《2025年优化探究同步导学案高中化学选择性必修1人教版》

二、“神舟”飞船中的电池
1. 当飞船进入光照区时，太阳能电池为用电设备供电，同时为镍镉电池充电，此时，镍镉电池的电极反应为
负极：$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$；
正极：$2\mathrm{Ni(OH)_2} + 2\mathrm{OH^-} - 2\mathrm{e^-} \longrightarrow 2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H_2O}$
$\mathrm{NiOOH}$常称为氢氧化氧镍或碱式氧化镍，其中镍为+3 价。
2. 当飞船进入阴影区时，由镍镉电池提供电能，此时，电极反应为
负极：$\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}-2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd(OH)_2}$；
正极：$2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H_2O} + 2\mathrm{e^-} \longrightarrow 2\mathrm{Ni(OH)_2} + 2\mathrm{OH^-}$。

答案： 1.$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$
2.$\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}-2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd(OH)_2}$

1. 航天飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的 MCFC 型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为$2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \longrightarrow 2\mathrm{H_2O}$，负极反应为$\mathrm{H_2} + \mathrm{CO_3^{2-}} - 2\mathrm{e^-} \longrightarrow \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$，则下列推断正确的是
(A)
A.电池工作时，$\mathrm{CO_3^{2-}}$向负极移动
B.电池放电时，电子由通氧气的正极经外电路流向通氢气的负极
C.正极的电极反应为$4\mathrm{OH^-} - 4\mathrm{e^-} \longrightarrow \mathrm{O_2} \uparrow + 2\mathrm{H_2O}$
D.通氧气的电极发生氧化反应

答案： 1.A 原电池工作时，阴离子移向负极，电子由负极经外电路流向正极，A项正确，B项错误；通氧气的电极为正极，发生还原反应，电极反应为$\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{CO_2}=2\mathrm{CO_3^{2-}}$，C、D项错误。

2. (2023·北京房山区高二检测)我国神舟系列载人飞船成功进入太空，其电力系统主要由太阳能电池和储能电池构成。据悉，储能电池采用“镍镉蓄电池组”，电池总反应：$\mathrm{Cd} + 2\mathrm{NiOOH} + 2\mathrm{H_2O} \underset{ 充电}{\overset{ 放电}{\rightleftharpoons}} \mathrm{Cd(OH)_2} + 2\mathrm{Ni(OH)_2}$。
下列说法不正确的是
(D)

A.当飞船进入光照区时，太阳能电池可为镍镉电池充电
B.镍镉电池放电时负极反应：$\mathrm{Cd} - 2\mathrm{e^-} + 2\mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{Cd(OH)_2}$
C.镍镉电池充电时阳极反应：$\mathrm{Ni(OH)_2} - \mathrm{e^-} + \mathrm{OH^-} \longrightarrow \mathrm{NiOOH} + \mathrm{H_2O}$
D.镍镉电池充电时电解质溶液中的$\mathrm{OH^-}$移向镉电极

答案： 2.D 由题给电池总反应:$\mathrm{Cd}+2\mathrm{NiOOH}+2\mathrm{H_2O}\overset{放电}{\underset{充电}{\rightleftharpoons}}\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{Ni(OH)_2}$知，放电时$\mathrm{Cd}$元素化合价升高失电子，故$\mathrm{Cd}$为负极，电极反应为$\mathrm{Cd}-2\mathrm{e^-}+2\mathrm{OH^-}=\mathrm{Cd(OH)_2}$，$\mathrm{NiOOH}$为正极，电极反应为$\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H_2O}+\mathrm{e^-}=\mathrm{Ni(OH)_2}+\mathrm{OH^-}$，充电时，$\mathrm{Cd(OH)_2}$为阴极反应物，电极反应为$\mathrm{Cd(OH)_2}+2\mathrm{e^-}=\mathrm{Cd}+2\mathrm{OH^-}$，$\mathrm{Ni(OH)_2}$为阳极反应物,电极反应为$\mathrm{Ni(OH)_2}-\mathrm{e^-}+\mathrm{OH^-}=\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H_2O}$。当飞船进入光照区时，太阳能电池可为镍镉电池充电，A正确；放电时Cd元素化合价升高失电子，Cd为负极，镍镉电池放电时负极反应:$\mathrm{Cd}-2\mathrm{e^-}+2\mathrm{OH^-}=\mathrm{Cd(OH)_2}$，B正确；充电时，$\mathrm{Ni(OH)_2}$为阳极反应物，镍镉电池充电时阳极反应:$\mathrm{Ni(OH)_2}-\mathrm{e^-}+\mathrm{OH^-}=\mathrm{NiOOH}+\mathrm{H_2O}$，C正确；镍镉电池充电时，电解质溶液中的$\mathrm{OH^-}$移向$\mathrm{NiOOH}$电极(阳极)，D错误。

3. (2023·湖南株洲高二检测)自重轻、体积小、容量大、使用安全、环保是新型电池的典型特点，回答下列问题：
Ⅰ.“阿波罗”飞船中使用的氢氧燃料电池部分结构如图所示。

(1) 电池的正极为电极b(填“a”或“b”)，其表面上发生的电极反应为$\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$。
(2)“神舟”飞船是中国自行研制的，具有自主知识产权的载人飞船，其返回舱使用的是银锌蓄电池组。银锌电池结构如图所示，放电时总反应为$\mathrm{Ag_2O} + \mathrm{Zn} + \mathrm{H_2O} \longrightarrow 2\mathrm{Ag} + \mathrm{Zn(OH)_2}$。电池放电时负极质量增大(填“增大”“减小”或“不变”)，电池放电时电解质溶液的 pH增大。

Ⅱ. 非水系锂氧($\mathrm{Li-O_2}$)电池因其高能量密度而成为一种有前景的先进电池技术，其放电电池示意图以及正极示意图分别为图 1 和图 2，隔膜 a 只允许$\mathrm{Li^+}$通过。


(3)放电时，电池的总反应为$2\mathrm{Li}+\mathrm{O_2}=\mathrm{Li_2O_2}$；电解液 a 不选用$\mathrm{LiCl}$水溶液的原因可能是Li与水剧烈反应，产生易爆的$\mathrm{H_2}$，存在安全隐患（或其他合理答案）。
(4)不考虑其他副反应，若放电前两电极质量完全相同，放电时，电路中转移 1 mol $\mathrm{e^-}$，正、负电极的质量之差为30g(假设生成的不溶物全覆盖在电极表面，生成的可溶物全部扩散至电解液中，参与电极反应的物质均过量)(相对原子质量：$\mathrm{Li}$～7 $\mathrm{O}$～16)。

答案： 3.答案:
(1)b $\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$
(2)增大 增大
(3)$2\mathrm{Li}+\mathrm{O_2}=\mathrm{Li_2O_2}$ Li与水剧烈反应，产生易爆的$\mathrm{H_2}$，存在安全隐患（或其他合理答案）
(4)30
解析:
(1)氢氧燃料电池中，正极通入氧化剂，负极通入燃料，由图可知，电池的正极为电极b，其表面上发生的电极反应为$\mathrm{O_2}+4\mathrm{e^-}+2\mathrm{H_2O}=4\mathrm{OH^-}$。
(2)电池放电时的负极反应为$\mathrm{Zn}-2\mathrm{e^-}+2\mathrm{OH^-}=\mathrm{Zn(OH)_2}$，负极质量增大；根据总反应$\mathrm{Ag_2O}+\mathrm{Zn}+\mathrm{H_2O}=\mathrm{2Ag}+\mathrm{Zn(OH)_2}$，反应消耗了水，电解质浓度增大，溶液的pH增大。
(3)结合电池装置图，锂失电子作负极，电极反应为$\mathrm{Li}-\mathrm{e^-}=\mathrm{Li^+}$，正极电极反应为$\mathrm{O_2}+2\mathrm{e^-}+2\mathrm{Li^+}=\mathrm{Li_2O_2}$，放电时，电池的总反应为$2\mathrm{Li}+\mathrm{O_2}=\mathrm{Li_2O_2}$；电解液a不选用$\mathrm{LiCl}$水溶液的原因可能是Li与水剧烈反应，产生易爆的$\mathrm{H_2}$，存在安全隐患。
(4)结合第
(3)问可知，放电时，电路中转移$1\mathrm{mol}\ \mathrm{e^-}$，负极质量减少7g，正极的质量增加23g，正、负电极的质量之差为30g。