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题型突破1　新型化学电源
1.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极,以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是(　　)
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为:+ZnZn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 mol电子
2.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
3.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是(　　)
A.电池总反应为:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol 电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
4.(2024·河北卷)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,电池总反应为2CO2+Mg===MgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2
5.(2023·山东卷改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4 电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法不正确的是(　　)
A.甲室Cu电极为负极
B.隔膜为阳离子膜
C.电池总反应为Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
1.原电池的基本装置及原理
2.燃料电池工作原理
3.充电电池原理分析
4.有机物燃料电池电极反应式的书写
(1)在酸性电池中,电极反应式用H+平衡电荷,不能出现OH-。负极生成H+,正极消耗H+。以CH4燃料电池为例(电解液为H2SO4溶液),写出电极反应式。
负极: 。
正极: 。
电池总反应式: 。
(2)在碱性电池中,电极反应式用OH-平衡电荷,不能出现H+、CO2(应为C)。负极消耗OH-,正极生成OH-。
以CH4燃料电池为例(电解液为KOH溶液),写出电极反应式。
负极: 。
正极: 。
电池总反应式: 。
(3)熔融碳酸盐燃料电池(C平衡电荷)。
负极:燃料失去电子,生成CO2。
正极:氧气得到电子,生成C。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极: 。
正极: 。
(4)固态氧化物燃料电池(O2-平衡电荷)。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极: 。
正极: 。
(5)微生物燃料电池
微生物(或酶)电池是指在微生物的作用下(类似催化作用),将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示:
①微生物有利于有机物的氧化反应,促进了反应中电子的转移。
②有机物在负极失去电子,负极反应中有CO2生成,同时生成H+(如葡萄糖在负极发生反应: ,H+通过质子交换膜从负极区移向正极区。
1.以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池,下列说法正确的是(　　)
A.放电过程中,K+均向负极移动
B.放电过程中,KOH物质的量均减小
C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D.消耗1 mol O2时,理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
2.(2024·福建三明一模)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnC(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列说法错误的是(　　)
A.AlnC含4n个Al—Cl键
B.AlnC中同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al单质至少转移3 mol电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n值小的AlnC浓度越高
3.(2024·广东中山质检)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A.Ag作原电池正极
B.电子由Ag经活性炭流向Pt
C.Pt表面发生的电极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
4.(2024·江西南昌质检)锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天和国防军事等领域。下图是锂离子二次电池的放电过程示意图,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电极A的电势高于电极B
B.放电时,正极反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充电时,当转移1 mol电子时,则有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间
D.该电池电解液的溶剂可选择水
5.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
题型突破1　新型化学电源
1.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极,以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是(　　)
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为:+ZnZn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 mol电子
答案　C
解析　标注框内Zn和N之间存在配位键,N和C、C和C、C和H之间存在共价键,A项正确;放电时Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,Zn-TCPP为正极,电极反应式为+2e-===3I-,则电池总反应为Zn+Zn2++3I-,B项正确;充电时Zn为阴极,阴极反应式为Zn2++2e-===Zn,Zn2+来自电解质溶液,C项错误;根据放电时负极反应式:Zn-2e-===Zn2+知,消耗0.65 g Zn,即0.01 mol Zn,理论上转移0.02 mol电子,D项正确。
2.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
答案　C
解析　充电时Zn2+向阴极移动,A错误;由题意知,放电时,MnO2转化为MnOOH和ZnMn2O4,B错误;放电时,MnO2电极为正极,发生的反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C正确;根据放电时Zn电极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+可知,Zn电极质量减少0.65 g(0.01 mol)时,电路中通过0.02 mol 电子,故MnO2电极有0.02 mol MnO2发生反应,但MnO2转化为MnOOH和少量ZnMn2O4,故生成的MnOOH的量小于0.020 mol,D错误。
3.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是(　　)
A.电池总反应为:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol 电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
答案　C
解析　正极反应:2H2O+O2+4e-===4OH-;负极反应:C6H12O6+2CuO===C6H12O7+Cu2O,Cu2O+2OH--2e-===2CuO+H2O。分析可知,该电池的总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7,A正确;由题图可知,b电极上发生转化:CuO→Cu2O→CuO,反应前后CuO的性质和数目不变,故b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用,B正确;根据负极的电极反应式可知当消耗18 mg(0.1 mmol)葡萄糖时,转移0.2 mmol 电子,故理论上a电极有0.2 mmol电子流入,C错误;原电池中,阳离子向正极迁移,由分析知,b电极为负极,a电极为正极,故两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a,D正确。
4.(2024·河北卷)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,电池总反应为2CO2+Mg===MgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2
答案　C
解析　由题图知,该电池放电时CO2转化为MgC2O4,C得电子化合价降低,则多孔碳纳米管电极作正极,故Mg电极作负极,Mg失电子转化为Mg2+。放电时,电池的总反应为2CO2+Mg===MgC2O4,A正确;充电时多孔碳纳米管电极作阳极,与电源正极相连,B正确;充电时,Mg电极作阴极,电子由阳极流向正极,再由负极流向Mg电极,C错误;放电时,CO2中C由+4价降为+3价,故转移1 mol电子时,理论上转化1 mol CO2,D正确。
5.(2023·山东卷改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4 电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法不正确的是(　　)
A.甲室Cu电极为负极
B.隔膜为阳离子膜
C.电池总反应为Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
答案　B
解析　A.向甲室加入足量氨水后电池开始工作,则甲室Cu电极溶解,变为铜离子与氨气形成[Cu(NH3)4]2+,因此甲室Cu电极为负极,A正确;B.在原电池内电路中阳离子向正极移动,若隔膜为阳离子膜,电极溶解生成的铜离子要向右侧移动,通入氨气要消耗铜离子,显然左侧阳离子不断减小,明显不利于电池反应正常进行,B错误;C.左侧负极是Cu-2e-+4NH3===[Cu(NH3)4]2+,正极是Cu2++2e-===Cu,则电池总反应为Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+,C正确;D.NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2+,铜离子浓度降低,铜离子得电子能力减弱,因此将对电池电动势产生影响,D正确。
命题立意:电化学知识是中学阶段学习的重要知识,因此在高考中成为必考题,且常考常新。相较于传统的有机体系电池,水系电池具有较高的安全性、较低的生产成本和较高的能量密度,成为储能电池和电池领域研究的热点。试题主要考查原电池的工作原理、微粒的移动方向、电极反应式书写、交换膜类型和电池工作过程中质量变化等必备知识。此类试题以陌生新型化学电源装置为情景素材,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证能力。
1.原电池的基本装置及原理
2.燃料电池工作原理
3.充电电池原理分析
4.有机物燃料电池电极反应式的书写
(1)在酸性电池中,电极反应式用H+平衡电荷,不能出现OH-。负极生成H+,正极消耗H+。以CH4燃料电池为例(电解液为H2SO4溶液),写出电极反应式。
负极:CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+。
正极:O2+4e-+4H+===2H2O。
电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O。
(2)在碱性电池中,电极反应式用OH-平衡电荷,不能出现H+、CO2(应为C)。负极消耗OH-,正极生成OH-。
以CH4燃料电池为例(电解液为KOH溶液),写出电极反应式。
负极:CH4+10OH--8e-===7H2O+C。
正极:O2+4e-+2H2O===4OH-。
电池总反应式:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O。
(3)熔融碳酸盐燃料电池(C平衡电荷)。
负极:燃料失去电子,生成CO2。
正极:氧气得到电子,生成C。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极:CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O。
正极:O2+2CO2+4e-===2C。
(4)固态氧化物燃料电池(O2-平衡电荷)。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极:CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O。
正极:O2+4e-===2O2-。
(5)微生物燃料电池
微生物(或酶)电池是指在微生物的作用下(类似催化作用),将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示:
①微生物有利于有机物的氧化反应,促进了反应中电子的转移。
②有机物在负极失去电子,负极反应中有CO2生成,同时生成H+(如葡萄糖在负极发生反应:C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2+24H+),H+通过质子交换膜从负极区移向正极区。
1.以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池,下列说法正确的是(　　)
A.放电过程中,K+均向负极移动
B.放电过程中,KOH物质的量均减小
C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D.消耗1 mol O2时,理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
答案　C
解析　碱性环境下,甲醇燃料电池总反应为:2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清洁燃料电池总反应为:N2H4+O2===N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价,H元素化合价为+1价,所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为:(CH3)2NNH2+4O2+4KOH===2K2CO3+N2+6H2O,据此结合原电池的工作原理分析解答。A.放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A不符合题意;B.根据上述分析可知,N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B不符合题意;C.理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是:×6、×4、×16,通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C正确;D.根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为1 mol,在标准状况下为22.4 L,D不符合题意。
2.(2024·福建三明一模)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnC(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xSAl2(Sx)3。下列说法错误的是(　　)
A.AlnC含4n个Al—Cl键
B.AlnC中同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al单质至少转移3 mol电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n值小的AlnC浓度越高
答案　D
解析　放电时铝失去电子生成铝离子做负极,硫单质得到电子做正极,充电时铝离子得到电子生成铝发生在阴极,硫离子失去电子生成硫单质发生在阳极,依此解题。A.AlnC的结构为
,所以含4n个Al—Cl键,正确;B.由AlnC的结构可知同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个,正确;C.由总反应可知充电时,再生1 mol Al单质需由铝离子得到电子生成,所以至少转移3 mol电子,正确;D.由总反应可知放电时间越长,负极铝失去电子生成的铝离子越多,所以n值大的AlnC浓度越高,错误。
3.(2024·广东中山质检)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A.Ag作原电池正极
B.电子由Ag经活性炭流向Pt
C.Pt表面发生的电极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
答案　B
解析　O2在Pt得电子发生还原反应,Pt为正极,Ag失去电子与溶液中的Cl-反应,Ag为负极。A.由分析可知,Ag失去电子与溶液中的Cl-反应生成AgCl,Ag为负极,错误;B.电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt,正确;C.溶液为酸性,故Pt表面发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O,错误;D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,转移电子2 mol,而2 mol Ag失去2 mol电子,故最多去除2 mol Cl-,错误。
4.(2024·江西南昌质检)锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天和国防军事等领域。下图是锂离子二次电池的放电过程示意图,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电极A的电势高于电极B
B.放电时,正极反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
C.充电时,当转移1 mol电子时,则有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间
D.该电池电解液的溶剂可选择水
答案　C
解析　根据题给电池结构示意图,电极B上Li1-xCoO2转换成LiCoO2,Co元素化合价降低,得电子,可判断电极B为原电池的正极,电极A为原电池的负极,正极电势高于负极,A错误;放电时,正极得电子,正极反应Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B错误;充电时,电极B为阳极,电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,当转移1 mol电子时,有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间,C正确;金属Li与水反应,电解液的溶剂为水会消耗金属Li导致电池效率降低,D错误。
5.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　由题图和题意知,电池总反应是3H2+N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确;观察题图知,左边电极发生氧化反应MV+-e-===MV2+,为负极,不是阴极,B项错误;正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确;电池工作时,H+通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。(共31张PPT)
第一篇　新高考题型突破
板块Ⅵ　电化学
题型突破选择题　题型突破1　新型化学电源
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核心整合
模拟预测
1.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn为电极,以ZnSO4和KI混合液为电解质溶液。下列说法错误的是(　　)
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为:+Zn Zn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 mol电子
C
2.(2024·全国甲卷)科学家使用δ-MnO2研制了一种MnO2-Zn可充电电池(如图所示)。电池工作一段时间后,MnO2电极上检测到MnOOH和少量ZnMn2O4。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时,Zn2+向阳极方向迁移
B.充电时,会发生反应Zn+2MnO2===ZnMn2O4
C.放电时,正极反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.放电时,Zn电极质量减少0.65 g,MnO2电极生成了0.020 mol MnOOH
C
解析　充电时Zn2+向阴极移动,A错误;由题意知,放电时,MnO2转化为MnOOH和ZnMn2O4,B错误;放电时,MnO2电极为正极,发生的反应有MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-,C正确;根据放电时Zn电极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+可知,Zn电极质量减少0.65 g(0.01 mol)时,电路中通过0.02 mol 电子,故MnO2电极有0.02 mol MnO2发生反应,但MnO2转化为MnOOH和少量ZnMn2O4,故生成的MnOOH的量小于0.020 mol,D错误。
3.(2024·新课标卷)一种可植入体内的微型电池工作原理如图所示,通过CuO催化消耗血糖发电,从而控制血糖浓度。当传感器检测到血糖浓度高于标准,电池启动。血糖浓度下降至标准,电池停止工作。(血糖浓度以葡萄糖浓度计)
电池工作时,下列叙述错误的是(　　)
A.电池总反应为:2C6H12O6+O2===2C6H12O7
B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用
C.消耗18 mg葡萄糖,理论上a电极有0.4 mmol 电子流入
D.两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a
C
解析　正极反应:2H2O+O2+4e-===4OH-;负极反应:C6H12O6+2CuO===C6H12O7+ Cu2O,Cu2O+2OH--2e-===2CuO+H2O。分析可知,该电池的总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7,A正确;由题图可知,b电极上发生转化:CuO→Cu2O→CuO,反应前后CuO的性质和数目不变,故b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用,B正确;根据负极的电极反应式可知当消耗18 mg(0.1 mmol)葡萄糖时,转移0.2 mmol 电子,故理论上a电极有0.2 mmol电子流入,C错误;原电池中,阳离子向正极迁移,由分析知,b电极为负极,a电极为正极,故两电极间血液中的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a,D正确。
4.(2024·河北卷)我国科技工作者设计了如图所示的可充电Mg-CO2电池,以Mg(TFSI)2为电解质,电解液中加入1,3-丙二胺(PDA)以捕获CO2,使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放CO2能力差的障碍,同时改善了Mg2+的溶剂化环境,提高了电池充放电循环性能。
下列说法错误的是(　　)
A.放电时,电池总反应为2CO2+Mg===MgC2O4
B.充电时,多孔碳纳米管电极与电源正极连接
C.充电时,电子由Mg电极流向阳极,Mg2+向阴极迁移
D.放电时,每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2
C
解析　由题图知,该电池放电时CO2转化为MgC2O4,C得电子化合价降低,则多孔碳纳米管电极作正极,故Mg电极作负极,Mg失电子转化为Mg2+。放电时,电池的总反应为2CO2+Mg===MgC2O4,A正确;充电时多孔碳纳米管电极作阳极,与电源正极相连,B正确;充电时,Mg电极作阴极,电子由阳极流向正极,再由负极流向Mg电极,C错误;放电时,CO2中C由+4价降为+3价,故转移1 mol电子时,理论上转化1 mol CO2,D正确。
5.(2023·山东卷改编)利用热再生氨电池可实现CuSO4 电镀废液的浓缩再生。电池装置如图所示,甲、乙两室均预加相同的CuSO4电镀废液,向甲室加入足量氨水后电池开始工作。下列说法不正确的是(　　)
A.甲室Cu电极为负极
B.隔膜为阳离子膜
C.电池总反应为Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+
D.NH3扩散到乙室将对电池电动势产生影响
B
解析　A.向甲室加入足量氨水后电池开始工作,则甲室Cu电极溶解,变为铜离子与氨气形成[Cu(NH3)4]2+,因此甲室Cu电极为负极,A正确;B.在原电池内电路中阳离子向正极移动,若隔膜为阳离子膜,电极溶解生成的铜离子要向右侧移动,通入氨气要消耗铜离子,显然左侧阳离子不断减小,明显不利于电池反应正常进行,B错误;C.左侧负极是Cu-2e-+4NH3===[Cu(NH3)4]2+,正极是Cu2++2e-===Cu,则电池总反应为Cu2++4NH3===[Cu(NH3)4]2+,C正确;D.NH3扩散到乙室会与铜离子反应生成[Cu(NH3)4]2+,铜离子浓度降低,铜离子得电子能力减弱,因此将对电池电动势产生影响,D正确。
命题立意:电化学知识是中学阶段学习的重要知识,因此在高考中成为必考题,且常考常新。相较于传统的有机体系电池,水系电池具有较高的安全性、较低的生产成本和较高的能量密度,成为储能电池和电池领域研究的热点。试题主要考查原电池的工作原理、微粒的移动方向、电极反应式书写、交换膜类型和电池工作过程中质量变化等必备知识。此类试题以陌生新型化学电源装置为情景素材,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证能力。
1.原电池的基本装置及原理
2.燃料电池工作原理
3.充电电池原理分析
4.有机物燃料电池电极反应式的书写
(1)在酸性电池中,电极反应式用H+平衡电荷,不能出现OH-。负极生成H+,正极消耗H+。以CH4燃料电池为例(电解液为H2SO4溶液),写出电极反应式。
负极:______________________________________________。
正极:____________________________________。
电池总反应式:______________________________________。
CH4+2H2O-8e-===CO2+8H+
O2+4e-+4H+===2H2O
CH4+2O2===CO2+2H2O
(2)在碱性电池中,电极反应式用OH-平衡电荷,不能出现H+、CO2(应为C)。负极消耗OH-,正极生成OH-。
以CH4燃料电池为例(电解液为KOH溶液),写出电极反应式。
负极:___________________________________。
正极:______________________________________。
电池总反应式:____________________________________________________。
CH4+10OH--8e-===7H2O+C
O2+4e-+2H2O===4OH-
CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O
(3)熔融碳酸盐燃料电池(C平衡电荷)。
负极:燃料失去电子,生成CO2。
正极:氧气得到电子,生成C。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极:_______________________________。
正极:__________________________________________________。
CH4+4C-8e-===5CO2+2H2O
O2+2CO2+4e-===2C
(4)固态氧化物燃料电池(O2-平衡电荷)。
以CH4燃料电池为例,写出电极反应式。
负极:________________________________________________。
正极:____________________________。
CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
O2+4e-===2O2-
(5)微生物燃料电池
微生物(或酶)电池是指在微生物的作用下(类似催化作用),将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示:
①微生物有利于有机物的氧化反应,促进了反应中电
子的转移。
②有机物在负极失去电子,负极反应中有CO2生成,同时生成H+(如葡萄糖在负极发生反应:___________________________________________),H+通过质子交换膜从负极区移向正极区。
C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2+24H+
1.以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清洁燃料电池,下列说法正确的是(　　)
A.放电过程中,K+均向负极移动
B.放电过程中,KOH物质的量均减小
C.消耗等质量燃料,(CH3)2NNH2—O2燃料电池的理论放电量最大
D.消耗1 mol O2时,理论上N2H4—O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2 L
C
解析　碱性环境下,甲醇燃料电池总反应为:2CH3OH+3O2+4KOH=== 2K2CO3+6H2O;N2H4-O2清洁燃料电池总反应为:N2H4+O2===N2+2H2O;偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合价均为-2价,H元素化合价为+1价,所以根据氧化还原反应原理可推知其燃料电池的总反应为:(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=== 2K2CO3+N2+6H2O,据此结合原电池的工作原理分析解答。A.放电过程为原电池工作原理,所以钾离子均向正极移动,A不符合题意;B.根据上述分析可知,N2H4-O2清洁燃料电池的产物为氮气和水,其总反应中未消耗KOH,所以KOH的物质的量不变,其他两种燃料电池根据总反应可知,KOH的物质的量减小,B不符合题意;
C.理论放电量与燃料的物质的量和转移电子数有关,设消耗燃料的质量均为m g,则甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放电量(物质的量表达式)分别是:×6、×4、×16,通过比较可知(CH3)2NNH2理论放电量最大,C正确;
D.根据转移电子数守恒和总反应式可知,消耗1 mol O2生成的氮气的物质的量为
1 mol,在标准状况下为22.4 L,D不符合题意。
2.(2024·福建三明一模)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由NaCl、KCl和AlCl3形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnC(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xS
Al2(Sx)3。下列说法错误的是(　　)
A.AlnC含4n个Al—Cl键
B.AlnC中同时连接2个Al原子的Cl原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al单质至少转移3 mol电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n值小的AlnC浓度越高
D
3.(2024·广东中山质检)负载有Pt和Ag的活性炭,可选择性去除Cl-实现废酸的纯化,其工作原理如图。下列说法正确的是(　　)
A.Ag作原电池正极
B.电子由Ag经活性炭流向Pt
C.Pt表面发生的电极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-
D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,最多去除1 mol Cl-
B
解析　O2在Pt得电子发生还原反应,Pt为正极,Ag失去电子与溶液中的Cl-反应,Ag为负极。A.由分析可知,Ag失去电子与溶液中的Cl-反应生成AgCl,Ag为负极,错误;B.电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt,正确;C.溶液为酸性,故Pt表面发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O,错误;D.每消耗标准状况下11.2 L的O2,转移电子2 mol,而2 mol Ag失去2 mol电子,故最多去除2 mol Cl-,错误。
4.(2024·江西南昌质检)锂离子电池被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天和国防军事等领域。下图是锂离子二次电池的放电过程示意图,下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电极A的电势高于电极B
B.放电时,正极反应:LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+
xLi+
C.充电时,当转移1 mol电子时,则有1 mol
Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间
D.该电池电解液的溶剂可选择水
C
解析　根据题给电池结构示意图,电极B上Li1-xCoO2转换成LiCoO2,Co元素化合价降低,得电子,可判断电极B为原电池的正极,电极A为原电池的负极,正极电势高于负极,A错误;放电时,正极得电子,正极反应Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B错误;充电时,电极B为阳极,电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,当转移1 mol电子时,有1 mol Li+从LiCoO2的晶格中脱出,并穿过隔膜嵌入石墨层间,C正确;金属Li与水反应,电解液的溶剂为水会消耗金属Li导致电池效率降低,D错误。
5.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
B
解析　由题图和题意知,电池总反应是3H2+N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行,并形成原电池产生电能,反应不需要高温、高压和催化剂,A项正确;观察题图知,左边电极发生氧化反应MV+-e-===MV2+,为负极,不是阴极,B项错误;正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3,C项正确;电池工作时,H+通过交换膜,由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移,D项正确。

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