江蘇 陳仕功

有關(guān)非水體系的電化學(xué)試題賞析

江蘇 陳仕功

隨著工業(yè)水平長足進步，原電池在電動車、移動通信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)、潛艇、海上油氣井方面的應(yīng)用越來越廣泛，其中非水體系的原電池更是憑借比能量高、使用壽命長、對環(huán)境友好、應(yīng)用場合多等優(yōu)點而聲名鵲起。近年來，各省市高考命題中把應(yīng)用于生產(chǎn)實際或正在研究的非水體系原電池進行簡化、適度改編，突出其前瞻性、科學(xué)性、探究性，受到社會各界一致好評，成為高考試題中耀眼的明星，現(xiàn)將非水體系的電化學(xué)試題根據(jù)電解質(zhì)不同做一歸納，以供參考。

一、熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)

例1 （2 0 1 5·江蘇）一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。下列有關(guān)說法正確的是（ ）

【答案】D

【背景知識】熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池，電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。它是一種高溫電池，具有效率高、噪音低、無污染、燃料多樣化（煤氣、天然氣和生物燃料等）、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等優(yōu)點，是下一世紀的綠色電站。

二、固體金屬氧化物作為電解質(zhì)

例2 （2 0 1 5·浙江）在固態(tài)金屬氧化物電解池中，高溫電解H2O－C O2混合氣體制備H2和C O是一種新的能源利用方式，基本原理如圖所示。下列說法不正確的是（ ）

A.X是電源的負極

D.陰、陽兩極生成的氣體的物質(zhì)的量之比是1∶1

【答案】D

【解析】與X相連的電極發(fā)生H2O→H2、C O2→C O的轉(zhuǎn)化，均得電子，應(yīng)為電解池的陰極，則X為電源的負極，A正確；陰極H2O→H2、C O2→C O均得電子發(fā)生還原反應(yīng)，B正確；從圖示可知，H2O→H2、C O2→C O轉(zhuǎn)化的同時有O2生成，C正確；從總反應(yīng)可知，陰陽極兩極生成的氣體物質(zhì)的量之比2∶1，D不正確。

【背景知識】固體氧化物燃料電池是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，屬于高溫燃料電池。由于該電池發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)，非常適合用于分布式發(fā)電。

三、鋰鹽的有機溶液作為電解質(zhì)

例3（2 0 1 4·海南，節(jié)選）鋰錳電池的體積小、性能優(yōu)良，是常用的一次電池。該電池反應(yīng)原理如圖所示，其中電解質(zhì)L i C l O4溶于混合有機溶劑中，L i＋通過電解質(zhì)遷移入M n O2晶格中，生成L i M n O2?；卮鹣铝袉栴}：

（1）外電路的電流方向是由_______極流向_______極。

（2）電池正極反應(yīng)式為_____________________________。

（3）是否可用水代替電池中的混合有機溶劑？________（填“是”或“否”），原因是______________________________。

【背景知識】鋰－二氧化錳電池以經(jīng)過特殊工藝處理的二氧化錳為正極活性物質(zhì)，以高電位、高比能量的金屬鋰為負極活性物質(zhì)，電解液采用導(dǎo)電性能良好的有機電解質(zhì)溶液。鋰－二氧化錳電池的反應(yīng)機理不同于一般電池，在非水有機溶劑中，負極鋰溶解下的鋰離子通過電解質(zhì)遷移進入M n O2的晶格中，生成M n O2（L i＋）。M n由＋4價還原為＋3價，其晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。

四、N a A l C l4熔鹽作為電解質(zhì)

例4 （2 0 1 3·新課標Ⅱ）“Z E B R A”蓄電池的結(jié)構(gòu)如圖所示，電極材料多孔N i／N i C l2和金屬鈉之間由鈉離子導(dǎo)體制作的陶瓷管相隔。下列關(guān)于該電池的敘述錯誤的是（ ）

A.電池反應(yīng)中有N a C l生成

B.電池的總反應(yīng)是金屬鈉還原三個鋁離子

D.鈉離子通過鈉離子導(dǎo)體在兩電極間移動

【答案】B

【背景知識】“Z E B R A”蓄電池正極為鎳和氯化鎳，在電池工作溫度區(qū)域均為固態(tài)物質(zhì)，為了便于發(fā)生在電池正極電化學(xué)反應(yīng)過程中的鈉離子進行遷移，添加一種在電池工作溫度區(qū)域既能進行鈉離子傳導(dǎo)又不參與正常電極反應(yīng)的第二液態(tài)電解質(zhì)，即N a A l C l4熔鹽電解質(zhì)。電極反應(yīng)過程是：放電時電子從負極鈉通過外電路至正極氯化鎳，鈉離子通過固體電解質(zhì)陶瓷管與氯化鎳反應(yīng)生成氯化鈉和鎳；充電時在外電源作用下電極過程與放電時相反。

五、熔融的鋰鹽作為電解質(zhì)

例5 （2 0 1 3·安徽）熱激活電池可用作火箭、導(dǎo)彈的工作電源。一種熱激活電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，其中作為電解質(zhì)的無水L i C l－K C l混合物受熱熔融后，電池即可瞬間輸出電能。該電池總反應(yīng)為P b S O4＋2 L i C l＋C a C a C l2＋L i2S O4＋P b。下列有關(guān)說法正確的是（ ）

B.放電過程中，L i＋向負極移動

C.每轉(zhuǎn)移0.1m o l電子，理論上生成2 0.7g P b

D.常溫時，在正負極間接上電流表或檢流計，指針不偏轉(zhuǎn)

【答案】D

【解析】正極發(fā)生還原反應(yīng)，故為P b S O4＋2 e－P b＋S O2－4，A錯誤；放電過程為原電池，陽離子向正極移動，B錯誤；每轉(zhuǎn)移0.1m o l電子，生成0.0 5m o l P b，為1 0.3 5g，C錯誤；常溫下，電解質(zhì)不能熔化，不能形成原電池，故指針不偏轉(zhuǎn)，D正確。

【背景知識】熱激活電池工作分兩個過程：一個是電池的激活過程，另一個是電池的放電過程。激活時，電池內(nèi)部工作溫度從常溫迅速上升到它的最高溫度（5 5 0℃左右），隨著電池的放電，電池內(nèi)部溫度隨著放電的進行緩慢下降，電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性由強變?nèi)酰姵氐膬?nèi)阻也相應(yīng)變大，當溫度下降到一定程度，電解質(zhì)逐步凝固。

（作者單位：江蘇省響水中學(xué)）