课时 2 化学电源

锌锰干电池属于一次电池，含有重金属离子，用完不可随意丢弃， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池都是锌作负极，放电过程中锌均发生氧化反应， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；放电时，酸性锌锰干电池的石墨电极上反应为 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{H}}^{+}{}_{4}+{\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}+{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{N}\mathrm{H}}_{3}+\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H})} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；放电时，碱性锌锰干电池正极反应式为 $ {\rm {\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{O}\mathrm{H})+{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

放电时 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{b}} $ 电极上发生的反应为 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{b}-2{\mathrm{e}}^{-}+{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}\xlongequal{}{\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ ， $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{b}} $ 电极上有电子流出， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；放电时， $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}} $ 电极作正极，电极上发生的反应为 $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{e}}^{-}+4{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}\xlongequal{}{\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}} $ 电极得到电子， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；铅酸蓄电池的电解液为稀硫酸， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；充电时，该电池外接直流电源，电能转化为化学能， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

放电时，电极 $ \mathrm{b} $ 作原电池的正极，与用电器正极相连，电极 $ \mathrm{a} $ 作原电池的负极，与用电器负极相连， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；电池工作时，电极 $ \mathrm{b} $ 为正极，电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{L}\mathrm{i}}_{1-x}{\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{P}\mathrm{O}}_{4}+x{\mathrm{L}\mathrm{i}}^{+}+x{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{P}\mathrm{O}}_{4}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；电池工作时，负极材料质量减少 $ 1.4\mathrm{g} $ 时，生成 $ {\rm 0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}\mathrm{i}}^{+}} $ ，转移电子的物质的量为 $ 0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；电池进水后，锂会与水反应，导致放电能力下降，大大降低原电池的使用寿命， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

甲烷燃料电池中通入 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $ 的 $ \mathrm{a} $ 极为负极，通入空气的 $ \mathrm{b} $ 极为正极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；原电池工作时，阳离子从负极经溶液流向正极，则 $ {\rm {\mathrm{K}}^{+}} $ 从 $ \mathrm{a} $ 极（负极）经溶液流向 $ \mathrm{b} $ 极（正极）， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；工作时， $ \mathrm{b} $ 极的电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{e}}^{-}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\xlongequal{}4{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，生成 $ {\rm {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ， $ \mathrm{b} $ 极附近溶液的碱性增强， $ {\rm \mathrm{p}\mathrm{H}} $ 会增大， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误； $ \mathrm{a} $ 极为负极，在 $ {\rm \mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 溶液中， $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}} $ 发生失电子的氧化反应、被氧化成 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}} $ ，电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{H}}_{4}-8{\mathrm{e}}^{-}+10{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}+7{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

焓变 $ {\rm (\mathrm{\Delta }H)} $ 由反应物和生成物的总能量决定，催化剂不能改变焓变， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；该电池为熔融碳酸盐燃料电池，电解质中无 $ {\rm {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，电极 $ {\rm \mathrm{A}} $ （负极）上 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{O}} $ 失去电子被氧化生成二氧化碳： $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{O}+{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}-2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；电池工作时，阴离子向负极移动，电极 $ {\rm \mathrm{A}} $ 为负极，故 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}} $ 向电极 $ {\rm \mathrm{A}} $ 移动， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；电极 $ {\rm \mathrm{B}} $ 为正极，氧气发生还原反应，得到电子生成 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}：{\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{2-}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

干电池是一次电池，铅酸蓄电池是可充电电池，故题给电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；干电池中锌极作负极，锌失去电子，被氧化生成 $ {\rm {\mathrm{Z}\mathrm{n}}^{2+}} $ ，故干电池在长时间使用后，锌筒被破坏， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作时的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；铅酸蓄电池工作时，铅极作负极，电极反应式为 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{b}-2{\mathrm{e}}^{-}+{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}\xlongequal{}{\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ ， $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ 在负极上析出，该电极质量应增加， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

放电时钠箔是负极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；钠为活泼金属，乙醇会与钠反应生成氢气，不能用乙醇代替四甘醇二甲醚， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；由【思路导引】可知，放电时正极发生还原反应， $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 得电子生成 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{a}}_{2}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}} $ 和 $ {\rm \mathrm{C}} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；由题干信息可知，放电时生成的 $ {\rm {\mathrm{N}\mathrm{a}}_{2}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}} $ 、 $ {\rm \mathrm{C}} $ 全部沉积在正极表面，则转移 $ 4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子时，正极生成 $ {\rm 2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{N}\mathrm{a}}_{2}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}} $ 和 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{C}} $ ，质量增加 $ 2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×106\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}+1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×12\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}=224\mathrm{g} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

在燃料电池中，燃料 $ {\rm ({\mathrm{B}\mathrm{H}}^{-}{}_{4})} $ 在负极发生氧化反应，氧化剂 $ {\rm ({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2})} $ 在正极发生还原反应，由题图可知， $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极区有 $ {\rm {\mathrm{B}\mathrm{H}}^{-}{}_{4}} $ （还原剂）进入，为负极； $ {\rm \mathrm{M}} $ 电极区有 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}} $ （氧化剂）进入，为正极，电子由负极 $ {\rm (\mathrm{N}} $ 电极 $ ) $ 流出，经外电路流向正极 $ {\rm (\mathrm{M}} $ 电极 $ ) $ ， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误； $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}} $ 在 $ {\rm \mathrm{M}} $ 电极发生还原反应， $ {\rm \mathrm{O}} $ 元素由 $ -1 $ 价降为 $ -2 $ 价，电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}2{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误； $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极的电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{B}\mathrm{H}}^{-}{}_{4}+8{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}-8{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{B}\mathrm{O}}^{-}{}_{2}+6{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，反应消耗 $ {\rm {\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，因此 $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极区 $ {\rm n({\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-})} $ 减小， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；根据电荷守恒，电路中每转移 $ 8\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子，就有 $ {\rm 8\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{K}}^{+}} $ 从 $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极区迁入 $ {\rm \mathrm{M}} $ 电极区，即 $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极区溶液减少的质量为 $ {\rm 8\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×39\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}=312\mathrm{g}} $ 时， $ {\rm \mathrm{M}} $ 电极消耗 $ {\rm 4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}} $ ，因此，当 $ {\rm \mathrm{N}} $ 电极区的质量减少 $ 7.8\mathrm{g} $ 时， $ {\rm \mathrm{M}} $ 电极表面消耗 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{O}}_{2}} $ 的物质的量为 $ \dfrac{7.8\mathrm{g}}{312\mathrm{g}}×4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}=0.1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

（1） 根据电池放电时电极反应式，可得 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}} $ 失去电子发生氧化反应， $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}} $ 电极为负极，石墨电极为正极，正极反应式为 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{e}}^{-}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\xlongequal{}4{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，电路中流过 $ 0.1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子时，消耗 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 的物质的量为 $ 0.025\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，则消耗标准状况下 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 的体积为 $ {\rm 0.56\mathrm{L}} $ ，若 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 占空气体积的 $ \dfrac{1}{5} $ ，则消耗标准状况下空气的体积为 $ {\rm 5×0.56\mathrm{L}=2.8\mathrm{L}} $ ；根据正、负极电极反应式可知，每转移 $ 0.1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子，正极产生 $ {\rm 0.1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，同时负极消耗 $ {\rm 0.2\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-}} $ ，因此溶液中 $ {\rm n({\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-})} $ 减小。

（2） ① 由题图乙可知电子从 $ \mathrm{a} $ 极流出，故 $ \mathrm{a} $ 极为负极，电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}^{2+}-{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{3+}} $ ； $ \mathrm{b} $ 极为正极，电极反应式为 $ {\rm 2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{H}}_{2}↑.} $ 。

② 由题图乙可知去除 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}} $ 气体的过程分为两步：第一步， $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}^{2+}} $ 在电极上发生反应 $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}^{2+}-{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{3+}} $ ；第二步，生成的 $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}^{3+}} $ 氧化 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}} $ 生成硫单质，离子方程式为 $ {\rm 2{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{3+}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{S}\xlongequal{}2{\mathrm{F}\mathrm{e}}^{2+}+\mathrm{S}↓+2{\mathrm{H}}^{+}.} $ 。

纳米材料具有较大的比表面积，能提供更多活性位点，加快电极反应速率， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；乙烯中 $ {\rm \mathrm{C}} $ 为 $ -2 $ 价， $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 中 $ {\rm \mathrm{C}} $ 为 $ +4 $ 价，2个 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 分子生成1个 $ {\rm {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{4}} $ 分子得到12个电子，反应式为 $ {\rm 2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+12{\mathrm{e}}^{-}+12{\mathrm{H}}^{+}\xlongequal{}{\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{4}+4{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；原电池中阳离子 $ {\rm ({\mathrm{H}}^{+})} $ 向正极移动，即从负极穿过交换膜进入正极， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；图中显示 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 可转化为 $ {\rm {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{4}} $ 、 $ {\rm {\mathrm{C}}_{2}{\mathrm{H}}_{6}} $ 、 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{O}} $ 等多种产物，即负极 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 失去的电子并非全部用于生成乙烯，结合 $ {\rm \mathrm{B}} $ 项分析知，转移 $ 6\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ 电子时，实际生成乙烯少于 $ 0.5\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}(14\mathrm{g}) $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。