1、1第 4 课时 化学能与电能(2)新型化学电源(过题型)题型一 燃料电池燃料电池是利用氢气、甲烷、甲醇、硼氢化物等为燃料与氧气或空气进行反应，将化学能直接转化为电能的一类原电池。其特点一是有两个相同的多孔电极，同时两个电极不参与电极反应；二是不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内；三是能量的转化率高，燃料电池具有高能环保、电压稳定、经久耐用等优点。因此，这类电池正成为科学研究、高考命题的重点。其主要命题角度有燃料电池正负极的判断，电池反应式的书写，电子、离子的移动及电解质溶液的组成变化情况分析等。重难点拨燃料电池电极反应式的书写第一步：写出燃料电池反应的总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应
2、一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。如甲烷燃料电池(电解质为 NaOH 溶液)的反应式为CH42O 2=CO22H 2OCO22NaOH= =Na2CO3H 2O式式得燃料电池总反应式为CH42O 22NaOH= =Na2CO33H 2O。 第二步：写出电池的正极反应式根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是 O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H 4e =2H2O；(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H 2O4e =4OH ；(3)固体电解质(高温下能传导 O2 )环境下电极反应式
3、：O24e =2O2 ；(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电极反应式：O22CO 24e =2CO 。23第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式电池正极反应式电池负极反应式。因为 O2不是负极反应物，因此两个反应式相减时要彻底消除 O2。典例 十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战” ，意味着对大气污染防治比过去要求更高。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，2原理如图所示。下列说法正确的是( )A该电池放电时质子从电极 b 移向电极 aB电极 a 附近发生的电极反应为 SO22H 2O2e =H2SO42H C电极 b 附
4、近发生的电极反应为 O24e 2H 2O=4OHD相同条件下，放电过程中消耗的 SO2和 O2的体积比为 21解析 A 项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极 a 为负极，则该电池放电时质子从电极 a 移向电极 b，错误；B 项，电极 a 为负极，发生氧化反应，电极反应为SO22H 2O2e =SO 4H ，硫酸应当拆为离子形式，错误；C 项，酸性条件下，氧气24得电子与氢离子反应生成水，电极 b 附近发生的电极反应为 O24e 4H =2H2O，错误；D 项，由总反应式 2SO2O 22H 2O=2SO 4H 可知，放电过程中消耗的 SO2和 O2的体积24比为 21，正确。答案 D备考方
5、略 新型燃料电池的分析模板综合训练1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是( )A电流由呼气所在的铂电极流出BH 通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极C电路中流过 2 mol 电子时，消耗 11.2 L O2D该电池的负极反应为CH3CH2OH3H 2O12e =2CO212H 解析：选 B 呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸的反应，故为负极，而电流由正极流出，A 项错误；H 通过质子交换膜流向正极(氧气所在的铂电极)，B 项正确；正极反应为O24e 4H =2H2O，电路中流过 2 mol 电子时，消耗 0.5 mol O2，在标准状况下体积为1
6、1.2 L，但题中未指明是否为标准状况， C 项错误；该电池的负极反应为CH3CH2OHH 2O4e =CH3COOH4H ，D 项错误。2.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(N 2H4)为燃料的电池装置如图所示，该电池用空气中3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( )Ab 极发生氧化反应Ba 极的反应式：N 2H44OH 4e =N24H 2OC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：选 B 燃料电池燃料(N 2H4)在负极(a 极)发生氧化反应：N2H44OH 4e =N24H
7、2O，O 2在正极(b 极)发生还原反应：O 24e 2H 2O=4OH ，总反应为 N2H4O 2=N22H 2O，A 项错误，B 项正确；放电时电流由正极流向负极，C 项错误；OH 在正极生成，移向负极消耗，所以离子交换膜应让 OH 通过，故选用阴离子交换膜，D 项错误。3为体现节能减排的理念，中国研制出了新型固态氧化物燃料电池(SOFC)，该电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )A电子从 b 极经导线流向 a 极B正极的电极反应式为 O24e 2H 2O=4OHC还可以选用 NaOH 固体作固态电解质D若反应中转移 1 mol 电子，则生成 22.4 L(标准状况)CO 2解析：
8、选 A 燃料电池通入氧气的电极为正极，则 a 为正极，电子从 b 极经导线流向a 极，故 A 正确；介质为固态熔融介质，不存在水溶液，则正极的电极反应式为O24e =2O2 ，故 B 错误； CO2能与 NaOH 反应生成 Na2CO3，则不可选用 NaOH 固体作固态电解质，故 C 错误；若反应中转移 1 mol 电子，参加反应的氧气为 0.25 mol，生成 CO2为0.5 mol，体积为 11.2 L(标准状况)，故 D 错误。题型二 可充电电池(二次电池)近几年高考中的新型可充电电池的种类较多，如“储氢电池” 、 “锂空气电池” 、 “高铁电池” 、 “锂硫电池”等。总的来说，可充电电
9、池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的可多次利用的一类特殊电池。考题一般通过文字叙述、电池总反应或原理图提供信息，重点考查以下四点：一考“式子” ，即考查原电池电极反应的书写；二考“运动” ，即考查原电池工作过程中，离子、电子的移动方向；三考“量值” ，即考查原电池工作过程中电子转移数目、电极上消耗或生成物质的物质的量；四考“应用” ，即考查原电池原理在生产、生活、环境保护中的应用。重难点拨41可充电电池的思维模型因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极” 。2可充电电池的分析流程(1)可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电
10、时是电解池反应。(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。首先应分清电池是放电还是充电。再判断出正、负极或阴、阳极。(4)“加减法”书写新型二次电池放电的电极反应式若已知电池放电时的总反应式，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，由总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。典例 (2018全国卷)一种可充电锂空气
11、电池如图所示。当电池放电时，O 2与Li 在多孔碳材料电极处生成 Li2O2 x(x0 或 1)。下列说法正确的是( )A放电时，多孔碳材料电极为负极B放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极C充电时，电解质溶液中 Li 向多孔碳材料区迁移5D充电时，电池总反应为 Li2O2 x=2Li O2(1x2)解析 由题意知，放电时负极反应为 Lie =Li ，正极反应为(2 x)O24Li 4e =2Li2O2 x(x0 或 1)，电池总反应为 O22Li= =Li2O2 x。该电池放(1x2)电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，A 项错误；该电池放电时，外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极，
12、B 项错误；该电池放电时，电解质溶液中的 Li 向多孔碳材料区迁移，充电时电解质溶液中的 Li 向锂材料区迁移，C 项错误；充电时电池总反应为Li2O2 x=2Li(1 )O2，D 项正确。x2答案 D综合训练1(2018浙江 4 月选考)锂(Li)空气电池的工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )A金属锂作负极，发生氧化反应BLi 通过有机电解质向水溶液处移动C正极的电极反应：O 24e =2O2D电池总反应：4LiO 22H 2O=4LiOH解析：选 C 金属锂作负极，发生氧化反应，生成 Li 向水溶液中移动，空气中 O2在正极发生还原反应，电极反应式为 O22H 2O4e =4OH ，
13、电池总反应式为4LiO 22H 2O=4LiOH，故 C 项符合题意。2(2019潍坊一模)一种新型可逆电池的工作原理如图所示。放电时总反应为 Al3C n(AlCl4)4AlCl 4Al 2Cl 3C n(Cn表 4 7示石墨)。下列说法正确的是( )A放电时负极电极反应为 2Al6e 7Cl =Al2Cl 7B放电时 AlCl 移向正极 4C充电时阳极反应为 AlCl e C n=Cn(AlCl4) 4D电路中每转移 3 mol 电子，最多有 1 mol Cn(AlCl4)被还原解析：选 C A 项，放电时铝作负极，失去电子被氧化为 Al2Cl ，电极反应为 7Al3e 7AlCl =4A
14、l2Cl ，错误；B 项，放电时，AlCl 移向负极，错误；C 项，充 4 7 4电时阳极反应为 CnAlCl e =Cn(AlCl4)，正确；D 项，由总反应可知每 1 mol 4Cn(AlCl4)被还原仅得到 1 mol 电子，错误。3某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1 xCoO2Li xC6=LiCoO2 C6(x1)。下列关于该电池的说法不正确的是( )6A放电时，Li 在电解质中由负极向正极迁移B放电时，负极的电极反应式为 LixC6 xe =xLi C 6C充电时，若转移 1 mol e ，石墨(C 6)电极将增重 7x gD充电时，阳极的电极反应式为
15、 LiCoO2 xe =Li1 xCoO2 xLi解析：选 C A原电池中阳离子由负极向正极迁移，正确；B.放电时，负极发生氧化反应，电极反应式为 LixC6 xe =xLi C 6，正确；C.充电时，若转移 1 mol 电子，石墨电极质量将增重 7 g，错误；D.充电时阳极发生氧化反应，电极反应式为LiCoO2 xe =Li1 xCoO2 xLi ，正确。4(2017全国卷)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极 a 常用掺有石墨烯的 S8材料，电池反应为 16Li xS8=8Li2Sx(2 x8)。下列说法错误的是( )A电池工作时，正极可发生反应：2Li 2S62
16、Li 2e =3Li2S4B电池工作时，外电路中流过 0.02 mol 电子，负极材料减重 0.14 gC石墨烯的作用主要是提高电极 a 的导电性D电池充电时间越长，电池中 Li2S2的量越多解析：选 D 原电池工作时，正极发生一系列得电子的还原反应，即：Li2S8Li 2S6Li 2S4Li 2S2，其中可能有 2Li2S62Li 2e =3Li2S4，A 项正确；该电池工作时，每转移 0.02 mol 电子，负极有 0.02 mol Li(质量为 0.14 g)被氧化为 Li ，则负极质量减少 0.14 g，B 项正确；石墨烯能导电，利用石墨烯作电极，可提高电极 a 的导电性，C 项正确；充电过程中，Li 2S2的量逐渐减少，当电池充满电时，相当于达到平衡状态，电池中 Li2S2的量趋于不变，故不是电池充电时间越长，电池中 Li2S2的量越多，D 项错误。7
