(新高考)高考化学一轮复习讲义第6章第36讲新型化学电源(含解析)

第36讲　新型化学电源 复习目标　1.知道常考新型化学电源的类型及考查方式。2.会分析新型化学电源的工作原理，能正确书写新型化学电源的电极反应式。 类型一　浓差电池 1．在浓差电池中，为了限定某些离子的移动，常涉及到“离子交换膜”。 (1)常见的离子交换膜 阳离子交换膜 只允许阳离子(包括H＋)通过 阴离子交换膜 只允许阴离子通过 质子交换膜 只允许H＋通过 (2)离子交换膜的作用 ①能将两极区隔离，阻止两极物质发生化学反应。 ②能选择性地允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。 (3)离子交换膜的选择依据 离子的定向移动。 2．“浓差电池”的分析方法 浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质有浓度差，离子均是由“高浓度”移向“低浓度”，阴离子移向负极区域，阳离子移向正极区域，判断电池的正、负极，是解题的关键。 1．锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解液，并在电池间不断循环。下列有关说法正确的是(　　) A．充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜由左侧流向右侧 B．放电时每转移1 mol电子，负极区溶液质量减少65 g C．充电时阴极的电极反应式为Br2＋2e－===2Br－ D．若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极也随之改变 答案　A 解析　充电时n接电源的负极，Zn2＋通过阳离子交换膜向阴极定向迁移，故由左侧流向右侧，A正确；放电时，负极Zn溶解生成Zn2＋，Zn2＋通过阳离子交换膜向正极定向迁移，故负极区溶液质量不变，B错误；充电时阴极的电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn，C错误；若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜，放电时正、负极不会改变，Zn仍是负极，D错误。 2．由相同金属电极及其不同浓度的盐溶液组成的电池，称浓差电池，电子由溶液浓度较小的一极经外电路流向浓度较大的一极。如图所示装置中，X电极与Y电极初始质量相等。进行实验时，先闭合K2，断开K1，一段时间后，再断开K2，闭合K1，即可形成浓差电池，电流表指针偏转。下列不正确的是(　　) A．充电前，该电池两电极存在电势差 B．放电时，右池中的NO通过离子交换膜移向左池 C．充电时，当外电路通过0.1 mol电子时，两电极的质量差为21.6 g D．放电时，电极Y为电池的正极 答案　A 解析　充电前，左右两池浓度相同，该电池两电极不存在电势差，故A错误；放电时，电子由溶液浓度较小的一极流向浓度较大的一极，则X是负极、Y是正极，右池中的NO通过离子交换膜移向左池，故B正确；充电时，当外电路通过0.1 mol电子时，X电极生成0.1 mol Ag，Y电极消耗0.1 mol Ag，所以两电极的质量差为21.6 g，故C正确；电子由溶液浓度较小的一极经外电路流向浓度较大的一极，充电后左池浓度小于右池，所以放电时，电极Y为电池的正极，故D正确。 类型二　物质循环转化型电池 根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域，阴离子移向负极区域)，判断电池的正、负极，是分析该电池的关键。 3．(2019·全国卷Ⅰ，12)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。 4．我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展，利用如图装置可发生反应：H2S＋O2===H2O2＋S↓，已知甲池中发生的反应为 下列说法不正确的是(　　) A．甲池中碳棒上发生的电极反应式为AQ＋2H＋＋2e－===H2AQ B．乙池溶液中发生的反应为H2S＋I===3I－＋S↓＋2H＋ C．该装置将电能转化为光能 D．H＋从乙池移向甲池 答案　C 解析　根据题图中的电子流向可判断出甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应，即AQ＋2H＋＋2e－===H2AQ，A正确；在乙池中，硫化氢失电子生成硫单质，I得电子生成I－，发生的反应为H2S＋I===3I－＋S↓＋2H＋，B正确；根据题图中信息可知该装置将光能转化为电能，C错误；该装置是原电池装置，阳离子移向正极，甲池中碳棒是正极，所以 H＋从乙池移向甲池，D正确。 类型三　锂电池与锂离子电池 1．锂电池 锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池的负极材料是金属锂或锂合金，工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li－e－===Li＋，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。 2．锂离子二次电池 (1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”理念；在两极形成的电压降的驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。 (2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：LixC6－xe－===6C＋xLi＋。 (3)锂离子电池的正极材料一般为含Li＋的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。 5．锂—液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li＋)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是(　　) A．该电池比钠—液态多硫电池的比能量高 B．放电时，内电路中Li＋的移动方向为从a到b C．Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物 D．充电时，外电路中通过0.2 mol电子，阳极区单质硫的质量增加3.2 g 答案　D 解析　由图分析知电极a为负极，电极b为正极，放电时，内电路中Li＋从电极a移向电极b，B正确；Al2O3为固体电解质，能导电，同时将两极反应物隔开，C正确；当外电路中通过0.2 mol e－时，阳极区生成0.1x mol硫，故阳极区生成硫的质量为3.2x g，D错误。 6．锂离子电池充、放电电池总反应：LixC6＋Li1－xCoO2LiCoO2＋C6，该电池充、放电的工作示意图如图。下列有关说法不正确的是(　　) A．该电池具有很高的比能量 B．负极的反应式：LixC6－xe－===xLi＋＋C6 C．放电时，Li＋从石墨晶体中脱出回到正极氧化物晶格中 D．充电时，若转移1 mol e－，石墨电极将增重7x g 答案　D 解析　锂是摩尔质量最小的金属元素，因此制成的电池具有很高的比能量，A正确；从图示可知，放电时锂离子从石墨晶格中脱出，通过电解质迁移到层状正极表面后嵌入正极氧化物晶格中，C正确；充电时，石墨(C6)电极嵌入Li＋变成LixC6，电极反应式为xLi＋＋C6＋xe－===LixC6，则石墨电极增重的质量就是Li＋的质量，若转移1 mol e－，石墨电极将增多1 mol Li＋，即增重7 g，D错误。 类型四　微生物电池 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。其基本工作原理是：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体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，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。 7．一种三室微生物燃料电池可用于污水净化、海水淡化，其工作原理如图所示，图中有机废水中的有机物可用C6H10O5表示。下列有关说法不正确的是(　　) A．Cl－由中间室移向左室 B．X气体为CO2 C．处理后的含NO废水的pH降低 D．电路中每通过4 mol电子，产生X气体的体积在标准状况下为22.4 L 答案　C 解析　该原电池中，NO得电子发生还原反应，则装置中右边电极是正极，电极反应为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，装置左边电极是负极，负极上有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳。放电时，电解质溶液中Cl－移向负极室(左室)，A、B项正确；根据正极的电极反应式可知H＋参加反应导致溶液酸性减弱，溶液的pH增大，C项错误；根据负极上电极反应为C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋，可知电路中每通过4 mol电子，产生标准状况下X气体的体积为(×6×22.4) L＝22.4 L，D项正确。 8．微生物燃料电池能将污水中的乙二胺(H2NCH2CH2NH2)氧化成环境友好的物质，示意图如图所示，a、b均为石墨电极。下列说法错误的是(　　) A．a电极的电极反应为H2NCH2CH2NH2－16e－＋4H2O===2CO2↑＋N2↑＋16H＋ B．电池工作时质子通过质子交换膜由负极区向正极区移动 C．a电极上的电势比b电极上的电势低 D．电池工作时b电极附近溶液的pH保持不变 答案　D 解析　原电池中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，B正确；a电极为负极，b电极为正极，故a电极上的电势比b电极上的电势低，C正确；电池工作时，氧气在正极b上得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，H＋浓度减小，故b电极附近溶液的pH增大，D错误。 1．(2021·河北，9)K—O2电池结构如图，a和b为两个电极，其中之一为单质钾片。关于该电池，下列说法错误的是(　　) A．隔膜允许K＋通过，不允许O2通过 B．放电时，电流由b电极沿导线流向a电极；充电时，b电极为阳极 C．产生1 Ah电量时，生成KO2的质量与消耗O2的质量比值约为2.22 D．用此电池为铅酸蓄电池充电，消耗3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗0.9 g水 答案　D 解析　金属性强的钾易与氧气反应，为防止钾与氧气反应，电池所选择隔膜应允许K＋通过，不允许O2通过，故A正确；放电时，a为负极，b为正极，电流由b电极沿导线流向a电极，充电时，b电极应与直流电源的正极相连，作电解池的阳极，故B正确；生成1 mol超氧化钾时，消耗1 mol氧气，两者的质量比为(1 mol×71 g·mol－1)∶(1 mol×32 g·mol－1)≈2.22∶1，故C正确；铅酸蓄电池充电时的总反应的化学方程式为2PbSO4＋2H2O===PbO2＋Pb＋2H2SO4，反应每消耗2 mol水时，转移2 mol电子，由得失电子守恒可知，消耗3.9 g钾时，铅酸蓄电池消耗水的质量为×18 g·mol－1＝1.8 g，故D错误。 2．(2021·浙江6月选考，22)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Li＋得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2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a mol电子时，LiPON薄膜电解质损失a mol Li＋ C．放电时，电极B为正极，反应可表示为Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 D．电池总反应可表示为LixSi＋Li1－xCoO2Si＋LiCoO2 答案　B 解析　由图可知，集流体A与电极A相连，充电时电极