第六章 化学反应与能量李仕才考点二 化学电源 1．一次电池2.二次电池铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为15\nPb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)3．燃料电池(1)总反应式的书写：燃料电池发生电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，燃烧反应方程式即为燃料电池的总反应方程式，但不同电解质中反应终产物不同。(2)正极反应式的书写：正极反应的本质都是O2放电得电子生成O2－，电解质溶液酸碱性不同，电极反应式不同。①酸性电解质溶液环境下正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。②碱性电解质溶液环境下正极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。③固体电解质(高温下能传导O2－)环境下正极反应式：O2＋4e－===2O2－。④熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下正极反应：O2＋2CO2＋4e－===2CO。(3)负极反应式的书写：在电子守恒的基础上用总反应式减去正极反应式即得负极反应式。①氢氧燃料电池。总反应均为2H2＋O2===2H2O碱性电解液：H2－2e－＋2OH－===2H2O酸性电解液：H2－2e－===2H＋固体或熔融：固体电解质在熔融状态传导O2－：H2－2e－＋O2－===H2O熔融碳酸盐：H2－2e－＋CO===CO2＋H2O15\n②甲醇、空气(含CO2)，与碳酸锂熔融盐燃料电池。总反应：2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O负极：CH3OH－6e－＋3CO===4CO2＋2H2O③甲烷、空气、KOH燃料电池：总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O负极：CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O④丁烷、空气燃料电池，其电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态能传导O2－。总反应：2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O负极：C4H10－26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)1．铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应。( √ )2．铅蓄电池工作时，当电路中转移0.2mol电子时，消耗的H2SO4为0.1mol。( × )3．铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1mol电子时，负极增加4.8g。( √ )4．在化学电源中，正极本身一定不参与电极反应，负极本身一定要发生氧化反应。( × )5．二次电池充电时，充电器的正极接二次电源的正极。( √ )1．锂电池不能选用水作电解液。因为锂是比较活泼的金属，会和水发生反应。2．可充电电池的放电反应和充电反应因反应条件不同不互为可逆反应；其中充电时的阴极反应式为“放电”时负极的逆反应，阳极反应式为“放电”时正极的逆反应。3．充电电池充电时，电池的负极外接电源的负极，正极外接电源的正极。4．化学电源的电池总反应一般较复杂，写电极反应式常用加减法。①写出总反应，如Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4。②写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极)。如Li－e－===Li＋(负极)。③利用总反应与上述的一极反应相减，即得另一个电极的反应式，即LiMn2O4＋Li＋＋e－===Li2Mn2O4(正极)。15\n一、可充电电池1．“天宫二号”飞行器白天靠太阳能帆板产生电流向镍氢电池充电，夜间镍氢电池向飞行器供电。镍氢电池的结构示意图如图所示。若电池总反应为2Ni(OH)22NiOOH＋H2。则下列说法正确的是( )A．放电时，NiOOH发生氧化反应B．充电时，a电极的pH增大，K＋移向b电极C．充电时，a电极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－D．放电时，负极反应为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－解析：放电时，NiOOH在正极上得电子变成Ni(OH)2，发生还原反应，A错误；充电时，a电极作阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，pH增大，K＋移向a电极，B错误、C正确；放电时，负极上H2放电，D错误。答案：C2．全钒液流电池是一种新型的绿色环保储能电池，该电池性能优良，其电池总反应为V3＋＋VO2＋＋H2OVO＋2H＋＋V2＋。下列叙述正确的是( )A．放电过程中电解质溶液中阴离子移向正极B．放电时每转移0.5mol电子，负极有0.5molV2＋被氧化C．充电时阳极附近溶液的酸性减弱D．充电时阳极反应式为VO＋2H＋＋e－===VO2＋＋H2O解析：放电时发生的反应为VO＋2H＋＋V2＋===V3＋＋VO2＋＋H2O，阴离子移向负极，A错误；负极V2＋被氧化成V3＋，每转移0.5mol电子，负极有0.5molV2＋被氧化，B正确；充电时的总反应为V3＋＋VO2＋＋H2O===VO＋2H＋＋V2＋。阳极反应为VO2＋＋H2O－e－===VO＋2H＋阳极附近溶液的酸性增强，C、D错误。15\n答案：B3．锂—空气电池能够提供相当于普通锂离子电池10倍的能量。如图是锂—空气电池放电和充电时的工作示意图。下列说法正确的是( )A．a极为原电池的正极B．电池充电时，b极发生的反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．放电时，a极锂的化合价未发生变化D．充电时，溶液中Li＋由b极向a极迁移解析：根据题给装置图判断，a电极为原电池的负极，电极反应为Li－e－===Li＋，A、C项错误；电池充电时，b极发生的反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，B项错误；充电时，阳离子移向电解池的阴极，D项正确。答案：D4．某充电宝锂离子电池的总反应为xLi＋Li1－xMn2O4LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为NiOOH＋MHM＋Ni(OH)2(M为储氢金属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是( )A．锂离子电池放电时Li＋向正极迁移15\nB．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－C．上图表示用锂离子电池给镍氢电池充电D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4－xe－===Li1－xMn2O4＋xLi＋解析：电池工作时，阳离子(Li＋)向正极迁移，A项正确；镍氢电池放电时，正极得电子，电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，B项正确；根据电池总反应知，左侧锂电池作电源给右侧电池充电，C项正确；锂离子电池充电时，阴极的电极反应式为Li＋＋e－===Li，D项错误。答案：D二、燃料电池5．甲醇燃料电池体积小巧，洁净环保、比能量高，已在便携式通讯设备、汽车等领域应用。某甲醇燃料电池的总反应式为2CH4O＋3O2===2CO2＋4H2O，如图是该燃料电池的示意图。下列说法错误的是( )A．a是甲醇，b是氧气B．燃料电池将化学能转化为电能C．质子从M电极区穿过交换膜移向N电极区D．负极反应：CH4O－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋解析：由质子交换膜知，电解质溶液呈酸性，N极上生成水，则a为氧气，N为正极，M为负极，负极反应式为CH4O－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，b是甲醇、c是二氧化碳，质子从M电极区通过质子交换膜到N电极区，通过以上分析知，B、C、D正确。答案：A6．液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小等优点。一种以液态肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH溶液作为电解质溶液。下列关于该电池的叙述正确的是( )15\nA．b极发生氧化反应B．a极的反应式：N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2OC．放电时，电流从a极经过负载流向b极D．其中的离子交换膜需选用阳离子交换膜解析：在燃料电池中，氧气作为氧化剂在正极发生还原反应，故A项错误；燃料N2H4为还原剂，在负极发生氧化反应，故B项正确；放电时，电流由正极(b极)经外电路流向负极(a极)，故C项错误；正极的电极反应式为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，OH－将透过交换膜在负极发生反应，应选择阴离子交换膜，故D项错误。答案：B7．新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如图所示，(已知硼氢化钠中氢为－1价)，有关该电池的说法正确的是( )A．电极B材料中含MnO2层，MnO2可增强导电性B．电池负极区的电极反应：BH＋8OH－－8e－===BO＋6H2OC．放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移D．在电池反应中，每消耗1L6mol·L－1H2O2溶液，理论上流过电路中的电子为6NA个解析：A项，电极B采用MnO2，为正极，H2O2发生还原反应，得到电子被还原生成OH－，MnO2既作电极材料又有催化作用，错误；B项，负极发生氧化反应，电极反应式为BH＋8OH－－8e－===BO＋6H215\nO，正确；C项，放电时，钠离子向正极移动，错误；D项，在电池反应中，每消耗1L6mol·L－1H2O2溶液，理论上流过电路中的电子数＝6mol·L－1×1L×2×NA/mol＝12NA，错误。答案：B三、新型化学电源8．近几年科学家发明的一种新型可控电池——锂水电池，工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是( )A．碳极发生的反应是2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－B．有机电解质和水溶液不可以互换区域C．标准状况下产生22.4L的氢气时，正极消耗锂的质量为14gD．该装置不仅可提供电能，还可得到清洁的氢气解析：根据图示信息可知，碳电极上产生氢气，应该是正极，该电极上发生得电子的还原反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A正确；由于金属Li可以和水反应生成氢氧化锂和氢气，但是和有机电解质不反应，所以有机电解质和水溶液不可以互换区域，B正确；金属Li和水发生反应2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，标准状况下产生22.4L的氢气时，金属锂是负极，负极消耗锂的质量为14g，C错误；该装置是将化学能转化为电能的装置，装置不仅可提供电能，并且反应产物是氢气，能提供能源，D正确。答案：C9．金属(M)－空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为：4M＋nO2＋2nH2O===4M(OH)n。15\n已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是( )A．采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积，并有利于氧气扩散至电极表面B．比较Mg、Al、Zn三种金属－空气电池，Al－空气电池的理论比能量最高C．M－空气电池放电过程的正极反应式：4Mn＋＋nO2＋2nH2O＋4ne－===4M(OH)nD．在Mg－空气电池中，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用中性电解质及阳离子交换膜解析：本题考查电化学知识，意在考查考生运用原电池原理解决问题的能力。A项，采用多孔电极可以增大电极与电解质溶液的接触面积，且有利于氧气扩散至电极表面，正确；B项，根据“已知”信息知铝的比能量比Mg、Zn的高，正确；C项，M－空气电池放电过程中，正极为氧气得到电子生成OH－，错误；D项，为了避免正极生成的OH－移至负极，应选用阳离子交换膜，正确。答案：C10．光电池是发展性能源。一种光化学电池的结构如图，当光照在表面涂有氯化银的银片上时AgCl(s)Ag(s)＋Cl(AgCl)，[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面]，接着Cl(AgCl)＋e－===Cl－(aq)，若将光源移除，电池会立即恢复至初始状态。下列说法不正确的是( )15\nA．光照时，电流由X流向YB．光照时，Pt电极发生的反应为：2Cl－＋2e－===Cl2C．光照时，Cl－向Pt电极移动D．光照时，电池总反应为：AgCl(s)＋Cu＋(aq)Ag(s)＋Cu2＋(aq)＋Cl－(aq)解析：该装置中氯原子在银电极上得电子发生还原反应，所以银作正极、铂作负极，光照时，电流从正极银X流向负极铂Y；光照时，Pt电极作负极，负极上亚铜离子失电子发生氧化反应，电极反应式为Cu＋(aq)－e－===Cu2＋(aq)；光照时，该装置是原电池，银作正极，铂作负极，电解质中氯离子向负极铂移动；光照时，正极上氯原子得电子发生还原反应，负极上亚铜离子失电子，所以电池反应式为AgCl(s)＋Cu＋(aq)Ag(s)＋Cu2＋(aq)＋Cl－(aq)。答案：B 电极反应式书写的步骤和方法1电极反应式书写的一般步骤15\n2电极反应式书写的一般方法(1)如果题目给出的是图示装置，先确定原电池的正负极上的反应物质，再根据正负极反应规律写电极反应。(2)如果题目给出的是总反应，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)，写出较易写的电极反应，然后用总反应减去写出的电极反应即得另一极的电极反应。(3)对于可充电电池的反应，需清楚“充电”“放电”的方向，放电过程应用原电池原理，充电过程应用电解原理。充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电时的阳极反应为放电时的正极反应的逆过程，充电时的阴极反应为放电时的负极反应的逆过程，图示如下：(4)对于燃料电池，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：15\n①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。再根据电池总反应式减正极反应式写出电池的负极反应式。图示如下：1．硼化钒(VB2)－空气电池是目前储电能力最高的电池(如图所示)，电池总反应为4VB2＋11O2===4B2O3＋2V2O5，下列叙述错误的是( )A．负极反应式为4VB2＋44OH－－44e－===2V2O5＋4B2O3＋22H2OB．正极反应式为11O2＋44e－＋22H2O===44OH－C．OH－由负极透过选择性透过膜向正极迁移D．电子由硼化钒电极经负载流向电极a解析：从电池的总反应看，通入空气的一极(电极a)是电池的正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－或11O2＋44e－＋22H2O===44OH－①，用电池的总反应减去①式即可得负极反应式：4VB2＋44OH－－44e－===2V2O5＋4B2O3＋22H2O，故A、B项正确；电池工作时，OH－15\n应向负极迁移，C项错误；电子由负极经外电路流向正极，即由硼化钒电极经负载流向电极a，D项正确。答案：C2．纸电池是一种有广泛应用的“软电池”，如图所示碱性纸电池采用薄层纸片作为载体和传导体，纸的两面分别附着锌和二氧化锰。下列有关该纸电池的说法不合理的是( )A．Zn为负极，发生氧化反应B．电池工作时，电子由MnO2流向ZnC．正极反应：MnO2＋e－＋H2O===MnO(OH)＋OH－D．电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)解析：纸电池采用薄层纸片作为载体和传导体，纸的两面分别附着锌和二氧化锰，Zn是活泼金属，作该电池的负极，失去电子发生氧化反应，A正确；电池工作时，电子由负极流向正极，即电子由Zn流向MnO2，B错误；类似于锌锰干电池，MnO2在正极上得电子被还原生成MnO(OH)，则正极的电极反应式为MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－，C正确；负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，结合正、负极反应式及得失电子守恒可知，该电池的总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)，D正确。答案：B3．高铁电池是一种新型可充电电池，电解质溶液为KOH溶液，该电池能长时间保持稳定的放电电压，放电时的总反应为：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列判断不正确的是( )A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2B．充电时，阴极pH增大C．放电时，若有6mol电子转移，则正极有10molOH－移向负极D．充电时，阳极反应为Fe(OH)3＋5OH－＋3e－===FeO＋4H2O解析：根据放电时的总反应可知，高铁电池放电时必定是锌在负极失去电子，电极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，故A项正确；充电时阴极发生Zn(OH)2得电子的还原反应，电极反应为Zn(OH)2＋2e－===Zn＋2OH－，所以阴极pH增大，故B项正确；放电时正极反应为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，每转移6mole－产生10molOH－，OH－15\n移向负极与Zn2＋结合为Zn(OH)2，故C项正确；充电时阳极发生氧化反应失去电子，故D项错误。答案：D4．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是( )A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2OD．正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－解析：原电池中H＋移向电池的正极，A项错误；该原电池的总反应为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O，C项正确；用C项的方程式进行判断，有0.4mol的电子转移时，消耗的氧气为0.1mol，标准状况下为2.24L，B项错误；酸性介质的原电池中不可能生成OH－，D项错误。答案：C5．如图所示为以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的结构示意图。关于该电池的叙述不正确的是( )A．该电池不能在高温下工作B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋C．放电过程中，电子从正极区向负极区每转移1mol，便有1molH＋从阳极室进入阴极室D．微生物燃料电池具有高能量转换效率、原料广泛、操作条件温和、有生物相溶性等优点，值得研究与推广解析：高温条件下微生物会死亡，电池不能正常工作，A选项正确；电池的负极失电子，发生氧化反应，即葡萄糖失电子生成CO2气体，B选项正确；放电过程中，电子从负极区向正极区转移，C选项错误；结合题给条件分析，D选项正确。答案：C15\n6．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( )A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol电子B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2OC．电池工作时，CO向电极B移动D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO解析：A选项，甲烷中的C为－4价，CO中的C为＋2价，每个碳原子失去6个电子，因此每消耗1mol甲烷失去6mol电子，错误；B选项，熔融盐中没有OH－，因此OH－不能参与电极反应，电极反应式应为H2＋CO＋2CO－4e－===3CO2＋H2O，错误；C选项，CO应向负极移动，即向电极A移动，错误；D选项，电极B上O2和CO2得电子生成CO，正确。答案：D15
