资源简介

(共55张PPT)
[学习目标]
1.了解新型化学电池的类型及工作原理。
2.能够正确判断各类新型化学电池的电极类型及电子、离子的移动方向。
3.能够掌握电极反应式书写及有关计算。
1.定义
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
2.基本工作原理
在负极室厌氧环境下,有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子,电子依靠合适的电子传递介质在生物组分和负极之间进行有效传递,并通过外电路传递到正极形成电流,而质子通过质子交换膜传递到正极,一般氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。
①总反应为:CH3COO-+2O2+H+==== 2CO2+2H2O。
②a极为负极:_______________________________。
③b极为正极:____________________。
CH3COO--8e-+2H2O==== 2CO2↑+7H+
O2+4H++4e-==== 2H2O
1.(2026·哈尔滨市第九中学校月考)科学家开发了一种可植入体内的燃料电池,血糖(葡萄糖)过高时会激活电池,产生电能进而刺激人造胰岛细胞分泌胰岛素,降低血糖水平。电池工作时的原理如图所示(G-CHO代表葡萄糖)。
A
下列说法正确的是(　　)
A.工作时,电极I附近pH升高
B.该燃料电池电极电势:电极Ⅰ<电极Ⅱ
C.工作时,电子流向:电极Ⅱ→血液→电极Ⅰ
D.工作时,电极Ⅱ的电极反应式为G-CHO+H2O+2e-==== G-COOH+2H+
解析　由图可知,通入氧气的电极Ⅰ为燃料电池的正极,酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水,电极Ⅱ为负极,G-CHO在负极失去电子发生氧化反应生成G-COOH和氢离子。由分析可知,通入氧气的电极Ⅰ为燃料电池的正极,酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水,放电消耗溶液中的氢离子,所以附近溶液pH升高,故A正确;由分析可知,通入氧气的电极Ⅰ为燃料电池的正极,电极Ⅱ为负极,则电极Ⅰ的电势高于电极Ⅱ,故B错误;血液不能传递电子,工作时,电子流向:电极Ⅱ→传感器→电极Ⅰ,故C错误;由分析可知,电极Ⅱ为负极,G-CHO在负极失去电子发生氧化反应生成G-COOH和氢离子,电极反应式为G-CHO+H2O-2e-==== G-COOH+2H+,故D错误;故选A。
2.(2025·山西晋中一模)沉积物微生物燃料电池(SMFC)可以将沉积物中的化学能直接转化为电能,同时加速沉积物中污染物的去除,用SMFC处理含硫废水的工作原理如图所示,酸性增强不利于菌落存活。下列说法错误的是(　　)
B
燃料电池的一般思维模型
[归纳总结]
①要注意介质是什么,是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
②通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧气。
③通过介质中离子的移动方向,可判断电池的正负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
1.定义
浓度差电池是一种利用同一电解质中物质浓度差异来产生电能的装置,核心原理是物质从高浓度向低浓度扩散时释放的化学能转化为电能。
2.特点
无需化学反应中的电子转移(无氧化还原反应),仅依赖电解质中离子的浓度梯度,当浓度差消失,电池便停止供电。
3.类型
(1)电解质浓度差电池
如两个相同的电极,分别浸入不同浓度的硝酸银溶液中,高浓度侧的银离子会向低浓度侧扩散,从而产生电流。
(2)电极浓度差电池
常见于气体电极,如两个氢电极,电解质相同,但通入氢气的压力不同(压力差异等效于浓度差异),高压侧氢气更易解离,形成电流。
1.(2025·成都市石室中学期末)浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的,电子由浓度较小的一极流向浓度较大的一极。某化学兴趣小组将两个完全相同的铜片分别放入体积相同均为2 L、浓度不同的CuSO4溶液中形成浓差电池(如图所示)。下列说法正确的是(　　)
A
A.放电过程中,膜1和膜2之间的c(CuSO4)理论上保持不变
B.Cu(1)极附近Cu2+通过膜1向右迁移
C.Cu(1)极作负极,发生氧化反应
D.当Cu(2)极附近c(CuSO4)变为1 mol·L-1时,该电池停止放电
2.(2026·茂名市一模)浓差电池是利用两极半电池中的特定物质的浓度差产生电势的一种电化学装置。天津大学科研团队用[Co(phen)3](PF6)2 (phen为邻菲罗啉,结构如图1,为配体)为活性物质制作的浓差电池装置如图2所示(电极a、b均为惰性电极),下列说法不正确的是(　　)
D
A.电极b为正极
B.放电时,将化学能转化为电能
C.离子交换膜为阴离子交换膜
D.负极反应为[Co(phen)3]3++e-==== [Co(phen)3]2+
1.二次电池充电时的电极连接方法
即正极接正极,负极接负极。
2.充、放电时电解质中离子移动方向的判断
放电(原电池) 阳离子 正极
阴离子 负极
充电(电解池) 阳离子 阴极
阴离子 阳极
总之,阳离 子发生还原反应的电极
阴离子 发生氧化反应的电极
3.新型绿色环保二次电池——液流循环电池
(1)特点
液流电池是正、负极电解液分开、各自循环的一种高性能蓄电池,具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长的特点。
(2)原理
它通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆氧化还原反应(即价态的可逆变化)实现电能和化学能的相互转化。充电时,阳极发生氧化反应使活性物质价态升高,阴极发生还原反应使活性物质价态降低,放电过程与之相反。与一般固态电池不同的是,液流电池的正极和(或)负极电解质溶液储存于电池外部的储罐中,通过泵和管路输送到电池内部进行反应。
[示例]　如图为全钒液流电池示意图:
①正极反应:________________________。
②负极反应:_____________。
③阳极反应:________________________。
④阴极反应:_____________。
V2+-e-==== V3+
V3++e-==== V2+
1.(2025·白银市会宁县第一中学三模)科学家研发的一种新型的Ca LiFePO4 可充电电池的工作原理示意图如图,电池反应为xCa2++2LiFePO4 xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+
(0A
A.放电时,Li+ 向钙电极移动
B.充电时,阳极的电极反应为LiFePO4-xe-==== Li1-xFePO4+xLi+
C.锂离子导体膜的作用是允许Li+ 通过,不允许水分子通过
D.充电时,当转移0.4 mol 电子时,理论上阴极室中电解质的质量减轻5.2 g
2.(2025·贵州省普通高中二模)液流电池是电化学储能领域的一个研究热点,其优点是容量大、寿命长。某种碱性可充电锌铁液流电池放电时工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
C
A.电池放电时电极a的电势高于电极b
B.电池放电时OH- 向M室移动,M室溶液pH 增大
C.电池充电时b极发生的电极反应式为:[Fe(CN)6]4--e-==== [Fe(CN)6]3-
D.电池充电时电路中每通过0.2NA 电子,a电极增重13.1 g
解析　由图可知,放电时,氢氧根离子向a电极移动,则电极a为液流电池的负极,锌在碱性条件下,失去电子发生氧化反应生成四羟基合锌离子,电极反应式为:Zn-2e-+4OH-==== [Zn(OH)4]2-,电极b为正极,六氰合铁酸根离子在正极得到电子发生还原反应生成六氰合亚铁酸根离子,电极反应式为:[Fe(CN)6]3-+e-==== [Fe(CN)6]4- ;充电时,a电极连电源负极,做电解池的阴极,电极反应式为:[Zn(OH)4]2-+2e-==== Zn+4OH-,电极b与正极相连,做电解池阳极,六氰合亚铁酸根离子在阳极失去电子发生氧化反应生成六氰合铁酸根离子,电极反应式为:[Fe(CN)6]4--e-==== [Fe(CN)6]3-,据此分析回答。由分析可知,电池放电时,电极a为液流电池的负极,电极b为正极,则电极a的电势低于电极b,A错误;由分析可知,放电时为原电池,则OH-向负极移动,负极发生氧化反应,电极反应式为:Zn-2e-+4OH-==== [Zn(OH)4]2-,OH-被消耗,则pH减小,B错误;由分析可知,电池充电
时,b极发生的电极反应式为:[Fe(CN)6]4--e-==== [Fe(CN)6]3-,C正确;电池充电时,电路中每通过0.2NA电子,a电极反应式为:[Zn(OH)4]2-+2e-==== Zn+4OH-,增重0.1 mol Zn,即增重6.5 g,D错误;故选C。
二次电池原理分析的思维模型
[归纳总结]
1.(2025·重庆卷)下图为AgCl Sb二次电池的放电过程示意图如图所示。
D
下列叙述正确的是(　　)
A.放电时,M极为正极
B.放电时,N极上反应为Ag-e-+Cl-==== AgCl
C.充电时,消耗4 mol Ag的同时将消耗1 mol Sb4O5Cl2
D.充电时,M极上反应为Sb4O5Cl2+12e-+10H+==== 4Sb+2Cl-+5H2O
2.(2025·安徽卷)研究人员开发出一种锂 氢可充电电池(如图所示),使用前需先充电,其固体电解质仅允许Li+ 通过。下列说法正确的是(　　)
C
A.放电时电解质溶液质量减小
B.放电时电池总反应为H2+2Li==== 2LiH
C.充电时Li+移向惰性电极
D.充电时每转移1 mol 电子,c(H+)降低1 mol·L-1
[夯基固本练]
D
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1.(2026·重庆市普通高中二诊)浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置,当两极室离子浓度相等时放电完成。某浓差电池的工作原理如图所示(两室溶液的体积一直均为200 mL )。下列说法正确的是(　　)
A.电极Ⅱ的电势高于电极Ⅰ
B.电子从电极Ⅰ流出经用电器流入电极Ⅱ
C.电极Ⅰ的电极反应式为:Cu-2e-==== Cu2+
D.放电结束后,左右两室溶液质量变化量相等
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2.(2025·西安市蓝田县田家炳中学大学区联考)瓦斯分析仪(如图甲)工作原理类似燃料电池的工作原理,其装置如图乙所示,其中的固体电解质是Y2O3 Na2O,O2-可以在其中自由移动,下列有关叙述中错误的是(　　)
A
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A.瓦斯分析仪工作时,电池内电路中电子由电极a流向电极b
B.电极b是正极,O2-由电极b流向电极a
C.电极a的反应式为CH4+4O2--8e-==== CO2+2H2O
D.若消耗的O2为33.6 L(标准状况),转移6 mol电子
解析　装置为原电池装置,空气中氧气得到电子发生还原反应生成氧离子:O2+4e-==== 2O2-,b为正极,则a为负极,甲烷失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和水:CH4+4O2--8e-==== CO2+2H2O;电子不能在电池内电路流动,只能在外电路中流动,且电子由负极经导线流向正极,A错误;由分析知,b为正极,a为负极,原电池中阴离子向负极移动,故O2-由电极b流向电极a,B正确;a为负极,甲烷失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和水:CH4+4O2--8e-==== CO2+2H2O,C正确;若消耗的O2为33.6 L(标准状况,为1.5 mol),转移1.5 mol×4=6 mol电子,D正确;故选A。
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3.(2026·毕节市一诊)一种双腔室H2O2 燃料电池构造示意图如下,下列说法错误的是(　　)
A
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A.离子交换膜的作用是传导H+
B.负极反应式为:H2O2-2e-+2OH-==== O2↑+2H2O
C.H2O2 在电池反应中表现出氧化性和还原性
D.复合材料电极上每消耗1 mol H2O2,外电路中转移2 mol 电子
解析　由图可知,复合材料电极是燃料电池的正极,酸性条件下,过氧化氢在正极得到电子发生还原反应生成水,电极反应式为H2O2+2e-+2H+==== 2H2O,铂电极为负极,碱性条件下过氧化氢在负极失去电子发生氧化反应生成氧气和水,电极反应式为H2O2-2e-+2OH-==== O2↑+2H2O,总反应为2H2O2==== 2H2O+O2↑,电池工作时钾离子通过阳离子交换膜由铂电极移向复合材料电极。由分析可知,电池工作时钾离子通过阳离子交换膜由铂电极移向复合材料电极,则离子交换膜的作用是传导钾离子,故A错误;由分析可知,负极电极反应式为H2O2-2e-+2OH-==== O2↑+2H2O,故B正确;由分析可知,电池总反应为2H2O2==== 2H2O+O2↑,反应中氧元素的化合价既升高被氧化又降低被还原,过氧化氢既是氧化剂又是还原剂,反应中表现出氧化性和还原性,故C正确;由分析可知,复合材料电极是燃料电池的正极,电极反应式为H2O2+2e-+2H+==== 2H2O,则复合材料电极上每消耗1 mol过氧化氢,外电路中转移2 mol电子,故D正确;故选A。
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4.(2025·河北省市级期中联考)甲酸燃料电池装置如图所示。下列说法错误的是(　　)
C
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5.(2025·昆明市云南师范大学附属中学月考)一种以天然气为燃料的固体氧化物燃料电池的原理如图所示,其中YSZ为6%~10%Y2O3掺杂的ZrO2固体电解质,下列有关叙述正确的是(　　)
4
B
A.电流通过外电路从a极流向b极
B.a极上的电极反应式为CH4-8e-+4O2-==== CO2+2H2O
C.电路中每转移0.8 mol电子,a电极生成22.4 L的CO2
D.固体电解质YSZ中O2-不能自由迁移,因为YSZ不是电解质
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解析　由题干原电池装置图可知,a极通入CH4发生氧化反应,是负极,电极反应为:CH4-8e-+4O2-==== CO2+2H2O,b极通入O2发生还原反应,是正极,电极反应为:O2+4e-==== 2O2-,据此分析解题。由分析可知,a为负极,b极为正极,电流方向为正极流向负极即b电极经导线流向a电极,A错误;由分析可知,a极为负极,发生氧化反应,电极反应为:CH4-8e-+4O2-==== CO2+2H2O,B正确;温度和压强未知导致气体摩尔体积未知,所以无法计算CO2的体积,C错误;由题干图示信息可知,O2-能自由地由正极通过固体电解质 YSZ 迁移到负极,D错误;故答案为B。
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6.(2025·陕西省菁师教育联盟联考)某研究团队设计了一种多功能的质子陶瓷燃料电池膜反应器,耦合了乙烷非氧化脱氢和N2O 分解反应,在单一的膜反应器中实现了乙烯 电能的联产和温室气体的降解,工作原理如图所示。
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D
下列说法正确的是(　　)
A.a极的电极反应为C2H6-2e-+2OH-==== C2H4+H2O
B.a极电极电势高于b极
C.H+ 从b极通过质子陶瓷膜向a极移动
D.当d导管流出0.15 mol C2H4 时,c导管流出标准状况下3.36 L N2
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解析　根据图中正极反应可知电解质为酸性,a极的电极反应为C2H6-2e-==== C2H4+2H+,A项错误;根据电子的流向可知a极为负极,b极为正极,正极的电极电势高于负极,b极电极电势高于a极,B项错误;根据原电池工作原理知H+ 从a极(负极)通过质子陶瓷膜向b极(正极)移动,C项错误;根据总反应C2H6+N2O==== C2H4+H2O+N2 可知负极生成0.15 mol C2H4 时,正极也生成标准状况下3.36 L N2,D项正确;故答案为D。
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[能力技能练]
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C
7.(2026·临汾市一模)我国科研人员研制出以钠箔和多壁碳纳米管为电极的可呼吸“Na CO2 ”二次电池,其工作原理如图所示。工作过程中,Na2CO3 与C均沉积在多壁碳纳米管电极。下列叙述正确的是(　　)
A.充电时,Na+ 向多壁碳纳米管电极方向移动
B.放电时,正极反应式为2Na2CO3+C-4e-==== 4Na++3CO2↑
C.放电时,电路中转移0.2 mol e-,多壁碳纳米管电极增重11.2 g
D.可用乙醇代替四甘醇二甲醚作有机溶剂以降低成本
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8. 高电压水系锌 有机混合液流电池的装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
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D
A.放电时,负极反应式为Zn-2e-==== Zn2+
B.放电时,正极区溶液的pH减小
C.充电时,中性电解质NaCl的浓度增大
D.充电时,电能没有全部转化为化学能
解析　高电压水系锌 有机混合液流电池工作原理为:放电时为原电池,金属Zn发生失电子的氧化反应生成[Zn(OH)4]2-,为负极,则FQ 所在电极为正极,正极反应式为:2FQ+2e-+2H+==== FQH2,负极反应式为:Zn-2e-+4OH-==== [Zn(OH)4]2- ;充电时为电解池,原电池的正负极连接电源的正负极,阴阳极的电极反应与原电池的负正极的反应式相反,电解质中阳离子移向阴极、阴离子移向阳极,据此解答。放电时为原电池,金属Zn为负极,电极反应为:Zn-2e-+4OH-==== [Zn(OH)4]2-,故A项错误;放电时右侧为正极,正极反应式为:2FQ+2e-+2H+==== FQH2,即正极区溶液的pH增大,故B项错误;充电时装置为电解池,电解池中阳离子移向阴极、阴离子移向阳极,NaCl溶液中的钠离子和氯离子分别发生定向移动,即电解质NaCl的浓度减小,故C项错误;充电时,电能转化为化学能和热能,电能没有全部转化为化学能,故D项正确;故本题选D。
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[素养提升练]
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D
9.(2026·南宁沛鸿民族中学开学摸底)锌离子全电池加入弱极性FcD 后,利用FcD/FcD+ 间的转化,可同时除去溶解氧和非活性锌,防止锌电极被溶解氧腐蚀。下列说法错误的是(　　)
A.理论上该电池不需要补充FcD
B.放电时的电极电势:锌电极C.放电时负极附近电解液中pH增大
D.理论上每消耗11.2 L溶解氧,可除去非活性锌65 g
解析　放电时,Zn失电子发生氧化反应,Zn是负极,NaV3O8·1.5H2O得电子作正极;FcD除去溶解氧和非活性锌的方程式分别为4FcD+O2+2H2O==== 4FcD++4OH-、2FcD++Zn==== 2FcD+Zn2+,据此答题。FcD在反应中先被O2氧化为FcD+,FcD+又被非活性Zn还原为FcD,循环使用,理论上不消耗,无需补充,A正确;放电时锌电极作负极,NaV3O8·1.5H2O电极为正极,负极电势低于正极,B正确;根据分析和题干图中的负极反应,反应生成OH-,故放电时负极附近电解液中pH增大,C正确;11.2 L溶解氧未指明标准状况,无法确定其物质的量,则无法计算除去非活性锌的质量,D错误。
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10.(2025·广州模拟)一种具有双极膜的酸 碱液流电池如图所示,工作时,H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-,有利于电解反应顺利进行。充电时电极a的反应为DSAQ+2H++2e-==== H2DSAQ,下列说法不正确的是(　　)
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C
A.充电时电极b是阳极
B.充电时KOH溶液中KOH的物质的量增大
C.放电一段时间后,负极区溶液的pH减小
D.每消耗1 mol DSAQ,双极膜处有2 mol的H2O解离
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解析　由信息“充电时电极a的反应为DSAQ+2H++2e-==== H2DSAQ”,则a为阴极,b为阳极,b电极反应式为2Br--2e-==== Br2;放电时a为负极,b为正极,据此作答。根据分析,充电时电极b是阳极,A正确;根据分析,充电时,双极膜处产生的H+移向左边阴极区,OH-移向KOH溶液,K+从阳极区经过阳离子交换膜移向KOH溶液,所以KOH的物质的量增大,B正确;放电时,负极发生的电极反应为H2DSAQ-2e-==== DSAQ+2H+,H+透过双极膜移动至双极膜中间与OH-结合生成水,负极区溶液中H+浓度不变,pH不变,C错误;根据电极反应式DSAQ+2H++2e-==== H2DSAQ,每消耗1 mol DSAQ,电路中转移2 mol电子,双极膜处有2 mol的H2O解离,D正确。

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