近三年全国卷原电池考查归纳与典例解析

广东安徽

电化学是高考的热点内容，新课标卷每年均会考查，题型以选择题为主，或者在原理综合题或工艺流程题中以一小问的形式呈现。随着全球能源逐渐枯竭，研发、推广新型能源迫在眉睫，因此，新型化学电池成为科学家研究的重点方向之一，也成为高考的高频考点之一。高考中的新型化学电源，一般具有高能环保、经久耐用、电压稳定、比能量(单位质量释放的能量)高等特点。虽然情景较新，但题目的落脚点往往还是离子的移动方向、电极反应式的书写判断等基础知识。电化学内容理论性、规律性较强，可以让学生建立原电池的模型，然后迁移到陌生的情景。解题原理仍然还是原电池的基础知识，只要细心分析，实际上得分比较容易。本文对近三年新课标卷原电池的考查进行归纳总结，希望对2020届考生的复习备考有所启发。

一、近三年典型高考真题分析

年份题号、考查角度2019年·全国卷Ⅰ12题,以生物燃料电池为载体,考查电极反应、反应产物、质子移动方向等相关知识2019年·全国卷Ⅲ13题,以强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池为载体,考查信息提取、电极反应、离子移动方向等相关知识2018年·全国卷Ⅱ9题,以“可呼吸”的Na-CO2二次电池作载体,将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,考查离子移动方向、电极反应等相关知识2018年·全国卷Ⅲ11题,以可充电的锂—空气电池作载体,考查正负极的判断、电子移动方向、离子移动方向、电池总反应等相关知识2017年·全国卷Ⅰ11题,以外加电流的阴极保护法作载体,考查信息提取、原因分析、电流大小、电子移动方向等相关知识2017年·全国卷Ⅲ13题,以全固态锂硫电池作载体,考查电极反应、电极质量、电极的导电性等相关知识

(1)考点分析：

纵观2017—2019年，共考查了6个原电池的选择题，重点考查新型化学电源，试题题材广、信息新、陌生度大。要求学生建立模型、灵活掌握外电路中电子如何移动，内电路中阴阳离子的移动方向。对于金属的腐蚀与防护，常以钢铁制品在一定环境中的变化为载体进行考查。比如：2017年Ⅰ卷，海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐。

(2)考查角度及电池类型

二、典例解析

1.新型燃料电池

【例1】(2018全国卷Ⅲ·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

【答案】D

【点评】本题考查新型电池，锂作燃料在空气中燃烧，故通氧气的电极为正极，单质锂为负极。明确原电池基本原理、阴、阳离子的定向移动方向，结合图形中的信息有助于解题。放电时电池反应的逆向反应就是充电的电池反应，注意放电时的负极，充电时应该为阴极；放电时的正极，充电时应该为阳极。

【归纳总结】1.有关燃料电池的解题思路：

2.燃料电池电极反应书写的注意事项：

(1)燃料电池的负极是可燃性气体，失去电子发生氧化反应；正极多为氧气或空气，得到电子发生还原反应，可根据电荷守恒来配平。

(2)燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用。

(3)燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能生成OH-，碱性溶液中不能生成H+，水溶液中不能生成O2-，而熔融电解质中O2被还原为O2-。

(4)正、负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应。

3.几类常见的燃料电池

电池类型电极反应及总反应说明甲烷燃料电池负极:CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O正极:2O2+4H2O+8e-8OH-总反应式为CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O用金属铂作电极,用KOH溶液作电解质溶液

续表

2.“起点高、落点低”的新型可逆电池

( )

A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高

D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区

【答案】D

【点评】本题考查化学电源新型电池，体现了“起点高、落点低”的特点。侧重考查原电池和电解池原理，明确各个电极上发生的反应及离子移动方向是解答本题关键，难点是结合电解质特点书写电极反应式，注意电子不经过电解质溶液。

( )

B.充电时释放CO2，放电时吸收CO2

【答案】D

【点评】本题以我国科学家发表在化学顶级刊物上的“一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池”为载体考查了原电池和电解池的工作原理，明确二次电池中充电与放电的关系，正负极、阴阳极电极反应的关系是解题关键，侧重考查学生分析判断能力，难点是电极反应式的书写。本题弘扬了社会主义核心价值观个人层面的爱国精神，落实了立德树人的教育根本任务。

【归纳提升】(1)对于一般的电池而言，充电电池具有一定的可逆性，在放电时，它是原电池装置；在充电时，它是电解池装置，是一种经济、环保、电量足、大功率、适合长时间使用的电器。(2)“起点高、落点低”是指有些问题起点很高，试题所提供的材料、情景都是教科书里没有的，即“材料在外”；但是解决问题的思路、答案都在教材中，在考生的知识范围之内，即“答案在内”。比如试题是尖端科研课题，某些获诺贝尔奖的内容，或者是我国科学家的最新科研成果，起点很高，但落点低，落脚点就在考生的知识网络与教材中。

3.高效环保电池

( )

B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多

【答案】D

【点评】本题考查化学电源新型电池，涉及原电池工作原理，电极判断、电极反应式的书写、简单计算等知识点。突破口是根据离子的流向判断原电池的正负极，根据元素化合价的变化，判断放电时正负极发生的反应，再结合电解质书写电极反应式，侧重考查学生分析问题、解决问题的能力和读取图表信息的能力。

【知识扩展】环保电池是指近年来已投入使用或正在研制、开发的一类高性能、无污染电池。目前已经大量使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池以及正在研制、开发的锂或锂离子塑料蓄电池和燃料电池等都属于这一范畴。新型环保蓄电池具有的特点是蓄储电量大、高效、耐用、耐腐蚀、免维护、不污染环境、运动性能稳定等特点。

4.原电池原理的应用

【例5】(2019·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，示意图如图所示。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

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

【答案】B

【点评】目前合成氨工业消耗的能源占地球总耗能的1%，降低能耗、提高转化率一直是化学工作者的追求和研究方向。本题以顶级化学期刊上发表的新型合成氨生物燃料电池为载体，将科学研究与应用热点课题作为情境，考查原电池原理的应用，涉及燃料电池正负极的判断及离子的移动方向判断，能准确利用反应原理判断正负极和离子流动的方向，明确酶的作用是解题的关键。难点是B项对阴极区的理解。物理学规定：电势高(电流流出、电子流入)的电极叫正极，电势低(电流流入、电子流出)的电极叫负极。鲁科版选修四13页，按照电化学的规定：发生氧化反应的电极叫阳极，发生还原反应的电极叫阴极。所以原电池的负极，同时也是阳极，其电极区域叫负极区、阳极区；原电池的正极，同时也是阴极，其电极区域叫正极区、阴极区。所以，本题中阴极区，实际上指的是右边固氮酶一侧。

5.电化学保护法

【例6】(2017·全国卷Ⅰ·11)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是

( )

A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

【答案】C

【解析】A.外加电流的阴极保护法，被保护的钢管桩应作为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，使钢管桩表面腐蚀电流接近于零，保护钢管桩不被腐蚀，正确；B.通电后，惰性高硅铸铁作阳极，海水中的氯离子在阳极失电子发生氧化反应，电子由高硅铸铁流出经导线流向电源正极，再从电源负极流出经导线流向钢管桩，正确；C.高硅铸铁为惰性辅助阳极，所以高硅铸铁不损耗，错误；D.在保护过程中要使被保护金属结构电位低于周围环境，则通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整，正确。

【点评】该题明确电化学原理以及金属的防腐蚀原理是解答的关键，钢管桩表面腐蚀电流的理解是难点，考查学生分析问题的能力以及提取题干信息的能力，即高硅铸铁为惰性辅助阳极，性质不活泼，不会被损耗。

【归纳总结】(1)金属腐蚀的类型

腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性强负极反应Fe-2e-Fe2+正极反应O2+4e-+2H2O4OH-2H++2e-H2↑腐蚀作用主要腐蚀类型,有广泛性局部区域

(2)金属防护的几种重要方法

①改变金属的内部组织结构合金钢中含有合金元素，使组织结构发生变化，耐腐蚀。如：不锈钢。

②在金属表面覆盖保护层。常见方式有：涂油脂、油漆或覆盖搪瓷、塑料等；使表面生成致密氧化膜；在表面镀一层有自我保护作用的另一种金属。

③电化学保护法：

a.外加电源的阴极保护法：接上外加直流电源构成电解池，被保护的金属作阴极。

b.牺牲阳极的阴极保护法：外加负极材料，构成原电池，被保护的金属作正极。

总之，通过分析近年高考化学试题我们发现，原电池主要考查新型电池、燃料电池以及二次电池的工作原理，涉及了电极反应式的书写及相关计算。往往借助新的情景，如近年顶级化学期刊上发表的新型电池为载体，考查电化学基础知识和基本技能。只要我们紧扣教材，明确电化学的大致命题方向，有意识地对于典型试题进行适当地归类整理和总结，学生对电化学知识的复习就能做到有条不紊，取得满意的结果。