新高考化学二轮复习 原电池化学电源 学案

原电池化学电源

一三高考真题•研究一

1.(2021.山东等级考)以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH-

02、N2H4-。2、(CH3)2NNH2-O2清洁燃料电池，下列说法正确的是

()

A.放电过程中，K+均向负极移动

B.放电过程中，KOH物质的量均减小

C.消耗等质量燃料，(CH3)2NNH2-O2燃料电池的理论放电量最大

D.消耗1molO2时，理论上N2H4-。2燃料电池气体产物的体积在标

准状况下为H.2L

【解析】选C。碱性环境下，甲醇燃料电池总反应为

2cH3OH+3O2+4KOH=2K2co3+6H2O；N2H4-O2清洁燃料电池总反

应为N2H4+O2=N2+2H2O；(CH3)2NNH2中C和N的化合价均为-2

价，H元素化合价为+1价，所以根据氧化还原反应原理可推知其燃

料电池的总反应为(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2cO3+N2+6H2O,

据此结合原电池的工作原理分析解答。A.根据放电过程为原电池工

作原理，钾离子均向正极移动，A错误；B.根据上述分析可知，

N2H4-。2清洁燃料电池的产物为氮气和水，其总反应中未消耗

KOH,所以KOH的物质的量不变，其他两种燃料电池根据总反应

可知，KOH的物质的量减小，B错误；C.理论放电量与燃料的物质

的量和转移电子数有关，设消耗燃料的质量均为mg,则甲醇、

N2H4和（CH3）2NNH2放电量（物质的量表达式）分别是一4~-X6、

32g-mol-1

一回「x4、一色「X16,通过比较可知（CH3）2NNH2理论放

32g-mol-160g-mol'1

电量最大，C正确；D.根据转移电子数守恒和总反应式可知，消耗1

molO2生成的氮气的物质的量为1mol,在标准状况下为22.4L,D

错误。

2.（2021.广东选择考）火星大气中含有大量CO2,一种有CO2参加反

应的新型全固态电池有望为火星探测器供电。该电池以金属钠为负

极，碳纳米管为正极，放电时（）

A.负极上发生还原反应

B.CC>2在正极上得电子

C.阳离子由正极移向负极

D.将电能转化为化学能

【解析】选B。根据题干信息可知，放电时总反应为

4Na+3co2=2Na2cO3+C。放电时负极上Na发生氧化反应失去电子

生成Na+,故A错误；放电时正极为CO2得到电子生成C,故B正

确；放电时阳离子由负极移向正极，故C错误；放电时装置为原电

池，能量转化关系为化学能转化为电能，故D错误。

3.（2020.全国卷I）科学家近年发明了一种新型Zn-CCh水介质电池。

电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室

气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了

一种新途径。下列说法错误的是（）

A.放电时，负极反应为Zn-2e+4OH=Zn(OH)i-

B.放电时，1molCO2转化为HCOOH,转移的电子数为2mol

C.充电时，电池总反应为2Zn(OH»-=2Zn+O2t+4OH+2H2O

D.充电时，正极溶液中OH浓度升高

【解析】选D。放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为

Zn-2e+4OH=Zn(OH)i-，故A正确；放电时，CCh转化为

HCOOH,C元素化合价降低2,则1molCO2转化为HCOOH时，

转移电子数为2mol,故B正确；充电时，阳极上H2O转化为02,

负极上Zn(OH)i-转化为Zn,电池总反应为2Zn(OH)i-

=2Zn+O2T+40H+2H2。，故C正确；充电时，正极即为阳极，电

+

极反应式为2H2O-4e-=4H+O2t,溶液中H+浓度增大，溶液中

c(H+>c(OH)=Kw,温度不变时，Kw不变，因此溶液中OH浓度降

低，故D错误。

4.(2020.全国卷川)一种高性能的碱性硼化钢(VB2)—空气电池如图所

示，其中在VB2电极发生反应：VB2+16OH-lle==VO：

+2B(OH)4-+4H2OO该电池工作时，下列说法错误的是()

A.负载通过0.04mol电子时，有0.224L(标准状况)。2参与反应

B.正极区溶液的pH降低，负极区溶液的pH升高

C.电池总反应为4VB2+1102+200H+6H20=8B(OH)；+4VO：

D.电流由复合碳电极经负载、VB2电极、KOH溶液回到复合碳电极

【解析】选Bo该电池中02在正极发生的反应为O2+2H2O+4e-

=4OH,所以负载通过0.04mol电子时，有0.224L(标准状况)。2

参与反应，A正确；根据正负极电极反应式可知使用过程中负极区

溶液的pH降低、正极区溶液的pH升高，B错误；根据两极电极反

应式可知电池总反应为4VB2+1102+200H+6H20=8B(OH)[+

4VO1-,C正确；VBz电极和复合碳电极分别为电池的负极、正

极，根据物理学知识可知电流由复合碳电极经负载、VB2电极、

KOH溶液回到复合碳电极，D正确。

考情分析

1.试题特点

原电池、化学电源是氧化还原反应知识的应用和延伸，高考试题中

一定涉及，试题注重了题材的生活化、实用化、情境化，同时也加

强了不同知识间的相互渗透与融合，试题的背景较为新颖，通常考

查的知识点是从闭合回路的形成角度分析原电池、化学电源的工作

原理，电极的判断，电极反应式的书写，电子的转移或电流的方向

和溶液中离子的移动方向的判断。

2.命题角度

预计高考会继续以新型电池为背景的选择题和以电极反应式书写为

主的填空题，考查化学电源中正负极的判断、电极反应式的书写及

有关化学电源的计算等知识点。

一核心要点•突破

任务一原电池的工作原理及正负极的判断

1.原电池的结构及工作原理（以Cu、Zn和稀硫酸构成的原电池为例）

负极装置正极

“惰性”材

活泼金属，

料，电子流

电子流出，

入，阳离子

阴离子移向

移向正极，

负极，发生

发生还原反

氧化反应

应

Zn-2e-总反应：2H++2已

2++2+

=Zn2H+Zn=H21+ZnH2T

化学能一电能

2.原电池正、负极的判断：

⑴依据构成原电池两极的电极材料判断。一般是较活泼的金属为负

极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

(2)依据原电池两极发生反应的类型判断。负极发生氧化反应，正极

发生还原反应。

(3)依据电子流向或电流方向判断。在外电路中，电子由负极流向正

极，电流由正极流向负极。

(4)依据原电池电解质溶液中离子的移动方向判断。阳离子向正极移

动，阴离子向负极移动。

(5)依据原电池盐桥中离子的移动方向判断。阳离子向正极移动，阴

离子向负极移动。

微训练1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。

写出正极与负极反应的电极反应式。

负极：;

正极：O

【解析】左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成

MV2+,电极反应式为MV+-e-=MV2+,放电生成的MV?+在氢化酶

的作用下与比反应生成H+和MV+,反应的方程式为

2+++

H2+2MV=2H+2MVO

答案：MV+-e-=MV2+MV2++e—MV+

【补偿训练】

固体电解质可以通过离子迁移传递电荷，利用固体电解质

RbAg4l5可以制成电化学气敏传感器，其中迁移的物种全是Ag+。如

图是一种测定含量的气体传感器示意图，可以透过聚四氟乙烯

薄膜，根据电池电动势变化可以测得02的含量。

分析气体。2聚四氟乙烯膜

-多孔石墨电极

RbAg4I5

电位计\〃〃〃〃〃/7〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃，〃〃〃〃、-银电极

⑴根据电极材料判断，银电极为极。

(2)写出电极反应式：

负极：0

正极：。

答案：⑴负(2)Ag-e-=Ag+b+2Ag++2e-=2AgI

任务二二次电池的工作原理

1.二次电池充放电时电极对应关系

---------[<->]--------

项板H氧化反应）（还原反应

（放电〉------（二次电池）--------•｛充电）

式破）■（还原反应）（氧化反应

---OEO---

2.可充电电池电极反应的书写

（1）列物质写式子

负极反应式：符合“还原剂力e-一氧化产物”的形式；正极反应式：符

合“氧化剂+〃已一还原产物”的形式。

⑵看环境配守恒

检查是否符合原子守恒、电荷守恒；若是酸性介质：多余的“O”，加

“H+”转化为H2O，不能出现OH-；若是碱性介质多余的“O”加“比0”

转化为OH-,不能出现H+。若是在熔融态电解质中进行的反应，则

可添加熔融态电解质中的相应离子。

放电

例如：全钢液流电池的总反应为701+2H++V2+充新.

3+2+

V+VO+H2OO

正极反应式先写成：VO；+e-VO2+,多余的“0”，加“H”转化为

+2+

H2O,则正极反应式为VO才+2H+e-=VO+H2Oo

⑶两式加验总式

两电极反应式相加，与总反应式对照验证（对于较复杂的电极反应

式，可用总反应式减去较简单一极的电极反应式得到）。

微训练2某高能LiFePO4电池工作原理为

放电,

(1-%)LiFePC)4+xFePO4+LixC”二^^LiFePO4+〃C。

写出下列反应的电极反应式：

正极：；

阳极：O

,_放电

【解析】根据电池工作原理：(l-%)LiFePO4+xFePO4+Li.rC,「宝广,

LiFePO4+〃C可知，放电时为原电池,C的化合价升高，发生失电子

+

的氧化反应,电极反应式为UxCn-xe=xU+nC,则Li,。,所在电极

为负极,FePO4所在电极为正极，发生得电子的还原反应，正极电

极反应式为xFePO4+XLi++xe==xLiFePO4；充电时为电解池，原电

池的正、负极分别与电源的正、负极相接、作电解池的阳极、阴

极，阳、阴极电极反应与原电池正、负极的恰好相反。放电时，正

极上FePO4发生得电子的还原反应，电极反应为％FePO4+xLi++%e-

=%LiFePO4；充电时，阳极上LiFePCM失电子发生氧化反应，阳极

+

的电极反应为LiFePO4-e-=FePO4+Lio

答案：入FePC)4+%Li++尤e-==%LiFePC)4

+

LiFePO4-e=FePO4+Li

教师

专用

2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池开发的三位科学家。一

种锂离子电池的结构如图所示，电池反应式为LivC6+Lil,rCoO2

放电

•一瘫一C6+LiCoC)2(x<l)o

写出下列反应的电极反应式：

正极：______________________

负极：;

阳极：______________________

阴极：O

放电

【解析】根据电池总反应式：Li.vC6+Lii..tCoO2充电C6+LiCoO2(^<l)

可知，Li的化合价升高、发生失去电子的氧化反应，则b电极为负

+

极，负极反应式为LivC6-^e-=C6+^Li；Co的化合价降低、发生得

电子的还原反应，a电极为正极，正极反应式为Lii*CoO2+xLi++xe-

=LiCo02o放电时，阳离子移向正极、阴离子移向负极；充电

时，阴极、阳极分别与外电源的负极、正极相接。

+

答案：Lii-xCoO2+A：Li+^e-=LiCoO2

LixC6-xe-==C6+%Li+

LiCoO2-%e-=Li]7co。2+%口++%已

C6+%Li++xe-=LixC6

任务三关于新型化学电源的计算

新型化学电源解题步骤

第一步审题干，析图示，判断原电池

(1HI

解

题

四4第二步算价态，找变化，判断正负极I

步

骤

)1第三步H按原理，抓守恒，书写反应式)

＜第四步据产物，判移向，计算各种量

微训练3以柏林绿Fe[Fe(CN)6]为代表的新型可充电钠离子电池,

其放电工作原理如图所示。下列说法错误的是()

用电器

2+

Fe[Fe(CN)6][Mg2Cl2]

Na2Fe[Fe(CN)6]Mg

含Na+的有

Mo箔机电解质Mg箔

A.放电时，Na+由右室移向左室

B.放电时，Mg箔为负极，该电极发生氧化反应

+

C.充电时，阳极反应式为Na2Fe[Fe(CN)6]-2e-=Fe[Fe(CN)6]+2Na

D.用铅蓄电池为该电池充电时，当有0.2mol电子转移时，Pb电极

质量减少

20.7g

【解析】选D。由图可知，右室镁失电子发生氧化反应,Mg箔为负

极，则Mo箔为正极，所以放电时，Na+由右室移向左室，A、B正

确；充电时，Mo(铝)箔接电源的正极，是电解池的阳极，阳极反应

+

式为Na2Fe[Fe(CN)6]-2e-=Fe[Fe(CN)6]+2Na,C正确；外电路中通

过0.2mol电子的电量时，Pb电极发生的反应为SOi-+Pb-2e

=PbSO4,质量增加了9.6g,D错误。

教师专用

【典例】（2020.天津等级考）熔融钠-硫电池性能优良，是具有应用前

___放电

景的储能电池。如图中的电池反应为2Na+xSWNa2S.*5~3,

难溶于熔融硫）。下列说法错误的是（）

不锈钢容器

Na-p_AkCh固体

熔融钠

熔融硫（含碳粉）

2s4的电子式为Na+「§：““§：f-Na+

B.放电时正极反应为％S+2Na++2e--Na2Sx

和Na2sx分别为电池的负极和正极

D.该电池是以Na-P-Al2O3为隔膜的二次电池

【解析】选CoNa2s4为离子化合物，构成离子为Na+、，电子

式为

Na+「§："§："p-Na+,A项正确；根据电池总反应，放电时

正极上S发生还原反应，且Na+向正极移动参与反应，电极反应为xS

+2Na++2e-=Na2S.v,B项正确；Na为电池的负极，S为电池的正

极,C项错误；根据电池总反应及示意图，可知该电池是以Na-P-Al2O3

为隔膜的二次电池，D项正确。

，变式•迁移

（物质不变装置变）钠一硫电池是一种以熔融金属钠和熔融非金属

硫为电极材料，以陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。如图所示为钠

—硫电池的工作原理，根据图示判断下列叙述正确的是（）

a1充电器.fb

.Na2sx

-S

A.该电池的优点是容量大，使用温度为常温，便于操控

B.放电时，负极反应式为xS+2Na++2e-===Na2sx

C.充电时，e为充电器正极，f为负极

D.充电时，阴极反应式为Na++e-==Na

【解析】选D。由题干信息熔融状态的钠和硫可知该电池不能在常

温下工作，A项错误；放电时是原电池，钠在负极发生失去电子的

氧化反应，硫在正极发生得到电子的还原反应，正极反应式为

xS+2Na++2e--Na2Sx,B项错误；放电时,a为电池负极，b为正

极，则充电时，电池正极接充电器正极，负极接充电器负极，即充

电时，e为充电器负极，f为正极,C项错误；充电时，Na+在阴极

得电子生成Na,则充电时，阴极反应式为Na++e'=Na,D项正

确。

模型•建构

解答可逆电池试题的思维模型

题组训练•过关》

题组一常规原电池

1.（2021・潍坊重点高中高三联考）我国科学家报道了如图所示的水溶

液锂离子电池体系。下列叙述错误的是（）

Li2so冰溶液

为电池的正极

B.电池充电反应为LiMn2O4=Lii-xMn2O4+%Li

C.放电时，a极锂的化合价发生变化

D.放电时，溶液中Li+从b向a迁移

【解析】选Co原电池放电时，D电极Li失电子，作负极，电极反

应式：Li-e=Li+；a极作正极，LiMn2C)4得电子，电极反应式：Lii-

xMn2O4+xe+xL+==LiMn2O4，总反应式ILii-

vMn2O4+^Li=LiMn2O4oLi发生氧化反应，所以a为正极，故A正

确；电池充电反应为LiMn2O4==Lii-AMn2O4+JcLi,故B正确；放电

时，b极锂的化合价升高发生氧化反应，故C错误；a为正极，放电

时溶液中Li+从b向a迁移,故D正确。

题组二可充电电池

2.(2021.衡水中学二模)利用碳纳米管能够吸附氢气，设计一种新型

二次电池，其装置如图所示。关于该电池的叙述不正确的是

()

碳纳米管(出)电极镇电极

卜|/1I

6mol-L-"潸

KOH溶液NiOOH

A.电池放电时K+移向正■极

B.电池放电时负极反应为H2-2e+2OH-=2H2O

C.电池充电时银电极上NiOOH转化为Ni(OH)2

D.电池充电时碳纳米管电极与电源的负极相连

【解析】选C。原电池放电时，阳离子向正极移动，A项正确；该

电池中压在负极上失电子，发生氧化反应，因电解质溶液为碱性溶

液,故OH参与反应，B项正确；放电时，正极(镁电极)上发生化合

价降低的还原反应,即由NiOOH转化为Ni(OH)2,充电时正好相

反，由Ni(OH)2转化为NiOOH,C项错误；充电时，该新型二次电

池在外加电流的作用下，碳纳米管电极上发生还原反应，故碳钠米

管电极作阴极，与电源负极相连，D项正确。

3.(2021.武汉一中高三第二次模拟)中国科学院研发了一种新型钾电

池，有望成为锂电池的替代品。该电池的电解质为CF3so3K溶液，

其简要组成如图所示。电池放电时的总反应为

2KCi4Hio+^MnFe(CN)6=2Kl-xCi4H1o+^K2MnFe(CN)6,则下列说法

中，正确的是()

——|用电器|-----

CF3so3K

22mol-L'1

电极A电极B

MnFe(CN)6KC14H10

A.放电时，电子从电极A经过CF3so3K溶液流向电极B

B.充电时，电极A质量增加，电极B质量减少

C.放电时，CF3so3K溶液的浓度变大

+

D.充电时，阳极反应为K2MnFe(CN)6-2e-=2K+MnFe(CN)6

【解析】选D。放电时，该装置为原电池装置，即放电时电子不可

能经过电解质溶液，故A错误；放电时，负极(电极B)反应式为

+

KCi4Hio-^e-=Ki-xCi4Hio+^K,正极（电极A）反应式为

+

MnFe(CN)6+2e-+2K=K2MnFe(CN)6,充电时应将放电反应倒过来

看，显然电极A的质量是减少的，电极B的质量是增加的，故B错

误；根据B分析，放电时，CF3so3K溶液的浓度不发生变化，故

C错误；充电时，电池的正极接电源的正极，充电时的电极反应式

应是放电时电极反应逆过程，即阳极反应式为K2MnFe(CN)6-2e-

+

=2K+MnFe(CN)6,故D正确。

题组三燃料电池

4.(2021.东营一模)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

说法错误的是()

i有机物

氧化菌

i^co2V-J

［硫酸盐；、QlS苏空气

区原菌介2十

质子交换膜

+

电极发生还原反应：4H+O2+4e=2H2O

B.电路中有4mol电子发生转移，大约消耗标准状况下22.4L空气

C.维持两种细菌存在，该装置才能持续将有机物氧化成CCh并产生

电子

一在硫氧化菌作用下转化为SO；-的反应是HS+4H2O-8e===SO；-

+9H+

【解析】选Bo燃料电池通氧气的电极为正极，则b电极为正极，发

生还原反应，电极反应为4H++Ch+4e-=2H2O,故A正确；电路

中有4mol电子发生转移，消耗氧气的物质的量为二#=1mol,标

准状况下体积为22.4L,则大约消耗标准状况下空气22.4Lx5=112

L,故B错误；硫酸盐还原菌可以将有机物氧化成二氧化碳,而硫氧

化菌可以将HS-氧化成SOi-，则两种细菌存在，就会循环把有机物

氧化成CO2放出电子，故C正确；负极上HS-在硫氧化菌作用下转

化为SOi-，失电子发生氧化反应，电极反应式是HS-+4H2O-8e-

=SOi-+9H+,故D正确。

教师

专用【补偿训练】

1.（2021・济南历城二中模拟）法国格勒诺布尔（Grenoble）约瑟夫.傅

立叶大学的研究小组发明了第一块可植入人体为人造器官提供电能

的葡萄糖生物燃料电池，其基本原理是葡萄糖和氧气在人体中酶的

作用下发生反应：C&H12O6+6O2—8—6co2+6H2CX酸性环境）。下列

有关该电池的说法不正确的是（）

A.该生物燃料电池不可以在高温下工作

B.电池的负极反应式为C6Hl2O6+6H2O-24e--6CO2T+24H+

C消耗1mol氧气时转移4mole-,H+向负极移动

D.今后的研究方向是设法提高葡萄糖生物燃料电池的效率，从而使

其在将来可以为任彳可可植入医疗设备提供电能

【解析】选C。酶在高温下会变性，失去催化活性，所以该生物燃

料电池不可以在高温下工作，A项正确；电池中C6H