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第16讲 原电池（解析版）
1．能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。
2．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
3．能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题，如新型电池的开发等。
考点一：原电池的工作原理
一、原电池的工作原理
1.原电池的概念和反应本质
把化学能转化为电能的装置，其反应本质是发生了氧化还原反应。
2.构成条件
①有两个活泼性不同的电极。
②将电极插入电解质溶液中并形成闭合回路 。
③能自发进行的氧化还原反应。
注意：　构成条件可概括为“两极一液一线一反应”。
3.工作原理
①以铜锌原电池为例构建原电池的认知模型
②图解原电池工作原理
电极名称 负极 正极
电极材料 Zn Cu
电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型 氧化反应 还原反应
电子流向 由负极沿导线流向_正极_
电流方向 由_正极_沿导线流向_负极
离子移向 (内电路) 阴离子向_负 极移动，阳离子向_正 极移动；盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向_正 极，Cl－移向_负 极
盐桥的作用 ①连接内电路形成闭合回路。 ②平衡电荷，使电池能持续提供电流。
原电池原理的四大应用
1.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使化学反应速率加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，化学反应速率加快。
2.比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
例如：有两种金属a、b，用导线连接后插入稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则金属a作负极，比金属b活泼。
3.用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制造化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如根据反应2FeCl3+Cu====2FeCl2+CuCl2设计的原电池为
【典例1】如图所示原电池的盐桥中装有饱和K2SO4溶液，电池工作一段时间后，甲烧杯中溶液颜色不断变浅。下列叙述中正确的是(　　)
A．b极是电池的正极
B．甲烧杯中K＋经盐桥流向乙烧杯
C．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
D．电池的总反应离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O
答案：D　
解析：　
由甲烧杯中溶液颜色不断变浅，可知KMnO4中Mn元素的化合价降低，得到电子，Fe元素的化合价升高，失去电子，则b为负极，a为正极，所以总的电极反应化学方程式为2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O。由于Fe2＋在b电极失去电子，发生氧化反应，所以b极是电池的负极，A错误；K＋向正极移动，所以K＋从盐桥流向甲烧杯，B错误；甲烧杯中a电极上MnO获得电子，发生还原反应，Mn元素的化合价降低，电极反应为MnO＋8H＋＋5e－===Mn2＋＋4H2O，所以甲烧杯中溶液的pH逐渐增大，C错误；由总的电极反应式可知，反应的离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O，D正确。
【典例2】分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)
A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极
B．②中Mg作负极，电极反应式为Mg—2e－+2OH－===Mg(OH)2↓
C．③中Cu作负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋
D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
答案：C
解析：　
②中Mg不与NaOH溶液反应，而Al能和NaOH溶液反应失去电子，故Al是负极；③中Fe在浓硝酸中钝化，Cu和浓HNO3反应失去电子作负极，Cu－2e－===2Cu2＋，A错误，C正确；②中电池总反应为2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，负极反应式为2Al＋8OH－－6e－===2AlO＋4H2O，二者相减得到正极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑，B错误；④中Cu是正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，D错误。
【典例3】电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．b电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．溶液中OH－向电极b移动
C．NH3的还原产物为N2
D．电流方向：由a经外电路到b
答案：A
解析：　
由图中信息可知，a电极上NH3失去电子生成N2，为负极，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O；b电极作正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－；N2为氧化产物；OH－由b极移向a极；电流由b经外电路到a。故选A。
总结
根据电池反应设计原电池的模板
考点二：常见化学电源的工作原理
1．电池优劣的标准
一是看电池单位质量或体积输出的电能多少(比能量)或输出功率多少(比功率)，二是电池储存的时间长短。
2．一次电池——干电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
3．二次电池——充电电池或蓄电池
(1)铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(2)锂离子电池
一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy，其放电时电极反应式为
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy；
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。
总结
二次电池充电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
(1)特点：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。常见燃料有H2、烃、肼、烃的衍生物、NH3、煤气等。电能转化率超过80%。
(2)氢氧燃料电池
酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O
5．化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与反应的介质粒子，确定最终产物。
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
总结
①H＋在碱性环境中不存在；
②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；
③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
【典例1】乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200 ℃左右时供电，电池总反应式为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A．电池工作时，质子向电池的负极迁移
B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极
C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2↑＋12H＋
D．b极上发生的电极反应是2H2O＋O2＋4e－===4OH－
答案：B　
解析：　
通入乙醇的一极(a极)为负极，发生氧化反应；通入氧气的一极(b极)为正极，发生还原反应。电池工作时，阳离子(质子)向电池的正极迁移，A项不正确；电流方向与电子流向相反，电流由b极沿导线流向a极，B项正确；a极上乙醇应该失电子被氧化，C项不正确；因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂，所以电极反应式中不能出现OH－，D项不正确。
【典例2】有一种MCFC型燃料电池，该电池所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3。电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋CO－2e－===H2O＋CO2。下列说法正确的是(　　)
A．电路中的电子经正极、熔融的K2CO3、负极后再到正极，形成闭合回路
B．电池放电时，电池中CO的物质的量将逐渐减少
C．正极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－
D．放电时CO向负极移动
答案：D　
解析：　
电子不能通过熔融的K2CO3，故A项错误；该电池的正极反应为O2＋4e－＋2CO2===2CO，根据得失电子守恒，放电时负极消耗的CO与正极生成的CO的物质的量相等，电池中CO的物质的量不变，故B、C项错误；放电时阴离子向负极移动，故D项正确。
【典例3】书写不同环境下甲烷燃料电池的电极反应式。
(1)酸性条件
正极反应式：______________________________________________________________；
负极反应式：_____________________________________________________________。
(2)碱性条件
正极反应式：______________________________________________________________；
负极反应式：______________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
正极反应式：_____________________________________________________________；
负极反应式：____________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
正极反应式：_________________________________________________________；
负极反应式：_____________________________________________________________。
答案：
(1) 2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
(2)2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
(3)2O2＋8e－===4O2－
CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(4) 2O2＋4CO2＋8e－===4CO
CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O
小结
燃料电池的正极反应式书写
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－；
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
考点三：新型化学电池
单液电池
单液电池是指含有单一电解质溶液的化学电源，其特征是通过单一电解质溶液的离子的定向移动形成内部电流，其电极反应相对来说较为单一简单，运用基本原电池的工作原理即可解决此类新型化学电源。
【典例分析】
[典例1]　(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB2) 空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是(　　)
A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
答案：B
解析：
由题给信息知VB2电极上发生失电子的氧化反应，则VB2电极为负极，复合碳电极为正极，正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，则电路中通过0.04 mol e－时，正极有0.01 mol O2参加反应，其在标准状况下的体积为0.224 L，A项正确；由正、负极的电极反应式可知，该电池工作时，负极区溶液的pH降低，正极区溶液的pH升高，B项错误；该电池的总反应方程式为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO，C项正确；电流与电子的流动方向相反，电流从正极出发，沿负载流向负极，再经过溶液最终回到正极，D项正确。
二、双液电池
双液电池是指基于两种电解质溶液进行离子定向移动形成内部电流的原电池，其装置较为复杂，反应相对较难，此类电源需认真观察图示，分析原理，列清每一个电极、每一种溶液发生的变化，综合解决此类难题。
【典例分析】
[典例2]　(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是(　　)
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
答案：D
解析：
由题给装置图可知，放电时负极锌失去电子后结合OH－生成Zn(OH)，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，A项正确；放电时，正极上CO2得电子生成HCOOH，CO2中C的化合价为＋4价，HCOOH中C的化合价为＋2价，1 mol CO2转化为1 mol HCOOH，转移2 mol电子，B项正确；充电时，阴极上Zn(OH)参与反应得到锌，阳极上H2O参与反应得到氧气，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，C项正确；充电时，阳极上发生失电子的氧化反应2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，OH－浓度降低，D项错误。
间接电池是以具有“电子传递”功能的物质为媒质，对反应基质进行氧化或还原，从而得到目的产物。由于媒质可以在电化学装置中再生而循环使用，因而可以充分利用资源，实现原子经济性，减少了副产物的产生。
媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。
其原理如下图所示：
[注意]　分析电极时，要注意电极上的物质转化，明确化合价升降，确定两电极。
【典例分析】
[典例3]　(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案：B
解析：
A对：该方法可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件。B错：该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋。C对：右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应。D对：原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动。
1．（2022·辽宁·高考真题）某储能电池原理如图。下列说法正确的是（ ）
A．放电时负极反应：
B．放电时透过多孔活性炭电极向中迁移
C．放电时每转移电子，理论上吸收
D．充电过程中，溶液浓度增大
答案：A
解析：放电时负极反应：，正极反应：Cl2+2e-=2Cl-，消耗氯气，放电时，阴离子移向负极，充电时阳极：2Cl--2e-=Cl2，由此解析。
解析：
A． 放电时负极失电子，发生氧化反应，电极反应：，故A正确；
B． 放电时，阴离子移向负极，放电时透过多孔活性炭电极向NaCl中迁移，故B错误；
C． 放电时每转移电子，正极：Cl2+2e-=2Cl-，理论上释放，故C错误；
D． 充电过程中，阳极：2Cl--2e-=Cl2，消耗氯离子，溶液浓度减小，故D错误；
故选A。
2．（2022·广东·高考真题）科学家基于易溶于的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为： 。下列说法正确的是（ ）
A．充电时电极b是阴极
B．放电时溶液的减小
C．放电时溶液的浓度增大
D．每生成，电极a质量理论上增加
答案：C
解析：
A．由充电时电极a的反应可知，充电时电极a发生还原反应，所以电极a是阴极，则电极b是阳极，故A错误；
B．放电时电极反应和充电时相反，则由放电时电极a的反应为可知，NaCl溶液的pH不变，故B错误；
C．放电时负极反应为，正极反应为，反应后Na+和Cl-浓度都增大，则放电时NaCl溶液的浓度增大，故C正确；
D．充电时阳极反应为，阴极反应为，由得失电子守恒可知，每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g/mol2mol=46g，故D错误；
答案选C。
3．（2022·全国·高考真题）电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应(Li2O2+2h+=2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）
A．充电时，电池的总反应
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应
答案：C
解析：充电时光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应（Li++e-=Li+）和阳极反应（Li2O2+2h+=2Li++O2），则充电时总反应为Li2O2=2Li+O2，结合图示，充电时金属Li电极为阴极，光催化电极为阳极；则放电时金属Li电极为负极，光催化电极为正极；据此作答。
解析：
A．光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应对电池进行充电，结合阴极反应和阳极反应，充电时电池的总反应为Li2O2=2Li+O2，A正确；
B．充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确；
C．放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误；
D．放电时总反应为2Li+O2=Li2O2，正极反应为O2+2Li++2e-=Li2O2，D正确；
答案选C。
4．（2022·湖南·高考真题）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是（ ）
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂-海水电池属于一次电池
答案：B
解析：锂海水电池的总反应为2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M极上Li失去电子发生氧化反应，则M电极为负极，电极反应为Li-e-=Li+，N极为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同时氧气也可以在N极得电子，电极反应为O2+4e-+2H2O=4OH-。
解析：
A．海水中含有丰富的电解质，如氯化钠、氯化镁等，可作为电解质溶液，故A正确；
B．由上述分析可知，N为正极，电极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反应O2+4e-+2H2O=4OH-，故B错误；
C．Li为活泼金属，易与水反应，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应，并能传导离子，故C正确；
D．该电池不可充电，属于一次电池，故D正确；
答案选B。
5．（2022·全国·高考真题）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)存在)。电池放电时，下列叙述错误的是（ ）
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O
答案：A
解析：根据图示的电池结构和题目所给信息可知，Ⅲ区Zn为电池的负极，电极反应为Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)，Ⅰ区MnO2为电池的正极，电极反应为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O；电池在工作过程中，由于两个离子选择隔膜没有指明的阳离子隔膜还是阴离子隔膜，故两个离子隔膜均可以通过阴、阳离子，因此可以得到Ⅰ区消耗H+，生成Mn2+，Ⅱ区的K+向Ⅰ区移动或Ⅰ区的SO向Ⅱ区移动，Ⅲ区消耗OH-，生成Zn(OH)，Ⅱ区的SO向Ⅲ区移动或Ⅲ区的K+向Ⅱ区移动。据此分析答题。
解析：
A．根据分析，Ⅱ区的K+只能向Ⅰ区移动，A错误；
B．根据分析，Ⅰ区的SO向Ⅱ区移动，B正确；
C．MnO2电极的电极反应式为MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O，C正确；
D．电池的总反应为Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O，D正确；
故答案选A。
6．（2022·浙江·高考真题）pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag—AgCl电极)和另一Ag—AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059。下列说法正确的是（ ）
A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl(0.1mol·L-1)
B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D．pH计工作时，电能转化为化学能
答案：C
解析：
A． 如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极为负极、负极发生氧化反应而不是还原反应，A错误；
B．已知：pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059，则玻璃膜内外氢离子浓度的差异会引起电动势的变化，B错误；
C．pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059，则分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH，C正确；
D． pH计工作时，利用原电池原理，则化学能转化为电能，D错误；
答案选C。
7．（2021·福建·高考真题）催化剂(Ⅱ)的应用，使电池的研究取得了新的进展。电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如下图所示。
下列说法错误的是（ ）
A．电池可使用有机电解液
B．充电时，由正极向负极迁移
C．放电时，正极反应为
D．、、和C都是正极反应的中间产物
答案：D
解析：
A．Li是活泼金属能与水发生反应，因此不能采用水溶液作为电解质，应使用有机电解液，故A正确；
B．充电时原电池的负极与电源负极相连作阴极，原电池的正极与电源正极相连作阳极，阳离子由阳极向阴极移动，则由正极（电池中标注“＋”，实际阳极）向负极（电池中标注“－”，实际阴极）迁移，故B正确；
C．由装置可知，该原电池的正极为二氧化碳得电子生成C单质，电极反应式为：，故C正确；
D．由正极的反应历程图示可知，C为最终的产物，不是中间产物，故D错误；
故选：D。
8．（2021·辽宁·高考真题）如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物。下列说法正确的是（ ）
A．放电时，M电极反应为
B．放电时，由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为
答案：B
解析：由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为：Li-e-=Li+，N极为正极，电极反应为：3Li++3e-+Bi=Li3Bi，据此分析解题。
解析：
A．由分析可知，放电时，M电极反应为Li-e-=Li+，A错误；
B．由分析可知，放电时，M极为负极，N极为正极，故由M电极向N电极移动，B正确；
C．由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，M电极的电极反应为：Li++e-= Li，故电极质量增大，C错误；
D．由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，充电时，N电极反应为，D错误；
故答案为：B。
9．（2021·浙江·高考真题）某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是（ ）
A．充电时，集流体A与外接电源的负极相连
B．放电时，外电路通过电子时，薄膜电解质损失
C．放电时，电极B为正极，反应可表示为
D．电池总反应可表示为
答案：B
解析：由题中信息可知，该电池充电时得电子成为Li嵌入电极A中，可知电极A在充电时作阴极，故其在放电时作电池的负极，而电极B是电池的正极。
解析：
A．由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极A作阴极，故充电时集流体A与外接电源的负极相连，A说法正确；
B．放电时，外电路通过a mol电子时，内电路中有a mol 通过LiPON薄膜电解质从负极迁移到正极，但是LiPON薄膜电解质没有损失，B说法不正确；
C．放电时，电极B为正极，发生还原反应，反应可表示为，C说法正确；
D．电池放电时，嵌入在非晶硅薄膜中的锂失去电子变成，正极上得到电子和变为，故电池总反应可表示为，D说法正确。
综上所述，相关说法不正确的是B，本题选B。
10．（2021·广东·高考真题）火星大气中含有大量，一种有参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时（ ）
A．负极上发生还原反应 B．在正极上得电子
C．阳离子由正极移向负极 D．将电能转化为化学能
答案：B
解析：根据题干信息可知，放电时总反应为4Na+3CO2=2Na2CO3+C。
A．放电时负极上Na发生氧化反应失去电子生成Na+，故A错误；
B．放电时正极为CO2得到电子生成C，故B正确；
C．放电时阳离子移向还原电极，即阳离子由负极移向正极，故C错误；
D．放电时装置为原电池，能量转化关系为化学能转化为电能和化学能等，故D错误；
综上所述，符合题意的为B项，故答案为B。
一、单选题
1．（2022·北京房山·二模）实验室用锌与稀硫酸反应制氢气，下列做法能加快反应速率的是（ ）
A．选用纯度更大的金属锌 B．改用浓硫酸 C．改用粗锌(含铜、银) D．降低温度
答案：C
解析：A．若金属锌中含有不如锌活泼的金属杂质，则可以形成原电池加快反应速率，选用纯度更大的金属锌会降低反应速率，A不符合题意；
B．浓硫酸与锌反应会生成SO2，不产生H2，B不符合题意；
C．铜、银不如锌活泼，反应过程中会形成原电池，锌为负极被氧化，可以加快反应速率，C符合题意；
D．降低温度会减慢反应速率，D不符合题意；
综上所述答案为C。
2．（2022·上海·格致中学模拟预测）锌铜原电池装置如图所示(电解质溶液为1mol/L的稀硫酸)，其中阴离子交换膜只允许阴离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（ ）
A．电池工作一段时间后，甲池溶液的总质量减轻
B．铜电极上发生氧化反应
C．电池工作一段时间后，乙池的c(Zn2+)＞c()
D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
答案：A
解析：该图为锌铜原电池装置，Zn比Cu活泼，Zn做负极，失去电子，经导线向Cu移动，Cu做正极，氢离子在铜电极得电子，生成氢气，硫酸根离子向负极移动，使保持溶液呈电中性。但乙池中也是稀硫酸溶液，故Zn会直接与稀硫酸发生反应。
A． 经分析，甲池溶液中的硫酸浓度减小，乙池硫酸锌的浓度增大，水分子从甲池移向乙池，故乙池溶液总质量增加，甲池总质量减小，故A项正确；
B．经分析，该原电池反应式为：Zn+2H+=Zn2++H2↑，Zn为负极，Zn-2e-Zn2+，发生氧化反应,，Cu为正极，2H++2e-H2↑，发生还原反应，故B项错误；
C．乙池中是稀硫酸溶液，若不考虑乙池Zn直接与稀硫酸发生反应，阴离子交换膜只允许阴离子通过，乙池发生Zn-2e-Zn2+，不断产生Zn2+，而通过阴离子交换膜进入乙池，(Zn2+)＜c() ，若考虑Zn直接与稀硫酸发生反应，且乙中硫酸反应完全，则(Zn2+)＝c() ，综上所述，(Zn2+)c()， 故C项错误；
D．其中阴离子交换膜只允许阴离子和水分子通过，阳离子不能通过阴离子交换膜，故D项错误；
故答案选A。
3．（2022·吉林·长春十一高模拟预测）以柏林绿Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池，其放电工作原理如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A．放电时，Mo箔为电池的阳极
B．充电时，正极反应为Fe[Fe(CN)6]+2e-+2Na+=Na2Fe[Fe(CN)6]
C．充电时，Na+通过交换膜从左室移向右室
D．外电路中通过0.2mo1电子时，正极质量变化为2.4g
答案：C
解析：由图可知，右侧电极镁失去电子发生氧化反应，为原电池的负极，则左侧为原电池的正极，以此解题。
A．由分析可知，放电时，Mo箔为电池的正极，A错误；
B．由分析可知，放电时，左侧为正极，由图可知，正极反应为：正极反应为Fe[Fe(CN)6]+2e-+2Na+=Na2Fe[Fe(CN)6]，B错误；
C．充电时该装置作电解池，电解池工作时阳离子移向阴极，Na＋应从左室移向右室，C正确；
D．根据选项B分析可知，正极反应为：Fe[Fe(CN)6]+2e-+2Na+=Na2Fe[Fe(CN)6]，则外电路中通过0.2mo1电子时，正极质量变化为0.2×23=4.6g，D错误；
故选C。
4．（2022·贵州·模拟预测）利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可制得O2、H2、H2SO4和NaOH，反应原理如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．b电极的电极反应为2H2O+2e- =H2 ↑+2OH-
B．c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
C．浓差电池放电过程中，Cu(1)电极上的电极反应为Cu-2e- =Cu2+
D．当阴极产生2.24L气体时，电路中转移0.2mol电子
答案：B
解析：根据电子流动方向可知，a为电解池的阴极，电离出的得到电子发生还原反应生成，电极反应为，c为阳离子交换膜，穿过阳离子交换膜进入阴极室，阴极区NaOH溶液浓度不断增大；b为电解池阳极，发生反应，d为阴离子膜，穿过阴离子交换膜进入阳极室，阳极区溶液浓度不断增大；
A．b为电解池的阳极，电离出的失去电子发生氧化反应生成，电极反应为，A错误；
B．c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜，B正确；
C．Cu(1)为原电池的正极，电极反应为，Cu(2)为原电池的负极，电极反应为，C错误；
D．没有说明是否为标况，不能计算气体的物质的量，D错误；
故选B。
5．（2022·河南·焦作市第一中学模拟预测）某科研机构研发的空气燃料电池的工作原理如图所示：
该电池工作时，下列说法错误的是（ ）
A．采用多孔电极有利于增大接触面积和加快气体吸附速度
B．放电过程中负极的电极反应式为
C．向右侧多孔石墨棒移动
D．若产生，则通入的的体积应大于(标准状况)
答案：B
解析：分析该装置，NO失去电子生成HNO3，则通入NO的电极为负极，电极反应为，通入O2的电极为正极，电极反应为4H++O2+4e-=2H2O，阳离子移向正极，则氢离子向通入氧气的一侧移动。
A．反应物接触面积越大，反应速率越快，多孔电极有利于增大接触面积和加快气体吸附速度，加快反应速率，故A正确；
B．放电过程中负极的电极反应式为，故B错误；
C．阳离子移向正极，则氢离子向通入氧气的一侧移动，故C正确；
D．根据电极反应、4H++O2+4e-=2H2O，理论上生成1molHNO3，通入的的体积22.4L/mol×mol=16.8L，由于O2不能完全反应，则通入的的体积应大于(标准状况)，故D正确；
答案选B。
6．（2022·辽宁鞍山·一模）以和复合材料为两极组成新型固体电池，通过与的转化实现电池的充放电，其结构如图。其中，为含元素的三元材料，下列说法错误的是（ ）
A．放电时负极反应：
B．放电时移向电极
C．充电时变成
D．充放电过程中固体电解质成分始终保持不变
答案：D
解析：该电池充电时，发生氧化反应：Ni2+-2e-=Ni4+，可知Li2O-ZrO2@NCM 为阳极，则Ag-C为阴极，Li6PS5Cl 为固体电解质，据此分析解答。
A．放电时，Ag-C为负极，发生氧化反应： Ag-e-+Cl-=AgCl，A正确；
B．放电时，阳离子向正极移动，B正确；
C．充电时，发生氧化反应：Ni2+-2e-=Ni4+，C正确；
D．放电时，Cl-向负极移动，Li+向正极移动；充电时，Cl-向阳极移动，Li+向阴极移动，D错误；
故答案选D。
7．（2022·河南·模拟预测）锌-空气电池被认为是替代锂离子电池，满足电动汽车爆炸性需求的下一代候选电池。用光照充电的锌-空气电池的工作原理如图所示。光照时，光电极(空穴)驱动阴极和阳极反应，阳极反应为。下列叙述正确的是（ ）
A．放电时，向正极迁移
B．放电时，电池反应为
C．充电时，光电子经电解液向极移动
D．充电时，阴极的电极反应为
答案：B
解析：如图，光照充电时转化为Zn，故充电时Zn为阴极，光电极为阳极，则放电时Zn为负极，光电极为正极；
A．放电时，阴离子向负极迁移，A项错误；
B．放电时，如图，Zn转化为，空气电池氧气在正极被还原，故电池反应为，B项正确；
C．光电子只能在外电路中通过，C项错误；
D．充电时，阴极上发生反应，D项错误；
答案选B。
8．（2022·河南焦作·一模）磷酸铁锂(LiFePO4)电池因特别适于作动力方面的应用，故称作磷酸铁锂动力电池。磷酸铁锂电池的内部结构如图所示，充电时总反应是C6 +LiFePO4=Li1-xFePO4 +LixC6，下列说法中错误的是（ ）
A．LiFePO4作为电池的正极，与铝箔相连
B．聚合物隔膜将正、负极隔开，可使电子通过
C．放电时，正极反应式为Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4
D．放电时，Li+从负极移向正极
答案：B
解析：充电时总反应是C6 +LiFePO4=Li1-xFePO4 +LixC6，放电时总反应是Li1-xFePO4 +LixC6= C6 +LiFePO4，负极反应式为：LixC6-xe-= C6 +xLi+，正极反应式为Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4，据此分析作答；
A．由图及电极反应式分析可知，LiFePO4作为电池的正极，与铝箔相连，故A正确；
B．电池放电时为原电池，负极中的Li+通过聚合物隔膜向正极迁移,电子不能通过聚合物隔膜，故B错误；
C．由电池总反应可知，正极上Li1-xFePO4得电子发生还原反应,所以正极电极反应式为Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4,故C正确；
D．磷酸铁锂电池不含重金属和稀有金属,是一种安全无毒无污染的绿色环保电池,故D正确；
故答案选B。
二、填空题
9．（2022·重庆·三模）回答下列问题：
(1)我国某科研团队设计了一种电解装置，将CO2和NaCl高效转化为CO和NaClO，原理如图1所示：
通入CO2气体的一极为_______(填“阴极”、“阳极”、“正极”或“负极”)，写出该极的电极反应式：___________________。
(2)全钒液流电池是利用不同价态的含钒离子在酸性条件下发生反应，其电池结构如图2所示。已知酸性溶液中钒以VO(黄色)、V2+(紫色)、VO2+(蓝色)、V3+(绿色)的形式存在。放电过程中，电池的正极反应式为_________________，右侧储液罐中溶液颜色变化为________________。
(3)如果用全钒液流电池作为图1电解装置的电源，则催化电极b应与该电池的_______极(填“X’或“Y’)相连；若电解时电路中转移0.4mol电子，则理论上生成NaClO的质量为_______g；电池左储液罐溶液中n(H+)的变化量为__________。
答案：(1) 阴极 2H++CO2+2e-=CO+H2O
(2) 2H++VO+e-=VO2++H2O 溶液由紫色变为绿色
(3) X 14.9 0.4mol
解析：（1）该装置为电解池，CO2→CO，碳元素化合价降低，发生还原反应，则通入CO2气体的一极为阴极，电极反应式：2H++CO2+2e-=CO+H2O；
（2）由电子流入的一极为正极，则X为正极，放电时正极上反应式：2H++VO+e-=VO2++H2O；放电过程中，右罐为负极，反应式：V2+-e-═V3+，则溶液颜色逐渐由紫色变为绿色；
（3）图2是原电池，Y极电子流出，则Y为负极，X为正极，图1是电解池，催化电极b是阳极，由电解池的阳极接原电池的正极，则催化电极b应与该电池的X极，催化电极b的电极反应式为：H2O+Cl--2e-=HClO+H+，电路中转移0.4mol电子，则理论上生成0.2mol NaClO，质量为m=nM=0.2mol×74.5g/mol=14.9g，充电时，左槽正极上反应式：2H++VO+e-=VO2++H2O，若转移电子0.4mol，消耗氢离子为0.8mol，通过交换膜定向移动通过0.4mol电子，则左槽溶液中n(H+)的变化量为0.8mol-0.4mol=0.4mol。
10．（2022·江苏泰州·模拟预测）纳米零价铁(ZVI)因其高比表面积、优异的吸附性、较强的还原性和反应活性等优点被广泛应用于污染物的去除。
(1)ZVI可通过FeCl2·4H2O和NaBH4溶液反应制得，同时生成H2、B(OH)，制备过程中需要不断通入高纯氮气，其目的是_______________________。
(2)ZVI电化学腐蚀处理三氯乙烯进行水体修复，H+、O2、等物种的存在会影响效果，水体修复的过程如图所示。有效腐蚀过程中，生成1mol乙烯所转移的电子物质的量为_______mol，过程④对应的电极反应式为___________________________。
(3)ZVI可去除废水中Pb2+，pH＜6时，pH对Pb2+的去除率的影响如图所示。
已知：ⅰ)在水中，ZVI表面的FeOH会因为质子化/去质子化作用而使其表面带正/负电荷，可表示为：FeOH+H+FeOH，FeOHFeO—+H+。pH约为8.1达到等电点，ZVI表面不带电。
ⅱ)pH＜6时，ZVI去除Pb2+主要发生表面配位反应和还原反应：
2FeOH+ Pb2+(FeO)2Pb + 4H+
2Fe+ 3Pb2++ 4H2O3Pb+2FeOOH + 6H+
pH＜6时，铁氧化物颗粒不易吸附Pb2+的原因是___________________。
②pH＜6时，随着pH增大，Pb2+的去除率会增大至接近100%的原因是___________________。
(4)催化剂协同ZVI能将水体中的硝酸盐()转化为N2，其催化还原反应的过程如图所示。为有效降低水体中氮元素的含量，宜调整水体pH为4.2，当pH＜4.2时，随pH减小，N2生成率逐渐降低的原因是___________________。
答案：(1)排除装置中存在的空气，防止制得的纳米零价铁被氧化；及时排出H2，防止爆炸
(2) 6 +10H++8e—=+3H2O
(3) ZVI表面的FeOH会因为质子化作用形成FeOH，使ZVI表面带正电荷，不利于吸附Pb2+ 随pH增大，c(H+)减小，ZVI颗粒表面去质子化程度越来越强、与Pb2+的静电引力越来越大，质子化程度减弱，但配位反应正向进行程度仍然增大，同时也有还原反应的正向进行程度增大
(4)pH减小，H+浓度增大，会生成更多的H，使被还原的中间产物NH更多的与H 反应生成，减少N2的生成
解析：（1）由题意可知，四水氯化亚铁与四氢合硼酸钠反应生成纳米铁、氢气、四羟基合硼酸钠和水，反应中不断通入高纯氮气能排除装置中存在的空气，防止制得的纳米零价铁被氧化，同时排出反应生成的氢气，防止氢气遇氧气受热发生爆炸，故答案为：排除装置中存在的空气，防止制得的纳米零价铁被氧化；及时排出H2，防止爆炸；
（2）由图可知，纳米铁在负极失去电子发生氧化反应生成亚铁离子，溶液中三氯乙烯、氢离子、氧气和硝酸根离子在正极得到电子生成乙烯、氢气、氢氧根离子和铵根离子，有效腐蚀过程中，生成1mol乙烯所转移的电子物质的量为1mol×6=6mol，过程④对应的电极反应为酸性条件下，硝酸根离子得到电子发生还原反应生成铵根离子和水，电极反应式为+10H++8e—=+3H2O，故答案为：6；+10H++8e—=+3H2O；
（3）①由题给信息可知，废水中pH＜6时，ZVI表面的FeOH会因为质子化作用形成FeOH，使ZVI表面带正电荷，不利于吸附Pb2+，所以铁氧化物颗粒不易吸附Pb2+，故答案为：ZVI表面的FeOH会因为质子化作用形成FeOH，使ZVI表面带正电荷，不利于吸附Pb2+；
②由题给信息可知，废水中pH＜6时，随着pH增大，废水中减小，ZVI颗粒表面去质子化程度越来越强、与Pb2+的静电引力越来越大，质子化程度减弱，但配位反应正向进行程度仍然增大，同时也有还原反应的正向进行程度增大，所以Pb2+的去除率会增大至接近100%，故答案为：随pH增大，c(H+)减小，ZVI颗粒表面去质子化程度越来越强、与Pb2+的静电引力越来越大，质子化程度减弱，但配位反应正向进行程度仍然增大，同时也有还原反应的正向进行程度增大；
（4）由图可知，当废水pH＜4.2时， pH减小，废水的氢离子浓度增大，会生成更多的氢原子，使废水中硝酸根离子被还原的中间产物NH更多，NH与氢原子反应生成铵根离子，减少氮气的生成，导致氮气生成率逐渐降低，故答案为：pH减小，H+浓度增大，会生成更多的H，使被还原的中间产物NH更多的与H 反应生成，减少N2的生成。
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第16讲 原电池（原卷版）
1．能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。
2．能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
3．能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题，如新型电池的开发等。
考点一：原电池的工作原理
一、原电池的工作原理
1.原电池的概念和反应本质
把化学能转化为电能的装置，其反应本质是发生了氧化还原反应。
2.构成条件
①有两个活泼性不同的电极。
②将电极插入电解质溶液中并形成闭合回路 。
③能自发进行的氧化还原反应。
构成条件可概括为“两极一液一线一反应”。
3.工作原理
①以铜锌原电池为例构建原电池的认知模型
②图解原电池工作原理
电极名称 负极 正极
电极材料 Zn Cu
电极反应 Zn－2e－===Zn2＋ Cu2＋＋2e－===Cu
反应类型 氧化反应 还原反应
电子流向 由负极沿导线流向_正极_
电流方向 由_正极_沿导线流向_负极
离子移向 (内电路) 阴离子向_负 极移动，阳离子向_正 极移动；盐桥含饱和KCl溶液，K＋移向_正 极，Cl－移向_负 极
盐桥的作用 ①连接内电路形成闭合回路。 ②平衡电荷，使电池能持续提供电流。
原电池原理的四大应用
1.加快氧化还原反应的速率
一个自发进行的氧化还原反应，形成原电池时会使化学反应速率加快。如在Zn与稀硫酸反应时加入少量CuSO4溶液构成原电池，化学反应速率加快。
2.比较金属活动性强弱
两种金属分别作原电池的两极时,一般作负极的金属比作正极的金属活泼。
例如：有两种金属a、b，用导线连接后插入稀H2SO4中，观察到a溶解，b极上有气泡产生，则金属a作负极，比金属b活泼。
3.用于金属的防护
使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等,可用导线将其与一块锌块相连,使锌作原电池的负极。
4.设计制造化学电源
①首先将氧化还原反应分成两个半反应。
②根据原电池的反应特点,结合两个半反应找出正、负极材料和电解质溶液。
如根据反应2FeCl3+Cu====2FeCl2+CuCl2设计的原电池为
【典例1】如图所示原电池的盐桥中装有饱和K2SO4溶液，电池工作一段时间后，甲烧杯中溶液颜色不断变浅。下列叙述中正确的是(　　)
A．b极是电池的正极
B．甲烧杯中K＋经盐桥流向乙烧杯
C．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
D．电池的总反应离子方程式为MnO＋5Fe2＋＋8H＋===Mn2＋＋5Fe3＋＋4H2O
【典例2】分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是(　　)
A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极
B．②中Mg作负极，电极反应式为Mg—2e－+2OH－===Mg(OH)2↓
C．③中Cu作负极，电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋
D．④中Cu作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
【典例3】电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．b电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．溶液中OH－向电极b移动
C．NH3的还原产物为N2
D．电流方向：由a经外电路到b
总结
根据电池反应设计原电池的模板
考点二：常见化学电源的工作原理
1．电池优劣的标准
一是看电池单位质量或体积输出的电能多少(比能量)或输出功率多少(比功率)，二是电池储存的时间长短。
2．一次电池——干电池
(1)碱性锌锰电池
碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
(2)银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
3．二次电池——充电电池或蓄电池
(1)铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(2)锂离子电池
一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨(LixCy)，正极材料为LiCoO2(钴酸锂)，电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)，其总反应为LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy，其放电时电极反应式为
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy；
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2。
总结
二次电池充电时的电极连接
即正极接正极，负极接负极。
4．燃料电池
(1)特点：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。常见燃料有H2、烃、肼、烃的衍生物、NH3、煤气等。电能转化率超过80%。
(2)氢氧燃料电池
酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O
5．化学电源中电极反应式书写的一般方法
(1)明确两极的反应物。
(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。
(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与反应的介质粒子，确定最终产物。
(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。
总结
①H＋在碱性环境中不存在；
②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；
③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。
【典例1】乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200 ℃左右时供电，电池总反应式为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A．电池工作时，质子向电池的负极迁移
B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极
C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2↑＋12H＋
D．b极上发生的电极反应是2H2O＋O2＋4e－===4OH－
【典例2】有一种MCFC型燃料电池，该电池所用燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3。电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋CO－2e－===H2O＋CO2。下列说法正确的是(　　)
A．电路中的电子经正极、熔融的K2CO3、负极后再到正极，形成闭合回路
B．电池放电时，电池中CO的物质的量将逐渐减少
C．正极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－
D．放电时CO向负极移动
【典例3】书写不同环境下甲烷燃料电池的电极反应式。
(1)酸性条件
正极反应式：______________________________________________________________；
负极反应式：_____________________________________________________________。
(2)碱性条件
正极反应式：______________________________________________________________；
负极反应式：______________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
正极反应式：_____________________________________________________________；
负极反应式：____________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
正极反应式：_________________________________________________________；
负极反应式：_____________________________________________________________。
小结
燃料电池的正极反应式书写
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－；
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
考点三：新型化学电池
单液电池
单液电池是指含有单一电解质溶液的化学电源，其特征是通过单一电解质溶液的离子的定向移动形成内部电流，其电极反应相对来说较为单一简单，运用基本原电池的工作原理即可解决此类新型化学电源。
【典例分析】
[典例1]　(2020·全国卷Ⅲ)一种高性能的碱性硼化钒(VB2) 空气电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO＋2B(OH)＋4H2O。该电池工作时，下列说法错误的是(　　)
A．负载通过0.04 mol电子时，有0.224 L(标准状况)O2参与反应
B．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高
C．电池总反应为4VB2＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)＋4VO
D．电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极
二、双液电池
双液电池是指基于两种电解质溶液进行离子定向移动形成内部电流的原电池，其装置较为复杂，反应相对较难，此类电源需认真观察图示，分析原理，列清每一个电极、每一种溶液发生的变化，综合解决此类难题。
【典例分析】
[典例2]　(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是(　　)
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 mol
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
间接电池是以具有“电子传递”功能的物质为媒质，对反应基质进行氧化或还原，从而得到目的产物。由于媒质可以在电化学装置中再生而循环使用，因而可以充分利用资源，实现原子经济性，减少了副产物的产生。
媒质也称为“电对”或“介对”，其首先在电极表面失去(或得到)电子，形成氧化态(或还原态)在电解溶液中进一步氧化(或还原)反应基质，最终生成目的产物。
其原理如下图所示：
[注意]　分析电极时，要注意电极上的物质转化，明确化合价升降，确定两电极。
【典例分析】
[典例3]　(2019·全国卷Ⅰ)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
1．（2022·辽宁·高考真题）某储能电池原理如图。下列说法正确的是（ ）
A．放电时负极反应：
B．放电时透过多孔活性炭电极向中迁移
C．放电时每转移电子，理论上吸收
D．充电过程中，溶液浓度增大
2．（2022·广东·高考真题）科学家基于易溶于的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备(如图)。充电时电极a的反应为： 。下列说法正确的是（ ）
A．充电时电极b是阴极
B．放电时溶液的减小
C．放电时溶液的浓度增大
D．每生成，电极a质量理论上增加
3．（2022·全国·高考真题）电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电电池(如图所示)。光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应(Li2O2+2h+=2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）
A．充电时，电池的总反应
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应
4．（2022·湖南·高考真题）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是（ ）
A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂-海水电池属于一次电池
5．（2022·全国·高考真题）一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示(KOH溶液中，Zn2+以Zn(OH)存在)。电池放电时，下列叙述错误的是（ ）
A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO通过隔膜向Ⅱ区迁移
C． MnO2电极反应：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn(OH)+Mn2++2H2O
6．（2022·浙江·高考真题）pH计是一种采用原电池原理测量溶液pH的仪器。如图所示，以玻璃电极(在特制玻璃薄膜球内放置已知浓度的HCl溶液，并插入Ag—AgCl电极)和另一Ag—AgCl电极插入待测溶液中组成电池，pH与电池的电动势E存在关系：pH=(E-常数)/0.059。下列说法正确的是（ ）
A．如果玻璃薄膜球内电极的电势低，则该电极反应式为：AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl(0.1mol·L-1)
B．玻璃膜内外氢离子浓度的差异不会引起电动势的变化
C．分别测定含已知pH的标准溶液和未知溶液的电池的电动势，可得出未知溶液的pH
D．pH计工作时，电能转化为化学能
7．（2021·福建·高考真题）催化剂(Ⅱ)的应用，使电池的研究取得了新的进展。电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如下图所示。
下列说法错误的是（ ）
A．电池可使用有机电解液
B．充电时，由正极向负极迁移
C．放电时，正极反应为
D．、、和C都是正极反应的中间产物
8．（2021·辽宁·高考真题）如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物。下列说法正确的是（ ）
A．放电时，M电极反应为
B．放电时，由M电极向N电极移动
C．充电时，M电极的质量减小
D．充电时，N电极反应为
9．（2021·浙江·高考真题）某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为薄膜；集流体起导电作用。下列说法不正确的是（ ）
A．充电时，集流体A与外接电源的负极相连
B．放电时，外电路通过电子时，薄膜电解质损失
C．放电时，电极B为正极，反应可表示为
D．电池总反应可表示为
10．（2021·广东·高考真题）火星大气中含有大量，一种有参加反应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负极，碳纳米管为正极，放电时（ ）
A．负极上发生还原反应 B．在正极上得电子
C．阳离子由正极移向负极 D．将电能转化为化学能
一、选择题
1．（2022·北京房山·二模）实验室用锌与稀硫酸反应制氢气，下列做法能加快反应速率的是（ ）
A．选用纯度更大的金属锌 B．改用浓硫酸 C．改用粗锌(含铜、银) D．降低温度
2．（2022·上海·格致中学模拟预测）锌铜原电池装置如图所示(电解质溶液为1mol/L的稀硫酸)，其中阴离子交换膜只允许阴离子和水分子通过，下列有关叙述正确的是（ ）
A．电池工作一段时间后，甲池溶液的总质量减轻
B．铜电极上发生氧化反应
C．电池工作一段时间后，乙池的c(Zn2+)＞c()
D．阴、阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动，保持溶液中电荷平衡
3．（2022·吉林·长春十一高模拟预测）以柏林绿Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池，其放电工作原理如图所示。
下列说法正确的是（ ）
A．放电时，Mo箔为电池的阳极
B．充电时，正极反应为Fe[Fe(CN)6]+2e-+2Na+=Na2Fe[Fe(CN)6]
C．充电时，Na+通过交换膜从左室移向右室
D．外电路中通过0.2mo1电子时，正极质量变化为2.4g
4．（2022·贵州·模拟预测）利用浓差电池电解Na2SO4溶液(a、b电极均为石墨电极)，可制得O2、H2、H2SO4和NaOH，反应原理如图所示。下列说法正确的是（ ）
A．b电极的电极反应为2H2O+2e- =H2 ↑+2OH-
B．c、d分别为阳离子交换膜和阴离子交换膜
C．浓差电池放电过程中，Cu(1)电极上的电极反应为Cu-2e- =Cu2+
D．当阴极产生2.24L气体时，电路中转移0.2mol电子
5．（2022·河南·焦作市第一中学模拟预测）某科研机构研发的空气燃料电池的工作原理如图所示：
该电池工作时，下列说法错误的是（ ）
A．采用多孔电极有利于增大接触面积和加快气体吸附速度
B．放电过程中负极的电极反应式为
C．向右侧多孔石墨棒移动
D．若产生，则通入的的体积应大于(标准状况)
6．（2022·辽宁鞍山·一模）以和复合材料为两极组成新型固体电池，通过与的转化实现电池的充放电，其结构如图。其中，为含元素的三元材料，下列说法错误的是（ ）
A．放电时负极反应：
B．放电时移向电极
C．充电时变成
D．充放电过程中固体电解质成分始终保持不变
7．（2022·河南·模拟预测）锌-空气电池被认为是替代锂离子电池，满足电动汽车爆炸性需求的下一代候选电池。用光照充电的锌-空气电池的工作原理如图所示。光照时，光电极(空穴)驱动阴极和阳极反应，阳极反应为。下列叙述正确的是（ ）
A．放电时，向正极迁移
B．放电时，电池反应为
C．充电时，光电子经电解液向极移动
D．充电时，阴极的电极反应为
8．（2022·河南焦作·一模）磷酸铁锂(LiFePO4)电池因特别适于作动力方面的应用，故称作磷酸铁锂动力电池。磷酸铁锂电池的内部结构如图所示，充电时总反应是C6 +LiFePO4=Li1-xFePO4 +LixC6，下列说法中错误的是（ ）
A．LiFePO4作为电池的正极，与铝箔相连
B．聚合物隔膜将正、负极隔开，可使电子通过
C．放电时，正极反应式为Li1-xFePO4+xLi++xe- =LiFePO4
D．放电时，Li+从负极移向正极
二、填空题
9．（2022·重庆·三模）回答下列问题：
(1)我国某科研团队设计了一种电解装置，将CO2和NaCl高效转化为CO和NaClO，原理如图1所示：
通入CO2气体的一极为_______(填“阴极”、“阳极”、“正极”或“负极”)，写出该极的电极反应式：___________________。
(2)全钒液流电池是利用不同价态的含钒离子在酸性条件下发生反应，其电池结构如图2所示。已知酸性溶液中钒以VO(黄色)、V2+(紫色)、VO2+(蓝色)、V3+(绿色)的形式存在。放电过程中，电池的正极反应式为_________________，右侧储液罐中溶液颜色变化为________________。
(3)如果用全钒液流电池作为图1电解装置的电源，则催化电极b应与该电池的_______极(填“X’或“Y’)相连；若电解时电路中转移0.4mol电子，则理论上生成NaClO的质量为_______g；电池左储液罐溶液中n(H+)的变化量为__________。
10．（2022·江苏泰州·模拟预测）纳米零价铁(ZVI)因其高比表面积、优异的吸附性、较强的还原性和反应活性等优点被广泛应用于污染物的去除。
(1)ZVI可通过FeCl2·4H2O和NaBH4溶液反应制得，同时生成H2、B(OH)，制备过程中需要不断通入高纯氮气，其目的是_______________________。
(2)ZVI电化学腐蚀处理三氯乙烯进行水体修复，H+、O2、等物种的存在会影响效果，水体修复的过程如图所示。有效腐蚀过程中，生成1mol乙烯所转移的电子物质的量为_______mol，过程④对应的电极反应式为___________________________。
(3)ZVI可去除废水中Pb2+，pH＜6时，pH对Pb2+的去除率的影响如图所示。
已知：ⅰ)在水中，ZVI表面的FeOH会因为质子化/去质子化作用而使其表面带正/负电荷，可表示为：FeOH+H+FeOH，FeOHFeO—+H+。pH约为8.1达到等电点，ZVI表面不带电。
ⅱ)pH＜6时，ZVI去除Pb2+主要发生表面配位反应和还原反应：
2FeOH+ Pb2+(FeO)2Pb + 4H+
2Fe+ 3Pb2++ 4H2O3Pb+2FeOOH + 6H+
pH＜6时，铁氧化物颗粒不易吸附Pb2+的原因是___________________。
②pH＜6时，随着pH增大，Pb2+的去除率会增大至接近100%的原因是___________________。
(4)催化剂协同ZVI能将水体中的硝酸盐()转化为N2，其催化还原反应的过程如图所示。为有效降低水体中氮元素的含量，宜调整水体pH为4.2，当pH＜4.2时，随pH减小，N2生成率逐渐降低的原因是___________________。
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