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第36讲　原电池　化学电源
1.从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理,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.能够书写常见化学电源的电极反应式和总反应方程式。
考点一　原电池的工作原理及其应用
1.原电池的概念
原电池是将化学能转化为电能的装置,其反应的实质是自发进行的氧化还原反应。
2.原电池的构成条件
一看反应 能发生自发进行的氧化还原反应
二看电极 一般是活泼性不同的两个电极(燃料电池的两个电极可以相同)
三看介质 离子导体(电解质溶液、熔融电解质或固态离子导体)
四看闭 合回路 两电极直接或间接接触插入介质中
3.原电池的工作原理(以锌铜原电池为例)
盐桥的作用:连接内电路,形成闭合回路;平衡电荷,盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂,其中K+移向正极,Cl-移向负极;隔绝正、负极反应物,减少能量损耗,提高电池效率。
下列装置能构成原电池的是②(填序号)。
一、原电池的工作原理
1.(2025·广东深圳二模)锂-氟化碳(Li-CFx)电池具有优异的性能。该电池的总反应为CFx+xLi===C+xLiF,电池工作时,下列说法正确的是(　B　)
A.锂电极为正极
B.电子由Li电极经导线流向CFx电极
C.负极反应为CFx+xe-===C+xF-
D.将电能转化为化学能
解析:锂是活泼金属,在反应中失去电子,发生氧化反应,应为负极,而非正极,A错误;原电池中,电子从负极经导线流向正极,Li电极为负极,CFx为正极,因此电子由Li电极经导线流向CFx电极,B正确;负极Li失去电子,电极反应式为Li-e-===Li+,而CFx+xe-===C+xF-是正极得电子的反应,C错误;电池工作时化学能转化为电能,而非电能转化为化学能,D错误。
2.控制合适的条件,可使反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2向不同的方向进行,改变电极反应。
(1)反应开始时,乙中石墨电极的名称:负极,反应类型:氧化反应;甲池中发生还原(填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为Fe3++e-===Fe2+。
(2)一段时间后,电流表读数为零后,在甲中加入FeCl2固体,则乙中的石墨作正(填“正”或“负”)极,该电极的电极反应式为I2+2e-===2I-。
二、原电池原理的应用
3.(2025·浙江宁波一模)由A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验,下列叙述正确的是(　D　)
装置 甲 乙 丙
现象 A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生
A.装置甲中的B金属是原电池的负极
B.装置乙中的C金属是原电池的阳极
C.装置丙中的D金属是原电池的正极
D.四种金属的活泼性顺序是D>A>B>C
解析:装置甲中A不断溶解,说明A被氧化,为原电池负极,B为正极,故A错误;装置乙中C的质量增加,说明C极上析出金属,为原电池正极,故B错误;装置丙中A上有气体产生,应为氢气,说明A为正极,则D为负极,故C错误;由以上分析及原电池反应中负极较活泼可知,金属的活泼性顺序为D>A>B>C,故D正确。
4.根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2设计原电池。
(1)首先写出正、负极的电极反应式:
①负极Cu-2e-===Cu2+。
②正极Fe3++e-===Fe2+。
(2)在下表中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液。
①不含盐桥 ②含盐桥
答案:
①不含盐桥 ②含盐桥
(答案合理即可)
考点二　化学电源
1.一次电池
负极反应式:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2; 正极反应式:MnO2+H2O+e-===MnO(OH)+OH-; 总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2
负极反应式:Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O; 正极反应式:Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-; 总反应:Zn+Ag2O===ZnO+2Ag
2.二次电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,其充、放电过程如下。
总反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
放电时的 电极反应 负极:Pb+S-2e-===PbSO4; 正极:PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O
充电时的 电极反应 阴极:PbSO4+2e-===Pb+S; 阳极:PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++S
(1)铅酸蓄电池放电时,当外电路上有2 mol e-通过时,溶液中消耗H2SO4的物质的量是2 mol。
(2)铅酸蓄电池充电一段时间后,电解质溶液的pH会减小(填“增大”或“减小”)。
3.燃料电池:一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
(1)常见燃料
除H2外,还有CO、水煤气(CO和H2)、烃类(如CH4)、醇类(如CH3OH)、醚类(如CH3OCH3)、氨(NH3)、肼(H2N—NH2)等。
(2)电解质类型
酸性溶液、碱性溶液、固体电解质(可传导O2-)、熔融碳酸盐等,不同电解质会对总反应、电极反应有影响。
(3)应用举例(以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应式)
酸性溶液 正极:O2+4e-+4H+===2H2O, 负极:CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+
碱性溶液 正极:O2+4e-+2H2O===4OH-, 负极:CH3OH-6e-+8OH-===C+6H2O
固体氧化物(高温下能传导O2-) 正极:O2+4e-===2O2-, 负极:CH3OH-6e-+3O2-===CO2+2H2O
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3,正极通入CO2) 正极(通入CO2):O2+4e-+2CO2===2C, 负极:CH3OH-6e-+3C===4CO2+2H2O
一、一次电池和二次电池
1.(2025·湖南衡阳模拟)锌银纽扣电池是生活中常见的一次电池,其构造示意图如下。下列说法不正确的是(　B　)
A.Zn作电池的负极
B.电池工作时,OH-向正极移动
C.正极的电极反应:Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
D.金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性
2.(2023·辽宁卷)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A.放电时负极质量减小
B.储能过程中电能转变为化学能
C.放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧
D.充电总反应:Pb+S+2Fe3+===PbSO4+2Fe2+
解析:放电时,左侧电极为负极,电极反应为Pb-2e-+S===PbSO4,Pb转化为PbSO4,负极质量增大,A项错误;储能过程为充电过程,电能转化为化学能,B项正确;放电时阳离子向正极移动,左侧H+通过质子交换膜移向右侧,C项错误;放电总反应为Pb+2Fe3++S===PbSO4+2Fe2+,故充电总反应为PbSO4+2Fe2+===Pb+2Fe3++S,D项错误。
二次电池原理分析的思维模型
二、燃料电池
3.(2025·山东青岛二模)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,其装置示意图如图所示。下列说法错误的是(　C　)
A.电池工作时,质子由a极移向b极
B.b为电池正极
C.a极反应式为SO2-2e-+H2O===S+2H+
D.理论上每吸收1 mol SO2,b电极消耗的O2的体积为11.2 L(标准状况)
解析:由题图可知,电极a为燃料电池的负极,水分子作用下二氧化硫在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸根离子和氢离子,电极b为正极,酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水。由分析可知,电极a为燃料电池的负极,电极b为正极,则电池工作时,质子由a极移向b极,故A正确;由分析可知,电极a为燃料电池的负极,电极b为正极,故B正确;由分析可知,电极a为燃料电池的负极,水分子作用下二氧化硫在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸根离子和氢离子,电极反应式为SO2-2e-+2H2O===S+4H+,故C错误;由得失电子守恒可知,理论上每吸收1 mol二氧化硫,标准状况下b电极消耗氧气的体积为1 mol××22.4 L/mol=11.2 L,故D正确。
4.如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度在700~900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应产物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　A　)
A.电池内的O2-由电极乙移向电极甲
B.电池总反应为N2H4+2O2===2NO+2H2O
C.当电极甲上有1 mol N2H4消耗时,电极乙上一定有22.4 L O2参与反应
D.电池外电路的电子由电极乙移向电极甲
解析:该装置中电极甲为负极,电极乙为正极,所以O2-由电极乙移向电极甲,A项正确;电池的总反应为N2H4+O2===N2+2H2O,B项错误;当电极甲上消耗1 mol N2H4时,电极乙上就有1 mol O2参与反应,但题目没有指明是否处于标准状况,C项错误;在外电路中,电子由负极(电极甲)移向正极(电极乙),D项错误。
铅酸蓄电池
【考题】　(2025·北京卷节选)铅酸蓄电池是用途广泛并不断发展的化学电源。 (1)十九世纪,铅酸蓄电池工作原理初步形成并延续至今。 铅酸蓄电池工作原理:PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O ①充电时,阴极发生的电极反应为　　　　　　　　。 ②放电时,产生a库仑电量,消耗H2SO4的物质的量为______mol。已知:转移1 mol电子所产生的电量为96 500库仑。 ③铅酸蓄电池储存过程中,存在化学能的缓慢消耗:PbO2电极在H2SO4作用下产生的O2可将Pb电极氧化。O2氧化Pb发生反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　。 (2)随着铅酸蓄电池广泛应用,需要回收废旧电池材料,实现资源的再利用。回收过程中主要物质的转化关系示意图如下。 ①将PbSO4等物质转化为Pb2+的过程中,步骤Ⅰ加入NaOH溶液的目的是　　　　　　　　　　　　　　　。 ②步骤Ⅱ、Ⅲ中H2O2和K2S2O8作用分别是 　　　　　　　　。 (3)铅酸蓄电池使用过程中,负极因生成导电性差的大颗粒PbSO4,导致电极逐渐失活。通过向负极添加石墨、多孔碳等碳材料,可提高铅酸蓄电池性能。碳材料的作用有　　　　(填字母)。 a.增强负极导电性 b.增大负极材料比表面积,利于生成小颗粒PbSO4 c.碳材料作还原剂,使PbO2被还原 (1)根据总方程式书写充电时的电极反应式并结合得失电子守恒进行计算。 (2)以回收废旧电池材料,实现资源的再利用为背景,考查物质的转化、分离与提纯。 (3)多孔碳可以增加负极材料的比表面积,故碳材料的作用可以增强负极的导电性,且有利于生成小颗粒PbSO4,从而增强电池的性能。 【答案】　 (1)①PbSO4+2e-===Pb+S ③2Pb+O2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O (2)①脱除S,生成可溶于酸的Pb(OH)2 ②H2O2作还原剂,K2S2O8作氧化剂 (3)ab
【教材】　(人教版选择性必修1 P99)铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。它由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,稀硫酸作电解质溶液。 　　铅酸蓄电池电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,因此在生产、生活中使用广泛。例如,铅酸蓄电池多用于启动和维持汽车用电系统的正常运转。铅酸蓄电池的缺点是比能量低、笨重。 　　废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质,如果随意丢弃,会对生态环境和人体健康造成危害。因此,应当重视废旧电池的回收利用,这样既可以减少环境污染,又可以节约资源。 (1)铅酸蓄电池充放电的电极反应式及总反应方程式。 (2)了解铅酸蓄电池的优缺点。 (3)废旧电池的回收利用。
1.铅酸蓄电池是汽车常用的蓄电池,其构造如图所示。下列说法不正确的是(　A　)
A.电池放电时,负极质量减轻
B.电池放电时,c(H+)减小
C.电池充电时总反应为2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4
D.铅酸蓄电池的缺点是笨重、比能量低
解析:放电时,负极Pb失去电子转化为PbSO4,负极质量增大,A项错误;放电过程中消耗H2SO4,溶液中c(H+)减小,B项正确。
2.可从铅酸蓄电池中回收铅,实现铅的再生。在工艺中得到含Na2PbCl4的电解液,电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,如图所示。下列说法错误的是(　A　)
A.一段时间后,阳极附近pH明显增大
B.阴极的电极反应式:PbC+2e-===Pb+4Cl-
C.每转移0.2 mol电子,阴极质量增加20.7 g
D.Na2PbCl4浓度下降后可在阴极区加入PbO,实现电解液的继续使用
解析:利用电解原理从铅酸蓄电池中回收铅,左侧电极为阳极,H2O失电子生成O2和H+;右侧电极为阴极,PbC得电子生成Pb和Cl-。阳极的电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阳极附近pH明显减小,A错误;右侧电极为阴极,PbC得电子生成Pb和Cl-,电极反应式为PbC+2e-===Pb+4Cl-,B正确;由PbC+2e-===Pb+4Cl-可知,每转移0.2 mol电子,阴极生成0.1 mol Pb,质量增加0.1 mol×207 g/mol=20.7 g,C正确;阴极电解一段时间后溶液为HCl和NaCl的混合溶液,根据题意向阴极区加入PbO,与H+、Cl-反应生成PbC,可恢复其浓度且实现电解液的继续利用,D正确。
1.(2025·江苏卷)以稀硫酸为电解质溶液的光解水装置如图所示,总反应为2H2O2H2↑+O2↑。下列说法正确的是(　A　)
A.电极a上发生氧化反应生成O2
B.H+通过质子交换膜从右室移向左室
C.光解前后,H2SO4溶液的pH不变
D.外电路每通过0.01 mol电子,电极b上产生0.01 mol H2
解析:光解过程中,电极a上电子流出,发生氧化反应,a为负极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+;电极b上电子流入,发生还原反应,b为正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。根据分析可知,A正确;原电池中阳离子向正极移动,H+通过质子交换膜从左室移向右室,B错误;在探究溶液中溶质浓度变化时,不仅要关注溶质的变化,也要关注溶剂的变化,光解总反应是电解水,H2SO4溶液中H2O减少,H2SO4浓度增大,pH减小,C错误;由电极b的电极反应式可知,生成1 mol H2转移2 mol电子,外电路每通过0.01 mol电子时,电极b上生成0.005 mol H2,D错误。
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
解析:金属锂易失去电子,则放电时,惰性电极为负极,气体扩散电极为正极,电池在使用前需先充电,目的是将LiH2PO4解离为Li+和H2P,则充电时,惰性电极为阴极,电极反应为Li++e-===Li,阳极为气体扩散电极,电极反应为H2-2e-+2H2P===2H3PO4,放电时,惰性电极为负极,电极反应为Li-e-===Li+,气体扩散电极为正极,电极反应为2H3PO4+2e-===2H2P+H2↑,据此解答。放电时,Li+会通过固体电解质进入电解质溶液,同时正极会生成H2进入储氢容器,当转移2 mol电子时,电解质溶液质量增加7 g/mol×2 mol-1 mol×2 g/mol=12 g,即电解质溶液质量会增大,A错误;放电时,由分析中的正、负电极反应可知,总反应为2Li+2H3PO4===H2↑+2LiH2PO4,B错误;充电时,Li+向阴极移动,则Li+向惰性电极移动,C正确;不知道电解质溶液的体积,且H3PO4是弱酸,故无法计算c(H+)降低了多少,D错误。
3.(2025·重庆卷)Sb-AgCl二次电池的放电过程示意图如图所示。下列叙述正确的是(　D　)
A.放电时,M极为正极
B.放电时,N极上反应为Ag+Cl--e-===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+10H++12e-===4Sb+2Cl-+5H2O
解析:由图可知,放电时,N电极上AgCl→Ag发生得电子的还原反应,为正极,电极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-,M电极为负极,电极反应为4Sb-12e-+2Cl-+5H2O===Sb4O5Cl2+10H+,充电时,N为阳极,M为阴极,电极反应与原电池相反,据此解答。由分析可知,放电时,M极为负极,A错误;由分析可知,放电时,N极的电极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-,B错误;由分析可知,建立电子转移关系式:Sb4O5Cl2~12e-~12Ag,由此可知,消耗4 mol Ag,同时消耗 mol Sb4O5Cl2,C错误;充电时,M极为阴极,电极反应与原电池相反:Sb4O5Cl2+10H++12e-===4Sb+2Cl-+5H2O,D正确。
4.(2025·浙江1月选考)一种可充放电Li-O2电池的结构示意图如图所示。该电池放电时,产物为Li2O和Li2O2,随温度升高Q(消耗1 mol O2转移的电子数)增大。下列说法不正确的是(　C　)
A.熔融盐中的LiNO3物质的量分数影响充放电速率
B.充放电时,Li+优先于K+通过固态电解质膜
C.放电时,随温度升高Q增大,是因为正极区O2-转化为
D.充电时,锂电极接电源负极
解析:Li-O2电池放电时,锂电极为负极,发生反应:Li-e-===Li+,多孔功能电极为正极,低温时发生反应:O2+2e-===,随温度升高Q增大,正极区转化为O2-;充电时,锂电极为阴极,得到电子,多孔功能电极为阳极,或O2-失去电子。由分析可知,电池总反应方程式为O2+2LiLi2O2或O2+4Li2Li2O,充放电时有Li+参与或生成,因此熔融盐中的LiNO3物质的量分数影响充放电速率,A正确;Li+比K+的半径小,因此Li+优先于K+通过固态电解质膜,B正确;放电时,正极得到电子,中氧原子为-1价,O2-中氧原子为-2价,随温度升高Q增大,是因为正极区转化为O2-,C错误;充电时,锂电极为阴极,连接电源负极,D正确。
5.(2025·广东卷)一种高容量水系电池示意图如图。已知:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少;电极材料每转移1 mol电子,对应的理论容量为26.8 A·h。下列说法错误的是(　B　)
A.充电时Ⅱ为阳极
B.放电时Ⅱ极室中溶液的pH降低
C.放电时负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+
D.充电时16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h
解析:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少,说明MnO2转化为Mn2+,发生还原反应,为原电池的正极,由于电解质溶液为MnSO4溶液,故电解质溶液应为酸性溶液,正极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,则电极Ⅰ为原电池负极,MnS失去电子生成S和Mn2+,负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+。由分析可知,放电时,电极Ⅱ为正极,故充电时电极Ⅱ为阳极,A正确;由分析可知,放电时电极Ⅱ为正极,正极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,反应消耗H+,溶液的pH升高,B错误;由分析可知,放电时电极Ⅰ为原电池负极,负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+,C正确;根据放电时负极反应,可知充电时阴极反应为S+Mn2++2e-===MnS,每消耗16 g S,即0.5 mol S,转移1 mol电子,据题意可知,能提供的理论容量为26.8 A·h,D正确。
课时作业36(总分:60分)
1.(3分)(2024·湖南卷)近年来,我国新能源产业得到了蓬勃发展,下列说法错误的是(　D　)
A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌,充电时锂离子从正极脱嵌
D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
2.(3分)(2025·广东深圳三模)关于下述电化学反应过程,描述正确的是(　B　)
A.该装置实现电能转化为化学能
B.电极b是负极
C.电子从电极a经过负载到电极b再经过电解质溶液回到电极a
D.每1 mol (CH2O)n参与反应时,转移4 mol电子
解析:从图中可看出,该装置为原电池,电极a上N→N2,N元素由+5价降低为0价,得电子,发生还原反应,为正极,电极反应式为2N+10e-+12H+===N2+6H2O,电极b为负极,发生失去电子的氧化反应,电极反应为(CH2O)n-4ne-+nH2O===nCO2↑+4nH+,据此解答。该装置是原电池,可实现化学能转化为电能,A错误;由分析可知,电极a为正极,则电极b是负极,B正确;原电池中电子转移方向为外电路中由负极经导线到正极,该装置电极b为负极、电极a为正极,故电子从电极b经过负载到电极a,电子不会经过电解质溶液,C错误;由分析可知,每1 mol(CH2O)n参与反应时,转移4n mol电子,D错误。
3.(3分)(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH,电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(　C　)
A.电池工作时,MnO2发生氧化反应
B.电池工作时,OH-通过隔膜向正极移动
C.环境温度过低,不利于电池放电
D.反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为2×6.02×1023
解析:Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-+2OH-===ZnO+H2O,MnO2为正极,电极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-。电池工作时,MnO2为正极,得到电子,发生还原反应,故A错误;电池工作时,OH-通过隔膜向负极移动,故B错误;环境温度过低,化学反应速率下降,不利于电池放电,故C正确;由电极反应式MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-可知,反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为6.02×1023,故D错误。
4.(3分)(2025·湖南衡阳调研)某合作学习小组的同学设计下列原电池,盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列叙述正确的是(　D　)
A.乙烧杯可看作半电池,发生还原反应
B.盐桥中的电解质溶液可换成饱和KCl溶液
C.电子流动方向:石墨(甲)→a→b→石墨(乙)→盐桥→石墨(甲)
D.电池工作一段时间,甲烧杯中酸性减弱
解析:乙烧杯中Fe2+在b侧电极失电子发生氧化反应生成Fe3+,b侧石墨电极是负极,A错误;高锰酸钾溶液可以氧化氯离子,故盐桥中的电解质溶液不能换成饱和KCl溶液,B错误;b侧是负极、a侧是正极,电池工作时,电子流动方向:石墨(乙)→b→a→石墨(甲),C错误;a侧是正极,电极反应为Mn+5e-+8H+===Mn2++4H2O,消耗氢离子,电池工作一段时间,甲烧杯中酸性减弱,D正确。
5.(3分)(2025·浙江温州二模)某新型锂离子电池是以嵌锂非晶硅薄膜(LixSi)和钴酸锂(LiCoO2)薄膜为电极的二次电池,充电时,Li+嵌入非晶硅薄膜,放电时发生脱嵌,工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　C　)
A.充电时,b极接电源的负极
B.充电时,a极的电极反应式为xe-+xLi+===xLi
C.放电时,外电路通过1 mol e-,b极质量增加7 g
D.放电时,Li+穿过Li+交换膜向a极移动
解析:充电时,电解质的阳离子移向阴极,该电池充电时,Li+嵌入非晶硅薄膜,因此充电时a极为阴极,放电时为负极。根据分析知,充电时,b极为阳极,接电源的正极,A错误;充电时,a极的电极反应式为xLi++xe-+Si===LixSi,B错误;放电时,外电路通过1 mol e-,b极将嵌入1 mol Li+,因此b极质量增加7 g,C正确;放电时,阳离子向正极移动,因此a极区的Li+穿过Li+交换膜向b极移动,D错误。
6.(3分)(2025·湖南长沙模拟)微生物燃料电池能在较低的有机负荷下将化学能转化为电能,可用于有机污染的生物修复,其反应原理如图所示。设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法错误的是(　B　)
A.a极是电池负极
B.电子从a极经电解质溶液流向b极
C.H+向b极移动
D.若“有机物”是甲烷,则a极每产生4.4 g CO2,转移电子数为0.8NA
解析:由题图分析,a极发生氧化反应,b极氧、硫的化合价降低,发生还原反应,则a极为负极,b极为正极,A正确;电子从a极经过导线流向b极,不进入电解质溶液,B错误;原电池中阳离子(H+)移向正极即b极,C正确;若“有机物”是甲烷,则a极电极反应式为CH4-8e-+2H2O===CO2↑+8H+,每产生4.4 g CO2,即0.1 mol CO2,转移电子数为0.8NA,D正确。
7.(3分)(2025·浙江杭州模拟)钠硫电池是室温低成本、高比能量能源存储系统的重要部件,其结构如图。下列说法不正确的是(　D　)
A.充电时,电极A连接电源的负极,Na+得到电子,发生还原反应
B.充电时,电极B的电极反应为Na2Sx-2e-===xS+2Na+
C.放电时,当熔融多硫化钠盐反应转移1 mol电子时,电极A中液态钠减小23 g
D.放电时,增大两电极之间的距离可以增大电池的放电电压
解析:放电时为原电池,电极A是负极,B是电池的正极,负极上Na失电子生成Na+,负极反应式为Na-e-===Na+,正极反应式为2Na++xS+2e-===Na2Sx,电池总反应为2Na+xS===Na2Sx,放电时阳离子移向正极、阴离子移向负极;充电时为电解池,原电池正、负极接电源的正、负极,负极变为阴极、正极变为阳极,阴极反应为Na++e-===Na,阳极反应为Na2Sx-2e-===2Na++xS,据此分析解答。由分析可知,充电时,电极A连接电源的负极,Na+得到电子,发生还原反应,电极反应为Na++e-===Na,A正确;由分析可知,充电时,电极B与电源正极相连,为阳极,发生氧化反应,电极反应为Na2Sx-2e-===xS+2Na+,B正确;放电时,当熔融多硫化钠盐反应转移1 mol电子时,电极A是负极,负极反应式为Na-e-===Na+,则有1 mol Na+流向正极,即电极A中液态钠减小1 mol×23 g/mol=23 g,C正确;放电时,增大两电极之间的距离将增大内电阻和内电动势,将减小电池的放电电压,D错误。
8.(3分)(2025·湖南长沙模拟)为既能实现有效消除氮氧化物的排放,减轻环境污染,又能充分利用化学能,合作小组利用反应6NO2+8NH3===7N2+12H2O设计如图所示电池(离子交换膜为阴离子交换膜)。下列说法正确的是(　D　)
A.电流不可以通过离子交换膜
B.电子由电极B经负载流向电极A
C.相同状况下,左、右两侧电极室中产生的气体体积比为3︰4
D.负极反应式为2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O
解析:离子交换膜允许阴离子通过,阴离子定向移动可形成电流,所以电流可以通过离子交换膜,A错误。在反应6NO2+8NH3===7N2+12H2O中,NH3中N元素化合价升高,NO2中N元素化合价降低,所以NH3在电极A发生氧化反应,电极A为负极;NO2在电极B发生还原反应,电极B为正极,电子由负极(电极A)经负载流向正极(电极B),B错误。根据电池总反应6NO2+8NH3===7N2+12H2O,相同状况下,左、右两侧电极室中产生的N2体积之比等于物质的量之比,为4︰3,C错误。负极上NH3发生氧化反应,电解质溶液为KOH溶液,根据电荷守恒和原子守恒,负极反应式为2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O,D正确。
9.(3分)(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(　C　)
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
解析:放电时CO2转化为MgC2O4,碳元素化合价由+4降低为+3,发生还原反应,所以放电时,多孔碳纳米管电极为正极、Mg电极为负极,则充电时多孔碳纳米管电极为阳极、Mg电极为阴极,放电时正极反应式为Mg2++2CO2+2e-===MgC2O4、负极反应式为Mg-2e-===Mg2+,将放电时正、负电极反应式相加,可得放电时电池总反应式为Mg+2CO2===MgC2O4,A正确;充电时,多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应,则多孔碳纳米管在充电时是阳极,与电源正极连接,B正确;充电时,Mg电极为阴极,电子从电源负极经外电路流向Mg电极,同时Mg2+向阴极迁移,C错误;根据放电时正极的电极反应式可知,每转移2 mol电子,有2 mol CO2参与反应,因此每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2,D正确。
10.(3分)(2025·辽宁沈阳模拟)在煤矿巷道中要安装瓦斯报警器。当巷道空间内甲烷达到一定浓度时,传感器随即产生电信号并联动报警。瓦斯报警器的工作原理如图所示,固体电解质是Y2O3-Na2O,O2-可以在其中自由移动。
当报警器被触发时,下列说法正确的是(　C　)
A.多孔电极a的电势比多孔电极b高
B.O2-在电解质中向多孔电极a移动,电流方向为由多孔电极a经导线流向多孔电极b
C.多孔电极a的电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
D.标准状况下56 mL CH4在多孔电极a上完全反应时,流入传感控制器电路的电子的物质的量为0.04 mol
解析:图示为CH4燃料电池,通入甲烷即多孔电极a为负极,电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,通入空气即O2的一极多孔电极b为正极,电极反应为O2+4e-===2O2-,据此分析解题。由分析可知,多孔电极a为负极,多孔电极b为正极,故多孔电极a的电势比多孔电极b低,A错误;由分析可知,多孔电极a为负极,多孔电极b为正极,则O2-在电解质中向多孔电极a移动,电流方向为由多孔电极b经导线流向多孔电极a,B错误;由分析可知,多孔电极a为负极,发生氧化反应,该电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,C正确;由分析可知,负极电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,则标准状况下56 mL CH4在多孔电极a上完全反应时,流入传感控制器电路的电子的物质的量为×8=0.02 mol,D错误。
11.(16分)原电池原理在生产、生活中有着重要的应用。
(1)有人设想以N2和H2为反应物,以溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制造出既能提供电能,又能固氮的新型燃料电池,装置如图1所示,电池正极的电极反应式是N2+8H++6e-===2N,A是NH4Cl(填化学式)。
(2)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度,其装置如图2所示。该电池中O2-可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动,工作时O2-的移动方向为从b到a(填“从a到b”或“从b到a”),负极发生反应的电极反应式为CO+O2--2e-===CO2。
(3)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂,而且高铁电池的研制也在进行中。如图3是高铁电池的模拟实验装置:
①该电池放电时正极的电极反应式为Fe+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH-;若维持电流强度为1 A,电池工作10 min,理论消耗Zn约为0.2 g(计算结果保留一位小数,已知F=96 500 C·mol-1)。
②盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向右(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向左(填“左”或“右”)移动。
③图4为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定。
12.(14分)(1)以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,该电池总反应的化学方程式是Al+3NiO(OH)+NaOH+3H2O===3Ni(OH)2+Na[Al(OH)4]。
(2)一种乙醇燃料电池,使用的电解质溶液是2 mol·L-1的KOH溶液。请写出负极的电极反应式:C2H5OH-12e-+16OH-===2C+11H2O;每消耗4.6 g乙醇转移的电子数为1.2NA(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(3)(2024·浙江6月选考节选)某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示,正极上的电极反应式是O2+4e-+2CO2===2C。该电池以3.2 A恒定电流工作14 min,消耗H2体积为0.49 L,故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为70%。[已知:该条件下H2的摩尔体积为24.5 L/mol;电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s);NA=6.0×1023 mol-1;e=1.60×10-19 C。]
解析:(1)以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,Al转化为Na[Al(OH)4],根据得失电子守恒和原子守恒配平该电池总反应的化学方程式为Al+3NiO(OH)+NaOH+3H2O===3Ni(OH)2+Na[Al(OH)4]。(2)乙醇燃烧生成二氧化碳,但在碱性条件下二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子,所以乙醇燃料电池中,负极上是燃料乙醇失去电子发生氧化反应,在碱性环境下,电极反应为C2H5OH-12e-+16OH-===2C+11H2O;4.6 g乙醇的物质的量为=0.1 mol,转移的电子数为1.2NA。(3)根据题干信息,该燃料电池中H2为负极,O2为正极,熔融碳酸盐为电解质,故正极的电极反应式为O2+4e-+2CO2===2C。该条件下,0.49 L H2的物质的量n(H2)==0.02 mol,工作时,H2失去电子:H2-2e-===2H+,所带电荷量为2×0.02 mol×6.0×1023 mol-1×1.60×10-19 C=3 840 C,工作电荷量为(3.2×14×60) C=2 688 C,则该电池将化学能转化为电能的转化率为×100%=70%。(共83张PPT)
第七章　化学反应与能量转化
第36讲　原电池　化学电源
目
录
考点二　化学电源
课时作业
考点一　原电池的工作原理及其应用
真题演练 感悟高考
复习目标
1.从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作原理,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.能够书写常见化学电源的电极反应式和总反应方程式。
一
考点一 原电池的工作原理及其应用
1.原电池的概念
原电池是将______能转化为____能的装置,其反应的实质是自发进行的氧化还原反应。
化学
电
2.原电池的构成条件
一看反应 能发生__________的氧化还原反应
二看电极 一般是活泼性不同的两个电极(燃料电池的两个电极可以相同)
三看介质 离子导体(电解质溶液、熔融电解质或固态离子导体)
四看闭 合回路 两电极直接或间接接触插入介质中
自发进行
3.原电池的工作原理(以锌铜原电池为例)
盐桥的作用:连接内电路,形成闭合回路;平衡电荷,盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼脂,其中K+移向正极,Cl-移向负极;隔绝正、负极反应物,减少能量损耗,提高电池效率。
下列装置能构成原电池的是_____(填序号)。
微点助学
②
一、原电池的工作原理
1.(2025·广东深圳二模)锂-氟化碳(Li-CFx)电池具有优异的性能。该电池的总反应为CFx+xLi===C+xLiF,电池工作时,下列说法正确的是(　　)
A.锂电极为正极
B.电子由Li电极经导线流向CFx电极
C.负极反应为CFx+xe-===C+xF-
D.将电能转化为化学能
B
解析:锂是活泼金属,在反应中失去电子,发生氧化反应,应为负极,而非正极,A错误;原电池中,电子从负极经导线流向正极,Li电极为负极,CFx为正极,因此电子由Li电极经导线流向CFx电极,B正确;负极Li失去电子,电极反应式为Li-e-===Li+,而CFx+xe-===C+xF-是正极得电子的反应,C错误;电池工作时化学能转化为电能,而非电能转化为化学能,D错误。
2.控制合适的条件,可使反应2Fe3++2I- 2Fe2++I2向不同的方向进行,改变电极反应。
(1)反应开始时,乙中石墨电极的名称:______,反应
类型:_________;甲池中发生_____(填“氧化”或
“还原”)反应,电极反应式为________________。
(2)一段时间后,电流表读数为零后,在甲中加入
FeCl2固体,则乙中的石墨作____(填“正”或
“负”)极,该电极的电极反应式为
_____________。
负极
氧化反应
还原
Fe3++e-===Fe2+
正
I2+2e-===2I-
二、原电池原理的应用
3.(2025·浙江宁波一模)由A、B、C、D四种金属按表中装置进行实验,下列叙述正确的是(　　)
装置 甲 乙 丙
现象 A不断溶解 C的质量增加 A上有气体产生
D
A.装置甲中的B金属是原电池的负极
B.装置乙中的C金属是原电池的阳极
C.装置丙中的D金属是原电池的正极
D.四种金属的活泼性顺序是D>A>B>C
解析:装置甲中A不断溶解,说明A被氧化,为原电池负极,B为正极,故A错误;装置乙中C的质量增加,说明C极上析出金属,为原电池正极,故B错误;装置丙中A上有气体产生,应为氢气,说明A为正极,则D为负极,故C错误;由以上分析及原电池反应中负极较活泼可知,金属的活泼性顺序为D>A>B>C,故D正确。
4.根据反应2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2设计原电池。
(1)首先写出正、负极的电极反应式:
①负极________________。
②正极________________。
(2)在下表中画出装置图,指出电极材料和电解质溶液。
①不含盐桥 ②含盐桥


Cu-2e-===Cu2+
Fe3++e-===Fe2+
答案:
①不含盐桥 ②含盐桥
(答案合理即可)
二
考点二 化学电源
1.一次电池
负极反应式:________________________________;
正极反应式:________________________________;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2
负极反应式:_______________________________;
正极反应式:_______________________________;
总反应:Zn+Ag2O===ZnO+2Ag
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
MnO2+H2O+e-===MnO(OH)+OH-
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-
2.二次电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池,其充、放电过程如下。
总反应:Pb+PbO2+2H2SO4 　　　2PbSO4+2H2O
放电时的 电极反应 负极:____________________________;
正极:____________________________________________
充电时的 电极反应 阴极:____________________________;
阳极:____________________________________________
Pb+S-2e-===PbSO4
PbO2+4H++S+2e-===PbSO4+2H2O
PbSO4+2e-===Pb+S
PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++S
(1)铅酸蓄电池放电时,当外电路上有2 mol e-通过时,溶液中消耗H2SO4的物质的量是_______。
(2)铅酸蓄电池充电一段时间后,电解质溶液的pH会______(填“增大”或“减小”)。
微点助学
2 mol
减小
3.燃料电池:一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
(1)常见燃料
除H2外,还有CO、水煤气(CO和H2)、烃类(如CH4)、醇类(如CH3OH)、醚类(如CH3OCH3)、氨(NH3)、肼(H2N—NH2)等。
(2)电解质类型
酸性溶液、碱性溶液、固体电解质(可传导O2-)、熔融碳酸盐等,不同电解质会对总反应、电极反应有影响。
(3)应用举例(以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应式)
酸性溶液 正极:__________________________,
负极:____________________________________
碱性溶液 正极:____________________________,
负极:_____________________________________
固体氧化物(高温下能传导O2-) 正极:__________________,
负极:_____________________________________
熔融碳酸盐(如熔融K2CO3,正极通入CO2) 正极(通入CO2):__________________________,
负极:______________________________________
O2+4e-+4H+===2H2O
CH3OH-6e-+H2O===CO2+6H+
O2+4e-+2H2O===4OH-
CH3OH-6e-+8OH-===C+6H2O
O2+4e-===2O2-
CH3OH-6e-+3O2-===CO2+2H2O
O2+4e-+2CO2===2C
CH3OH-6e-+3C===4CO2+2H2O
一、一次电池和二次电池
1.(2025·湖南衡阳模拟)锌银纽扣电池是生活中常见的一次电池,其构造示意图如下。下列说法不正确的是(　　)
A.Zn作电池的负极
B.电池工作时,OH-向正极移动
C.正极的电极反应:Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
D.金属外壳需具有良好的导电性和耐腐蚀性
B
2.(2023·辽宁卷)某低成本储能电池原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.放电时负极质量减小
B.储能过程中电能转变为化学能
C.放电时右侧H+通过质子交换膜移向左侧
D.充电总反应:Pb+S+2Fe3+===PbSO4+2Fe2+
B
解析:放电时,左侧电极为负极,电极反应为Pb-2e-+S===PbSO4,Pb转化为PbSO4,负极质量增大,A项错误;储能过程为充电过程,电能转化为化学能,B项正确;放电时阳离子向正极移动,左侧H+通过质子交换膜移向右侧,C项错误;放电总反应为Pb+2Fe3++S===PbSO4+2Fe2+,故充电总反应为PbSO4+2Fe2+===Pb+2Fe3++S,D项错误。
二次电池原理分析的思维模型
思维建模
二、燃料电池
3.(2025·山东青岛二模)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合,其装置示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时,质子由a极移向b极
B.b为电池正极
C.a极反应式为SO2-2e-+H2O===S+2H+
D.理论上每吸收1 mol SO2,b电极消耗的O2
的体积为11.2 L(标准状况)
C
解析:由题图可知,电极a为燃料电池的负极,水分子作用下二氧化硫在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸根离子和氢离子,电极b为正极,酸性条件下氧气在正极得到电子发生还原反应生成水。由分析可知,电极a为燃料电池的负极,电极b为正极,则电池工作时,质子由a极移向b极,故A正确;由分析可知,电极a为燃料电池的负极,电极b为正极,故B正确;由分析可知,电极a为燃料电池的负极,水分子作用下二氧化硫在负极失去电子发生氧化反应生成硫酸根离子和氢离子,电极反应式为SO2-2e-+2H2O===S
+4H+,故C错误;由得失电子守恒可知,理论上每吸收1 mol二氧化硫,标准状况下b电极消耗氧气的体积为1 mol××22.4 L/mol=11.2 L,故D正确。
4.如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料,氧气为氧化剂,某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度在700~900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动,反应产物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　　)
A.电池内的O2-由电极乙移向电极甲
B.电池总反应为N2H4+2O2===2NO+2H2O
C.当电极甲上有1 mol N2H4消耗时,电极乙上
一定有22.4 L O2参与反应
D.电池外电路的电子由电极乙移向电极甲
A
解析:该装置中电极甲为负极,电极乙为正极,所以O2-由电极乙移向电极甲,A项正确;电池的总反应为N2H4+O2===N2+2H2O,B项错误;当电极甲上消耗1 mol N2H4时,电极乙上就有1 mol O2参与反应,但题目没有指明是否处于标准状况,C项错误;在外电路中,电子由负极(电极甲)移向正极(电极乙),D项错误。
【考题】　(2025·北京卷节选)铅酸蓄电池是用途广泛并不断发展的化学电源。
(1)十九世纪,铅酸蓄电池工作原理初步形成并延续至今。
铅酸蓄电池工作原理:PbO2+Pb+2H2SO4 　　 2PbSO4+2H2O
真题展示
铅酸蓄电池
①充电时,阴极发生的电极反应为________________。
②放电时,产生a库仑电量,消耗H2SO4的物质的量为______mol。已知:转移1 mol电子所产生的电量为96 500库仑。
③铅酸蓄电池储存过程中,存在化学能的缓慢消耗:PbO2电极在H2SO4作用下产生的O2可将Pb电极氧化。O2氧化Pb发生反应的化学方程式为____________________________。
真题展示
(2)随着铅酸蓄电池广泛应用,需要回收废旧电池材料,实现资源的再利用。回收过程中主要物质的转化关系示意图如下。
①将PbSO4等物质转化为Pb2+的过程中,步骤Ⅰ加入NaOH溶液的目的是______________________________。
②步骤Ⅱ、Ⅲ中H2O2和K2S2O8作用分别是__________________。
真题展示
(3)铅酸蓄电池使用过程中,负极因生成导电性差的大颗粒PbSO4,导致电极逐渐失活。通过向负极添加石墨、多孔碳等碳材料,可提高铅酸蓄电池性能。碳材料的作用有________(填字母)。
a.增强负极导电性
b.增大负极材料比表面积,利于生成小颗粒PbSO4
c.碳材料作还原剂,使PbO2被还原
真题展示
(1)根据总方程式书写充电时的电极反应式并结合得失电子守恒进行计算。
(2)以回收废旧电池材料,实现资源的再利用为背景,考查物质的转化、分离与提纯。
(3)多孔碳可以增加负极材料的比表面积,故碳材料的作用可以增强负极的导电性,且有利于生成小颗粒PbSO4,从而增强电池的性能。
【答案】　
(1)①PbSO4+2e-===Pb+S
③2Pb+O2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O
(2)①脱除S,生成可溶于酸的Pb(OH)2
②H2O2作还原剂,K2S2O8作氧化剂
(3)ab
【教材】　(人教版选择性必修1 P99)铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。它由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,稀硫酸作电解质溶液。
真题溯源
　　铅酸蓄电池电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,因此在生产、生活中使用广泛。例如,铅酸蓄电池多用于启动和维持汽车用电系统的正常运转。铅酸蓄电池的缺点是比能量低、笨重。
　　废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质,如果随意丢弃,会对生态环境和人体健康造成危害。因此,应当重视废旧电池的回收利用,这样既可以减少环境污染,又可以节约资源。
真题溯源
(1)铅酸蓄电池充放电的电极反应式及总反应方程式。
(2)了解铅酸蓄电池的优缺点。
(3)废旧电池的回收利用。
1.铅酸蓄电池是汽车常用的蓄电池,其构造如图所示。
下列说法不正确的是(　　)
A.电池放电时,负极质量减轻
B.电池放电时,c(H+)减小
C.电池充电时总反应为2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4
D.铅酸蓄电池的缺点是笨重、比能量低
解析:放电时,负极Pb失去电子转化为PbSO4,负极质量增大,A项错误;放电过程中消耗H2SO4,溶液中c(H+)减小,B项正确。
A
2.可从铅酸蓄电池中回收铅,实现铅的再生。在工艺中得到含Na2PbCl4的电解液,电解Na2PbCl4溶液后生成Pb,如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.一段时间后,阳极附近pH明显增大
B.阴极的电极反应式:PbC+2e-===Pb+4Cl-
C.每转移0.2 mol电子,阴极质量增加20.7 g
D.Na2PbCl4浓度下降后可在阴极区加入PbO,
实现电解液的继续使用
A
解析:利用电解原理从铅酸蓄电池中回收铅,左侧电极为阳极,H2O失电子生成O2和H+;右侧电极为阴极,PbC得电子生成Pb和Cl-。阳极的电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阳极附近pH明显减小,A错误;右侧电极为阴极,PbC得电子生成Pb和Cl-,电极反应式为PbC+2e-===Pb+
4Cl-,B正确;由PbC+2e-===Pb+4Cl-可知,每转移0.2 mol电子,阴极生成0.1 mol Pb,质量增加0.1 mol×207 g/mol=20.7 g,C正确;阴极电解一段时间后溶液为HCl和NaCl的混合溶液,根据题意向阴极区加入PbO,与H+、Cl-反应生成PbC,可恢复其浓度且实现电解液的继续利用,D正确。
三
真题演练 感悟高考
1.(2025·江苏卷)以稀硫酸为电解质溶液的光解水装置如图所示,总反应为
2H2O 　　 　2H2↑+O2↑。下列说法正确的是(　　)
A.电极a上发生氧化反应生成O2
B.H+通过质子交换膜从右室移向左室
C.光解前后,H2SO4溶液的pH不变
D.外电路每通过0.01 mol电子,电极b上
产生0.01 mol H2
A
解析:光解过程中,电极a上电子流出,发生氧化反应,a为负极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+;电极b上电子流入,发生还原反应,b为正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑。根据分析可知,A正确;原电池中阳离子向正极移动,H+通过质子交换膜从左室移向右室,B错误;在探究溶液中溶质浓度变化时,不仅要关注溶质的变化,也要关注溶剂的变化,光解总反应是电解水,H2SO4溶液中H2O减少,H2SO4浓度增大,pH减小,C错误;由电极b的电极反应式可知,生成1 mol H2转移2 mol电子,外电路每通过0.01 mol电子时,电极b上生成0.005 mol H2,D错误。
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(　　)
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
C
解析:金属锂易失去电子,则放电时,惰性电极为负极,气体扩散电极为正极,电池在使用前需先充电,目的是将LiH2PO4解离为Li+和H2P,则充电时,惰性电极为阴极,电极反应为Li++e-===Li,阳极为气体扩散电极,电极反应为H2-2e-+2H2P===2H3PO4,放电时,惰性电极为负极,电极反应为Li-e-===Li+,气体扩散电极为正极,电极反应为2H3PO4+2e-===2H2P+
H2↑,据此解答。放电时,Li+会通过固体电解质进入电解质溶液,同时正极会生成H2进入储氢容器,当转移2 mol电子时,电解质溶液质量增加7 g/mol×2 mol-1 mol×2 g/mol=12 g,即电解质溶液质量会增大,A错误;放电时,由分析中的正、负电极反应可知,总反应为2Li+2H3PO4===H2↑+
2LiH2PO4,B错误;充电时,Li+向阴极移动,则Li+向惰性电极移动,C正确;不知道电解质溶液的体积,且H3PO4是弱酸,故无法计算c(H+)降低了多少,D错误。
3.(2025·重庆卷)Sb-AgCl二次电池的放电过程示意图如图所示。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+Cl--e-===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+10H++
12e-===4Sb+2Cl-+5H2O
D
解析:由图可知,放电时,N电极上AgCl→Ag发生得电子的还原反应,为正极,电极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-,M电极为负极,电极反应为4Sb-12e-+2Cl-+5H2O===Sb4O5Cl2+10H+,充电时,N为阳极,M为阴极,电极反应与原电池相反,据此解答。由分析可知,放电时,M极为负极,A错误;由分析可知,放电时,N极的电极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-,B错误;由分析可知,建立电子转移关系式:Sb4O5Cl2~12e-~12Ag,由此可知,消耗4 mol Ag,同时消耗 mol Sb4O5Cl2,C错误;充电时,M极为阴极,电极反应与原电池相反:Sb4O5Cl2+10H++12e-===4Sb+2Cl-+5H2O,D正确。
4.(2025·浙江1月选考)一种可充放电Li-O2电池的结构示意图如图所示。该电池放电时,产物为Li2O和Li2O2,随温度升高Q(消耗1 mol O2转移的电子数)增大。下列说法不正确的是(　　)
A.熔融盐中的LiNO3物质的量分数影响充放电速率
B.充放电时,Li+优先于K+通过固态电解质膜
C.放电时,随温度升高Q增大,是因为正极区O2-转化
为
D.充电时,锂电极接电源负极
C
解析:Li-O2电池放电时,锂电极为负极,发生反应:Li-e-===Li+,多孔功能电极为正极,低温时发生反应:O2+2e-===,随温度升高Q增大,正极区转化为O2-;充电时,锂电极为阴极,得到电子,多孔功能电极为阳极,或O2-失去电子。由分析可知,电池总反应方程式为O2+2Li 　　　
Li2O2或O2+4Li 　　2Li2O,充放电时有Li+参与或生成,因此熔融盐中的
LiNO3物质的量分数影响充放电速率,A正确;Li+比K+的半径小,因此Li+优先于K+通过固态电解质膜,B正确;放电时,正极得到电子,中氧原子为-1价,O2-中氧原子为-2价,随温度升高Q增大,是因为正极区转化为
O2-,C错误;充电时,锂电极为阴极,连接电源负极,D正确。
5.(2025·广东卷)一种高容量水系电池示意图如图。已知:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少;电极材料每转移1 mol电子,对应的理论容量为26.8 A·h。下列说法错误的是(　　)
A.充电时Ⅱ为阳极
B.放电时Ⅱ极室中溶液的pH降低
C.放电时负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+
D.充电时16 g S能提供的理论容量为26.8 A·h
B
解析:放电时,电极Ⅱ上MnO2减少,说明MnO2转化为Mn2+,发生还原反应,为原电池的正极,由于电解质溶液为MnSO4溶液,故电解质溶液应为酸性溶液,正极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,则电极Ⅰ为原电池负极,MnS失去电子生成S和Mn2+,负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+。由分析可知,放电时,电极Ⅱ为正极,故充电时电极Ⅱ为阳极,A正确;由分析可知,放电时电极Ⅱ为正极,正极反应为MnO2+2e-+4H+===Mn2++2H2O,反应消耗H+,溶液的pH升高,B错误;由分析可知,放电时电极Ⅰ为原电池负极,负极反应为MnS-2e-===S+Mn2+,C正确;根据放电时负极反应,可知充电时阴极反应为S+Mn2++2e-===MnS,每消耗16 g S,即0.5 mol S,转移1 mol电子,据题意可知,能提供的理论容量为26.8 A·h,D正确。
四
课时作业36
1.(3分)(2024·湖南卷)近年来,我国新能源产业得到了蓬勃发展,下列说法错误的是(　　)
A.理想的新能源应具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B.氢氧燃料电池具有能量转化率高、清洁等优点
C.锂离子电池放电时锂离子从负极脱嵌,充电时锂离子从正极脱嵌
D.太阳能电池是一种将化学能转化为电能的装置
D
2.(3分)(2025·广东深圳三模)关于下述电化学反应过程,描述正确的是(　　)
A.该装置实现电能转化为化学能
B.电极b是负极
C.电子从电极a经过负载到电极b再经过电解质
溶液回到电极a
D.每1 mol (CH2O)n参与反应时,转移4 mol电子
B
解析:从图中可看出,该装置为原电池,电极a上N→N2,N元素由+5价降低为0价,得电子,发生还原反应,为正极,电极反应式为2N+10e-+12H+===N2+6H2O,电极b为负极,发生失去电子的氧化反应,电极反应为(CH2O)n-4ne-+nH2O===nCO2↑+4nH+,据此解答。该装置是原电池,可实现化学能转化为电能,A错误;由分析可知,电极a为正极,则电极b是负极,B正确;原电池中电子转移方向为外电路中由负极经导线到正极,该装置电极b为负极、电极a为正极,故电子从电极b经过负载到电极a,电子不会经过电解质溶液,C错误;由分析可知,每1 mol(CH2O)n参与反应时,转移4n mol电子,D错误。
3.(3分)(2024·江苏卷)碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+
2MnOOH,电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.电池工作时,MnO2发生氧化反应
B.电池工作时,OH-通过隔膜向正极移动
C.环境温度过低,不利于电池放电
D.反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为
2×6.02×1023
C
解析:Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-+2OH-===ZnO+H2O,MnO2为正极,电极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-。电池工作时,MnO2为正极,得到电子,发生还原反应,故A错误;电池工作时,OH-通过隔膜向负极移动,故B错误;环境温度过低,化学反应速率下降,不利于电池放电,故C正确;由电极反应式MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-可知,反应中每生成1 mol MnOOH,转移电子数为6.02×1023,故D错误。
4.(3分)(2025·湖南衡阳调研)某合作学习小组的同学设计下列原电池,盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列叙述正确的是(　　)
A.乙烧杯可看作半电池,发生还原反应
B.盐桥中的电解质溶液可换成饱和KCl
溶液
C.电子流动方向:石墨(甲)→a→b→
石墨(乙)→盐桥→石墨(甲)
D.电池工作一段时间,甲烧杯中酸性减弱
D
解析:乙烧杯中Fe2+在b侧电极失电子发生氧化反应生成Fe3+,b侧石墨电极是负极,A错误;高锰酸钾溶液可以氧化氯离子,故盐桥中的电解质溶液不能换成饱和KCl溶液,B错误;b侧是负极、a侧是正极,电池工作时,电子流动方向:石墨(乙)→b→a→石墨(甲),C错误;a侧是正极,电极反应为Mn+5e-+8H+===Mn2++4H2O,消耗氢离子,电池工作一段时间,甲烧杯中酸性减弱,D正确。
5.(3分)(2025·浙江温州二模)某新型锂离子电池是以嵌锂非晶硅薄膜(LixSi)和钴酸锂(LiCoO2)薄膜为电极的二次电池,充电时,Li+嵌入非晶硅薄膜,放电时发生脱嵌,工作原理如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A.充电时,b极接电源的负极
B.充电时,a极的电极反应式为xe-+xLi+===xLi
C.放电时,外电路通过1 mol e-,b极质量增加7 g
D.放电时,Li+穿过Li+交换膜向a极移动
C
解析:充电时,电解质的阳离子移向阴极,该电池充电时,Li+嵌入非晶硅薄膜,因此充电时a极为阴极,放电时为负极。根据分析知,充电时,b极为阳极,接电源的正极,A错误;充电时,a极的电极反应式为xLi++xe-+Si===LixSi,B错误;放电时,外电路通过1 mol e-,b极将嵌入1 mol Li+,因此b极质量增加7 g,C正确;放电时,阳离子向正极移动,因此a极区的Li+穿过Li+交换膜向b极移动,D错误。
6.(3分)(2025·湖南长沙模拟)微生物燃料电池能在较低的有机负荷下将化学能转化为电能,可用于有机污染的生物修复,其反应原理如图所示。设NA为阿伏加德罗常数的值,下列说法错误的是(　　)
A.a极是电池负极
B.电子从a极经电解质溶液流向b极
C.H+向b极移动
D.若“有机物”是甲烷,则a极每产生4.4 g CO2,
转移电子数为0.8NA
B
解析:由题图分析,a极发生氧化反应,b极氧、硫的化合价降低,发生还原反应,则a极为负极,b极为正极,A正确;电子从a极经过导线流向b极,不进入电解质溶液,B错误;原电池中阳离子(H+)移向正极即b极,C正确;若“有机物”是甲烷,则a极电极反应式为CH4-8e-+2H2O===CO2↑+8H+,每产生4.4 g CO2,即0.1 mol CO2,转移电子数为0.8NA,D正确。
7.(3分)(2025·浙江杭州模拟)钠硫电池是室温低成本、高比能量能源存储系统的重要部件,其结构如图。下列说法不正确的是(　　)
A.充电时,电极A连接电源的负极,Na+得到电子,发生还原反应
B.充电时,电极B的电极反应为Na2Sx-2e-===xS+2Na+
C.放电时,当熔融多硫化钠盐反应转移1 mol电子时,电极A中
液态钠减小23 g
D.放电时,增大两电极之间的距离可以增大电池的放电电压
D
解析:放电时为原电池,电极A是负极,B是电池的正极,负极上Na失电子生成Na+,负极反应式为Na-e-===Na+,正极反应式为2Na++xS+2e-===Na2Sx,电池总反应为2Na+xS===Na2Sx,放电时阳离子移向正极、阴离子移向负极;充电时为电解池,原电池正、负极接电源的正、负极,负极变为阴极、正极变为阳极,阴极反应为Na++e-===Na,阳极反应为Na2Sx-2e-===2Na++xS,据此分析解答。由分析可知,充电时,电极A连接电源的负极,Na+得到电子,发生还原反应,电极反应为Na++e-===Na,A正确;由分析可知,充电时,电极B与电源正极相连,为阳极,发生氧化反应,电极反应为Na2Sx-2e-===xS+2Na+,B正确;放电时,当熔融多硫化钠盐反应转移1 mol电子时,电极A是负极,负极反应式为Na-e-===Na+,则有1 mol Na+流向正极,即电极A中液态钠减小1 mol×23 g/mol=23 g,C正确;放电时,增大两电极之间的距离将增大内电阻和内电动势,将减小电池的放电电压,D错误。
8.(3分)(2025·湖南长沙模拟)为既能实现有效消除氮氧化物的排放,减轻环境污染,又能充分利用化学能,合作小组利用反应6NO2+8NH3===7N2+
12H2O设计如图所示电池(离子交换膜为阴离子交换膜)。下列说法正确的是(　　)
A.电流不可以通过离子交换膜
B.电子由电极B经负载流向电极A
C.相同状况下,左、右两侧电极室中产生的
气体体积比为3︰4
D.负极反应式为2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O
D
解析:离子交换膜允许阴离子通过,阴离子定向移动可形成电流,所以电流可以通过离子交换膜,A错误。在反应6NO2+8NH3===7N2+12H2O中,NH3中N元素化合价升高,NO2中N元素化合价降低,所以NH3在电极A发生氧化反应,电极A为负极;NO2在电极B发生还原反应,电极B为正极,电子由负极(电极A)经负载流向正极(电极B),B错误。根据电池总反应6NO2+8NH3===
7N2+12H2O,相同状况下,左、右两侧电极室中产生的N2体积之比等于物质的量之比,为4︰3,C错误。负极上NH3发生氧化反应,电解质溶液为KOH溶液,根据电荷守恒和原子守恒,负极反应式为2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O,D正确。
9.(3分)(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:放电时CO2转化为MgC2O4,碳元素化合价由+4降低为+3,发生还原反应,所以放电时,多孔碳纳米管电极为正极、Mg电极为负极,则充电时多孔碳纳米管电极为阳极、Mg电极为阴极,放电时正极反应式为Mg2++
2CO2+2e-===MgC2O4、负极反应式为Mg-2e-===Mg2+,将放电时正、负电极反应式相加,可得放电时电池总反应式为Mg+2CO2===MgC2O4,A正确;充电时,多孔碳纳米管电极上发生失电子的氧化反应,则多孔碳纳米管在充电时是阳极,与电源正极连接,B正确;充电时,Mg电极为阴极,电子从电源负极经外电路流向Mg电极,同时Mg2+向阴极迁移,C错误;根据放电时正极的电极反应式可知,每转移2 mol电子,有2 mol CO2参与反应,因此每转移1 mol电子,理论上可转化1 mol CO2,D正确。
10.(3分)(2025·辽宁沈阳模拟)在煤矿巷道中要安装瓦斯报警器。当巷道空间内甲烷达到一定浓度时,传感器随即产生电信号并联动报警。瓦斯报警器的工作原理如图所示,固体电解质是Y2O3-Na2O,O2-可以在其中自由移动。
当报警器被触发时,下列说法正确的是(　　)
A.多孔电极a的电势比多孔电极b高
B.O2-在电解质中向多孔电极a移动,电流方向为由多孔电极a经导线流向多孔电极b
C.多孔电极a的电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
D.标准状况下56 mL CH4在多孔电极a上完全反应时,流入传感控制器电路的电子的物质的量为0.04 mol
C
解析:图示为CH4燃料电池,通入甲烷即多孔电极a为负极,电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,通入空气即O2的一极多孔电极b为正极,电极反应为O2+4e-===2O2-,据此分析解题。由分析可知,多孔电极a为负极,多孔电极b为正极,故多孔电极a的电势比多孔电极b低,A错误;由分析可知,多孔电极a为负极,多孔电极b为正极,则O2-在电解质中向多孔电极a移动,电流方向为由多孔电极b经导线流向多孔电极a,B错误;由分析可知,多孔电极a为负极,发生氧化反应,该电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,C正确;由分析可知,负极电极反应为CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O,则标准状况下56 mL CH4在多孔电极a上完全反应时,流入传感控制器电路的电子的物质的量为×8=0.02 mol,D错误。
11.(16分)原电池原理在生产、生活中有着重要的应用。
(1)有人设想以N2和H2为反应物,以溶有A的稀盐酸为电解质溶液,可制造出既能提供电能,又能固氮的新型燃料电池,装置如图1所示,电池正极的电极反应式是______________________,A是________(填化学式)。
N2+8H++6e-===2N
NH4Cl
(2)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度,其装置如图2所示。该电池中O2-可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动,工作时O2-的移动方向为________(填“从a到b”或“从b到a”),负极发生反应的电极反应式为____________________。
从b到a
CO+O2--2e-===CO2
(3)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂,而且高铁电池的研制也在进行中。如图3是高铁电池的模拟实验装置:
①该电池放电时正极的电极反应式为
________________________________
________;若维持电流强度为1 A,电池
工作10 min,理论消耗Zn约为____ g
(计算结果保留一位小数,已知F=
96 500 C·mol-1)。
Fe+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓
+5OH-
0.2
②盐桥中盛有饱和KCl溶液,此盐桥中氯离子向____(填“左”或“右”)移动;若用阳离子交换膜代替盐桥,则钾离子向____(填“左”或“右”)移动。
③图4为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线,由此可得出高铁电池的优点有__________________________。
右
左
使用时间长、工作电压稳定
12.(14分)(1)以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,该电池总反应的化学方程式是____________________________________________________。
解析:以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,Al转化为Na[Al(OH)4],根据得失电子守恒和原子守恒配平该电池总反应的化学方程式为Al+3NiO(OH)+NaOH+
3H2O===3Ni(OH)2+Na[Al(OH)4]。
Al+3NiO(OH)+NaOH+3H2O===3Ni(OH)2+Na[Al(OH)4]
(2)一种乙醇燃料电池,使用的电解质溶液是2 mol·L-1的KOH溶液。请写出负极的电极反应式:_____________________________________;每消耗4.6 g乙醇转移的电子数为________(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
解析:乙醇燃烧生成二氧化碳,但在碱性条件下二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子,所以乙醇燃料电池中,负极上是燃料乙醇失去电子发生氧化反应,在碱性环境下,电极反应为C2H5OH-12e-+16OH-===2C+
11H2O;4.6 g乙醇的物质的量为=0.1 mol,转移的电子数为1.2NA。
C2H5OH-12e-+16OH-===2C+11H2O
1.2NA
(3)(2024·浙江6月选考节选)某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示,正极上的电极反应式是__________________________。该电池以3.2 A恒定电流工作14 min,消耗H2体积为0.49 L,故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为_______。[已知:该条件下H2的摩尔体积为24.5 L/mol;电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s);NA=6.0×1023 mol-1;e=1.60×
10-19 C。]
O2+4e-+2CO2===2C
70%
解析:根据题干信息,该燃料电池中H2为负极,O2为正极,熔融碳酸盐为电解质,故正极的电极反应式为O2+4e-+2CO2===2C。该条件下,0.49 L H2的物质的量n(H2)==0.02 mol,工作时,H2失去电子:H2-2e-===2H+,所带电荷量为2×0.02 mol×6.0×1023 mol-1×1.60×10-19 C=3 840 C,工作电荷量为(3.2×14×60) C=2 688 C,则该电池将化学能转化为电能的转化率为×100%=70%。
Thank you
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