如何解答可充电电池和燃料电池有关问题

可充电电池和燃料电池通过近几年全国各地的高考试题研究，有关可充电电池试题是2012年高考一大亮点，这充分说明可充电电池在今后教学中的重要性。但这类试题往往又是学生学习的难点，错误率较高。如何解答此类问题，现归纳如下：一、可充电电池1．可充电电池电极极性和材料判断例1、镍镉（Ni－Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用，它的充放电反应按下式进行：Cd(OH)2＋2Ni(OH)2充电放电Cd＋2NiO(OH)＋2H2O。由此可知，该电池放电时的负极材料是（）A．Cd(OH)2B．Ni(OH)2C．CdD．NiO(OH)解析：要理解镍镉电池放电和充电的过程。放电是原电池反应，根据题给条件知放电（原电池）时的总反应式为：Cd＋2NiO(OH)＋2H2O充电放电Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。标出原电池总反应式电子转移的方向和数目指出，即可知道参与负极反应的物质：Cd＋2NiO(OH)＋2H2O=Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。从上式可知，Cd可作负极材料，参与负极反应。故应选C。点评：此类试题考查可充电电池电极极性和材料判断，首先要准确判断充电、放电分别表示什么反应（原电池反应还是电解池反应），并写出充电、放电的总反应式，然后在总反应式上标出电子转移的方向和数目，即可正确判断可充电电池电极极性和材料。2．可充电电池电极反应式的书写和判断例2、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O充电放电3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列叙述不正确的是（）A．放电时负极反应为：Zn－2e－＋2OH－＝Zn(OH)2B．充电时阳极反应为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－＝FeO42－＋4H2OC．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化D．放电时正极附近溶液的碱性增强解析：高铁电池放电作用是原电池的功能，其总反应式为：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，根据上述书写电极反应式的方法可知，负极反应为：Zn－2e-＋2OH-＝Zn(OH)2，正极反应为：FeO42-＋4H2O+3e-=Fe(OH)3＋5OH-，A正确；充电就是发生电解池反应，其总反应式为：3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH=3Zn＋2K2FeO4＋8H2O，根据上述书写电极反应式的方法可知，阳极反应为：Fe(OH)3＋5OH－－3e－＝FeO42－＋4H2O，B正确。放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被还原为Fe(OH)3，而不是被氧化，C错误。根据正极反应式FeO42－＋4H2O+3e－=Fe(OH)3＋5OH－知，放电时生成OH－，故正极附近溶液的碱性增强。故本题应选C。点评：本题主要考查电极反应式的书写、电解质溶液的酸碱性变化、及氧化还原反应等知识，侧重考查考生对原电池和电解池原理的理解及分析问题的能力。3．可充电电池电极发生氧化、还原反应及元素被氧化、被还原判断例3、某可充电的锂离子电池以LiMn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li+导电固体为电解质。放电时的电池反应为：Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。下列说法正确的是（）A．放电时，LiMn2O4发生氧化反应B．放电时，正极反应为：Li++LiMn2O4+e-=Li2Mn2O4C．充电时，LiMn2O4发生氧化反应D．充电时，阳极反应为：Li++e-=Li解析：放电时作为电源来用，根据放电时的电池反应知，负极反应式为：Li－e-=Li+，正极反应式为：Li++LiMn2O4+e-=Li2Mn2O4，B正确，但LiMn2O4发生还原反应，A错误。充电时，阴极反应式为：Li++e-=Li，D错误，阳极反应式为：Li2Mn2O4－e-=Li++LiMn2O4，故应是Li2Mn2O4发生氧化反应，而不是LiMn2O4，C错误。本题应选B。点评：本题主要考查电化学知识和氧化还原反应的有关知识，虽然新型电池增加了试题的陌生度，但考查原电池及电解池的原理不变，这是解答本类试题的关键。4．可充电电池离子的移动方向判断及总反应式的书写例4、锂离子电池已成为新一代实用化的蓄电池，该电池具有能量密度大、电压高的特性。锂离子电池放电时的电极反应式为：负极反应：C6Li－xe-＝C6Li1－x＋xLi+（C6Li表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料）正极反应：Li1－xMO2＋xLi+＋xe-＝LiMO2（LiMO2表示含锂的过渡金属氧化物）下列有关说法正确的是（）A.锂离子电池充电时电池反应为C6Li＋Li1－xMO2＝LiMO2＋C6Li1－xB.电池反应中锂、锌、银、铅各失1mol电子，金属锂所消耗的质量最小C.锂离子电池放电时电池内部Li＋向负极移动D.锂离子电池充电时阴极反应为C6Li1－x＋xLi＋＋xe—＝C6Li解析：将放电的两电极反应式在电子守恒的基础上相加即得放电时的总反应式：C6Li＋Li1－xMO2＝LiMO2＋C6Li1－x，充电时的总反应式应为放电总反应式的逆反应，故A错误；在锂、锌、银、铅金属中，锂的摩尔质量最小，所以各失去1mol电子，消耗金属锂的质量最小，B正确。电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，C错误。充电时的阴极反应与放电时的负极反应互为逆反应，故D正确。本题应选BD。点评：本题以锂离子电池为背景材料，全面考查了蓄电池的反应原理、电极反应、离子流向等知识，要求考生能将所学知识灵活迁移运用。5．可充电电池考点的综合应用例5、铅蓄电池是典型的可充型电池，它的正负极格板是惰性材料，电池总反应式为：Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO42－充电放电2PbSO4＋2H2O请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：⑴放电时：正极的电极反应式是；电解液中H2SO4的浓度将变；当外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加g。⑵在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按右图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成、B电极上生成，此时铅蓄电池的正负极的极性将。解析：⑴根据总反应式中化合价的升降，可判断出两极，从而写出它的两电极反应：负极：Pb＋SO42－－2e-=PbSO4，正极：PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－＝PbSO4＋2H2O。根据总反应式H2SO4的浓度会不断减小，所以应定期补充H2SO4。根据负极反应：Pb＋SO42－－2e-=PbSO4，可知，每转移2mol电子，负极板增加1mol的质量，因为负极板由Pb变为PbSO4，故外电路通过1mol电子时，理论上负极板的质量增加48g。⑵当外加电源后，铅蓄电池变成了电解池，A极为阴极，电极反应式为：PbSO4+2e-=Pb＋SO42－，B极为阳极，电极反应式为：PbSO4＋2H2O－2e－＝PbO2＋4H＋＋SO42－。这样，A电极上生成Pb，B电极上生成PbO2，此时铅蓄电池的正负极的极性将对换。答案：⑴PbO2＋2e－＋4H＋＋SO42－＝PbSO4＋2H2O小48⑵PbPbO2对换点评：本题关于电化学，正确书写电极反应式是解决本类问题的关键。在书写过程中要注意，电极产物是否与电解质溶液共存，不共存要参与电极反应，如本题中的与Pb2+与SO42－不共存，要发生反应生成PbSO4。二、燃料电池1、电解质为酸性电解质溶液例1、科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：⑴这种电池放电时发生的化学反应方程式是。⑵此电池的正极发生的电极反应是；负极发生的电极反应是。⑶电解液中的H+离子向极移动；向外电路释放电子的电极是。⑷比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是。解析：因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，又且其电解质溶液为稀硫酸，所以该电池反应方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。按上述燃料电池正极反应式的书写方法1知，在稀硫酸中，其正极反应式为：3O2＋12H++12e-=6H2O，然后在电子守恒的基础上利用总反应式减去正极反应式即得负极反应式为：2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+。由原电池原理知负极失电子后经导线转移到正极，所以正极上富集电子，根据电性关系知阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。故H+离子向正极移动，向外电路释放电子的电极是负极。答案：⑴2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O⑵正极3O2＋12H++12e-=6H2O；负极2CH3OH+2H2O－12e-=2CO2↑+12H+⑶正；负⑷对空气的污染较小2、电解质为碱性电解质溶液例2、甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（）A、负极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2OB、正极反应式为O2＋2H2O+4e-=4OH-C、随着不断放电，电解质溶液碱性不变D、甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大解析：因甲烷燃料电池的电解质为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池发生的反应方程式是CH4+2OH-+2O2=CO32-+3H2O。从总反应式可以看出，要消耗OH-，故电解质溶液的碱性减小，C错。按上述燃料电池正极反应式的书写方法2知，在KOH溶液中，其正极反应式为：O2＋2H2O+4e-=4OH-。通入甲烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式为CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O。选项A、B均正确。根据能量转化规律，燃烧时产生的热能是不可能全部转化为功的，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大的多，D项正确。答案：C。3、电解质为熔融碳酸盐例3、某燃料电池以熔融的K2CO3（其中不含O2-和HCO3-）为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：⑴写出该燃料电池的化学反应方程式。⑵写出该燃料电池的电极反应式。⑶为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？解析：由于电解质为熔融的K2CO3，且不含O2-和HCO3-，生成的CO2不会与CO32-反应生成HCO3-的，故该燃料电池的总反应式为：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。按上述燃料电池正极反应式的书写方法3知，在熔融碳酸盐环境中，其正极反应式为O2＋2CO2+4e-=2CO32-。通入丁烷的一极为负极，其电极反应式可利用总反应式减去正极反应式求得，应为2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO2，它从负极反应产物中来。答案：⑴2C4H10+13O2=8CO2+10H2O⑵正极：O2＋2CO2+4e-=2CO32-，负极：2C4H10+26CO32-－52e-=34CO2+10H2O⑶CO2从负极反应产物中来4、电解质为固体氧化物例4、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是()