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文档简介

第2课时发展中的化学电源

圈型学图也阊扬帆起航演口双宗

「学习目标令>」

1.了解常见的化学电源。

2.理解燃料电池的工作原理。

「基础盘点但」

1.干电池

最早使用的化学电池是锌镒电池,它是一种一次性电池,放完电

后不能再使用。

,正极:石墨棒

(1)锌锦电池J负极:钱管

、电解质:NH4cl

(2)碱性锌镐电池:将锌镒干电池中的电解质NH4cl换成湿的

KOH,并在构造上作了改进。

2.充电电池

充电电池又称二次电池,它在放电时所进行的氧化还原反应,在

充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。

(1)铅蓄电池:正极材料为PbO2,负极材料为强,电解质溶液为

H2s。4溶液。

(2)银镉电池:正极材料为NiO(OH),负极材料为重,电解质为

KOHo

(3)锂离子电池是新一代可充电的绿色电池-

3.燃料电池

⑴原理

利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直

接转化为电能。

(2)与其他电池的区别

由外设装备提供燃料和氧化剂,且电极材料不参与反应等。

4.废旧电池中含有汞、镉、铝等大量毒性很强的重金属,随意

丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。并通过食物链对人体健康造

成威胁和危害。因此,要把废旧电池回收到指定的地点进行再处理。

「自主训练书

1.对化学电源的叙述正确的是()

A.化学电源比火力发电对化学能的利用率高

B.最早使用的化学电池是铅蓄电池

C.化学电源均是安全、无污染的

D.化学电源是指可充电电池

解析:火力发电其能量转化率不如化学电源能量转化率高,A项

正确;最早使用的化学电池是锌镒电池,最早使用的充电电池是铅蓄

电池,B项错误;化学电源一般较安全,但含重金属的电源如果随意

丢弃,将会给环境带来严重的污染,C项错误;有些化学电源是可充

电电池,如铅蓄电池,有些是不可充电的电池,如干电池,D项错误。

答案:A

2.锌空气电池具有蓄电量大、充电循环次数石墨电极

多等优点。下列有关说法错误的是()

气—一►

A.电池放电时Zn电极逐渐溶解

B.石墨为正极

C.电子由石墨经导线流向Zn片

D.电池放电时实现了化学能向电能的转化

解析:A项Zn为负极,碱性条件下被氧化为ZnO1而溶解,正

确;B项石墨为正极,正极上Ch得电子被还原,正确;C项电子由

负极(Zn)经导线流向正极(石墨),错误;D项电池放电是化学能转化

为电能,正确。

答案:C

3.燃料电池是目前正在探索的一种新型电池,它主要是利用燃

料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能,目前已经使用的氢氧燃料

电池的基本反应是:

%极:。2(气)+2H2O(液)+4e—==40IT

y极:抵(气)+20H—==2抵0(液)+2b

回答下列问题:

(1)%是极,发生________(填“氧化”或“还原”)反应。

(2)y是极,发生________反应,总反应方程式为

(3)若反应后得到7.2g液态水,此时氢氧燃料电池转移的电子数

为molo

解析:(1)%极:。2得电子,发生还原反应,该电极为正极。(2)y

极:H2失电子,发生氧化反应,该电极为负极。%极、y极得失电子

数相同,x极电极式与y极电极式乘以2相加得总方程式为2H2+

O2=2H2OO

(3)4e一〜2H2。

4mol2X18g

«(e~)7.2g

,_7.2gX4mol

则尸2X18g=68mol。

答案:(1)正还原(2)负氧化2H2+02==2氏0(3)0.8

酸潞要虑爨禳我灌童直深化理解

知识点H常见的化学电源

1.化学电源的分类

干电池充电电池燃料电池

普通锌镒铅蓄电池、银镉电池、锂离氢氧燃料电池、甲

举例

电池子电池等烷燃料电池

属于一次

⑴又称二次电池,该类电⑴是一种高效低

特点性电池,放

池既可放电又可充电,具有污染的新型电池;

完电后,不

能再使用双重功能;(2)工作时,将燃料

和氧化剂反应所

⑵在放电时,利用自发的

放出的化学能直

氧化还原反应,在充电时,

接转化为热能

反应可以逆向进行;

⑶可以多次充放电循环使

2.常见的化学电源

⑴普通锌镒干电池

锌锦干电池构造如图所示。

——碳棒

——MiA糊

—NHQ糊

ei筒

锌钵干电池构造示意图

其电极反应可表示为:

负极:Zn—2e==Zn2+

正极:2NH,+2e—==2NH3t+H2f

H2+2MnO2:=—MnzOs+HzO

2+2+

4NH3+Zn=[Zn(NH3)4]

淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两极的迁移速率。

电池的总反应式为•

2Zn+4NH4C1+4MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+2Mn2O3+

2H2O

(2)充电电池——二次电池

充电电池的原理为:

氧化还原反应通过特定装置产生电流

①铅蓄电池

铅蓄电池的构造状况如图所示O

铅蓄电池构造示意图

其放电原理为:

负极反应式:Pb-2e-+SOF=PbSO4

+

正极反应式:PbO2+2e-+SOF+4H=PbSO4+2H2O

电池反应式:Pb+PbO2+2H2so4==2PbSO4+2H2。②镶镉电池

负极材料:Cd

正极材料:NiO(OH)

电解质溶液:KOH溶液

负极反应式:Cd-2e+20H=Cd(OH)2

正极反应式:2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+20H-

电池反应式:Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2

⑶燃料电池

①氢氧燃料电池

负极•正极

电解质

氢氧燃料电池的电极材料一般为惰性电极,具有很强的催化活性,

如粕电极、活性炭电极等,电解液一般为40%的KOH溶液。其电极

反应式为:

正极:02+2H2O+4e=4OH

负极:2H2+4OH-4e=4H2O

总反应式为2H2+O2=2H2O

②甲烷燃料电池

该电池用金属粕片插入KOH溶液中作电极,在两极上分别通甲

烷和氧气。

负极:CH4+10OH-8e~=COr+7H2O

正极:2O2+4H2O+8e—==8OIT

电池总反应式:CH4+202+2KoH==K2cO3+3H2O

诲(2018•辽宁六校协作体期中)日常所用干电池的电极分别

为碳棒和锌皮,以糊状NH4cl和ZnCb作电解质(其中加入MnCh氧

化吸收e),电极反应可简化为Zn-2e=Zn2+;2NH:+2e-

=2NH3f+H2f(NH3再用于结合Zn2+)。根据上述叙述判断下列说

法中正确的是()

①锌为正极,石墨为负极②锌为负极,石墨为正极③工作时,

电子由石墨极经过外电路流向锌极④长时间连续使用时,内装糊状

物可能流出而腐蚀用电器

A.①③B.②③

C.③④D.②④

【解析】由负极失电子发生氧化反应,正极得电子发生还原反

应或根据原电池的形成条件,相对活泼(指金属性)的一极为负极,相

对不活泼的一极为正极可判断出①错误,②正确;在外电路,电子从

负极流向正极,③错误;长时间连续使用该电池,由于锌皮慢慢溶解

而破损,且MnCh不断吸收H2而产生HzO,糊状物也越来越稀,故

其容易流出而腐蚀用电器,④正确。

【答案】D

麴国II练V(2018・大庆中学阶段检测)如图所示是几种常见

的化学电源示意图,有关说法不正确的是()

废电解质

隔离板u

铅蓄电池示意图氢氧燃料电池示意图

A.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池

B.锌镒干电池在长时间使用后,锌筒变薄

C.氢氧燃料电池是将化学能转化为热能,是一种具有应用前景

的绿色电源

D.手机上使用的锂离子电池属于二次电池,是新一代可充电的

绿色电池

解析:这三个装置示意图分别是一次电池、二次电池和燃料电池,

A正确;锌镒干电池中较活泼金属锌做负极,失去电子而逐渐消耗,

所以长时间使用后,锌筒变薄,B正确;原电池都是将化学能转化为

电能的装置,氢氧燃料电池也是如此,C错误;锂离子电池同铅蓄电

池一样都属于二次电池,即可多次进行放电、充电,D正确。

答案:C

知识点口原电池电极反应式、电池反应式的书写

1.原电池电极反应式的书写

在书写电极反应式时,先确定原电池的正、负极,然后再书写。

(1)负极反应式的书写:

①活泼金属作负极时,电极本身被氧化:

若生成的阳离子不与电解质溶液反应,其产物可直接写为金属阳

离子,如:

Zn-2e==Zn2+,Cu-2eCu2+o

若生成的金属阳离子与电解质溶液反应,其电极反应式为两反应

合并后的反应式。铅蓄电池负极反应式:Pb-2e-+SOr==PbSO4o

②负极本身不反应时,常见书写方法为:

氢氧(酸性)燃料电池,负极反应式为

Hz—2e==2Ho

氢氧(碱性)燃料电池,负极反应式为

H2-2e-+2OH=2H2O。

(2)正极反应式的书写:

首先根据化合价变化或氧化性强弱判断得电子的粒子;其次确定

该粒子得电子后变成哪种形式。

如:氢氧(碱性)燃料电池,正极反应式为

02+2H2O+4e-===4OH-o

氢氧(酸性)燃料电池,正极反应式为

-

。2+4H++4e==2H2O。

铅蓄电池正极反应式为

+

PbO2+2e+4H+SOF==PbSO4+2H2Oo

2.电池反应式的书写

两电极反应式,得失电子数相等时,将两电极反应式相加即得原

电池反应式。

有时可根据题意直接写出电池反应式。如:氢氧燃料电池总反应

式为2H2+。2===2比0,酸性介质中CH4燃料电池总反应式为CH4+

2O2=CO2+2H2OO

归【特别提醒】

在书写电极反应式时,若是电解质溶液中的某种离子发生氧化或

还原时,无论该离子是强电解质提供的还是弱电解质提供的一律写离

子符号;而在原电池反应中,要遵循离子方程式的书写规则,只有易

溶的强电解质用离子符号表示。

回Li-SOCb电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分

别为锂和碳,电解液是LiAlCL—SOCL。电池的总反应可表示为4Li

+2SOCl2=4LiCl+S+SO2f。请回答下列问题:

(1)电池的负极材料为,发生的电极反应为

(2)电池正极发生的电极反应为

(3)SOC12易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCb,有Na2sCh

和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCh中,实验现象是

_____________________,反应的化学方程式为

(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是

【解析】(1)根据题给总反应方程式,分析反应中化合价变化,

Li化合价升高作还原剂,被氧化,作负极;SOCb中硫元素化合价降

低,被还原,SOCb在正极发生还原反应。该电池的负极材料为Li,

-+

电极反应式为Li-e=Lio(2)正极反应可由总反应减去负极反应

得到:2soeb+4e-==4C「+S+SC>2t。(3)题中给出有碱液吸收时

的产物,则没有碱液吸收时的产物应为HC1和S02,所以实验现象为

出现白雾和有刺激性气体生成。(4)因为构成电池的主要成分Li能和

Ch、水发生反应,且SOCb也与水反应,故该电池必须在无水、无氧

的条件下进行。

【答案】⑴锂Li-e=Li'(2)2SOC12+4e=4C1+S+

S02f

(3)出现白雾,有刺激性气体生成SOCl2+H2O=SO2f+

2HC1f

(4)锂是活泼金属,易与H2。、。2反应,S0C12也可与水反应

心变史II练勺可以将反应Zn+Br2==ZnBn设计成蓄电池,下

列表示放电时的负极反应的是()

A.Zn—2e==Zn2+B.Br2+2e==2Br

C.2Br-—2e==Bf2D.Zn2++2ei==Zn

解析:由总反应Zn+Br2==ZnBr2,可知负极为Zn,Zn失电子

转化为Zn?+,电极反应式为Zn—2e-==Zn2+,A项正确。

答案:A

嘴践涓缭产牖—―现老现用小彼身手

1.下列化学电池不易造成环境污染的是()

A.氢氧燃料电池B.锌锦电池

C.银镉电池D.铅蓄电池

解析:废旧电池中含有汞、镉、铅等多种重金属离子,极易对环

境造成污染,故A正确。

答案:A

2.下列说法正确的是()

A.银氢电池、锂电池和碱性锌锦干电池都是二次电池

B.燃料电池的能量转化率可达100%

C.化学电池的反应基础是氧化还原反应

D.锌锦干电池中石墨棒作负极

解析:碱性锌镒干电池是一次电池,A项错误;燃料电池的能量

转化率很高,但能量转化率不会达到100%,B项错误;锌镒干电池

中石墨棒作正极,D项错误;只有C项正确。

答案:C

3.某化学电源的工作原理如图所示。下列说法不正确的是()

--1电动机—'

氢氧化钾溶液

氢氧化钾溶液

A.采用多孔金属作电极可增大电极接触面积,提高对气体的吸

附能力

B.通H2的电极作负极,发生氧化反应

-+

C.通。2的电极发生的电极反应:O2+4e+4H=2H2O

D.该电池工作时发生的主要能量转化形式为化学能转化为电能

和热能

解析:该化学电源中通H2的电极为负极,通02的电极为正极,

电解质溶液为K0H,正极反应式为。2+41+2H2O==4OH,C项

错误。

答案:C

4.(2018•佛山市第一中学期中)由锌片和石墨棒作为电极的原电

池,电极反应分别是:石墨2H2O+C)2+4e—==4OH—;锌片2Zn+

-

4OH-4e-=2ZnO+2H2O0下列说法不正确的是()

A.电子从石墨经外电路流向锌片

B.锌片是负极,发生氧化反应

C.石墨是正极,发生还原反应

D.原电池是将化学能转化为电能的装置

解析:该原电池中,锌失电子发生氧化反应而作负极,石墨作正

极,电子由锌片通过外电路流向石墨,正极上氧气得电子发生还原反

应,A错误,B、C正确;原电池是将化学能转化为电能的装置,D

正确。

答案:A

5.铅蓄电池(原电池)工作时,总反应为PbO2+Pb+

2H2SO4=2PbSO4+2H2O□由此可以判断:

(1)原电池的电极材料:①正极;②负极O

+

(2)电极反应式:正极PbO2+4H+SOF+2-==PbSO4+2H2O,

请写出该电池负极反应___________________________________

(3)工作后,蓄电池里电解质溶液的pH将如何变化,请分析变化

的理由_________________________________________________________

解析:由总反应PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O可知:PbCh

得到电子作正极,Pb失去电子作负极;该反应过程中消耗了H2so4,

故电解质溶液的pH升高;由总反应方程式减去正极反应式可得到负

极反应为Pb-2e-+SOr=PbSO4o

答案:⑴①PbO2②Pb(2)Pb-2e-+SOF=PbSO4(3)变大,

在反应过程中消耗了H2s04

源瑜蹑虢腌蒯——胆立ja他检测全而梃升

「基础达标3」

1.下列电池不属于二次电池的是()

A.碱性锌锦电池B.铅蓄电池

C.银镉电池D.锂离子电池

解析:碱性锌镒电池是一次电池,不能重复使用,A符合题意,

B、C、D都属于二次电池。

答案:A

2.锂电池是一代新型高能电池,它以质量轻、能—.4

量高而受到普遍重视,目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为Li+MnO2==LiMnO2,下一赢诉一

列说法正确的是()

A.Li是负极,电极反应为Li—eI==Li+

B.Li是正极,电极反应为Li—b==Li+

C.Li是负极,电极反应为MnCh+e—==MnO9

D.Li是负极,电极反应为Li—2e==Li2+

解析:根据电池总反应可知Li化合价升高,被氧化,锂为该电

池负极材料,电极反应式为Li—e「=Li+,正极放电的为MnCh,故

A项正确。

答案:A

3.高铁电池是一种新型电池,与普通高能电池相比,该电池长

时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn(OH)2+2Fe(OH)3

充电

+4K0H3Zn+2K2FeO4+8H2O,下列叙述正确的是(

放电

A.放电时正极附近溶液的碱性增强

B.放电时每转移3mol电子,正极有1molKzFeCU被氧化

C.放电时正极反应为:Zn-2e+2OH=Zn(OH)2

D.该原电池,Zn作正极,可用石墨等作负极

解析:由高铁电池的总反应式可知,放电时正极反应式为FeOE

-

+4H2O+3e^=Fe(OH)3+5OH,正极生成OH,c(OJT)增大,碱

性增强,A项正确;根据A项正极反应式可知,转移3moi电子,有

1molKFeCU被还原,B项错误;放电时,Zn在负极失电子,电极反

应式为Zn—2e~+20H—==Zn(0H)2,C项错误;该原电池中Zn化合

价升高转化为Zn(0H)2,应采用Zn作负极,不能用石墨作负极,D

项错误。

A.a极质量不变

B.b极为电池负极

C.电子由a极经负载流向b极

D.由电能转变为化学能

解析:根据电池反应2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2,在a极,铁

在反应过程中失电子,生成Fe2+,在NaOH溶液中Fe2+^OH一反应

生成Fe(OH)2,故a极质量增加,A项错误;b极。2得电子,b极为

电池的正极,B项错误;电子从负极(a极)流出,经过外电路流向正

极(b极),C项正确;原电池是将化学能转化为电能的装置,D项错

、口

沃。

答案:c

5.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反

应为

CH3cH20H-4e-+H2O=CH3COOH+4H+。下列有关说法正确

的是()

A.检测时,电解质溶液中的H+向负极移动

B.正极上发生的反应为。2+4「+2H2。==4(汨一

C.若有0.4mol电子转移,则在标准状况下消耗4.48L氧气

D.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH+O2—->CH3COOH+

H2O

解析:酒精检测仪利用了燃料电池原理。检测时,电解质溶液中

阳离子移向正极,A项错误;该电池电解质溶液为酸性电解质,正极

不会产生OH,正极反应式为O2+4e-+4H+==2H2。,B项错误;

若有0.4mol电子转移,正极消耗0.1mol。2,其标准状况下的体积为

2.24L,C项专昔误;负极反应为CH3cH2OH—4e-+H2O==CH3coOH

+4H+,正极反应为C)2+4e+4H+==2H2O,两电极反应式相加可得

总反应式,CH3CH2OH+O2—->CH3COOH+H2O,D项正确。

答案:D

6.“盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极,向极板

上滴加食盐水后电池便可工作,电池反应为2Mg+02+

2H2O=2Mg(OH)2,下列关于该电池的说法错误的是()

A.镁片作为负极

B.正极发生氧化反应

C.电池工作时镁片逐渐被消耗

D.食盐水作为电解质溶液

解析:根据原电池反应式知,Mg元素化合价由0价变为+2价,

所以Mg失电子作负极,A项正确;正极反应式为Oz+4e+

2H2O=4OH",正极发生的是还原反应,B项错误;Mg作负极,电

极反应式为Mg—2e-==Mg2+,所以电池工作时镁片逐渐被消耗,C

项正确;该原电池中,电解质溶液是食盐水,D项正确。

答案:B

7.我国首先研制的以铝、空气、海水为能源的新型航标灯,是

以海水为电解质溶液的。只要把灯放入海水中数分钟后就会发出耀眼

的光,其能量比普通干电池高20〜50倍,试推测此电池的基本结构:

(1)电池的负极是,其电极反应式为0

(2)可用材料作正

极。

(3)已知正极发生的电极反应式为02+2H2O+4e-=4OH",则

电池的总反应方程式为O

解析:由铝、空气、海水为能源的电池可知铝作负极,失去电子

3+

电极反应为Al-3e"=Al,正极反应为02+2H2O+4e-=4OH-,

所以正极材料是比铝不活泼的金属或能导电的非金属单质,由正、负

极电极反应及得失电子守恒,可得电池总反应方程式为4A1+3O2+

6H2O=4A1(OH)3O

答案:⑴铝Al-3e-=Al3+

(2)金属性比铝弱的导体或导电的非金属石墨

(3)4A1+3O2+6H2O=4A1(OH)3

8.(2018•长春外国语学校月考)微型纽扣电池在现代生活中有广

泛应用,有一种银锌电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为

KOH溶液,电极反应为Zn+20H一一2e-==ZnO+H2。,Ag2O+H2O

+2e—==2Ag+2OH一,总反应为Ag2O+Zn==ZnO+2Ag。根据反应

式回答问题:

(l)Zn是极,Ag2。发生________反应。

(2)电子由________极流向极(填“Zn”或“Ag2。”),当电路

通过1mol电子时,负极消耗物质的质量是go

(3)在使用过程中,电解质溶液中KOH的物质的量________(填

“增大”“减小”或“不变”)。

解析:(1)由电极反应式可知,Zn失电子,所以作负极,Ag2。得

电子,发生还原反应。(2)原电池工作时,电子由负极经过外电路流

向正极,即由Zn极流向Ag2。极,由电极反应式可知,每消耗1mol

Zn,转移2moi电子,所以通过1mol电子时消耗0.5molZn,即0.5

molX65g/mol=32.5g锌。(3)由电极反应式和总反应式可知,在放电

过程中,KOH只是起到了增强导电性的作用,不参与反应,故电池

使用过程中KOH的物质的量不变。

答案:(1)负还原(2)ZnAg2O32.5(3)不变

「能力提升应

1.1980年我国首次制成燃氢汽车,乘员12人以50km/h行驶

340km。燃料电池车采用的燃料是装在特别的高压储罐中的液氢,

“吃氢排水”。下列有关此燃料电池的说法正确的是()

A.该电池工作时,可产生蓝色的火焰

B.电池工作时,电子由正极流向负极

C.该电池进空气的极为电池负极,发生电极反应:2H2O+O2

+4e-=4OH"

D.燃料电池的能量利用率比氢气直接燃烧高

解析:燃料电池工作时燃料和氧化剂并不直接接触,所以不会产

生火焰,A错;所有化学电源工作时,电子都是从负极移向正极,B

错;发生氧化反应的极为负极,C错;燃料电池是特殊的能量转化原

理可使其理论能量转换效率高达90%,D正确。

答案:D

2.(2018・遵义航天高级中学月考)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()

b

Li,SO冰溶液

A.放电时,a极锂的化合价发生变化

B.电流的方向为a到b

C.a为电池的正极

D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移

解析:放电时,a电极为正极,Mn元素化合价发生变化,锂的

化合价不变,b电极为负极,电流的方向为a到b,A错误,B、C正

确;b电极Li失电子产生Li+,a电极为正极,所以溶液中Li卡从b

向a迁移,D正确。

答案:A

3.燃料电池是燃料(如CO、氏、CH4、CH30H等)跟氧气或空气

反应,将此反应的化学能转化为电能的装置,电解质通常为K0H溶

液。有人设计出利用CH4和。2的反应,用箱电极在K0H溶液中构

成原电池,电池的总反应类似于CH4在02中燃烧,则下列说法正确

的是()

-

①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole②负极上CH4

失去电子,电极反应式CH4+IOOH-8e=COr+7H2O③负极

上是获得电子,电极反应式为O2+2H2O+4e-==4OIT④电池

放电后,溶液pH不断升高

A.①②B.①③

C.①④D.③④

解析:CH4中的C为一4价,碱性介质中反应变为COr中的C

为+4价,1molCH4失去的电子数为8mol,电极反应为CH4+IOOH

-①②正确;在负极上反应,在正极上

-8e^=COF+7H2O,CH4Ch

反应,③错误;CH4和在反应过程中生成C02,与KOH反应消耗

了KOH,故溶液pH降低,④错误,A正确。

答案:A

4.锌一空气电池(原理如图)适宜用作城市电动车的动力电源。

该电池放电时Zn转化为ZnOo该电池工作时,下列说法正确的是

多孔板

A.Zn电极是该电池的正极

电极的电极反应:+

B.Zn

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