考点9-化学电源(核心考点归纳)(解析版)

考点9化学电源一、化学电源的分类与原理1．化学电源的分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(一次电池：用过之后不能复原，如锌锰干电池等；,二次电池：充电后能继续使用，如铅蓄电池、镍氢电池等；,燃料电池：燃料不贮存在电池内部，可持续使用，能量利,用率高，如氢氧燃料电池、甲醇—空气燃料电池。))化学电源的利用原电池原理，能量转化率比燃料燃烧高得多。一次电池是不可充电电池，电量一旦放完就无法再次使用；二次电池是可充电电池，电量放完后可进行充电，可反复使用多次。二、常见化学电源的反应原理一次电池(1)碱性锌锰干电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；负极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；(2)锌银电池总反应：Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。负极反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－；二次电池(可充电电池)电池内部储存的化学能转化为电能释放出来，也可以外界提供电能转化为化学能储存在电池内部。放电是原电池原理，充电是电解池原理。铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是eq\a\vs4\al(Pb)，正极材料是PbO2。(1)放电时的反应①负极：Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)(氧化反应)。②正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)(还原反应)。③总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)＋2H2O(l)。(2)充电时的反应①阴极：PbSO4(s)＋2e－=Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)(还原反应)。②阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－=PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)(氧化反应)。③总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)eq\o(=,\s\up7(电解))Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O充电电池并不能无限次的使用。燃料电池(1)氢氧燃料电池电极材料铂铂电解质溶液氢氧化钾溶液盐酸电池反应原理电极反应负极：2H2＋4OH－－4e－=4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－负极：2H2－4e－=4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－=2H2O总反应2H2＋O2=2H2O(2)甲醇­空气燃料电池（氢氧化钾溶液）总反应：2CH3OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋6H2O【核心归纳】(1)燃料电池的本质是燃料与氧化剂之间能够发生自发的氧化还原反应，且能够对外放出能量。(2)燃料电池在使用过程中并没有发生燃料的燃烧，而是燃料和氧化剂分别在两极放电，将化学能转化为电能。(3)燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池中发生的氧化还原反应则是缓和平稳的。(4)燃料燃烧时，大量的热能释放到空气中，能量利用率低燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置。【典型例题】例1．下列电池工作时，O2在正极得电子的是()ABCD锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池镍镉电池【答案】C【详解】A．锌锰电池中，O2不参与反应，A项错误；B．铅蓄电池中，O2不参与反应，B项错误；C．氢氧燃料电池的总反应是2H2＋O2=2H2O，因而正极是O2得电子发生还原反应，C项正确；D．镍镉电池中，O2不参与反应，D项错误。答案选C。例2．普通锌锰干电池的构造如图所示，其电池反应的方程式为：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，下列说法正确的是()A．石墨作负极B．锌失去电子，被还原C．电池工作时，电子从石墨经导线流向锌D．正极的电极反应为：NH＋MnO2＋e－=MnO(OH)＋NH3【答案】D【详解】A．根据电池反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，原电池中负极上是金属锌发生失电子的氧化反应，A项错误；B．电池中锌失去电子，被氧化，B项错误；C．电池中电子从负极流向正极即从锌经导线流向石墨，C项错误；D．正极得电子发生还原反应，所以正极的电极反应为：NH＋MnO2＋e－=MnO(OH)＋NH3，D项正确；答案选D。【考点达标随堂练】1．（2022·包头市第六中学高二期中）下列说法中不正确的是（）A．充电电池不能无限制地反复充电、放电B．燃料电池是一种高效且对环境友好的新型电池C．化学电池的反应原理是自发的氧化还原反应D．铅蓄电池和锌锰干电池都是可充电电池【答案】D【解析】A.充电电池也是有一定寿命的，故不能无限制地反复充电、放电，A正确；B.燃料电池的能量转化率高，反应产物不污染环境，故其是一种高效且对环境友好的新型电池，B正确；C.化学电池的反应原理是自发的氧化还原反应，其中还原剂在负极上发生氧化反应，氧化剂在正极上发生还原反应，C正确；D.铅蓄电池是可充电电池，锌锰干电池不是可充电电池，D不正确。本题选D。2．普通锌锰干电池的构造如图所示，其电池反应的方程式为：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，下列说法正确的是()A．石墨作负极B．锌失去电子，被还原C．电池工作时，电子从石墨经导线流向锌D．正极的电极反应为：NH＋MnO2＋e－=MnO(OH)＋NH3【答案】D【详解】A．根据电池反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，原电池中负极上是金属锌发生失电子的氧化反应，A项错误；B．电池中锌失去电子，被氧化，B项错误；C．电池中电子从负极流向正极即从锌经导线流向石墨，C项错误；D．正极得电子发生还原反应，所以正极的电极反应为：NH＋MnO2＋e－=MnO(OH)＋NH3，D项正确；答案选D。3．Mg－H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如图。该电池工作时，下列说法正确的是()A．Mg电极是该电池的正极 B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应C．石墨电极附近溶液的碱性增强 D．溶液中Cl－向正极移动【答案】C【分析】镁、过氧化氢和海水形成原电池，镁做负极发生氧化反应，过氧化氢在正极上发生还原反应，过氧化氢做氧化剂被还原为OH-，溶液pH增大，原电池中阴离子移向负极。【详解】A．组成的原电池的负极被氧化，镁为负极，不是正极，故A错误；B．双氧水作为氧化剂，在石墨上被还原变为氢氧根离子，发生还原反应，故B错误；C．双氧水作为氧化剂，在石墨上被还原变为氢氧根离子，电极反应为，H2O2+2e-=2OH-，故溶液pH值增大，故C正确；D．溶液中Cl－移动方向与同外电路电子移动方向一致，应向负极方向移动，故D错误；答案选C。4．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是()A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏C．铅蓄电池工作过程中，每转移2mol电子，负极质量减小207gD．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源【答案】C【解析】干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，A正确；在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。5．（2020·福建省安溪第一中学高一月考）Li-SO2电池具有输出功率高和低温性能好等特点。其电解质是LiBr，溶剂是碳酸丙烯酯和乙腈，电池反应为2Li+2SO2Li2S2O4。下列说法正确的是（）A．该电池反应为可逆反应B．放电时，Li+向负极移动C．充电时，阴极反应式为Li++e一=LiD．该电池的电解质溶液可以换成LiBr的水溶液【答案】C【解析】A、电池的放电和充电是在不同的反应条件下发生的，故该电池反应不能叫做可逆反应，错误；B、放电时，Li+向正极移动，错误；C、充电时，阴极发生还原反应，正确；D、电解质溶液若是水溶液，则碱金属锂会和水发生反应，错误。6．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是：X极：eq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－Y极：H2＋2OH－－2e－=2H2O下列说法正确的是()A．X是负极 B．Y是正极C．Y极上发生还原反应 D．Y极上发生氧化反应【答案】D【解析】由电极反应式可知，X极上发生还原反应，X是电池的正极，Y极上发生氧化反应，Y是电池的负极。7．研究人员研制出一种新型储备电源－锂水电池(结构如图，高硅铸铁为惰性辅助电极)，使用时加入水即可放电。下列关于该电池工作时的说法正确的是A．高硅铸铁发生氧化反应 B．OH－向高硅铸铁电极移动C．负极的电极反应式为Li－e－＝Li＋ D．电流的方向：锂电极→导线→高硅铸铁电极【答案】C【解析】锂水电池(结构如图，高硅铸铁为惰性辅助电极)，根据原电池反应原理，较活泼电极为负极，即锂电极为负极，发生氧化反应，正极为高硅铸铁，发生还原反应。A.高硅铸铁为正极，发生还原反应，A错误；B.高硅铸铁电极为正极，发生Li+的还原反应，电子从锂电极向高硅铸铁电极移动，OH－带负电荷，向锂电极移动，B错误；C.负极是锂电极发生氧化反应，电极反应式为Li－e－＝Li＋，C正确；D.电流的方向从正极指向负极，高硅铸铁电极→导线→锂电极，D错误。答案为C。8．（2022·福建省安溪第一中学高一月考）如图是甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子（H+）和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH+3O22CO2+4H2O。下列说法不正确的是A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇B．正极反应式为：O2+2H2O+4e－=4OH－C．负极反应式为：CH3OH+H2O-6e－=CO2+6H+D．该电池提供1mole－，消耗氧气0.25mol【答案】B【解析】A、左电极是电池的负极，负极上投放燃料甲醇，甲醇在负极上失电子发生氧化反应，故A正确；B、酸性条件下，正极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O，故B错误；C、负极上投放燃料甲醇，甲醇在负极上失电子生成二氧化碳，负极反应式为：CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+，故C正确；D、已知正极反应式为：O2+4H++4e-=2H2O，则消耗1mol氧气转移1mol电子，所以该电池提供1mole-，消耗氧气0.25mol，故D正确；故选B。9．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()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－===2H2OC．电池充电时镍电极上NiOOH转化为Ni(OH)2D．电池充电时碳纳米管电极与电源的负极相连【答案】C【解析】A．原电池放电时，阳离子向正极移动，则K+移向正极，A正确；B．放电时，负极上失电子发生氧化反应，电极反应式为H2－2e－＋2OH－＝2H2O，B正确；C．充电时，镍电极作阳极，阳极上失电子发生氧化反应，电极反应式为Ni（OH）2-e-+OH-=NiO（OH）+H2O，C错误；D．充电时，碳纳米管电极作阴极，则与电源的负极相连，D正确；答案选C。10．有一种瓦斯分析仪(如图甲)能够在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时，通过传感器显示出来。该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图乙所示，其中的固体电解质是Y2O3－Na2O，O2－可以在其中自由移动。下列有关叙述正确的是()A．瓦斯分析仪工作时，电池外电路中电流由电极b流向电极aB．电极b是正极，O2－由电极a流向电极bC．电极a的反应式为CH4＋5O2－－8e－=CO32—＋2H2OD．当固体电解质中有1molO2－通过时，电子转移4mol【答案】A【解析】A．电池外电路中电流由正极流向负极，氧气得电子，b极为正极，A正确；B．电极b氧气得电子，生成O2－，O2－由正极(电极b)流向负极(电极a)，B错误；C．甲烷所在电极a为负极，电极反应为CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O，C错误；D．1molO2得4mol电子生成2molO2－，故当固体电解质中有1molO2－通过时，电子转移2mol，故D错误。答案选A。11．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：C6H12O6＋6O26CO2＋6H2O(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．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－=6CO2↑＋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何可植入医疗设备提供电能【答案】C【解析】A．酶是一种蛋白质，在高温下会发生变性，失去生理活性，所以该生物燃料电池不可以在高温下工作，故A正确；B．葡萄糖生物燃料电池中葡萄糖在负极失电子发生氧化反应生成二氧化碳，其电极反应式为：C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2+24H+，故B正确；C．氧气在正极得电子，其电极方程式为：O2+4e-+4H+=2H2O，消耗1mol氧气则转移4mole-，在溶液中阳离子向正极移动，所以H+会向正极移动，故C错误；D．提高葡萄糖生物燃料电池的效率，能提高葡萄糖的能量利用率，向外提供更多的电量，故D正确；答案选C。12．（2022·河南省登封市实验高级中学高一期中）H2S是一种剧毒气体，如图为质子膜H2S燃料电池的示意图，可对H2S废气资源化利用。下列叙述不正确的是（）A．电池工作时，化学能转化为电能和热能B．电极b上发生的电极反应式为O2+4e−+4H+=2H2OC．a是负极，电池工作时，电子的流动方向是：电极a→负载→电极b→质子膜→电极aD．当电路中通过4mol电子时，有4molH+经质子膜进入正极区【答案】C【解析】A.原电池工作时，化学能转化为电能和热能，A项正确；B.根据O2→H2O，化合价降低，氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2+4e−+4H+=2H2O，B项正确；C.根据H2S燃料电池的示意图可知，在a极，H2S→S2，化合价升高，发生氧化反应，a是负极，电池工作时，电子从负极电极a经负载流向正极电极b，电子不能进入电解质溶液中，C项错误；D.根据O2+4e−+4H+=2H2O，所以当电路中通过4mol电子时，有4molH+经质子膜进入正极区，D项正确；答案选C。13．如图所示，科学家研发出一种新型质子膜电池，下列有关说法正确的是A．电流方向为由电极a流向电极b B．a电极反应式：2H2S-4e-=S2+4H+C．用此电源电解精炼铜，粗铜接在a电极 D．该装置中H+由电极b经质子膜移动到电极a【答案】B【分析】根据图示可知电极反应为：2H2S(g)+O2(g)=S2(s)+2H2O反应，得出负极为a，H2S在负极上失电子发生氧化反应，正极为b，O2在正极上得电子发生还原反应，电子从负极流向正极，a电极反应式：2H2S-4e-=S2+4H+，b电极的电极反应为：O2+4H++4e−=2H2O，据此分析。【详解】A．电子的流向为从负极到正极，负极为a，正极为b，电子流动方向为由电极a流向电极b，电流的方向与电子的流向相反，b流向电极a，故A错误；B．根据反应：2H2S(g)+O2(g)=S2(s)+2H2O，得出负极为a，H2S在负极上失电子发生氧化反应，a电极反应式：2H2S-4e-=S2+4H+，故B正确；C．此电源为燃料电池，是原电池，用此电源电解精炼铜，粗铜接在阳极，b电极为阳极，粗铜接在b电极，故C错误；D．由电极反应可知，氢离子在a电极上产生，在b电极上消耗，该装置中H+由a电极经质子膜移动到电极b，故D错误；答案选B。14．某鱼雷采用动力电池，以溶解有氢氧化钾的流动海水为电解液，电池反应为，下列说法正确的是()A．为电池的负极B．在电池反应中被氧化C．该电池将电能转化为化学能D．工作一段时间后溶液的碱性增大【答案】B【详解】A．中的银离子得到电子，化合价降低，发生的是还原反应，则是电池的正极，A错误；B．在反应中，失去电子，化合价升高，发生的是氧化反应，则被氧化，B正确；C．电池是将化学能转化为电能的装置，C错误；D．从电极反应式来看，参与了化学反应，随着反应的进行，溶液中的浓度逐渐减小，则溶液的碱性逐渐减小，D错误；故选B。15．某新型电池可净化废水，同时还能获得能源或有价值的化学产品，其工作原理如图所示，下列叙述错误的是

A．该电池左室电极为负极B．左池消耗的S2-与右池消耗的NO的物质的量之比为5：8C．H+通过质子膜从左向右迁移D．正极区溶液的pH降低、负极区溶液的pH升高【答案】D【分析】左侧电极上S2-转化为SO，S元素被氧化，所以左侧电极为负极，右侧电极上NO转化为N2，N元素被还原，所以右侧为正极。【详解】A．侧电极上S2-转化为SO，S元素被氧化，所以左侧电极为负极，A正确；B．S2-转化为SO，S元素化合价升高8价，NO转化为N2，N元素化合价降低5价，根据电子得失守恒可知左池消耗的S2-与右池消耗的NO的物质的量之比为5：8，B正确；C．原电池中阳离子由负极流向正极，即H+通过质子膜从左向右迁移，C正确；D．负极的电极反应为：S2-+4H2O-8e-=SO+8H+，正极电极反应式为2NO+12H++10e-=N2↑+12H2O，则正极区溶液的pH升高、负极区溶液的pH降低，D错误；综上所述答案为D。16．下图是将SO2转化为重要的化工原料H2SO4的原理示意图。请回答下列问题：(1)该装置将________能转化为________能，电流方向为________(填“b→a”或“a→b”)。(2)催化剂b表面O2发生___________反应，其附近酸性________(填“增强”、“不变”或“减弱”)。(3)催化剂a表面的电极反应式：_________________________________________。(4)若得到的硫酸浓度仍为49%，则理论上参加反应的SO2与加入的H2O的质量比为________。【答案】化学电b→a还原减弱SO2+2H2O−2e−==SO42-+4H+8∶15【分析】（1）根据该装置没有外加电源，是一个原电池，把化学能转化为电能，电流方向与电子流向相反分析；（2）由图示可看出，电子由a表面转移到b表面，因此a表面发生氧化反应由此解答；（3）催化剂a表面是SO2失去电子生成硫酸；（4）根据催化剂a处的反应为SO2＋2H2O－2e－=SO42－＋4H＋，催化剂b处的反应为O2＋2H＋＋2e－=H2O，总方程式为SO2+H2O+O2H2SO4分析。【详解】（1）该装置没有外加电源，是一个原电池，把化学能转化为电能，电流方向与电子流向相反，所以电流方向为b→a。故答案为化学；电；b→a；（2）由图示可看出，电子由a表面转移到b表面，因此a表面发生氧化反应，由题意SO2转化为H2SO4发生氧化反应，因此催化剂a表面SO2发生氧化反应，催化剂b表面O2发生还原反应生成H2O，消耗H＋，其附近酸性减弱。故答案为还原；减弱；（3）催化剂a表面是SO2失去电子生成硫酸，电极方程式为：SO2＋2H2O－2e－=SO42－＋4H＋。故答案为SO2＋2H2O－2e－=SO42－＋4H＋；（4）催化剂a处的反应为SO2＋2H2O－2e－=SO42－＋4H＋，催化剂b处的反应为O2＋2H＋＋2e－=H2O，总方程式为SO2+H2O+O2H2SO4，设加入的SO2为xg，H2O为yg，则生成硫酸的质量为，反应后水的质量为，根据硫酸的浓度仍为49%，可以求得x:y=8：15。故答案为8：15【点睛】电解电极反应方程式的书写：（1）电解方程式的书写步骤以写出用石墨作电极电解CuSO4溶液的电极反应式及总的电解方程式为例。第一步：明确溶液中存在哪些离子。第二步：判断阴阳两极附近离子种类及离子放电顺序。第三步：写电极反应式和总的电解方程式。（2）做到“三看”，正确书写电极反应式：①一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注Fe生成Fe2＋)。②二看介质，介质是否参与电极反应。③三看电解质状态，若是熔融状态，就是金属的电冶炼。17．（2022·河北省唐山一中高一月考）（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，放电时的化学方程式为：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)＝2PbSO4(s)+2H2O(l)。该蓄电池放电时，电解质溶液中SO42-移向_____________(填“正”或“负”)极；一段时间后，负极增重48g，转移电子___________mol。（2）如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极为_____极(填“a”或“b”)。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH_____(填“增大”“减小”或“不变”)。【答案】(1)负1(2)a减小【解析】【分析】(1)根据放电时的化学方程式：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)＝2PbSO4(s)+2H2O(l)，可写出铅蓄电池的电极反应，结合原电池的工作原理可解本小题；(2)该燃料电池中，燃料在负极氧化，O2在正极还原，电极反应为：正极：2O2+8e-+4H2O=8OH-，负极：CH4+10OH-–8e-=CO32-+7H2O，