考点3 化学电源
一、化学电源
1．概念：化学电源是将化学能变成电能的装置。
2．分类
3．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。
(2)比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。
(3)电池的可储存时间的长短。
二、一次电池
1．一次电池：随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
2．碱性锌锰电池：
(1)构造
(2)组成
正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。
(3)工作原理
负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极反应式：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－；
总反应反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
三、二次电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是稀硫酸。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；
③放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。
(3)充电反应原理
①阴极(发生还原反应)反应式是PbSO4＋2e－===Pb＋SO；
②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO；
③充电时，铅酸蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。
四、燃料电池
1．氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。
2．氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应
介质 负极反应式 正极反应式
酸性 2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性 2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
3．燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。若用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入甲醇(CH3OH)和氧气，发生原电池反应。在负极发生氧化反应的是CH3OH，其最终产物是H2O、CO，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。
【核心归纳】
1．充电电池充电、放电的原理
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应
(3)充、放电电池电极反应式的书写
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅酸蓄电池充电、放电的过程如图所示。
注意：书写铅酸蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2＋和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2＋与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb－2e－===Pb2＋是错误的，应写成Pb＋SO－2e－===PbSO4。
2．有机燃料电池电极反应式的书写方法
电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。
第一步：确定生成物。
乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为K2CO3和H2O。
第二步：确定价态的变化及转移电子数。
乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为－2，CO中碳元素的化合价为＋4，故1 mol乙醇完全反应失去2 mol×[4－(－2)]＝12 mol电子。
第三步：列出表达式。
C2H5OH＋OH－－12e－―→CO＋H2O。
第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。
由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，
由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。
(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)
再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，
故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。
燃料电池电极反应书写的注意事项
（1）燃料电池的负极是可燃性气体，失去电子发生氧化反应；正极多为氧气或空气，得到电子发生还原反应，可根据电荷守恒来配平。
（2）燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。
（3）燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能生成OH ，碱性溶液中不能生成H+；水溶液中不能生成O2 ，而熔融电解质中O2被还原为O2 。
（4）正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应。
一、化学电源中电极及电极产物的判断
1．科学家用氮化镓材料与铜组装如图1所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。该电池负极是______，负极产物是______，正极是________，正极产物是________。
2．钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池工作时的反应为2RuⅡ*＋I===2RuⅢ＋3I－，装置如图2。该电池负极材料为________________，负极对应的产物为________；正极材料为__________，正极对应的产物为__________，正极反应式：__________________。
3．“碳呼吸电池”是一种新型能源装置，其工作原理如图3。该电池负极是________，负极产物是__________，正极产物是________。
二、不同介质燃料电池电极反应式的书写
4．写出不同介质中甲烷燃料电池的电极反应式。
(1)酸性介质(如H2SO4)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(2)碱性介质(如KOH)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
5．十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．该电池放电时质子从Pt2电极经过内电路移向Pt1电极
B．Pt1电极附近发生的反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋
C．Pt2电极附近发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
三、二次电池的放电与充电
6．我国化学工作者提出一种利用有机电极(PTO/HQ)和无机电极(MnO2/石墨毡)在酸性环境中可充电的电池，其放电时的工作原理如图所示：
下列说法正确的是( )
A．放电时，MnO2/石墨毡为负极，发生还原反应
B．充电时，有机电极和外接电源的正极相连
C．放电时，MnO2/石墨毡电极的电极反应式为Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋
D．充电时，每消耗1 mol PTO，理论上外电路中转移电子为4 mol
电极反应式的书写方法
方法一 直接书写
方法二 间接书写
第一步，写出电池总反应式。
第二步，写出电极的正极反应式。
第三步，负极反应式＝总反应式－正极反应式。
1．（2022·广东茂名·高二期末）锂-氟化碳(氟气与碳生成的夹层化合物)电池在质量比能量、体积比能量、工作温度范围等方面具有明显优势而应用广泛。电解液为丙烯碳酸酯的溶液，总反应为，放电产物LiF易沉积，工作原理如图所示。下列说法正确的是
A．电池工作时，电子流动方向：电极a→负载→电极b→阳离子交换膜→电极a
B．负极反应式为：
C．为了提高电池放电性能，在电解液中添加合适的试剂溶解沉积在b极区的LiF
D．电池工作一段时间，a极区的电解液质量增大
2．（2022·重庆·高二期末）为了应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等庄严的目标承诺。我国科学家发明了一种新型Zn CO2电池，装置如图所示(双极膜的阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH ，并分别通过阳膜和阴膜)。下列说法不正确的是
A．放电时，电极a为负极，发生还原反应
B．放电时，电流由b极流向a极
C．多孔钯纳米材料增大CO2接触面积，加快反应速率
D．放电时，b极的电极反应为CO2+2H++2e-=HCOOH
3．（2021·全国·高二课时练习）现有一微型原电池，含有Fe-C，用于处理废水中的HCOOH，通入空气后生成，并与HCOOH反应生成，以下说法错误的是
A．负极：Fe-2e-=Fe2+
B．正极：
C．若不通入则可能有氢气生成
D．HCOOH处理废液生成二氧化碳的方程式为：HCOOH+H2O2=CO2↑+2H2O
4．（2021·全国·高二课时练习）直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(煤、石墨、活性炭等)为原料的燃料电池，是一种具有现实意义的节能减排新技术，如图是一种DCFC的结构示意图。下列有关法不正确的是
A．负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2
B．若电子由电极a沿导线经负载流向电极b，则入口A加入的物质为固体碳
C．DCFC与煤直接燃烧发电能量的利用率相同
D．放电过程中放出标准状况下CO211.2L时转移2mol电子
5．（2021·全国·高二课时练习）氨不仅应用于化肥生产，也可以应用于能源领域，与氢氧燃料电池比，氨氧燃料电池有其独特优势，某研究小组设计的氨氧燃料电池装置如图，下列有关说法不正确的是
A．电极2为正极，发生还原反应
B．电极1的电极反应式为：2NH3-6e-=N2↑+6H+
C．放电过程中溶液中的OH-朝负极移动
D．氨相比于氢气的重要的优势是氨易液化，运输储存方便
6．（2021·江苏无锡·高二期末）实验室利用原电池原理吸收制备少量硫酸(如图所示)。下列有关说法正确的是
A．放电过程中可实现化学能全部转化为电能
B．电子从a电极流出，经电解质流向b电极
C．有1mol参加反应时，通过质子交换膜的为4mol
D．a电极上的电极反应式为
7．（2022·四川成都·高二期末）原电池原理在生产生活中有着广泛的应用。
(1)食品保鲜常用的“双吸剂”是由还原铁粉、生石灰、氯化钠、炭粉按一定比例组成的混合物，可同时吸收水和氧气。“双吸剂”中CaO的主要作用是___________；在吸收氧气的过程中形成了原电池，则炭粉上发生的电极反应式为___________。
(2)电化学气敏传感器可用于监测大气环境中的SO2含量，其工作原理如图所示，电极a、b均为惰性电极。电极b是___________极(填“正”或“负”)，请写出负极的电极反应式___________，放电时向___________极(填“a”或“b”)迁移。
(3)铅蓄电池是一种广泛使用的二次电池，其放电时的反应方程式为：，则其正极的电极反应式为___________，当电路中通过2mol电子时负极质量增加___________g。
8．（2021·天津·静海一中高二阶段练习）电极反应式的书写。
(1)图中若A为NH3，B为O2，C为HNO3，则负极的电极反应式为________________。
(2)碱性锌锰干电池比普通锌锰电池的使用寿命长且性能高电池反应为：，其中正极电极反应式为_____。
(3)肼(N2H4)-空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，其负极的电极反应式为_____，放电过程中溶液的pH_____(填“增大”“减小”或“不变”)
(4)甲醇也可以通过微生物电催化反应合成，装置如图所示。石墨电极上的电极反应式为________。
9．（2021·江苏·苏州市相城区陆慕高级中学高二阶段练习）回答下列问题：
(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___________(选填“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(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 mL0.01mol/L的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___________。
10．（2021·黑龙江·哈尔滨三中高二阶段练习）探究原电池原理并应用原电池原理制作多种电池，对现实生活具有重要的意义。
(1)以CH4和O2为活性物质的甲烷燃料电池应用十分广泛。
①下图中b处通入的气体为___________，c电极的电极反应式为___________。
②下图中通入甲烷的电极的电极反应式为___________。
(2)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，高铁电池的研制也在进行中，模拟实验装置如图所示，实验过程中碳电极周围出现红褐色沉淀。
①该电池放电时正极的电极反应式为___________；
②盐桥中盛有饱和KCl琼胶，其中氯离子向___________移动(填“左”或“右”)。
(3)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池，原理如图1所示。石墨Ⅰ为电池的___________极；该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，其电极反应式为___________。
(4)化学家正在研究可净化尿素的燃料电池，原理如图2所示，甲电极的电极反应式为___________。
11．（2021·全国·高二专题练习）原电池体现化学对社会发展的又一伟大贡献。请回答下列问题：
(1)将Cu电极、石墨电极用导线连接好后插入溶液中，电子的流向为_______(填“由Cu电极到石墨电极”或“由石墨电极到Cu电极”)，石墨电极的电极反应式为_______。
(2)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，与在多孔碳材料电极处生成(或1)。
①放电时，多孔碳材料电极为_______(填“正”或“负”)极。
②放电时，外电路每转移0.1mol，锂电极的质量变化为_______。
③放电时，电池正极的电极反应式为_______。
(3)燃料电池大大提高了能量的转化效率。燃料电池工作时将燃料内部的_______能转化为_______能。碱性甲烷燃料电池工作时负极的电极反应式为_______。考点3 化学电源
一、化学电源
1．概念：化学电源是将化学能变成电能的装置。
2．分类
3．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。
(2)比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。
(3)电池的可储存时间的长短。
二、一次电池
1．一次电池：随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
2．碱性锌锰电池：
(1)构造
(2)组成
正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。
(3)工作原理
负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极反应式：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－；
总反应反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
三、二次电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是稀硫酸。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；
③放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。
(3)充电反应原理
①阴极(发生还原反应)反应式是PbSO4＋2e－===Pb＋SO；
②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO；
③充电时，铅酸蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。
四、燃料电池
1．氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。
2．氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应
介质 负极反应式 正极反应式
酸性 2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性 2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
3．燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。若用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入甲醇(CH3OH)和氧气，发生原电池反应。在负极发生氧化反应的是CH3OH，其最终产物是H2O、CO，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。
【核心归纳】
1．充电电池充电、放电的原理
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应
(3)充、放电电池电极反应式的书写
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅酸蓄电池充电、放电的过程如图所示。
注意：书写铅酸蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2＋和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2＋与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb－2e－===Pb2＋是错误的，应写成Pb＋SO－2e－===PbSO4。
2．有机燃料电池电极反应式的书写方法
电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。
第一步：确定生成物。
乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为K2CO3和H2O。
第二步：确定价态的变化及转移电子数。
乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为－2，CO中碳元素的化合价为＋4，故1 mol乙醇完全反应失去2 mol×[4－(－2)]＝12 mol电子。
第三步：列出表达式。
C2H5OH＋OH－－12e－―→CO＋H2O。
第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。
由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，
由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。
(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)
再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，
故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。
燃料电池电极反应书写的注意事项
（1）燃料电池的负极是可燃性气体，失去电子发生氧化反应；正极多为氧气或空气，得到电子发生还原反应，可根据电荷守恒来配平。
（2）燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。
（3）燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能生成OH ，碱性溶液中不能生成H+；水溶液中不能生成O2 ，而熔融电解质中O2被还原为O2 。
（4）正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应。
一、化学电源中电极及电极产物的判断
1．科学家用氮化镓材料与铜组装如图1所示的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO2和H2O合成CH4。该电池负极是______，负极产物是______，正极是________，正极产物是________。
答案 GaN O2 Cu CH4
2．钌(Ru)基配合物光敏染料敏化太阳能电池工作时的反应为2RuⅡ*＋I===2RuⅢ＋3I－，装置如图2。该电池负极材料为________________，负极对应的产物为________；正极材料为__________，正极对应的产物为__________，正极反应式：__________________。
答案 透明导电玻璃 RuⅢ 镀Pt导电玻璃 I－
I＋2e－===3I－
3．“碳呼吸电池”是一种新型能源装置，其工作原理如图3。该电池负极是________，负极产物是__________，正极产物是________。
答案 铝 Al2(C2O4)3 C2O
二、不同介质燃料电池电极反应式的书写
4．写出不同介质中甲烷燃料电池的电极反应式。
(1)酸性介质(如H2SO4)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(2)碱性介质(如KOH)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应式：____________________________________________________________________。
负极：________________________________________________________________________。
正极：________________________________________________________________________。
答案 (1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
2O2＋8e－＋8H＋===4H2O
(2)CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O
2O2＋8e－＋4H2O===8OH－
(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－
(4)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
CH4－8e－＋4CO===5CO2＋2H2O
2O2＋8e－＋4CO2===4CO
5．十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．该电池放电时质子从Pt2电极经过内电路移向Pt1电极
B．Pt1电极附近发生的反应为SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋2H＋
C．Pt2电极附近发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
D．相同条件下，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1
答案 D
解析 放电时为原电池，质子向正极移动，Pt1电极为负极，则该电池放电时质子从Pt1电极移向Pt2电极，A错误；Pt1电极为负极，发生氧化反应，SO2被氧化为硫酸，电极反应式为SO2＋2H2O－2e－===SO＋4H＋，硫酸应当拆为离子形式，B错误；酸性条件下，氧气得电子生成水，C错误；根据转移电子数相等可知，放电过程中消耗的SO2和O2的体积比为2∶1，D正确。
三、二次电池的放电与充电
6．我国化学工作者提出一种利用有机电极(PTO/HQ)和无机电极(MnO2/石墨毡)在酸性环境中可充电的电池，其放电时的工作原理如图所示：
下列说法正确的是( )
A．放电时，MnO2/石墨毡为负极，发生还原反应
B．充电时，有机电极和外接电源的正极相连
C．放电时，MnO2/石墨毡电极的电极反应式为Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋
D．充电时，每消耗1 mol PTO，理论上外电路中转移电子为4 mol
答案 D
解析 根据放电时的工作原理图可知，MnO2/石墨毡电极上MnO2→Mn2＋，MnO2发生得电子的还原反应，则MnO2/石墨毡电极为正极，正极反应式为MnO2＋2e－＋4H＋===Mn2＋＋2H2O，有机电极为负极，负极反应式为HQ－4e－===PTO＋4H＋，放电时，溶液中的阳离子移向正极，阴离子移向负极。
电极反应式的书写方法
方法一 直接书写
方法二 间接书写
第一步，写出电池总反应式。
第二步，写出电极的正极反应式。
第三步，负极反应式＝总反应式－正极反应式。
1．（2022·广东茂名·高二期末）锂-氟化碳(氟气与碳生成的夹层化合物)电池在质量比能量、体积比能量、工作温度范围等方面具有明显优势而应用广泛。电解液为丙烯碳酸酯的溶液，总反应为，放电产物LiF易沉积，工作原理如图所示。下列说法正确的是
A．电池工作时，电子流动方向：电极a→负载→电极b→阳离子交换膜→电极a
B．负极反应式为：
C．为了提高电池放电性能，在电解液中添加合适的试剂溶解沉积在b极区的LiF
D．电池工作一段时间，a极区的电解液质量增大
【答案】C
【解析】原电池内电路中阳离子移向正极、阴离子移向负极，a电极为负极、b电极为正极，负极反应式为Li-e-=Li+，正极反应式为，据此分析解答。
A．a为负极，b为正极，电池工作时，电子流动方向，由负极a流出，经导线流向电极b，不进入溶液，故A错误；
B．a为负极，负极反应式为Li-e-=Li+，故B错误；
C．由于放电产物LiF易沉积，因此为了提高电池放电性能，在电解液中添加合适的试剂溶解沉积在b极区的LiF，故C正确；
D．负极产生的锂离子，通过交换膜进入正极区，所以电池工作一段时间，a极区的电解液质量减小，故D错误；故选C。
2．（2022·重庆·高二期末）为了应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等庄严的目标承诺。我国科学家发明了一种新型Zn CO2电池，装置如图所示(双极膜的阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH ，并分别通过阳膜和阴膜)。下列说法不正确的是
A．放电时，电极a为负极，发生还原反应
B．放电时，电流由b极流向a极
C．多孔钯纳米材料增大CO2接触面积，加快反应速率
D．放电时，b极的电极反应为CO2+2H++2e-=HCOOH
【答案】A
【解析】据图可知放电时，Zn被氧化为Zn2+，为负极，多孔钯纳米材料上CO2被还原HCOOH，为正极。
A．放电时，a为负极，Zn失电子发生氧化反应，A错误；
B．放电时为原电池，电池外部电流由正极流向负极，即由b极流向a极，B正确；
C．多孔钯纳米材料的小孔可以增大表面积，可增大与CO2接触面积，加快反应速率，C正确；
D．放电时，b电极上CO2被还原HCOOH，根据电子守恒、元素守恒可得电极反应为CO2+2H++2e-=HCOOH，D正确；
综上所述答案为A。
3．（2021·全国·高二课时练习）现有一微型原电池，含有Fe-C，用于处理废水中的HCOOH，通入空气后生成，并与HCOOH反应生成，以下说法错误的是
A．负极：Fe-2e-=Fe2+
B．正极：
C．若不通入则可能有氢气生成
D．HCOOH处理废液生成二氧化碳的方程式为：HCOOH+H2O2=CO2↑+2H2O
【答案】B
【解析】由图可知，Fe为原电池的负极，失电子发生氧化反应，电极反应为Fe-2e-=Fe2+；正极为通入O2的一极，O2得电子发生还原反应，O2+2e-+2H+=H2O2。
A．根据分析可知，负极反应为Fe-2e-=Fe2+，A正确；
B．根据分析可知，正极反应为O2+2e-+2H+=H2O2，B错误；
C．不通入氧气，正极HCOOH电离出的H+得电子产生H2，C正确；
D．H2O2与HCOOH发生氧化还原反应生成CO2和H2O，方程式为HCOOH+H2O2=CO2↑+2H2O，D正确；
故选B。
4．（2021·全国·高二课时练习）直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(煤、石墨、活性炭等)为原料的燃料电池，是一种具有现实意义的节能减排新技术，如图是一种DCFC的结构示意图。下列有关法不正确的是
A．负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2
B．若电子由电极a沿导线经负载流向电极b，则入口A加入的物质为固体碳
C．DCFC与煤直接燃烧发电能量的利用率相同
D．放电过程中放出标准状况下CO211.2L时转移2mol电子
【答案】C
【解析】A．直接碳燃料电池(DCFC)是一种以固体碳(煤、石墨、活性炭等)为原料的燃料电池，碳为还原剂，在负极反应，因此负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2，故A正确；
B．若电子由电极a沿导线经负载流向电极b，电极a为负极，根据A分析得到入口A加入的物质为固体碳，故B正确；
C．DCFC与煤直接燃烧发电能量的利用率不相同，DCFC是化学能直接转化为电能，煤直接燃烧发电，有一部分化学能转化为了热能，其能量利用率比DCFC能量利用率低，故C错误；
D．负极的电极反应为：C－4e－+2CO=3CO2，正极电极反应式为O2+4e－+2CO2=2CO，放电过程中放出1mol CO2转移4mol电子，因此标准状况下CO211.2L即物质的量0.5mol时，转移2mol电子，故D正确。
综上所述，答案为C。
5．（2021·全国·高二课时练习）氨不仅应用于化肥生产，也可以应用于能源领域，与氢氧燃料电池比，氨氧燃料电池有其独特优势，某研究小组设计的氨氧燃料电池装置如图，下列有关说法不正确的是
A．电极2为正极，发生还原反应
B．电极1的电极反应式为：2NH3-6e-=N2↑+6H+
C．放电过程中溶液中的OH-朝负极移动
D．氨相比于氢气的重要的优势是氨易液化，运输储存方便
【答案】B
【解析】A．电极2通入的氧气，根据氧元素的化合价只能降低判断，电极2做正极，发生还原反应，故A正确；
B．电极1根据通入的氨气和出来的氮气与水利用电子、电荷、原子守恒及碱性溶液的环境书写电极反应为：2NH3-6e-+6OH-=N2↑+6H2O，故B不正确；
C．原电池中阴离子向负极移动，C正确；
D．氨气易液化，氢气不易液化，因此氨相比于氢气的重要的优势是氨易液化，运输储存方便，D正确；
答案为B。
【点睛】氨气分子间能形成氢键故易液化。
6．（2021·江苏无锡·高二期末）实验室利用原电池原理吸收制备少量硫酸(如图所示)。下列有关说法正确的是
A．放电过程中可实现化学能全部转化为电能
B．电子从a电极流出，经电解质流向b电极
C．有1mol参加反应时，通过质子交换膜的为4mol
D．a电极上的电极反应式为
【答案】C
【解析】此装置为原电池装置，a极为负极，电极反应式为：，b极为正极，电极反应式为：，据此分析选择。
A．放电过程中有一部分化学能转化为热能，不能全部转化为电能，A错误；
B．电子从a电极流出，经导线负载流向b电极，电子不能在电解质溶液中移动，B错误；
C．a极为负极，电极反应式为：，b极为正极，电极反应式为：，根据反应方程式可知，氢离子从负极透过质子交换膜移动到正极，有1mol参加反应时转移4mol电子，所以通过质子交换膜的为4mol，C正确；
D．a极为负极，电极反应式为：，硫酸在溶液中完全电离生成氢离子和硫酸根，D错误；
答案为：C。
7．（2022·四川成都·高二期末）原电池原理在生产生活中有着广泛的应用。
(1)食品保鲜常用的“双吸剂”是由还原铁粉、生石灰、氯化钠、炭粉按一定比例组成的混合物，可同时吸收水和氧气。“双吸剂”中CaO的主要作用是___________；在吸收氧气的过程中形成了原电池，则炭粉上发生的电极反应式为___________。
(2)电化学气敏传感器可用于监测大气环境中的SO2含量，其工作原理如图所示，电极a、b均为惰性电极。电极b是___________极(填“正”或“负”)，请写出负极的电极反应式___________，放电时向___________极(填“a”或“b”)迁移。
(3)铅蓄电池是一种广泛使用的二次电池，其放电时的反应方程式为：，则其正极的电极反应式为___________，当电路中通过2mol电子时负极质量增加___________g。
【答案】(1) 吸水
(2) 正 b
(3) 96
【解析】
(1)氧化钙可以和水反应，故“双吸剂”中CaO的主要作用是吸水；炭粉作为原电池的正极，发生氧化反应，其发生的电极反应式为：
；
(2)氧气得到电子，则通入氧气的一极为正极；二氧化硫失去电子被氧化，则通入二氧化硫的一极为负极，负极的电极反应式为：；阳离子向正极迁移，则氢离子向b移动；
(3)由铅蓄电池放电时的反应方程式：，可得其正极的电极反应式为：，负极的电极反应式为：，当电路中通过电子时生成 ，增加的质量为的质量，即。
8．（2021·天津·静海一中高二阶段练习）电极反应式的书写。
(1)图中若A为NH3，B为O2，C为HNO3，则负极的电极反应式为________________。
(2)碱性锌锰干电池比普通锌锰电池的使用寿命长且性能高电池反应为：，其中正极电极反应式为_____。
(3)肼(N2H4)-空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，其负极的电极反应式为_____，放电过程中溶液的pH_____(填“增大”“减小”或“不变”)
(4)甲醇也可以通过微生物电催化反应合成，装置如图所示。石墨电极上的电极反应式为________。
【答案】(1)NH3-8e-+3H2O=NO+9H+
(2)2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-
(3) N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O 减小
(4)CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O
【解析】
(1)
图中若A为NH3，B为O2，C为HNO3，则通入NH3的电极为负极，NH3失去电子被氧化为HNO3，故负极的电极反应式为NH3-8e-+3H2O=NO+9H+；
(2)
根据总反应方程式可知，在正极上MnO2得到电子被还原为MnOOH，由于电解质溶液显碱性，则正极的电极反应式为：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-；
(3)
在肼(N2H4)-空气燃料电池，通入N2H4的电极为负极，N2H4失去电子被氧化产生N2，由于电解质溶液为碱性，则负极的电极反应式为：N2H4-4e-+4OH-=N2+4H2O；在正极上O2得到电子发生还原反应，电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-，由于同一闭合回路中电子转移数目相等，则总反应方程式为：N2H4+O2=N2+2H2O。可见在反应过程中KOH的物质的量不变，但反应产生了H2O，对KOH溶液起稀释作用，导致KOH浓度降低，因而溶液的pH会减小；
(4)
根据图示可知：在石墨电极上，CO2得到电子被还原为CH3OH，则石墨电极上的电极反应式为：CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。
9．（2021·江苏·苏州市相城区陆慕高级中学高二阶段练习）回答下列问题：
(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___________(选填“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(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 mL0.01mol/L的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) 硫酸
(2) 阴
(3)
【解析】
【分析】(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；负极水失电子产生氧气，电极反应式为4H2O-8e-=2O2↑+8H+。
①根据上述分析，铜电极表面的电极反应式为；
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HCl易挥发，故应该选硫酸。
(2)由图像可知，NiO(OH)2为电池的正极，电极反应为NiO(OH)2+2e-=NiO+2OH-，LaNi5H6为电池的负极，电极反应为。
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；负极失电子发生氧化反应，电极反应为。
(3)根据反应方程式，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。
10．（2021·黑龙江·哈尔滨三中高二阶段练习）探究原电池原理并应用原电池原理制作多种电池，对现实生活具有重要的意义。
(1)以CH4和O2为活性物质的甲烷燃料电池应用十分广泛。
①下图中b处通入的气体为___________，c电极的电极反应式为___________。
②下图中通入甲烷的电极的电极反应式为___________。
(2)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，高铁电池的研制也在进行中，模拟实验装置如图所示，实验过程中碳电极周围出现红褐色沉淀。
①该电池放电时正极的电极反应式为___________；
②盐桥中盛有饱和KCl琼胶，其中氯离子向___________移动(填“左”或“右”)。
(3)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池，原理如图1所示。石墨Ⅰ为电池的___________极；该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，其电极反应式为___________。
(4)化学家正在研究可净化尿素的燃料电池，原理如图2所示，甲电极的电极反应式为___________。
【答案】(1) O2
(2) 右
(3) 负
(4)
【解析】
(1)①根据图示可知：c电极是电子流出极，为原电池的负极，通入气体是CH4，甲烷失去电子被氧化产生CO2气体，c电极的电极反应式为：；
d电极是电子流入极，为原电池的正极，应该通入O2，正极上O2得到电子被还原产生H2O，正极的电极反应式为：O2+4e-+4H+=2H2O；
②根据图示可知：a电极通入CH4，由于电解质溶液为碱性，CH4失去电子被氧化产生CO2气体，然后结合溶液中的OH-变为和水，电极反应式为：；
(2)①在该电池中，Zn电极为负极，失去电子，发生氧化反应；石墨电极为正极，得到电子，发生还原反应。在放电时，正极上得到电子被还原为Fe3+，Fe3+再结合溶液中的OH-变为Fe(OH)3沉淀，则正极的电极反应式为：；
②盐桥中盛有饱和KCl琼胶，其中氯离子会向正电荷较多的负极移动，即向右移动；
(3)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池，其原理如图1所示。石墨Ⅰ通入NO2气体，失去电子发生氧化反应，为原电池的负极。由于该电池在使用过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y，Y是N2O5，则负极的电极反应式为：；
(4)化学家正在研究可净化尿素的燃料电池，其原理如图2所示，甲电极加入尿素及H2O，反应变为CO2、N2逸出，该电极为原电池的负极，则甲电极的电极反应式为。
11．（2021·全国·高二专题练习）原电池体现化学对社会发展的又一伟大贡献。请回答下列问题：
(1)将Cu电极、石墨电极用导线连接好后插入溶液中，电子的流向为_______(填“由Cu电极到石墨电极”或“由石墨电极到Cu电极”)，石墨电极的电极反应式为_______。
(2)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，与在多孔碳材料电极处生成(或1)。
①放电时，多孔碳材料电极为_______(填“正”或“负”)极。
②放电时，外电路每转移0.1mol，锂电极的质量变化为_______。
③放电时，电池正极的电极反应式为_______。
(3)燃料电池大大提高了能量的转化效率。燃料电池工作时将燃料内部的_______能转化为_______能。碱性甲烷燃料电池工作时负极的电极反应式为_______。
【答案】 由Cu电极到石墨电极 正 减重0.7g 化学 电
【解析】
(1)在溶液中，Cu与发生反应生成和，故Cu电极为负极，石墨是正极，电子由Cu电极到石墨电极，正极Fe3+得电子发生还原反应生成Fe2+，电极反应式为，故答案为：由Cu电极到石墨电极；；
(2) ①由题意知，放电时负极反应为，正极反应为(或1)。则该电池放电时，金属锂为负极，多孔碳材料为正极，故答案为：正；
②由负极电极反应可知，放电时，外电路每转移0.1mol，锂电极的质量变化为减重0.7g，故答案为：减重0.7g；
③放电时正极O2得电子发生还原反应，电极反应式为，故答案为：；
(3)燃料电池工作时将燃料内部的化学能转化为电能。碱性甲烷燃料电池工作时负极上甲烷失电子发生氧化反应，碱性条件下生成碳酸根离子，电极反应式为，故答案为：化学；电；。
