题型09 化学电源
一、解题策略
二、题型分析
【典例1】【2019·课标全国Ⅰ，12】利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如图所示。下列说法错误的是( )
A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能
B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋
C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3
D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
【答案】B
【解析】由题图和题意知，电池总反应是3H2＋N2===2NH3。该合成氨反应在常温下进行，并形成原电池产生电能，反应不需要高温、高压和催化剂，A项正确；观察题图知，左边电极发生氧化反应MV＋－e－===MV2＋，为负极，不是阴极，B项错误；正极区N2在固氮酶作用下发生还原反应生成NH3，C项正确；电池工作时，H＋通过交换膜，由左侧(负极区)向右侧(正极区)迁移，D项正确。
【典例2】【2019·课标全国Ⅲ，13】为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn—NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)
ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
【答案】D
【解析】该电池采用的三维多孔海绵状Zn具有较大的表面积，可以高效沉积ZnO，且所沉积的ZnO分散度高，A正确；根据题干中总反应可知该电池充电时，Ni(OH)2在阳极发生氧化反应生成NiOOH，其电极反应式为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确；放电时Zn在负极发生氧化反应生成ZnO，电极反应式为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确；电池放电过程中，OH－等阴离子通过隔膜从正极区移向负极区，D错误。
【典例3】【2018·课标全国Ⅱ，12】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＋4Na====2Na2CO3＋C。下列说法错误的是( )
A．放电时，ClO4(－)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－===2CO3(2－)＋C
D．充电时，正极反应为：Na＋＋e－===Na
【答案】D
【解析】电池放电时，ClO4(－)向负极移动，A项正确；结合总反应可知放电时需吸收CO2，而充电时释放出CO2，B项正确；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应式为3CO2＋4e－===2CO3(2－)＋C，C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。
1．某电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。该电池是以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解溶质溶液，其总反应为：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O
3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列说法正确的是( )
A．Zn为电池的正极
B．充电时阳极反应为：Fe(OH)3－3e-＋5OH- ＝FeO42-＋4H2O
C．放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化
D．该电池放电过程中电解质溶液浓度不变
【答案】B
【解析】A．根据电池的总反应可知，高铁电池放电时必定是锌在负极失去电子，错误；B．充电时阳极发生Fe(OH)3失电子的氧化反应，即反应为：Fe(OH)3-3e-+5OH-=FeO42-+4H2O，正确；C．放电时正极反应为FeO42+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-，每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被还原，错误；D．根据电池总反应式可知，放电时有KOH生成，电解质KOH的浓度增大，错误。
2．水系钠离子电池安全性能好、价格低廉、对环境友好，有着巨大的市场前景。某钠离子电池工作原理如图，电池总反应为：2NaFePO4F + Na3Ti2(PO4)3
2Na2FePO4F+ NaTi2(PO4)3
下列说法错误的是
A．充电时，a接电源正极
B．放电时，溶液中的Na+在NaFePO4F电极上得电子被还原
C．充电时，阴极上的电极反应为NaTi2(PO4)3+2Na++2e﹣=Na3Ti2(PO4)3
D．理论上，该电池在充电或放电过程中溶液中的c(Na+)不变
【答案】B
【解析】2NaFePO4F + Na3Ti2(PO4)32Na2FePO4F+ NaTi2(PO4)3分析方程式得出NaFePO4F变为Na2FePO4F，Fe在降低，发生还原反应，该物质作原电池的正极，Na3Ti2(PO4)3变为NaTi2(PO4)3，Ti在升高，发生氧化反应，该物质作原电池的负极。A、放电时a为正极，因此充电时，a接电源正极，正确；B、放电时，溶液中的Na+不放电，而是Na3Ti2(PO4)3中Ti在失去电子，错误；C、阴极主要是NaTi2(PO4)3得到电子，因此阴极上的电极反应为NaTi2(PO4)3+ 2Na+ + 2e－ =Na3Ti2(PO4)3，正确；D、根据溶液中电荷守恒关系，理论上，该电池在充电或放电过程中溶液中的c(Na+)不变，正确。
3．一种充电电池放电时的电极反应为：H2+2OH—
2e—=2H2O、NiO(OH) + H2O +e—=Ni(OH)2+ OH—。当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是（ ）
A．H2O的还原 B．NiO(OH)的还原
C．H2的氧化 D．Ni(OH)2的氧化
【答案】D
【解析】当为电池充电时相当于电解，与外电源正极连接的电极是阳极，失去电子，发生氧化反应，是放电时正极反应的逆反应，则发生的反应是Ni(OH）2的氧化，正确。答案选D。
4．氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪声低、无污染等优点。熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用
B．负极反应式为H2－2e－＋CO3(2－)===CO2＋H2O
C．电子流向：电极a→负载→电极b→熔融碳酸盐→电极a
D．电池工作时，外电路中通过0.2 mol电子，消耗3.2 g O2
【答案】B
【解析】A．分析可知电池工作时，熔融碳酸盐起到导电的作用，和氢离子结合生成二氧化碳，二氧化碳在正极生成碳酸根离子循环使用，故A错误；B．原电池工作时，H2失电子在负极反应，负极反应为H2＋CO3(2－)－2e－===H2O＋CO2，故B正确；C．电池工作时，电子从负极电极a－负载－电极b，电子不能通过熔融碳酸盐重新回到电极a，故C错误；D．电极反应中电子守恒正极的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO3(2－)，电池工作时，外电路中流过0.2 mol电子，反应消耗0.05 mol O2，消耗O2质量＝0.05 mol×32 g/mol＝1.6 g，故D错误。
5．下图是一种正投入生产的大型蓄电系统。放电前，被膜隔开的电解质为Na2S2和NaBr3，放电后分别变为Na2S4和NaBr。下列叙述正确的是( )
A．放电时，负极反应为3NaBr－2e－===NaBr3＋2Na＋
B．充电时，阳极反应为2Na2S2－2e－===Na2S4＋2Na＋
C．放电时，Na＋经过离子交换膜，由b池移向a池
D．用该电池电解饱和食盐水，产生2.24 L H2时，b池生成17.40 g Na2S4
【答案】C
【解析】放电前，被膜隔开的电解质为Na2S2(右罐)和NaBr3(左罐)，则Na2S2在负极失电子，NaBr3在正极得电子；充电时，阴极为负极的逆反应，阳极为正极的逆反应；A．放电时，负极Na2S2失电子，则负极的电极反应式为：2S2(2－)－2e－===S4(2－)，故A错误；B．充电时，阳极上Br－失电子转化为Br3(－)，则阳极的电极反应式为：3Br－－2e－===Br3(－)，故B错误；C．电池放电时，Na2S2和NaBr3反应，则电池的总反应方程式为：2Na2S2＋NaBr3===Na2S4＋3NaBr，Na＋经过离子交换膜，由b池移向a池，故C正确；D． 用该电池电解饱和食盐水，产生2.24 L H2时，此气体不是标准状况下的体积，无法进行换算，则b池生成Na2S4的质量不一定是17.40 g，故D错误。
6．我国科学家在液流电池研究方面取得新进展。一种硫/碘体系(K2S2/KI)的液流电池工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．放电时电池右侧电极为负极，发生氧化反应
B．放电时，电池左侧的电极反应为S2(2－)＋2e－===2S2－
C．充电时，电池的总反应为3I－＋S2(2－)===I3(－)＋2S2－
D．充电时，电解质溶液中K＋经交换膜向右侧移动
【答案】C
【解析】根据题图可知，放电时右侧电极上I3(－)得到电子，发生还原反应：I3(－)＋2e－===3I－，则右侧电极为正极，A项错误；放电时左侧电极上S2－失去电子，发生氧化反应：2S2－－2e－===S2(2－)，B项错误；放电时电池总反应为：I3(－)＋2S2－===3I－＋S2(2－)，则充电时电池总反应为：3I－＋S2(2－)===I3(－)＋2S2－，C项正确；充电时，左侧电极为阴极，右侧电极为阳极，电解质溶液中K＋经交换膜向阴极(左侧)移动，D项错误。
7．某高能电池以磷酸溶液作为电解质溶液，利用乙烯直接氧化法制乙酸，其总反应式为CH2===CH2＋O2===CH3COOH。某兴趣小组将该反应设计成如图所示的燃料电池，下列有关说法正确的是( )
A．在电池工作过程中，溶液中的PO4(3－)向正极移动
B．电子移动方向：电极a→磷酸溶液→电极b
C．负极的电极反应式为CH2===CH2－4e－＋2H2O===CH3COOH＋4H＋
D．当电路中通过0.04 mol电子时，参加反应的CH2===CH2为224 mL
【答案】C
【解析】A项，根据原电池的工作原理，阴离子向负极移动，即PO4(3－)向负极移动，A错误；B项，电子不能通过电解质溶液，电子移动方向应为电极a→负载→电极b，B错误；C项，根据电池总反应式及电解质溶液是磷酸溶液，可写出负极反应式：CH2===CH2＋2H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，C正确；D项，根据负极的电极反应式可知，当电路中通过0.04 mol电子时，参加反应的CH2===CH2为0.01 mol，但题中没有给出气体所处的状态，故无法计算气体的体积，D错误。
8．当电解质中某离子的浓度越大时，其氧化性或还原性越强，利用这一性质，有人设计出如图所示“浓差电池”(其电动势取决于物质的浓度差，是由一种物质从高浓度向低浓度转移而产生的。)其中，甲池为3 mol·L－1的AgNO3溶液，乙池为1 mol·L－1的AgNO3溶液，A、B均为Ag电极。实验开始先断开K1，闭合K2，发现电流计指针发生偏转。下列说法不正确的是( )
A．实验开始先断开K1，闭合K2，此时NO3(－)向B电极移动
B．断开K1，闭合K2，一段时间后电流计指针归零，此时两池银离子浓度相等
C．当电流计指针归零后，断开K2，闭合K1，一段时间后B电极的质量增加
D．当电流计指针归零后，断开K2，闭合K1，乙池溶液浓度增大
【答案】C
【解析】断开K1，闭合K2后，形成浓差电池，A为正极，B为负极，阴离子移向负极，则NO3(－)向B电极移动，A项正确；断开K1，闭合K2后，形成浓差电池，一段时间后电流计指针归零，说明没有电流，此时两池银离子浓度相等，B项正确；闭合K1，断开K2后，该装置为电解池，与电源正极相连的B电极是阳极，阳极上金属银被氧化产生银离子，甲池中的NO3(－)向乙池移动，则乙池中硝酸银浓度增大，C项错误，D项正确。
9．新型可控电池——锂水电池的工作原理如图所示。下列有关说法正确的是( )
A．有机电解质中可加入乙酸
B．该电池工作时，阳离子向锂电极移动
C．石墨电极上发生的反应是2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
D．该电池为二次电池，充电时锂电极接外加电源的负极
【答案】C
【解析】由题图可知，该原电池中锂电极为负极，石墨电极为正极，且负极不能与水接触，负极的电极反应式为Li－e－===Li＋，正极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。选项A，Li和有机电解质不反应，但Li和乙酸可反应，所以有机电解质中不可加入乙酸，故A错误；选项B，该电池工作时，阳离子向正极移动，也就是向石墨电极移动，故B错误；选项C，根据上述分析可知，石墨电极的反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故C正确；选项D，该原电池反应后的产物氢气脱离电池，故该装置是一次电池，故D错误。
10．我国科研工作者在锂硫电池的研究上取得重大突破。该电池的总反应是16Li＋S88Li2S，充放电曲线如图所示，下列说法不正确的是( )
A．充电时，电能转化为化学能
B．放电时，锂离子向正极移动
C．放电时，1 mol Li2S6转化为Li2S4得到2 mol e－
D．充电时，阳极总电极反应式是8S2－－16e－===S8
【答案】C
【解析】充电时，应用电解原理，电能转化为化学能，A项正确；放电时，应用原电池原理，原电池工作时，阳离子向正极移动，即Li＋向正极移动，B项正确；结合题图可知，放电时，1 mol Li2S6转化为Li2S4的反应为2Li2S6＋2Li===3Li2S4，反应中2 mol Li2S6得到2 mol e－，即1 mol Li2S6得到1 mol e－，C项错误；根据总反应和题图可知，充电时阳极总反应式为8S2－－16e－===S8，D项正确。
11．一种太阳能储能电池的工作原理如图所示，已知锂离子电池的总反应为：Li1－xNiO2＋xLiC6LiNiO2＋xC6。下列说法错误的是( )
A．该锂离子电池为二次电池
B．该锂离子电池充电时，n型半导体作为电源正极
C．该锂离子电池放电时，Li＋从a极移向b极
D．该锂离子电池放电时，b极上发生还原反应，电极反应式为：Li1－xNiO2＋xe－＋xLi＋===LiNiO2
【答案】B
【解析】题图所示锂离子电池能实现充电和放电，为二次电池，A项正确；充电时a极为阴极，则n型半导体为电源负极，B项错误；电池放电时，Li＋从负极向正极移动，即Li＋从a极向b极移动，C项正确；电池放电时，b极为正极，发生还原反应，其电极反应式为Li1－xNiO2＋xe－＋xLi＋===LiNiO2，D项正确。
12．微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示，下列说法正确的是( )
A．HS－在硫氧化菌作用下转化为SO4(2－)的反应为：HS－＋4H2O－8e－===SO4(2－)＋9H＋
B．电子从b流出，经外电路流向a
C．如果将反应物直接燃烧，能量的利用率不会变化
D．若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移，则有0.45 mol H＋通过质子交换膜
【答案】A
【解析】根据图示，在硫氧化菌作用下HS－转化为SO4(2－)，发生氧化反应：HS－＋4H2O－8e－===SO4(2－)＋9H＋，A项正确；电极a上发生氧化反应，电极a为负极，电子从电极a流出，经外电路流向电极b，B项错误；如果将反应物直接燃烧，有化学能转化为热能或光能，能量的利用率降低，C项错误；若该电池电路中有0.4 mol电子发生转移，则有0.4 mol H＋通过质子交换膜，D项错误。
13．利用微生物燃料电池原理，可以处理宇航员排出的粪便，同时得到电能。美国宇航局设计的方案是：用微生物中的芽孢杆菌来处理粪便产生氨气，氨气与氧气分别通入燃料电池两极，最终生成常见的无毒物质。示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A．a电极是负极，b电极是正极
B．负极区发生的反应是2NH3 - 6e－=N2+6H+
C．正极区，每消耗标准状况下2.24 L O2，a向b电极转移0.4 mol电子
D．电池工作时电子通过由a经负载流向b电极，再穿过离子交换膜回到a电极
【答案】D
【解析】A、根据图中信息可知，左边为失去电子，作负极，右边得到电子，作正极，因此a电极是负极，b电极是正极，正确；B、氨气在负极反应变为氮气，因此负极区发生的反应是2NH3 - 6e－= N2+6H+，正确；C、正极区，每消耗标准状况下2.24 L O2即物质的量为0.1 mol，得到0.4mol电子，因此a向b电极转移0.4 mol电子，正确；D、电池工作时电子通过由a经负载流向b电极，电子不能通过电解质溶液，错误。
14．2019年诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池发展作出重要贡献的科学家。磷酸铁锂锂离子电池充电时阳极反应式为,
，放电工作示意图如图。下列叙述不正确的是
A．放电时，Li+通过隔膜移向正极
B．放电时，电子由铝箔沿导线流向铜箔
C．放电时正极反应为：
D．磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现，C、Fe、P元素化合价均不发生变化
【答案】D
【解析】A、放电时，“同性相吸”即Li+通过隔膜移向正极，正确；B、放电时，电子由负极即铝箔沿导线流向正极即铜箔，正确；C、放电正极得电子，发生氧化反应为：xFePO4 + xLi++xe－=xLiFeO4，正确；D、磷酸铁锂锂离子电池充放电过程通过Li+迁移实现，Fe元素化合价发生变化，错误。
15．用吸附了H2的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．放电时，甲电极反应为NiO(OH)＋H2O＋e－=Ni(OH)2＋OH－
B．放电时，甲电极为正极，OH－移向乙电极
C．电池放电时总反应为H2＋2NiO(OH)=2Ni(OH)2
D．充电时，电池的碳电极与直流电源的正极相连
【答案】C
【解析】放电时，该电池为原电池，甲电极为负极，H2在电极上放电，乙电极为正极，NiO(OH)在电极上放电；充电时，应将甲电极与外电源的负极相连作阴极，乙电极与外电源的正极相连作阳极。A、放电时，甲电极为负极，H2在电极上放电，电极反应式为H2－2e－＋2OH－=2H2O，错误；B、放电时，甲电极为负极，电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH-向负极甲电极移动，错误；C、放电时，正极电极反应式为2NiO（OH）+2H2O+2e-═2Ni（OH）2+2OH-，负极电极反应式为：H2+2OH--2e-═2H2O，放电时总反应为H2＋2NiO(OH)=2Ni(OH)2，正确；D、放电时，氢气在碳电极发生氧化反应，碳电极作负极，充电时，碳电极发生还原反应作阴极，应与电源的负极相连，错误。
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