专题2 新型电池原理分析
一、刷难关
1．柔性电池因其可弯曲、折叠和拉伸等特点，成为可穿戴设备、软体机器人和植入式医疗设备等的重要组成部分。某柔性电池的结构如图所示，下列说法不正确的是（ ）
电池的总反应： $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}+{\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}\xlongequal{电解质}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}} $
A. 含有 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}} $ 膜的碳纳米管纤维作电池的负极
B. $ {\rm {\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}} $ 在电池的正极失去电子，发生氧化反应
C. 电池工作时，离子通过电解质膜进行迁移
D. 电池工作时，化学能主要转化为电能
答案：B
解析：根据题目信息可知，电池的总反应为 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}+{\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}\xlongequal{电解质}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}+\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}} $ ，则负极反应式为 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}-2{\mathrm{e}}^{-}+{\mathrm{O}}^{2-}\xlongequal{}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}} $ ，正极反应式为 $ {\rm {\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}+{\mathrm{O}}^{2-}} $ ，电解质膜用于传递 $ {\rm {\mathrm{O}}^{2-}} $ 。含有 $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}} $ 膜的碳纳米管纤维作电池的负极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确； $ {\rm {\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}}_{2}} $ 在电池的正极得电子，发生还原反应， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；电池工作时， $ {\rm {\mathrm{O}}^{2-}} $ 通过电解质膜进行迁移， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；原电池是将化学能转化为电能的装置，因此电池工作时化学能主要转化为电能， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。
2．我国科学家设计的“海泥电池”工作原理如图，微生物代谢产物显酸性。下列说法正确的是（ ）
A. 电子从A电极流向B电极
B. B电极附近酸性减弱
C. $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 从海水层通过交界面向海底沉积层移动
D. 除去 $ {\rm 1.5\mathrm{g}{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，消耗标准状况下 $ {\rm 0.28\mathrm{L}{\mathrm{O}}_{2}} $
答案：D
解析：从图中可知， $ {\rm \mathrm{A}} $ 电极上 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 得电子转化为 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm \mathrm{A}} $ 电极为正极， $ {\rm \mathrm{B}} $ 电极上 $ {\rm {\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}} $ 失电子生成 $ {\rm \mathrm{S}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 电极为负极。电子从负极 $ {\rm (\mathrm{B}} $ 电极 $ ) $ 流向正极 $ {\rm (\mathrm{A}} $ 电极 $ ) $ ， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误； $ {\rm \mathrm{B}} $ 电极上 $ {\rm {\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}} $ 失电子生成 $ {\rm \mathrm{S}} $ ，电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}-2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}\mathrm{S}+{\mathrm{H}}^{+}} $ ，生成 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ ，酸性增强， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；原电池中 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 向正极移动，因此 $ {\rm {\mathrm{H}}^{+}} $ 应向海水层移动， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；根据得失电子守恒可得关系式： $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}～2{\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}} $ ，微生物代谢反应为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}^{2-}+2{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}^{+}\xlongequal{}{\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}+2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，可得关系式 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}～2{\mathrm{H}\mathrm{S}}^{-}\sim 4{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm 1.5\mathrm{g}{\mathrm{C}\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 物质的量为 $ 0.05\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，消耗氧气 $ 0.0125\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，标准状况下体积为 $ {\rm 0.28\mathrm{L}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。
3．流动电池是一种新型电池，其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动，在电池外部调节电解质溶液，以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应式为 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{u}+{\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}\xlongequal{}{\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}+{\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 。下列说法正确的是（ ）
A. $ \mathrm{b} $ 为负极， $ \mathrm{a} $ 为正极
B. 该电池工作时，电流由电极 $ \mathrm{a} $ 流向电极 $ \mathrm{b} $
C. $ \mathrm{b} $ 极的电极反应式为 $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{P}\mathrm{b}}^{2+}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $
D. 调节电解质溶液的方法是补充 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $
答案：D
解析： $ \mathrm{a} $ 为负极， $ \mathrm{b} $ 为正极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；电流由正极流向负极，故电池工作时，电流由电极 $ \mathrm{b} $ 流向电极 $ \mathrm{a} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误； $ {\rm {\mathrm{P}\mathrm{b}\mathrm{O}}_{2}} $ 得电子发生还原反应，电极反应式为 $ {\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{C}} $ 错误；由电池的总反应可知，硫酸被消耗，则调节电解质溶液的方法是补充 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。
4．热电化学电池，也称热电池，是一种电化学系统。热电化学电池由两个相同的电极和含有氧化/还原电对的电解液组成。一种以 $ {\rm {\mathrm{K}}_{4} [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6} ]} $ 和 $ {\rm {\mathrm{K}}_{3} [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6} ]} $ 的混合溶液为电解液的热电化学电池工作原理如图所示。下列说法正确的是（ ）
A. 电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 为负极，发生还原反应
B. 外电路中，电流由电极 $ {\rm \mathrm{X}} $ 经过导线流向电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $
C. 电池工作时， $ {\rm {\mathrm{K}}^{+}} $ 向电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 移动
D. 正极的电极反应式为 $ {\rm [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{3-}-{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{} [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{4-}} $
答案：B
解析：由题图知，电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 发生 $ {\rm [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{4-}-{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{} [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{3-}} $ ，因此电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 为负极，发生氧化反应， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；外电路中，电流由正极即电极 $ {\rm \mathrm{X}} $ 经过导线流向负极即电极 $ {\rm \mathrm{Y}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；电池工作时， $ {\rm {\mathrm{K}}^{+}} $ 向正极即电极 $ {\rm \mathrm{X}} $ 移动， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；正极发生还原反应，则电极反应式为 $ {\rm [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{3-}+{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{} [\mathrm{F}\mathrm{e} (\mathrm{C}\mathrm{N})_{6}{ ]}^{4-}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。
5．一种室内甲醛传感器测量甲醛含量的工作原理如图所示。已知：标准室内甲醛含量不超过 $ 0.080\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}}^{-3} $ ，下列说法错误的是（ ）
A. 外电路电流方向由 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{t}} $ 电极到C电极
B. 负极反应式为 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}-4{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{H}}^{+}} $
C. 随测量进行， $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ 溶液浓度逐渐变小
D. 传感器在 $ 27{\mathrm{m}}^{3} $ 室内空间测量时，电路中转移 $ 5.4×{10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{e}}^{-} $ ，该室内甲醛含量符合标准
答案：D
解析：外电路电流方向是从正极流向负极，即从 $ {\rm \mathrm{P}\mathrm{t}} $ 电极流向 $ {\rm \mathrm{C}} $ 电极， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；负极反应式为 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}-4{\mathrm{e}}^{-}\xlongequal{}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+4{\mathrm{H}}^{+}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；电池工作总反应为 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_{2}\xlongequal{}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，随检测的进行， $ {\rm n({\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4})} $ 不变，生成的水增多， $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{O}}_{4}} $ 溶液浓度逐渐变小， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；由分析可知，每转移 $ 4\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{e}}^{-} $ 时，消耗 $ {\rm 1\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}} $ ，则转移 $ 5.4×{10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{e}}^{-} $ 时，消耗的 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}} $ 的物质的量为 $ \dfrac{5.4×{10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}{4}=1.35×{10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l} $ ，则室内甲醛含量为 $ \dfrac{1.35×{10}^{-4}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}×30\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}^{-1}×1000\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{g}}^{-1}}{27{\mathrm{m}}^{3}}=0.150\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}}^{-3} > 0.080\mathrm{m}\mathrm{g}\cdot {\mathrm{m}}^{-3} $ ，该室内甲醛含量不符合标准， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。
【图解】
