認(rèn)識(shí)化學(xué)電源

楊梓

化學(xué)電源在日常生活、交通運(yùn)輸、科學(xué)研究、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，因而倍受高考命題專家的青睞。因此，要認(rèn)識(shí)“化學(xué)電源”的“真面目”，掌握“化學(xué)電源”的有關(guān)知識(shí)。

一、一次電池

一次電池是指放電之后不能充電（內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)是不可逆的）的電池。有關(guān)一次電池的題目實(shí)質(zhì)是主要考查原電池工作原理，掌握原電池工作原理是解題的關(guān)鍵。

例1 紐扣電池可用于計(jì)算器、電子表等的電源。有一種紐扣電池，其電極分別為Zn和Ag2O，以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，電池總反應(yīng)為

Zn+Ag2O2Ag+ZnO

關(guān)于該電池的敘述不正確的是（? ）。

A.使用時(shí)電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極

B.電解質(zhì)溶液中的OH-向Ag2O電極移動(dòng)

C.正極的電極反應(yīng)式為Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-

D.Zn電極發(fā)生氧化反應(yīng)，Ag2O電極發(fā)生還原反應(yīng)

解析 根據(jù)原電池原理可知，Zn電極為原電池的負(fù)極，Ag2O電極為原電池的正極。在原電池中，電子由負(fù)極經(jīng)外電路流向正極，則使用時(shí)電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極，A項(xiàng)正確;在原電池中，電解質(zhì)溶液中的陰離子向負(fù)極移動(dòng)，則電解質(zhì)溶液中的OH-向Zn電極移動(dòng)，B項(xiàng)不正確;在正極Ag2O得到電子生成Ag和OH-，則正極的電極反應(yīng)式為

Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-

C項(xiàng)正確;在原電池中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，則Zn電極發(fā)生氧化反應(yīng)，Ag2O電極發(fā)生還原反應(yīng)，D項(xiàng)正確。即答案應(yīng)是B。

例2 （2018年6月浙江學(xué)業(yè)水平考試試題）普通鋅錳干電池的構(gòu)造如圖1所示，其電池反應(yīng)方程式為：

Zn+2NH4Cl+2MnO2

Zn（NH3）2Cl2+2MnOOH

下列說(shuō)法不正確的是（? ）。

A.石墨作正極

B.鋅發(fā)生氧化反應(yīng)

C.電池工作時(shí)，電子從石墨經(jīng)導(dǎo)線流向鋅

D.正極的電極反應(yīng)為：

NH+4+MnO2+e-MnOOH+NH3

解析 根據(jù)原電池原理可知，鋅筒作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，石墨作正極，A、B項(xiàng)正確;在原電池中，電子從負(fù)極經(jīng)外電路流向正極，則電池工作時(shí)電子從鋅經(jīng)導(dǎo)線流向石墨，C項(xiàng)不正確;在正極MnO2得到電子生成MnOOH，則正極的電極反應(yīng)為：

NH+4+MnO2+e-MnOOH+NH3

D項(xiàng)正確。即答案應(yīng)是C。

二、二次電池

二次電池是指放電之后能充電的電池。其解題關(guān)鍵是要明確二次電池放電時(shí)是原電池，要根據(jù)原電池工作原理進(jìn)行分析;二次電池充電時(shí)是電解池，要根據(jù)電解原理進(jìn)行分析。

例3 （2020屆湖南省湘潭縣一中高三模擬）以柏林綠Fe[Fe（CN）6]為代表的新型可充電鈉離子電池，其放電工作原理如圖2所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（? ）。圖2

A.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)：

2Mg-4e-+2Cl-[Mg2Cl2]2+

B.充電時(shí)，Mg箔接電源的負(fù)極

C.放電時(shí)，Na+通過(guò)交換膜從左室移向右室

D.外電路中通過(guò) 0.1 mol 電子的電量時(shí)，正極質(zhì)量

變化為 2.3 g

解析 根據(jù)原電池原理可知，放電時(shí)，Mg為原電池的負(fù)極，Mo為原電池的正極。A項(xiàng)，放電時(shí)Mg失去電子并與Cl-結(jié)合生成[Mg2Cl2]2+，則負(fù)極反應(yīng)為

2Mg-4e-+2Cl-[Mg2Cl2]2+

A項(xiàng)正確;B項(xiàng)，充電時(shí)Mg為電解池的陰極，則Mg箔接電源的負(fù)極，B項(xiàng)正確;C項(xiàng)，在原電池中內(nèi)電路中的陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，則放電時(shí)，Na+通過(guò)交換膜從右室移向左室，C項(xiàng)錯(cuò)誤;D項(xiàng)，放電時(shí)的正極反應(yīng)式為

Fe[Fe（CN）6]+2Na++2e-

Na2Fe[Fe（CN）6]

則外電路中通過(guò) 0.1 mol 電子的電量時(shí)增加0.1 mol Na+，即正極質(zhì)量變化為 2.3 g，D項(xiàng)正確。即答案應(yīng)是C。

例4 （2020屆廣東省高三模擬）鉀（K）資源豐富，成本低廉，用其制作的鉀離子電池有著超越鋰離子電池的發(fā)展前景。我國(guó)科研人員在鉀離子電池的研發(fā)上做出了巨大的貢獻(xiàn)。如圖3所示是我國(guó)某科研團(tuán)隊(duì)研制的一種鉀離子電池充電時(shí)的示意圖，下列說(shuō)法不正確的是（? ）。

A.放電時(shí)，外電路電子由電極a流向電極b

B.鉀離子電池電解液一般選擇有機(jī)溶劑，但會(huì)有一定的安全隱患

C.充電時(shí)，每當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移1 mol e-，正極材料會(huì)“釋放”39 g K+

D.充電時(shí)，電極b上的電極反應(yīng)式為：

WS2+xK++xe-KxWS2

解析 由題意可知，該示意圖為一種鉀離子電池充電時(shí)的示意圖，電池充電時(shí)為電解池;在電解池的電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，根據(jù)電解原理由圖示K+的移動(dòng)方向可知，電解b為電解池的陰極，電極a為電解池的陽(yáng)極。A項(xiàng)，放電時(shí)為原電池，電極a為原電池的正極、電極b為原電池的負(fù)極，在原電池中電子由負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，則.放電時(shí)外電路電子由電極b流向電極a，A項(xiàng)不正確;B項(xiàng)，鉀離子電池與鋰離子電池相似，電解液不選水溶液，一般選擇有機(jī)溶劑，該有機(jī)溶劑為碳酸酯類，這類溶劑的沸點(diǎn)較低、穩(wěn)定性較差、在高溫下易分解、易被氧化，因?yàn)闀?huì)有一定的安全隱患，B項(xiàng)正確;C項(xiàng)，充電時(shí)，正極材料（電解池的陽(yáng)極，即電極a）發(fā)生氧化反應(yīng)，由圖示信息可知電極a釋放了K+，根據(jù)電荷守恒原理可知，充電時(shí)，每當(dāng)外電路中轉(zhuǎn)移1 mol e-，正極材料會(huì)“釋放”39 g K+，C項(xiàng)正確;D項(xiàng)，充電時(shí)，電極b（電解池的陰極）上發(fā)生還原反應(yīng)，即WS2得到電子并與K+結(jié)合生成KxWS2，則充電時(shí)電極b上的電極反應(yīng)式為WS2+xK++xe-KxWS2，D項(xiàng)正確。即答案應(yīng)是A。

三、燃料電池

燃料電池能連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。有關(guān)燃料電池的題目主要考查燃料電池的特點(diǎn)與原電池工作原理，掌握有關(guān)燃料電池的知識(shí)是解題的關(guān)鍵。

例4 （2019屆浙江省溫州市選考適應(yīng)性測(cè)試）酸性“二甲醚直接燃料電池圖3”的工作原理如圖3所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（? ）。

A.a電極是該燃料電池的負(fù)極

B.b電極上的電極反應(yīng)式為：

O2+4H++4e-2H2O

C.H+由a電極向b電極遷移

D.該燃料電池工作時(shí)，電子從a電極→燈泡→b電極→電解液→a電極

解析 根據(jù)原電池工作原理可知，通入燃料二甲醚（CH3OCH3）的一極是電池的負(fù)極，通入氧氣的一極為電池的正極，則a電極是該電池的負(fù)極、b電極是該電池的正極，A項(xiàng)正確;O2在

b電極上得到電子發(fā)生氧化反應(yīng)并與H+結(jié)合生成水，則b電極上發(fā)生的反應(yīng)為

O2+4H++4e-2H2O

B項(xiàng)正確;原電池的電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子移向正極，則H+由a電極向b電極遷移，C項(xiàng)正確;電池工作時(shí)，電子從a電極→燈泡→b電極，電子不能通過(guò)電解質(zhì)溶液，D項(xiàng)錯(cuò)誤。即答案應(yīng)是D。

例5 （2020屆安徽省定遠(yuǎn)縣育才學(xué)校高三模擬）硼氫化物NaBH4（硼元素的化合價(jià)為+3價(jià)）燃料電池（DBFC），由于具有比能量高、產(chǎn)物清潔無(wú)污染和燃料易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ娜剂想姵?，其工作原理如圖4所示，下列說(shuō)法正確的是（? ）。

A.放電時(shí)，每轉(zhuǎn)移2 mol電子，理論上需要消耗9.5 g NaBH4

B.電極a采用MnO2，MnO2既作電極材料又有催化作用

C.電池放電時(shí)Na+從b極區(qū)移向a極區(qū)

D.電池的負(fù)極反應(yīng)式為

BH-4+2H2O-8e-BO-2+8H+

解析 A項(xiàng)，NaBH4在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)生成BO-2，即NaBH4-8e-→BO-2，則每轉(zhuǎn)移2 mol電子理論上需要消耗0.25 mol（即9.5 g）NaBH4，A項(xiàng)正確;B項(xiàng)，電極b采用MnO2，為電池的正極，H2O2得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成OH-， MnO2既作電極材料又有催化作用，B項(xiàng)不正確;C項(xiàng)，原電池工作時(shí)，電解質(zhì)溶液中的陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，則Na+從a極區(qū)移向b極區(qū)，C項(xiàng)不正確;D項(xiàng)，BH-4在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)（OH-也參與了電極反應(yīng)）生成BO2-和H2O，則電池的負(fù)極反應(yīng)式為

BH-4+8OH--8e-BO-2+6H2O

D項(xiàng)不正確。即答案應(yīng)是A。

（收稿日期：2021-09-10）