第八章 学案40 新型化学电源的高考命题角度及其解题策略

专题学案40 新型化学电源的高考命题角度及其解题策
略
高考中的新型电池，有“氢镍电池”、“高铁电池”、“锌—锰碱性电池”、我国首创的“海洋电池”、“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO 燃料电池)、“锂离子电池”、“银锌电池”、“纽扣电池”等。

这些电池一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。

取材于这些知识点的试题，由于题材广、信息新、陌生度大，所以，大多数考生对这类试题感到难，而难在何处又十分迷茫。

实际上这些题目主要考查的是学生迁移应用的能力。

具体有以下几种考查角度：
题型一 新型电池“放电”时正极、负极的判断 知识基础 在Zn －Cu 原电池中，较活泼的金属材料作负极，较不活泼的金属材料或非
金属材料作正极。

负极：Zn －2e －===Zn 2＋；正极：2H ＋＋2e －===H 2↑。

解题指导 新型电池中⎩⎨⎧ 负极材料⎩⎪⎨⎪⎧ 元素化合价升高的物质发生氧化反应的物质正极材料⎩⎪⎨⎪⎧ 元素化合价降低的物质发生还原反应的物质
典例导悟1 被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片作为传导体，在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰。

在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。

电池总反应为
Zn ＋2MnO 2＋H 2O===ZnO ＋2MnO(OH)。

下列说法正确的是( )
A ．该电池的正极为锌
B ．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C ．当0.1 mol Zn 完全溶解时，流经电解液的电子个数为
1．204×1023
D ．电池正极反应式为2MnO 2＋2e －＋2H 2O===2MnO(OH)＋2OH －
听课记录：
题型二 新型电池“放电”时正极、负极上电极反应式的书写 知识基础 铅蓄电池[Pb －PbO 2(H 2SO 4溶液)]电极反应的书写：
负极：①Pb －2e －===Pb 2＋；②Pb 2＋＋SO 2－4===PbSO 4。

把二者合起来，即负极反应式：Pb
－2e －＋SO 2－4===PbSO 4。

正极：PbO 2得电子变为Pb 2＋：PbO 2＋2e －＋4H ＋===Pb 2＋＋2H 2O ；Pb 2＋跟SO 2－4结合生成
PbSO 4：Pb 2＋＋SO 2－4===PbSO 4。

把二者合起来，即正极反应式：PbO 2＋2e －＋4H ＋＋SO 2－4
===PbSO 4＋2H 2O 。

总反应式＝正极反应式＋负极反应式，即：
PbO 2＋Pb ＋4H ＋＋2SO 2－4===2PbSO 4＋2H 2O 。

解题指导 首先分析物质得失电子的情况，然后再考虑电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应。

对于较为复杂的电极反应，可以利用总反应－较简单一极电极反应式＝较复杂一极电极反应式的方法解决。

典例导悟2 (2009·广东，14)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl 溶液或NaOH 溶液为电解液，铝合金为负极，空气电极为正极。

下列说法正确的是( )
A ．以NaCl 溶液或NaOH 溶液为电解液时，正极反应都为：O 2＋2H 2O ＋4e －===4OH －
B ．以NaOH 溶液为电解液时，负极反应为Al ＋3OH －－3e －
===Al(OH)3↓
C ．以NaOH 溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH 保持不变
D ．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极
听课记录：
题型三 新型电池“充电”时阴极、阳极的判断 知识基础 充电的实质就是把放电时发生的变化再复原的过程。

如铅蓄电池：
解题指导 首先应搞明白原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时，阳极接正极，
阴极接负极的原理，进行分析。

典例导悟3 (2009·浙江理综，12)市场上经常见到的标记为Li-ion 的电池称为“锂离子电池”。

它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传
导Li ＋的高分子材料。

这种锂离子电池的电池反应式为：
Li ＋2Li 0.35NiO 22Li 0.85NiO 2 下列说法不正确的是( )
A ．放电时，负极的电极反应式：Li －e －===Li ＋
B ．充电时，Li 0.85NiO 2既发生氧化反应又发生还原反应
C ．该电池不能用水溶液作为电解质
D ．放电过程中Li ＋向负极移动
听课记录：
题型四 新型电池充、放电时，电解质溶液中离子移动方向的判断
知识基础 原电池中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，如Zn －Cu(稀H 2SO 4)电池中：H ＋移向Cu 极；SO 2－4移向Zn 极。

电解池中，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极，符合带电微粒在电场中的运动规律。

解题指导 首先应分清电池是放电还是充电；再判断出正、负极或阴、阳极，进而即可确定离子的移动方向。

典例导悟4 (2010·安徽理综，11)某固体酸燃料电池以CaHSO 4固体为电解质传递H ＋，
其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H 2＋O 2===2H 2O ，下列有关说法正确的是( )
A ．电子通过外电路从b 极流向a 极
B ．b 极上的电极反应式为O 2＋2H 2O ＋4e －===4OH －
C ．每转移0.1 mol 电子，消耗1.12 L 的H 2
D ．H ＋由a 极通过固体酸电解质传递到b 极
听课记录： 放电 充电
1．(2011·课标全国卷，11)铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2
下列有关该电池的说法不正确的是()
A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe
B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2
C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O
2．(2011·苏州调研)下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应AsO3－4＋2I－＋2H＋===AsO3－3＋I2＋H2O设计成的原电池装置，其中C1、C2均为碳棒。

甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸；乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40%NaOH溶液。

下列叙述正确的是()
A．甲组操作时，微安表指针发生偏转
B．甲组操作时，溶液颜色不变
C．乙组操作时，C2作正极
D．乙组操作时，C1上发生的电极反应式为I2＋2e－===2I－
3．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。

电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。

下列对该燃料电池的说法不正确的是()
A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极
B．该电池的总反应是：C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O
C．电路中每通过5 mol电子，约有5.6 L标准状况下的丙烷被完全氧化
D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为：C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O
4．(2010·江苏，11)下图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是()
A．该系统中只存在3种形式的能量转化
B．装置Y中负极的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生
D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化
题号 1 2 3 4
答案
5.(2009·四川，29)新型锂离子电池在新能源的开发中占有重要地位，可用作节能环保电动汽车的动力电池。

磷酸亚铁锂(LiFePO4)是新型锂离子电池的首选电极材料，它的制备方法如下：
方法一：将碳酸锂、乙酸亚铁[(CH3COO)2Fe]、磷酸二氢铵按一定比例混合、充分研磨后，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂，同时生成的乙酸及其他产物均以气体逸出。

方法二：将一定浓度的磷酸二氢铵、氯化锂混合溶液作为电解液，以铁棒为阳极，石墨为阴极，电解析出磷酸亚铁锂沉淀。

沉淀经过滤、洗涤、干燥，在800℃左右、惰性气体氛围中煅烧制得晶态磷酸亚铁锂。

在锂离子的电池中，需要一种有机聚合物作为正、负极之间锂离子迁移的介质，该有机聚合物的单体之一(用M表示)的结构简式如下：
请回答下列问题：
(1)上述两种方法制备磷酸亚铁锂的过程都必须在惰性气体氛围中进行。

其原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)在方法一所发生的反应中，除生成磷酸亚铁锂、乙酸外，还有________、________、________(填化学式)生成。

(3)在方法二中，阳极生成磷酸亚铁锂的电极反应式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(4)写出M与足量氢氧化钠溶液反应的化学方程式：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(5)已知该锂离子电池在充电过程中，阳极的磷酸亚铁锂生成磷酸铁，则该电池放电时正极的电极反应式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

专题学案40新型化学电源的高考命题角度及其解题策略典例导悟
1．D[由总反应式可知，二氧化锰为氧化剂而不是催化剂，锌为还原剂，应为原电池的负极，A、B错；电子只能经外电路流动，而不能在电解液中流动，电解液内电流的形成是由于阴、阳离子的定向移动，C错；电池负极反应式为Zn－2e－＋H2O===ZnO＋2H＋，用总反应减去负极反应式得正极反应式为
2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－。

]
2．A[电池工作时，正极上O2得到电子被还原，电极反应为：O2＋2H2O＋4e－===4OH
－，A正确；电解液为NaOH溶液时，在负极上产生的是NaAlO2而不是Al(OH)3，B错误；电池的总反应为：4Al＋3O2＋4NaOH===4NaAlO2＋2H2O，消耗NaOH，pH减小；电池工作时，电子通过外电路由负极流向正极。

]
3．D[A项，Li从零价升至正价，失去电子，作负极，正确；B项，反应逆向进行时，反应物只有一种，故化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应，正确；C项，由于Li可以与水反应，故应为非水材料，正确；D项，原电池中阳离子应迁移至正极，故错。

]
4．D[还原剂在负极失电子，氧化剂在正极得电子，因此a为负极，b为正极。

电子从负极经外电路流向正极。

因为这是酸性电解质，不可能生成OH－，正极反应：O2＋4H＋＋4e －===2H2O。

]
【专题集训区】
1．C[由铁镍蓄电池放电时的产物全部是碱可知，电解液为碱性溶液，放电时负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故Fe为负极，Ni2O3为正极，A正确；放电时，Fe失电子被氧化，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2，B正确；充电时，阴极发生还原反应，电极反应为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，pH增大，C错误；充电时，阳极发生氧化反应，电极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，D正确。

]
2．D[甲组操作时发生的反应为AsO3－4＋2I－＋2H＋===AsO3－3＋I2＋H2O，有碘单质生成，因此溶液的颜色变深，但装置构成的原电池中两极直接接触(一极是AsO3－3/AsO3－4，另一极是I2/I－)，呈短路状态，因此微安表中无电流通过，A、B错；乙组操作时，由于向图ⅡB烧杯中逐滴加入烧碱，此时原电池发生的反应为AsO3－3＋I2＋H2O===AsO3－4＋2I－＋2H＋，此时C2棒上发生氧化反应，作负极，C1棒上发生还原反应，作正极，电极反应式为I2＋2e－===2I－。

] 3．A[该燃料电池的化学原理是：C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O，B正确；放电过程中通入丙烷的电极为负极：C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O，D正确；通入O2的电极为正极：O2＋4e－===2O2－，产生的O2－将向负极移动，A项错。

]
4．C[题意中涉及的能量转化有：太阳能→电能，电能→机械能，电能→化学能，化学能→电能，共4种能量转化；装置Y发生的化学反应应为2H2＋O2===2H2O，该原电池的负极反应式为H2－2e－===2H＋；从转化图上分析装置Y还供给工作马达能量，所以装置X、Y 不能实现能量的完全转化。

]
5．(1)为防止亚铁化合物被氧化
(2)CO2H2O NH3
(3)Fe＋H2PO－4＋Li＋－2e－===LiFePO4＋2H＋
HOCH2CH2OH＋Na2CO3＋CH3OH
(5)FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4
解析(1)LiFePO4中有Fe2＋，Fe2＋容易被氧化，所以制备LiFePO4时要在无氧条件下操作。

(2)根据信息给定的方法一所发生的反应中的反应物和部分生成物，再根据元素守恒，可写出该反应的化学方程式：
(3)方法二中，阳极Fe放电生成Fe2＋，Fe2＋再与H2PO－4、Li＋反应生成LiFePO4。

(5)该锂离子电池在充电过程中，阳极的LiFePO4生成FePO4，则该电池放电时正极的反应是FePO4生成LiFePO4，其电极反应式是FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。