第21讲四类新型电源反应原理分析（精讲课件）-高考二轮精准复习45讲

高中化学二轮精准复习45讲四类新型电源反应原理分析2023第21讲命题角度分析命题专家命题时，用最新电池的科技成果为情境素材，如新型燃料电池、二次电池和间接电池等。特别关注的命题角度：(1)电极的判断及其电极反应式的书写或判断。(2)两极产物及两极反应类型的判断。(3)两极附近溶液的pH变化。(4)电子、电流、离子移动方向，交换膜的判断。(5)电子守恒的相关计算。(6)设置的特定问题分析。微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是：在负极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和负极之间进行有效传递，并通过外电路传递到正极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到正极，氧化剂(一般为氧气)在正极得到电子被还原与质子结合成水。四类新型电源反应原理示例分析考向1

新型燃料电池考向1

新型燃料电池微生物燃料电池(MFC)为可再生能源的开发和难降解废物的处理提供了一条新途径。电池工作示意图如图所示(假设有机物为乙酸盐)。①a极为负极：CH3COO－－8e－＋2H2O===2CO2↑＋7H＋②b极为正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O③总反应为CH3COO－＋2O2＋H＋===2CO2↑＋2H2O以KOH溶液为离子导体,分别组成CH3OH-O2、N2H4-O2

(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的物质的量均减小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-O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2LC【真题示例1】

【解题思路】

一种高性能的①②电池如图所示，其中在VB2电极发生反应：VB2＋16OH－－11e－===VO43－＋2B(OH)

4

－＋4H2O③。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)O2参与反应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＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)

4－＋4VO43－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【真题示例2】

B【解析】该电池中O2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)O2参与反应，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＋11O2＋20OH－＋6H2O===8B(OH)4－＋4VO43－，C正确；VB2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。归纳总结1.燃料电池认知模型。

2.燃料电池中通入氧气的一极的电极反应式的书写。

3.新型化学电源中电极反应式的书写[精练1]一种微生物燃料电池如图所示，下列关于该电池说法正确的是(

)A.a电极是该电池的正极B．电池工作时，电流由a电极沿导线流向b电极C．b电极发生还原反应D．H＋由右室通过质子交换膜进入左室【解析】a电极上，苯酚转化为CO2，C元素的化合价升高，发生氧化反应，故a电极是该电池的负极，A项错误；a电极为负极，b电极为正极，则电池工作时，电流由b电极沿导线流向a电极，B项错误；b电极上，NO3－转化为N2，N元素化合价降低，发生还原反应，C项正确；阳离子向电池正极移动，b电极为正极，故H＋由左室通过质子交换膜进入右室，D项错误。C

C

考向2

新型二次电池2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆与吉野彰这三位被称为“锂电池之父”的科学家，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。如图是一种最新研制的聚合物锂电池，a极为含有Li、Co、Ni、Mn、O等元素组成的混盐，电解【真题示例3】

科学家近年发明了一种新型Zn－CO2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)

42－B．放电时，1molCO2转化为HCOOH，转移的电子数为2molC．充电时，电池总反应为2Zn(OH)

42－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2OD．充电时，正极溶液中OH－浓度升高D【解析】放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)42－，故A正确；放电时，CO2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O2，负极上Zn(OH)42－转化为Zn，电池总反应为2Zn(OH)42－===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O，故C正确；充电时，正极即为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，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。电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色。对于该变化过程,下列叙述错误的是(

)A.Ag为阳极B.Ag+由银电极向变色层迁移C.W元素的化合价升高D.总反应为WO3+xAg===AgxWO3

C

【真题示例4】

【解题思路】第一步,根据图示判断电化学装置的类型。该装置为电解装置。第二步,根据粒子变化,判断阴、阳极。由通电产生Ag+可知,通电时Ag极失电子,作阳极;透明导电层作阴极。第三步,根据电极反应原理确定各电极上发生的反应。阳极反应为Ag-e-===Ag+;阴极反应为xAg++WO3+xe-===AgxWO3。第四步,逐项分析判断。

(1)可充电电池的分析流程①可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。②放电时的负极反应和充电时的阴极反应互为逆反应，放电时的正极反应和充电时的阳极反应互为逆反应。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。方法技巧有关可充电电池的解题思路:③充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断分析电池工作过程中电解质溶液的变化时，要结合电池总反应进行分析。a.首先应分清电池是放电还是充电。b.再判断出正、负极或阴、阳极。放电阳离子正极，阴离子负极充电阳离子阴极，阴离子阳极总之：阳离子发生还原反应的电极阴离子发生氧化反应的电极(2)可充电电池的思维模型因此，充电时电极的连接可简记为“负接负后作阴极，正接正后作阳极”。[精练1]我国科学家成功研制出铝-石墨烯(Cn)可充电电池,电解质为阳离子(EMIM+)与阴离子()组成的离子液体,该电池放电过程如图所示。下列说法错误的是(

)A.放电时负极的反应式为Cn+

AlCl4--e-==Cn(AlCl4)B.放电时石墨烯为正极,发生还原反应C.充电时石墨烯与电源的正极相连D.充电时的总反应为:3Cn+4Al2Cl7-==Al+4AlCl4-+3Cn(AlCl4)【解析】由示意图可知放电时铝为负极,被氧化生成Al2Cl7-,电极方程式为Al+7AlCl4--3e-====4

Al2Cl7-,正极反应为3Cn(AlCl4)+3e-==3Cn+3AlCl4-,电解时阳极发生氧化反应,电极反应为3Cn+3AlCl4--3e-=3Cn(AlCl4),阴极发生还原反应,电极方程式为4Al2Cl7-+3e-=Al+7AlCl4-,据此分析解答。放电时铝为负极,被氧化生成Al2Cl7-,发生氧化反应,电极反应式为Al+7

AlCl4--3e-=4Al2Cl7-,A错误;放电时,石墨烯为正极,发生还原反应,电极反应为3Cn(AlCl4)+3e-====3Cn+3AlCl4-,B正确;放电时,石墨烯为正极,充电时,Cn为阳极,与电源的正极相连,C正确;充电时,阳极电极反应为3Cn+3

AlCl4--3e-====3Cn(AlCl4),阴极电极方程式为4Al2Cl7-+3e-====Al+7AlCl4-,因此充电时的总反应为3Cn+4Al2Cl7-==Al+4AlCl4-+3Cn(AlCl4),D正确。A正极是NiOOH被还原为Ni(OH)2负极是Zn，被氧化为ZnO[精练2]为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn（3D−Zn）可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D−Zn—NiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为

Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l)ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是(

)A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)C.放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)D.放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区充电相当于是电解池，阳极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知阳极是Ni(OH)2失去电子转化为NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH−(aq)−e−＝NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确放电时相当于是原电池，负极发生失去电子的氧化反应，根据总反应式可知负极反应式为Zn(s)＋2OH−(aq)−2e−＝ZnO(s)＋H2O(l)，C正确原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则放电过程中OH−通过隔膜从正极区移向负极区，D错误D阴离子向负极移动根据物质转化中，元素化合价的变化或离子的移动(阳离子移向正极区域，阴离子移向负极区域)，判断电池的正、负极，是分析该电池的关键。考向3

间接协同电池电极协同反应(1)电极反应的产物，再与电解质溶液反应的情况，形成电极反应与协同反应的多步反应，通常发生在电极的一个区域。(2)要分清三种反应：①电极反应，②电极区反应，③总反应。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，示意图如图所示。

最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如图所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：①EDTA－Fe2＋－e－===EDTA－Fe3＋②2EDTA－Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA－Fe2＋该装置工作时，下列叙述错误的是(

)A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2OB.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋SC.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA－Fe3＋/EDTA－Fe2＋，溶液需为酸性解析阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。阴阳

C【真题示例5】

[精练1]研究发现，在酸性乙醇燃料电池中加入硝酸，可使电池持续大电流放电，其工作原理如图所示。下列说法错误的是(

)A．加入HNO3降低了正极反应的活化能B．电池工作时正极区溶液的pH增大C．1molCH3CH2OH被完全氧化时有1.5molO2被还原D．正极附近的溶液中会发生反应：4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3解析:从示意图可以看出HNO3起催化剂作用，降低反应的活化能，A正确；正极区的反应可写为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，c(H＋)减小，pH增大，B正确；根据电子守恒，1molCH3CH2OH变为CO2失去12mole－，需要3molO2，C错误；D正确。C

[精练2]我国科学家在天然气脱硫研究方面取得了新进展，利用如图装置可发生反应：H2S＋O2===H2O2＋S↓，已知甲池中发生的反应为下列说法不正确的是A.甲池中碳棒上发生的电极反应式为AQ＋2H＋

＋2e－===H2AQB.乙池溶液中发生的反应为H2S＋

I3－===3I－＋S↓

＋2H＋C.该装置将电能转化为光能D.H＋从甲池移向乙池CD

根据题图中的电子流向可判断出甲池中碳棒是正极，该电极上发生得电子的还原反应，即AQ＋2H＋＋2e－===H2AQ，A正确；根据题图中信息可知该装置将光能转化为电能，C错误；该装置是原电池装置，阳离子移向正极，甲池中碳棒是正极，所以H＋从乙池移向甲池，D错误。返回【解析】

考向4

锂电池与锂离子电池1.锂电池锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池的负极材料是金属锂或锂合金，工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋，负极反应均为Li－e－===Li＋，负极生成的Li＋经过电解质定向移动到正极。2.锂离子二次电池(1)锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理，替代了传统的“氧化—还原”理念；在两极形成的电压降的驱动下，Li＋可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或“脱嵌”。(2)锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C＋xLi＋＋xe－===LixC6；放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程：LixC6－xe－===6C＋xLi＋。(3)锂离子电池的正极材料一般为含Li＋的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等。充电、放电时正极材料上的电极反应、电池总反应如下表：

正极材料充电时阳极反应式放电时正极反应式电池总反应式LiFePO4LiFePO4－xe－===xLi＋＋Li1－xFePO4Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－===LiFePO4Li1－xFePO4＋LixC6

LiFePO4＋C6LiCoO2LiCoO2－xe－===xLi＋＋Li1－xCoO2Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2Li1－xCoO2＋LixC6

LiCoO2＋C6LiMn2O4LiMn2O4－xe－===xLi＋＋Li1－xMn2O4Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4Li1－xMn2O4＋LixC6

LiMn2O4＋C6锂—液态多硫电池具有能量密度高、储能成本低等优点，以熔融金属锂、熔融硫和多硫化锂[Li2Sx(2≤x≤8)]分别作两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷(可传导Li＋)为电解质，其反应原理如图所示。下列说法错误的是A.该电池比钠—液态多硫电池的比能量高B.放电时，内电路中Li＋的移动方向为从a到bC.Al2O3的作用是导电、隔离电极反应物D.充电时，外电路中通过0.2mol电子，阳极区单质

硫的质量增加3.2g【真题示例6】

由图分析知电极a为负极，电极b为正极，放电时，内电路中Li＋从电极a移向电极b，B正确；Al2O3为固体电解质，能导电，同时将两极反应物隔开，C正确；当外电路中通过0.2mole－时，阳极区生成0.1xmol硫，故阳极区生成硫的质量为3.2xg，D错误。【解析】

D

[精练1]锂离子电池充、放电电池总反应：LixC6＋Li1－xCoO2

LiCoO2＋C6，该电池充、放电的工作示意图如图。下列有关说法不正确的是A.该电池具有很高的比能量B.负极的反应式：LixC6