《2025年学霸高考黑题化学人教版》

经典真题1 原电池类 (2024·浙江6月，19题节选)氢是清洁能源，硼氢化钠(NaBH₄)是一种环境友好的固体储氢材料，其水解生氢反应方程式如下：(除非特别说明，本题中反应条件均为25℃、101kPa)
NaBH₄(s)+2H₂O(l)=NaBO₂(aq)+4H₂(g) ΔH＜0
氢能的高效利用途径之一是在燃料电池中产生电能。某研究小组的自制熔融碳酸盐燃料电池工作原理如图所示，正极上的电极反应式是$O_2 + 4e^- + 2CO_2 \longrightarrow 2CO_3^{2-}$。该电池以3.2A恒定电流工作14分钟，消耗H₂体积为0.49L，故可测得该电池将化学能转化为电能的转化率为70%。
[已知：该条件下H₂的摩尔体积为24.5L·mol⁻¹；电荷量q(C)=电流I(A)×时间(s)；Nₐ=6.0×10²³mol⁻¹；e⁻=1.60×10⁻¹⁹C]

答案： 经典真题1 $O_2 + 4e^- + 2CO_2 \longrightarrow 2CO_3^{2-}$ 70%
解题思路
装置判断：由题中信息可知，该装置为原电池。
电极判断：由于这是氢燃料电池，加入物质为氢气和氧气，总反应为$2H_2 + O_2 \longrightarrow 2H_2O$，氢气被氧化，左侧电极为负极；氧气被还原，右侧电极为正极。
正极电极反应式：$O_2 + 2CO_2 + 4e^- \longrightarrow 2CO_3^{2-}$；负极电极反应式：$H_2 + CO_3^{2-} - 2e^- \longrightarrow CO_2 + H_2O$。
解析：根据题干信息，该燃料电池中通入$H_2$的电极为负极，通入$O_2$的电极为正极，熔融碳酸盐为电解质溶液，故正极的电极反应式为$O_2 + 4e^- + 2CO_2 \longrightarrow 2CO_3^{2-}$，该条件下，$0.49\ L\ H_2$的物质的量为$n(H_2)=\frac{0.49\ L}{24.5\ L· mol^{-1}} = 0.02\ mol$，工作时，$H_2$失去电子，该电极反应式为$H_2 - 2e^- \longrightarrow 2H^+$，所带电荷量为$2 × 0.02\ mol × 6.0 × 10^{23}\ mol^{-1} × 1.6 × 10^{-19}\ C = 3840\ C$，工作电荷量为$3.2\ A × 14 × 60\ s = 2688\ C$，则该电池将化学能的转化率为$\frac{2688\ C}{3840\ C} × 100\% = 70\%$。

经典真题2 电解池类 (2024·北京，16题节选)HNO₃是一种重要的工业原料。可采用不同的氮源制备HNO₃。
研究表明可以用电解法以N₂为氮源直接制备HNO₃，其原理示意图如下。

(1)电极a表面生成NO₃⁻的电极反应式为$N_2 - 10e^- + 6H_2O \longrightarrow 2NO_3^- + 12H^+$。
(2)研究发现：N₂转化可能的途径为N₂→NO→NO₃⁻。电极a表面还发生H₂O→O₂。iii的存在，有利于途径ii，原因是反应ⅲ生成$O_2$，$O_2$将$NO$氧化成$NO_2$，$NO_2$更易转化成$NO_3^-$。

答案： 经典真题2
(1)$N_2 - 10e^- + 6H_2O \longrightarrow 2NO_3^- + 12H^+$
(2)反应ⅲ生成$O_2$，$O_2$将$NO$氧化成$NO_2$，$NO_2$更易转化成$NO_3^-$
解题思路
装置判断：由题中信息可知，该装置为电解池。
电极判断：由图可知，电极$a$上氮气被氧化成硝酸根离子，电极$a$为阳极，电极$b$上水中的氢元素被还原成氢气，电极$b$为阴极。
阳极电极反应式：$N_2 - 10e^- + 6H_2O \longrightarrow 2NO_3^- + 12H^+$；阴极电极反应式：$2H^+ - 2e^- \longrightarrow H_2 \uparrow$。
解析：
(1)由电极$a$上的物质转化可知，氮元素化合价升高，发生氧化反应，电极$a$为阳极，电极反应式为$N_2 - 10e^- + 6H_2O \longrightarrow 2NO_3^- + 12H^+$。
(2)反应ⅲ生成$O_2$，$O_2$将$NO$氧化成$NO_2$，$NO_2$更易转化成$NO_3^-$。

巩固训练1 (2025·黑龙江哈尔滨三模节选)回收锂离子电池有利于环境保护、缓解金属资源短缺、促进锂离子电池产业可持续发展。近日中国科学技术大学陈维课题组首次提出了一种基于电化学原理的绿色可持续方案，能够同时实现废旧锂离子电池的锂资源回收、工业尾气中NO₂的捕获和转化，同时获得电能，其原理如图所示，图中应选用阳离子(填“阳离子”“阴离子”或“质子”)交换膜，左侧电极反应式为$LiFePO_4 - e^- \longrightarrow Li^+ + FePO_4$。

答案： 巩固训练1 阳离子 $LiFePO_4 - e^- \longrightarrow Li^+ + FePO_4$