新型_化学电源_知识点展望与高考考点分析
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化学
学以致用
新型“化学电源”知识点展望与
高考考点分析
□汤
伟
刘
亮
我们常常将化学电源称之为电池，即能够实际应用的原电池，它是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均有极为广泛的应用。
化学电源使用面广，品种繁多，即使是较为新型的化学电源，其工作原理也较为基础，均为中学化学所学过的原电池知识。近年来，各地高考，特别是新课标下的高考试题，较注重以新颖的化学电源为背景材料考查考生的自学能力和思维的灵活变通能力，为使大家更好的了解该知识点，下面我们重点列举近年来的一些科研新成果———新型化学电源，供
大家学习参考
。
一、新型化学电源简介
1. 新型燃料电池
燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置。在该装置中，不是把还原剂（氢气、煤气、天然气、甲醇等）、氧化剂（氧气、空气等）物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入氧化剂该电和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。池能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机效率仅在30％～40％之间。
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知识拓展
了解常见的能量转化形式，光
衡常数知识点放到了一起。对于吸热反应，升高温度，平衡正向移动，常数变大；降低温度，平衡逆向移对于放热反应，升高温度，平衡逆向移动，常数变小。动，常数变小；降低温度，常数变大
。
合作用是将太阳能转化为化学能，燃烧是将化学能转化为热能，电池是将化学能转化为电能，电解是将电能转化为化学能
。
例11
图3曲线表示反应2SO 2(g)+O2
例12
500℃、30MPa 下，将0.5mol N 2和
催化剂
(g)葑2SO 3(g)；ΔH
。
1.5mol H 2置于密闭的容器中充分反应，生成NH 3(g)，放其热化学方程式为：N 2(g)+3H2(g)葑热19.3kJ ，500℃，30M Pa 2NH 3(g)；ΔH =-38.6kJ ·mol -1
。
答案
错误
由于反应是可逆反应，投入
易错辨析
图
3
0.5mol 的氮气，放热19.3kJ ，最终参加反应的氮气一定小于0.5mol 。根据热化学方程式的含义，方程式对应的热量是1mol 氮气完全反应时的热量，根据分析，1mol N 2放出的热量应大于38.6kJ 。所以该反应的反应热应大于38.6kJ ·mol -1
。
答案
正确
本题是平衡题，由于反应是放
易错辨析
热反应，所以温度升高，反应逆向移动，K 正变小，正逆反应的平衡常数互为倒数关系，所以K 逆变大，正确
。
知识拓展对于可逆反应要用实际参与
反应的反应物的物质的量计算反应热，用焓变表示
知识拓展本题将反应热、平衡移动、平
反应热时要注意符号的含义，吸热为正，放热为负。
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燃料电池具有节约燃料、能量利用率高、污染小、可持续使用等特点，氢氧燃料电池目前已应用于航天、军事通讯、电视中继站等领域，随着成本的下降和技术的提高，有望得到进一步的商业化使用。
2. 微生物电池
微生物电池是可以将有机物中的化学能直接转化为电能的反应装置。近年来，
日、美等科学家以此为基础，进一步研究出一种新型微生物电池———粪电池。粪电池的研制缘于人类太空垃圾的处理，在以人类垃圾为原料的燃料电池中，一种特殊细菌———泥菌被安放到电池阳极棒表面处，泥菌会大肆吞食它们，从那些有机灰浆中攫取电子并转移到电极阳极棒上。就象所有的燃料电池那样，当电子向带有正电荷的阴极移动时，电流就产生了。这种微生物燃料电池的优势在于用有机混合物充当燃料，而不是使用氢气。人类排泄的垃圾物成了直接发电的物质来源。
随着研究的深入，微生物燃料电池已可以利用各种污水中所富含的有机物质进行电能的生产。其研发不仅可以缓解日益紧张的能源危机以及传统能源所带来的温室效应，同时也可以处理生产和生活中的各种污水。因此微生物燃料电池是一种无污染、清洁的新型能源技术，其研究和开发必将受到越来越多的国家关注。
3. 生物热电池
生物热电池是一块植有数千个微型热电发生器的芯片。它利用“热电偶效应”发电，即两种不同的材料连接起来构成一个闭合回路时，如果两个连接点的温度不一样，掺入了杂质，得一个富余的电子，另一端则因为缺少电子而带正电，这样的制造方法使热电偶的发电能力比同等规模的金属装置更高。由于“生物热电池”能够持续工作30年，在医疗上具有广泛的用途，如心脏起搏器的电源，这样它可以减少因为更换电池而进行手术的次数，降低病人的压力和健康风险。
4. 摇椅式电池
摇椅式电池就是我们常说的锂离子电池，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动
回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。···························42
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我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。
所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字———
摇椅式电池。5. 海洋电池
海洋电池为我国首创，它是以铝-空气-海水为主要原材料设计而成的一种新型电池，因主要应用于航海领域，所以人们习惯称之为海洋电池。
海洋电池以铝合金为电池负极，金属（Pt 、Fe ）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，
为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：
负极（Al ）：4Al －12e -=4Al 3＋
正极（Pt 或Fe 等）：3O 2＋6H 2O+12e-=12OH －总反应式：4Al ＋3O 2+6H2O ＝4Al(OH)3↓海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。
用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高20～50倍。
电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块铝板，铝板的大小，可根据实际需要而定。
海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常工作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不存在污染，目前是海洋用电设施的能源新秀。
6. 太阳能电池
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前, 许多国家正在制订中长期太阳能开发计划, 准备在21世纪大规模开发太阳能，如美国能源部推出的国家光伏计划, 日本推出的阳光计划。我国对太阳能电池的研究开发工作也高度重视, 早在七五期间, 非晶硅半导体的研究工作已经列入国家重大课题; 八五和九五期间, 我国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资
100亿元用于推进太阳能发电技术的应用。
从长远来看，随着太阳能电池制造技术的进一步改进，太阳能电池的应用可从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等方面，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。
7. 菠菜电池
科学家参照太阳能电池原理，利用生物技术手段发明了新型菠菜电池。科学家们首先从菠菜的叶绿体中分离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形成保护层，为其创造分子铺在一层金质薄膜上，而后在其最上方再加一层有机导电材料，做成一个类似三明治”的装置，当光照射到这个“三明治”上时，装置内会发生光合作用，最终产生电流。
高考复习时，围绕该菠菜电池为知识背景的测试，我们重点要注意关于蛋白质、氨基酸的结构与性质，依据光合作用的化学反应方程式改写为原电池的两极反应，如菠菜电池的正极反应为：6CO 2+24H ++24e-=C 6H 12O 6+6H2O 等等。
8. 高能电池
具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池。所谓
“比能量”和“比功率”是指控电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率
。
答案
B
二、新型化学电源考点剖析
1. 判断化学电源的正、负极
从氧化还原反应的本质上分析：负极为失电子物质，发生氧化反应，电极材料通常为较活泼的金属；而正极为得到电子的物质，发生还原反应，电极材料一般为不活泼的金属。
2. 推断化学电源中微粒的移动方向
在外电路中，电子从负极出发，沿外电路流向正极，它与电流方向相反；电解质产生的离子，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动（注意：电解池中，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动）。
3. 书写电极反应式或化学反应方程式书写电极反应式是近年高考的热点和难点，它重点考查了考生能否熟练运用氧化还原反应的本质，即：能否将完整的氧化还原反应改变为单一的氧化反应或还原反应。书写时，若是负极反应，关键是找出化合价升高的物质，即失去电子的物质；正极反应则反之。注意：近年来，在能力考查上，较注重燃料
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电池、熔融盐电池等信息内容的考查，我们在学习原电池知识时，一定要会举一反三。
4. 判断两极产生的现象或结果
借助两极反应（分析出是氧化反应还是还原反应），根据化学反应方程式的结论，可以推理出应该产生的现象或结果。如：
正极反应如果不断消耗H +，则酸性减弱，pH 变大，如果正极反应不断产生H +，则酸性增强，pH 变小。
5. 与其它知识点相结合考查
在学科内综合考查时，常常可以以化学电源为背景材料而设计，如近年来高考试题中多与化学计算相联系，在设计化学计算试题时，常常考查电子转移等问题，一般利用电子守恒分析，当然，也有利用电极反应方程式，建立物质之间对应的关系式，从而求解相关问题
。
三、
经典例题解析
例1（2010安徽卷·11）某固体酸燃
料电池以CsHSO 4固体为电解质传递H ＋，其基本结构见下图，电池总反应可表示为：2H 2＋O 2＝2H 2O ，下列有关说法正确的是
（
）
A. 电子通过外电路从b 极流向a 极
B. b 极上的电极反应式为：O 2＋2H 2O ＋4e －＝4OH －C. 每转移0.1mol 电子，消耗1.12L 的H 2D. H ＋由a 极通过固体酸电解质传递到b
极
解析因为a 极为氢气参与反应，失去电
子，所以为负极，这样电子应该是通过外电路由a 极流向b ，A 选项错；在固体酸燃料电池中，B 选项反应应该为O 2+4e-+4H+=2H 2O ；C 选项缺少“标准状况”，计算结果错误
。
答案
D
例2（2009江苏卷·12）以葡萄糖为燃料
的微生物燃料电池结构示意图如下图所示。关于该电池的叙述正确的是
（
）
A ．该电池能够在高温下工作
B ．电池的负极反应为：C 6H 12O 6+6H2O-24e -=6CO 2↑+24H+
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“
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C ．放电过程中，H +从正极区向负极区迁移D ．在电池反应中，每消耗1mol 氧气，理论上能生成标准状况下CO 2气体22.46
L
解析由于是微生物燃料电池，则不可能
在高温下工作，所以A 错误；B 项，负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳，所以B 对；放电过程中，H +从负极区向正极区迁移，结合O 2－形成H 2O ，所以C 错误；消耗1mol 氧气则转移4mol e －，由C 6H 12O 6＋6H 2O －24e －=6CO 2＋24H ＋计算出：转移4mol e －则生成1mol CO 2，
即22.4L ，所以D 错误
。答案
B
例3（2009浙江卷·12）市场上经常见到
的标记为Li-ion 的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li +的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为：
Li+2Li放电
0.35NiO 2葑充电2Li 0.35NiO 2
下列说法不正确的是（
）
A ．放电时，·负极的电极反应式：··
Li-e -=Li +
B ．充电时，Li 0.85NiO 2既发生氧化反应又发生还原
反应
C ．该电池不能用水溶液作为电解质D ．放电过程中Li +
向负极移动
答案
D
例4（2009上海理综卷·11）茫茫黑夜
中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt-Fe 合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中：①铝合金是阳极②铝合金是负极③海水是电解液④铝合金电极发生还原反应
（
）
A ．②③B ．②④C ．①②
D ．
①④
答案
A
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例5（2010浙江卷·9）Li-Al/FeS电池是
一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为：2Li ++FeS+2e-＝Li 2S+Fe。有关该电池的下列说法中，正确的是（
）
A. Li-Al 在电池中作为负极材料，该材料中Li 的
化合价为+1价
B. 该电池的电池反应式为：2Li+FeS＝Li 2S+FeC. 负极的电极反应式为Al-3e -＝Al 3+
D. 充电时，阴极发生的电极反应式为：Li 2S+Fe-2e -＝2Li +
+FeS
答案
B
例6
世博会中国馆、主题馆等建筑使用
光伏并网发电，总功率达4兆瓦，是历届世博会之最。通过并网，上海市使用半导体照明（LED ）。已知发出白光的LED 是由GaN 芯片和钇铝石榴石（YAG ，化学式：Y 3Al 5O 12）芯片封装在一起做成的。下列有关叙述正确的是
（
）
A ．光伏电池是将太阳能直接转变为电能B ．图中N 型半导体为正极，P 型半导体为负极C ．电流从a 流向b
D ．LED 中的Ga 和YAG 中Y 都显＋3
价
解析根据该示意图可知，通过太阳光子
作用，电子由N 型半导体沿外电路从a 流向b ，电流则从b 流向a ，所以B 、C 两选项错误，另外，借助化合价特点，GaN 中Ga 与Y 3Al 5O 12中Y 均为+3价，所以答案为AD
。
答案A D