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即正极接正极,负极接负极。 (2)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反,充电时的阳极反应与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应与放电时的负极反应相反。 燃料电池 燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等),燃料在电池中的负极发生反应。 1.氢氧燃料电池 介质 酸性 碱性 负极反应式 2H2-4e-===4H+ 2H2+4OH--4e-===4H2O 正极反应式 O2+4H++4e-===2H2O O2+2H2O+4e-===4OH- 电池总反应式 2H2+O2===2H2O 注: ①燃料电池的电极不参加电极反应,通入的燃料发生负极反应,O2发生正极反应。 ②书写电极反应式时,注意介质参与的反应。 [深度归纳] 化学电源中电极反应书写的一般方法思路 (1)明确两极的反应物; (2)明确直接产物: 根据负极氧化、正极还原,明确两极的直接产物; (3)确定最终产物: 根据介质环境和共存原则,找出参与的介质粒子,确定最终产物; (4)配平: 根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 注意: ①H+在碱性环境中不存在;②O2-在水溶液中不存在,在酸性环境中结合H+,生成H2O,在中性或碱性环境结合H2O,生成OH-;③若已知总反应式时,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,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。 2.以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应和总反应 (3)固体氧化物(O2-可移动 1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”) (1)太阳能电池不属于原电池。 ( ) (2)碱性锌锰电池的负极附近的介质的碱性增强。 ( ) (3)铅蓄电池的两极在电池工作时质量均增加。 ( ) (4)氢氧燃料电池的正极反应式均为O2+4e-+4H+===2H2O。 ( ) 答案: (1)√ (2)× (3)√ (4)× 2.CO为燃料,O2为氧化剂,碱性溶液作电解质溶液,电池工作时负极反应式为________________,正极反应式为________________,总反应式为___________________________________________________。 答案: CO-2e-+4OH-===CO +2H2O O2+2e-+H2O=== 2OH- 2CO+O2+4OH-===2CO +2H2O 考法1 一次电池与二次电极 1.(2019·兰州模拟)被称为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片(在其一边镀锌,在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。 在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。 电池总反应为Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH。 下列说法正确的是( ) A.该电池的正极为锌 B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用 C.当0.1molZn完全溶解时,流经电解液的电子个数约为 1.204×1023 D.电池正极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH- D [A项,由电池反应知,Zn元素化合价由0变为+2,Zn失电子作负极,错误;B项,该电池中二氧化锰参加反应且作氧化剂,错误;C项,电子不进入电解质溶液,电解质溶液导电是通过离子定向移动形成电流,错误;D项,正极上二氧化锰得电子发生还原反应,电极反应式为MnO2+e-+H2O===MnOOH+OH-,正确。 ] 2.(2019·湖南湘东五校联考)高铁电池具有比能量高、无污染的特点,用如图装置模拟其工作原理(放电时两电极均有稳定的金属氢氧化物生成),下列有关说法中正确的是( ) A.放电时,电子由正极通过外电路流向负极 B.放电时,负极上的电极反应式为Zn-2e-+2H2O===Zn(OH)2+2H+ C.充电时,电源的正极连接高铁电池的Zn极 D.充电时,阳极上的电极反应式为Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO +4H2O D [放电时,电子由负极通过外电路流向正极,A项错误;放电时,负极反应为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,B项错误;充电时,电源的正极应连接石墨电极,C项错误;充电时,阳极上Fe(OH)3转化为FeO ,发生氧化反应: Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO +4H2O,D项正确。 ] 3.(2019·郑州模拟)如图是一种正投入生产的大型蓄电系统。 放电前被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3,放电后分别变为Na2S4和NaBr。 下列叙述正确的是( ) A.放电时,负极反应为3NaBr-2e-===NaBr3+2Na+ B.充电时,阳极反应为2Na2S2-2e-===Na2S4+2Na+ C.放电时,Na+经过离子交换膜,由b池移向a池 D.用该电池电解饱和食盐水,产生2.24LH2时,b池生成17.40gNa2S4 C [根据放电后Na2S2转化为Na2S4,S元素化合价升高,知Na2S2被氧化,故负极反应为2Na2S2-2e-===Na2S4+2Na+,A项错误;充电时阳极上发生氧化反应,NaBr转化为NaBr3,电极反应为3NaBr-2e-===NaBr3+2Na+,B项错误;放电时,阳离子向正极移动,故Na+经过离子交换膜,由b池移向a池,C项正确;放电时b池为负极区域,发生氧化反应: 2Na2S2-2e-===Na2S4+2Na+,用该电池电解饱和食盐水,产生标准状况下2.24LH2时转移0.2mol电子,生成0.1molNa2S4,其质量为17.40g,D项错误。 ] 考法2 形形色色的燃料电池 4.(2019·哈尔滨模拟)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 +6H2O C.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数为6NA B [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 +6H2O,正确;C项,放电时,Na+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为 6mol·L-1×1L×2×NA/mol=12NA,错误。 ] 5.(2019·西安八校联考)微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。 某微生物燃料电池的工作原理如图所示,下列说法正确的是( ) A.HS-在硫氧化菌作用下转化为SO 的反应为HS-+4H2O-8e-===SO +9H+ B.电子从电极b流出,经外电路流向电极a C.如果将反应物直接燃烧,能量的利用率不会变化 D.若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,则有0.5molH+通过质子交换膜 A [本题中微生物燃料电池的工作原理包括两个阶段: ①引发反应,有机物+SO CO2↑+HS-;②电池反应,负极反应为HS-+4H2O-8e-===SO +9H+,正极反应为2O2+8H++8e-===4 H2O。 根据题图知,在硫氧化菌作用下HS-转化为SO ,发生氧化反应: HS-+4H2O-8e-===SO +9H+,A项正确;电子从电极a流出,经外电路流向电极b,B项错误;如果将反应物直接燃烧,有部分化学能转化为热能和光能,能量的利用率降低,C项错误;若该电池电路中有0.4mol电子发生转移,则有0.4molH+通过质子交换膜,D项错误。 ] 6.(2019·贵阳模拟)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( ) A.b电极是负极 B.a电极的电极反应式: N2H4+4OH-+4e-===N2↑+4H2O C.放电时,电子从a电极经过负载流向b电极 D.电池工作时,K+从正极移向负极 C [燃料电池中正极上通入空气,故b电极为正极,A项错误;a电极为负极,负极上N2H4发生氧化反应: N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O,B项错误;放电时,电子从负极(a电极)经过负载流向正极(b电极),C项正确;该装置交换膜为阴离子交换膜,电池工作时,OH-从正极移向负极,D项错误。 ] (1)首先写出正极反应式 ①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固体氧化物电解质(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 。 (2)根据总反应式减去正极反应式确定负极反应式。 专项突破(十三) 新型化学电源试题的解答突破 1.命题分析 命题人常常根据新型化学电池的装置特点,以新介质、新燃料、轻金属为背景,涉及下列命题角度。 (1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。 (2)两极产物及两极反应类型的判断。 (3)两极附近溶液的pH变化或计算。 (4)电子、电流、离子移动方向,交换膜的判断。 (5)电子守恒的相关计算。 2.常考新型电源的原理分析 (1)镍氢电池(KOH溶液): NiOOH+MH Ni(OH)2+M 负极反应式: MH-e-+OH-===M+H2O; 正极反应式: NiOOH+e-+H2O===Ni(OH)2+OH-。 (2)锂离子电池总反应式为xLi+Li1-xMn2O4 LiMn2O4 负极反应式: xLi-xe-===xLi+; 正极反应式: Li1-xMn2O4+xe-+xLi+===LiMn2O4。 (3)研究人员研制出一种可快速充放电的超性能铝离子电池,Al、Cn为电极,有机阳离子与阴离子(AlCl 、Al2Cl )组成的离子液体为电解质,如图为该电池放电过程示意图。 负极反应式: Al-3e-+7AlCl ===4Al2Cl ; 正极反应式: 3Cn[AlCl4]+3e-===3Cn+3AlCl 。 [典例导航] (2017·全国卷Ⅲ,T11)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≤x≤8)。 下列说法错误的是( ) A.电池工作时,正极可发生反应: 2Li2S6+2Li++2e-===3Li2S4 B.电池工作时,外电路中流过0.02mol电子,负极材料减重0.14g C.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 [思路点拨] (1)16Li+xS8===8Li2Sx(2≤x≤8) ⇓ Li作负极,电极反应式为16Li-16e-===16Li+ S8作正极,电极反应式为xS8+16e-+16Li+===8Li2Sx ⇓放电时 电极a作正极,放电时间越长,Li2Sx中x越小 ⇓充电时 电极a作阳极,充电时间越长,Li2Sx中x越大 (2)负极Li生成Li+移向正极,减重 ×7g·mol-1=0.14g 答案: D (1)放电时负极反应式为______________,正极反应式(当x=6时)为___________,放电过程中Li2S8―→Li2S6的正极反应式为__________。 (2)充电时,阳极反应式(Li2S2―→Li2S4)____________________。 答案: (1)Li-e-===Li+ 6S8+16e-+16Li+===8Li2S6 3Li2S8+2e-+2Li+===4Li2S6 (2)2Li2S2-2e-===Li2S4+2Li+ [综合体验] 1.(2019·山西八校联考)硼化钒(VB2)—空气电池是目前储电能力最高的电池,电池示意图如图,该电池工作时发生的反应为4VB2+11O2===4B2O3+2V2O5。 下列说法不正确的是( ) A.电极a为电池正极 B.图中选择性透过膜为阴离子透过膜 C.电池工作过程中,电极a附近区域pH减小 D.VB2极发生的电极反应为2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2O C [根据电池反应,O2发生还原反应,故通入空气的电极a为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,A项正确;根据电池反应,VB2发生氧化反应转化为V2O5、B2O3,VB2极的电极反应式为2VB2+22OH--22e-===V2O5+2B2O3+11H2O,D项正确;根据负极反应和正极反应可知,正极上生成OH-,负极上消耗OH-,故该选择性透过膜为阴离子透过膜,B项正确;由正极反应式可知,电池工作过程中,电极a附近c(OH-)增大,pH增大,C项错误。 ] 2.(2019·石家庄联考)某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池。 放电时电池的总反应式为Li1-xCoO2+LixC6 ===LiCoO2+C6(x 下列关于该电池的说法不正确的是( ) A.放电时,Co元素的化合价升高 B.放电时,正极的电极反应式为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2 C.充电时,Li+在电解液中由阳极向阴极迁移 D.充电时,阴极的电极反应式为C6+xLi++xe-===LixC6 A [由放电时电池的总反应式可知,放电时Co的化合价降低,A项错误;放电时正极的电极反应式为Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2,B项正确;充电时阳离子由阳极向阴极迁移,C项正确;充电时阴极反应与放电时负极反应互为逆反应,阴极反应式为C6+xLi++xe-===LixC6,D项正确。 ] 3.(2019·日照质检)一种突破传统电池设计理念的镁-锑液态金属储能电池的工作原理如图所示,该电池所用液体密度不同,在重力作用下分为三层,工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变。 下列说法不正确的是( ) A.放电时,Mg(液)层的质量减小 B.放电时,正极反应为Mg2++2e-===Mg C.该电池充电时,Mg-Sb(液)层发生还原反应 D.该电池充电时,Cl-向下层移动 C [根据电流方向(由正极流向负极)可知,镁(液)层为原电池的负极,放电时,Mg(液)层的质量减小,A项正确;根据题意知,正极反应为熔融的Mg2+得电子发生还原反应,电极反应式为Mg2++2e-=== Mg,B项正确;充电时镁(液)层为阴极,Mg-Sb(液)层为阳极,则Mg-Sb(液)层发生氧化反应,C项错误;充电时阴离子向阳极移动,即Cl-向下层移动,D项正确。 ] 课堂反馈 真题体验 1.(2018·全国卷Ⅱ,T12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的NaCO2二次电池。 将NaClO4溶于有机溶剂作 |
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