（新課改省份專版）2020高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 5.4 化學(xué)能與電能（2）新型化學(xué)電源（過題型）學(xué)案（含解析）.doc

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第4課時　化學(xué)能與電能(2)——新型化學(xué)電源(過題型) 題型一　燃料電池 燃料電池是利用氫氣、甲烷、甲醇、硼氫化物等為燃料與氧氣或空氣進(jìn)行反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一類原電池。其特點一是有兩個相同的多孔電極，同時兩個電極不參與電極反應(yīng)；二是不需要將還原劑和氧化劑全部儲存在電池內(nèi)；三是能量的轉(zhuǎn)化率高，燃料電池具有高能環(huán)保、電壓穩(wěn)定、經(jīng)久耐用等優(yōu)點。因此，這類電池正成為科學(xué)研究、高考命題的重點。其主要命題角度有燃料電池正負(fù)極的判斷，電池反應(yīng)式的書寫，電子、離子的移動及電解質(zhì)溶液的組成變化情況分析等。 [重難點撥] 燃料電池電極反應(yīng)式的書寫 第一步：寫出燃料電池反應(yīng)的總反應(yīng)式 燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。 如甲烷燃料電池(電解質(zhì)為NaOH溶液)的反應(yīng)式為 CH4＋2O2===CO2＋2H2O① CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O② ①式＋②式得燃料電池總反應(yīng)式為 CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。 第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式 根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是O2，隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)式有所不同，大致有以下四種情況： (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。 第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，寫出負(fù)極反應(yīng)式 電池反應(yīng)的總反應(yīng)式－電池正極反應(yīng)式＝電池負(fù)極反應(yīng)式。因為O2不是負(fù)極反應(yīng)物，因此兩個反應(yīng)式相減時要徹底消除O2。 [典例]　十九大報告中提出要“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，意味著對大氣污染防治比過去要求更高。二氧化硫—空氣質(zhì)子交換膜燃料電池實現(xiàn)了制硫酸、發(fā)電、環(huán)保三位一體的結(jié)合，原理如圖所示。下列說法正確的是(　　) A．該電池放電時質(zhì)子從電極b移向電極a B．電極a附近發(fā)生的電極反應(yīng)為SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋ C．電極b附近發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋4e－＋2H2O===4OH－ D．相同條件下，放電過程中消耗的SO2和O2的體積比為2∶1 [解析]　A項，放電時為原電池，質(zhì)子向正極移動，電極a為負(fù)極，則該電池放電時質(zhì)子從電極a移向電極b，錯誤；B項，電極a為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，硫酸應(yīng)當(dāng)拆為離子形式，錯誤；C項，酸性條件下，氧氣得電子與氫離子反應(yīng)生成水，電極b附近發(fā)生的電極反應(yīng)為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，錯誤；D項，由總反應(yīng)式2SO2＋O2＋2H2O===2SO＋4H＋可知，放電過程中消耗的SO2和O2的體積比為2∶1，正確。 [答案]　D [備考方略]　新型燃料電池的分析模板 [綜合訓(xùn)練] 1.如圖是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量監(jiān)測與控制的功能，下列有關(guān)說法正確的是(　　) A．電流由呼氣所在的鉑電極流出 B．H＋通過質(zhì)子交換膜流向氧氣所在的鉑電極 C．電路中流過2 mol電子時，消耗11.2 L O2 D．該電池的負(fù)極反應(yīng)為 CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ 解析：選B　呼氣所在電極發(fā)生乙醇轉(zhuǎn)化為醋酸的反應(yīng)，故為負(fù)極，而電流由正極流出，A項錯誤；H＋通過質(zhì)子交換膜流向正極(氧氣所在的鉑電極)，B項正確；正極反應(yīng)為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，電路中流過2 mol電子時，消耗0.5 mol O2，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為11.2 L，但題中未指明是否為標(biāo)準(zhǔn)狀況，C項錯誤；該電池的負(fù)極反應(yīng)為CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D項錯誤。 2.液體燃料電池相比于氣體燃料電池具有體積小等優(yōu)點。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極發(fā)生氧化反應(yīng) B．a(chǎn)極的反應(yīng)式：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O C．放電時，電流從a極經(jīng)過負(fù)載流向b極 D．其中的離子交換膜需選用陽離子交換膜 解析：選B　燃料電池燃料(N2H4)在負(fù)極(a極)發(fā)生氧化反應(yīng)：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，O2在正極(b極)發(fā)生還原反應(yīng)：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，總反應(yīng)為N2H4＋O2===N2＋2H2O，A項錯誤，B項正確；放電時電流由正極流向負(fù)極，C項錯誤；OH－在正極生成，移向負(fù)極消耗，所以離子交換膜應(yīng)讓OH－通過，故選用陰離子交換膜，D項錯誤。 3．為體現(xiàn)節(jié)能減排的理念，中國研制出了新型固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)，該電池的工作原理如圖所示。下列說法正確的是(　　) A．電子從b極經(jīng)導(dǎo)線流向a極 B．正極的電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋2H2O===4OH－ C．還可以選用NaOH固體作固態(tài)電解質(zhì) D．若反應(yīng)中轉(zhuǎn)移1 mol電子，則生成22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)CO2 解析：選A　燃料電池通入氧氣的電極為正極，則a為正極，電子從b極經(jīng)導(dǎo)線流向a極，故A正確；介質(zhì)為固態(tài)熔融介質(zhì)，不存在水溶液，則正極的電極反應(yīng)式為O2＋4e－===2O2－，故B錯誤；CO2能與NaOH反應(yīng)生成Na2CO3，則不可選用NaOH固體作固態(tài)電解質(zhì)，故C錯誤；若反應(yīng)中轉(zhuǎn)移1 mol電子，參加反應(yīng)的氧氣為0.25 mol，生成CO2為0.5 mol，體積為11.2 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)，故D錯誤。 題型二　可充電電池(二次電池) 近幾年高考中的新型可充電電池的種類較多，如“儲氫電池”、“鋰—空氣電池”、“高鐵電池”、“鋰硫電池”等。總的來說，可充電電池是既能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(放電)，又能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(充電)的可多次利用的一類特殊電池。考題一般通過文字?jǐn)⑹?、電池總反?yīng)或原理圖提供信息，重點考查以下四點：一考“式子”，即考查原電池電極反應(yīng)的書寫；二考“運動”，即考查原電池工作過程中，離子、電子的移動方向；三考“量值”，即考查原電池工作過程中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目、電極上消耗或生成物質(zhì)的物質(zhì)的量；四考“應(yīng)用”，即考查原電池原理在生產(chǎn)、生活、環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。 [重難點撥] 1．可充電電池的思維模型 因此，充電時電極的連接可簡記為“負(fù)接負(fù)后作陰極，正接正后作陽極”。 2．可充電電池的分析流程 (1)可充電電池有充電和放電兩個過程，放電時是原電池反應(yīng)，充電時是電解池反應(yīng)。 (2)放電時的負(fù)極反應(yīng)和充電時的陰極反應(yīng)互為逆反應(yīng)，放電時的正極反應(yīng)和充電時的陽極反應(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即可得出陰(陽)極反應(yīng)式。 (3)充、放電時電解質(zhì)溶液中離子移動方向的判斷 分析電池工作過程中電解質(zhì)溶液的變化時，要結(jié)合電池總反應(yīng)進(jìn)行分析。 ①首先應(yīng)分清電池是放電還是充電。 ②再判斷出正、負(fù)極或陰、陽極。 (4)“加減法”書寫新型二次電池放電的電極反應(yīng)式 若已知電池放電時的總反應(yīng)式，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，由總反應(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。 [典例]　(2018全國卷Ⅲ)一種可充電鋰—空氣電池如圖所示。當(dāng)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(fù)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 [解析]　由題意知，放電時負(fù)極反應(yīng)為Li－e－===Li＋，正極反應(yīng)為(2－x)O2＋4Li＋＋4e－===2Li2O2－x(x＝0或1)，電池總反應(yīng)為O2＋2Li===Li2O2－x。該電池放電時，金屬鋰為負(fù)極，多孔碳材料為正極，A項錯誤；該電池放電時，外電路電子由鋰電極流向多孔碳材料電極，B項錯誤；該電池放電時，電解質(zhì)溶液中的Li＋向多孔碳材料區(qū)遷移，充電時電解質(zhì)溶液中的Li＋向鋰材料區(qū)遷移，C項錯誤；充電時電池總反應(yīng)為Li2O2－x===2Li＋(1－)O2，D項正確。 [答案]　D [綜合訓(xùn)練] 1．(2018浙江4月選考)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(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng) B．Li＋通過有機(jī)電解質(zhì)向水溶液處移動 C．正極的電極反應(yīng)：O2＋4e－===2O2－ D．電池總反應(yīng)：4Li＋O2＋2H2O===4LiOH 解析：選C　金屬鋰作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Li＋向水溶液中移動，空氣中O2在正極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，電池總反應(yīng)式為4Li＋O2＋2H2O===4LiOH，故C項符合題意。 2．(2019濰坊一模)一種新型可逆電池的工作原理如圖所示。放電時總反應(yīng)為Al＋3Cn(AlCl4)＋4AlCl4Al2Cl＋3Cn(Cn表示石墨)。 下列說法正確的是(　　) A．放電時負(fù)極電極反應(yīng)為2Al－6e－＋7Cl－===Al2Cl B．放電時AlCl移向正極 C．充電時陽極反應(yīng)為AlCl－e－＋Cn===Cn(AlCl4) D．電路中每轉(zhuǎn)移3 mol電子，最多有1 mol Cn(AlCl4)被還原 解析：選C　A項，放電時鋁作負(fù)極，失去電子被氧化為Al2Cl，電極反應(yīng)為Al－3e－＋7AlCl===4Al2Cl，錯誤；B項，放電時，AlCl移向負(fù)極，錯誤；C項，充電時陽極反應(yīng)為Cn＋AlCl－e－===Cn(AlCl4)，正確；D項，由總反應(yīng)可知每1 mol Cn(AlCl4)被還原僅得到1 mol電子，錯誤。 3．某電動汽車配載一種可充放電的鋰離子電池，放電時電池總反應(yīng)為Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x＜1)。下列關(guān)于該電池的說法不正確的是(　　) A．放電時，Li＋在電解質(zhì)中由負(fù)極向正極遷移 B．放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為LixC6－xe－===xLi＋＋C6 C．充電時，若轉(zhuǎn)移1 mol e－，石墨(C6)電極將增重7x g D．充電時，陽極的電極反應(yīng)式為LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋ 解析：選C　A．原電池中陽離子由負(fù)極向正極遷移，正確；B.放電時，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為LixC6－xe－===xLi＋＋C6，正確；C.充電時，若轉(zhuǎn)移1 mol電子，石墨電極質(zhì)量將增重7 g，錯誤；D.充電時陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋，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(fù)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 解析：選D　 原電池工作時，正極發(fā)生一系列得電子的還原反應(yīng)，即：Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2，其中可能有2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4，A項正確；該電池工作時，每轉(zhuǎn)移0.02 mol電子，負(fù)極有0.02 mol Li(質(zhì)量為0.14 g)被氧化為Li＋，則負(fù)極質(zhì)量減少0.14 g，B項正確；石墨烯能導(dǎo)電，利用石墨烯作電極，可提高電極a的導(dǎo)電性，C項正確；充電過程中，Li2S2的量逐漸減少，當(dāng)電池充滿電時，相當(dāng)于達(dá)到平衡狀態(tài)，電池中Li2S2的量趨于不變，故不是電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多，D項錯誤。