新型化學電源的高考考點例析

宋紅杰

新型化學電源的高考考點例析

宋紅杰

高考中的新型電池,有“高鐵電池”“海洋電池”“燃料電池”“鋰離子電池”“銀鋅電池”“紐扣電池”等。這些電池一般具有高能環保、經久耐用、電壓穩定、比能量高等特點。取材于這些知識點的試題,由于題材廣、信息新、陌生度大,所以大多數考生對這類試題感到難,實際上這些題目主要考查的是學生遷移應用的能力。試題主要從以下幾個角度進行考查：

一、新型電池電極的判斷以及電極反應式的書寫

例1：Li-Al/FeS電池是一種正在開發的車載電池,該電池中正極的電極反應式為：2Li++FeS+2e-＝Li2S+Fe有關該電池的下列中,正確的是：

A.Li-Al在電池中作為負極材料,該材料中Li的化合價為+1價

B.該電池的電池反應式為：2Li+FeS＝Li2S+Fe

C.負極的電極反應式為Al-3e-=Al3+

D.充電時,陰極發生的電極反應式為：Li2S+Fe－3e-=2Li++ FeS

【解析】

A.Li和Al分別是兩極材料,化合價應為0；B.應有Li的參加；C.根據給出的正極得電子的反應,原電池的電極材料Li－Al/FeS可以判斷放電時(原電池)負極的電極反應式為Li －e-= Li+；D.應是陽極失電子反應。

【答案】B

原電池與電解池的教學一定要重視電極反應式書寫。電極反應式書寫是原電池和電解池內容或原理的核心。原電池的教學可以從原電池反應的總反應式,可以自發進行的氧化還原反應,負極反應（因負極就是參加反應的電極）開始。電解池的教學要從外加電源的正負極,分析陽極開始,最終獲得被進行的氧化還原反應。

二、由電極反應進行電解原理的考查

例2：圖1為一種染料敏化太陽能電池的示意圖。電池的一個點極由有機光敏染料（S）涂覆在 納米晶體表面制成,另一電極由導電玻璃鍍鉑構成,電池中發生的反應為：

下列關于該電池敘述錯誤的是：

A.電池工作時,是將太陽能轉化為電能

B.電池工作時,I-離子在鍍鉑導電玻璃電極上放電

C.電池中鍍鉑導電玻璃為正極

D.電池的電解質溶液中I-和I3-的濃度不會減少

圖1

【解析】

這是個太陽能電池,從裝置示意圖可看出是個原電池,最終是將光能轉化為化學能,A選項正確,從圖1可看在外電路中電子由負極流向正極,也即鍍鉑電極做正極,發生還原反應：I3-+2e-=3I-,所以C正確,B選項錯誤,應為把上面4個反應加起來可知,化學物質并沒有減少, D正確。

【答案】B

太陽能電池,新奇的反應體現基本原理。據原電池的兩電極反應式,判斷電子流向與電流流向,了解太陽能電池的工作原理,原電池的總反應式等,還考查考生變通能力和心理素質,能否適應陌生的情境下應用所學知識解決新的問題等。

三、電解質溶液中電子、電流、離子移動方向、電子轉移數目的判斷

例3：某固體酸燃料電池以CaHSO4固體為電解質傳遞H＋,其基本結構見圖2,電池總反應可表示為：2H2＋O2＝2H2O,下列有關說法正確的是：

A.電子通過外電路從b極流向a極

B.b極上的電極反應式為：O2＋2H2O＋4e－＝4OH

C.每轉移0.1 mol電子,消耗1.12 L的H2

D.H＋由a極通過固體酸電解質傳遞到b極

圖2

【解析】

（2）經預處理樣品。取“2.2”項下經預處理的空白脂質體溶液、空白脂質體+米索硝唑溶液、米索硝唑pH敏感脂質體溶液各適量，于200～400 nm波長范圍內掃描，光譜圖見圖2。由圖2A可知，經預處理完全沉淀了輔料磷脂酰乙醇胺，空白脂質體在322 nm波長處無明顯的紫外吸收；由圖2B、C可知，米索硝唑的最大吸收峰仍出現在322 nm波長處，因而此時輔料對主成分的測定已無干擾。

燃料電池中通H2的一極為負極,通O2的一極為正極,電子通過外電路從負極a流向正極b,電流與此相反,陽離子通過電解質流向正極,即由a到b,A錯誤,D正確;電解質傳遞H＋,b極上的電極反應式為：O2＋4H+＋4e－＝2H2O,B錯誤,a極上的電極反應式為：H2－2e－＝2H+,每轉移0.1 mol電子,消耗0.05 mol的H2,標準狀況下為1.12 L, C錯誤。

【答案】D

四、有關電化學的計算

例4：圖3裝置中,甲、乙、丙3個燒杯依次分別盛放100g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g 10.00%的K2SO4溶液,電極均為石墨電極。

（1）接通電源,經過一段時間后,測得丙中K2SO4濃度為10.47%,乙中c電極質量增加。據此回答問題：

①電源的N端為_極；②電極b上發生的電極反應為_；

③列式計算電極b上生成的氣體在標準狀態下的體積：_；

④電極c的質量變化是_g；

圖3

【解析】

（1）①乙中C電極質量增加,則c處發生的反應為：Cu2

＋+2e－=Cu,即C處為陰極,由此可推出b為陽極,a為陰極,M為負極,N為正極。丙中為K2SO4,相當于電解水,設電解的水的質量為xg。由電解前后溶質質量相等,有100×10%=（100－χ）×10.47%,得χ=4.5g,故為0.25mol。由方程式2H2+O2= 2H2O可知,生成2molH2O,轉移4mol電子,所以整個反應中轉化0.5mol電子,而整個電路是串聯的,故每個燒杯中的電極上轉移電子數是相等的。②甲中為NaOH,相當于電解H2O,陽極b處為陰離子OH－放電,即4OH－－4e－=2H2O + O2↑。③轉移0.5mol電子,則生成O2為0.5/4=0.125mol,標況下的體積為0.125×22.4=2.8L。④Cu2＋+2e－=Cu,轉移0.5mol電子,則生成的m(Cu)=0.5/2 ×64 =16g。

【答案】（1）①正極 ②4OH－－4e－=2H2O+ O2↑。③2.8L ④16g

近年高考試題中,計算題型的比例近兩年呈遞增的趨勢,運用守恒法解題可以避免書寫繁瑣的化學方程式,簡化計算過程,提高解題的速度和準確度。

五、能源轉化、環境保護、工業生產等熱點問題

例5：圖4是一種航天器能量儲存系統原理示意圖。下列說法正確的是：

A.該系統中只存在3種形式的能量轉化

B.裝置Y中負極的電極反應式為：

O2＋2H2O＋4e－＝4OH

C.裝置X能實現燃料電池的燃料和氧化劑再生

D.裝置X、Y形成的子系統能實現物質的零排放,并能實現化學能與電能間的完全轉化

圖4

【解析】

在該裝置系統中,有4種能量轉化的關系,即太陽能、電能、化學能和機械能之間的相互轉化,A錯誤；負極失電子發生氧化反應,B錯誤；裝置X 中H2O轉變成H2、O2,C正確；在反應過程中,有能力的損耗和熱效應的產生,不可能實現化學能和電能的完全轉化,故D錯誤。

【答案】C

由于能源問題逐漸成為社會熱點問題,因此化學反應中的能量變化也成為近幾年高考命題的一個熱點,幾乎每年高考都有此類試題,估計今后幾年有關能源的試題仍將成為高考命題的重點,考查能量轉化的內容將不斷拓寬,難度不斷加大,題型也會有新的變化。

[1] 魏萬青.金版教程(第三版)[M].內蒙古：內蒙古大學出版社,2010

稿件編號：P1101030

宋紅杰，本科，中教一級。

河北省遷安市第二中學。