聚焦原電池考查的6大躍遷

◇ 山東 孫 晶

高考對于原電池的考查貴在出新,命題者往往以國際期刊發表的最新發現、本年度的諾貝爾獎、科技進步獎等為命題背景,命題突出新穎性、創新性、綜合性和學科交叉性,主要涉及反應原理、電極判斷、電極名稱、電極反應和計算等知識點.而圖文并茂更是原電池命題的一個不可忽視的特色,解題過程中讀懂圖中隱含的題意,如電子流動方向、電極反應和電解質的性質等,顯得尤其重要．

2019年10月8日諾貝爾化學獎公布以后,鋰電池更成為“風口浪尖上的明星物質”．獲獎的三位科學家在鋰離子電池領域的開發,使得鋰離子電池在全球范圍內得到廣泛運用,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,大大減少了對環境的污染,為我們創造了一個綠色環保的世界,對人類可持續發展做出了杰出的貢獻．預計在2020年的高考中,鋰電池是不可忽視的命題熱點．

1 原電池、鹽橋電池和有交換膜的電池

1.1 三池結構對比

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“半電池裝置”，其中鹽橋的作用有3種：a)隔絕正、負極反應物，避免直接接觸，導致電流不穩定；b)通過離子的定向移動，構成閉合回路；c)平衡電極區的電荷．

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“質子交換膜”.離子交換膜是一種選擇性透過膜，允許相應離子通過，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常規原電池到鹽橋電池.

圖3

A. 電子從Zn極流出,流入Fe極,經鹽橋回到Zn極

B. 燒杯b中發生的電極反應為Zn-2e-=Zn2+

C. 燒杯a中發生反應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,有藍色沉淀生成

變式有M、N、X、Y四種金屬,做如圖4所示實驗,據此判斷它們的活動性由強到弱的順序是( ).

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成的．

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

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

躍遷方式2單一原電池到二次電池.

圖5

B. 充電時釋放CO2,放電時吸收CO2

D. 充電時,陽極反應為Na++e-=Na

圖6

A. 圖中e-及Li+移動方向說明該電池處于放電狀態

B. 該電池中a極不能接觸水溶液

C. 充電時，a極連接外接電源的正極

D. 充電時,b極電極反應式為LiFePO4-e-=Li++FePO4

【方法技巧】突破二次電池的4個角度，如圖7所示.

圖7

躍遷方式3交換膜電池.

圖8

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

B. 質子交換膜處H+由右向左移動

C. 該電池在微生物作用下將化學能轉化為電能

D. 開始放電時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. 正極的電極反應為NiO(OH)+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-

C. 導線中通過1 mol電子時,理論上負極區溶液質量增加1 g

D. 充電時,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的、對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(目的是平衡整個溶液的離子濃度或電荷)．

2)離子交換膜在電化學中的作用:a)隔離某些物質防止發生反應．b)用于物質的制備、分離、提純等．

3)離子交換膜的類型:根據透過的微粒,離子交換膜可以分為多種,在高考試題中主要出現陽離子交換膜、陰離子交換膜和質子交換膜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,質子交換膜只允許質子(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．

躍遷方式4電極可變的可逆電池.

圖10

A. 反應開始時,乙中發生氧化反應

B. 反應開始時,甲中Fe3+被還原

C. 電流計讀數為零時,反應達到化學平衡狀態

D. 電流計讀數為零后,在甲中溶入FeCl2固體,乙中的石墨電極為負極

圖11

① 向燒杯Ⅱ中逐滴加入濃鹽酸，發現微安表(G)指針偏轉;

② 若改向燒杯Ⅱ中滴加質量分數為40% 的NaOH溶液，發現微安表指針與①的偏轉方向相反．下列有關說法不正確的是( ).

A. 操作①過程中C1棒上發生的反應為

2I--2e-=I2

B. 操作②過程中導線上電子定向移動方向由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,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. 通氧氣的一極為負極

B. H+從正極區通過交換膜移向負極區

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

D. 甲醇在正極發生反應,電子經過外電路流向負極

圖13

變式某種熔融碳酸鹽燃料電池以Li2CO3、K2CO3為電解質、以CH4為燃料時,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. 此電池在常溫時也能工作

D. 正極電極反應式為

【方法技巧】燃料電池電極反應式的書寫技巧.

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置．由于電池總反應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,對燃料電池的考查重點在不同條件下的電解質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,其書寫關鍵可以歸結為一句話:“什么環境下用什么離子平衡電性”．如正極反應式書寫如圖14所示.

圖14

躍遷方式6由單一學科到學科交叉計算.

① 該電池的正極反應式為________,電池反應的離子方程式為________．

② 維持電流強度為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)正極反應為O2+4e-+4H+=2H2O;負極反應必有H+生成,由電荷守恒、元素守恒得3H2O+CH3OCH3-12e-=2CO2+12H+;1個CH3OCH3分子失去12e-;假定燃料質量為1 kg,由能量密度計算方法列式計算即可．

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．

圖15

(1)該電池的負極反應式為________．

(2)如果用該電池作為電解裝置,當有16 g甲醇發生反應時,則理論上提供的電量表達式為________C(1個電子的電量為1.6×10-19C)．

CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O;

(2)16 g甲醇的物質的量為0.5 mol,發生反應時電子轉移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】化學與物理結合的計算,主要涉及2個公式:

1)Q=It=n(e-)F,計算時F一般取值96 500 C·mol-1．

2)W=UIt．

鏈接練習

1. 一種微生物燃料電池如圖16所示,下列關于該電池說法正確的是( ).

A. a電極為正極

B. H+由右室通過質子交換膜進入左室

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

D. 當b電極上產生1 mol N2時,溶液中將有10 mol e-通過

圖16

A. 電池放電時,正極反應為Mo3S4+2xe-+xMg2+=MgxMo3S4

B. 電池放電時,Mg2+向負極遷移

C. 電池充電時,陽極反應為

xMg2++2xe-=xMg

D. 電池充電時,陰極發生還原反應生成Mo3S4

3.世界某著名學術刊物近期介紹了一種新型中溫全瓷鐵—空氣電池,其結構如圖17所示．

圖17

下列有關該電池放電時的說法正確的是( ).

A. a極發生氧化反應

B. 正極的電極反應式為

FeOx+2xe-=Fe+xO2-

C. 若有22.4 L(標準狀況下)空氣參與反應,則電路中有4 mol電子轉移

D. 鐵表面發生的反應為

xH2O(g)+Fe=FeOx+xH2.

鏈接練習參考答案

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