資源簡介

基礎課時10　化學電池
學習目標　1.知道干電池、充電電池、燃料電池等化學電池的特點。2.掌握構成化學電池的基本要素,了解常見化學電池的工作原理。3.能正確書寫簡單化學電池的電極反應式。
一、一次電池　二次電池
(一)知識梳理
1.一次電池
(1)特點:電池放電之后　　　　充電(內部的　　　　反應無法逆向進行),如鋅錳干電池屬于一次電池。
(2)鋅錳干電池的構造如圖所示:
①鋅筒為　　　　,電極反應是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒為　　　　　　,最終被還原的物質是　　　　　　。
③NH4Cl糊的作用　　　　　　。
2.二次電池(充電電池)
(1)特點:二次電池在放電時所進行的　　　　反應,在充電時可以　　　　,使電池恢復到放電前的狀態。
(2)能量轉化:化學能電能。
(3)常見的充電電池:鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。
(二)互動探究
鉛酸蓄電池常用作汽車電瓶,其構造如圖所示,工作時該電池總反應為Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
【問題討論】
問題1　鉛酸蓄電池負極材料、正極材料及電解質溶液分別是什么
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題2　鉛酸蓄電池放電時,電解質溶液中的H+移向哪一極 電解質溶液中硫酸的濃度如何變化
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題3　當鉛酸蓄電池向外電路提供2 mol電子時,計算理論上負極板的質量變化多少
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】　鉛酸蓄電池的電極反應
負極:Pb+S-2e-===PbSO4,
正極:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
總的電池反應:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
放電時,硫酸逐漸被消耗,濃度減小,酸性減弱。
1.關于生活中的化學電源,下列說法錯誤的是 (　　)
A.鋰電池和堿性鋅錳干電池都是二次電池
B.化學電池的反應基礎是氧化還原反應
C.舊電池回收是為了回收有用材料以及防止電池污染環境
D.鉛蓄電池正極材料是PbO2,負極材料是Pb
2.鉛蓄電池(圖1)是二次電池,工作示意圖如(圖2)所示。下列說法正確的是 (　　)
A.負極電極反應式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.鉛蓄電池工作時,兩極的質量均增加
C.正極反應式為:PbSO4+2e-===Pb+S
D.電池工作時,溶液的酸性保持不變
3.氟離子電池是一種前景廣闊的新型電池,其能量密度是目前鋰電池的十倍以上。其中一種氟離子電池的工作原理為3Mg+2BiF33MgF2+2Bi(MgF2為難溶鹽),電解質為熔融氟化物。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,負極的電極反應式為Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放電時,電子從鎂電極流出,經電解質流向正極
C.放電時,化學能完全轉化為電能
D.放電時,F-向正極移動
二、燃料電池
(一)知識梳理
1.燃料電池:將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置。
2.特點:(1)反應物儲存在電池外部,(2)能量轉換效率高、清潔、安全,(3)供電量易于調節。
3.燃料電池常用的燃料有:　　　　、　　　　、乙醇等。常用氧化劑:　　　　。
(二)互動探究
燃料電池相當于燃料的燃燒,氫氧燃料電池的總反應為2H2+O2===2H2O。一種堿性氫氧燃料電池示意圖如圖:
【問題討論】
問題1　如何判斷該氫氧燃料電池的正、負極
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題2　氫氧燃料電池在不同介質中的總反應相同,但正、負極反應與電解質溶液有關。請討論分別寫出在酸性介質和堿性介質時氫氧燃料電池正、負極的電極反應式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
問題3　 下圖是導電介質為固體電解質時的氫氧燃料電池的示意圖。請討論寫出兩種情況的電池正、負極電極反應的電極反應式
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究歸納】
1.燃料電池電極反應式的書寫方法
書寫原則:電極反應式遵循質量守恒、得失電子守恒及電荷守恒,遵循離子方程式的書寫規則,兩電極反應式相加得電池總化學(或離子)方程式。
(1)寫出電池總反應式。燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致,若產物能和電解質反應,則總反應為加合后的反應。甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的總反應為CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)寫出電池的正極反應式。無論負極燃料是H2還是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正極一般都是O2發生還原反應,在堿性條件下,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性條件下,則正極反應式為O2+4H++4e-===2H2O。
(3)寫出負極反應式:負極反應式=總反應式-正極反應式。
2.新型化學電源電極反應式的書寫
(1)判斷電池類型—→確認電池原理—→核實電子、離子移動方向。
(2)確定電池兩極—→判斷電子、離子移動方向—→書寫電極反應式和電池反應方程式。
注意:充電電池—→放電時為原電池—→失電子的電極為負極。
(3)電極反應式的書寫思路
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我國航天事業在世界領先,載人飛船中用到的主要是氫氧燃料電池。下列有關氫氧燃料電池的說法正確的是 (　　)
A.氫氧燃料電池需要點燃引發才能正常工作
B.若電解質為稀硫酸,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若電解質為氫氧化鈉溶液,電池工作時OH-向正極移動
D.電解質為高溫熔融碳酸鹽時,正極反應物為O2和CO2,無法實現碳中和
2.氫燃料電池被譽為氫能源汽車的心臟。某種氫燃料電池的內部結構(如圖),下列說法錯誤的是 (　　)
A.左側為電池負極
B.右側的電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O
C.a處通入的氣體為H2,若每消耗5.6 L H2,外電路轉移電子數為0.5NA
D.電池工作一段時間后,電解質溶液的濃度將降低
3.鋰(Li) 空氣電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬鋰作負極,發生氧化反應
B.Li+通過有機電解質向水溶液處移動
C.正極的電極反應:O2+4e-===2O2-
D.電池總反應:4Li+O2+2H2O===4LiOH
:課后完成　第六章　基礎課時10
階段重點突破練(三)(共72張PPT)
第一節　化學反應與能量變化
基礎課時 　化學電池
10
第六章
化學反應與能量
1.知道干電池、充電電池、燃料電池等化學電池的特點。
2.掌握構成化學電池的基本要素,了解常見化學電池的工作原理。
3.能正確書寫簡單化學電池的電極反應式。
學習目標
一、一次電池　二次電池
二、燃料電池
目
錄
CONTENTS
課后鞏固訓練
一、一次電池　二次電池
對點訓練
(一)知識梳理
1.一次電池
(1)特點:電池放電之后______充電(內部的__________反應無法逆向進行),如鋅錳干電池屬于一次電池。
(2)鋅錳干電池的構造如圖所示:
①鋅筒為______,電極反應是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒為______,最終被還原的物質是__________。
③NH4Cl糊的作用____________。
不能
氧化還原
負極
正極
二氧化錳
電解質溶液
2.二次電池(充電電池)
(1)特點:二次電池在放電時所進行的__________反應,在充電時可以__________,使電池恢復到放電前的狀態。
(2)能量轉化:化學能 電能。
(3)常見的充電電池:鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。
氧化還原
逆向進行
(二)互動探究
鉛酸蓄電池常用作汽車電瓶,其構造如圖所示,工作時該電池總反應為Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
【問題討論】
問題1　鉛酸蓄電池負極材料、正極材料及電解質溶液分別是什么
提示　負極材料是Pb,正極材料是PbO2,電解質溶液是稀硫酸。
問題2　鉛酸蓄電池放電時,電解質溶液中的H+移向哪一極 電解質溶液中硫酸的濃度如何變化
提示　放電時,電解質溶液中的H+移向正極(PbO2極),硫酸溶液濃度減小。
問題3　當鉛酸蓄電池向外電路提供2 mol電子時,計算理論上負極板的質量變化多少
提示　負極每個鉛原子失去2e-,就生成一個PbSO4,增加了一個S,S的摩爾質量為96 g·mol-1,提供2 mol電子時,負極板的質量增加96 g。
【探究歸納】　鉛酸蓄電池的電極反應
負極:Pb+S-2e-===PbSO4,
正極:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
總的電池反應:Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。
放電時,硫酸逐漸被消耗,濃度減小,酸性減弱。
1.關于生活中的化學電源,下列說法錯誤的是 (　　)
A.鋰電池和堿性鋅錳干電池都是二次電池
B.化學電池的反應基礎是氧化還原反應
C.舊電池回收是為了回收有用材料以及防止電池污染環境
D.鉛蓄電池正極材料是PbO2,負極材料是Pb
解析　A項,鋰電池為可充電的二次電池,堿性鋅錳電池為一次電池;B項,化學電池為氧化還原反應的一個應用;C項,廢舊電池內含有重金屬,會污染環境,所以需要進行廢舊電池回收;D項,鉛蓄電池正極發生還原反應,所以正極材料為PbO2,負極為Pb。
A
2.鉛蓄電池(圖1)是二次電池,工作示意圖如(圖2)所示。下列說法正確的是 (　　)
A.負極電極反應式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.鉛蓄電池工作時,兩極的質量均增加
C.正極反應式為:PbSO4+2e-===Pb+S
D.電池工作時,溶液的酸性保持不變
B
解析　A項,放電時,負極是Pb被氧化,發生氧化反應,其電極反應式為Pb+S-2e-===PbSO4;B項,鉛蓄電池工作時,負極Pb轉化為PbSO4,正極PbO2轉化為PbSO4,兩極的質量增加;C項,正極是PbO2得電子生成PbSO4,正極反應式為:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O;D項,電池工作時,消耗H2SO4,氫離子濃度減小,溶液的酸性減弱。
3.氟離子電池是一種前景廣闊的新型電池,其能量密度是目前鋰電池的十倍以上。其中一種氟離子電池的工作原理為3Mg+2BiF3 3MgF2+2Bi(MgF2為難溶鹽),電解質為熔融氟化物。下列說法正確的是(　　)
A.放電時,負極的電極反應式為Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放電時,電子從鎂電極流出,經電解質流向正極
C.放電時,化學能完全轉化為電能
D.放電時,F-向正極移動
A
解析　放電時,Mg作負極,失去電子,發生氧化反應,電極反應式為Mg+2F--2e-===MgF2,A正確;放電時,電子從鎂電極流出,經導線流向正極,B錯誤;原電池是把化學能轉化為電能的裝置,但化學能不可能100%轉化為電能,還有部分轉化為熱能等,C錯誤;放電時,陽離子向正極移動,陰離子向負極移動,故F-向負極移動,D錯誤。
二、燃料電池
對點訓練
(一)知識梳理
1.燃料電池:將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置。
2.特點:(1)反應物儲存在電池外部,(2)能量轉換效率高、清潔、安全,(3)供電量易于調節。
3.燃料電池常用的燃料有:______、______、乙醇等。常用氧化劑:______。
氫氣
甲烷
氧氣
(二)互動探究
燃料電池相當于燃料的燃燒,氫氧燃料電池的總反應為2H2+O2===2H2O。一種堿性氫氧燃料電池示意圖如圖:
【問題討論】
問題1　如何判斷該氫氧燃料電池的正、負極
提示　根據燃料電池的總反應的方程式可知,氫氣失電子化合價升高,在負極上反應,氧氣得電子化合價降低,在正極上反應。其規律是通燃料的一極作負極,通氧氣的一極作正極。
問題2　氫氧燃料電池在不同介質中的總反應相同,但正、負極反應與電解質溶液有關。請討論分別寫出在酸性介質和堿性介質時氫氧燃料電池正、負極的電極反應式
提示
電解質溶液 負極 正極
酸性(H+) 2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O
堿性(OH-) 2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
問題3　 下圖是導電介質為固體電解質時的氫氧燃料電池的示意圖。請討論寫出兩種情況的電池正、負極電極反應的電極反應式
提示　圖1,正極反應:O2+4e-===2O2-,負極反應:2H2-4e-+2O2-===2H2O 。圖2,正極反應:O2+4H++4e-===2H2O,負極反應:2H2-4e-===4H+。
【探究歸納】
1.燃料電池電極反應式的書寫方法
書寫原則:電極反應式遵循質量守恒、得失電子守恒及電荷守恒,遵循離子方程式的書寫規則,兩電極反應式相加得電池總化學(或離子)方程式。
(1)寫出電池總反應式。燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致,若產物能和電解質反應,則總反應為加合后的反應。甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的總反應為CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)寫出電池的正極反應式。無論負極燃料是H2還是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正極一般都是O2發生還原反應,在堿性條件下,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性條件下,則正極反應式為O2+4H++4e-===2H2O。
(3)寫出負極反應式:負極反應式=總反應式-正極反應式。
2.新型化學電源電極反應式的書寫
(1)判斷電池類型—→確認電池原理—→核實電子、離子移動方向。
(2)確定電池兩極—→判斷電子、離子移動方向—→書寫電極反應式和電池反應方程式。
注意:充電電池—→放電時為原電池—→失電子的電極為負極。
(3)電極反應式的書寫思路
1.我國航天事業在世界領先,載人飛船中用到的主要是氫氧燃料電池。下列有關氫氧燃料電池的說法正確的是 (　　)
A.氫氧燃料電池需要點燃引發才能正常工作
B.若電解質為稀硫酸,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若電解質為氫氧化鈉溶液,電池工作時OH-向正極移動
D.電解質為高溫熔融碳酸鹽時,正極反應物為O2和CO2,無法實現碳中和
D
解析　A項,氫氧燃料電池是將化學能直接轉化為電能的裝置,不需要點燃;B項,若電解質為稀硫酸,正極發生還原反應,電極反應式為O2+4e-+4H+===2H2O;C項,若電解質為氫氧化鈉溶液,電池工作時陰離子向負極移動,即電池工作時OH-向負極移動;D項,電解質為高溫熔融碳酸鹽時,負極發生反應:2H2+2C-4e-===2H2O+2CO2,正極發生的反應為O2+2CO2+4e-===2C,轉移電子數相同的情況下生成和消耗的二氧化碳相等,無法實現碳中和。
2.氫燃料電池被譽為氫能源汽車的心臟。某種氫燃料電池的內部結構(如圖),下列說法錯誤的是 (　　)
A.左側為電池負極
B.右側的電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O
C.a處通入的氣體為H2,若每消耗5.6 L H2,外電路轉移電子數為0.5NA
D.電池工作一段時間后,電解質溶液的濃度將降低
C
解析　燃料電池中,通入H2的一極為負極, H2失去電子發生氧化反應,電子沿著導線流向正極,通入O2的一極為正極,正極上發生還原反應,內電路中陰離子移向負極、陽離子移向正極。A項, 由圖知,左側失去電子,電子流出,則為電池負極;B項, 右側為正極,有質子交換膜的環境中,正極反應式為O2+4H++4e-===2H2O;C項,沒有指明5.6 L H2是否處于標準狀況,則不能計算外電路中轉移的電子數;D項,電池總反應為O2+2H2===2H2O,有水生成,則電池工作一段時間后,電解質溶液的濃度將降低。
3.鋰(Li) 空氣電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬鋰作負極,發生氧化反應
B.Li+通過有機電解質向水溶液處移動
C.正極的電極反應:O2+4e-===2O2-
D.電池總反應:4Li+O2+2H2O===4LiOH
解析　金屬鋰作負極,發生氧化反應,生成Li+向水溶液中移動,空氣中O2在正極發生還原反應,電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,電池總反應式為4Li+O2+2H2O===4LiOH,故C項符合題意。
C
課后鞏固訓練
A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)一次電池　二次電池
1.下列電池不屬于二次電池(可充電電池)的是(　　)
解析　鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等可以反復充電放電,屬于可充電電池,是二次電池;堿性鋅錳電池不能充電,完全放電后不能再使用,是一次電池。
A
2.下列有關電池的敘述正確的是 (　　)
A.氫氧燃料電池屬于環境友好型電池,能量轉化率可達100%
B.鋅錳干電池是一種常用的二次電池
C.鋅錳干電池工作一段時間后鋅外殼逐漸變薄
D.二次電池放電時將電能轉化為化學能
解析　燃料電池轉化率不可能為100%,故A錯誤;鋅錳干電池是一種常用的一次電池,故B錯誤;鋅錳干電池工作過程中,負極反應為Zn-2e-===Zn2+,鋅外殼不斷被腐蝕而逐漸變薄,故C正確;二次電池放電過程是將化學能轉化為電能,故D錯誤。
C
3.鎳氫電池是可充電電池,它的總反應是H2+NiO(OH)===Ni(OH)2,根據此反應判斷,下列說法正確的是(　　)
A.電池放電時,電池負極周圍溶液的堿性不斷增大
B.電池放電時,鎳元素被氧化
C.電池放電時,氫元素被還原
D.電池放電時,通入H2的一極是負極
解析　電池放電時,負極反應式為H2-2e-+2OH-===2H2O,所以負極周圍溶液的氫氧根離子減少,溶液的pH減小,A錯誤;電池放電時,正極反應式為NiO(OH)+H2O+e-===OH-+Ni(OH)2,鎳元素被還原,B錯誤;電池放電時,氫元素化合價升高,被氧化,C錯誤。
D
4.汽車的啟動電源常用鉛蓄電池,該電池在放電時的總反應方程式為PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l),根據此反應判斷,下列敘述正確的是 (　　)
A.PbO2是電池的負極
B.正極的電極反應式為Pb+S-2e-===PbSO4
C.鉛蓄電池放電時,每轉移2 mol電子消耗1 mol H2SO4
D.電池放電時,兩電極質量均增加,且每轉移2 mol電子時正極質量增加64 g
D
解析　鉛蓄電池中鉛為負極,氧化鉛為正極。A項,PbO2是電池的正極;B項,正極為氧化鉛得電子生成硫酸鉛;C項,鉛蓄電池放電時,每轉移2 mol電子消耗1 mol Pb,從方程式可以看出消耗2 mol H2SO4;D項,電池放電時,負極鉛失電子和硫酸根生成硫酸鉛,正極氧化鉛得電子與硫酸根生成硫酸鉛,兩電極質量均增加,每轉移 2 mol電子時正極1 mol PbO2生成1 mol PbSO4,質量增加64 g。
(二)燃料電池
5.氫氧燃料電池是一種高效、環境友好的發電裝置,它以鉑做電極,KOH溶液做電解液,總反應為2H2+O2===2H2O,正極反應為O2+2H2O+4e-===4OH-,下列敘述正確的是(　　)
A.H2通入正極區 B.O2通入負極區
C.負極發生氧化反應 D.正極發生氧化反應
解析　由總反應2H2+O2===2H2O可知,H2為還原劑,為負極反應物,應通入負極區,O2為氧化劑,為正極反應物,應通入正極區,H2在負極上失電子發生氧化反應,O2在正極上得電子發生還原反應。
C
6.科學家近年來研制出一種新型細菌燃料電池,利用細菌將有機酸轉化為氫氣,氫氣進入以磷酸為電解質的燃料電池中發電,電池負極反應式為 (　　)
A.H2+2OH--2e-===2H2O B.O2+4H++4e-===2H2O
C.H2-2e-===2H+ D.O2+2H2O+4e-===4OH-
解析　根據題給信息,該燃料電池的總反應式為2H2+O2===2H2O。電解液為酸性溶液,電極反應式中不能出現OH-,A、D錯誤;又因為燃料電池中負極通入氫氣,正極通入氧氣,B錯誤。
C
7.燃料電池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧氣(或空氣)起反應將化學能轉變為電能的裝置,若電解質溶液是強堿溶液,下面關于甲烷燃料電池的說法正確的是 (　　)
A.負極反應式:O2+2H2O+4e-===4OH-
B.負極反應式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.隨著放電的進行,溶液的OH-濃度不變
D.放電時溶液中的陰離子向負極移動
D
解析　O2+2H2O+4e-===4OH-應為正極反應式,燃料氧化生成的二氧化碳不可能從強堿溶液中逸出,它將進一步反應轉化成碳酸根離子,所以負極反應式為CH4+10OH--8e-===C+7H2O,由于部分堿和二氧化碳反應,所以溶液的c(OH-)將減小。
8.國家電投氫能公司全自主研發的“氫騰”燃料電池系統廣泛應用于氫能大巴。某種氫燃料電池的內部結構如圖,下列說法正確的是 (　　)
A.電池工作時,電解質溶液中的H+向b極移動
B.a極發生的電極反應為H2+2e-+2OH-===2H2O
C.b極為正極,發生氧化反應
D.當外電路有1 mol電子轉移時,b極消耗5.6 L O2
解析　電池工作時,H+移向正極,故A正確;a極發生的電極反應為H2-2e-===2H+,故B錯誤;b極為正極,發生還原反應,故C錯誤;題目中未說明是否是標準狀況,無法計算氧氣的物質的量,故D錯誤。
A
9.電池與工農業生產、日常生活有著密切的關聯。請回答下列問題:
(1)燃料電池是目前電池研究的熱點之一。某課外小組自制的氫氧燃料電池如圖所示,a、b均為惰性電極。
①負極是　　　　(填“a”或“b”),該電極上發生
　　　　(填“氧化”或“還原”)反應。
②b極發生的電極反應式是　　　　　　　　　　　　。
③標準狀況下,消耗11.2 L H2時,轉移的電子數為　　　　　　　　。
a
氧化
O2+2H2O+4e-===4OH-
6.02×1023(或NA)
解析　(1)①通入氫氣的一極(a極)為電池的負極,發生氧化反應。②氫氧燃料電池工作時,通入氧氣的一極(b極)為電池的正極,發生還原反應:O2+2H2O+4e-===4OH-;③標準狀況下,消耗11.2 L (0.5 mol) H2時,轉移的電子數為6.02×1023(或NA);
(2)某同學利用家中廢舊材料制作可使揚聲器發出聲音的電池,裝置如圖2所示。下列說法正確的是　　　　(填字母)。
A.電子由鋁制易拉罐經導線流向碳棒
B.在碳棒上有氣體生成,該氣體可能為氫氣
C.鋁質易拉罐逐漸被腐蝕,說明鋁失去電子
D.揚聲器發聲,說明該裝置將電能轉化為化學能
ABC
解析　(2)A.原電池中,電子從負極經導線流向正極,故電子由鋁制易拉罐經導線流向碳棒,故A正確;B.碳棒為正極,在碳棒上有氣體生成,是稀醋酸溶液中的H+得電子生成氫氣,故B正確;C.鋁為負極,鋁失去電子生成鋁離子,鋁質易拉罐逐漸被腐蝕,故C正確;D.該裝置為原電池,將化學能轉化為電能,從而使揚聲器發聲,故D錯誤;
(3)鐵及其化合物應用廣泛,如FeCl3可用作催化劑、印刷電路銅板腐蝕劑和外傷止血劑等。
①寫出FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板的離子方程式:　　　　　　　　　　　　。
②若將①中的反應設計成原電池,請畫出該原電池的裝置圖,標出正、負極和電解質溶液。
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
解析　(3)①FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板,生成氯化銅和氯化亞鐵,離子方程式:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;②若將①中的反應設計成原電池,銅作負極,氯化鐵溶液作電解質,活潑性比銅差的金屬或惰性電極作正極,畫出該原電池的裝置圖,標出正、負極和電解質溶液(見答案)。
B級　素養培優練
10.目前,科學家提出了一種經濟而且理想的獲得氫能源的循環體系(如圖)。關于此循環體系,下列說法錯誤的是(　　)
A.燃料電池能夠使化學反應產生的能量轉化為電能
B.燃料電池中通入H2的一極作負極,發生氧化反應
C.在此循環中發生了反應:2H2O 2H2↑+O2↑
D.目前化學家急需解決的問題是尋找合適的光照條件下分解水的催化劑
C
解析　此循環過程中利用太陽能將H2O分解為H2和O2,然后利用氫氧燃料電池將化學能轉化為電能,循環過程中并沒有發生電解水的反應。
11.金屬(M) 空氣電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬M作電池負極
B.電解質是熔融的MO
C.正極的電極反應:O2+4e-+2H2O===4OH-
D.電池反應:2M+O2+2H2O===2M(OH)2
解析　溶液中只存在OH-,不存在O2-,所以電解質溶液應該為M(OH)2。
B
12.研究人員研制出一種鋰水電池,可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料,以LiOH為電解質,使用時加入水即可放電。關于該電池的下列說法不正確的是 (　　)
A.水既是氧化劑又是溶劑 B.放電時正極上有氫氣生成
C.放電時OH-向正極移動 D.總反應為2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
解析　由題意可推測此電池總反應為2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,再依據原電池原理寫出其電極反應如下:負極2Li-2e-===2Li+,正極2H2O+2e-===2OH-+H2↑。結合選項分析A、B、D正確；在原電池內部,放電時OH-向負極移動,故C項錯誤。
C
13.銀鋅電池是一種常見化學電源,反應原理為Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意圖如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.Zn為負極,電極反應式為Zn-2e-===Zn2+
B.電流從Zn電極經外電路流向Ag2O電極
C.理論上每轉移1 mol電子,Ag2O電極質量減少8 g
D.KOH不參與電池反應,其溶液濃度始終保持不變
C
解析　A項,Zn為負極,在堿性環境中生成氫氧化鋅,電極反應式為Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;B項,電流從電源的正極沿著導線流向負極,Zn為負極,Ag2O為正極,則電流從Ag2O電極經外電路流向Zn電極;C項,正極反應為Ag2O+H2O+2e-=== 2OH-+2Ag ,理論上每轉移2 mol電子,即有 1 mol Ag2O轉變為2 mol Ag、電極質量減少16 g,則理論上每轉移1 mol電子,Ag2O電極質量減少8 g;D項,從電池總反應Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag可知KOH不參與電池反應,但水消耗了,故通常情況下,其溶液濃度逐漸增大。
14.通過NO傳感器可監測汽車尾氣中NO的含量,其工作原理如圖所示,下列說法不正確的是 (　　)
A.Pt電極上發生的是還原反應
B.外電路中,電子從Pt電極流向NiO電極
C.NiO電極上的電極反應式為NO+O2--2e-===NO2
D.O2的電極反應產物是O2-
B
解析　由離子的定向移動可知NiO電極為原電池的負極, Pt電極為原電池的正極,發生還原反應,A正確;NiO電極為原電池的負極,外電路中,電子從NiO電極流向Pt電極,B錯誤;NiO電極上NO失電子和氧離子反應生成二氧化氮,所以電極反應式為NO+O2--2e-===NO2,C正確;Pt電極為原電池的正極,O2的電極反應產物是O2-,D正確。
15.新型微生物電池可應用于酸性有機廢水(含C6H6O)的處理,其放電時的工作原理如圖所示,其中交換膜為質子交換膜。下列說法正確的是 (　　)
A.N極為電池的負極
B.工作時,氫離子從N極移向M極
C.N極的電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O
D.標準狀況下,N極消耗22.4 L O2,M極產生CO2的體積為22.4 L
C
解析　由圖可知,O2→H2O發生還原反應,則N極為電池的正極,A錯誤;N極是正極,陽離子移向正極,則H+從M極移向N極,B錯誤;N極發生還原反應,電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O,C正確;電池總反應式為C6H6O+7O2 6CO2+3H2O,則消耗1 mol O2時,M極產生 mol CO2,在標準狀況下的體積為=19.2 L,D錯誤。
16.化學電源在生產、生活中有著廣泛的應用。回答下列問題:
(1)圖中,正極電極反應式:　　　　　　　　;電子流向:　　　　(填“Zn”或“Cu”,下同)極經導線流入　　　　極。
2H++2e-===H2↑
Zn
Cu
解析　(1)Zn Cu 稀硫酸原電池中,Zn比Cu活潑,則Zn作負極,Cu作正極,正極電極反應式:2H++2e-===H2↑;電子從負極流向正極,即從Zn流向Cu。
(2)鉛酸蓄電池是常見的二次電池,其工作原理如圖所示。放電時總反應為Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,負極電極反應式為Pb-2e-+S===PbSO4。
①寫出放電時正極的電極反應式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　。
②鉛酸蓄電池放電一段時間,當轉移2 mol電子時,正極質量將增大　　　　 g。
PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O
64
解析　(2)①根據放電總反應式:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O和負極電極反應式:Pb-2e-+S===PbSO4,得正極電極反應式:PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O。②鉛酸蓄電池放電一段時間,當轉移2 mol電子時,根據PbO2~2e-~PbSO4,正極質量將增大(32+16×2) g=64 g。
(3)金屬(M) 空氣電池(如圖)具有原料易得、能量密度高等優點,有望成為新能源汽車和移動設備的電源。該類電池放電的總反應方程式為4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
已知:①電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。
②陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過。
比較Mg、Al、Zn三種金屬 空氣電池,則Mg、Al、Zn分別作為電極時“理論比能量”由大到小的順序為　　　　　　　　　　　　　　,該電池正極的電極反應式為_________________________,
若為Mg 空氣電池,為防止負極區沉積Mg(OH)2,宜采用　　　　(填“陽離子”或“陰離子”)交換膜。
Al>Mg>Zn
O2+2H2O+4e-===4OH-
陽離子
解析　(3)假設三種金屬質量都是1 g時,這三種金屬轉移電子物質的量分別為Mg: mol、Al: mol、Zn: mol,則Mg、Al、Zn分別作為電極時“理論比能量”由大到小的順序為Al>Mg>Zn;正極上氧氣得電子和水反應生成OH-,因為是陰離子交換膜,所以陽離子不能進入正極區域,則正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-;負極上Mg失電子生成Mg2+,為防止負極區沉積Mg(OH)2,則負極區溶液不能含有大量OH-,所以宜采用中性電解質及陽離子交換膜。
17.通常氫氧燃料電池有酸式和堿式兩種,試回答下列問題:
(1)下列有關說法不正確的是　　　　。
A.太陽光催化分解水制氫氣比電解水制氫氣更為科學
B.氫氧燃料電池作為汽車動力更能保護環境
C.以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的負極電極反應式相同
D.以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的總反應式相同
C
解析　(1)電解獲得H2消耗較多的能量,而在催化劑作用下利用太陽能來分解H2O獲得H2更為科學,A正確;氫氧燃料電池產物H2O無污染,能有效保護環境,B正確;以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的負極電極反應式分別為:H2-2e-===2H+,H2-2e-+2OH-===2H2O,不相同,C錯誤;以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的總反應式均為2H2+O2===2H2O,D正確。
(2)氫氧燃料電池用于航天飛船,電極反應產生的水,經過冷凝后可用作航天員的飲用水,當得到1.8 g飲用水時,轉移的電子數為　　　　　　　　　。
(3)某同學關于原電池的筆記中,不合理的有　　　　(填序號)。
①原電池兩電極材料活潑性一定不同
②原電池負極材料參與反應,正極材料都不參與反應
③Fe—濃硝酸—Cu原電池,Fe是負極
④原電池是將化學能轉變為電能的裝置
0.2NA(1.204×1023)
①②③
解析　(2)由得失電子數目守恒可知,當得到1.8 g飲用水時,轉移的電子數為×2×NA mol-1=0.2NA。(3)①原電池兩電極材料活潑性可能相同,如燃料電池的兩電極材料可以均為石墨,故錯誤;②原電池負極材料不一定參與反應,如燃料電池的負極材料一般不參與反應,故錯誤;③Fe—濃硝酸—Cu原電池中,鐵在濃硝酸中發生鈍化,銅與濃硝酸反應,則銅是原電池的負極,鐵為正極,故錯誤;④原電池是利用氧化還原反應規律,將化學能轉變為電能的裝置,故正確;故選①②③;
(4)鋰錳電池的結構示意圖如下,其中電解質LiClO4溶于混合有機溶劑中,Li+通過電解質轉移到MnO2晶格中生成LiMnO2。
①外電路的電流方向是由　　　　　　極流向
　　　　極(填電極編號)。
②正極材料是　　　　。
③是否可用水代替電池中的混合有機溶劑 　　　　(填“是”或“否”);原因是
　　　　　　　　　　　　 　　。
b
a
MnO2
否
電極Li是活潑金屬,能與水反應
解析　(4)①該電池中Li失去電子生成Li+,所以Li作電池的負極,則a是負極,b是正極,所以外電路中的電流方向由正極流向負極,所以從b流向a。③不能用水代替電池中的混合有機溶劑,因為Li是活潑金屬,與水反應,無法參與原電池反應,不能產生電流。
(5)電化學法處理SO2是目前研究的熱點。利用雙氧水氧化吸收SO2可消除SO2污染,設計裝置如圖所示(已知石墨只起導電作用,質子交換膜只允許H+通過)。
①石墨1為　　　　(填“正極”或“負極”),放電時H+移向
　　　　(填“正極”或“負極”)。
②反應的總化學方程式為　　　　　　　　　　　。
負極
正極
SO2+H2O2===H2SO4
解析　(5)①由圖可知,二氧化硫在水分子作用下失去電子發生氧化反應生成硫酸,則石墨1為負極,石墨2為正極,酸性條件下過氧化氫在正極得到電子發生還原反應生成水,氫離子由負極石墨1移向正極石墨2;②由題意可知,電池的總反應為二氧化硫與過氧化氫反應生成硫酸,反應的化學方程式為SO2+H2O2===H2SO4。
18.氯鋁電池是一種新型的燃料電池。電解質溶液是KOH溶液。試回答下列問題:
(1)通入Cl2(g)的電極是　　　　(填“正”或“負”)極。
(2)投入Al(s)的電極是　　　　(填“正”或“負”)極,負極電極反應式為
　　　　　　　　　　　　 。
(3)外電路電子從　　　　(填“Al”或“Cl2”)極流向　　　　(填“正”或“負”)極。
(4)每消耗8.1 g Al(s),電路中通過的電子數目為　　　　NA(NA表示阿伏加德羅常數的值)。
正
負
Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-
Al
正
0.9
解析　由題給信息可知,Cl2得電子在正極發生還原反應,Al失電子在負極發生氧化反應,所以通入Cl2(g)的電極是正極,投入Al(s)的電極是負極,其電極反應式為Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-;電子由負極(Al)經外電路流向正極。8.1 g Al(s)的物質的量為=0.3 mol, 1 mol Al反應轉移3 mol電子,0.3 mol Al反應在電路中通過的電子數為0.9NA。
19.(1)高鐵電池是一種新型可充電電池,與普通電池相比,該電池能較長時間保持穩定的放電電壓。高鐵電池的總反應式為3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2 +2Fe(OH)3+4KOH。請回答下列問題:
(1)高鐵電池的負極材料是　　　　。
(2)放電時,正極發生　　　　(填“氧化”或“還原”)反應。已知正極反應式為Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,則負極反應式為
　　　　　　　　　　　　。
(3)放電時,　　　　(填“正”或“負”)極附近溶液的堿性增強。
Zn
還原
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正
解析　(1)高鐵電池放電時為原電池,負極發生氧化反應,正極發生還原反應。總反應式減去正極反應式得負極反應式,正極生成OH-,故正極附近溶液堿性增強。基礎課時10　化學電池
學習目標　1.知道干電池、充電電池、燃料電池等化學電池的特點。2.掌握構成化學電池的基本要素,了解常見化學電池的工作原理。3.能正確書寫簡單化學電池的電極反應式。
一、一次電池　二次電池
(一)知識梳理
1.一次電池
(1)特點:電池放電之后不能充電(內部的氧化還原反應無法逆向進行),如鋅錳干電池屬于一次電池。
(2)鋅錳干電池的構造如圖所示:
①鋅筒為負極,電極反應是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒為正極,最終被還原的物質是二氧化錳。
③NH4Cl糊的作用電解質溶液。
2.二次電池(充電電池)
(1)特點:二次電池在放電時所進行的氧化還原反應,在充電時可以逆向進行,使電池恢復到放電前的狀態。
(2)能量轉化:化學能電能。
(3)常見的充電電池:鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。
(二)互動探究
鉛酸蓄電池常用作汽車電瓶,其構造如圖所示,工作時該電池總反應為Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
【問題討論】
問題1　鉛酸蓄電池負極材料、正極材料及電解質溶液分別是什么
提示　負極材料是Pb,正極材料是PbO2,電解質溶液是稀硫酸。
問題2　鉛酸蓄電池放電時,電解質溶液中的H+移向哪一極 電解質溶液中硫酸的濃度如何變化
提示　放電時,電解質溶液中的H+移向正極(PbO2極),硫酸溶液濃度減小。
問題3　當鉛酸蓄電池向外電路提供2 mol電子時,計算理論上負極板的質量變化多少
提示　負極每個鉛原子失去2e-,就生成一個PbSO4,增加了一個S,S的摩爾質量為96 g·mol-1,提供2 mol電子時,負極板的質量增加96 g。
【探究歸納】　鉛酸蓄電池的電極反應
負極:Pb+S-2e-===PbSO4,
正極:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O,
總的電池反應:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
放電時,硫酸逐漸被消耗,濃度減小,酸性減弱。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.關于生活中的化學電源,下列說法錯誤的是 (　　)
A.鋰電池和堿性鋅錳干電池都是二次電池
B.化學電池的反應基礎是氧化還原反應
C.舊電池回收是為了回收有用材料以及防止電池污染環境
D.鉛蓄電池正極材料是PbO2,負極材料是Pb
答案　A
解析　A項,鋰電池為可充電的二次電池,堿性鋅錳電池為一次電池;B項,化學電池為氧化還原反應的一個應用;C項,廢舊電池內含有重金屬,會污染環境,所以需要進行廢舊電池回收;D項,鉛蓄電池正極發生還原反應,所以正極材料為PbO2,負極為Pb。
2.鉛蓄電池(圖1)是二次電池,工作示意圖如(圖2)所示。下列說法正確的是 (　　)
A.負極電極反應式:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O
B.鉛蓄電池工作時,兩極的質量均增加
C.正極反應式為:PbSO4+2e-===Pb+S
D.電池工作時,溶液的酸性保持不變
答案　B
解析　A項,放電時,負極是Pb被氧化,發生氧化反應,其電極反應式為Pb+S-2e-===PbSO4;B項,鉛蓄電池工作時,負極Pb轉化為PbSO4,正極PbO2轉化為PbSO4,兩極的質量增加;C項,正極是PbO2得電子生成PbSO4,正極反應式為:PbO2+S+4H++2e-===PbSO4+2H2O;D項,電池工作時,消耗H2SO4,氫離子濃度減小,溶液的酸性減弱。
3.氟離子電池是一種前景廣闊的新型電池,其能量密度是目前鋰電池的十倍以上。其中一種氟離子電池的工作原理為3Mg+2BiF33MgF2+2Bi(MgF2為難溶鹽),電解質為熔融氟化物。下列說法正確的是 (　　)
A.放電時,負極的電極反應式為Mg-2e-+2F-===MgF2
B.放電時,電子從鎂電極流出,經電解質流向正極
C.放電時,化學能完全轉化為電能
D.放電時,F-向正極移動
答案　A
解析　放電時,Mg作負極,失去電子,發生氧化反應,電極反應式為Mg+2F--2e-===MgF2,A正確;放電時,電子從鎂電極流出,經導線流向正極,B錯誤;原電池是把化學能轉化為電能的裝置,但化學能不可能100%轉化為電能,還有部分轉化為熱能等,C錯誤;放電時,陽離子向正極移動,陰離子向負極移動,故F-向負極移動,D錯誤。
二、燃料電池
(一)知識梳理
1.燃料電池:將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的電化學反應裝置。
2.特點:(1)反應物儲存在電池外部,(2)能量轉換效率高、清潔、安全,(3)供電量易于調節。
3.燃料電池常用的燃料有:氫氣、甲烷、乙醇等。常用氧化劑:氧氣。
(二)互動探究
燃料電池相當于燃料的燃燒,氫氧燃料電池的總反應為2H2+O2===2H2O。一種堿性氫氧燃料電池示意圖如圖:
【問題討論】
問題1　如何判斷該氫氧燃料電池的正、負極
提示　根據燃料電池的總反應的方程式可知,氫氣失電子化合價升高,在負極上反應,氧氣得電子化合價降低,在正極上反應。其規律是通燃料的一極作負極,通氧氣的一極作正極。
問題2　氫氧燃料電池在不同介質中的總反應相同,但正、負極反應與電解質溶液有關。請討論分別寫出在酸性介質和堿性介質時氫氧燃料電池正、負極的電極反應式
提示　
電解質溶液 負極 正極
酸性(H+) 2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O
堿性(OH-) 2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-
問題3　 下圖是導電介質為固體電解質時的氫氧燃料電池的示意圖。請討論寫出兩種情況的電池正、負極電極反應的電極反應式
提示　圖1,正極反應:O2+4e-===2O2-,負極反應:2H2-4e-+2O2-===2H2O 。圖2,正極反應:O2+4H++4e-===2H2O,負極反應:2H2-4e-===4H+。
【探究歸納】
1.燃料電池電極反應式的書寫方法
書寫原則:電極反應式遵循質量守恒、得失電子守恒及電荷守恒,遵循離子方程式的書寫規則,兩電極反應式相加得電池總化學(或離子)方程式。
(1)寫出電池總反應式。燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致,若產物能和電解質反應,則總反應為加合后的反應。甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的總反應為CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
(2)寫出電池的正極反應式。無論負極燃料是H2還是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C4H10、C2H5OH……),正極一般都是O2發生還原反應,在堿性條件下,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,若在酸性條件下,則正極反應式為O2+4H++4e-===2H2O。
(3)寫出負極反應式:負極反應式=總反應式-正極反應式。
2.新型化學電源電極反應式的書寫
(1)判斷電池類型確認電池原理核實電子、離子移動方向。
(2)確定電池兩極判斷電子、離子移動方向書寫電極反應式和電池反應方程式。
注意:充電電池放電時為原電池失電子的電極為負極。
(3)電極反應式的書寫思路
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我國航天事業在世界領先,載人飛船中用到的主要是氫氧燃料電池。下列有關氫氧燃料電池的說法正確的是 (　　)
A.氫氧燃料電池需要點燃引發才能正常工作
B.若電解質為稀硫酸,正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-
C.若電解質為氫氧化鈉溶液,電池工作時OH-向正極移動
D.電解質為高溫熔融碳酸鹽時,正極反應物為O2和CO2,無法實現碳中和
答案　D
解析　A項,氫氧燃料電池是將化學能直接轉化為電能的裝置,不需要點燃;B項,若電解質為稀硫酸,正極發生還原反應,電極反應式為O2+4e-+4H+===2H2O;C項,若電解質為氫氧化鈉溶液,電池工作時陰離子向負極移動,即電池工作時OH-向負極移動;D項,電解質為高溫熔融碳酸鹽時,負極發生反應:2H2+2C-4e-===2H2O+2CO2,正極發生的反應為O2+2CO2+4e-===2C,轉移電子數相同的情況下生成和消耗的二氧化碳相等,無法實現碳中和。
2.氫燃料電池被譽為氫能源汽車的心臟。某種氫燃料電池的內部結構(如圖),下列說法錯誤的是 (　　)
A.左側為電池負極
B.右側的電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O
C.a處通入的氣體為H2,若每消耗5.6 L H2,外電路轉移電子數為0.5NA
D.電池工作一段時間后,電解質溶液的濃度將降低
答案　C
解析　燃料電池中,通入H2的一極為負極, H2失去電子發生氧化反應,電子沿著導線流向正極,通入O2的一極為正極,正極上發生還原反應,內電路中陰離子移向負極、陽離子移向正極。A項, 由圖知,左側失去電子,電子流出,則為電池負極;B項, 右側為正極,有質子交換膜的環境中,正極反應式為O2+4H++4e-===2H2O;C項,沒有指明5.6 L H2是否處于標準狀況,則不能計算外電路中轉移的電子數;D項,電池總反應為O2+2H2===2H2O,有水生成,則電池工作一段時間后,電解質溶液的濃度將降低。
3.鋰(Li) 空氣電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬鋰作負極,發生氧化反應
B.Li+通過有機電解質向水溶液處移動
C.正極的電極反應:O2+4e-===2O2-
D.電池總反應:4Li+O2+2H2O===4LiOH
答案　C
解析　金屬鋰作負極,發生氧化反應,生成Li+向水溶液中移動,空氣中O2在正極發生還原反應,電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-,電池總反應式為4Li+O2+2H2O===4LiOH,故C項符合題意。
　　　　　　　　　　　　　　　　
A級　合格過關練
選擇題只有1個選項符合題意
(一)一次電池　二次電池
1.下列電池不屬于二次電池(可充電電池)的是 (　　)
答案　A
解析　鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等可以反復充電放電,屬于可充電電池,是二次電池;堿性鋅錳電池不能充電,完全放電后不能再使用,是一次電池。
2.下列有關電池的敘述正確的是 (　　)
A.氫氧燃料電池屬于環境友好型電池,能量轉化率可達100%
B.鋅錳干電池是一種常用的二次電池
C.鋅錳干電池工作一段時間后鋅外殼逐漸變薄
D.二次電池放電時將電能轉化為化學能
答案　C
解析　燃料電池轉化率不可能為100%,故A錯誤;鋅錳干電池是一種常用的一次電池,故B錯誤;鋅錳干電池工作過程中,負極反應為Zn-2e-===Zn2+,鋅外殼不斷被腐蝕而逐漸變薄,故C正確;二次電池放電過程是將化學能轉化為電能,故D錯誤。
3.鎳氫電池是可充電電池,它的總反應是H2+NiO(OH)===Ni(OH)2,根據此反應判斷,下列說法正確的是 (　　)
A.電池放電時,電池負極周圍溶液的堿性不斷增大
B.電池放電時,鎳元素被氧化
C.電池放電時,氫元素被還原
D.電池放電時,通入H2的一極是負極
答案　D
解析　電池放電時,負極反應式為H2-2e-+2OH-===2H2O,所以負極周圍溶液的氫氧根離子減少,溶液的pH減小,A錯誤;電池放電時,正極反應式為NiO(OH)+H2O+e-===OH-+Ni(OH)2,鎳元素被還原,B錯誤;電池放電時,氫元素化合價升高,被氧化,C錯誤。
4.汽車的啟動電源常用鉛蓄電池,該電池在放電時的總反應方程式為PbO2(s)+Pb(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l),根據此反應判斷,下列敘述正確的是 (　　)
A.PbO2是電池的負極
B.正極的電極反應式為Pb+S-2e-===PbSO4
C.鉛蓄電池放電時,每轉移2 mol電子消耗1 mol H2SO4
D.電池放電時,兩電極質量均增加,且每轉移2 mol電子時正極質量增加64 g
答案　D
解析　鉛蓄電池中鉛為負極,氧化鉛為正極。A項,PbO2是電池的正極;B項,正極為氧化鉛得電子生成硫酸鉛;C項,鉛蓄電池放電時,每轉移2 mol電子消耗1 mol Pb,從方程式可以看出消耗2 mol H2SO4;D項,電池放電時,負極鉛失電子和硫酸根生成硫酸鉛,正極氧化鉛得電子與硫酸根生成硫酸鉛,兩電極質量均增加,每轉移2 mol電子時正極1 mol PbO2生成1 mol PbSO4,質量增加64 g。
(二)燃料電池
5.氫氧燃料電池是一種高效、環境友好的發電裝置,它以鉑做電極,KOH溶液做電解液,總反應為2H2+O2===2H2O,正極反應為O2+2H2O+4e-===4OH-,下列敘述正確的是 (　　)
A.H2通入正極區 B.O2通入負極區
C.負極發生氧化反應 D.正極發生氧化反應
答案　C
解析　由總反應2H2+O2===2H2O可知,H2為還原劑,為負極反應物,應通入負極區,O2為氧化劑,為正極反應物,應通入正極區,H2在負極上失電子發生氧化反應,O2在正極上得電子發生還原反應。
6.科學家近年來研制出一種新型細菌燃料電池,利用細菌將有機酸轉化為氫氣,氫氣進入以磷酸為電解質的燃料電池中發電,電池負極反應式為 (　　)
A.H2+2OH--2e-===2H2O B.O2+4H++4e-===2H2O
C.H2-2e-===2H+ D.O2+2H2O+4e-===4OH-
答案　C
解析　根據題給信息,該燃料電池的總反應式為2H2+O2===2H2O。電解液為酸性溶液,電極反應式中不能出現OH-,A、D錯誤;又因為燃料電池中負極通入氫氣,正極通入氧氣,B錯誤。
7.燃料電池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧氣(或空氣)起反應將化學能轉變為電能的裝置,若電解質溶液是強堿溶液,下面關于甲烷燃料電池的說法正確的是 (　　)
A.負極反應式:O2+2H2O+4e-===4OH-
B.負極反應式:CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.隨著放電的進行,溶液的OH-濃度不變
D.放電時溶液中的陰離子向負極移動
答案　D
解析　O2+2H2O+4e-===4OH-應為正極反應式,燃料氧化生成的二氧化碳不可能從強堿溶液中逸出,它將進一步反應轉化成碳酸根離子,所以負極反應式為CH4+10OH--8e-===C+7H2O,由于部分堿和二氧化碳反應,所以溶液的c(OH-)將減小。
8.國家電投氫能公司全自主研發的“氫騰”燃料電池系統廣泛應用于氫能大巴。某種氫燃料電池的內部結構如圖,下列說法正確的是 (　　)
A.電池工作時,電解質溶液中的H+向b極移動
B.a極發生的電極反應為H2+2e-+2OH-===2H2O
C.b極為正極,發生氧化反應
D.當外電路有1 mol電子轉移時,b極消耗5.6 L O2
答案　A
解析　電池工作時,H+移向正極,故A正確;a極發生的電極反應為H2-2e-===2H+,故B錯誤;b極為正極,發生還原反應,故C錯誤;題目中未說明是否是標準狀況,無法計算氧氣的物質的量,故D錯誤。
9.電池與工農業生產、日常生活有著密切的關聯。請回答下列問題:
(1)燃料電池是目前電池研究的熱點之一。某課外小組自制的氫氧燃料電池如圖所示,a、b均為惰性電極。
①負極是　　　　(填“a”或“b”),該電極上發生　　　　(填“氧化”或“還原”)反應。
②b極發生的電極反應式是　　　　　　　　　　　　。
③標準狀況下,消耗11.2 L H2時,轉移的電子數為　　　　。
(2)某同學利用家中廢舊材料制作可使揚聲器發出聲音的電池,裝置如圖2所示。下列說法正確的是　　　　(填字母)。
A.電子由鋁制易拉罐經導線流向碳棒
B.在碳棒上有氣體生成,該氣體可能為氫氣
C.鋁質易拉罐逐漸被腐蝕,說明鋁失去電子
D.揚聲器發聲,說明該裝置將電能轉化為化學能
(3)鐵及其化合物應用廣泛,如FeCl3可用作催化劑、印刷電路銅板腐蝕劑和外傷止血劑等。
①寫出FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板的離子方程式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　。
②若將①中的反應設計成原電池,請畫出該原電池的裝置圖,標出正、負極和電解質溶液。
答案　(1)①a　氧化　②O2+2H2O+4e-===4OH-　③6.02×1023(或NA)　(2)ABC
(3)①2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
②
解析　(1)①通入氫氣的一極(a極)為電池的負極,發生氧化反應。②氫氧燃料電池工作時,通入氧氣的一極(b極)為電池的正極,發生還原反應:O2+2H2O+4e-===4OH-;③標準狀況下,消耗11.2 L (0.5 mol) H2時,轉移的電子數為6.02×1023(或NA);(2)A.原電池中,電子從負極經導線流向正極,故電子由鋁制易拉罐經導線流向碳棒,故A正確;B.碳棒為正極,在碳棒上有氣體生成,是稀醋酸溶液中的H+得電子生成氫氣,故B正確;C.鋁為負極,鋁失去電子生成鋁離子,鋁質易拉罐逐漸被腐蝕,故C正確;D.該裝置為原電池,將化學能轉化為電能,從而使揚聲器發聲,故D錯誤;(3)①FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板,生成氯化銅和氯化亞鐵,離子方程式:2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;②若將①中的反應設計成原電池,銅作負極,氯化鐵溶液作電解質,活潑性比銅差的金屬或惰性電極作正極,畫出該原電池的裝置圖,標出正、負極和電解質溶液(見答案)。
B級　素養培優練
10.目前,科學家提出了一種經濟而且理想的獲得氫能源的循環體系(如圖)。關于此循環體系,下列說法錯誤的是 (　　)
A.燃料電池能夠使化學反應產生的能量轉化為電能
B.燃料電池中通入H2的一極作負極,發生氧化反應
C.在此循環中發生了反應:2H2O2H2↑+O2↑
D.目前化學家急需解決的問題是尋找合適的光照條件下分解水的催化劑
答案　C
解析　此循環過程中利用太陽能將H2O分解為H2和O2,然后利用氫氧燃料電池將化學能轉化為電能,循環過程中并沒有發生電解水的反應。
11.金屬(M) 空氣電池的工作原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　)
A.金屬M作電池負極
B.電解質是熔融的MO
C.正極的電極反應:O2+4e-+2H2O===4OH-
D.電池反應:2M+O2+2H2O===2M(OH)2
答案　B
解析　溶液中只存在OH-,不存在O2-,所以電解質溶液應該為M(OH)2。
12.研究人員研制出一種鋰水電池,可作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料,以LiOH為電解質,使用時加入水即可放電。關于該電池的下列說法不正確的是 (　　)
A.水既是氧化劑又是溶劑
B.放電時正極上有氫氣生成
C.放電時OH-向正極移動
D.總反應為2Li+2H2O===2LiOH+H2↑
答案　C
解析　由題意可推測此電池總反應為2Li+2H2O===2LiOH+H2↑,再依據原電池原理寫出其電極反應如下:負極2Li-2e-===2Li+,正極2H2O+2e-===2OH-+H2↑。結合選項分析A、B、D正確；在原電池內部,放電時OH-向負極移動,故C項錯誤。
13.銀鋅電池是一種常見化學電源,反應原理為Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,其工作示意圖如圖所示。下列說法正確的是 (　　)
A.Zn為負極,電極反應式為Zn-2e-===Zn2+
B.電流從Zn電極經外電路流向Ag2O電極
C.理論上每轉移1 mol電子,Ag2O電極質量減少8 g
D.KOH不參與電池反應,其溶液濃度始終保持不變
答案　C
解析　A項,Zn為負極,在堿性環境中生成氫氧化鋅,電極反應式為Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2;B項,電流從電源的正極沿著導線流向負極,Zn為負極,Ag2O為正極,則電流從Ag2O電極經外電路流向Zn電極;C項,正極反應為Ag2O+H2O+2e-=== 2OH-+2Ag ,理論上每轉移2 mol電子,即有 1 mol Ag2O轉變為2 mol Ag、電極質量減少16 g,則理論上每轉移1 mol電子,Ag2O電極質量減少8 g;D項,從電池總反應Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag可知KOH不參與電池反應,但水消耗了,故通常情況下,其溶液濃度逐漸增大。
14.通過NO傳感器可監測汽車尾氣中NO的含量,其工作原理如圖所示,下列說法不正確的是 (　　)
A.Pt電極上發生的是還原反應
B.外電路中,電子從Pt電極流向NiO電極
C.NiO電極上的電極反應式為NO+O2--2e-===NO2
D.O2的電極反應產物是O2-
答案　B
解析　由離子的定向移動可知NiO電極為原電池的負極, Pt電極為原電池的正極,發生還原反應,A正確;NiO電極為原電池的負極,外電路中,電子從NiO電極流向Pt電極,B錯誤;NiO電極上NO失電子和氧離子反應生成二氧化氮,所以電極反應式為NO+O2--2e-===NO2,C正確;Pt電極為原電池的正極,O2的電極反應產物是O2-,D正確。
15.新型微生物電池可應用于酸性有機廢水(含C6H6O)的處理,其放電時的工作原理如圖所示,其中交換膜為質子交換膜。下列說法正確的是 (　　)
A.N極為電池的負極
B.工作時,氫離子從N極移向M極
C.N極的電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O
D.標準狀況下,N極消耗22.4 L O2,M極產生CO2的體積為22.4 L
答案　C
解析　由圖可知,O2→H2O發生還原反應,則N極為電池的正極,A錯誤;N極是正極,陽離子移向正極,則H+從M極移向N極,B錯誤;N極發生還原反應,電極反應式為O2+4H++4e-===2H2O,C正確;電池總反應式為C6H6O+7O26CO2+3H2O,則消耗1 mol O2時,M極產生 mol CO2,在標準狀況下的體積為=19.2 L,D錯誤。
16.化學電源在生產、生活中有著廣泛的應用。回答下列問題:
(1)圖中,正極電極反應式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　;電子流向:　　　　(填“Zn”或“Cu”,下同)極經導線流入　　　　極。
(2)鉛酸蓄電池是常見的二次電池,其工作原理如圖所示。放電時總反應為Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,負極電極反應式為Pb-2e-+S===PbSO4。
①寫出放電時正極的電極反應式:　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
②鉛酸蓄電池放電一段時間,當轉移2 mol電子時,正極質量將增大　　　　 g。
(3)金屬(M) 空氣電池(如圖)具有原料易得、能量密度高等優點,有望成為新能源汽車和移動設備的電源。該類電池放電的總反應方程式為4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
已知:①電池的“理論比能量”指單位質量的電極材料理論上能釋放出的最大電能。
②陽離子交換膜只允許陽離子通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過。
比較Mg、Al、Zn三種金屬 空氣電池,則Mg、Al、Zn分別作為電極時“理論比能量”由大到小的順序為　　　　,該電池正極的電極反應式為　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　,
若為Mg 空氣電池,為防止負極區沉積Mg(OH)2,宜采用　　　　(填“陽離子”或“陰離子”)交換膜。
答案　(1)2H++2e-===H2↑　Zn　Cu
(2)①PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O　②64
(3)Al>Mg>Zn　O2+2H2O+4e-===4OH-　陽離子
解析　(1)Zn Cu 稀硫酸原電池中,Zn比Cu活潑,則Zn作負極,Cu作正極,正極電極反應式:2H++2e-===H2↑;電子從負極流向正極,即從Zn流向Cu。(2)①根據放電總反應式:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O和負極電極反應式:Pb-2e-+S===PbSO4,得正極電極反應式:PbO2+2e-+4H++S===PbSO4+2H2O。②鉛酸蓄電池放電一段時間,當轉移2 mol電子時,根據PbO2~2e-~PbSO4,正極質量將增大(32+16×2) g=64 g。(3)假設三種金屬質量都是1 g時,這三種金屬轉移電子物質的量分別為Mg: mol、Al: mol、Zn: mol,則Mg、Al、Zn分別作為電極時“理論比能量”由大到小的順序為Al>Mg>Zn;正極上氧氣得電子和水反應生成OH-,因為是陰離子交換膜,所以陽離子不能進入正極區域,則正極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-;負極上Mg失電子生成Mg2+,為防止負極區沉積Mg(OH)2,則負極區溶液不能含有大量OH-,所以宜采用中性電解質及陽離子交換膜。
17.通常氫氧燃料電池有酸式和堿式兩種,試回答下列問題:
(1)下列有關說法不正確的是　　　　。
A.太陽光催化分解水制氫氣比電解水制氫氣更為科學
B.氫氧燃料電池作為汽車動力更能保護環境
C.以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的負極電極反應式相同
D.以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的總反應式相同
(2)氫氧燃料電池用于航天飛船,電極反應產生的水,經過冷凝后可用作航天員的飲用水,當得到1.8 g飲用水時,轉移的電子數為　　　　　　。
(3)某同學關于原電池的筆記中,不合理的有　　　　(填序號)。
①原電池兩電極材料活潑性一定不同
②原電池負極材料參與反應,正極材料都不參與反應
③Fe—濃硝酸—Cu原電池,Fe是負極
④原電池是將化學能轉變為電能的裝置
(4)鋰錳電池的結構示意圖如下,其中電解質LiClO4溶于混合有機溶劑中,Li+通過電解質轉移到MnO2晶格中生成LiMnO2。
①外電路的電流方向是由　　　　　　極流向　　　　極(填電極編號)。
②正極材料是　　　　。
③是否可用水代替電池中的混合有機溶劑 　　　　(填“是”或“否”);原因是　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(5)電化學法處理SO2是目前研究的熱點。利用雙氧水氧化吸收SO2可消除SO2污染,設計裝置如圖所示(已知石墨只起導電作用,質子交換膜只允許H+通過)。
①石墨1為　　　　(填“正極”或“負極”),放電時H+移向　　　　(填“正極”或“負極”)。
②反應的總化學方程式為　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　。
答案　(1)C　(2)0.2NA(1.204×1023)
(3)①②③
(4)①b　a　②MnO2　③否　電極Li是活潑金屬,能與水反應　(5)①負極　正極　②SO2+H2O2===H2SO4
解析　(1)電解獲得H2消耗較多的能量,而在催化劑作用下利用太陽能來分解H2O獲得H2更為科學,A正確;氫氧燃料電池產物H2O無污染,能有效保護環境,B正確;以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的負極電極反應式分別為:H2-2e-===2H+,H2-2e-+2OH-===2H2O,不相同,C錯誤;以稀H2SO4、KOH為介質的氫氧燃料電池的總反應式均為2H2+O2===2H2O,D正確。(2)由得失電子數目守恒可知,當得到1.8 g飲用水時,轉移的電子數為×2×NA mol-1=0.2NA。(3)①原電池兩電極材料活潑性可能相同,如燃料電池的兩電極材料可以均為石墨,故錯誤;②原電池負極材料不一定參與反應,如燃料電池的負極材料一般不參與反應,故錯誤;③Fe—濃硝酸—Cu原電池中,鐵在濃硝酸中發生鈍化,銅與濃硝酸反應,則銅是原電池的負極,鐵為正極,故錯誤;④原電池是利用氧化還原反應規律,將化學能轉變為電能的裝置,故正確;故選①②③;(4)①該電池中Li失去電子生成Li+,所以Li作電池的負極,則a是負極,b是正極,所以外電路中的電流方向由正極流向負極,所以從b流向a。③不能用水代替電池中的混合有機溶劑,因為Li是活潑金屬,與水反應,無法參與原電池反應,不能產生電流。(5)①由圖可知,二氧化硫在水分子作用下失去電子發生氧化反應生成硫酸,則石墨1為負極,石墨2為正極,酸性條件下過氧化氫在正極得到電子發生還原反應生成水,氫離子由負極石墨1移向正極石墨2;②由題意可知,電池的總反應為二氧化硫與過氧化氫反應生成硫酸,反應的化學方程式為SO2+H2O2===H2SO4。
18.氯鋁電池是一種新型的燃料電池。電解質溶液是KOH溶液。試回答下列問題:
(1)通入Cl2(g)的電極是　　　　(填“正”或“負”)極。
(2)投入Al(s)的電極是　　　　(填“正”或“負”)極,負極電極反應式為　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)外電路電子從　　　　(填“Al”或“Cl2”)極流向　　　　(填“正”或“負”)極。
(4)每消耗8.1 g Al(s),電路中通過的電子數目為　　　　NA(NA表示阿伏加德羅常數的值)。
答案　(1)正　(2)負　Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-　(3)Al　正　(4)0.9
解析　由題給信息可知,Cl2得電子在正極發生還原反應,Al失電子在負極發生氧化反應,所以通入Cl2(g)的電極是正極,投入Al(s)的電極是負極,其電極反應式為Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-;電子由負極(Al)經外電路流向正極。8.1 g Al(s)的物質的量為=0.3 mol, 1 mol Al反應轉移3 mol電子,0.3 mol Al反應在電路中通過的電子數為0.9NA。
19.(1)高鐵電池是一種新型可充電電池,與普通電池相比,該電池能較長時間保持穩定的放電電壓。高鐵電池的總反應式為3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2 +2Fe(OH)3+4KOH。請回答下列問題:
(1)高鐵電池的負極材料是　　　　。
(2)放電時,正極發生　　　　(填“氧化”或“還原”)反應。已知正極反應式為Fe+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,則負極反應式為　　　　　　　　　　　　。
(3)放電時,　　　　(填“正”或“負”)極附近溶液的堿性增強。
答案　(1)Zn　(2)還原　Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2　(3)正
解析　(1)高鐵電池放電時為原電池,負極發生氧化反應,正極發生還原反應。總反應式減去正極反應式得負極反應式,正極生成OH-,故正極附近溶液堿性增強。

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