化學(xué)高分錦囊

馮存良

隨著全球能源逐漸枯竭，研發(fā)、推廣新型能源迫在眉睫，化學(xué)新電源成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)方向之一，對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)也成了高考的高頻考點(diǎn)。新情境化學(xué)電源試題題材廣、信息新、陌生度高，因此許多考生感覺難度大。事實(shí)上，該類試題應(yīng)用的解題原理還是原電池的知識(shí)，只要細(xì)心分析，得分也并不難。

高考中常見的新情境化學(xué)電源有氫鎳電池、高鐵電池、堿性鋅錳電池、海洋電池、燃料電池（如新型細(xì)菌燃料電池、氫氧燃料電池、丁烷燃料電池、甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池、CO燃料電池）、鋰離子電池、鋅銀電池、紐扣電池、Mg-AgCl電池、Mg-H2O2電池等。新情境化學(xué)電源主要考查的題型是選擇題，有時(shí)在非選擇題中也會(huì)出現(xiàn)，主要考查角度有電池正極、負(fù)極的判斷，電極產(chǎn)物的判斷，溶液pH的變化，電池充電、放電時(shí)電極反應(yīng)式的書寫，電子（電流）方向的判斷，離子移動(dòng)方向的判斷及電化學(xué)的有關(guān)計(jì)算等。

例1 （2017·全國卷Ⅲ）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，其工作原理如圖1所示，其中電極a常用摻有石墨烯的S8材料，電池反應(yīng)為：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列說法錯(cuò)誤的是（ ）

A.電池工作時(shí)，正極可發(fā)生反應(yīng)：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4

B.電池工作時(shí)，外電路中流過0.02 mol電子，負(fù)極材料減重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D.電池充電時(shí)間越長，電池中Li2S2的量越多

【審題指導(dǎo)】準(zhǔn)確判斷電極，寫出電極反應(yīng)式，即可知道電極材料與轉(zhuǎn)移電子的關(guān)系；看到石墨烯就應(yīng)聯(lián)想到石墨導(dǎo)電性良好的性質(zhì)；準(zhǔn)確判斷電池充電時(shí)Li2S2會(huì)發(fā)生什么變化，即可知道充電時(shí)間的長短對(duì)Li2S2的量的影響。

【解析】本題考查電化學(xué)知識(shí)。原電池工作時(shí)，正極發(fā)生一系列得電子的還原反應(yīng)，即S8→Li2S8→Li2S6→

Li2S4→Li2S2，其中有2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4，A選項(xiàng)正確。負(fù)極反應(yīng)式為Li -e-=Li+，每轉(zhuǎn)移0.02 mol電子，負(fù)極就有0.02 mol Li（質(zhì)量為0.14 g）被氧化為Li+，則負(fù)極質(zhì)量減少0.14 g，B選項(xiàng)正確。石墨烯能導(dǎo)電，用石墨烯作電極，可提高電極a的導(dǎo)電性，C選項(xiàng)正確。在充電過程中，Li2S2的量逐漸減少，當(dāng)電池充滿電時(shí)，相當(dāng)于達(dá)到平衡狀態(tài)，電池中Li2S2的量趨于不變，故不是電池充電時(shí)間越長，電池中Li2S2的量越多，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】D

【誤區(qū)警示】規(guī)避原電池工作原理的三個(gè)失分點(diǎn)

（1）原電池形成閉合回路的方式，可以是導(dǎo)線連接兩個(gè)電極，也可以是兩電極相接觸。

（2）電解質(zhì)溶液中陰離子、陽離子的定向移動(dòng)，與導(dǎo)線中電子的定向移動(dòng)共同組成了一個(gè)完整的閉合回路。

（3）無論在原電池還是在電解池中，電子均不能通過電解質(zhì)溶液。

【高分錦囊】1.正極、負(fù)極的判斷方法（如圖2所示）

2.電極反應(yīng)式書寫的三個(gè)步驟 （如圖3所示）

例2 （2016·全國卷Ⅲ）鋅-空氣燃料電池可用作電動(dòng)車動(dòng)力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)為2Zn+O2+4OH-+2H2O=2Zn（OH）42-。下列說法正確的是（ ）

A.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中K+向陽極移動(dòng)

B.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中c（OH-）逐漸減小

C.放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Zn+4OH--2e-=Zn（OH）42-

D.放電時(shí)，電路中通過2mol電子，消耗氧氣22.4L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

【審題指導(dǎo)】通過對(duì)充電、放電時(shí)兩極反應(yīng)類型的判斷及電極反應(yīng)式的判斷，從而對(duì)充電、放電時(shí)電解質(zhì)溶液（熔融電解質(zhì)）中離子的移動(dòng)方向以及離子濃度的變化進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，特別是酸、堿性的變化。

【解析】充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中陽離子（K+）向陰極移動(dòng)，A選項(xiàng)錯(cuò)誤。放電時(shí)，總反應(yīng)方程式為2Zn+O2+4OH-+ 2H2O=2Zn（OH）42-，充電反應(yīng)為放電反應(yīng)的逆反應(yīng)，則充電時(shí)電解質(zhì)溶液中c（OH-）逐漸增大，B選項(xiàng)錯(cuò)誤。在堿性環(huán)境中負(fù)極Zn失電子生成的Zn2+將與OH-結(jié)合生成Zn（OH）42-，C選項(xiàng)正確。O2～4e-，故電路中通過2 mol電子時(shí)，消耗氧氣0.5mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為11.2L，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】C

【誤區(qū)警示】

1.充電電池是既能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（放電），又能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（充電）的一類特殊電池。需要注意的是，充電、放電的反應(yīng)不能理解為可逆反應(yīng)。

2.對(duì)于這類題目，考生常常因?yàn)闊o法準(zhǔn)確將總反應(yīng)拆成電極反應(yīng)，尤其是無法準(zhǔn)確獲得充電反應(yīng)的信息而導(dǎo)致錯(cuò)誤。

【高分錦囊】1.微粒流向

（1）電子流向

①電解池：負(fù)極→陰極，陽極→正極。

②原電池：負(fù)極→正極。

（2）離子流向

①電解池：陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。

②原電池：陽離子移向正極，陰離子移向負(fù)極。

2.可充電電池充電時(shí)電極與外接電源的正極、負(fù)極連接（如圖4所示）

3.從四個(gè)方面突破新情境可逆電池（如圖5所示）

4.書寫電極反應(yīng)式

（1）放電時(shí)，電極反應(yīng)式的書寫

①依據(jù)總反應(yīng)，指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì)，根據(jù)化合價(jià)的變化，判斷轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目。

②根據(jù)守恒書寫負(fù)極（或正極）反應(yīng)式，特別應(yīng)注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存。

（2）充電時(shí)，電極反應(yīng)式的書寫

充電時(shí)的電極反應(yīng)與放電時(shí)的電極反應(yīng)過程相反，充電時(shí)的陽極反應(yīng)為放電時(shí)的正極反應(yīng)的逆過程，充電時(shí)的陰極反應(yīng)為放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)的逆過程。

例3 （2015·江蘇卷）一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意圖如圖6所示。下列有關(guān)該電池的說法正確的是（ ）

A.反應(yīng)CH4+H2O3H2+CO，每消耗1mol CH4轉(zhuǎn)移12mol電子

B.電極A上H2參與的電極反應(yīng)為H2+2OH--2e-=2H2O

C.電池工作時(shí)，CO32-向電極B移動(dòng)

D.電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-=2CO32-

【審題指導(dǎo)】通入燃料的一極為負(fù)極，通入O2的一極為正極。準(zhǔn)確判斷出燃料電池的正負(fù)極、電極反應(yīng)式和離子的移動(dòng)方向，就很容易解答此題。

【解析】CH4中的C為-4價(jià)，CO中的C為+2價(jià)，由于每個(gè)碳原子失去6個(gè)電子，因此每消耗1 mol CH4失去6 mol電子，A選項(xiàng)錯(cuò)誤。由于熔融鹽中沒有OH-，因此OH-不能參與電極反應(yīng)，正確的反應(yīng)式為H2+CO+2CO32--4e-=3CO2+H2O，B選項(xiàng)錯(cuò)誤。CO32-應(yīng)向負(fù)極（即A極）移動(dòng)，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。電極B上O2得電子只能生成CO32-，需要與CO2結(jié)合，D選項(xiàng)正確。

【答案】D

【誤區(qū)警示】

1.不熟悉燃料電池的工作原理導(dǎo)致判斷錯(cuò)誤，不會(huì)判斷電子、溶液中的離子移動(dòng)的方向以及兩極發(fā)生的反應(yīng)。

2.忽視電解質(zhì)溶液中的離子（如H+或OH-）對(duì)電極反應(yīng)的影響，導(dǎo)致燃料電池電極反應(yīng)式書寫錯(cuò)誤。

【高分錦囊】1.燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫

第一步：寫出燃料電池反應(yīng)的總反應(yīng)式。

燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。如CH4燃燒的方程式為CH4+2O2=CO2+2H2O①，CO2+2NaOH= Na2CO3+H2O②。

①式+②式得CH4燃料電池（電解質(zhì)為NaOH溶液）的總反應(yīng)式，即CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O。

第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。

堿性溶液中正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-。

第三步：電池反應(yīng)的總反應(yīng)式-電池正極反應(yīng)式=電池負(fù)極反應(yīng)式。

CH4燃料電池負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+10OH-= CO32-+7H2O。

特別提醒：O2不是負(fù)極反應(yīng)物，因此兩個(gè)反應(yīng)式相減時(shí)要徹底消除O2。

2.燃料電池類型歸納

在不同介質(zhì)下，燃料電池電極反應(yīng)式的書寫難處主要集中在以下兩點(diǎn)：一是得失電子數(shù)目的判斷，二是電極產(chǎn)物的判斷。下面以CH3OH燃料電池為例。

（1）酸性介質(zhì)，如H2SO4。

CH3OH在負(fù)極上失電子生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在H+作用下生成H2O。

負(fù)極：CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+

正極：O2+6e-+6H+=3H2O

（2）堿性介質(zhì)，如KOH溶液。

CH3OH在負(fù)極上失電子，在堿性條件下生成CO32-，O2在正極上得到電子生成OH-。

負(fù)極：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+ 6H2O

正極：O2+6e-+3H2O=6OH-

（3）熔融鹽介質(zhì)，如K2CO3。

電池工作時(shí)CO32-移向負(fù)極。CH3OH在負(fù)極上失電子，在CO32-的作用下生成CO2氣體，O2在正極上得到電子，在CO2的作用下生成CO32-。

負(fù)極：CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2↑+2H2O

正極：O2+6e-+3CO2=3CO32-

（4）固體氧化物作電解質(zhì)，在高溫下能傳導(dǎo)正極生成的O2-。

電池工作時(shí)O2-移向負(fù)極。CH3OH在負(fù)極上失電子生成CO2氣體，而O2在正極上得電子生成O2-。

負(fù)極：CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O

正極：O2+6e-=3O2-

例4 氣體的自動(dòng)化檢測(cè)中的傳感器應(yīng)用到原電池原理。圖7為傳感器的工作示意圖，氣體擴(kuò)散進(jìn)入傳感器，在敏感電極上發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)換器就會(huì)接收到電信號(hào)。下表列出了待測(cè)氣體及敏感電極上部分反應(yīng)產(chǎn)物，則下列說法中正確的是（ ）

A.上述氣體檢測(cè)時(shí)，敏感電極均作原電池正極

B.檢測(cè)Cl2氣體時(shí)，敏感電極的電極反應(yīng)為Cl2+2e-=2Cl-

C.檢測(cè)H2S氣體時(shí)，對(duì)電極充入空氣，對(duì)電極上反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-

D.檢測(cè)H2S和CO體積分?jǐn)?shù)相同的兩份空氣樣本時(shí)，傳感器上產(chǎn)生的電流大小相同

【審題指導(dǎo)】廣泛應(yīng)用的高科技電池仍然是按照原電池的工作原理設(shè)計(jì)的。結(jié)合題目所給的信息，判斷電極反應(yīng)是氧化反應(yīng)還是還原反應(yīng)，然后依據(jù)題目設(shè)問進(jìn)行回答。

【解析】NO2→NO，得電子，Cl2→HCl，得電子，正極反應(yīng)；CO→CO2，失電子，負(fù)極反應(yīng)；H2S→H2SO4，失電子，負(fù)極反應(yīng)，A選項(xiàng)錯(cuò)誤。根據(jù)產(chǎn)物可以判斷Cl2得電子，生成Cl-，B選項(xiàng)正確。待測(cè)氣體是H2S氣體時(shí)，敏感電極部分產(chǎn)物是H2SO4，對(duì)電極上電極反應(yīng)式中不會(huì)有OH-，正確的為O2+4e-+4H+=2H2O，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。H2S生成H2SO4失去8e-，而CO生成CO2失去2e-，所以檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)相同的兩氣體時(shí)，傳感器上產(chǎn)生的電流大小不相同，D選項(xiàng)錯(cuò)誤。

【答案】B

【誤區(qū)警示】

1.不熟悉高科技電池的工作原理就是原電池的工作原理的話，會(huì)導(dǎo)致判斷正負(fù)極錯(cuò)誤，不能正確地書寫兩極的電極反應(yīng)式。

2.書寫電極反應(yīng)式時(shí)忽略另一極產(chǎn)物的影響，造成書寫電極反應(yīng)式錯(cuò)誤，如例4中的C選項(xiàng)。

【高分錦囊】1.廣泛應(yīng)用的高科技電池解題四步驟

第一步：審題干，析圖示，判斷原電池。

第二步：算價(jià)態(tài)，找變化，判斷正負(fù)極。

第三步：抓原理，抓守恒，書寫反應(yīng)式。

第四步：據(jù)產(chǎn)物，判移向，計(jì)算各種量。

2.高科技電池放電時(shí)正極、負(fù)極的判斷（如圖8所示）