解题技能―新型化学电源的高考命题角度及解题指导

第4讲解题技能—新型化学电源的高考命题角度及解题指导高考中的新型电池，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”、“钮扣电池”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―→Zn2＋＋2e－；正极：2H＋＋2e－―→H2↑。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例1(2010·全国理综Ⅰ，10)下图是一种染料敏化太阳能电池的示意图。电池的一个电极由有机光敏燃料(S)涂覆在TiO2纳米晶体表面制成，另一电极由导电玻璃镀铂构成，电池中发生的反应为：TiO2/S——→hγTiO2/S*(激发态)TiO2/S*―→TiO2/S＋＋e－I－3＋2e－―→3I－2TiO2/S＋＋3I－―→2TiO2/S＋I－3下列关于该电池叙述错误的是()A．电池工作时，I－离子在镀铂导电玻璃电极上放电B．电池工作时，是将太阳能转化为电能C．电池的电解质溶液中I－和I－3的浓度不会减少D．电池中镀铂导电玻璃为正极解析由题干所给电池中的反应可知，二氧化钛电极上的材料失去电子作太阳能电池的负极，则镀铂导电玻璃为电池的正极，电解质中的I－3到铂电极上得电子转化为I－，然后I－到二氧化钛电极上将部分电子失去，再次转化为I－3，故整个过程中I－3、I－浓度不会减少，综合题目中的四个方程式可知，该电池的能量转化过程为有机光敏染料吸收光能变为激发态，激发态在电池内部转化为电能后又恢复原态，如此循环。答案A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)]电极反应式的书写：负极：①Pb―→Pb2＋＋2e－；②Pb2＋＋SO2－4===PbSO4。把二者合起来，即负极反应式：Pb＋SO2－4―→PbSO4＋2e－。正极：PbO2得电子变为Pb2＋，①PbO2＋2e－＋4H＋―→Pb2＋＋2H2O；Pb2＋跟SO2－4结合生成PbSO4，②Pb2＋＋SO2－4===PbSO4。把二者合起来，即正极反应式：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO2－4―→PbSO4＋2H2O。总反应式＝正极反应式＋负极反应式，即：PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO2－4===2PbSO4＋2H2O。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。例2(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解析太阳能电池利用光能转化为电能可直接作用于工作；马达实现了电能与机械能的转化；在装置X中，电解水生成H2、O2，实现了电能与化学能的转化；在装置Y中构成燃料电池，化学能转化为电能，作用于马达实现了电能与机械能的转化，A、D错误；氢氧燃料电池的负极上应是H2参加反应，B错误；装置X能利用光能实现H2、O2、H2O的循环再生，C正确。答案C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：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。例3(2010·浙江理综，9)Li－Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为：2Li＋＋FeS＋2e－―→Li2S＋Fe，有关该电池的下列说法中，正确的是()A．Li－Al在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价B．该电池的电池反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋FeC．负极的电极反应式为：Al―→Al3＋＋3e－D．充电时，阴极发生的电极反应式为：Li2S＋Fe―→2Li＋＋FeS＋2e－解析A中Li－Al在电池中作为负极材料，但该材料中的Li是单质，化合价为0；该电池的负极反应为2Li―→2Li＋＋2e－，电池反应为2Li＋FeS―→Li2S＋Fe，故B正确，C不正确；充电时，阴极得电子发生的电极反应式为Li2S＋Fe2＋＋2e－―→2Li＋FeS。答案B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；SO2－4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。例4(2010·福建理综，11)铅蓄电池的工作原理为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，研读下图，下列判断不正确的是()A．K闭合时，d电极反应式：PbSO4＋2H2O―→PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－B．当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2molC．K闭合时，Ⅱ中SO2－4向c电极迁移D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极解析由图示关系可知，Ⅰ池为原电池，Ⅱ池为电解池，a极为正极，b极为负极，K闭合后，c极为阴极，d极为阳极，因电极材料为PbSO4，结合铅蓄电池的工作原理，可判断d极发生的电极反应式为PbSO4＋2H2O―→PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－，A项正确；由题给方程式可判断，当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2mol，B项正确；电解池工作时，阴离子移向阳极，即d电极，故C项错误；因Ⅱ池反应为：2PbSO4＋2H2O=====充电Pb＋PbO2＋2H2SO4，因此K闭合一段时间后，Ⅱ池可作为原电池对外供电，其中析出的铅附着在c极上作负极，析出的PbO2附着在d极上作正极，D项正确。答案C即时巩固1．(2010·安徽理综，11)某固体酸燃料电池以CsHSO4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：2H2＋O2===2H2O，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：O2＋2H2O＋4e－―→4OH－C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极解析本题考查了原电池的工作原理。由电极反应式可知，氢气通入的一极为负极，氧气通入的一极为正极，故a为负极、b为正极，电子应该是通过外电路由a极流向b极，A错；B项，b极上的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋―→2H2O；C项，没有明确此时是否处于标准状况，故无法计算气体的体积。答案D2．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—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下图所示，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O2参加反应的a极为电池的负极B．b极的电极反应式为H2＋O2－―→H2O＋2e－C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－―→4OH－D．该电池的总反应式为2H2＋O2=====高温2H2O解析因为电子从b电极流向a电极，所以b电极为负极，H2在该极发生氧化反应；a电极为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为H2―→2H＋＋2e－，正极电极反应式为12O2＋2e－―→O2－，则电池总反应式为2H2＋O2=====高温2H2O。D3．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：_______________________________________________________。(2)此电池的正极发生的电极反应：_______________，负极发生的电极反应：____________________________。(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。(4)使用该燃料电池的另一个好处是_____________________________________________。解析(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。(2)电池的正极O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。(3)H＋移向正极，在正极生成水。(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。答案(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O(2)3O2＋12H＋＋12e－―→6H2O2CH3OH＋2H2O―→2CO2＋12H＋＋12e－(3)正负极(4)对环境无污染返回