聚焦原電池考查的6大躍遷

◇ 山東 孫 晶

高考對(duì)于原電池的考查貴在出新,命題者往往以國(guó)際期刊發(fā)表的最新發(fā)現(xiàn)、本年度的諾貝爾獎(jiǎng)、科技進(jìn)步獎(jiǎng)等為命題背景,命題突出新穎性、創(chuàng)新性、綜合性和學(xué)科交叉性,主要涉及反應(yīng)原理、電極判斷、電極名稱、電極反應(yīng)和計(jì)算等知識(shí)點(diǎn).而圖文并茂更是原電池命題的一個(gè)不可忽視的特色,解題過程中讀懂圖中隱含的題意,如電子流動(dòng)方向、電極反應(yīng)和電解質(zhì)的性質(zhì)等,顯得尤其重要．

2019年10月8日諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)公布以后,鋰電池更成為“風(fēng)口浪尖上的明星物質(zhì)”．獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家在鋰離子電池領(lǐng)域的開發(fā),使得鋰離子電池在全球范圍內(nèi)得到廣泛運(yùn)用,從根本上改變了人們的日常生活.由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘,與鎳鎘電池相比,大大減少了對(duì)環(huán)境的污染,為我們創(chuàng)造了一個(gè)綠色環(huán)保的世界,對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展做出了杰出的貢獻(xiàn)．預(yù)計(jì)在2020年的高考中,鋰電池是不可忽視的命題熱點(diǎn)．

1 原電池、鹽橋電池和有交換膜的電池

1.1 三池結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖1

1)鹽橋的作用:原電池由圖1-甲裝置到圖1-乙裝置的變化是由鹽橋連接2個(gè)“半電池裝置”，其中鹽橋的作用有3種：a)隔絕正、負(fù)極反應(yīng)物，避免直接接觸，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定；b)通過離子的定向移動(dòng)，構(gòu)成閉合回路；c)平衡電極區(qū)的電荷．

2)離子交換膜的作用:由圖1-乙裝置到圖1-丙裝置的變化是“鹽橋”變成“質(zhì)子交換膜”.離子交換膜是一種選擇性透過膜，允許相應(yīng)離子通過，離子遷移方向遵循電池中離子遷移方向．

1.2 圖解原電池的閉合回路形成原理

圖2

2 原電池考查形式追蹤解讀

躍遷方式1常規(guī)原電池到鹽橋電池.

圖3

A. 電子從Zn極流出,流入Fe極,經(jīng)鹽橋回到Zn極

B. 燒杯b中發(fā)生的電極反應(yīng)為Zn-2e-=Zn2+

C. 燒杯a中發(fā)生反應(yīng)O2+4H++4e-=2H2O,溶液的pH降低

D. 向燒杯a中加入少量K3[Fe(CN)6]溶液,有藍(lán)色沉淀生成

變式有M、N、X、Y四種金屬,做如圖4所示實(shí)驗(yàn),據(jù)此判斷它們的活動(dòng)性由強(qiáng)到弱的順序是( ).

圖4

A. M>N>Y>X B. N>Y>X>M

C. X>M>N>Y D. X>M>Y>N

【方法技巧】 1)鹽橋的成分:通常是由瓊脂和飽和氯化鉀或飽和硝酸鉀溶液構(gòu)成的．

2)鹽橋的作用:鹽橋是供離子自由移動(dòng)的,以保證正負(fù)極的陰陽離子電荷數(shù)平衡．可阻止氧化劑和還原劑直接交換電子(不通過外電路)發(fā)生的非原電池反應(yīng),故鹽橋能有效提高原電池的能量轉(zhuǎn)化效率．

3)工作原理與正負(fù)極判斷:在鹽橋原電池中電極和能夠反應(yīng)的電解質(zhì)溶液不直接接觸,只要電極(金屬)能夠自發(fā)地與電解質(zhì)溶液反應(yīng)產(chǎn)生電勢(shì)差就可以,仍然是活潑的金屬失去電子,作為負(fù)極,通過導(dǎo)線傳遞電子,得到電子的一極作正極,與常規(guī)原電池一樣．

躍遷方式2單一原電池到二次電池.

圖5

B. 充電時(shí)釋放CO2,放電時(shí)吸收CO2

D. 充電時(shí),陽極反應(yīng)為Na++e-=Na

圖6

A. 圖中e-及Li+移動(dòng)方向說明該電池處于放電狀態(tài)

B. 該電池中a極不能接觸水溶液

C. 充電時(shí)，a極連接外接電源的正極

D. 充電時(shí),b極電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO4-e-=Li++FePO4

【方法技巧】突破二次電池的4個(gè)角度，如圖7所示.

圖7

躍遷方式3交換膜電池.

圖8

A. a電極發(fā)生反應(yīng):H2NCH2CH2NH2+16e-+4H2O=2CO2↑+N2↑+16H+

B. 質(zhì)子交換膜處H+由右向左移動(dòng)

C. 該電池在微生物作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

D. 開始放電時(shí)b極附近pH不變

變式一種碳納米管新型二次電池的裝置如圖9所示．下列說法中正確的是( ).

圖9

A. 離子交換膜選用陽離子交換膜(只允許陽離子通過)

B. 正極的電極反應(yīng)為NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-

C. 導(dǎo)線中通過1 mol電子時(shí),理論上負(fù)極區(qū)溶液質(zhì)量增加1 g

D. 充電時(shí),碳電極與電源的正極相連

【方法技巧】離子交換膜是一種含有離子基團(tuán)的、對(duì)溶液中的離子具有選擇透過能力的高分子膜,也稱為離子選擇透過性膜．

1)離子交換膜的功能:使離子選擇性定向遷移(目的是平衡整個(gè)溶液的離子濃度或電荷)．

2)離子交換膜在電化學(xué)中的作用:a)隔離某些物質(zhì)防止發(fā)生反應(yīng)．b)用于物質(zhì)的制備、分離、提純等．

3)離子交換膜的類型:根據(jù)透過的微粒,離子交換膜可以分為多種,在高考試題中主要出現(xiàn)陽離子交換膜、陰離子交換膜和質(zhì)子交換膜3種．陽離子交換膜只允許陽離子通過,阻止陰離子和氣體通過,陰離子交換膜只允許陰離子通過,質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子(H+)通過．可見離子交換膜的功能在于選擇性地通過某些離子和阻止某些離子來隔離某些物質(zhì)．

躍遷方式4電極可變的可逆電池.

圖10

A. 反應(yīng)開始時(shí),乙中發(fā)生氧化反應(yīng)

B. 反應(yīng)開始時(shí),甲中Fe3+被還原

C. 電流計(jì)讀數(shù)為零時(shí),反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)

D. 電流計(jì)讀數(shù)為零后,在甲中溶入FeCl2固體,乙中的石墨電極為負(fù)極

圖11

① 向燒杯Ⅱ中逐滴加入濃鹽酸，發(fā)現(xiàn)微安表(G)指針偏轉(zhuǎn);

② 若改向燒杯Ⅱ中滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40% 的NaOH溶液，發(fā)現(xiàn)微安表指針與①的偏轉(zhuǎn)方向相反．下列有關(guān)說法不正確的是( ).

A. 操作①過程中C1棒上發(fā)生的反應(yīng)為

2I--2e-=I2

B. 操作②過程中導(dǎo)線上電子定向移動(dòng)方向由C2→C1

C. 若將微安表換成電解冶煉鋁裝置,在操作②過程中與C2棒連接的電極上產(chǎn)生氧氣

D. 若將微安表換成電解飽和食鹽水裝置以模擬氯堿工業(yè),在操作①過程中與C1棒連接的可以是Pt-Fe合金電極

躍遷方式5燃料電池.

圖12

A. 通氧氣的一極為負(fù)極

B. H+從正極區(qū)通過交換膜移向負(fù)極區(qū)

C. 通甲醇的一極的電極反應(yīng)式為CH3OH+H2O-6e-=CO2↑+6H+

D. 甲醇在正極發(fā)生反應(yīng),電子經(jīng)過外電路流向負(fù)極

圖13

變式某種熔融碳酸鹽燃料電池以Li2CO3、K2CO3為電解質(zhì)、以CH4為燃料時(shí),該電池工作原理如圖13,下列說法正確的是( ).

A. a為O2,b為CH4

C. 此電池在常溫時(shí)也能工作

D. 正極電極反應(yīng)式為

【方法技巧】燃料電池電極反應(yīng)式的書寫技巧.

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置．由于電池總反應(yīng)式與燃料燃燒方程式相似而得名,由于條件不同,燃料并非真的燃燒．另外,對(duì)燃料電池的考查重點(diǎn)在不同條件下的電解質(zhì)溶液中電極方程式的書寫,如酸性、堿性、中性、熔融碳酸鹽、熔融氧化物等,其書寫關(guān)鍵可以歸結(jié)為一句話:“什么環(huán)境下用什么離子平衡電性”．如正極反應(yīng)式書寫如圖14所示.

圖14

躍遷方式6由單一學(xué)科到學(xué)科交叉計(jì)算.

① 該電池的正極反應(yīng)式為________,電池反應(yīng)的離子方程式為________．

② 維持電流強(qiáng)度為0.5 A,電池工作5 min,理論上消耗鋅____g．(已知F=96 500 C·mol-1).

(2)正極反應(yīng)為O2+4e-+4H+=2H2O;負(fù)極反應(yīng)必有H+生成,由電荷守恒、元素守恒得3H2O+CH3OCH3-12e-=2CO2+12H+;1個(gè)CH3OCH3分子失去12e-;假定燃料質(zhì)量為1 kg,由能量密度計(jì)算方法列式計(jì)算即可．

答案(1)① MnO2+H++e-=MnOOH,

2MnO2+Zn+2H+=2MnOOH+Zn2+;

② 0.05.

(2)CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+;12；

變式新型固體燃料電池的電解質(zhì)是固體氧化鋯和氧化釔,高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過．如圖15所示,其中多孔電極不參與電極反應(yīng)．

圖15

(1)該電池的負(fù)極反應(yīng)式為________．

(2)如果用該電池作為電解裝置,當(dāng)有16 g甲醇發(fā)生反應(yīng)時(shí),則理論上提供的電量表達(dá)式為________C(1個(gè)電子的電量為1.6×10-19C)．

CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O;

(2)16 g甲醇的物質(zhì)的量為0.5 mol,發(fā)生反應(yīng)時(shí)電子轉(zhuǎn)移0.5 mol×6=3 mol,則理論上提供的電量最多為3 mol×1.6×10-19C×6.02×1023mol-1=2.890×105C．

【方法技巧】化學(xué)與物理結(jié)合的計(jì)算,主要涉及2個(gè)公式:

1)Q=It=n(e-)F,計(jì)算時(shí)F一般取值96 500 C·mol-1．

2)W=UIt．

鏈接練習(xí)

1. 一種微生物燃料電池如圖16所示,下列關(guān)于該電池說法正確的是( ).

A. a電極為正極

B. H+由右室通過質(zhì)子交換膜進(jìn)入左室

C. a電極反應(yīng)式為C6H5OH-28e-+11H2O=6CO2↑+28H+

D. 當(dāng)b電極上產(chǎn)生1 mol N2時(shí),溶液中將有10 mol e-通過

圖16

A. 電池放電時(shí),正極反應(yīng)為Mo3S4+2xe-+xMg2+=MgxMo3S4

B. 電池放電時(shí),Mg2+向負(fù)極遷移

C. 電池充電時(shí),陽極反應(yīng)為

xMg2++2xe-=xMg

D. 電池充電時(shí),陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成Mo3S4

3.世界某著名學(xué)術(shù)刊物近期介紹了一種新型中溫全瓷鐵—空氣電池,其結(jié)構(gòu)如圖17所示．

圖17

下列有關(guān)該電池放電時(shí)的說法正確的是( ).

A. a極發(fā)生氧化反應(yīng)

B. 正極的電極反應(yīng)式為

FeOx+2xe-=Fe+xO2-

C. 若有22.4 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)空氣參與反應(yīng),則電路中有4 mol電子轉(zhuǎn)移

D. 鐵表面發(fā)生的反應(yīng)為

xH2O(g)+Fe=FeOx+xH2.

鏈接練習(xí)參考答案

1.C. 2. A. 3. D.