解析】

考向4

鋰電池與鋰離子電池1.鋰電池鋰電池是一類(lèi)由金屬鋰或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池的負(fù)極材料是金屬鋰或鋰合金，工作時(shí)金屬鋰失去電子被氧化為L(zhǎng)i＋，負(fù)極反應(yīng)均為L(zhǎng)i－e－===Li＋，負(fù)極生成的Li＋經(jīng)過(guò)電解質(zhì)定向移動(dòng)到正極。2.鋰離子二次電池(1)鋰離子電池基于電化學(xué)“嵌入/脫嵌”反應(yīng)原理，替代了傳統(tǒng)的“氧化—還原”理念；在兩極形成的電壓降的驅(qū)動(dòng)下，Li＋可以從電極材料提供的“空間”中“嵌入”或“脫嵌”。(2)鋰離子電池充電時(shí)陰極反應(yīng)式一般為6C＋xLi＋＋xe－===LixC6；放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)是充電時(shí)陰極反應(yīng)的逆過(guò)程：LixC6－xe－===6C＋xLi＋。(3)鋰離子電池的正極材料一般為含Li＋的化合物，目前已商業(yè)化的正極材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。充電、放電時(shí)正極材料上的電極反應(yīng)、電池總反應(yīng)如下表：

正極材料充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)式放電時(shí)正極反應(yīng)式電池總反應(yīng)式LiFePO4LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4Li1－xFePO4＋LixC6

LiFePO4＋C6LiCoO2LiCoO2－xe－===xLi＋＋Li1－xCoO2Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2Li1－xCoO2＋LixC6

LiCoO2＋C6LiMn2O4LiMn2O4－xe－===xLi＋＋Li1－xMn2O4Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4Li1－xMn2O4＋LixC6

LiMn2O4＋C6鋰—液態(tài)多硫電池具有能量密度高、儲(chǔ)能成本低等優(yōu)點(diǎn)，以熔融金屬鋰、熔融硫和多硫化鋰[Li2Sx(2≤x≤8)]分別作兩個(gè)電極的反應(yīng)物，固體Al2O3陶瓷(可傳導(dǎo)Li＋)為電解質(zhì)，其反應(yīng)原理如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A.該電池比鈉—液態(tài)多硫電池的比能量高B.放電時(shí)，內(nèi)電路中Li＋的移動(dòng)方向?yàn)閺腶到bC.Al2O3的作用是導(dǎo)電、隔離電極反應(yīng)物D.充電時(shí)，外電路中通過(guò)0.2mol電子，陽(yáng)極區(qū)單質(zhì)

硫的質(zhì)量增加3.2g【真題示例6】

由圖分析知電極a為負(fù)極，電極b為正極，放電時(shí)，內(nèi)電路中Li＋從電極a移向電極b，B正確；Al2O3為固體電解質(zhì)，能導(dǎo)電，同時(shí)將兩極反應(yīng)物隔開(kāi)，C正確；當(dāng)外電路中通過(guò)0.2mole－時(shí)，陽(yáng)極區(qū)生成0.1xmol硫，故陽(yáng)極區(qū)生成硫的質(zhì)量為3.2xg，D錯(cuò)誤。【解析】

D

[精練1]鋰離子電池充、放電電池總反應(yīng)：LixC6＋Li1－xCoO2

LiCoO2＋C6，該電池充、放電的工作示意圖如圖。下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是A.該電池具有很高的比能量B.負(fù)極的反應(yīng)式：LixC6