專題40 化學(xué)電源-燃料電池 十年（2015-2024）高考化學(xué)真題分類匯編(解析版)

2013-2024年十年高考真題匯編PAGEPAGE1專題40化學(xué)電源——燃料電池考點(diǎn)十年考情(2015-2024）命題趨勢(shì)考點(diǎn)1燃料電池原理2021?山東卷、2020?新課標(biāo)Ⅲ卷、2020?山東卷、2019?新課標(biāo)Ⅰ卷、2015·全國(guó)卷Ⅰ、2015·江蘇卷燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)，由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，能量轉(zhuǎn)化效率高，排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，有關(guān)燃料電池電極反應(yīng)式也應(yīng)運(yùn)而生。本專題主要考查以燃料電池為載體，考查原電池正負(fù)極的判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、電子或電流的方向及溶液pH的變化等。考點(diǎn)2燃料電池綜合應(yīng)用2021?河北卷、2020?江蘇卷考點(diǎn)1燃料電池原理1．(2021?山東卷，10)以KOH溶液為離子導(dǎo)體，分別組成CH3OH—O2、N2H4—O2、(CH3)2NNH2—O2清潔燃料電池，下列說(shuō)法正確的是()A．放電過(guò)程中，K+均向負(fù)極移動(dòng)B．放電過(guò)程中，KOH物質(zhì)的量均減小C．消耗等質(zhì)量燃料，(CH3)2NNH2—O2燃料電池的理論放電量最大D．消耗1molO2時(shí)，理論上N2H4—O2燃料電池氣體產(chǎn)物的體積在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為11.2L【答案】C【解析】堿性環(huán)境下，甲醇燃料電池總反應(yīng)為：2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O；N2H4-O2清潔燃料電池總反應(yīng)為：N2H4+O2=N2+2H2O；偏二甲肼[(CH3)2NNH2]中C和N的化合價(jià)均為-2價(jià)，H元素化合價(jià)為+1價(jià)，所以根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理可推知其燃料電池的總反應(yīng)為：(CH3)2NNH2+4O2+4KOH=2K2CO3+N2+6H2O。A項(xiàng)，放電過(guò)程為原電池工作原理，所以鉀離子均向正極移動(dòng)，A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，根據(jù)上述分析可知，N2H4-O2清潔燃料電池的產(chǎn)物為氮?dú)夂退?，其總反?yīng)中未消耗KOH，所以KOH的物質(zhì)的量不變，其他兩種燃料電池根據(jù)總反應(yīng)可知，KOH的物質(zhì)的量減小，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，理論放電量與燃料的物質(zhì)的量和轉(zhuǎn)移電子數(shù)有關(guān)，設(shè)消耗燃料的質(zhì)量均為mg，則甲醇、N2H4和(CH3)2NNH2放電量(物質(zhì)的量表達(dá)式)分別是：、、，通過(guò)比較可知(CH3)2NNH2理論放電量最大，C正確；D項(xiàng)，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒和總反應(yīng)式可知，消耗1molO2生成的氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為22.4L，D錯(cuò)誤；故選C。2．(2020?新課標(biāo)Ⅲ卷，12)一種高性能的堿性硼化釩(VB2)—空氣電池如下圖所示，其中在VB2電極發(fā)生反應(yīng)：VB2+16OH-－11e－=VO43-+2B(OH)4-+4H2O，該電池工作時(shí)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．負(fù)載通過(guò)0.04mol電子時(shí)，有0.224L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)O2參與反應(yīng)B．正極區(qū)溶液的pH降低、負(fù)極區(qū)溶液的pH升高C．電池總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-D．電流由復(fù)合碳電極經(jīng)負(fù)載、VB2電極、KOH溶液回到復(fù)合碳電極【答案】B【解析】根據(jù)圖示的電池結(jié)構(gòu)，左側(cè)VB2發(fā)生失電子的反應(yīng)生成VO43-和B(OH)4-，反應(yīng)的電極方程式如題干所示，右側(cè)空氣中的氧氣發(fā)生得電子的反應(yīng)生成OH-，反應(yīng)的電極方程式為O2+4e-+2H2O=4OH-，電池的總反應(yīng)方程式為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-。A項(xiàng)，當(dāng)負(fù)極通過(guò)0.04mol電子時(shí)，正極也通過(guò)0.04mol電子，根據(jù)正極的電極方程式，通過(guò)0.04mol電子消耗0.01mol氧氣，在標(biāo)況下為0.224L，A正確；B項(xiàng)，反應(yīng)過(guò)程中正極生成大量的OH-使正極區(qū)pH升高，負(fù)極消耗OH-使負(fù)極區(qū)OH-濃度減小pH降低，B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，根據(jù)分析，電池的總反應(yīng)為4VB2+11O2+20OH-+6H2O=8B(OH)4-+4VO43-，C正確；D項(xiàng)，電池中，電子由VB2電極經(jīng)負(fù)載流向復(fù)合碳電極，電流流向與電子流向相反，則電流流向?yàn)閺?fù)合碳電極→負(fù)載→VB2電極→KOH溶液→復(fù)合碳電極，D正確；故選B。3．(2020?山東卷，10)微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化?，F(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用下圖裝置處理有機(jī)廢水(以含CH3COO-的溶液為例)。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．負(fù)極反應(yīng)為CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+B．隔膜1為陽(yáng)離子交換膜，隔膜2為陰離子交換膜C．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5gD．電池工作一段時(shí)間后，正、負(fù)極產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量之比為2：1【答案】B【解析】據(jù)圖可知a極上CH3COOˉ轉(zhuǎn)化為CO2和H+，C元素被氧化，所以a極為該原電池的負(fù)極，則b極為正極。A項(xiàng)，a極為負(fù)極，CH3COOˉ失電子被氧化成CO2和H+，結(jié)合電荷守恒可得電極反應(yīng)式為CH3COOˉ+2H2O-8eˉ=2CO2↑+7H+，故A正確；B項(xiàng)，為了實(shí)現(xiàn)海水的淡化，模擬海水中的氯離子需要移向負(fù)極，即a極，則隔膜1為陰離子交換膜，鈉離子需要移向正極，即b極，則隔膜2為陽(yáng)離子交換膜，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí)，根據(jù)電荷守恒可知，海水中會(huì)有1molClˉ移向負(fù)極，同時(shí)有1molNa+移向正極，即除去1molNaCl，質(zhì)量為58.5g，故C正確；D項(xiàng)，b極為正極，水溶液為酸性，所以氫離子得電子產(chǎn)生氫氣，電極反應(yīng)式為2H++2eˉ=H2↑，所以當(dāng)轉(zhuǎn)移8mol電子時(shí)，正極產(chǎn)生4mol氣體，根據(jù)負(fù)極反應(yīng)式可知負(fù)極產(chǎn)生2mol氣體，物質(zhì)的量之比為4：2=2：1，故D正確；故選B。4．(2019?新課標(biāo)Ⅰ卷，12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如下所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能B．陰極區(qū)，氫化酶作用下發(fā)生反應(yīng)H2+2MV2+=2H++2MV+C．正極區(qū)，固氮酶催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3D．電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)【答案】B【解析】由生物燃料電池的示意圖可知，左室電極為燃料電池的負(fù)極，MV+在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成MV2+，電極反應(yīng)式為MV+—e—=MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應(yīng)生成H+和MV+，反應(yīng)的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+；右室電極為燃料電池的正極，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成MV+，電極反應(yīng)式為MV2++e—=MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應(yīng)生成NH3和MV2+，反應(yīng)的方程式為N2+6H++6MV+=6MV2++NH3，電池工作時(shí)，氫離子通過(guò)交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng)。A項(xiàng)，相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法選用酶作催化劑，條件溫和，同時(shí)利用MV+和MV2+的相互轉(zhuǎn)化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，故可提供電能，故A正確；B項(xiàng)，左室為負(fù)極區(qū)，MV+在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成MV2+，電極反應(yīng)式為MV+—e—=MV2+，放電生成的MV2+在氫化酶的作用下與H2反應(yīng)生成H+和MV+，反應(yīng)的方程式為H2+2MV2+=2H++2MV+，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，右室為正極區(qū)，MV2+在正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成MV+，電極反應(yīng)式為MV2++e—=MV+，放電生成的MV+與N2在固氮酶的作用下反應(yīng)生成NH3和MV2+，故C正確；D項(xiàng)，電池工作時(shí)，氫離子(即質(zhì)子)通過(guò)交換膜由負(fù)極向正極移動(dòng)，故D正確。故選B。5．(2015·全國(guó)卷Ⅰ，11)微生物電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理如圖所示。下列有關(guān)微生物電池的說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A．正極反應(yīng)中有CO2生成B．微生物促進(jìn)了反應(yīng)中電子的轉(zhuǎn)移C．質(zhì)子通過(guò)交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)D．電池總反應(yīng)為C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O【答案】A【解析】根據(jù)碳元素的化合價(jià)的變化，二氧化碳中碳元素的化合價(jià)為最高價(jià)+4價(jià)，所以生成二氧化碳的反應(yīng)為氧化反應(yīng)，應(yīng)在負(fù)極生成，其電極反應(yīng)式應(yīng)為C6H12O6+6H2O-24e-=24H++6CO2↑，A錯(cuò)誤；在微生物的作用下，該裝置為原電池裝置，反應(yīng)速率比化學(xué)反應(yīng)速率快，所以微生物促進(jìn)了反應(yīng)的發(fā)生，B正確；原電池中陽(yáng)離子(質(zhì)子)向正極移動(dòng)，C正確；電池的總反應(yīng)實(shí)質(zhì)是葡萄糖的氧化反應(yīng)，D正確。6．(2015·江蘇卷，10)一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是()A．反應(yīng)CH4+H2O3H2+CO，每消耗1molCH4轉(zhuǎn)移12mol電子B．電極A上H2參與的電極反應(yīng)為H2+2OH--2e-=2H2OC．電池工作時(shí)，CO32-向電極D．電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為O2+2CO2+4e-=2CO32-【答案】D【解析】根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式，每有1mol甲烷參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子數(shù)為6mol，A項(xiàng)錯(cuò)誤；因?yàn)殡娊赓|(zhì)為熔融態(tài)的碳酸鹽，所以電極A上H2參與的電極反應(yīng)式為H2-2e-+CO32-=H2O+CO2，B項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)原電池工作原理，電極A是負(fù)極，電極B是正極，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，碳酸根離子向負(fù)極移動(dòng)(A電極)，C項(xiàng)錯(cuò)誤；電極B上氧氣得電子與二氧化碳結(jié)合生成碳酸根離子，因此電極反應(yīng)式為O2+4e-+2CO2=2CO32-，D項(xiàng)正確。考點(diǎn)2燃料電池綜合應(yīng)用1．(2021?河北卷，16節(jié)選)當(dāng)今，世界多國(guó)相繼規(guī)劃了碳達(dá)峰、碳中和的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。因此，研發(fā)二氧化碳利用技術(shù)，降低空氣中二氧化碳含量成為研究熱點(diǎn)。(4)我國(guó)科學(xué)家研究Li—CO2電池，取得了重大科研成果，回答下列問(wèn)題：①Li—CO2電池中，Li為單質(zhì)鋰片，則該電池中的CO2在___(填“正”或“負(fù)”)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。研究表明，該電池反應(yīng)產(chǎn)物為碳酸鋰和單質(zhì)碳，且CO2電還原后與鋰離子結(jié)合形成碳酸鋰按以下4個(gè)步驟進(jìn)行，寫(xiě)出步驟Ⅲ的離子方程式。Ⅰ.2CO2+2e-=C2O42-Ⅱ.C2O42-=CO2+CO22-Ⅲ.__________Ⅳ.CO32-+2Li+=Li2CO3②研究表明，在電解質(zhì)水溶液中，CO2氣體可被電化學(xué)還原。Ⅰ.CO2在堿性介質(zhì)中電還原為正丙醇(CH3CH2CH2OH)的電極反應(yīng)方程式為_(kāi)________。Ⅱ.在電解質(zhì)水溶液中，三種不同催化劑(a、b、c)上CO2電還原為CO的反應(yīng)進(jìn)程中(H+被還原為H2的反應(yīng)可同時(shí)發(fā)生)，相對(duì)能量變化如圖.由此判斷，CO2電還原為CO從易到難的順序?yàn)開(kāi)______(用a、b、c字母排序)?！敬鸢浮?4)①正極2CO22-+CO2=2CO32-+C②12CO2+18e-+4H2O=CH3CH2CH2OH+9CO32-c、b、a【解析】(4)①由題意知，Li-CO2電池的總反應(yīng)式為：4Li+3CO2=2Li2CO3+C，CO2發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，則CO2作為電池的正極；CO2還原后與Li+結(jié)合成Li2CO3，按4個(gè)步驟進(jìn)行，由步驟II可知生成了CO22-，而步驟IV需要CO32-參加反應(yīng)，所以步驟III的離子方程式為：2CO22-+CO2=2CO32-+C；②I.CO2在堿性條件下得電子生成CH3CH2CH2OH，根據(jù)電子守恒和電荷守恒寫(xiě)出電極反應(yīng)式為：12CO2+18e-+4H2O=CH3CH2CH2OH+9CO32-；II.c催化劑條件下，CO2電還原的活化能小于H+電還原的活化能，更容易發(fā)生CO2的電還原；而催化劑a和b條件下，CO2電還原的活化能均大于H+電還原的活化能，相對(duì)來(lái)說(shuō)，更易發(fā)生H+的電還原。其中a催化劑條件下，H+電還原的活化能比CO2電還原的活化能小的更多，發(fā)生H+電還原的可能性更大，因此反應(yīng)從易到難的順序?yàn)閏、b、a。2．(2020?江蘇卷，20節(jié)選)(2)HCOOH燃料電池。研究HCOOH燃料電池性能的裝置如圖-2所示，兩電極區(qū)間用允許K+、H+通過(guò)的半透膜隔開(kāi)。①電池負(fù)極電極反應(yīng)式為_(kāi)____________；放電過(guò)程中需補(bǔ)充的物質(zhì)A為_(kāi)________(填化學(xué)式)。②圖-2所示的HCOOH燃料電池放電的本質(zhì)是通過(guò)HCOOH與O2的反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)______________?！敬鸢浮?2)①HCOOˉ+2OHˉ－2eˉ=HCO3-+H2OH2SO4②2HCOOH+O2+2OHˉ=2HCO3-+2H2O或2HCOOˉ+O2=2HCO3-【解析】(2)①左側(cè)為負(fù)極，堿性環(huán)境中HCOOˉ