李春燕

為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，今后電動(dòng)力將會(huì)是國(guó)家的一個(gè)重要課題，而要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)力取代燃油動(dòng)力或者燃煤動(dòng)力，對(duì)電池的性能要求會(huì)越來(lái)越高，科學(xué)家會(huì)不斷探索完善電池性能，如電池的壽命、電池充電效率、電池的安全性等。所以以我國(guó)電化學(xué)領(lǐng)域最近取得的重大創(chuàng)新科研成果為背景考查考生的必備知識(shí)和關(guān)鍵能力是未來(lái)高考的趨勢(shì)，即新型的化學(xué)電源將會(huì)是歷年高考的熱點(diǎn)。解題時(shí)，應(yīng)熟悉原電池和電解池的工作原理，同時(shí)應(yīng)構(gòu)建合理的解題模式。

一、原電池和電解池工作原理

二、解題基本步驟

1. 判斷電化學(xué)裝置類(lèi)型。

原電池裝置主要特征：可自發(fā)發(fā)生氧化還原反應(yīng)、電極為活潑型不同的兩個(gè)導(dǎo)體、無(wú)外接電源。

電解池裝置主要特征：有外接直流電源、電極材料可相同。

2. 判斷電極

（1）原電池中正極、負(fù)極判斷的5種方法

（2）電解池中陰、陽(yáng)極判斷的五種方法

3.書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

通過(guò)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式判斷電池工作時(shí)溶液中離子濃度的變化以及解決電化學(xué)中的一些計(jì)算題。電極反應(yīng)式遵循質(zhì)量守恒、得失電子守恒及電荷守恒，遵循離子方程式的書(shū)寫(xiě)規(guī)則，兩電極反應(yīng)式相加得電池總化學(xué)（或離子）方程式。

（1）原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)

（2）電解池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)步驟。

①首先注意陽(yáng)極是活性材料還是惰性材料。

②分析確定溶液中所有陰陽(yáng)離子并清楚放電順序。

③根據(jù)放電順序分析放電產(chǎn)物。

④根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性確定電極反應(yīng)式中是否有H+、OH-或H2O參與;最后配平電極反應(yīng)式。

三、典例剖析

【例1】（2022年全國(guó)甲卷第10題）一種水性電解液Zn-MnO2離子選澤雙隔膜電池如圖所示（KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在）。電池放電時(shí)，下列敘述錯(cuò)誤的是

A. Ⅱ區(qū)的K+通過(guò)隔膜向Ⅲ區(qū)遷移

B. Ⅰ區(qū)的SO24-通過(guò)隔膜向Ⅱ區(qū)遷移

C.? MnO2電極反應(yīng)：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O

D. 電池總反應(yīng)：Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O

【解題步驟】

步驟一：判斷裝置類(lèi)型

根據(jù)根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)和題目所給信息可知，該裝置為原電池裝置。

步驟二：判斷電極

金屬Zn為較活潑金屬，同時(shí)題中給出了關(guān)鍵信息“KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）24-存在”，故判斷電池工作時(shí)，金屬Zn失去電子生成Zn（OH）24-，所以Ⅲ區(qū)Zn電極為作原電池的負(fù)極，Ⅰ區(qū)MnO2電極為電池的正極。

步驟三：書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式

負(fù)極：Zn-2e-+4OH-=Zn（OH）24-;正極：MnO2+2e-+4H+=Mn2++2H2O。

【解析】電池在工作過(guò)程中，由于兩個(gè)離子選擇隔膜沒(méi)有指明的陽(yáng)離子隔膜還是陰離子隔膜，故兩個(gè)離子隔膜均可以通過(guò)陰、陽(yáng)離子，由正極的電極反應(yīng)式可知Ⅰ區(qū)消耗4H+，生成1Mn2+，正電荷減少2個(gè)單位，所以Ⅱ區(qū)的K+向Ⅰ區(qū)移動(dòng)或Ⅰ區(qū)的SO24-向Ⅱ區(qū)移動(dòng)以中和電荷，同理由負(fù)極電極反應(yīng)式可知Ⅲ區(qū)消耗4OH-，生成1Zn（OH）24-，負(fù)電荷減少2個(gè)單位，所以Ⅱ區(qū)的SO24-向Ⅲ區(qū)移動(dòng)或Ⅲ區(qū)的K+向Ⅱ區(qū)移動(dòng)，將正極和負(fù)極電極反應(yīng)式相加可得電池總反應(yīng)為：電池的總反應(yīng)為Zn+4OH-+MnO2+4H+=Zn（OH）24-+Mn2++2H2O。答案選A。

【答案】A

【例2】（2022年廣東高考第16題）. 科學(xué)家基于Cl2易溶于CCl4的性質(zhì)，發(fā)展了一種無(wú)需離子交換膜的新型氯流電池，可作儲(chǔ)能設(shè)備（如圖）。充電時(shí)電極a的反應(yīng)為：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3。下列說(shuō)法正確的是

A. 充電時(shí)電極b是陰極

B. 放電時(shí)NaCl溶液的pH減小

C. 放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大

D. 每生成1mol Cl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g

【解題步驟】

步驟一：判斷裝置類(lèi)型

根據(jù)題中信息可知，該裝置為可充電電池。

步驟二：判斷電極

由充電時(shí)電極a的電極反應(yīng)式：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3可知，電極a發(fā)生還原反應(yīng)，所以充電時(shí)電極a是陰極，則電極b是陽(yáng)極;放電時(shí)a發(fā)生氧化反應(yīng)，為原電池負(fù)極，b電極發(fā)生還原反應(yīng)，為原電池正極。

步驟三：書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式

陰極：NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3

陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑

負(fù)極：Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+

正極：Cl2+2e-=2Cl--

【解析】A. 由充電時(shí)電極a的反應(yīng)可知，充電時(shí)電極a發(fā)生還原反應(yīng)，所以電極a是陰極，則電極b是陽(yáng)極，故A錯(cuò)誤;B. 放電時(shí)電極反應(yīng)和充電時(shí)相反，則由放電時(shí)電極a的反應(yīng)為Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+可知，NaCl溶液的pH不變，故B錯(cuò)誤;C. 放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Na3Ti2（PO4）3-2e-=NaTi2（PO4）3+2Na+，正極反應(yīng)為Cl2+2e-=2Cl-，反應(yīng)后Na+和Cl-濃度都增大，則放電時(shí)NaCl溶液的濃度增大，故C正確;D. 充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)為2Cl--2e-=Cl2↑，陰極反應(yīng)為NaTi2（PO4）3+2Na++2e-=Na3Ti2（PO4）3，由得失電子守恒可知，每生成1molCl2，電極a質(zhì)量理論上增加23g/mol×2mol=46g，故D錯(cuò)誤;答案選C。

【答案】C

四、2022年高考真題賞析

1.（2022年湖南高考第8題）海水電池在海洋能源領(lǐng)域備受關(guān)注，一種鋰-海水電池構(gòu)造示意圖如下。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

A. 海水起電解質(zhì)溶液作用

B. N極僅發(fā)生的電極反應(yīng)：2H2O+2e-+2OH-+H2↑

C. 玻璃陶瓷具有傳導(dǎo)離子和防水的功能

D. 該鋰-海水電池屬于一次電池

【分析】該裝置為原電池裝置，鋰海水電池的總反應(yīng)為2Li+2H2O═2LiOH+H2↑， M極上Li失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則M電極為負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i-e-=Li+，N極為正極，電極反應(yīng)為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，同時(shí)氧氣也可以在N極得電子，電極反應(yīng)為O2+4e-+2H2O=4OH-。

【解析】A. 海水中含有豐富的電解質(zhì)，如氯化鈉、氯化鎂等，可作為電解質(zhì)溶液，故A正確;B. 由上述分析可知，N為正極，電極反應(yīng)為2H2O+2e-=2OH-+H2↑，和反應(yīng)O2+4e-+2H2O=4OH-，故B錯(cuò)誤;C. Li為活潑金屬，易與水反應(yīng)，玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應(yīng)，并能傳導(dǎo)離子，故C正確;D. 該電池不可充電，屬于一次電池，故D正確;答案選B。

【答案】B

2.（2022年全國(guó)乙卷第12題）Li-O2電池比能量高，在汽車(chē)、航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)科學(xué)家研究了一種光照充電Li-O2電池（如圖所示）。光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子（e-）和空穴（h+），驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)（Li++e-=Li）和陽(yáng)極反應(yīng)（Li2O2+2h+=2Li++O2）對(duì)電池進(jìn)行充電。下列敘述錯(cuò)誤的是

A. 充電時(shí)，電池的總反應(yīng)Li2O2=2Li+O2

B. 充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)

C. 放電時(shí)，Li+從正極穿過(guò)離子交換膜向負(fù)極遷移

D. 放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)O2+2Li++2e-=Li2O2

【分析】根據(jù)信息可知該裝置為可充電電池，充電時(shí)光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)（Li++e-=Li）和陽(yáng)極反應(yīng)（Li2O2—2e-=2Li++O2），則充電時(shí)總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2=2Li+O2，結(jié)合圖示，充電時(shí)金屬Li電極為陰極，光催化電極為陽(yáng)極;則放電時(shí)金屬Li電極為負(fù)極，電極反應(yīng)：Li—e-=Li+。光催化電極為正極，電極反應(yīng)：2Li++O2+2e-= Li2O2。

【解析】A. 光照時(shí)，光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，驅(qū)動(dòng)陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行充電，結(jié)合陰極反應(yīng)和陽(yáng)極反應(yīng)，充電時(shí)電池的總反應(yīng)為L(zhǎng)i2O2=2Li+O2，A正確;

B. 充電時(shí)，光照光催化電極產(chǎn)生電子和空穴，陰極反應(yīng)與電子有關(guān)，陽(yáng)極反應(yīng)與空穴有關(guān)，故充電效率與光照產(chǎn)生的電子和空穴量有關(guān)，B正確;C. 放電時(shí)，金屬Li電極為負(fù)極，光催化電極為正極，Li+從負(fù)極穿過(guò)離子交換膜向正極遷移，C錯(cuò)誤;D. 放電時(shí)總反應(yīng)為2Li+O2=Li2O2，正極反應(yīng)為O2+2Li++2e-=Li2O2，D正確;答案選C。

【答案】C

3.（2022年浙江高考第21題）通過(guò)電解廢舊鋰電池中LiMn2O4的可獲得難溶性的Li2CO3和MnO2，電解示意圖如下（其中濾布的作用是阻擋固體顆粒，但離子可自由通過(guò)。電解過(guò)程中溶液的體積變化忽略不計(jì)）。下列說(shuō)法不正確的是

A. 電極A為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)

B. 電極B的電極發(fā)應(yīng)：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+

C. 電解一段時(shí)間后溶液中Mn2+濃度保持不變

D. 電解結(jié)束，可通過(guò)調(diào)節(jié)pH除去Mn2+，再加入Na2CO3溶液以獲得Li2CO3

【分析】根據(jù)圖示可以判斷出該裝置為電解池裝置，電極B上Mn2+轉(zhuǎn)化為了MnO2，錳元素化合價(jià)升高，失電子，則電極B為陽(yáng)極，電極反應(yīng)為：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+;電極A為陰極，電極反應(yīng)式為：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O。

【解析】A.由電解示意圖可知，電極B上Mn2+轉(zhuǎn)化為了MnO2，錳元素化合價(jià)升高，失電子，則電極B為陽(yáng)極，電極A為陰極，得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，A正確;B.由電解示意圖可知，電極B上Mn2+失電子轉(zhuǎn)化為了MnO2，電極反應(yīng)式為：2H2O+Mn2+-2e-=MnO2+4H+，B正確;C.電極A為陰極，LiMn2O4得電子，電極反應(yīng)式為：2LiMn2O4+6e-+16H+=2Li++4Mn2++8H2O，依據(jù)得失電子守恒，電解池總反應(yīng)為：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，反應(yīng)生成了Mn2+，Mn2+濃度增大，C錯(cuò)誤;D.電解池總反應(yīng)為：2LiMn2O4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O，電解結(jié)束后，可通過(guò)調(diào)節(jié)溶液pH將錳離子轉(zhuǎn)化為沉淀除去，然后再加入碳酸鈉溶液，從而獲得碳酸鋰，D正確;答案選C。

【答案】C

責(zé)任編輯 李平安