专题09-新型化学电源(湖南专用)(原卷版).doc

专题09 新型化学电源

【母题来源】2021年高考湖南卷第10题
【母题题文】锌溴液流电池是一种先进的水溶液电解质电池，广泛应用于再生能源储能和智能电网的备用电源等。三单体串联锌溴液流电池工作原理如图所：

下列说法错误的是
A．放电时，N极为正极
B．放电时，左侧贮液器中的浓度不断减小
C．充电时，M极的电极反应式为
D．隔膜允许阳离子通过，也允许阴离子通过
【答案】B

【试题解析】
由图可知，放电时，N电极为电池的正极，溴在正极上得到电子发生还原反应生成溴离子，电极反应式为Br2+2e—=2Br—，M电极为负极，锌失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn—2e—=Zn2+，正极放电生成的溴离子通过离子交换膜进入左侧，同时锌离子通过交换膜进入右侧，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变；充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，N电极与直流电源的正极相连，做阳极。
A．由分析可知，放电时，N电极为电池的正极，故A正确；
B．由分析可知，放电或充电时，左侧储液器和右侧储液器中溴化锌的浓度维持不变，故B错误；
C．由分析可知，充电时，M电极与直流电源的负极相连，做电解池的阴极，锌离子在阴极上得到电子发生还原反应生成锌，电极反应式为Zn2++2e—=Zn，故C正确；
D．由分析可知，放电或充电时，交换膜允许锌离子和溴离子通过，维持两侧溴化锌溶液的浓度保持不变，故D正确；
故选B。
【命题意图】考查电化学原理的应用，考查新情境下电解池和原电池的工作原理及应用，很好的落实了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学精神与社会责任等学科素养。明确电解池过程、原电池过程、图示中的物质转化是解题的关键。
【命题方向】
电化学是历年高考的重要考点之一，考查的内容为：提供电极材料和电解质溶液判断能否形成原电池，原电池电极名称判断及电极反应式的书写，提供反应方程式设计原电池、电解池（包括电镀池、精炼池），根据电解时电极质量或溶液pH的变化判断电极材料或电解质种类，电解产物的判断和计算，结合图像考查电极质量或电解质溶液质量分数的变化。展望2022年高考化学试题呈现仍然会以我国化学领域最近取得的重大创新科研成果为载体考查考生的必备知识和关键能力，考查社会主义核心价值观个人层面的爱国精神，落实了立德树人的教育根本任务。
【得分要点】
一、必备知识
(一)原电池的工作原理(如锌−铜原电池可用简图表示)

总反应离子方程式为Zn+2H+===Zn2++H2↑
1．电极
(1)负极：失去电子，发生氧化反应；
(2)正极：得到电子，发生还原反应。
2．电子定向移动方向和电流方向
(1)电子从负极流出经外电路流入正极；
(2)电流从正极流出经外电路流入负极；
故电子定向移动方向与电流方向正好相反。
3．离子移动方向
阴离子向负极移动(如SO)，阳离子向正极移动(如Zn2+和H+，溶液中H+在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
[提醒]　①电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
②无论在原电池中还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。
(二)单液原电池(无盐桥)和双液原电池(有盐桥)
名称
单液原电池
双液原电池
装置

相同点
正、负极电极反应，总反应式，电极现象
不同点
还原剂Zn与氧化剂Cu2+直接接触，既有化学能转化为电能，又有化学能转化为热能，造成能量损耗
Zn与氧化剂Cu2+不直接接触，仅有化学能转化为电能，避免了能量损耗，故电流稳定，持续时间长

[提醒]　盐桥的作用：使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触；平衡电荷；提高电池效率。
(三)电极反应式的书写
1．八种新型电池的电极反应式
锌银电池
总反应：Ag2O+Zn+H2O2Ag+Zn(OH)2
正极
Ag2O+H2O+2e−===2Ag+2OH−
负极
Zn+2OH−−2e−===Zn(OH)2
锌空气电池
总反应：2Zn+O2+4OH−+2H2O===2Zn(OH)
正极
O2+4e−+2H2O===4OH−
负极

镍铁电池
总反应：NiO2+Fe+2H2O Fe(OH)2+Ni(OH)2
正极
NiO2+2e−+2H2O===Ni(OH)2+2OH−
负极
Fe−2e−+2OH−===Fe(OH)2
高铁电池
总反应：3Zn+2FeO+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4OH−
正极
FeO+3e−+4H2O===Fe(OH)3+5OH−
负极
Zn−2e−+2OH−===Zn(OH)2
镍镉电池
总反应：Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
正极
NiOOH+H2O+e−===Ni(OH)2+OH−
负极
Cd−2e−+2OH−===Cd(OH)2
Mg­H2O2电池
总反应：H2O2+2H++Mg===Mg2++2H2O
正极
H2O2+2H++2e−===2H2O
负极
Mg−2e−===Mg2+
Mg­AgCl电池
总反应：Mg+2AgCl===2Ag+Mg2++2C l−
正极
2AgCl+2e−===2Ag+2Cl−
负极
Mg−2e−===Mg2+
钠硫蓄电池
总反应：2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr
正极
NaBr3+2e−+2Na+===3NaBr
负极
2Na2S2−2e−===Na2S4+2Na+
2．新型化学电源中电极反应式的书写三步骤

(四)电解池装置分析
1．电解池的工作原理(阳极为惰性电极)

2．电解池中阴、阳极判断的五种方法

3．电解池的电极反应及其放电顺序

(1)阳离子在阴极上的放电顺序：Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+(酸)＞Pb2+＞Fe2+＞Zn2+＞H+(水)。
(2)阴离子在阳极上的放电顺序：S2−＞I−＞Br−＞Cl−＞OH−。
4．惰性电极电解电解质溶液的类型
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O
5.析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜呈酸性
水膜呈弱酸性或中性
正极反应
2H++2e−===H2↑
O2+2H2O+4e−===4OH−
负极反应
Fe−2e−===Fe2+
其他反应
Fe2++2OH−===Fe(OH)2↓
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈
6.金属腐蚀快慢的判断方法
(1)金属腐蚀类型的差异
电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护腐蚀措施的腐蚀。
(2)电解质溶液的影响
①对同一金属来说，腐蚀的快慢(浓度相同)：强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。
②对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，腐蚀越快。
(3)活泼性不同的两金属
活泼性差别越大，腐蚀越快。
7．金属电化学保护的“两种方法”
二、解题技巧1.原电池中正极、负极判断的5种方法
2.不同介质下对电极反应式书写的影响
不同介质下电池电极反应式的书写，对大多数考生来说是个难点。下面以CH3OH燃料电池为例，分析电极反应式的书写。
酸性介质
CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体，电极反应为CH3OH−6e−+H2O===CO2+6H+，O2在正极上得到电子，在酸性介质中生成H2O，电极反应为O2+4H++4e−===2H2O
碱性介质
CH3OH在负极上失去电子，在碱性条件下生成CO：CH3OH−6e−+8OH−===CO+6H2O；O2在正极上得到电子生成OH−：O2+2H2O+4e−===4OH−
熔融碳酸盐介质
在电池工作时，CO移向负极，CH3OH在负极上失去电子，在CO的作用下生成CO2气体：CH3OH+3CO−6e−===4CO2+2H2O；O2在正极上得到电子，在CO2的作用下生成CO：O2+2CO2+4e−===2CO
掺杂Y2O3的ZrO2固体作电解质
在高温下能传导O2−，根据O2−移向负极，在负极上CH3OH失电子生成CO2气体：CH3OH+3O2−−6e−===CO2+2H2O；而O2在正极上得电子生成O2−：O2+4e−===2O2−
3.以“本”为本破解陌生电化学装置
(1)燃料电池的迁移应用

　教材装置　　　高考装置
图示

原理
负极
H2−2e−===2H+(氧化反应)
H2+CO+2CO−4e−===3CO2+H2O(氧化反应)
正极
O2+2H++2e−===
H2O(还原反应)
2CO2+O2+4e−===
2CO(还原反应)
总反应
H2+O2===H2O
H2+CO+O2===CO2+H2O

(2)二次电池的迁移应用

　教材装置　　　　　　高考装置
图示

原理
放电
负极：Pb(s)+SO(aq)−2e−===PbSO4(s)　(氧化反应)
负极：Zn(s)+2OH−(aq)−2e−===ZnO(s)+H2O(l)(氧化反应)
正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)+2e−===PbSO4(s)+2H2O(l)　(还原反应)
正极：NiOOH(s)+H2O(l)+e−===Ni(OH)2(s)+OH−(aq)(还原反应)
充电
阴极：PbSO4(s)+2e−===Pb(s)+SO(aq)　(还原反应)
阴极：ZnO(s)+H2O(l)+2e−===Zn(s)+2OH−(aq) (还原反应)
阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)−2e−===PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)　(氧化反应)
阳极：Ni(OH)2(s)+OH−(aq)−e−===NiOOH(s)+H2O(l) (氧化反应)
总反应
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)+2H2O(l)
Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)
(3)电解装置的迁移应用

　教材装置　　　　　　高考装置
图
示

原理
阴极
Cu2++2e−===Cu(还原反应)
2H2O+2e−===2OH−+H2↑(还原反应)
阳极
2Cl−−2e−===Cl2↑
(氧化反应)
I−+6OH−−6e−===IO+3H2O(氧化反应)
总反应
Cu2++2Cl−Cu+Cl2↑
I−+3H2O===IO+3H2↑

(4)电化学防护的迁移应用

　教材装置　　　　　　高考装置
图
示

1．（2021·湖南高三其他模拟）镁货源储量丰富价格低廉：可充放电有机电解液镁电池模型如图，它具有较高的离子电导率、可充放电、对环境友好的优点，原电池反应为4Mg+2MnO2=MgMn2O4，已知电量Q与电流强度I和通电时间t之间满足关系：Q=It。下列表述错误的是

A．放电时，r—MnO2参与正极反应
B．放电时，Mg2+向正极移动，电子从Mg电极经导线流向MnO2电极
C．充电时，阳极反应式为MgMn2O4-2e-=2MnO2+Mg2+
D．电池在电流强度为0.5A时工作5min，理论消耗Mg0.14g(F=96500C•mol-1)
2．（2021·湖南邵阳市·高三其他模拟）一种新型电池的工作原理如图所示。该电池工作时，下列说法错误的是

A．Pt/C电极为负极，质子通过交换膜从负极区移向正极区
B．正极发生还原反应，电极反应为：NO＋4H＋＋3e－＝NO↑＋2H2O
C．反应池中发生总反应4NO＋3O2＋2H2O＝4HNO3，实现HNO3再生
D．理论上，当消耗22.4 L(标准状况下)H2时，会消耗1 mol O2
3．（2021·湖南高三二模）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。硫化氢—空气质子交换膜燃料电池实现了发电、环保的有效结合，已知：。下列说法正确的是

A．电极b上发生的电极反应为
B．电极a发生还原反应
C．每11.2LH2S参与反应，有1molH+经固体电解质膜进入正极区
D．当电极a的质量增加64g时电池内部释放632kJ的热能
4．（2021·湖南高三其他模拟）COOH燃料电池的装置如下图，两电极间用允许K+和H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是

A．电池工作时，电子由a电极经外电路流向b电极
B．负极的电极反应式为HCOO-+2OH-_2e-=HCO+H2O
C．理论上每消耗标准状况下22.4LO2，有2molK+通过半透膜
D．通入O2发生的反应为4Fe2++4H++O2=4Fe3++2H2O
5．（2021·江西抚州市·临川一中高三其他模拟）浓度差电池是指电池内物质变化仅是由一物质由高浓度变成低浓度且过程伴随着吉布斯自由能转变成电能的一类电池。如图所示的浓度差电池示意图，下列有关说法正确的是

A．a极为原电池的负极
B．c为Cu2+交换膜
C．电流计为0时，两极的CuSO4浓度相等
D．转移1mol电子时，右池增重48g
6．（2021·安徽）某科研小组设计了一种新型双微生物燃料电池装置，如图所示。在a极将生活污水中的有机物(以C6H12O6为例)转化为CO2，b极将酸性工业废水中的硝酸盐转化为N2。下列说法不正确的是

A．a电极反应式为：C6H12O6-24e-+6H2O=6CO2↑+24H+
B．若b极产生了4.48 L(已换算为标准状况)的气体，则穿过质子交换膜进入左室的H+数目为2NA
C．电池工作时，电流由b极经负载流向a极，再经两电解质溶液回到b极
D．若用该电池对铅蓄电池进行充电，b极接PbO2极

7．（2021·黑龙江哈尔滨市·哈尔滨三中高三其他模拟）中国科学院大连化物所的研究团队创新性提出锌碘单液流电池的概念，实现锌碘单液流中电解液的利用率近100%，其原理如图所示。下列说法正确的是

A．放电时A电极反应式为：Zn2++2e-=Zn
B．放电时电解质储罐中离子总浓度减小
C．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜
D．充电时A极增重65g，C区增加离子数为2NA
8．（2021·广东佛山市·石门中学高三其他模拟）研究HCOOH燃料电池性能的装置如图所示，两电极区间用允许K+、H+通过的离子交换膜隔开，下列说法错误的是

A．该燃料电池的总反应方程式为：HCOOH+Fe3+=CO2↑+H2O
B．放电过程中，K+向右移动
C．放电过程中需要补充的物质A为H2SO4
D．电池负极电极反应式为：HCOO-+2OH--2e-=+H2O
9．（2021·天津高三一模）近日，南开大学陈军院士团队以KSn合金为负极，以含羧基多壁碳纳米管(MWCNTs—COOH)为正极催化剂构建了可充电K—CO2电池(如图所示)，电池反应为4KSn+3CO22K2CO3+C+4Sn，其中生成的K2CO3附着在正极上。该成果对改善环境和缓解能源问题具有巨大潜力。下列说法正确的是

A．放电时，电子由KSn合金经酯基电解质流向MWCNTs—COOH
B．电池每吸收22.4LCO2，电路中转移4mole-
C．充电时，阳极电极反应式为：C-4e-+2K2CO3=3CO2↑+4K+
D．为了更好的吸收温室气体CO2，可用适当浓度的KOH溶液代替酯基电解质
10．（2021·天津高三一模）锌电池具有价格便宜、比能量大、可充电等优点。一种新型锌电池的工作原理如图所示(凝胶中允许离子生成或迁移)。下列说法正确的是

A．放电过程中，向a极迁移
B．充电过程中，b电极反应为：Zn2++2e-=Zn
C．充电时，a电极与电源正极相连
D．放电过程中，转移0.4mole-时，a电极消耗0.4molH+
11．（2021·四川德阳市·高三二模）锌铈液流二次电池，放电工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．充电时，b极发生还原反应
B．放电时，溶液中离子由b极向a电极方向移动
C．放电时，电池的总离子反应方程式为Zn+2Ce4+=Zn2++2Ce3+
D．充电时，当a极增重3.25g时，通过交换膜的离子为0.05mol
12．（2021·四川巴中市·高三一模）近年来钾离子电池的研发受到广泛重视。一种“摇椅式”钾离子电池原理如图所示。电池反应为：K(1-x)FePO4+KxC8KFePO4+8C，下列叙述错误的是

A．放电时，a极是正极
B．充电时，若x=1/3，则a极材料中n(Fe2+)：n(Fe3+)=1：2
C．充电时，b极反应式：xK++xe-+8C=KxC8
D．放、充电时，图中箭头所示为K+的移动方向，形同“摇椅”
13．（2021·云南昆明市·高三三模）某兴趣小组利用电化学原理降解酸性废水中的NO，装置如图所示。下列说法正确的是

A．Pt 电极可用Cu电极代替
B．负极反应式为： 2NO+10e- +12H+=N2+6H2O
C．溶液中电子通过质子交换膜由Ag电极向Pt电极移动
D．若外电路转移lmol电子，则膜两侧电解液质量共减少38.3g
14．（2021·四川凉山彝族自治州·高三三模）Al-H2O2 电池是一种新型电池，已知H2O2是一种弱酸，在强碱性溶液中以HO形式存在。现以Al-H2O2为电源(如甲池所示，电池总反应为2Al+3HO=2AlO+OH-+H2O)，电解处理有机质废水(如乙池所示)。下列说法正确的是

A．电池工作时，甲池、乙池用导线连接的顺序为a连c，b连d
B．电池工作一段时间后甲池中pH值减小
C．乙池工作时，质子将从B电极室移向A电极室
D．若B电极上转化1.5molCO2，则甲池中溶解4molAl
15．（2021·福建省福州第一中学高三其他模拟）科学家预言，被称为“黑金”的“新材料之王石墨烯”将“彻底改变21世纪”。我国关于石墨烯的专利总数世界排名第一。如图是我国研发的某种石墨烯电池有关原理示意图，左边装置工作时的电极反应为Li1-xC6+xLi++xe-=LiC6，Li[GS/Si]O2-xe-=Li1-x[GS/Si]O2+xLi+。下列说法错误的是

A．a与d电极上发生的反应类型相同
B．左右两个装置中的离子交换膜均为阳离子交换膜
C．电池放电时，正极反应为Li1-x[GS/Si]O2+xLi++xe-=Li[GS/Si]O2
D．若装置工作前c与d电极质量相等，则转移0.1mol电子后两个电极质量相差0.7g
16．（2021·广东汕头市·金山中学高三三模）如图为某二次电池充电时的工作原理示意图，该过程可实现盐溶液的淡化。下列说法错误的是

A．放电时，负极反应式为：Bi-3e-+H2O+Cl-=BiOCl+2H+
B．放电时，每生成1molBi消耗1.5molNa3Ti2(PO4)3
C．充电时，a极为电源正极
D．充电时，电解质溶液的pH变小
17．（2021·济南市·山东师范大学附中高三其他模拟）一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是

A．多孔碳材料能增大与氧气的接触面积，有利于氧气发生氧化反应
B．放电时，电子的移动方向为：锂电极—外电路—多孔碳材料电极—电解质—锂电极
C．充电时，电池总反应为Li2O2-x=2Li+(1-)O2
D．可使用含Li+的电解质水溶液
18．（2021·西藏拉萨市·高三二模）镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，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，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是

A．放电时，Cl-向上层方向移动
B．放电时，Mg(液)层的质量减小。
C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极
D．充电时，阴极的电极反应式为Mg2++2e-=Mg
19．（2021·江西抚州市·临川一中高三其他模拟）羟基自由基(•OH)是自然界中氧化性仅次于氟的氧化剂。我国科学家设计了一种能将苯酚氧化为CO2、H2O的原电池—电解池组合装置(如图)，该装置能实现发电、环保二位一体。下列说法错误的是

A．电池工作时，b电极附近pH减小
B．a极每有1molCr2O参与反应，通过质子交换膜的H+数理论上有6NA
C．d极区苯酚被氧化的化学方程式为C6H5OH+28•OH=6CO2↑+17H2O
D．右侧装置中，每转移0.7mole-，c、d两极共产生气体11.2L
20．（2021·天津高三二模）一种“全氢电池”的工作原理如图所示。下列说法正确的是

A．电流方向是从吸附层M通过导线到吸附层N
B．放电时，吸附层M发生的电极反应：
C．从右边穿过离子交换膜向左边移动
D．“全氢电池”放电时的总反应式为：
21．（2021·湖南衡阳市·高三二模）一种新型水介质电池示意图如下，电极材料为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体被转化为储氢物质甲酸等，为解决“碳中和”和能源问题提供了一种新途径。下列说法正确的是

A．充电时，Zn电极连电源负极
B．充电时，阳极区pH升高
C．放电时，Zn在正极失去电子
D．放电时，完全转化为HCOOH时有转移
22．（2021·湖南高三其他模拟）伏打电堆由几组锌和的圆板堆积而成，所有的圆板之间夹放着几张盐水泡过的布。如图所示为最初的伏打电堆模型，由八组锌和银串联组成的圆板堆积而成。下列说法正确的是

A．当电路中转移0.3mol电子时，消耗锌板的总质量为78g
B．电池长时间工作后，中间的布上会有白色固体颗粒生成，该固体颗粒为AgOH
C．该伏打电堆工作时，在锌板附近会有Cl2放出
D．该电池发生的反应为吸氧腐蚀
23．（2021·湖南高三其他模拟）重铬酸钾是工业合成的常用氧化剂和催化剂，如图所示的微生物电池，能利用实现含苯酚废水的有效处理，该电池工作一段时间，中间室中NaCl溶液的浓度减小，则下列叙述正确的是

A．电极a为负极，电子从电极a经过中间室到电极b
B．M为阴离子交换膜，N为阳离子交换膜
C．正极的电极反应式为
D．当电极b产生103g沉淀时，电极a产生14.4L(标准状况下)气体
24．（2021·湖南高三其他模拟）伏打电堆由几组锌和银的圆板堆积而成，所有的圆板之间夹放着几张盐水泡过的布。如图所示为最初的伏打电堆模型，由八组锌和银串联组成的圆板堆积而成。下列说法正确的是

A．该电池发生的反应为析氢腐蚀
B．电池长时间工作后，中间的布上会有白色固体颗粒生成，该固体颗粒为Ag2O
C．当电路中转移0.1mol电子时，消耗锌板的总质量为26g
D．该伏打电堆工作时，在锌板附近会有Cl2放出
25．（2021·湖南常德市·高三一模）氨硼烷(NH3·BH3)电池装置如图所示(起始未加入氨硼烷之前，两极室内液体质量相等)，该电池工作时的总反应为NH3·BH3+3H2O2=NH4BO2+4H2O。下列说法错误的是

A．b极为正极
B．电池工作时，H+通过质子交换膜向右移动
C．a极反应式为NH3·BH3-6e-+6OH-=NH+BO+4H2O
D．当加入6.2gNH3·BH3(假设全部消耗)时，左右两极室内液体质量差为5g