新型電池背景下電化學解題策略

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2025）16-0134-03

電化學作為高考的必考知識，考查頻率極高.盡管每年的考點在核心內(nèi)容上“大同小異”，但題目的設計卻日益新穎多變，傾向于將考查內(nèi)容融入前沿的科學成果之中，如“新型電池技術(shù)”“創(chuàng)新電解裝置\"等[1].這些題目往往包含了學生未曾接觸過的物質(zhì)以及看似錯綜復雜的化學反應過程，使得學生在面對這類問題時常常感到困惑.因此，掌握有效的電化學解題策略，特別是針對新型電池背景下的相關(guān)問題，成為幫助學生突破困境、提升解題能力的關(guān)鍵所在.

1 原電池模型

原電池模型是指利用兩個電極之間金屬性的不同產(chǎn)生電勢差，通過化學反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置模型.該模型由負極（陰極）、正極（陽極）和電解質(zhì)組成[2].工作原理如圖1所示[3].

在原電池模型中，準確判斷出正負極是解題的基礎(chǔ)，因為正負極決定了電池內(nèi)部化學反應的方向和電流流動的路徑.原電池中的正負極判斷可以從電極材料、電極反應、電子流向、電極現(xiàn)象和離子移向5個方面進行分析，如圖2所示.具體選擇何種方法，則需要根據(jù)題目信息靈活選取.

2 常見新型電池及解題方法

2.1 濃差電池

例1某濃差電池工作原理如圖3所示.在電池工作時，電子會從鹽溶液濃度較低的電極通過外部電路流向濃度較高的電極.現(xiàn)在有一個實驗裝置，其中X電極和Y電極的初始質(zhì)量是相同的.實驗開始時，先讓 K₂ 開關(guān)閉合， K₁ 開關(guān)斷開，經(jīng)過一段時間后再斷開 K₂ ，閉合 K₁ ，此時裝置會形成一個濃差電池，并且觀察到電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn).基于以上描述，不正確的是（ ）.

A.充電前，該電池兩電極存在電勢差B.在電池放電過程中，右側(cè)溶液中的 NO₃^- 會通過離子交換膜向左側(cè)溶液移動C.若對該電池進行充電，當外部電路轉(zhuǎn)移了0.1mol 電子時，X電極與Y電極的質(zhì)量差異將達到21.6g D.在電池放電階段，Y電極為電池的正極.

分析涉及充電和放電兩個過程，首先要明確哪個過程為“原電池”，哪個過程為“電解池”.根據(jù)兩者工作原理的差異性，可知當開關(guān)“ K₂ 開關(guān)閉合，K₁ 開關(guān)斷開時”，為“電解池”模型，裝置處于充電狀態(tài)，X電極為陰極，發(fā)生還原反應，即 Ag⁺ 變?yōu)锳g;Y 電極為陽極，發(fā)生氧化反應，即 Ag 失去電子變?yōu)?Ag⁺ .由此可知，在該階段 NO₃^- 會通過離子交換膜，由左池進入右池.當“斷開 K₂ ，閉合 K₁ ”時，此時裝置存在濃度差， NO₃^- 左側(cè)濃度低右側(cè)濃度高，在濃度差的驅(qū)使下形成電勢差，且 NO₃^- 由右池向左池移動.根據(jù)“陰離子移向負極”可知，X電極為負極，Y電極為正極.由此開始以下判斷：

A.根據(jù)題干的描述可知，該電池為濃差電池，有濃度差的原因在于該裝置先經(jīng)歷了一個充電的過程，從而左右兩池 AgNO₃ 濃度不相同.因此，答案A錯誤，充電前，兩邊的濃度相同且均為 1mol?L^-1 B.放電時， NO₃^- 左側(cè)濃度低右側(cè)濃度高，所以其會通過離子交換膜移向左池，B正確C.充電時，當外電路通過 0.1mol 電子時，X電極消耗 0.1molAg，Y 電極生成 0.1molAg ，所以兩電極的質(zhì)量差為 21.6g ，故C正確D.電子由溶液濃度較小的一極流向濃度較大的一極，充電后左池濃度小于右池，所以放電時，電極Y為電池的正極，故D正確.

點評濃差電池仍符合原電池的工作原理，負極失去電子，發(fā)生氧化反應；正極則得到電子，發(fā)生還原反應.在濃差電池中，因為電動勢是由濃度差引起的，所以電池正負極的判斷通常是根據(jù)溶液的移動方向，“陰離子移向的一側(cè)為負極，陽離子移向的一側(cè)為正極”.該題設置的難點在于將原電池和電解池兩個裝置進行結(jié)合，充電時為電解池原理，放電時才為原電池原理，如圖4所示.

2.2 微生物燃料電池

例2 微生物燃料電池能有效轉(zhuǎn)化污水中的乙二胺（ H₂NCH₂CH₂NH₂ ）為環(huán)境友好的物質(zhì)，裝置示意圖如圖5所示，其中a ?^b 均為石墨材質(zhì)的電極.下列說法錯誤的是（ ）.

A.a電極的電極反應為 H₂NCH₂CH₂NH₂

B.電池工作時質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由負極區(qū)

向正極區(qū)移動C.a電極上的電勢比 b 電極上的電勢低D.電池工作時b電極附近溶液的 pH 保持不變

分析a電極為負極，b電極為正極，由此進行如下判斷：

A.a電極上發(fā)生氧化反應，乙二胺得到電子，生成 CO₂ 和 N₂ ，裝置為質(zhì)子交換膜，因此選擇用 H₂O 和 H⁺ 進行配平，配平思路如圖6所示.

A正確B.在原電池中，陽離子向正極移動，B正確C.a電極為負極，b電極為正極，正極的電勢比負極低，C正確D.b電極側(cè)發(fā)生的反應為氧氣得電子的還原反應，即 ，消耗 H⁺ ，其濃度減小，所以 b 電極附近溶液的 pH 增大，D錯誤.

點評微生物燃料電池本質(zhì)上仍為燃料電池，對于燃料電池來說，正極和負極的判斷主要是根據(jù)兩個電極側(cè)的物質(zhì).空氣或者氧氣側(cè)，為正極，發(fā)生還原反應.燃料側(cè)則為負極，發(fā)生氧化反應，如圖7所示.

對于該題來說，突破點就在于正極和負極的判斷，b端進空氣為，為正極；a端進燃料，為負極.然后根據(jù)正負極的特點，對選項進行分析.

2.3 鋰硫電池

例3全固態(tài)鋰硫電池具備高能量密度與低成本的優(yōu)勢，其運作機制如圖8所示.在該電池中，電極a常采用摻石墨烯的S材料.該電池的總反應可以表述為電池反應為 16Li+xS₈=8Li₂S_x （ 2?x ?8 ）.下列說法錯誤的是（ ）.

A.電池工作時，正極可發(fā)生反應：Li₂S₄+2Li⁺+2e^-=2Li₂S₂ B.電池充電時間越長，電池中的 Li₂S₂ 量越多C.電解質(zhì)中加入硫酸能增強導電性D.電池工作時，外電路中流過 0.2mol 電子，負材料減重 0.7g

分析在鋰硫電池中，鋰是活潑金屬，為電池的負極，電極反應式為 Li-e^-=Li⁺ ;S 材料較為活潑，作為金屬的正極，可以發(fā)生如下反應： S₈⁺2e^- Li₂S₄ +2Li⁺+2e^-?2Li₂S₂ ，由此可以進行分析：

A：電池工作時，正極為電極a，所述反應為上述反應中的一種，選項正確.B：充電和放電過程相反，放電時， Li₂S₂ 為生成物，放電時間越長量越多.充電時其為反應物，時間越長量越少，選項錯誤.C：鋰硫電池中含有Li，該元素很活潑，當加入硫酸時，硫酸中的氫離子會和Li發(fā)生反應，因此不能添加硫酸增強導電性，選項錯誤.D：負極的反應式為 Li-e^- =Li⁺ ，當外電路有 0.2mol 電子通過時，Li反應了 0.2mol ，對應的質(zhì)量為 1.4g ，選項錯誤.

3 結(jié)束語

綜上所述，新型電池盡管題型新穎多變，但萬變不離其宗，應用的解題原理依舊為原電池模型.因此，在學習過程中，學生要掌握具備扎實的核心基礎(chǔ)知識；在教學過程中，教師則應關(guān)注學科觀念與關(guān)鍵能力的培養(yǎng)，特別是在微粒觀、變化觀和模型觀上的深化理解.從原理與裝置兩個維度出發(fā)，構(gòu)建系統(tǒng)的認知模型，讓學生更好地理解電化學的本質(zhì)，并應用于問題解決中，以全面提升學生的解題能力和科學素養(yǎng).

參考文獻：

[1］郭慧芳.2022年高考化學電池考點盤點[J].高中數(shù)理化，2022（24）：55-56.

[2］李莉.高考化學中原電池與電解池綜合應用的教學研究［J].數(shù)理化學習（教研版），2024（06） ：41 -43.

[3］許磊，朱志江.新高考下電化學試題特征及教學啟示[J].中學化學教學參考，2024（22）：62-65.

[責任編輯：孫美齊]