2023-2024學年高二化學2019選擇性必修1試題1.2.2化學能與電能的轉化（化學電源）2

1.2.2化學能與電能的轉化（化學電源）基礎知識清單基礎知識清單一、化學電源概述1．化學電源的分類及特點(1)化學電源的分類。①一次電池：也叫作，常見的一次電池有普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、紐扣式銀鋅電池。②二次電池：又稱為或蓄電池，是最常見的二次電池。目前已開發(fā)出鎳鎘電池、鎳氫電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰離子電池等新型二次電池。③燃料電池：氫氧燃料電池等。(2)各類電池的特點。①一次電池：電池中發(fā)生氧化還原反應的物質大部分被消耗后就不能再使用，放電后不可再充電。②二次電池：又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電，可多次重復使用。③燃料電池：燃料電池的氧化劑和還原劑不是儲藏在電池內部，而是在工作時不斷從外部輸入，同時將電極反應產物不斷排出電池，因此燃料電池能連續(xù)不斷地提供電能。二、一次電池鋅錳干電池普通鋅錳干電池制作簡單、價格便宜，但存在放電時間短、放電后電壓下降較快等缺點。堿性鋅錳電池比普通鋅錳干電池性能優(yōu)越，它的比能量[電池單位質量或單位體積所輸出電能的多少，單位(W·h)/kg或(W·h)/L]大，能提供較大電流并連續(xù)放電。普通鋅錳電池堿性鋅錳干電池裝置電極材料及電解質溶液負極：正極：溶液負極：正極：溶液電極反應堿性鋅錳干電池的總反應：負極：正極：2.銀鋅紐扣電池的構造與工作原理總反應：。負極：。正極：。三、二次電池二次電池放電后可以再充電使活性物質獲得再生，又稱或。充、放電時各電極上發(fā)生的反應：1．鉛蓄電池的構造與工作原理(1)放電時負極：，正極：，電解質溶液：溶液。負極：。正極：。(2)充電時鉛蓄電池的充電反應是放電反應的逆過程?？偡磻匠淌剑?。(3)鉛蓄電池的優(yōu)缺點。①優(yōu)點：可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉，在生產生活中應用廣泛。②缺點：比能量低、笨重，廢棄的電池污染環(huán)境。2．鋰離子電池常見鋰離子電池的構造與工作原理負極材料正極材料電解質溶液嵌鋰石墨(LixC6)磷酸鐵鋰(LiFePO4)或鈷酸鋰(LiCoO2)鋰離子的載體，如六氟磷酸鋰(LiPF6)的碳酸酯無水溶液裝置與工作原理(以鈷酸鋰石墨鋰電池為例)放電：總反應：LixC6＋Li(1－x)CoO2=6C＋LiCoO2負極反應：；正極反應：；放電時Li＋由石墨中脫嵌移向正極，嵌入鈷酸鋰晶體中；充電時Li＋從鈷酸鋰晶體中脫嵌，由正極回到負極，得到電子生成Li重新嵌入石墨中，在放電、充電時，鋰離子往返于電池的正極、負極之間，完成化學能與電能的相互轉化四、燃料電池1．燃料電池(1)利用(如氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體)和之間發(fā)生的氧化還原反應將化學能直接轉換成電能的化學電池。工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除，能連續(xù)不斷地提供電能。2．氫氧燃料電池的工作原理電極：惰性電極。燃料：H2(1)堿性電解質總反應：2H2＋O2=2H2O負極：；正極：。(2)酸性電解質總反應：2H2＋O2=2H2O負極：；正極：。3.電池特點。①能量轉換率高，污染小。②工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷進行反應，連續(xù)不斷地提供電能。燃料電池的電極反應式書寫1．O2參與的燃料電池正極反應式的書寫介質正極反應式酸性(質子交換膜)堿性能傳導O2－的固體電解質(如Y2O)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)特別提醒：電解質溶液中注意離子參與反應，如堿性環(huán)境，OH－參與；O2－環(huán)境，O2－參與。2．負極反應式的書寫方法一：加減法(1)寫出電池總反應式燃料電池的總反應與燃料的燃燒反應一致，若產物能和電解質反應，則總反應為加和后的反應。甲烷燃料電池(電解質溶液為NaOH溶液)的反應：CH4＋2O2=CO2＋2H2O①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②①＋②式得燃料電池總反應為。(2)根據電解質情況寫出正極反應式，電池的總反應式－電池正極反應式＝電池負極反應式，注意在將兩個反應式相減時，要調整O2的化學計量數以約去正極的反應物O2。方法二：直接書寫法(1)確定生成物(2)確定轉移電子數利用化合物中化合價代數和為0的規(guī)則確定有機物中碳元素的化合價，從而確定1mol有機物失去電子的數目。如：C2H4中碳元素的化合價為－2，碳元素化合價的變化為－2→＋4，故1molC2H4失去12mol電子。(3)列出負極反應的表達式，如C2H4在堿性條件下負極反應的表達式：C2H4＋OH－－12e－=COeq\o\al(2－,3)＋H2O。(4)利用原子守恒和電荷守恒確定電極反應式中各物質的化學計量數，由碳原子守恒確定COeq\o\al(2－,3)的化學計量數為2，由電荷守恒確定OH－的化學計量數為16(注：失去12e－，相當于帶12個正電荷)，由氫原子守恒確定H2O的化學計量數為10，故負極反應式為C2H4＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋10H2O。3.解答有關燃料電池試題的思維流程特別提醒(1)電池的負極通入可燃性氣體，失電子，發(fā)生氧化反應。電池的正極通入氧氣或空氣，得電子，發(fā)生還原反應。(2)電極材料一般不參加化學反應，只是一個催化轉化元件。(3)書寫電極反應式時，要分清電解質溶液的酸堿性。在堿性電解質溶液中，電極反應式中不能出現(xiàn)H＋；在酸性電解質溶液中，電極反應式中不能出現(xiàn)OH－。(4)正、負兩極的電極反應式在得失電子守恒的前提下，相加后的電池反應必然是燃料燃燒反應和燃燒產物與電解質溶液反應的疊加反應式。(5)電極反應式遵循質量守恒、電荷守恒定律。課后分層練課后分層練1．如圖是幾種常見的化學電源示意圖，有關說法不正確的是()干電池示意圖鉛蓄電池示意圖氫氧燃料電池示意圖A．上述電池分別屬于一次電池、二次電池和燃料電池B．干電池在長時間使用后，鋅筒被破壞C．鉛蓄電池工作過程中，每通過2mol電子，負極質量減輕207gD．氫氧燃料電池是一種具有應用前景的綠色電源2．堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應用。堿性鋅錳電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應式為Zn＋2MnO2＋2H2O=Zn(OH)2＋2MnOOH。下列說法中錯誤的是()A．電池工作時，鋅失去電子B．電池正極的電極反應式為2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－C．電池工作時，電子由正極通過外電路流向負極D．外電路中每通過0.2mol電子，鋅的質量減少6.5g3．下列有關化學電源的描述正確的是()①一次電池也叫干電池，其活性物質被消耗后不能再生②二次電池也叫可充電電池，通過充電可使其活性物質再生③任何電池都是依據原電池的原理制造的④化學電源與其他能源相比，具有攜帶方便，可制成各種形狀等優(yōu)點⑤比能量與比功率，是判斷電池優(yōu)劣的主要標準A．①②③④⑤ B．①②④⑤C．③④⑤ D．①②③⑤4．微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。有一種銀鋅電池，其電極分別是Ag2O和Zn，電解質溶液為KOH溶液，據此判斷下列敘述中正確的是()A．在使用過程中，電解質KOH被不斷消耗B．使用過程中，電子由Ag2O極經外電路流向Zn極C．Zn是負極，電極反應為Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2D．Zn電極發(fā)生還原反應，Ag2O電極發(fā)生氧化反應5．利用微生物燃料電池進行廢水處理，可實現(xiàn)碳氮聯(lián)合轉化。某微生物燃料電池的工作原理如圖所示，其中M、N為厭氧微生物電極。下列有關敘述錯誤的是()A．負極反應式為CH3COO－－8e－＋2H2O=2CO2↑＋7H＋B．電池工作時，H＋由N極區(qū)移向M極區(qū)C．相同條件下，M極區(qū)生成的CO2與N極區(qū)生成的N2的體積之比為5：2D．好氧微生物反應器中發(fā)生的反應的離子方程式為NHeq\o\al(＋,4)＋2O2eq\o(=,\s\up17(好氧微生物))NOeq\o\al(－,3)＋2H＋＋H2O6．芬蘭籍華人科學家張霞昌研制的“超薄型軟電池”獲2009年中國科技創(chuàng)業(yè)大賽最高獎，被稱之為“軟電池”的紙質電池總反應為Zn＋2MnO2＋H2O=ZnO＋2MnOOH(氫氧化氧錳)。下列說法正確的是()A．該電池中Zn作負極，發(fā)生還原反應B．該電池反應中MnO2起催化作用C．該電池工作時電流由Zn經導線流向MnO2D．該電池正極反應式為2MnO2＋2e－＋2H2O=2MnOOH＋2OH－7．某鐵空氣電池放電時，其原理如圖所示。電池總反應為2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)2。下列說法正確的是()A．a極質量不變B．b極為電池負極C．電子從a電極經負載流向b電極D．該裝置將電能轉變?yōu)榛瘜W能8.銀鋅紐扣電池的總反應式為Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag，下列說法不正確的是()A．負極的電極反應式為Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2B．正極發(fā)生還原反應C．電池工作時，電流從Ag2O經導線流向ZnD．電池工作時，溶液中的OH－向正極移動9．原電池原理在生產生活中有著廣泛的應用。(1)電化學氣敏傳感器可用于監(jiān)測大氣環(huán)境中的SO2含量，其工作原理如圖所示，電極a、b均為惰性電極。電極b是(填“正”或“負”)極，請寫出負極的電極反應式：，放電時H＋向(填“a”或“b”)極遷移。(2)鉛蓄電池是一種廣泛使用的二次電池，其放電時的反應方程式為Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，則其正極的電極反應式為，當電路中通過2mol電子時負極質量增加g。10．中國科學院應用化學研究所在甲醚(CH3OCH3)燃料電池技術方面獲得新突破。甲醚燃料電池的工作原理如圖所示：(1)甲醚由________(填“b”或“c”)通入。(2)該電池負極的電極反應式為__________________________。(3)工作一段時間后，當9.2g的甲醚完全反應時，有________mol電子轉移。11．高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通電池相比，該電池能較長時間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應式為3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。請回答下列問題：(1)高鐵電池的負極材料是________，放電時負極的電極反應式為_________________________________。(2)放電時，正極發(fā)生________(選填“氧化”或“還原”)反應；正極的電極反應式為_______________。放電時，________(選填“正”或“負”)極附近溶液的堿性增強。12．鎳-鎘電池是一種可充電的“干電池”，使用壽命長達10～15年。其總反應為Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。(1)放電時，負極發(fā)生________反應，反應式為____________________。(2)電池工作時，負極區(qū)pH________，正極區(qū)pH________。(3)該電池工作時，電解質溶液中的OH－向______移動1．一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意圖如圖。有關該電池的說法正確的是()A．反應CH4＋H2Oeq\o(=,\s\up11(催化劑),\s\do4(△))3H2＋CO，每消耗1molCH4轉移12mol電子B．電極A上的電極反應為H2＋2OH－－2e－=2H2OC．電池工作時，COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))向電極B移動D．電極B上發(fā)生的電極反應為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(\s\up11(2－),\s\do4(3))2．如圖是甲醇燃料電池的結構示意圖，甲醇在催化劑作用下提供質子(H＋)和電子，電子經外電路、質子經內電路到達另一極與氧氣反應，電池總反應為2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。下列說法不正確的是()A．左電極為電池的負極，a處通入的物質是甲醇B．正極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．負極反應式為CH3OH＋H2O－6e－=CO2＋6H＋D．該電池提供1mole－，消耗氧氣0.25mol3．熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源。一種熱激活電池的基本結構如圖所示，其中作為電解質的無水LiCl、KCl混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應為PbSO4＋2LiCl＋Ca=CaCl2＋Li2SO4＋Pb，下列有關說法正確的是()A．正極反應式：Ca＋2Cl－－2e－=CaCl2B．該電池工作時，Li＋向負極移動C．該電池在常溫時就能正常工作D．每轉移0.2mol電子，理論上生成20.7gPb4．鉛蓄電池的電極材料分別為Pb和PbO2，電解質溶液為30%H2SO4。如圖是處于工作狀態(tài)的鉛蓄電池示意圖，若兩電極的質量都增加且a極增加得更多。下列說法正確的是()A．b為鉛蓄電池的負極B．a電極發(fā)生的反應為PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2OC．該鉛蓄電池正在充電D．工作一段時間后，溶液中c(H＋)減小5．中國科學院研發(fā)了一種新型鉀電池，有望成為鋰電池的替代品。該電池的電解質為CF3SO3K溶液，其簡要組成如圖所示。電池放電時的總反應為2KC14H10＋xMnFe(CN)6=2K1－xC14H10＋xK2MnFe(CN)6，則下列說法中錯誤的是()A．放電時，電流從電極A經過導線流向電極BB．充電時，電極A質量減少，電極B質量增加C．放電時，CF3SO3K溶液的濃度變大D．充電時，陽極反應為K2MnFe(CN)6－2e－=2K＋＋MnFe(CN)66．鈉離子電池因其原材料豐富、資源成本低廉及安全環(huán)保等突出優(yōu)點，在電化學規(guī)模儲能領域和低速電動車領域中具有廣闊的應用前景。一種新型可充電鈉離子電池的工作原理如圖，電池總反應為NaMnO2＋Ceq\o(,\s\up11(充電),_x0001_,\s\do4(放電))Na1－xMnO2＋NaxC(0＜x≤1)。下列說法正確的是()A．放電時，A極為正極，發(fā)生氧化反應B．充電時，陽極反應為NaMnO2＋xe－=Na1－xMnO2＋xNa＋(0＜x≤1)C．充電時，當電解質溶液中轉移1mol電子，硬碳質量增加23gD．放電時，Na＋從硬碳中脫嵌，經過電解質溶液嵌入MnO2納米片中7．質子交換膜燃料電池的工作原理如圖所示，下列敘述正確的是()A．通入氧氣的電極發(fā)生氧化反應B．通入氫氣的電極為正極C．導電離子為質子，且在電池內部由正極定向移動至負極D．正極的電極反應式為O2＋4H＋＋4e－=2H2O8．以N2與H2為反應物、溶有A的鹽酸為電解質溶液，可制成能固氮的新型燃料電池，其原理如圖所示。下列敘述正確的是()A．電流從通H2的電極流向通入N2的電極B．A為NH4ClC．反應過程中右邊區(qū)域溶液的c(H＋)減小D．通N2一極的電極反應為N2＋8H＋－6e－=2NHeq\o\al(＋,4)9．微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。某污水處理廠利用微生物燃料電池處理含鉻廢水的工作原理如圖所示。下列說法錯誤的是()A．電池工作時a極發(fā)生氧化反應B．CH3OH與Cr2Oeq\o\al(2－,7)也可直接反應C．電池工作一段時間后，右邊溶液的酸性增強D．