专题3 有关有机物、微生物、熔融盐、浓度差的燃料电池-备战2021年高考电化学选择题专题突破（解析版）

1 专题 3 有关有机物、微生物、熔融盐、浓度差的燃料电池 1．(20 全国卷Ⅰ-12)科学家近年发明了一种新型 Zn—CO2 水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和 选择性催化材料。放电时，温室气体 CO2 被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新 途径。 下列说法错误的是 A．放电时，负极反应为  2 4Zn 2e 4OH Zn OH －－ －－ ＋ ＝ B．放电时，1 mol CO2 转化为 HCOOH，转移的电子数为 2 mol C．充电时，电池总反应为  2 2 242Zn OH 2Zn O 4OH 2H O－ －＝ ＋ ↑＋ ＋ D．充电时，正极溶液中 OH－浓度升高 【答案】D 【解析】 A．放电时，负极上 Zn 发生氧化反应，电极反应式为： ，故 A 正确，不选； B．放电时，CO2 转化为 HCOOH，C 元素化合价降低 2，则 1molCO2 转化为 HCOOH 时，转移电子数为 2mol， 故 B 正确，不选； C．充电时，阳极上 H2O 转化为 O2，负极上 转化为 Zn，电池总反应为： ，故 C 正确，不选； D．充电时，正极即为阳极，电极反应式为： ，溶液中 H+浓度增大，溶液中 c(H+)•c(OH-)=KW，温度不变时，KW 不变，因此溶液中 OH-浓度降低，故 D 错误，符合题意； 答案选 D。 2 2．(19 天津卷-6)我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘溴液流电池，其工作原理示意图如下。图中贮 液器可储存电解质溶液，提高电池的容量。 A．放电时，a 电极反应为 2I Br 2e 2I Br     B．放电时，溶液中离子的数目增大 C．充电时，b 电极每增重 0.65g ，溶液中有 0.02mol I 被氧化 D．充电时，a 电极接外电源负极 【答案】D 【解析】 A．放电时，a 电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为 I2Br－+2e－=2I－+Br－，故 A 正确； B．放电时，正极反应式为 I2Br－+2e－=2I－+Br－，溶液中离子数目增大，故 B 正确； C．充电时，b 电极反应式为 Zn2＋+2e－=Zn，每增加 0.65g，转移 0.02mol 电子，阳极反应式为 Br－+2I－-2e－ =I2Br－，有 0.02molI－失电子被氧化，故 C 正确； D．充电时，a 是阳极，应与外电源的正极相连，故 D 错误； 故选 D。 3．(19 全国卷Ⅰ-12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时 MV2＋／MV＋在电极与酶之间 传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是 A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能 B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应 H2＋2MV2＋ 2H＋＋2MV＋ C．正极区，固氮酶为催化剂，N2 发生还原反应生成 NH3 D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动 3 【答案】B 【解析】 A 项、相比现有工业合成氨，该方法选用酶作催化剂，条件温和，同时利用 MV+和 MV2+的相互转化，化学 能转化为电能，故可提供电能，故 A 正确； B 项、左室为负极区，MV+在负极失电子发生氧化反应生成 MV2+，电极反应式为 MV+—e—= MV2+，放电生 成的 MV2+在氢化酶的作用下与 H2 反应生成 H+和 MV+，反应的方程式为 H2+2MV2+=2H++2MV+，故 B 错误； C 项、右室为正极区，MV2+在正极得电子发生还原反应生成 MV+，电极反应式为 MV2++e—= MV+，放电生 成的 MV+与 N2 在固氮酶的作用下反应生成 NH3 和 MV2+，故 C 正确； D 项、电池工作时，氢离子（即质子）通过交换膜由负极向正极移动，故 D 正确。 故选 B。 4．(18 全国Ⅱ卷-12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的 Na—CO2 二次电池。将 NaClO4 溶于有机溶剂 作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为 3CO2+4Na 2 Na2CO3+C， 下列说法错误的是 A．放电时， 4ClO 向负极移动 B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2 C．放电时，正极反应为：3CO2+4e− 2 2 3CO  +C D．充电时，正极反应为：Na+ + e− Na 【答案】D 【解析】 A. 放电时是原电池，阴离子 ClO4 －向负极移动，A 正确； B. 电池的总反应为 3CO2+4Na 2Na2CO3+C，因此充电时释放 CO2，放电时吸收 CO2，B 正确； C. 放电时是原电池，正极是二氧化碳得到电子转化为碳，反应为：3CO2+4e−＝2CO32－+C，C 正确； D. 充电时是电解，正极与电源的正极相连，作阳极，发生失去电子的氧化反应，反应为 2CO32－+C－4e−＝ 3CO2，D 错误。答案选 D。 4 5．(18 全国Ⅲ卷-11)一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，O2 与 Li+在多孔碳材料电极处生成 Li2O2-x（x=0 或 1）。下列说法正确的是 A．放电时，多孔碳材料电极为负极 B．放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极 C．充电时，电解质溶液中 Li+向多孔碳材料区迁移 D．充电时，电池总反应为 Li2O2-x=2Li+（1- x 2 ）O2 【答案】D 【解析】 A．题目叙述为：放电时，O2 与 Li+在多孔碳电极处反应，说明电池内，Li+向多孔碳电极移动，因为阳离子 移向正极，所以多孔碳电极为正极，选项 A 错误。 B．因为多孔碳电极为正极，外电路电子应该由锂电极流向多孔碳电极（由负极流向正极），选项 B 错误。 C．充电和放电时电池中离子的移动方向应该相反，放电时，Li+向多孔碳电极移动，充电时向锂电极移动， 选项 C 错误。 D．根据图示和上述分析，电池的正极反应应该是 O2 与 Li+得电子转化为 Li2O2-X，电池的负极反应应该是单 质 Li 失电子转化为 Li+，所以总反应为：2Li + (1－ )O2 ＝ Li2O2-X，充电的反应与放电的反应相反，所以 为 Li2O2-X ＝ 2Li + (1－ )O2，选项 D 正确。 6．(15 新课标Ⅰ-11)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。 下列有关微生物电池的说法错误的是（ ） A．正极反应中有 CO2 生成 B．微生物促进了反应中电子的转移 C．质子通过交换膜从负极区移向正极区 D．电池总反应为 C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O 【答案】A 【解析】 A．根据图知，负极上 C6H12O6 失电子，正极上 O2 得电子和 H+反应生成水，负极的电极反应式为 C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+，正极的电极反应式为 O2+4e-+4H+═2H2O，因此 CO2 在负极产生，故 A 错 误； 5 B．葡萄糖在微生物的作用下将化学能转化为电能，形成原电池，有电流产生，所以微生物促进了反应中电 子的转移，故 B 正确； C．通过原电池的电极反应可知，负极区产生了 H+，根据原电池中阳离子向正极移动，可知质子（H+）通 过交换膜从负极区移向正极区，故 C 正确； D．该反应属于燃料电池，燃料电池的电池反应式和燃烧反应式相同，则电池反应式为 C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O，故 D 正确； 故选 A． 7．(21 届运城高二期末)用新型甲醇燃料电池电源电解硫酸铜溶液，下列有关说法正确的是( ) A．甲醇一极的电极反应式为 - + 3 2 2CH OH-6e +H O=CO +6H B．若 a 为纯铜，b 为粗铜，则该装置可用于粗铜的电解精炼 C．若 a、b 均为石墨，b 极反应为： -- 2 24OH -4e =2H O+O  D．若 a 为石墨，b 为铜，消耗标准状况下 2336mLO ，则电解后 4CuSO 溶液的 pH 为 1(忽略溶液体积变化) 【答案】D 【解析】 A．充甲醇的电极是负极，失去电子被氧化，电解质是碱性电解质，电极反应式是 - - 2 3 3 2CH OH-6e +8OH =CO +6H O ，故 A 错误； B．a 与是原电池的正极相连作阳极，b 与原电池的负极相连作阴极，所以电解精炼铜时，a 为粗铜，b 为纯 铜，故 B 错误； 6 C．若 a、b 均为石墨，a 极反应为： -- 2 24OH -4e =2H O+O  ，故 C 错误； D．若 a 为石墨，b 为铜，消耗标准状况下 2336mLO ，转移的电子的物质的量是 0.06mol，则电解后 4CuSO 溶液的阳极是 - + 2 22H O-4e =O +4H ，生成氢离子的浓度是 0.1mol/L，pH 为 1(忽略溶液体积变化) ，故 D 正确； 故选：D。 8．(21 届吉安五校协作体高三一联)利用 CH4 燃料电池电解制备 Ca(H2PO4)2 并得到副产物 NaOH、H2、Cl2， 装置如图所示。下列说法不正确的是( ) A．a 极反应：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O B．A、C 膜均为阳离子交换膜，B 膜为阴离子交换膜 C．可用铁电极替换阴极的石墨电极 D．a 极上通入 2.24L 甲烷，阳极室 Ca2+减少 0.4mol 【答案】D 【解析】 A．阴离子移向负极，a 极为负极，反应为 CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O，A 正确； B．阴极室为氢离子得电子，有大量氢氧根生成，故 C 膜为阳离子交换膜，产品室与原料室阴离子相同，故 B 膜为阴离子交换膜，阳极室与产品室阳离子相同，故 A 膜为阳离子交换膜，B 正确； C．阴极材料不参与反应，故可用铁电极替换阴极的石墨电极，C 正确； D．不知道气体所处的温度和压强，所以无法计算甲烷的物质的量，D 错误； 故选 D。 9．(21 届芜湖高三期末)氟离子电池是一种前景广阔的新型电池，其能量密度是目前锂电池的十倍以上且不 会因为过热而造成安全风险。如图是氟离子电池工作示意图，其中充电时 F-从乙电极移向甲电极，下列关 于该电池的说法正确的是 7 A．放电时，甲电极的电极反应式为 Bi-3e-+3F-=BiF3 B．充电时，外加电源的正极与乙电极相连 C．放电时，乙电极电势比甲电极电势高 D．充电时，导线上每通过 0.1mole-，甲电极质量增加 1.9g 【答案】D 【解析】 充电时 F-从乙电极流向甲电极，则充电时，甲电极为电解池的阳极，电极反应式为 Bi+3F- -3e-═BiF3，乙电 极为阴极，反应式为 MgF2+2e-═Mg+2F-，又充电时，电解池的阳极、阴极与原电池的正极、负极对应，所 以放电时，乙电极为负极，Mg 失去电子结合 F-生成 MgF2，电极反应式为 Mg+2F--2e-═MgF2，甲为正极， 正极上 BiF3+3e-═Bi+3F-，据此解答。 A．放电时，甲为正极，正极上 BiF3+3e-═Bi+3F-，A 错误； B．充电时，外加电源的正极与正极甲电极相连，B 错误； C．放电时，乙电极为负极，甲为正极，所以乙电极电势比甲电极低，C 错误； D．充电时，甲电极为阳极，电极反应式为 Bi+3F- -3e-═BiF3，所以导线上每通过 0.1mol e-，增加 0.1molF-， 则甲电极质量增加 0.1mol×19g/mol=1.9g，D 正确； 故答案为：D。 10．(21 届河南名校联盟高三开学考)微生物燃料电池可用于有机废弃物的处理，某微生物燃料电池工作原理 如图所示[废弃物用  6 10 5C H O n 表示]。下列说法错误的是( ) 8 A．X 是 H ，膜为质子膜 B．负极上的电极反应式：  6 10 5 2 2C H O 7 H O 24 e 6 CO 24 H    n n n n n C．当电路中转移 0.4 mol 电子时，b 极上消耗 2.24 L 2O D．a 极的电势低于 b 极 【答案】C 【解析】 A．由 a 电极区 6 10 5C H O n ，被氧化后产物之一为 2CO 知，a 极是负极，电解质溶液呈酸性，H 由负极向 正极迁移，故 X 是 H ，相应的膜为允许 H 通过的质子膜，A 项正确； B． 5 10 5C H O n 在负极失去电子转化为 2CO 、H ，B 项正确； C．当电路中有 0.4 mol 电子通过时会消耗 0.1 mol 2O ，在标准状况下体积为 2.24 L，C 项错误； D．原电池中正极的电势高于负极的电势，D 项正确。 故选：C。 11．(21 届济宁高三一模)微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置.某 污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的 2 2 7Cr O  催化还原，其工作原理如图所示.下列说法不正确的是 ( ) 9 A．电池工作时外电路电流由 b 极流向 a 极 B．b 极反应式为 2 3 2 7 2Cr O 14H 6e 2Cr 7H O       C．每生成 3lmol Cr(OH) ，右池  Hn  减少 2mol D．每处理 2 2 70.5mol Cr O  ，可生成16.8L (标准状况下) 2CO 【答案】C 【解析】 a 极为负极乙酸发生氧化反应生成二氧化碳，电极反应式为：CH3COOH+2H2O-8e-=2CO2+8H+，b 极 2- 2 7Cr O 中 铬由+6 变成+3 价，得电子发生还原反应为正极，电极反应式为 2- 2 7Cr O +6e-+14H+=2Cr3++7H2O，电子由负极 流向正极，据此分析解题。 A．a 极为负极乙酸发生氧化反应生成二氧化碳，b 极 2- 2 7Cr O 中铬由+6 变成+3 价，得电子发生还原反应为正 极，所以电池工作过程中电流由 b 极流向 a 极，A 正确； B．b 极 2- 2 7Cr O 中铬由+6 变成+3 价，得电子发生还原反应，电极反应式为： 2- 2 7Cr O +6e-+14H+=2Cr3++7H2O， B 正确； C．根据反应可知每生成 3lmol Cr(OH) ，电路中转移了 3mol 电子，即有 3molH+从进入右池，同时 Cr3+水 解生成了 3molH+，而 2- 2 7Cr O 反应过程中消耗 7molH+，故右池  Hn  减少1 mol ，C 错误； D、根据得失电子守恒，每处理 0.5mol 2- 2 7Cr O ，转移 3mol 的电子，所以生成二氧化碳的物质的量为： 3×2 8 =0.75mol，标况下的体积为：0.75mol×22.4L/mol=16.8L，D 正确； 故答案为：C。 12．(21 届山东寿光高三月考)某研究团队发现，利用微生物电化学系统可处理含氮废水。下图是一种新型的 10 浸没式双极室脱盐—反硝化电池，中间由质子交换膜隔开，阳极室中的 - 3NO 通过泵循环至阴极室。下列说 法错误的是（ ） A．电极电势：阴极室高于阳极室 B．负极的电极反应式：CH2O-4e-+H2O=CO2+4H+ C．当处理 1 mol - 3NO 时，有 5 mol H+经过质子交换膜，移向阴极室 D．该装置需在适宜的温度下进行，温度不宜过高 【答案】B 【解析】 根据原电池的图示及电子移动的方向(左→右)，可知左边为负极，发生反应(CH2O)n-4ne-+nH2O=nCO2↑+4nH+， 右边为正极，发生反应 2NO 3  +12H++10e-=N2↑+6H2O。 A．原电池中电极电势，右侧正极高于左侧负极，则右侧阴极高于左侧阳极，故 A 正确； B．负极电极反应式为(CH2O)n-4ne-+nH2O=nCO2↑+4nH+，故 B 错误； C．由正极电极反应式 2NO 3  +12H++10e-=N2↑+6H2O 可知，当处理 1 mol - 3NO 时，有 5 mol H+经过质子交换 膜，移向阴极室，故 C 正确； D．温度过高(CH2O)n 会变成气体，因此需要控制温度，故 D 正确； 故答案为 B。 13．(21 届广西高三二模)微生物燃料电池可净化废水，同时还能获得能源或有价值的化学品，下图为其工作 原理。下列说法正确的是 11 A．M 极的电极反应式为： CH3COOH- 8e -+2H2O= 2CO2↑+8H+ B．外电路转移 4mol 电子时，N 极消耗 22.4LO2(标准状况) C．反应一段时间后，N 极附近的溶液 pH 值下降 D．该电池在常温和高温都可以工作 【答案】A 【解析】 A．由图中信息可知，CH3COOH 被氧化生成 CO2，失去电子，则 M 电极为负极，N 电极为正极，O2 得到 电子生成 H2O，Cr2O 2 7  得到电子转化为 Cr(OH)3，则 M 极的电极反应式为： CH3COOH- 8e -+2H2O= 2CO2↑+8H+，故 A 符合题意； B．外电路转移 4mol 电子时，在 N 极上，O2 得到电子生成 H2O，Cr2O 2 7  得到电子转化为 Cr(OH)3，所以消 耗 O2 的体积应小于 22.4LO2(标准状况)，故 B 不符合题意； C．在 N 极，O2 得到电子和 H+结合生成 H2O，反应一段时间后，H+浓度降低，N 极附近的溶液 pH 值升高， 故 C 不符合题意； D．在高温下，会使微生物失去活性，不再有催化作用，故 D 不符合题意； 故选 A。 14．(21 届重庆育才高三月考)相同金属在其不同浓度盐溶液中可形成浓差电池。如下图所示装置是利用浓差 电池电解 Na2SO4 溶液(a、b 电极均为石墨电极)，可以制得 O2、H2、H2SO4 和 NaOH。下列说法正确的是( ) 12 A．b 电极的电极反应为：2H2O+2e-=H2↑+2OH- B．c、d 离子交换膜依次为阴离子交换膜和阳离子交换膜 C．电池放电过程中，Cu(2)电极上的电极反应为 Cu-2e-=Cu2+ D．电池从开始工作到停止放电，电解池阳极区理论上可生成 1molH2SO4 【答案】C 【解析】 浓差电池中，左侧溶液中 Cu2+浓度大，离子的氧化性强，所以 Cu (1) 电极为正极、电极上发生得电子的还 原反应，电极反应为 Cu2++2e-=Cu，则 Cu (2) 电极为负极，电极反应式为 Cu-2e-=Cu2+；电解槽中 a 电极为 阴极、b 电极为阳极，阳极上水失电子生成氧气和氢离子，电极反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，阴极上水发生 得电子的还原反应生成氢气，电极反应为 2H2O +2e－=H2↑+2OH-，则钠离子通过离子交换膜 c 生成 NaOH、 为阳离子交换膜，硫酸根通过离子交换膜 d 生成硫酸、为阴离子交换膜，据此分析解答。 A．b 电极的电极反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，故 A 错误； B．钠离子通过离子交换膜 c 生成 NaOH、为阳离子交换膜，硫酸根通过离子交换膜 d 生成硫酸、为阴离子 交换膜，故 B 错误； C．电池放电过程中，Cu(2) 电极为负极，电极上的电极反应为 Cu-2e-=Cu2+，故 C 正确； D．电池从开始工作到停止放电，阳极上水失电子生成氧气和氢离子，电极反应为：2H2O-4e-=O2↑+4H+，电 解池阳极区理论上可生成 4molH+，故 H2SO4 为 2mol，故 D 错误； 故选 C。