近三年全國卷原電池考查歸納與典例解析

廣東安徽

電化學是高考的熱點內容，新課標卷每年均會考查，題型以選擇題為主，或者在原理綜合題或工藝流程題中以一小問的形式呈現。隨著全球能源逐漸枯竭，研發、推廣新型能源迫在眉睫，因此，新型化學電池成為科學家研究的重點方向之一，也成為高考的高頻考點之一。高考中的新型化學電源，一般具有高能環保、經久耐用、電壓穩定、比能量(單位質量釋放的能量)高等特點。雖然情景較新，但題目的落腳點往往還是離子的移動方向、電極反應式的書寫判斷等基礎知識。電化學內容理論性、規律性較強，可以讓學生建立原電池的模型，然后遷移到陌生的情景。解題原理仍然還是原電池的基礎知識，只要細心分析，實際上得分比較容易。本文對近三年新課標卷原電池的考查進行歸納總結，希望對2020屆考生的復習備考有所啟發。

一、近三年典型高考真題分析

年份題號、考查角度2019年·全國卷Ⅰ12題,以生物燃料電池為載體,考查電極反應、反應產物、質子移動方向等相關知識2019年·全國卷Ⅲ13題,以強堿性電解質的3D-Zn-NiOOH二次電池為載體,考查信息提取、電極反應、離子移動方向等相關知識2018年·全國卷Ⅱ9題,以“可呼吸”的Na-CO2二次電池作載體,將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液,考查離子移動方向、電極反應等相關知識2018年·全國卷Ⅲ11題,以可充電的鋰—空氣電池作載體,考查正負極的判斷、電子移動方向、離子移動方向、電池總反應等相關知識2017年·全國卷Ⅰ11題,以外加電流的陰極保護法作載體,考查信息提取、原因分析、電流大小、電子移動方向等相關知識2017年·全國卷Ⅲ13題,以全固態鋰硫電池作載體,考查電極反應、電極質量、電極的導電性等相關知識

(1)考點分析：

縱觀2017—2019年，共考查了6個原電池的選擇題，重點考查新型化學電源，試題題材廣、信息新、陌生度大。要求學生建立模型、靈活掌握外電路中電子如何移動，內電路中陰陽離子的移動方向。對于金屬的腐蝕與防護，常以鋼鐵制品在一定環境中的變化為載體進行考查。比如：2017年Ⅰ卷，海港碼頭基礎的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護法進行防腐。

(2)考查角度及電池類型

二、典例解析

1.新型燃料電池

【例1】(2018全國卷Ⅲ·11)一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x(x=0或1)。下列說法正確的是

( )

A.放電時，多孔碳材料電極為負極

B.放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C.充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移

【答案】D

【點評】本題考查新型電池，鋰作燃料在空氣中燃燒，故通氧氣的電極為正極，單質鋰為負極。明確原電池基本原理、陰、陽離子的定向移動方向，結合圖形中的信息有助于解題。放電時電池反應的逆向反應就是充電的電池反應，注意放電時的負極，充電時應該為陰極；放電時的正極，充電時應該為陽極。

【歸納總結】1.有關燃料電池的解題思路：

2.燃料電池電極反應書寫的注意事項：

(1)燃料電池的負極是可燃性氣體，失去電子發生氧化反應；正極多為氧氣或空氣，得到電子發生還原反應，可根據電荷守恒來配平。

(2)燃料電池的電極不參與反應，有很強的催化活性，起導電作用。

(3)燃料電池的電極反應中，酸性溶液中不能生成OH-，堿性溶液中不能生成H+，水溶液中不能生成O2-，而熔融電解質中O2被還原為O2-。

(4)正、負兩極的電極反應在得失電子守恒的前提下，相加后的電池反應必然是燃料燃燒反應和燃燒產物與電解質溶液反應的疊加反應。

3.幾類常見的燃料電池

電池類型電極反應及總反應說明甲烷燃料電池負極:CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O正極:2O2+4H2O+8e-8OH-總反應式為CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O用金屬鉑作電極,用KOH溶液作電解質溶液

續表

2.“起點高、落點低”的新型可逆電池

( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

D.放電過程中OH-通過隔膜從負極區移向正極區

【答案】D

【點評】本題考查化學電源新型電池，體現了“起點高、落點低”的特點。側重考查原電池和電解池原理，明確各個電極上發生的反應及離子移動方向是解答本題關鍵，難點是結合電解質特點書寫電極反應式，注意電子不經過電解質溶液。

( )

B.充電時釋放CO2，放電時吸收CO2

【答案】D

【點評】本題以我國科學家發表在化學頂級刊物上的“一種室溫下“可呼吸”的Na-CO2二次電池”為載體考查了原電池和電解池的工作原理，明確二次電池中充電與放電的關系，正負極、陰陽極電極反應的關系是解題關鍵，側重考查學生分析判斷能力，難點是電極反應式的書寫。本題弘揚了社會主義核心價值觀個人層面的愛國精神，落實了立德樹人的教育根本任務。

【歸納提升】(1)對于一般的電池而言，充電電池具有一定的可逆性，在放電時，它是原電池裝置；在充電時，它是電解池裝置，是一種經濟、環保、電量足、大功率、適合長時間使用的電器。(2)“起點高、落點低”是指有些問題起點很高，試題所提供的材料、情景都是教科書里沒有的，即“材料在外”；但是解決問題的思路、答案都在教材中，在考生的知識范圍之內，即“答案在內”。比如試題是尖端科研課題，某些獲諾貝爾獎的內容，或者是我國科學家的最新科研成果，起點很高，但落點低，落腳點就在考生的知識網絡與教材中。

3.高效環保電池

( )

B.電池工作時，外電路中流過0.02 mol電子，負極材料減重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導電性

D.電池充電時間越長，電池中Li2S2的量越多

【答案】D

【點評】本題考查化學電源新型電池，涉及原電池工作原理，電極判斷、電極反應式的書寫、簡單計算等知識點。突破口是根據離子的流向判斷原電池的正負極，根據元素化合價的變化，判斷放電時正負極發生的反應，再結合電解質書寫電極反應式，側重考查學生分析問題、解決問題的能力和讀取圖表信息的能力。

【知識擴展】環保電池是指近年來已投入使用或正在研制、開發的一類高性能、無污染電池。目前已經大量使用的金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、正在推廣使用的無汞堿性鋅錳原電池以及正在研制、開發的鋰或鋰離子塑料蓄電池和燃料電池等都屬于這一范疇。新型環保蓄電池具有的特點是蓄儲電量大、高效、耐用、耐腐蝕、免維護、不污染環境、運動性能穩定等特點。

4.原電池原理的應用

【例5】(2019·全國卷Ⅰ·12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。下列說法錯誤的是

( )

A.相比現有工業合成氨，該方法條件溫和，同時還可提供電能

C.正極區，固氮酶為催化劑，N2發生還原反應生成NH3

D.電池工作時質子通過交換膜由負極區向正極區移動

【答案】B

【點評】目前合成氨工業消耗的能源占地球總耗能的1%，降低能耗、提高轉化率一直是化學工作者的追求和研究方向。本題以頂級化學期刊上發表的新型合成氨生物燃料電池為載體，將科學研究與應用熱點課題作為情境，考查原電池原理的應用，涉及燃料電池正負極的判斷及離子的移動方向判斷，能準確利用反應原理判斷正負極和離子流動的方向，明確酶的作用是解題的關鍵。難點是B項對陰極區的理解。物理學規定：電勢高(電流流出、電子流入)的電極叫正極，電勢低(電流流入、電子流出)的電極叫負極。魯科版選修四13頁，按照電化學的規定：發生氧化反應的電極叫陽極，發生還原反應的電極叫陰極。所以原電池的負極，同時也是陽極，其電極區域叫負極區、陽極區；原電池的正極，同時也是陰極，其電極區域叫正極區、陰極區。所以，本題中陰極區，實際上指的是右邊固氮酶一側。

5.電化學保護法

【例6】(2017·全國卷Ⅰ·11)支撐海港碼頭基礎的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護法進行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽極。下列有關表述不正確的是

( )

A.通入保護電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零

B.通電后外電路電子被強制從高硅鑄鐵流向鋼管樁

C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽極材料和傳遞電流

D.通入的保護電流應該根據環境條件變化進行調整

【答案】C

【解析】A.外加電流的陰極保護法，被保護的鋼管樁應作為陰極，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零，保護鋼管樁不被腐蝕，正確；B.通電后，惰性高硅鑄鐵作陽極，海水中的氯離子在陽極失電子發生氧化反應，電子由高硅鑄鐵流出經導線流向電源正極，再從電源負極流出經導線流向鋼管樁，正確；C.高硅鑄鐵為惰性輔助陽極，所以高硅鑄鐵不損耗，錯誤；D.在保護過程中要使被保護金屬結構電位低于周圍環境，則通入的保護電流應該根據環境條件變化進行調整，正確。

【點評】該題明確電化學原理以及金屬的防腐蝕原理是解答的關鍵，鋼管樁表面腐蝕電流的理解是難點，考查學生分析問題的能力以及提取題干信息的能力，即高硅鑄鐵為惰性輔助陽極，性質不活潑，不會被損耗。

【歸納總結】(1)金屬腐蝕的類型

腐蝕類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性強負極反應Fe-2e-Fe2+正極反應O2+4e-+2H2O4OH-2H++2e-H2↑腐蝕作用主要腐蝕類型,有廣泛性局部區域

(2)金屬防護的幾種重要方法

①改變金屬的內部組織結構合金鋼中含有合金元素，使組織結構發生變化，耐腐蝕。如：不銹鋼。

②在金屬表面覆蓋保護層。常見方式有：涂油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等；使表面生成致密氧化膜；在表面鍍一層有自我保護作用的另一種金屬。

③電化學保護法：

a.外加電源的陰極保護法：接上外加直流電源構成電解池，被保護的金屬作陰極。

b.犧牲陽極的陰極保護法：外加負極材料，構成原電池，被保護的金屬作正極。

總之，通過分析近年高考化學試題我們發現，原電池主要考查新型電池、燃料電池以及二次電池的工作原理，涉及了電極反應式的書寫及相關計算。往往借助新的情景，如近年頂級化學期刊上發表的新型電池為載體，考查電化學基礎知識和基本技能。只要我們緊扣教材，明確電化學的大致命題方向，有意識地對于典型試題進行適當地歸類整理和總結，學生對電化學知識的復習就能做到有條不紊，取得滿意的結果。