2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第六章第5课时 新型化学电源
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考点一 燃料电池
1.新型燃料电池的分析模板
2.燃料电池电极反应式的书写要求
电极材料一般不参与化学反应,只作电池反应催化转化元件。
正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下相加,所得总电池反应必然是燃料燃烧反应或燃烧产物与电解质溶液反应的叠加,如甲烷燃料电池。
3.“三步法”书写燃料电池电极反应式
第一步:写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2CO2+2H2O①
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-2H2O;
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-2O2-;
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-2C。
第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式
电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
[名师点拨] 书写电极反应式时的三个技巧原则
(1)共存原则:物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,电极反应式的书写必须考虑介质环境。碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应;当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应。
(2)得氧失氧原则:得氧时,在反应物中加H2O(电解质为酸性时)或OH-(电解质为碱性或中性时);失氧时,在反应物中加H2O(电解质为碱性或中性时)或H+(电解质为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则:在中性电解质溶液中,通过正极吸氧所建立起来的原电池反应,其最后产物是碱。
[典例] (2018·全国Ⅰ卷)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++H2S2H++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+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.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:由题中信息可知,石墨烯电极发生氧化反应,为电解池的阳极,则ZnO@石墨烯电极为阴极。阳极接电源正极,电势高,阴极接电源负极,电势低,故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高,C错误;由题图可知,电解时阴极反应式为CO2+2H++2e-CO+H2O,A正确。
答案:C
[对点精练] 最近,科学家研发了“全氢电池”,其工作原理如图所示。下列说法不正确的是( C )
A.右边吸附层中发生了还原反应
B.负极的电极反应是H2-2e-+2OH-2H2O
C.电池的总反应是2H2+O22H2O
D.电解质溶液中Na+向右移动,Cl向左移动
解析:右边吸附层发生的反应为2H++2e-H2↑,H+被还原,A正确;左边吸附层为原电池负极,发生的反应为H2-2e-+2OH-2H2O,B正确;该原电池外界未通入氧气,电池总反应为HClO4+NaOHH2O+NaClO4,故C不正确;原电池内部电解质溶液中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,D正确。
考点二 可充电电池
1.可充电电池的解题模板
2.可充电电池问题的解答方法
(1)可充电电池有放电和充电两个过程,放电时是原电池反应,充电时是电解池反应。
(2)充电电池的充、放电时的电极反应为阴极和负极反应相反,阳极和正极反应相反,并将电子移项即可。
(3)充、放电时电解质溶液中离子移动方向的判断
放电 | 阳离子正极,阴离子负极 |
充电 | 阳离子阴极,阴离子阳极 |
技巧:阳离子发生还原反应的电极,与电流闭合回路一致 阴离子发生氧化反应的电极,与电子闭合回路一致 | |
3.突破二次电池的四个角度
[典例] (2018·全国Ⅱ卷)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为:3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是( )
A.放电时,Cl向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为3CO2+4e-2C+C
D.充电时,正极反应为Na++e-Na
解析:根据电池的总反应知,放电时负极反应:4Na-4e-4Na+,正极反应:3CO2+4e-2C+C;充电时,阴(负)极:4Na++4e-4Na;阳(正)极: 2C+C-4e-3CO2↑,放电时,Cl向负极移动。根据充电和放电时的电极反应式知,充电时释放CO2,放电时吸收CO2。
答案:D
[对点精练1] (2019·山西二模)某锂电池工作原理如图所示,已知电池的总反应为4Li+2SOCl24LiCl+S+SO2↑。下列说法错误的是( C )
A.金属锂是所有金属中比能量最高的电极材料
B.该电池组装时,必须在无水无氧条件下进行
C.放电时,外电路通过4 mol e-时电池产生22.4 L气体
D.充电时,阳极反应式为4Cl-+S+SO2-4e-2SOCl2
解析:单位质量的电极材料失去电子的物质的量越多,则得到的电能越多,金属的相对原子质量越小,该金属的比能量也越高,A正确;由于Li和SOCl2都易与水反应,电解池应为非水电解质,B正确;不知道22.4 L气体的状态,不能用于计算,C错误;电池正极反应式为2SOCl2+4e-4Cl-+S+SO2↑,充电时阳极反应式为4Cl-+S+SO2-4e-2SOCl2,D正确。
[对点精练2] (2018·全国Ⅲ卷)一种可充电锂—空气电池如图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是( D )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li2O2-x2Li+(1-)O2
解析:由题意知,放电时负极反应为Li-e-Li+,正极反应为(2-x)O2+4Li++4e-2Li2O2-x(x=0或1),电池总反应为(1-)O2+2LiLi2O2-x。
该电池放电时,金属锂为负极,多孔碳材料为正极,A错误;该电池放电时,外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极,B错误;该电池放电时,电解质溶液中的Li+向多孔碳材料区迁移,充电时电解质溶液中的Li+向锂材料区迁移,C错误。
