第4 讲 新型化学电源
类型一 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。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”原理;在两极形成
的电势差的驱动下,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C6+xLi++xe-===LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的
逆过程:LixC6-xe-===C6+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。
1.利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出石墨烯电池,电池反应式
为LixC6+Li1-xCoO2
C6+LiCoO2,其工作原理如图。下列关于该电池的说法不正确的是( )
A.该电池若用隔膜,可选用阳离子交换膜
B.对废旧的该电池进行“放电处理”,让Li+从石墨烯中脱出有利于回收
C.放电时,正极的电极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2
D.充电时,电路中每转移1 mol e-,石墨烯电极质量增加7x g
答案 D
解析 A.该电池通过锂离子定向移动导电,该电池若用隔膜,可选用阳离子交换膜,故A 正确;B.石墨
烯是负极,放电时,阳离子向正极移动,Li+从石墨烯中脱出有利于回收,故B 正确;C.放电时,正极得电子
发生还原反应,电极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2,故C 正确;D.充电时,电路中每转移1 mol
e-,有1 mol Li+进入负极,石墨烯电极质量增加7 g,故D 错误。
2.新型锂-空气电池具有巨大的应用前景。该电池放电时的工作原理如图所示,其中固体电解质只允
许Li+通过。下列说法正确的是( )
A.有机电解液可以用水性电解液代替
B.金属锂为负极,发生还原反应
C.当外电路转移1 mol 电子,理论上石墨烯电极消耗标准状况下11.2 L 的O2
D.放电时电池的总反应为4Li+O2+2H2O===4LiOH
答案 D
解析 A.锂可以与水反应,故有机电解液不可以用水性电解液代替,A 项错误;B.金属锂为负极,发生
失电子的氧化反应,B 项错误;C.当外电路转移1 mol 电子时,消耗0.25 mol 的氧气,即理论上石墨烯
电极消耗标准状况下5.6 L 的O2,C 项错误;D.该电池的负极反应为4Li-4e-===4Li+,正极反应为
O2+4e-+2H2O===4OH-,将电极反应相加可得总反应的化学方程式4Li+O2+2H2O===4LiOH,D 项正确。
类型二 微生物燃料电池
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(如氧气)在正极得到电子被还原。
1.(2024·辽宁六校协作体开学考试)我国科学家设计的“海泥电池”既可用于深海水下仪器的电源
补给,又有利于海洋环境污染治理,其中微生物代谢产物显酸性,电池工作原理如图所示。下列说法
错误的是( )
A.A 电极为正极
B.H+从海底沉积层通过交接面向海水层移动
C.负极的电极反应式为CH2O-4e-+H2O===CO2+4H+
D.高温下微生物蛋白质变性失活,故升温不一定能提高电池的效率
答案 C
解析 由图可知,A 极物质由氧气转化为水,化合价降低,所以A 极是正极,B 极是负极,据此解答。A.
由分析可知,A 极是正极,B 极是负极,故A 正确;B.质子带正电荷,放电时向正极移动,所以质子从海底
沉积层通过交接面向海水层移动,故B 正确;C.CH2O 在微生物作用下与硫酸根离子反应生成CO2和
HS-,并不是在负极的电极反应,负极上HS-失去电子发生氧化反应生成硫单质,电极反应式为HS--2e-
===S↓+H+,故C 错误;D.微生物蛋白质高温条件下会失活,故升温不一定能提高电池的效率,故D 正确。
2.某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2O7
2−催化还原,其工作原理如下图所示。下列说
法错误的是( )
A.电池工作过程中电子由a 极经外电路流向b 极
B.b 极反应式:Cr2O7
2−+6e-+14H+===2Cr3++7H2O
C.电池工作过程中a 极区附近溶液的pH 减小
D.每生成33.6 L CO2,则处理1 mol Cr2O7
2−
答案 D
解析 由图可知,a 极乙酸生成二氧化碳和氢离子,发生氧化反应为负极,反应为CH3COOH-8e-
+2H2O===2CO2↑+8H+;b 极Cr2O7
2−转化为Cr3+, 发生还原反应, 为正极, 反应为Cr2O7
2−+6e-
+14H+===2Cr3++7H2O;A.电池工作过程中,电子由负极流向正极,即由a 极流向b 极,故A 正确;B.b 极
发生还原反应,电极反应式正确,故B 正确;C.电池工作过程中a 极区生成氢离子,电极附近溶液的pH
减小,故C 正确;D.每生成33.6 L(标况下)CO2,二氧化碳的物质的量为1.5 mol,转移电子6 mol,根据电
子守恒可知可处理1 mol Cr2O7
2−,但是选项中未标明温度、压强,气体的物质的量不确定为1.5 mol,
故D 错误。
类型三 物质转化循环型电池
1.题型背景
循环电池是电化学储能领域的一个研究热点,它通过电池内部物质的循环使用来增加储能容量,增长
使用寿命。
2.题型分析
根据物质转化,注意电极反应与电极区反应,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。
1.(2025·临沂模拟)锌溴液流电池用溴化锌溶液作电解质溶液,并在电池间不断循环。下列有关说法
不正确的是( )
A.充电时n 接电源的负极,Zn2+通过阳离子交换膜由左侧流向右侧
B.放电时每转移1 mol 电子,负极区溶液质量不变
C.充电时阴极的电极反应式为Zn2++2e-===Zn
D.若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜,放电时正、负极也随之改变
答案 D
解析 充电时n 接电源的负极,作电解池的阴极,Zn2+通过阳离子交换膜向阴极定向迁移,故由左侧流
向右侧,A 正确;放电时,负极Zn 溶解生成Zn2+,Zn2+通过阳离子交换膜向正极定向迁移,故负极区溶液
质量不变,B 正确;若将阳离子交换膜换成阴离子交换膜,放电时正、负极不会改变,D 错误。
2.(2025·八省联考四川卷)我国科学家发明了一种高储能、循环性能优良的水性电池,其工作示意图
如下。
下列说法错误的是( )
A.放电时,K+从负极向正极迁移
B.放电时,Zn(OH)4
2−的生成说明Zn(OH)2具有两性
C.充电时,电池总反应为Zn(OH)4
2−+2S 2O3
2−=== Zn+ S 4O6
2−+4OH-
D.充电时,若生成1.0 mol S4O6
2−,则有4.0 mol K+穿过离子交换膜
答案 D
解析 由电池装置图可知,放电时Zn 为负极,电极反应为Zn-2e-+4OH-===Zn(OH)4
2−,多孔碳为正极,电
极反应为S4O6
2−+2e−===2S2O3
2−;充电时Zn 为阴极,电极反应为Zn(OH)4
2−+2e-===Zn+4OH-,多孔碳
为阳极,电极反应为2S2O3
2−−2e−=== S 4O6
2−。A.放电为原电池,原电池中K+向正极移动,A 正确;B.
碱性环境中有Zn(OH)4
2−生成说明Zn(OH)2能与碱反应,既能与酸反应又能与碱反应说明Zn(OH)2有
两性,B 正确;C. 充电为电解池, 根据分析, 总反应为阴阳两极的加和,Zn(OH
)4
2−+2S2O3
2−=== Zn+ 4OH -+S4O6
2−,C 正确;D.由电极反应2S2O3
2−−2e -===S4O6
2−,生成1 mol S4O6
2−
转移电子物质的量为2 mol,应有2 mol K+穿过离子交换膜,D 错误。
类型四 浓差电池
1.浓差电池的分析方法
浓差电池是利用物质的浓度差产生电势的一种装置。两侧半电池中的特定物质具有浓度差,离子均
由“高浓度”移向“低浓度”,依据阴离子移向负极区域,阳离子移向正极区域判断电池的正极、负
极,这是解答问题的关键。例如
①a 极:Ag-e-===Ag+(负极);b 极:Ag++e-===Ag(正极)。
②NO3
−通过交换膜移向a 极。
2.离子交换膜
在浓差电池中,为了限定某些离子的移动,常涉及离子交换膜。
(1)离子交换膜的分类
①阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,不允许阴离子通过。
②阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
③质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
④双极膜,又称双极性膜,是特种离子交换膜,它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。
该膜的特点是在直流电场的作用下,阴、阳膜复合层间的H2O 解离成OH-和H+分别通过阴、阳膜,
作为H+和OH-的离子源。
(2)离子交换膜的作用
①能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。
②能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
(3)离子通过离子交换膜的定量关系
①通过隔膜的离子带的电荷数等于电路中的电子转移数。
②离子迁移:依据电荷守恒,通过隔膜的离子数不一定相等。
1.浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示,该电池从
浓缩海水中提取LiCl 的同时又获得了电能。下列有关该电池的说法错误的是( )
A.电池工作时,Li+通过离子导体移向X 极区
B.电流由Y 极通过外电路流向X 极
C.正极发生的反应为2H++2e-===H2↑
D.Y 极每生成1 mol Cl2,X 极区得到2 mol LiCl
答案 B
解析 加入稀盐酸,X 极上生成氢气,H+发生还原反应:2H++2e-===H2↑,X 极为正极,Y 极上Cl-发生氧
化反应:2Cl--2e-===Cl2↑,Y 极是负极,电池工作时,Li+向X 极区移动,A、C 正确;外电路中电流由正极
X 流向负极Y,B 错误;Y 极每生成1 mol Cl2,转移2 mol 电子,有2 mol Li+向正极移动,则X 极区得
到2 mol LiCl,D 正确。
2.构成原电池的条件有很多,当电解质中某离子的浓度越大时其氧化性或还原性越强。某化学实验
小组用如图所示的装置实验,发现电流表指针发生偏转。
(1)电极A 作 极,电极反应式为
。
(2)电极B 作 极,电极反应式为
。
(3)硝酸根离子移向 (填“A”或“B”)极。
(4)由此得出的结论是,原电池反应发生的条件不仅与电极材料和电解质的性质有关,还与电解质的
有关。
答案 (1)负 Ag-e-===Ag+ (2)正 Ag++e-===Ag (3)A (4)浓度
本讲感悟
疑点:
盲点:
1.(2024·江西卷)我国学者发明了一种新型多功能甲醛-硝酸盐电池,可同时处理废水中的甲醛和硝酸
根离子(如图)。下列说法正确的是( )
A.CuAg 电极反应为2HCHO+2H2O-4e-===2HCOO-+H2↑+2OH-
B.CuRu 电极反应为NO3
−+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-
C.放电过程中,OH-通过质子交换膜从左室传递到右室
D.处理废水过程中溶液pH 不变,无需补加KOH
答案 B
解析 CuAg 电极上HCHO 转化为HCOO- 和H2, 电极反应为2HCHO+4OH--2e-===2HCOO-
+H2↑+2H2O,A 项错误;CuRu 电极上NO3
−转化为NH3,电极反应为NO3
−+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-,B 项
正确;OH- 不能通过质子交换膜,C 项错误; 总反应为8HCHO+NO3
−+7OH-===8HCOO-
+NH3↑+4H2↑+2H2O,消耗OH-,因此需要补充KOH,D 项错误。
2.(2024·安徽卷)我国学者研发出一种新型水系锌电池,其示意图如下。该电池分别以Zn-TCPP(局部
结构如标注框内所示)形成的稳定超分子材料和Zn 为电极,以ZnSO4和KI 混合液为电解质溶液。下
列说法错误的是( )
A.标注框内所示结构中存在共价键和配位键
B.电池总反应为:I 3
−
+Zn
Zn2++3I-
C.充电时,阴极被还原的Zn2+主要来自Zn-TCPP
D.放电时,消耗0.65 g Zn,理论上转移0.02 mol 电子
答案 C
解析 标注框内Zn 和N 之间存在配位键,N 和C、C 和C、C 和H 之间存在共价键,A 项正确;放电
时Zn 为负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,Zn-TCPP 为正极,电极反应式为I 3
−+2e-===3I-,则电池总反
应为Zn+I 3
−
Zn2++3I-,B 项正确;充电时Zn 为阴极,阴极反应式为Zn2++2e-===Zn,Zn2+来自电解质溶
液,C 项错误;根据放电时负极反应式:Zn-2e-===Zn2+知,消耗0.65 g Zn,即0.01 mol Zn,理论上转移
0.02 mol 电子,D 项正确。
3.(2023·福建卷)一种可在较高温下安全快充的铝-硫电池的工作原理如图,电解质为熔融氯铝酸盐(由
NaCl、KCl 和AlCl3 形成熔点为93 ℃的共熔物),其中氯铝酸根[AlnCl3n+1
−
(n≥1)]起到结合或释放
Al3+的作用。电池总反应:2Al+3xS
Al2(Sx)3。下列说法错误的是( )
A.AlnCl3n+1
−
含4n 个Al—Cl 键
B.AlnCl3n+1
−
中同时连接2 个Al 原子的Cl 原子有(n-1)个
C.充电时,再生1 mol Al 单质至少转移3 mol 电子
D.放电时间越长,负极附近熔融盐中n 值小的AlnCl3n+1
−
浓度越高
答案 D
解析 AlnC
l3n+1
−
的结构为
,所以含4n 个Al—Cl 键,A 正确;由AlnC
l3n+1
−
的结构可知同时连接2 个Al 原子的Cl 原子有(n-1)个,B 正确;由总反应可知充电时,再生1 mol
Al 单质需由铝离子得到电子生成,所以至少转移3 mol 电子,C 正确;由总反应可知放电时间越长,负
极铝失去电子生成的铝离子越多,所以n 值大的AlnCl3n+1
−
浓度越高,D 错误。
4.(2023·全国新课标卷)一种以V2O5和Zn 为电极、Zn(CF3SO3)2水溶液为电解质的电池,其示意图如
下所示。放电时,Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是( )
A.放电时V2O5为正极
B.放电时Zn2+由负极向正极迁移
C.充电总反应:xZn+V2O5+nH2O===ZnxV2O5·nH2O
D.充电阳极反应:ZnxV2O5·nH2O-2xe-===xZn2++V2O5+nH2O
答案 C
解析 由题中信息可知, 该电池中Zn 为负极、V2O5 为正极, 电池的总反应为
xZn+V2O5+nH2O===ZnxV2O5·nH2O 。A. 由题信息可知, 放电时,Zn2+ 可插入V2O5 层间形成
ZnxV2O5·nH2O,V2O5发生了还原反应,则放电时V2O5为正极,A 说法正确;B.Zn 为负极,放电时Zn 失去
电子变为Zn2+,阳离子向正极迁移,则放电时Zn2+由负极向正极迁移,B 说法正确;C.电池在放电时的总
反
应
为
xZn+V2O5+nH2O===ZnxV2O5·nH2O,
则
其
在
充
电
时
的
总
反
应
为
ZnxV2O5·nH2O===xZn+V2O5+nH2O,C 说法不正确;D.充电阳极上ZnxV2O5·nH2O 被氧化为V2O5,则阳极
的电极反应为ZnxV2O5·nH2O-2xe-===xZn2++V2O5+nH2O,D 说法正确。
5.(2022·全国乙卷)Li-O2电池比能量高,在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来,科学家研
究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)。光照时,光催化电极产生电子(e-)和空穴(h+),驱动阴极反应
(Li++e-===Li)和阳极反应(Li2O2+2h+===2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是( )
A.充电时,电池的总反应为Li2O2===2Li+O2
B.充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C.放电时,Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D.放电时,正极发生反应:O2+2Li++2e-===Li2O2
答案 C
解析 充电时光照光催化电极产生电子和空穴, 驱动阴极反应(Li++e-===Li) 和阳极反应
(Li2O2+2h+===2Li++O2),则充电时总反应为Li2O2===2Li+O2,A 正确;充电时,光照光催化电极产生电子
和空穴,阴极反应与电子有关,阳极反应与空穴有关,故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关,B
正确;放电时,金属Li 电极为负极,光催化电极为正极,Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移,C 错误;
放电时总反应为2Li+O2===Li2O2,则正极反应为O2+2Li++2e-===Li2O2,D 正确。
高考热点总结
基础落实
选择题只有1 个选项符合题意
1.“自煮火锅”发热包的成分为碳酸钠、硅藻土、铁粉、铝粉、活性炭、焦炭粉、NaCl、生石灰,向
发热包中加入冷水,可用来蒸煮食物。下列说法错误的是( )
A.活性炭作正极,正极上发生还原反应
B.负极反应为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-
C.Na+由活性炭区向铝粉表面区迁移
D.硅藻土结构疏松,使各物质分散并混合均匀,充分接触
答案 C
解析 发热包发热过程中有微小原电池形成,如铝粉和活性炭,在水溶液中活性炭作正极,O2得到电
子发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,A 正确;铝粉作负极,失去电子发生氧化反应,
电极反应式为Al-3e-+4OH-===[Al(OH)4]-,B 正确;活性炭作正极,原电池中阳离子向正极移动,即
Na+向活性炭区迁移,C 错误;硅藻土结构疏松,可以使各物质分散并混合均匀,充分接触,D 正确。
2.某锂离子电池的工作原理如图所示(a 极材料为金属锂和石墨的复合材料),其电池总反应为
Li+FePO4===LiFePO4。下列关于该电池的说法正确的是( )
A.a 极为正极
B.b 极发生氧化反应
C.Li+从a 极室向b 极室移动
D.可以用稀硫酸作电解质溶液
答案 C
解析 a 极上发生反应:Li-e-===Li+,a 极为负极,A 项错误;b 极为正极,得电子,发生还原反应,B 项错误;
Li+透过隔膜从a 极室进入b 极室,C 项正确;Li 是活泼金属,能与稀硫酸反应,故不能用稀硫酸作电解
质溶液,D 项错误。
3.通过传感器可以监测空气中甲醛的含量。一种燃料电池型甲醛气体传感器的原理如图所示,下列
说法错误的是( )
A.a 为电池的正极,发生还原反应
B.b 极的电极反应为HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+
C.当电路中转移0.2 mol 电子时,传感器内参加反应的HCHO 为3.0 g
D.传感器工作过程中,电解质溶液中硫酸的浓度减小
答案 C
解析 氧气得电子,a 为正极,发生还原反应,A 正确;b 极是负极,电极反应式为HCHO+H2O-4e-
===CO2+4H+,B 正确;负极电极反应式为HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+,当电路中转移0.2 mol 电子时,
反应的甲醛的物质的量为0.05 mol,质量0.05 mol×30 g·mol-1=1.5 g,C 错误;传感器工作过程中,氧化
还原反应生成水,电解质溶液中硫酸的浓度变小,D 正确。
4.流动电池是一种新型电池。其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动,在电池外部调节电解
质溶液,以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示,
电池总反应为Cu+PbO2+2H2SO4===CuSO4+PbSO4+2H2O。下列说法不正确的是( )
A.a 为负极,b 为正极
B.该电池工作时PbO2电极附近溶液的pH 增大
C.a 极的电极反应为Cu-2e-===Cu2+
D.调节电解质溶液的方法是补充CuSO4溶液
答案 D
解析 电池总反应为Cu+PbO2+2H2SO4===CuSO4+PbSO4+2H2O,则铜失电子发生氧化反应为负极,
PbO2得电子发生还原反应为正极,所以a 为负极,b 为正极,故A 正确;PbO2电极反应式为PbO2+4H++S
O4
2−+2e-===PbSO4+2H2O,所以PbO2电极附近溶液的pH 增大,故B 正确;铜失电子发生氧化反应,电极
反应式:Cu-2e-===Cu2+,故C 正确;由电池总反应:Cu+PbO2+2H2SO4===CuSO4+PbSO4+2H2O 可知,调节
电解质溶液的方法是补充H2SO4溶液,故D 错误。
5.(2024·湖北武汉模拟)锰酸锂离子电池在混合动力车等大型蓄电池应用领域占据主导地位。电池
总反应式为Li1-xMnO4+xLi
LiMnO4,下列有关说法不正确的是( )
A.放电时,电池的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-===LiMnO4
B.放电过程中,内电路电流方向是从负极到正极
C.该电池也能在KOH 溶液的环境中正常工作
D.放电时Li+向电池正极方向定向迁移
答案 C
解析 根据总反应式可知Li 失去电子,电池负极反应式为Li-e-===Li+,由总反应式减去负极反应式
可得放电时的正极反应式为Li1-xMnO4+xLi++xe-===LiMnO4,A 正确;放电过程中,外电路电流方向是
从正极到负极,内电路电流方向是从负极到正极,B 正确;Li 能与KOH 溶液中的H2O 反应,导致电池无
法正常工作,C 错误;Li+为阳离子,放电时Li+向电池正极方向定向迁移,D 正确。
6.如图是常温钠离子全固态浓差电池工作示意图。正极材料为层状含钠过渡金属氧化物,负极为钠
锡合金(Na15Sn4)。下列说法合理的是( )
A.该电池工作时不发生氧化还原反应
B.放电时,负极的反应为Na15Sn4-15e-===15Na++4Sn
C.充电时,Na+会被吸附进入过渡金属氧化层
D.充电时,b 极接电源的正极,a 极接电源的负极
答案 B
解析 该电池放电时,是原电池工作原理,充电时,是电解池工作原理,无论是放电还是充电均发生了
氧化还原反应,A 错误;放电时,负极上钠锡合金(Na15Sn4)失电子发生氧化反应生成钠离子和锡,B 正确;
充电时,是电解池工作原理,Na+会向阴极移动,会脱离过渡金属氧化层,C 错误;充电时,b 极接电源的负
极,a 极接电源的正极,D 错误。
7.为保护环境,降低城市水体污染,科学家利用城市废水中的尿素,设计尿素[CO(NH2)2]燃料电池,电池
结构如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电流从电极b 通过外电路流向电极a
B.电池工作时,正极区pH 减小
C.理论上每除去1 mol CO(NH2)2,电路中通过6 mol 电子
D.利用此法,也可除去废水中的甲醇等有机物
答案 B
解析 电极b 上氧气得电子生成水,为燃料电池的正极,电极a 为负极,尿素失电子产生二氧化碳和氮
气,电流从正极电极b 流向负极电极a,A 正确;正极发生反应O2+4e-+4H+===2H2O,故正极区溶液pH
增大,B 不正确;尿素失电子产生二氧化碳和氮气,N 元素由-3 价升高为0 价,理论上每除去1 mol
CO(NH2)2,电路中通过6 mol 电子,C 正确;利用此法,通过形成燃料电池的原理,也可除去废水中的甲
醇等有机物,转化为二氧化碳和水,D 正确。
8.中国科学院长春应用化学研究所模拟实验研究了低合金钢在海水中的局部腐蚀,研究发现缺氧的
阳极区腐蚀速率比富氧介质(流动或充气)中钢的腐蚀速率大,验证了宏观氧浓差电池的存在。模拟
氧浓差电池的简易装置如图,下列叙述错误的是( )
A.电子从M 电极经导线流向N 电极
B.N 电极的电极反应式为Fe-2e-===Fe2+
C.正极区附近溶液的pH 增大
D.电路中转移0.01 mol 电子时,有0.08 g O2在正极放电
答案 A
解析 M 电极为正极,N 电极为负极,电子从N 电极经导线流向M 电极,A 错误;N 电极为负极,电极反
应式为Fe-2e-===Fe2+,B 正确;M 电极为正极,正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,由电极反应
式可知,正极区附近溶液的pH 增大,C 正确;电路中转移0.01 mol 电子时,有0.01mol
4
=0.002 5 mol 氧
气在正极放电,质量为0.002 5 mol×32 g·mol-1=0.08 g,D 正确。
9.(1)二氧化硫-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动,其装置示意图如图:
①质子的流动方向为 (填“从A 到B”或“从B 到A”)。
②负极的电极反应式为 。
(2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示:
①a 极为电池的 (填“正”或“负”)极。
②当生成1 mol N2时,电路中流过电子的物质的量为 。
答案 (1)①从A 到B
②SO2-2e-+2H2O===SO4
2−+4H+
(2)①负 ②6 mol
解析 (1)①根据图示,A 为燃料电池的负极,B 为燃料电池的正极,在原电池电解质溶液中,质子由负
极向正极移动,即从A 到B。②负极发生氧化反应,二氧化硫被氧化为硫酸根离子,电极反应式为
SO2-2e-+2H2O===SO4
2−+4H+。(2)①a 极通入氨,是负极,b 极通入氧气,是正极。②N 的化合价由-3 变
成0,当生成1 mol N2时,转移6 mol 电子。
能力提升
10.一种钾离子电池的电池反应为K0.5MnO2+8xC
K0.5-xMnO2+xKC8,其装置如图所示。下列说法正
确的是( )
A.充电时,化学能转变为电能
B.放电时,K+向负极区迁移
C.放电时,负极的电极反应为Al-3e-===Al3+
D.充电时,阳极的电极反应为K0.5MnO2-xe-===K0.5-xMnO2+xK+
答案 D
解析 充电时,应是电能转化为化学能,A 项错误;由已知得,放电时,负极失去电子,故负极的电极反应
为xKC8-xe-===8xC+xK+,C 项错误。
11.一种双室微生物燃料电池污水净化系统原理如图所示,图中酸性污水中含有的有机化合物用
C6H12O6表示。下列有关该电池的说法不正确的是( )
A.正极的电极反应式为[Fe(CN)6]3-+e-===[Fe(CN)6]4-
B.电池的总反应为C6H12O6+24[Fe(CN)6]3-+6H2O===6CO2↑+24[Fe(CN)6]4-+24H+
C.该“交换膜”可选用“质子交换膜”
D.若将“K3[Fe(CN)6]溶液”改为“O2”,当有22.4 L O2参与反应时,理论上转移4 mol 电子
答案 D
解析 根据元素化合价的变化可知,[Fe(CN)6]3-生成[Fe(CN)6]4-的过程铁元素被还原,电极甲应为原电
池的正极,所以正极的电极反应式为[Fe(CN)6]3-+e-===[Fe(CN)6]4-,A 正确;C6H12O6被氧化生成H+和二
氧化碳,[Fe(CN)6]3- 被还原生成[Fe(CN)6]4-, 则总反应为
C6H12O6+24[Fe(CN)6]3-
+6H2O===6CO2↑+24[Fe(CN)6]4-+24H+,B 正确; 原电池中阴离子有向负极移动的趋势, 为防止
[Fe(CN)6]3-移向负极,同时可以使负极产生的氢离子迁移到正极,可选用质子交换膜,C 正确;氧气所处
的压强和温度未知,无法计算氧气的物质的量,D 错误。
12.(2024·云南玉溪模拟)如图是一种浓差电池,阴、阳离子交换膜交替放置,中间的间隔交替充以河
水和海水,选择性透过Cl-和Na+,在两电极板形成电势差,进而在外部产生电流。下列关于该电池的
说法正确的是( )
A.a 电极为电池的正极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.C 为阴离子交换膜,A 为阳离子交换膜
C.负极隔室的电中性溶液通过阳极表面的还原作用维持
D.该电池的缺点是离子交换膜价格昂贵,电极产物也没有经济价值
答案 A
解析 依据电子的移动方向判断b 电极为负极,a 电极为正极,氢离子得到电子在正极放电,电极反应
式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,A 正确;阳离子移向正极,Na+移向a 电极,C 为阳离子交换膜,Cl-移向b 电极,
A 为阴离子交换膜,B 错误;负极隔室中Cl-失去电子生成氯气,Na+通过C 膜移入河水,维持负极隔室
溶液的电中性,C 错误;离子交换膜价格昂贵,但两极产物氢气、氯气是工业制盐酸等的原料,D 错误。
13.(1)据文献报道,科学家利用氮化镓材料与铜组成如图所示的人工光合系统装置,成功地以CO2和
H2O 为原料合成了CH4。
①写出铜电极表面的电极反应式:
。
②为提高该人工光合系统的工作效率,可向装置中加入少量 (填“盐酸”或“硫酸”)。
(2)某负载二次镍氢电池放电时的工作原理如图所示,其中隔膜为 (填“阴”或“阳”)离子
交换膜,负极的电极反应式为 。
(3)利用反应NO2+NH3――→N2+H2O(未配平)消除烟气中NO2的简易装置如图所示,A、B 两池溶液
均为200 mL 0.01 mol·L-1 NaOH 溶液,过程中溶液的体积和温度变化忽略不计。
电极a 的电极反应式为
。
答案 (1)①CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O ②硫酸
(2)阴 LaNi5H6+6OH--6e-===LaNi5+6H2O
(3)2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O
解析 (1)原电池中电子从负极流向正极,根据图像中电子流向可知,铜电极为正极,正极上二氧化碳
得电子生成甲烷,则铜电极表面的电极反应式为CO2+8e-+8H+===CH4+2H2O;负极水失电子产生氧气,
电极反应式为4H2O-8e-===2O2+8H+。②电池中有质子交换膜,说明电解质溶液显酸性,必须加入酸,
在光的作用下,盐酸中的Cl-易失电子产生Cl2,且盐酸易挥发,故应选硫酸。(2)由图像可知,NiO(OH)为
电池的正极, 电极反应为NiO(OH)+e-===NiO+OH-,LaNi5H6 为电池的负极, 电极反应为
LaNi5H6+6OH--6e-===LaNi5+6H2O。根据上述分析,OH-需从正极区到负极区,因此隔膜为阴离子交换
膜。(3)根据化学方程式,NO2发生还原反应,为正极反应物,NH3发生氧化反应,为负极反应物,故电极a
是负极,电极反应式为2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O。
14.双阴极微生物燃料电池处理含NH 4
+的废水的工作原理如图(a)所示,双阴极通过的电流相等,废水
在电池中的运行模式如图(b)所示。
(1)Y 离子交换膜为 (填“阳”或“阴”)离子交换膜。
(2)Ⅲ室中除了O2→H2O,主要发生的反应还有
(用离子方程式表示)。
(3)生成3.5 g N2,理论上需要消耗 g O2。
答案 (1)阳 (2)NH 4
++2O2=== N O3
−+H2O+2H+ (3)26
