第1课时 新型化学电源
素养目标 1．建立原电池工作的思维模型，能解决新型化学电源在新情境下的放电问题。 2．感悟研制新型化学电源的重要性以及可能会引起的环境问题，形成较为客观且正确的能源观，提高开发清洁燃料的意识。
考点一 新型二次电池
1．二次电池
2．“三步”突破化学电源电极反应式的书写
1．钠离子电池有望得到广泛应用，某种钠离子电池放电过程如下图。下列说法正确的是( )
A．N极为电池的负极
B．充电时N极反应为NaFe[Fe(CN)6]－xe－===Na1－xFe[Fe(CN)6]＋xNa＋
C．放电过程中M极质量增加
D．放电时M极反应式为Na4Ti3O7＋2e－===Na2Ti3O7＋2Na＋
B [根据题图可知，放电时，M极为负极，N极为正极；充电时，M极为阴极，N极为阳极。负极、阳极均失去电子，正极、阴极均得到电子。]
2．科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A．放电时，负极反应为===
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子的物质的量为2 mol
C．充电时，电池总反应为2[Zn(OH)4]2-===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，阳极区溶液中OH－浓度升高
D [充电时，阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阳极区溶液中c(OH－)减小，D错误。]
考点二 新型燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
1．以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应 2H2－4e－===4H＋ H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极反应 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应 2H2＋O2===2H2O
2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。
(1)酸性溶液(或含质子交换膜)
(2)碱性溶液
(3)固体氧化物(其中O2-可以
在固体介质中自由移动)
(4)熔融碳酸盐
分析燃料电池类题的思维模型
[注意] 燃料可以是氢气、烃及烃的衍生物、NH3及N2H4等；助燃剂可以是O2、Cl2、H2O2等氧化剂。
1．NO-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化成电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势
B．燃料电池总反应为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
C．Pt1电极附近发生的反应为＋4H＋
D．该电池放电时H＋从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动
C [根据NO＋H2O―→HNO3可知，N元素的化合价升高，说明Pt1电极为负极，故Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势，A正确；根据正、负极反应物和产物得到燃料电池总反应为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3，B正确；Pt1电极NO变为HNO3，则负极附近发生的反应为===＋4H＋，C错误；原电池中阳离子向正极移动，则该电池放电时H＋从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动，D正确。]
2．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[CO(NH2)2]，设计尿素燃料电池，电池结构如图所示。下列说法不正确的是( )
A．电流从电极a通过外电路流向电极b
B．电极a的电极反应式为CO(NH2)2－6e－＋H2O===CO2↑＋N2↑＋6H＋
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
A [根据题意和示意图可知，电极a为负极，电极b为正极，电流从正极(电极b)通过外电路流向负极(电极a)，故A错误。]
3．镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面的应用前景广阔。如图为“镁-次氯酸盐”燃料电池原理示意图，电极为镁合金和铂合金。下列说法不正确的是( )
A．F电极的电势比E电极的高
B．电子从E电极经导线流向F电极
C．E电极可能存在自腐蚀反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2↓＋H2↑
D．F电极反应式为ClO－＋2H＋＋2e－===Cl－＋H2O
D [由题图可知，ClO－得电子生成Cl－，发生还原反应，则F电极为正极，E电极为负极，正极的电势比负极的高，F电极的电势比E电极的高，A正确；电子从E电极经导线流向F电极，B正确；Mg很活泼，能与水发生反应，因此E电极可能存在自腐蚀反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2↓＋H2↑，C正确；F电极为正极，电极反应式为ClO－＋H2O＋2e－===Cl－＋2OH－，D错误。 ]
1．一种可在较高温度下安全快充的铝-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形成的熔点为93 ℃的共熔物)，其中氯铝酸根(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。
电池总反应：2Al＋3xSAl2(Sx)3。
下列说法错误的是( )
A．含4n个Al—Cl键
B．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值小的浓度越高
D [放电时，铝失去电子生成铝离子，作负极，硫单质在正极得到电子，充电时，铝离子得到电子生成铝发生在阴极，硫离子失去电子生成硫单质发生在阳极，依此解题。的结构为所以含4n个Al—Cl键，A正确；由的结构可知，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，则n值大的浓度越高，D错误。]
2．一种以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．充电时总反应：xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O
D．充电时阳极反应：ZnxV2O5·nH2O－2xe－===xZn2+＋V2O5＋nH2O
C [根据“放电时，Zn2+可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O”可知，放电时，Zn失去电子生成Zn2+，说明Zn为负极，则V2O5为正极，A说法正确；放电时，为原电池，原电池中阳离子向正极移动，即Zn2+由负极向正极迁移，B说法正确；由题意可知，充电时总反应为ZnxV2O5·nH2O===xZn＋V2O5＋nH2O，C说法错误；充电时，阳极上ZnxV2O5·nH2O发生氧化反应，生成V2O5和Zn2+，电极反应式为ZnxV2O5·nH2O－2xe－===xZn2+＋V2O5＋nH2O，D说法正确。]
3．我国科研工作者设计了一种多功能的质子陶瓷燃料电池膜反应器(如图所示)，在单一的膜反应器中实现了乙烯-电能的联产和温室气体N2O的降解。下列说法正确的是( )
A．电极a为正极，发生氧化反应
B．H＋由电极a移向电极b
C．电极b发生的电极反应为N2O＋2e－＋H2O===N2＋2OH－
D．每生成11.2 L C2H4，降解的N2O的物质的量为0.5 mol
B [电极a发生的电极反应为C2H6－2e－===C2H4＋2H＋，失去电子，电极a为负极，发生氧化反应，
A错误；电极a发生的电极反应为C2H6－2e－===C2H4＋2H＋，生成H＋，H＋由电极a(负极)移向电极b(正极)，B正确；电极b发生的电极反应为N2O＋2H＋＋2e－===H2O＋N2，C错误；未指明是否是处于标准状况下气体的体积，无法计算，D错误。]
4．DBFC是一种新型硼氢化钠燃料电池，其工作原理如图所示，下列说法不正确的是( )
A．b极的电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－
B．外电路中电子由a极移向b极
C．该电池不适宜在高温环境下工作
D．a极的电极反应式为===＋8H＋
D [a极的电极反应式为===＋6H2O，D项错误。]
数智分层作业(三十三) 新型化学电源
(分值：26分)
一、选择题(本题共5小题，每小题2分，共10分。每小题只有一个选项符合题目要求)
1．科学家研发了一种新型短路膜电池，利用这种电池可以消除空气中的CO2，其工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．甲电极为正极，发生氧化反应
B．乙电极的反应式为＋2e－===2H2O＋2CO2
C．电子流向：负极→电解质→正极
D．乙电极为负极，发生还原反应
C [由题图可知乙电极通入的是氢气，失去电子发生氧化反应，是负极，甲电极一端通入的是含二氧化碳的空气，氧气得到电子发生还原反应，是正极。甲电极为正极，发生还原反应，乙电极为负极，发生氧化反应，A、D错误；乙电极为负极，发生失电子的氧化反应，电极反应式为－2e－===2H2O＋2CO2，B错误；从示意图可知，电子可以通过短路膜，因此电子流向：负极→电解质→正极，C正确。]
2．利用O2辅助的Al－CO2电池电容量大，工作原理如图所示，能有效地将CO2转化成化工原料草酸铝。下列说法不正确的是( )
A．多孔碳电极为电池的正极，发生还原反应
B．氧气在反应过程中作为氧化剂，最终转化为
C．电池的负极反应式为Al－3e－===Al3+
D．电池的正极反应可以表示为===
B [在多孔碳电极上氧气得电子被还原：O2＋4e－===2O2-，继续发生反应：===，所以多孔碳电极为正极，发生还原反应，氧气为反应的催化剂，A正确，B错误；Al元素价态升高失电子，故铝电极为负极，电极反应式为Al－3e－===Al3+，C正确；正极反应为O2＋4e－===2O2-，继续发生反应===，正极反应可以表示为===，D正确。]
3．一种可充电锂-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( )
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－x===2Li＋(1－)O2↑
D [放电时，O2与Li＋在多孔碳材料电极处反应，说明电池内，Li＋向多孔碳材料电极移动，因为阳离子移向正极，所以多孔碳材料电极为正极，A错误；多孔碳材料电极为正极，外电路电子应该由锂电极流向多孔碳材料电极(由负极流向正极)，B错误；放电时，Li＋向多孔碳材料电极移动，充电时，Li＋向锂电极移动，C错误；根据图示和上述分析，电池的正极反应应该是O2与Li＋得电子转化为Li2O2－x，电池的负极反应应该是单质Li失电子转化为Li＋，所以放电时电池总反应为2Li＋(1－)O2===Li2O2－x，充电时总反应与放电时总反应相反，所以充电时电池总反应为Li2O2－x===2Li＋(1－)O2↑，D正确。]
4．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．电子从电极A经熔融碳酸盐转移到电极B
B．熔融碳酸盐中向电极A移动
C．CH4在电极A放电生成CO2
D．反应过程熔融盐中的物质的量增加
B [由题图可知，电极A为负极，电极B为正极，电子由电极A经过外电路到达电极B，不能进入内电路，故A错误；阴离子向负极(电极A)移动，故B正确；甲烷与水催化重整生成CO和H2，CO和H2在电极A上放电，故C错误；电池总反应式为2CO＋O2===2CO2和===的物质的量没有增加，故D错误。]
5．氨热再生电池工作原理如图所示，下列说法正确的是( )
A．电极b为负极
B．从左室向右室迁移
C．电池工作时，右室中的CuSO4溶液的浓度增大
D．电极a上发生的反应为===
D [由题图可知，该电池为原电池装置，电极a上Cu失去电子结合NH3生成，则电极a为负极，电极b为正极。该装置为原电池装置，电极b为正极，故A错误；原电池中阴离子向负极移动，则从右室向左室迁移，故B错误；原电池中阴离子向负极移动，则通过阴离子交换膜从右室向左室迁移，右室中的CuSO4溶液的浓度减小，故C错误；电极a上Cu失去电子结合NH3生成，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应为===，故D正确。]
二、选择题(本题共4小题，每小题4分，共16分。每小题有一个或两个选项符合题目要求，全部选对得4分，选对但不全的得2分，有选错的得0分)
6．下图是“海水-河水”浓差电池装置示意图(不考虑溶解氧的影响)，其中a、b均为Ag/AgCl复合电极，b极的电极反应式为AgCl＋e－===Ag＋Cl－。下列说法正确的是( )
A．a极的电极反应式为Ag－e－===Ag＋
B．内电路中，Na＋由b极区向a极区迁移
C．工作一段时间后，两极NaCl溶液的浓度差减小
D．电路中转移1 mol e－时，理论上a极区模拟海水的质量减少58.5 g
CD [依据题图中电子的移动方向可以判断a极为原电池的负极，电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，A错误；原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，Na＋由a极区向b极区迁移，B错误； a极为原电池的负极，电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，a极区中Na＋透过阳离子交换膜移入b极区，工作一段时间后，a极区NaCl溶液的浓度减小，b极区NaCl溶液的浓度增大，两极NaCl溶液的浓度差减小，C正确；a极为原电池的负极，电极反应式为Ag－e－＋Cl－===AgCl，a极区中Na＋透过阳离子交换膜移入b极区，电路中转移1 mol e－时，理论上a极区模拟海水的质量减少58.5 g，D正确。]
7．我国学者研制了一种锌基电极，与涂覆氢氧化镍的镍基电极组成可充电电池，其示意图如图。放电时，Zn转化为2ZnCO3·3Zn(OH)2。下列说法错误的是( )
A．放电时，正极反应为Ni(OH)2＋2e－===Ni＋2OH－
B．放电时，若外电路有0.2 mol电子转移，则有0.1 mol Zn2+向正极迁移
C．充电时，a为外接电源负极
D．充电时，阴极反应为===＋6OH－
B [放电时，Zn转化为2ZnCO3·3Zn(OH)2，则锌基电极为负极，镍基电极为正极，正极电极反应式为＋2e－===Ni＋2OH－，A正确；放电时，Zn转化为2ZnCO3·3Zn(OH)2，锌基电极为负极，电极反应式为＋6OH－－10e－===2ZnCO3·3Zn(OH)2，混合电解液中没有Zn2+，B错误；充电时，锌基电极为阴极，a为外接电源负极，C正确；充电时，锌基电极为阴极，电极反应式为===＋6OH－，D正确。]
8．科研人员最近发明了一种Al-PbO2电池，通过X和Y两种离子交换膜将电解质溶液隔开，形成M、R、N三个电解质溶液区域，电解质分别为KOH、K2SO4、H2SO4，结构示意图如下(已知a>b)。该电池放电时，下列说法错误的是( )
A．R区电解质溶液浓度逐渐增大
B．K＋通过X移向M区
C．N区电极反应为＋2e－===PbSO4＋2H2O
D．每消耗1.8 g Al，N区电解质溶液减少19.2 g
BD [结合题图可知Al为负极，M区电解质为KOH，电极反应为Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－；PbO2为正极，电极反应为＋2e－===PbSO4＋2H2O。M区氢氧根离子被消耗，K＋通过X移向R区，N区氢离子消耗量为硫酸根离子的4倍，硫酸根离子通过Y进入R区，故R区硫酸钾溶液浓度增大，故A正确；M区氢氧根离子被消耗，K＋通过X移向R区，故B错误；PbO2作正极，电极反应为＋2e－===PbSO4＋2H2O，故C正确；Al为负极，电极反应为Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－，每消耗1.8 g Al，转移电子的物质的量为×3＝0.2 mol，PbO2作正极，电极反应为＋2e－===PbSO4＋2H2O，N区减少生成通过Y进入R区)，同时生成0.2 mol水，质量减少－0.2 mol×18 g·mol-1＝16 g，故D错误。]
9．某科研团队采用NaNO3/KNO3/CsNO3共晶盐电解液和β-Al2O3膜研制了一种熔盐型Na-O2电池，其工作原理如图所示。
该电池工作时，下列说法正确的是( )
既表现氧化性又表现还原性
B．β-Al2O3膜能阻止电子和离子通过
C．镍电极的反应为
D．电池总反应为4Na＋O2===2Na2O
C [根据放电原理示意图分析，在分步反应中表现了氧化性，从总反应看是催化剂，A错误；电子不能通过电解质，β-Al2O3膜允许Na＋自由通过，B错误；根据放电原理示意图可判断，镍电极附近的电极反应式为===，C正确；电池总反应为2Na＋O2===Na2O2，D错误。]
1/1第1课时 新型化学电源
素养目标 1．建立原电池工作的思维模型，能解决新型化学电源在新情境下的放电问题。 2．感悟研制新型化学电源的重要性以及可能会引起的环境问题，形成较为客观且正确的能源观，提高开发清洁燃料的意识。
考点一 新型二次电池
1．二次电池
2．“三步”突破化学电源电极反应式的书写
1．钠离子电池有望得到广泛应用，某种钠离子电池放电过程如下图。下列说法正确的是( )
A．N极为电池的负极
B．充电时N极反应为NaFe[Fe(CN)6]－xe－===Na1－xFe[Fe(CN)6]＋xNa＋
C．放电过程中M极质量增加
D．放电时M极反应式为Na4Ti3O7＋2e－===Na2Ti3O7＋2Na＋
2．科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A．放电时，负极反应为===
B．放电时，1 mol CO2转化为HCOOH，转移的电子的物质的量为2 mol
C．充电时，电池总反应为2[Zn(OH)4]2-===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，阳极区溶液中OH－浓度升高
考点二 新型燃料电池
燃料电池中的常见燃料有氢气、烃(CH4、C2H6)、烃的衍生物(甲醇、乙醇)、CO、金属(Al、Li等)，燃料在电池中的负极发生反应。
1．以氢氧燃料电池为例
介质 酸性 碱性
负极反应 2H2－4e－===4H＋ _________________________
正极反应 ________________________ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应 2H2＋O2===2H2O
2．以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。
(1)酸性溶液(或含质子交换膜)
(2)碱性溶液
(3)固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
(4)熔融碳酸盐
分析燃料电池类题的思维模型
[注意] 燃料可以是氢气、烃及烃的衍生物、NH3及N2H4等；助燃剂可以是O2、Cl2、H2O2等氧化剂。
1．NO-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化成电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势
B．燃料电池总反应为4NO＋3O2＋2H2O===4HNO3
C．Pt1电极附近发生的反应为＋4H＋
D．该电池放电时H＋从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动
2．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[CO(NH2)2]，设计尿素燃料电池，电池结构如图所示。下列说法不正确的是( )
A．电流从电极a通过外电路流向电极b
B．电极a的电极反应式为CO(NH2)2－6e－＋H2O===CO2↑＋N2↑＋6H＋
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
3．镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面的应用前景广阔。如图为“镁-次氯酸盐”燃料电池原理示意图，电极为镁合金和铂合金。下列说法不正确的是( )
A．F电极的电势比E电极的高
B．电子从E电极经导线流向F电极
C．E电极可能存在自腐蚀反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2↓＋H2↑
D．F电极反应式为ClO－＋2H＋＋2e－===Cl－＋H2O
1．一种可在较高温度下安全快充的铝-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形成的熔点为93 ℃的共熔物)，其中氯铝酸根(n≥1)]起到结合或释放Al3+的作用。
电池总反应：2Al＋3xSAl2(Sx)3。
下列说法错误的是( )
A．含4n个Al—Cl键
B．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值小的浓度越高
2．一种以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．充电时总反应：xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O
D．充电时阳极反应：ZnxV2O5·nH2O－2xe－===xZn2+＋V2O5＋nH2O
3．我国科研工作者设计了一种多功能的质子陶瓷燃料电池膜反应器(如图所示)，在单一的膜反应器中实现了乙烯-电能的联产和温室气体N2O的降解。下列说法正确的是( )
A．电极a为正极，发生氧化反应
B．H＋由电极a移向电极b
C．电极b发生的电极反应为N2O＋2e－＋H2O===N2＋2OH－
D．每生成11.2 L C2H4，降解的N2O的物质的量为0.5 mol
4．DBFC是一种新型硼氢化钠燃料电池，其工作原理如图所示，下列说法不正确的是( )
A．b极的电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－
B．外电路中电子由a极移向b极
C．该电池不适宜在高温环境下工作
D．a极的电极反应式为===＋8H＋
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