資源簡介

題型突破1　新型化學電源
1.(2024·安徽卷)我國學者研發(fā)出一種新型水系鋅電池,其示意圖如下。該電池分別以Zn-TCPP(局部結構如標注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極,以ZnSO4和KI混合液為電解質溶液。下列說法錯誤的是(　　)
A.標注框內(nèi)所示結構中存在共價鍵和配位鍵
B.電池總反應為:+ZnZn2++3I-
C.充電時,陰極被還原的Zn2+主要來自Zn-TCPP
D.放電時,消耗0.65 g Zn,理論上轉移0.02 mol電子
2.(2024·全國甲卷)科學家使用δ-MnO2研制了一種MnO2-Zn可充電電池(如圖所示)。電池工作一段時間后,MnO2電極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是(　　)
A.充電時,Zn2+向陽極方向遷移
B.充電時,會發(fā)生反應Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放電時,正極反應有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放電時,Zn電極質量減少0.65 g,MnO2電極生成了0.020 mol MnOOH
3.(2024·新課標卷)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示,通過CuO催化消耗血糖發(fā)電,從而控制血糖濃度。當傳感器檢測到血糖濃度高于標準,電池啟動。血糖濃度下降至標準,電池停止工作。(血糖濃度以葡萄糖濃度計)
電池工作時,下列敘述錯誤的是(　　)
A.電池總反應為:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉變起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理論上a電極有0.4 mmol 電子流入
D.兩電極間血液中的Na+在電場驅動下的遷移方向為b→a
4.(2024·河北卷)我國科技工作者設計了如圖所示的可充電Mg-CO2電池,以Mg(TFSI)2為電解質,電解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕獲CO2,使放電時CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設計克服了MgCO3導電性差和釋放CO2能力差的障礙,同時改善了Mg2+的溶劑化環(huán)境,提高了電池充放電循環(huán)性能。
下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時,電池總反應為2CO2+Mg===MgC2O4
B.充電時,多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時,電子由Mg電極流向陽極,Mg2+向陰極遷移
D.放電時,每轉移1 mol電子,理論上可轉化1 mol CO2
5.(2023·山東卷改編)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4 電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示,甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液,向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法不正確的是(　　)
A.甲室Cu電極為負極
B.隔膜為陽離子膜
C.電池總反應為Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
1.原電池的基本裝置及原理
2.燃料電池工作原理
3.充電電池原理分析
4.有機物燃料電池電極反應式的書寫
(1)在酸性電池中,電極反應式用H+平衡電荷,不能出現(xiàn)OH-。負極生成H+,正極消耗H+。以CH4燃料電池為例(電解液為H2SO4溶液),寫出電極反應式。
負極: 。
正極: 。
電池總反應式: 。
(2)在堿性電池中,電極反應式用OH-平衡電荷,不能出現(xiàn)H+、CO2(應為C)。負極消耗OH-,正極生成OH-。
以CH4燃料電池為例(電解液為KOH溶液),寫出電極反應式。
負極: 。
正極: 。
電池總反應式: 。
(3)熔融碳酸鹽燃料電池(C平衡電荷)。
負極:燃料失去電子,生成CO2。
正極:氧氣得到電子,生成C。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極: 。
正極: 。
(4)固態(tài)氧化物燃料電池(O2-平衡電荷)。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極: 。
正極: 。
(5)微生物燃料電池
微生物(或酶)電池是指在微生物的作用下(類似催化作用),將化學能轉化為電能的裝置,其工作原理如圖所示:
①微生物有利于有機物的氧化反應,促進了反應中電子的轉移。
②有機物在負極失去電子,負極反應中有CO2生成,同時生成H+(如葡萄糖在負極發(fā)生反應: ,H+通過質子交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)。
1.以KOH溶液為離子導體,分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池,下列說法正確的是(　　)
A.放電過程中,K+均向負極移動
B.放電過程中,KOH物質的量均減小
C.消耗等質量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D.消耗1 mol O2時,理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2 L
2.(2024·福建三明一模)一種可在較高溫下安全快充的鋁-硫電池的工作原理如圖,電解質為熔融氯鋁酸鹽(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔點為93 ℃的共熔物),其中氯鋁酸根[AlnC(n≥1)]起到結合或釋放Al3+的作用。電池總反應:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列說法錯誤的是(　　)
A.AlnC含4n個Al—Cl鍵
B.AlnC中同時連接2個Al原子的Cl原子有(n-1)個
C.充電時,再生1 mol Al單質至少轉移3 mol電子
D.放電時間越長,負極附近熔融鹽中n值小的AlnC濃度越高
3.(2024·廣東中山質檢)負載有Pt和Ag的活性炭,可選擇性去除Cl-實現(xiàn)廢酸的純化,其工作原理如圖。下列說法正確的是(　　)
A.Ag作原電池正極
B.電子由Ag經(jīng)活性炭流向Pt
C.Pt表面發(fā)生的電極反應:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗標準狀況下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
4.(2024·江西南昌質檢)鋰離子電池被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車、航空航天和國防軍事等領域。下圖是鋰離子二次電池的放電過程示意圖,下列說法正確的是(　　)
A.放電時,電極A的電勢高于電極B
B.放電時,正極反應:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充電時,當轉移1 mol電子時,則有1 mol Li+從LiCoO2的晶格中脫出,并穿過隔膜嵌入石墨層間
D.該電池電解液的溶劑可選擇水
5.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,示意圖如圖所示。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H2+2MV2+===2H++2MV+
C.正極區(qū),固氮酶為催化劑,N2發(fā)生還原反應生成NH3
D.電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
題型突破1　新型化學電源
1.(2024·安徽卷)我國學者研發(fā)出一種新型水系鋅電池,其示意圖如下。該電池分別以Zn-TCPP(局部結構如標注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極,以ZnSO4和KI混合液為電解質溶液。下列說法錯誤的是(　　)
A.標注框內(nèi)所示結構中存在共價鍵和配位鍵
B.電池總反應為:+ZnZn2++3I-
C.充電時,陰極被還原的Zn2+主要來自Zn-TCPP
D.放電時,消耗0.65 g Zn,理論上轉移0.02 mol電子
答案　C
解析　標注框內(nèi)Zn和N之間存在配位鍵,N和C、C和C、C和H之間存在共價鍵,A項正確;放電時Zn為負極,電極反應式為Zn-2e-===Zn2+,Zn-TCPP為正極,電極反應式為+2e-===3I-,則電池總反應為Zn+Zn2++3I-,B項正確;充電時Zn為陰極,陰極反應式為Zn2++2e-===Zn,Zn2+來自電解質溶液,C項錯誤;根據(jù)放電時負極反應式:Zn-2e-===Zn2+知,消耗0.65 g Zn,即0.01 mol Zn,理論上轉移0.02 mol電子,D項正確。
2.(2024·全國甲卷)科學家使用δ-MnO2研制了一種MnO2-Zn可充電電池(如圖所示)。電池工作一段時間后,MnO2電極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是(　　)
A.充電時,Zn2+向陽極方向遷移
B.充電時,會發(fā)生反應Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放電時,正極反應有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放電時,Zn電極質量減少0.65 g,MnO2電極生成了0.020 mol MnOOH
答案　C
解析　充電時Zn2+向陰極移動,A錯誤;由題意知,放電時,MnO2轉化為MnOOH和ZnMn2O4,B錯誤;放電時,MnO2電極為正極,發(fā)生的反應有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C正確;根據(jù)放電時Zn電極的電極反應式為Zn-2e-===Zn2+可知,Zn電極質量減少0.65 g(0.01 mol)時,電路中通過0.02 mol 電子,故MnO2電極有0.02 mol MnO2發(fā)生反應,但MnO2轉化為MnOOH和少量ZnMn2O4,故生成的MnOOH的量小于0.020 mol,D錯誤。
3.(2024·新課標卷)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示,通過CuO催化消耗血糖發(fā)電,從而控制血糖濃度。當傳感器檢測到血糖濃度高于標準,電池啟動。血糖濃度下降至標準,電池停止工作。(血糖濃度以葡萄糖濃度計)
電池工作時,下列敘述錯誤的是(　　)
A.電池總反應為:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉變起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理論上a電極有0.4 mmol 電子流入
D.兩電極間血液中的Na+在電場驅動下的遷移方向為b→a
答案　C
解析　正極反應:2H2O+O2+4e-===4OH-;負極反應:C6H12O6+2CuO===C6H12O7+Cu2O,Cu2O+2OH--2e-===2CuO+H2O。分析可知,該電池的總反應為2C6H12O6+O2===2C6H12O7,A正確;由題圖可知,b電極上發(fā)生轉化:CuO→Cu2O→CuO,反應前后CuO的性質和數(shù)目不變,故b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉變起催化作用,B正確;根據(jù)負極的電極反應式可知當消耗18 mg(0.1 mmol)葡萄糖時,轉移0.2 mmol 電子,故理論上a電極有0.2 mmol電子流入,C錯誤;原電池中,陽離子向正極遷移,由分析知,b電極為負極,a電極為正極,故兩電極間血液中的Na+在電場驅動下的遷移方向為b→a,D正確。
4.(2024·河北卷)我國科技工作者設計了如圖所示的可充電Mg-CO2電池,以Mg(TFSI)2為電解質,電解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕獲CO2,使放電時CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設計克服了MgCO3導電性差和釋放CO2能力差的障礙,同時改善了Mg2+的溶劑化環(huán)境,提高了電池充放電循環(huán)性能。
下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時,電池總反應為2CO2+Mg===MgC2O4
B.充電時,多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時,電子由Mg電極流向陽極,Mg2+向陰極遷移
D.放電時,每轉移1 mol電子,理論上可轉化1 mol CO2
答案　C
解析　由題圖知,該電池放電時CO2轉化為MgC2O4,C得電子化合價降低,則多孔碳納米管電極作正極,故Mg電極作負極,Mg失電子轉化為Mg2+。放電時,電池的總反應為2CO2+Mg===MgC2O4,A正確;充電時多孔碳納米管電極作陽極,與電源正極相連,B正確;充電時,Mg電極作陰極,電子由陽極流向正極,再由負極流向Mg電極,C錯誤;放電時,CO2中C由+4價降為+3價,故轉移1 mol電子時,理論上轉化1 mol CO2,D正確。
5.(2023·山東卷改編)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4 電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示,甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液,向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法不正確的是(　　)
A.甲室Cu電極為負極
B.隔膜為陽離子膜
C.電池總反應為Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
答案　B
解析　A.向甲室加入足量氨水后電池開始工作,則甲室Cu電極溶解,變?yōu)殂~離子與氨氣形成[Cu(NH3)4]2+,因此甲室Cu電極為負極,A正確;B.在原電池內(nèi)電路中陽離子向正極移動,若隔膜為陽離子膜,電極溶解生成的銅離子要向右側移動,通入氨氣要消耗銅離子,顯然左側陽離子不斷減小,明顯不利于電池反應正常進行,B錯誤;C.左側負極是Cu-2e-+4NH3===[Cu(NH3)4]2+,正極是Cu2++2e-===Cu,則電池總反應為Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+,C正確;D.NH3擴散到乙室會與銅離子反應生成[Cu(NH3)4]2+,銅離子濃度降低,銅離子得電子能力減弱,因此將對電池電動勢產(chǎn)生影響,D正確。
命題立意:電化學知識是中學階段學習的重要知識,因此在高考中成為必考題,且常考常新。相較于傳統(tǒng)的有機體系電池,水系電池具有較高的安全性、較低的生產(chǎn)成本和較高的能量密度,成為儲能電池和電池領域研究的熱點。試題主要考查原電池的工作原理、微粒的移動方向、電極反應式書寫、交換膜類型和電池工作過程中質量變化等必備知識。此類試題以陌生新型化學電源裝置為情景素材,主要考查學生信息獲取與加工、邏輯推理和論證能力。
1.原電池的基本裝置及原理
2.燃料電池工作原理
3.充電電池原理分析
4.有機物燃料電池電極反應式的書寫
(1)在酸性電池中,電極反應式用H+平衡電荷,不能出現(xiàn)OH-。負極生成H+,正極消耗H+。以CH4燃料電池為例(電解液為H2SO4溶液),寫出電極反應式。
負極:CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+。
正極:O2+4e-+4H+===2H2O。
電池總反應式:CH4+2O2===CO2+2H2O。
(2)在堿性電池中,電極反應式用OH-平衡電荷,不能出現(xiàn)H+、CO2(應為C)。負極消耗OH-,正極生成OH-。
以CH4燃料電池為例(電解液為KOH溶液),寫出電極反應式。
負極:CH4+10OH--8e-===7H2O+C。
正極:O2+4e-+2H2O===4OH-。
電池總反應式:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O。
(3)熔融碳酸鹽燃料電池(C平衡電荷)。
負極:燃料失去電子,生成CO2。
正極:氧氣得到電子,生成C。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極:CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O。
正極:O2+2CO2+4e-===2C。
(4)固態(tài)氧化物燃料電池(O2-平衡電荷)。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極:CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O。
正極:O2+4e-===2O2-。
(5)微生物燃料電池
微生物(或酶)電池是指在微生物的作用下(類似催化作用),將化學能轉化為電能的裝置,其工作原理如圖所示:
①微生物有利于有機物的氧化反應,促進了反應中電子的轉移。
②有機物在負極失去電子,負極反應中有CO2生成,同時生成H+(如葡萄糖在負極發(fā)生反應:C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2+24H+),H+通過質子交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)。
1.以KOH溶液為離子導體,分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池,下列說法正確的是(　　)
A.放電過程中,K+均向負極移動
B.放電過程中,KOH物質的量均減小
C.消耗等質量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D.消耗1 mol O2時,理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2 L
答案　C
解析　堿性環(huán)境下,甲醇燃料電池總反應為:2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清潔燃料電池總反應為:N2H4+O2===N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價均為-2價,H元素化合價為+1價,所以根據(jù)氧化還原反應原理可推知其燃料電池的總反應為:(CH3)2NNH2+4O2+4KOH===2K2CO3+N2+6H2O,據(jù)此結合原電池的工作原理分析解答。A.放電過程為原電池工作原理,所以鉀離子均向正極移動,A不符合題意;B.根據(jù)上述分析可知,N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮氣和水,其總反應中未消耗KOH,所以KOH的物質的量不變,其他兩種燃料電池根據(jù)總反應可知,KOH的物質的量減小,B不符合題意;C.理論放電量與燃料的物質的量和轉移電子數(shù)有關,設消耗燃料的質量均為m g,則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質的量表達式)分別是:×6、×4、×16,通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大,C正確;D.根據(jù)轉移電子數(shù)守恒和總反應式可知,消耗1 mol O2生成的氮氣的物質的量為1 mol,在標準狀況下為22.4 L,D不符合題意。
2.(2024·福建三明一模)一種可在較高溫下安全快充的鋁-硫電池的工作原理如圖,電解質為熔融氯鋁酸鹽(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔點為93 ℃的共熔物),其中氯鋁酸根[AlnC(n≥1)]起到結合或釋放Al3+的作用。電池總反應:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列說法錯誤的是(　　)
A.AlnC含4n個Al—Cl鍵
B.AlnC中同時連接2個Al原子的Cl原子有(n-1)個
C.充電時,再生1 mol Al單質至少轉移3 mol電子
D.放電時間越長,負極附近熔融鹽中n值小的AlnC濃度越高
答案　D
解析　放電時鋁失去電子生成鋁離子做負極,硫單質得到電子做正極,充電時鋁離子得到電子生成鋁發(fā)生在陰極,硫離子失去電子生成硫單質發(fā)生在陽極,依此解題。A.AlnC的結構為
,所以含4n個Al—Cl鍵,正確;B.由AlnC的結構可知同時連接2個Al原子的Cl原子有(n-1)個,正確;C.由總反應可知充電時,再生1 mol Al單質需由鋁離子得到電子生成,所以至少轉移3 mol電子,正確;D.由總反應可知放電時間越長,負極鋁失去電子生成的鋁離子越多,所以n值大的AlnC濃度越高,錯誤。
3.(2024·廣東中山質檢)負載有Pt和Ag的活性炭,可選擇性去除Cl-實現(xiàn)廢酸的純化,其工作原理如圖。下列說法正確的是(　　)
A.Ag作原電池正極
B.電子由Ag經(jīng)活性炭流向Pt
C.Pt表面發(fā)生的電極反應:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗標準狀況下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
答案　B
解析　O2在Pt得電子發(fā)生還原反應,Pt為正極,Ag失去電子與溶液中的Cl-反應,Ag為負極。A.由分析可知,Ag失去電子與溶液中的Cl-反應生成AgCl,Ag為負極,錯誤;B.電子由負極Ag經(jīng)活性炭流向正極Pt,正確;C.溶液為酸性,故Pt表面發(fā)生的電極反應為O2+4H++4e-===2H2O,錯誤;D.每消耗標準狀況下11.2 L的O2,轉移電子2 mol,而2 mol Ag失去2 mol電子,故最多去除2 mol Cl-,錯誤。
4.(2024·江西南昌質檢)鋰離子電池被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車、航空航天和國防軍事等領域。下圖是鋰離子二次電池的放電過程示意圖,下列說法正確的是(　　)
A.放電時,電極A的電勢高于電極B
B.放電時,正極反應:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充電時,當轉移1 mol電子時,則有1 mol Li+從LiCoO2的晶格中脫出,并穿過隔膜嵌入石墨層間
D.該電池電解液的溶劑可選擇水
答案　C
解析　根據(jù)題給電池結構示意圖,電極B上Li1-xCoO2轉換成LiCoO2,Co元素化合價降低,得電子,可判斷電極B為原電池的正極,電極A為原電池的負極,正極電勢高于負極,A錯誤;放電時,正極得電子,正極反應Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B錯誤;充電時,電極B為陽極,電極反應式為LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,當轉移1 mol電子時,有1 mol Li+從LiCoO2的晶格中脫出,并穿過隔膜嵌入石墨層間,C正確;金屬Li與水反應,電解液的溶劑為水會消耗金屬Li導致電池效率降低,D錯誤。
5.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,示意圖如圖所示。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H2+2MV2+===2H++2MV+
C.正極區(qū),固氮酶為催化劑,N2發(fā)生還原反應生成NH3
D.電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
答案　B
解析　由題圖和題意知,電池總反應是3H2+N2===2NH3。該合成氨反應在常溫下進行,并形成原電池產(chǎn)生電能,反應不需要高溫、高壓和催化劑,A項正確;觀察題圖知,左邊電極發(fā)生氧化反應MV+-e-===MV2+,為負極,不是陰極,B項錯誤;正極區(qū)N2在固氮酶作用下發(fā)生還原反應生成NH3,C項正確;電池工作時,H+通過交換膜,由左側(負極區(qū))向右側(正極區(qū))遷移,D項正確。(共31張PPT)
第一篇　新高考題型突破
板塊Ⅵ　電化學
題型突破選擇題　題型突破1　新型化學電源
真題導航
核心整合
模擬預測
1.(2024·安徽卷)我國學者研發(fā)出一種新型水系鋅電池,其示意圖如下。該電池分別以Zn-TCPP(局部結構如標注框內(nèi)所示)形成的穩(wěn)定超分子材料和Zn為電極,以ZnSO4和KI混合液為電解質溶液。下列說法錯誤的是(　　)
A.標注框內(nèi)所示結構中存在共價鍵和配位鍵
B.電池總反應為:+Zn Zn2++3I-
C.充電時,陰極被還原的Zn2+主要來自Zn-TCPP
D.放電時,消耗0.65 g Zn,理論上轉移0.02 mol電子
C
2.(2024·全國甲卷)科學家使用δ-MnO2研制了一種MnO2-Zn可充電電池(如圖所示)。電池工作一段時間后,MnO2電極上檢測到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列敘述正確的是(　　)
A.充電時,Zn2+向陽極方向遷移
B.充電時,會發(fā)生反應Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放電時,正極反應有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放電時,Zn電極質量減少0.65 g,MnO2電極生成了0.020 mol MnOOH
C
解析　充電時Zn2+向陰極移動,A錯誤;由題意知,放電時,MnO2轉化為MnOOH和ZnMn2O4,B錯誤;放電時,MnO2電極為正極,發(fā)生的反應有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C正確;根據(jù)放電時Zn電極的電極反應式為Zn-2e-===Zn2+可知,Zn電極質量減少0.65 g(0.01 mol)時,電路中通過0.02 mol 電子,故MnO2電極有0.02 mol MnO2發(fā)生反應,但MnO2轉化為MnOOH和少量ZnMn2O4,故生成的MnOOH的量小于0.020 mol,D錯誤。
3.(2024·新課標卷)一種可植入體內(nèi)的微型電池工作原理如圖所示,通過CuO催化消耗血糖發(fā)電,從而控制血糖濃度。當傳感器檢測到血糖濃度高于標準,電池啟動。血糖濃度下降至標準,電池停止工作。(血糖濃度以葡萄糖濃度計)
電池工作時,下列敘述錯誤的是(　　)
A.電池總反應為:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉變起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理論上a電極有0.4 mmol 電子流入
D.兩電極間血液中的Na+在電場驅動下的遷移方向為b→a
C
解析　正極反應:2H2O+O2+4e-===4OH-;負極反應:C6H12O6+2CuO===C6H12O7+ Cu2O,Cu2O+2OH--2e-===2CuO+H2O。分析可知,該電池的總反應為2C6H12O6+O2===2C6H12O7,A正確;由題圖可知,b電極上發(fā)生轉化:CuO→Cu2O→CuO,反應前后CuO的性質和數(shù)目不變,故b電極上CuO通過Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互轉變起催化作用,B正確;根據(jù)負極的電極反應式可知當消耗18 mg(0.1 mmol)葡萄糖時,轉移0.2 mmol 電子,故理論上a電極有0.2 mmol電子流入,C錯誤;原電池中,陽離子向正極遷移,由分析知,b電極為負極,a電極為正極,故兩電極間血液中的Na+在電場驅動下的遷移方向為b→a,D正確。
4.(2024·河北卷)我國科技工作者設計了如圖所示的可充電Mg-CO2電池,以Mg(TFSI)2為電解質,電解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕獲CO2,使放電時CO2還原產(chǎn)物為MgC2O4。該設計克服了MgCO3導電性差和釋放CO2能力差的障礙,同時改善了Mg2+的溶劑化環(huán)境,提高了電池充放電循環(huán)性能。
下列說法錯誤的是(　　)
A.放電時,電池總反應為2CO2+Mg===MgC2O4
B.充電時,多孔碳納米管電極與電源正極連接
C.充電時,電子由Mg電極流向陽極,Mg2+向陰極遷移
D.放電時,每轉移1 mol電子,理論上可轉化1 mol CO2
C
解析　由題圖知,該電池放電時CO2轉化為MgC2O4,C得電子化合價降低,則多孔碳納米管電極作正極,故Mg電極作負極,Mg失電子轉化為Mg2+。放電時,電池的總反應為2CO2+Mg===MgC2O4,A正確;充電時多孔碳納米管電極作陽極,與電源正極相連,B正確;充電時,Mg電極作陰極,電子由陽極流向正極,再由負極流向Mg電極,C錯誤;放電時,CO2中C由+4價降為+3價,故轉移1 mol電子時,理論上轉化1 mol CO2,D正確。
5.(2023·山東卷改編)利用熱再生氨電池可實現(xiàn)CuSO4 電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示,甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液,向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法不正確的是(　　)
A.甲室Cu電極為負極
B.隔膜為陽離子膜
C.電池總反應為Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3擴散到乙室將對電池電動勢產(chǎn)生影響
B
解析　A.向甲室加入足量氨水后電池開始工作,則甲室Cu電極溶解,變?yōu)殂~離子與氨氣形成[Cu(NH3)4]2+,因此甲室Cu電極為負極,A正確;B.在原電池內(nèi)電路中陽離子向正極移動,若隔膜為陽離子膜,電極溶解生成的銅離子要向右側移動,通入氨氣要消耗銅離子,顯然左側陽離子不斷減小,明顯不利于電池反應正常進行,B錯誤;C.左側負極是Cu-2e-+4NH3===[Cu(NH3)4]2+,正極是Cu2++2e-===Cu,則電池總反應為Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+,C正確;D.NH3擴散到乙室會與銅離子反應生成[Cu(NH3)4]2+,銅離子濃度降低,銅離子得電子能力減弱,因此將對電池電動勢產(chǎn)生影響,D正確。
命題立意:電化學知識是中學階段學習的重要知識,因此在高考中成為必考題,且常考常新。相較于傳統(tǒng)的有機體系電池,水系電池具有較高的安全性、較低的生產(chǎn)成本和較高的能量密度,成為儲能電池和電池領域研究的熱點。試題主要考查原電池的工作原理、微粒的移動方向、電極反應式書寫、交換膜類型和電池工作過程中質量變化等必備知識。此類試題以陌生新型化學電源裝置為情景素材,主要考查學生信息獲取與加工、邏輯推理和論證能力。
1.原電池的基本裝置及原理
2.燃料電池工作原理
3.充電電池原理分析
4.有機物燃料電池電極反應式的書寫
(1)在酸性電池中,電極反應式用H+平衡電荷,不能出現(xiàn)OH-。負極生成H+,正極消耗H+。以CH4燃料電池為例(電解液為H2SO4溶液),寫出電極反應式。
負極:______________________________________________。
正極:____________________________________。
電池總反應式:______________________________________。
CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+
O2+4e-+4H+===2H2O
CH4+2O2===CO2+2H2O
(2)在堿性電池中,電極反應式用OH-平衡電荷,不能出現(xiàn)H+、CO2(應為C)。負極消耗OH-,正極生成OH-。
以CH4燃料電池為例(電解液為KOH溶液),寫出電極反應式。
負極:___________________________________。
正極:______________________________________。
電池總反應式:____________________________________________________。
CH4+10OH--8e-===7H2O+C
O2+4e-+2H2O===4OH-
CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O
(3)熔融碳酸鹽燃料電池(C平衡電荷)。
負極:燃料失去電子,生成CO2。
正極:氧氣得到電子,生成C。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極:_______________________________。
正極:__________________________________________________。
CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O
O2+2CO2+4e-===2C
(4)固態(tài)氧化物燃料電池(O2-平衡電荷)。
以CH4燃料電池為例,寫出電極反應式。
負極:________________________________________________。
正極:____________________________。
CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
O2+4e-===2O2-
(5)微生物燃料電池
微生物(或酶)電池是指在微生物的作用下(類似催化作用),將化學能轉化為電能的裝置,其工作原理如圖所示:
①微生物有利于有機物的氧化反應,促進了反應中電
子的轉移。
②有機物在負極失去電子,負極反應中有CO2生成,同時生成H+(如葡萄糖在負極發(fā)生反應:___________________________________________),H+通過質子交換膜從負極區(qū)移向正極區(qū)。
C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2+24H+
1.以KOH溶液為離子導體,分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池,下列說法正確的是(　　)
A.放電過程中,K+均向負極移動
B.放電過程中,KOH物質的量均減小
C.消耗等質量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大
D.消耗1 mol O2時,理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標準狀況下為11.2 L
C
解析　堿性環(huán)境下,甲醇燃料電池總反應為:2CH3OH+3O2+4KOH=== 2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清潔燃料電池總反應為:N2H4+O2===N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價均為-2價,H元素化合價為+1價,所以根據(jù)氧化還原反應原理可推知其燃料電池的總反應為:(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=== 2K2CO3+N2+6H2O,據(jù)此結合原電池的工作原理分析解答。A.放電過程為原電池工作原理,所以鉀離子均向正極移動,A不符合題意;B.根據(jù)上述分析可知,N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮氣和水,其總反應中未消耗KOH,所以KOH的物質的量不變,其他兩種燃料電池根據(jù)總反應可知,KOH的物質的量減小,B不符合題意;
C.理論放電量與燃料的物質的量和轉移電子數(shù)有關,設消耗燃料的質量均為m g,則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質的量表達式)分別是:×6、×4、×16,通過比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大,C正確;
D.根據(jù)轉移電子數(shù)守恒和總反應式可知,消耗1 mol O2生成的氮氣的物質的量為
1 mol,在標準狀況下為22.4 L,D不符合題意。
2.(2024·福建三明一模)一種可在較高溫下安全快充的鋁-硫電池的工作原理如圖,電解質為熔融氯鋁酸鹽(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔點為93 ℃的共熔物),其中氯鋁酸根[AlnC(n≥1)]起到結合或釋放Al3+的作用。電池總反應:2Al+3xS
Al2(Sx)3。下列說法錯誤的是(　　)
A.AlnC含4n個Al—Cl鍵
B.AlnC中同時連接2個Al原子的Cl原子有(n-1)個
C.充電時,再生1 mol Al單質至少轉移3 mol電子
D.放電時間越長,負極附近熔融鹽中n值小的AlnC濃度越高
D
3.(2024·廣東中山質檢)負載有Pt和Ag的活性炭,可選擇性去除Cl-實現(xiàn)廢酸的純化,其工作原理如圖。下列說法正確的是(　　)
A.Ag作原電池正極
B.電子由Ag經(jīng)活性炭流向Pt
C.Pt表面發(fā)生的電極反應:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗標準狀況下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
B
解析　O2在Pt得電子發(fā)生還原反應,Pt為正極,Ag失去電子與溶液中的Cl-反應,Ag為負極。A.由分析可知,Ag失去電子與溶液中的Cl-反應生成AgCl,Ag為負極,錯誤;B.電子由負極Ag經(jīng)活性炭流向正極Pt,正確;C.溶液為酸性,故Pt表面發(fā)生的電極反應為O2+4H++4e-===2H2O,錯誤;D.每消耗標準狀況下11.2 L的O2,轉移電子2 mol,而2 mol Ag失去2 mol電子,故最多去除2 mol Cl-,錯誤。
4.(2024·江西南昌質檢)鋰離子電池被廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車、航空航天和國防軍事等領域。下圖是鋰離子二次電池的放電過程示意圖,下列說法正確的是(　　)
A.放電時,電極A的電勢高于電極B
B.放電時,正極反應:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+
xLi+
C.充電時,當轉移1 mol電子時,則有1 mol
Li+從LiCoO2的晶格中脫出,并穿過隔膜嵌入石墨層間
D.該電池電解液的溶劑可選擇水
C
解析　根據(jù)題給電池結構示意圖,電極B上Li1-xCoO2轉換成LiCoO2,Co元素化合價降低,得電子,可判斷電極B為原電池的正極,電極A為原電池的負極,正極電勢高于負極,A錯誤;放電時,正極得電子,正極反應Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B錯誤;充電時,電極B為陽極,電極反應式為LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,當轉移1 mol電子時,有1 mol Li+從LiCoO2的晶格中脫出,并穿過隔膜嵌入石墨層間,C正確;金屬Li與水反應,電解液的溶劑為水會消耗金屬Li導致電池效率降低,D錯誤。
5.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,示意圖如圖所示。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H2+2MV2+
===2H++2MV+
C.正極區(qū),固氮酶為催化劑,N2發(fā)生還原反應生成NH3
D.電池工作時質子通過交換膜由負極區(qū)向正極區(qū)移動
B
解析　由題圖和題意知,電池總反應是3H2+N2===2NH3。該合成氨反應在常溫下進行,并形成原電池產(chǎn)生電能,反應不需要高溫、高壓和催化劑,A項正確;觀察題圖知,左邊電極發(fā)生氧化反應MV+-e-===MV2+,為負極,不是陰極,B項錯誤;正極區(qū)N2在固氮酶作用下發(fā)生還原反應生成NH3,C項正確;電池工作時,H+通過交換膜,由左側(負極區(qū))向右側(正極區(qū))遷移,D項正確。

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