(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=電池負極反應(yīng)式。因為O2不是負極反應(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極,C項錯誤;OH-在正極生成,移向負極消耗,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??偟膩碚f,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??碱}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“負接負后作陰極,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(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.金屬鋰作負極,發(fā)生氧化反應(yīng) B.Li+通過有機電解質(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)+4AlCl4Al2Cl+3Cn(Cn表示石墨)。 下列說法正確的是( ) A.放電時負極電極反應(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)中由負極向正極遷移 B.放電時,負極的電極反應(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極向正極遷移,正確;B.放電時,負極發(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,負極有0.02 mol Li(質(zhì)量為0.14 g)被氧化為Li+,則負極質(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。- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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