2022～2023学年高三化学单元自学提升知识汇第4章 第1节 能力课时7 突破新型化学电池(学案)

PAGE1PAGE能力课时7突破新型化学电池探究任务能依据原电池工作原理，分析认识新型化学电池，增强科技意识，提升科学态度与社会责任的化学核心素养。1．新型电池中正、负极的判断方法特别提醒：判断一个原电池中的正、负极，最根本的方法是失电子(发生氧化反应)的一极是负极，得电子(发生还原反应)的一极是正极。如果给出一个化学方程式判断正、负极，可以直接根据化合价的升降来判断，化合价升高、发生氧化反应的一极为负极，化合价降低、发生还原反应的一极为正极。2．新型电池“放电”“充电”时电极反应式的正误判断(1)新型电池放电①若给出新型电池的装置图：先找出电池的正、负极，即找出氧化剂和还原剂；再结合电解质确定出还原产物和氧化产物；最后判断相应的电极反应式的正误。②若给出新型电池的总反应式：分析总反应式中各元素化合价的变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，还原剂及其对应的氧化产物，最后考虑电解质是否参加反应，判断电极反应式的正误。(2)新型电池充电①充电时阴极的电极反应式是该电池放电时的负极反应式的“逆反应”。②充电时阳极的电极反应式是该电池放电时的正极反应式的“逆反应”。(2019·全国卷Ⅰ)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，示意图如下所示。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NH3D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动[审题流程]透过材料看本质，联系旧知解新题。B[A项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温、高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－=MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋=2H＋＋2MV＋，错误；C项，右端电极反应式为MV2＋＋e－=MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。]1．中科院董绍俊课题组将二氧化锰和生物质置于一个由滤纸制成的折纸通道内形成电池(如图所示)，该电池可将可乐(pH＝2.5)中的葡萄糖作为燃料获得能量。下列说法正确的是()A．a极为正极B．随着反应不断进行，负极区的pH不断增大C．b极的电极反应式为MnO2＋2H2O＋2e－=Mn2＋＋4OH－D．若消耗0.01mol葡萄糖，电路中转移0.02mol电子D[由已知结合图示，葡萄糖(C6H12O6)发生氧化反应生成葡萄糖内酯(C6H10O6)，所以a极为负极，故A项错误；电解质溶液显酸性，所以负极反应式为C6H12O6－2e－=C6H10O6＋2H＋，随着反应不断进行，负极区的pH不断减小，故B项错误；b极为正极，电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－=Mn2＋＋2H2O，故C项错误；由负极反应式C6H12O6－2e－=C6H10O6＋2H＋可得，1mol葡萄糖失去2mol电子，所以若消耗0.01mol葡萄糖，电路中转移0.02mol电子，故D项正确。]2．含乙酸钠和氯苯()的废水可以利用微化学电池除去，其原理如图所示，下列说法正确的是()D[电子只能在电极和导线中转移，不能通过溶液，A错误；A是正极，正极上发生得电子的还原反应：，B错误；B为负极，发生氧化反应，电极方程式为CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋，每生成1molCO2，有4mole－发生转移，C错误；电池总反应式为CH3COO－＋4＋2H2O=4＋4Cl－＋2CO2↑＋3H＋，反应生成H＋，则一段时间后，电解质溶液的pH降低，D正确。]电池续航是制约电动汽车发展的主要因素，而借助科学家发明的薄片式电池技术，这一难题有可能迎刃而解。科学家正在研究一种新电池，它可以让电动汽车充电一次续航620英里(大约1000公里)。研究人员的做法是，剔除封装单个电池的外壳，用薄片式设计取代圆柱形设计。金属片上涂有能源存储材料，它是用粉末陶瓷和聚合物黏合剂制造的。金属片的一侧是正极，另一侧是负极。然后将双极性电极一个一个堆叠起来，如同将一张张纸叠起来一样，电极之间用薄薄的电解液分开，里面还有一种材料防止电荷短路。最终，科学家将叠起来的薄片封装为大约为10平方英尺(1平方米)的电池，并与汽车电力系统连接。研究人员表示，这样的做法能够在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。[问题1]阅读材料分析薄片式电池增大电池容量的思路是怎样的？(素养角度——宏观辨识与微观探析)[提示]薄片式电池采用薄片式设计，通过在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。[问题2]薄片式电池属于二次电池，分析其充电时电极与外接电源的正、负极的连接方式。(素养角度——证据推理与模型认知)[提示][问题3]一种薄片式电池的设计原理如图所示。该电池封装的电解质溶液为6mol·L－1的KOH溶液，碳电极为吸附了氢气的纳米碳管。(素养角度——宏观辨识与微观探析)(1)写出放电时的正、负极电极反应式。[提示]负极：H2－2e－＋2OH－=2H2O；正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－=2Ni(OH)2＋2OH－。(2)写出充电时的阴、阳极电极反应式。[提示]阴极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－=2NiO(OH)＋2H2O。[问题4]思考薄片式电池等新型电池的开发对社会发展的意义。(素养角度——科学态度与社会责任)[提示]减少传统能源的使用，对可持续发展有利；减少有害物质排放，对环境保护有利。通过本情境素材中薄片式电池的分析考查，强化了电化学知识在新型电池中的应用分析，提升了宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的化学核心素养。1．(2021·北京朝阳高二月考)我国科研人员借助太阳能，将光解水制H2与脱硫结合起来，既能大幅度提高光解水制H2的效率，又能脱除SO2，工作原理如图所示。下列说法不正确的是()A．该装置可将太阳能转化为化学能B．催化剂a表面发生还原反应，产生H2C．催化剂b附近的溶液pH增大D．吸收1molSO2，理论上能产生1molH2C[在光解水的过程中，存在将太阳能转化为化学能的过程，A项正确；根据示意图，a电极为得到电子的一极，发生还原反应，电解水时2H2O2H2↑＋O2↑，得到电子一极产生氢气，B项正确；b电极为电子流出的一极，发生氧化反应：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，产生H＋，pH减小，C项错误；在b极附近，氧气、二氧化硫，以及水生成硫酸，1molSO2生成H2SO4，转移2mol电子，根据得失电子守恒，2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，将产生1mol氢气，D项正确。]2．一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，发生反应：AgCl(s)光,Ag(s)＋Cl(AgCl)，接着Cl(AgCl)＋e－→Cl－(aq)，若将光源移除，电池会立即回复至初始状态。下列说法正确的是()A．光照时，电流由Y流向XB．光照时，当转移0.1mole－时在Pt电极上有0.05molCl2生成C．光照时，Cl－向Ag电极移动D．光照时，电池总反应式为AgCl(s)＋Cu＋(aq)eq\o(=,\s\up7(光))Ag(s)＋Cu2＋(aq)＋Cl－D[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。A．光照时，电流从正极X极流向负极铂Y，错误；B．光照时，Pt电极作负极，负极上Cu＋失电子发生氧化反应，电极反应式为Cu＋(aq)－e－=Cu2＋(aq)，错误；C．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，错误；D．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发生氧化反应，所以电池总反应式为AgCl(s)＋Cu＋(aq)eq\o(=,\s\up7(光))Ag(s)＋Cu2＋(aq)＋Cl－，正确。]3．最近，科学家研发了“全氢电池”，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是()A．右边吸附层中发生了还原反应B．负极的电极反应式是H2－2e－＋2OH－=2H2OC．电池的总反应式是2H2＋O2=2H2OD．电解质溶液中Na＋向右移动，ClOeq\o\al(－,4)向左移动C[右边吸附层中H＋得电子生成H2是正极，发生了还原反应，A正确；左边吸附层是负极，发生反应：H2－2e－＋2OH－=2H2O，B正确；正极的电极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，所以总反应式为OH－＋H＋=H2O，C错误；电解质溶液中Na＋向右(正极)移动，ClOeq\o\al(－,4)向左(负极)移动，D正确。]4．(双选)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SOeq\o\al(2－,4)的反应式为HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(2－,4)＋9H＋B．电子从b流出，经外电路流向aC．如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化D．若该电池中有0.4mol电子发生转移，则有0.4molH＋通过质子交换膜AD[A项，根据题图，HS－在硫氧化菌作用下转化为SOeq\o\al(2－,4)，发生氧化反应，电极反应式为HS－＋4H2O－8e－=SOeq\o\al(2－,4)＋9H＋，正确；B项，电极a上发生氧化反应，电极a为负极，电子从电极a流出，经外电路流向电极b，错误；C项，如果将反应物直接燃烧，有化学能转化为热能或光能，能量的利用率降低，错误；D项，根据电荷守恒，若该电池中有0.4mol电子发生转移，则有0.4molH＋通过质子交换膜，正确。]5．用锂­氟化碳(氟气与碳生成的夹层化合物)电池电解含有尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液，用于废水处理和煤液化供氢，其装置如图所示(装置中c、d均为惰性电极，隔膜仅阻止气体通过)，下列说法错误的是()A．电极a为锂­氟化碳电池的负极B．电极b的电极反应式为(CFx)n＋nxe－=nC＋nxF－C．装置中电子流动方向：电极a→电极d→隔膜→电极c→电极bD．c电极区和d电极区产生的气体在相同条件下的体积比为1∶3C[原电池内电路中阳离子移向正极、阴离子移向