解题技能 新型化学电源的高考命题角度及解题指导

解题技能9.新型化学电源的高考命题角度及解题指导章末考能特训高考中的新型电池，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：角度一新型电池“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-Zn2+；正极：2H++2e-H2↑。【解题指导】新型电池中负极材料正极材料元素化合价升高的物质发生氧化反应的物质元素化合价降低的物质发生还原反应的物质【典例导析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+2MnO2+H2OZnO+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0.1molZn完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.204×1023D.电池正极反应式为2MnO2+2e-+2H2O2MnO(OH)+2OH-解析由总反应式可知,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-+H2OZnO+2H+,用总反应式减去负极反应式得正极反应式为2MnO2+2e-+2H2O2MnO(OH)+2OH-。答案D角度二新型电池“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-PbO2(H2SO4溶液)］电极反应的书写：负极：①Pb-2e-Pb2+;②Pb2++SOPbSO4。把二者合起来，即负极反应式：Pb-2e-+SOPbSO4。正极：PbO2得电子变为Pb2+，①PbO2+2e-+4H+Pb2++2H2O；Pb2+跟SO结合生成PbSO4，②Pb2++SOPbSO4。把二者合起来，即正极反应式：PbO2+2e-+4H++SOPbSO4+2H2O。总反应式=正极反应式+负极反应式，即：PbO2+Pb+4H++2SO2PbSO4+2H2O。242424242424【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。【典例导析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：O2+2H2O+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解析电池工作时，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+4NaOH4NaAlO2+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。答案A角度三新型电池“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：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。【解题指导】【典例导析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+2Li0.35NiO22Li0.85NiO2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，Li0.85NiO2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+向负极移动解析A项，Li从零价升至正价，失去电子，作为负极，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失电子，故错。答案D角度四新型电池充、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H2SO4）电池中：H+移向Cu极；SO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。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。【解题指导】24【典例导析4】（2008·广东，16改编）LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为：FePO4+LiLiFePO4,电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法不正确的是（）A.可加入硫酸以提高电解质的导电性B.放电时电池内部Li+向正极移动C.充电过程中，电池正极材料的质量减少D.放电时电池正极反应为：FePO4+Li++e-LiFePO4解析由于Li能和稀H2SO4、H2O反应,因此电解质不能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动；充电过程是电解的过程,电解池的阳极失电子,即LiFePO4-e-Li++FePO4，因此阳极材料（LiFePO4）质量会减少；将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正极反应。综合上述分析可知D正确。答案D迁移应用1．固体氧化物燃料电池是由美国西屋(Westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是()A．有O2放电的a极为电池的负极B．有H2放电的b极为电池的正极C．a极对应的电极反应为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－D．该电池的总反应方程式为：2H2＋O2===2H2O解析H2在O2中燃烧的方程式为2H2＋O2=====点燃2H2O，所以氢氧燃料电池的总方程式为2H2＋O2===2H2O，D对；而O2为氧化剂，在正极反应，所以a极为正极，A错；因反应介质中没有水，所以正极反应式为O2＋4e－===2O2－，C错；根据总反应写出负极反应式为2H2＋2O2－－4e－===2H2O；H2为可燃物，为负极反应物，B错。答案D解析H2在O2中燃烧的方程式为2H2＋O2=====点燃2H2O，所以氢氧燃料电池的总方程式为2H2＋O2===2H2O，D对；而O2为氧化剂，在正极反应，所以a极为正极，A错；因反应介质中没有水，所以正极反应式为O2＋4e－===2O2－，C错；根据总反应写出负极反应式为2H2＋2O2－－4e－===2H2O；H2为可燃物，为负极反应物，B错。答案D2．燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池的能量利用率可高达80%(一般柴油发电机只有40%左右)，产物污染也少。下列有关燃料电池的说法错误的是()A．上述燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH溶液，该电池的负极反应为C2H5OH－12e－===2CO2↑＋3H2OD．甲烷燃料电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－解析氢气、甲烷、乙醇等在燃料电池中，发生的反应为氧化反应，故作为电池的负极。电解质为强碱KOH溶液，因此不可能生成二氧化碳，应该生成CO2－3，即负极反应为：C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO2－3＋11H2O，故C错误。答案C解析氢气、甲烷、乙醇等在燃料电池中，发生的反应为氧化反应，故作为电池的负极。电解质为强碱KOH溶液，因此不可能生成二氧化碳，应该生成CO2－3，即负极反应为：C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO2－3＋11H2O，故C错误。答案C3.（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。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：Li2CO3+2(CH3COO)2Fe+2NH4H2PO42LiFePO4+4CH3COOH↑+2NH3↑+H2O↑+CO2↑。（3）方法二中，阳极Fe放电生成Fe2+，Fe2+再与H2PO、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。4答案（1）为防止亚铁化合物被氧化（2）CO2H2ONH3（3）Fe+H2PO+Li+-2e-LiFePO4+2H+（4）（5）FePO4+Li++e-LiFePO44电化学原理在生产、生活中的应用非常广泛，在化学实验中的作用亦不可低估。如改变反应速率、制备通常方法难以制备的物质等很多方面，现分别列举如下：应用一加快氧化还原反应的速率一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率增大。如实验室制H2时，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，就能使产生H2的反应速率加快。实验突破9.电化学原理在实验中的应用应用二比较金属活动性的强弱两种金属分别做原电池的两极时，一般作负极的金属比作正极的金属活泼。应用三制备通常方法难以制备的物质电解是最强有力的氧化还原手段，可以制备F2等氧化性很强的物质，也可以制备Na、Mg、Al等还原性很强的物质等。应用四利用有关量的关系进行某些测量或测定可以利用电子与物质间的关系测元素的相对原子质量、阿伏加德罗常数等。【典例导析1】下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应AsO+2I-+2H+AsO+I2+H2O设计成的原