第9课 化学电源.docx

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第9课化学电源

2018寒假冲刺600班化学课程

第九课化学电源

【本课预习】（线下操作提示：

进行课前检查，可对完成好的学生予以酌情奖励）

1.充电电池在放电时所发生的__________________，在充电时_____________，并使电池恢复到放电前状态，它的突出优点是____________________________，请你的举出两例常见的充电电池______________________。

2.干电池与充电电池的本质区别在于：

___________________________；而燃料电池与干电池或蓄电池的主要区别是在于反应物________________电池内部，而是由_____________

提供_____________________等。

3.关于原电池的下列说法中错误的是（）。

A．原电池是一种将化学能直接转化为电能的装置

B．原电池中，正极发生氧化反应

C．充电电池在充电时，将电能转化为化学能贮存在电池中

D．在燃料电池的负极上发生反应的通常是可燃性气体

【参考答案】

1.所进行的氧化还原反应，可以逆向进行，可以重复使用，经济实惠铅蓄电池、锂电池等

2.内部的氧化还原反应是否可逆不是储存在外设装备燃料和氧化剂

3.B

【知识讲解】

一．化学电源原理和分类（线下操作提示：

此处请用原电池基本原理图进行分析）

1.原电池的设计与判断

（1）依据Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑设计原电池，可选用铁片作负极，铜片（或石墨）作正极，用导线连接后，置于电解质溶液稀硫酸中。

（2）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，也能构成原电池，其电极反应式：

负极为Cu－2e－===Cu2＋；正极为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

（3）若

（2）题中电极材料选铜和铁，则电极反应式：

负极为Fe－2e－===Fe2＋，正极为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，其电池总反应的离子方程式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。

以上三种电池并不能提供稳定的电流，为了能提供稳定的电流，人们根据原电池的原理，设计了多种多样的化学电池。

2.化学电池是将化学能转化成电能的装置。

其种类很多，常分为以下三类。

请你举出生活中常见的电池，并将其分类填入下表。

种类

特点（分类依据）

实例

一次电池

放完电以后不能再使用

普通锌锰电池、碱性锌锰电池

二次电池

充电、放电可循环进行

铅蓄电池、镍氢电池

燃料电池

可通过不断充入燃料、氧化剂，连续使用

氢氧燃料电池、CH4燃料电池

【知识应用】

★1．下列有关化学电池的说法中正确的是（　　）

A．化学电池只能将化学能转化为电能

B．燃料电池能将全部化学能转化为电能

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可再充电使活性物获得再生

D．一次电池包括干电池和蓄电池

解析：

　化学电池工作时也有少量热量产生，故化学能也部分转化为热能，A错误；任何电池的效率不能达到100%，燃料电池的能量转化率为80%左右，B错误；蓄电池并不是一次电池，故D错误。

答案：

　C

★2.随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是（　　）

A.利用电池外壳的金属材料

B.防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C.不使电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品

D.回收其中石墨电极

答案　B

解析　汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。

【要点小结】

不同种类化学电源的特点：

（1）一次电池：

活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。

（2）二次电池：

两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。

（3）燃料电池：

两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。

【拓展提升】

★1.下列说法错误的是（　　）

A.依据原电池的原理设计出了化学电源

B.原电池是化学电源的雏形

C.判断电池的正负极只需看其正负极材料的活泼性

D.氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源

答案　C

解析　判断电池的正负极不仅与电极材料有关，还与电解质溶液有关。

★2.下列说法中错误的是（　　）

A.化学电池是将化学能转变成电能的装置

B.化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等

C.化学电池供能稳定可靠，使用方便，易于维护

D.废旧电池可以随意丢弃

答案　D

★★3.下列电池工作时，O2在正极放电的是（　　）

答案　B

解析　A项，锌锰电池，Zn是负极，MnO2为正极，所以正极放电的物质是二氧化锰；B项，氢燃料电池中，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，通入氧气的一极为原电池的正极；C项，铅蓄电池负极为Pb，正极为PbO2放电；D项，镍镉电池负极为Cd，正极为NiO（OH）放电。

【知识讲解】

二．常见化学电源（线下操作提示：

可以带实物到课堂让学生观摩）

1.一次电池

（1）碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液。

已知该电池总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2，则

①负极反应式：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，

②正极反应式：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

（2）锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。

试根据总反应式Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag判断：

①负极是Zn，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

②正极是Ag2O，电极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

2.二次电池

铅蓄电池是常见的二次电池，其负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。

已知铅蓄电池的放电反应和充电反应表示如下：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

（1）请你分析并写出铅蓄电池放电时的电极反应式

负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）；

正极：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）。

（2）放电过程中，电解质溶液的pH变大，理由是H2SO4不断被消耗，使c（H＋）减小，pH增大。

3.燃料电池

（1）氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料（H2）和氧化剂（O2），分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。

氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应

介质

负极反应式

正极反应式

酸性

2H2－4e－===4H＋

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

中性

2H2－4e－===4H＋

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

碱性

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。

若用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入甲醇（CH3OH）和氧气，发生原电池反应。

在负极发生氧化反应的是CH3OH，其最终产物是H2O、CO

，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO

＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO

＋6H2O。

【知识应用】

★★1.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。

碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn（s）＋2MnO2（s）＋2H2O（l）===Zn（OH）2（s）＋2MnOOH（s）。

下列说法中错误的是（　　）

A.电池工作时，锌失去电子

B.电池正极的电极反应式为2MnO2（s）＋2H2O（l）＋2e－===2MnOOH（s）＋2OH－（aq）

C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极

D.外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量减少6.5g

答案　C

解析　本题要求利用原电池原理分析碱性锌锰电池：

锌为负极，在反应中失去电子；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子移动方向与电流方向相反，故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池原理写出正极反应式知B正确。

★2.用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池——燃料电池，该电池放电时发生的反应为CH4＋2KOH＋2O2===K2CO3＋3H2O。

下列说法错误的是（　　）

A.通甲烷的一极为负极，通氧气的一极为正极

B.放电时，通入O2一极附近溶液的pH升高

C.放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化

D.通甲烷极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

答案　C

解析　原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总反应式知，此燃料电池的电极反应式是

正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

由此可见A、B、D正确，错误的为C。

【要点小结】

化学电源电极反应式的书写

（1）根据装置书写电极反应式

①先分析题目给定的图示装置，确定原电池的正负极上的反应物质。

②电极反应式的书写

a．负极：

活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。

如铅蓄电池，负极：

Pb＋SO42－－2e－===PbSO4。

b．正极：

阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：

电解质是碱性或中性：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电解质是酸性：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

③正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

（2）可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。

①原电池的负极与电解池的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。

②原电池的正极与电解池的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。

（3）燃料电池的电极反应方程式书写：

以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤如下。

1根据电解质溶液环境确认总反应方程式：

2H2＋O2===2H2O

2根据电解质溶液环境书写正极方程式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

3用总反应式2H2＋O2===2H2O减去正极反应式得负极反应式为：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

【拓展提升】

★1.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

下列结论正确的是（　　）

A.Pb为正极被氧化

B.溶液的pH不断减小

C.SO

只向PbO2处移动

D.电解质溶液的密度不断减小

答案　D

解析　由题给电极反应可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，H2SO4浓度减小，溶液密度减小，所以B错，D对；由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极，所以A不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb极流向PbO2极；内电路中，负电荷（SO

和OH－）移向Pb极，所以C不正确。

★★2.一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。

下列有关说法正确的是（　　）

A.检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动

B.若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气

C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O

D.正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

答案　C

解析　在原电池中，电解质溶液中的阳离子应向正极移动，A错；每消耗1molO2，转移4mol电子，若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗2.24LO2，B错；根据题意，电解质溶液呈酸性，正极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D错。

★★★3．某原电池中盛有KOH浓溶液，若分别向________（填“正”或“负”，下同）极通入可燃性气体，向________极通入O2，则电路中就有电流通过，试完成下列问题：

可燃性

气体

正极反应

负极反应

电池总反应

pH变化

（1）

H2

（2）

CO

（3）

CH4

[解析]

正极反应

负极反应

电池总反应

pH变化

（1）

O2＋4e－＋2H2O====4OH－

H2－2e－＋2OH－====2H2O

2H2＋O2====2H2O

变小

（2）

CO－2e－＋4OH－====CO

＋2H2O

2CO＋O2＋4OH－====2CO

＋2H2O

变小

（3）

CH4－8e－＋10OH－====CO

＋7H2O

CH4＋2O2＋2OH－====CO

＋3H2O

变小

【课堂练习】

★1.锌锰干电池在放电时总反应方程式可以表示为Zn（s）＋2MnO2＋2NH

===Zn2＋＋Mn2O3（s）＋2NH3↑＋H2O，该电池放电时正极（碳棒）上发生反应的物质是（　　）

A.ZnB.碳C.MnO2和NH

D.Zn2＋和NH3

答案　C

解析　根据方程式可知：

Zn为负极，碳棒为正极，负极：

Zn－2e－===Zn2＋，正极：

2MnO2＋2NH

＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O，所以正极上参与反应的物质是MnO2和NH

。

★★2.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。

有一种锌银电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质为KOH，电极反应为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

根据上述反应式，判断下列叙述中正确的是（　　）

A.在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大

B.在使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极

C.Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应

D.Zn是负极，Ag2O是正极

答案　D

解析　根据原电池原理：

负极失去电子发生氧化反应，正极得到电子发生还原反应，可以判断该原电池中Zn为负极，Ag2O为正极；根据电极反应可以得知负极区溶液的pH减小，故A、C错误；电子是从负极沿导线流向正极，故B错误。

★★3.某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。

下列说法正确的是（　　）

A.正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－

B.放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C.若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D.当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

答案　D

解析　原电池正极发生还原反应，该原电池正极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，A项不正确；该原电池放电时，负极材料中的Ag被氧化为Ag＋，Ag＋与附近的Cl－反应生成AgCl白色沉淀。

交换膜右侧溶液中无大量AgCl白色沉淀生成，B项不正确；由原电池负极反应Cl－＋Ag－e－===AgCl↓和正极反应Cl2＋2e－===2Cl－可知，若用NaCl溶液代替盐酸，电池总反应不变，C项不正确；由原电池的负极反应Cl－＋Ag－e－===AgCl↓可知，当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中减少0.01molCl－，同时约有0.01molH＋通过阳离子交换膜移至右侧，故交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子，D项正确。

★★4.“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。

（1）飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将________能转化为________能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。

其工作原理为

Cd＋2NiOOH＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2

充电时，阳极的电极反应式为_________________；当飞船运行到地影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（2）紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O

2Ag＋Zn（OH）2，其负极的电极反应式为________________________。

答案　

（1）太阳　电　Ni（OH）2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O　减小

（2）Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

解析　

（1）阳极是失电子发生氧化反应的一极，Ni（OH）2为阳极；放电时负极反应为Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，故溶液碱性减小。

★★5.原电池是化学对人类的一项重大贡献。

（1）如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：

①电池的负极是________（填“a”或“b”）电极，该极的电极反应式为____________。

②电池工作一段时间后电解质溶液的pH_______（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（2）熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。

可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。

请完成有关的电池反应式：

负极反应式：

2CO＋2CO

－4e－===4CO2；

正极反应式：

____________________________________________________________；

总电池反应式：

__________________________________________________________。

答案　

（1）①a　CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O　②减小　

（2）O2＋2CO2＋4e－===2CO

　2CO＋O2===2CO2

解析　

（1）CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。

由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。

（2）正极发生还原发应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。

【课后作业】

★★1.2013年3月我国科学家报道了如图所示的水溶液锂离子电池体系。

下列叙述错误的是（　　）

A.a为电池的正极

B.电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C.放电时，a极锂的化合价发生变化

D.放电时，溶液中Li＋从b向a迁移

答案　C

解析　图示所给出的是原电池装置。

A项，由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知，含有锂的一端为原电池的负极，即b为负极，a为正极，故正确；B项，电池充电时为电解池，反应式为原电池反应的逆反应，故正确；C项，放电时，a极为原电池的正极，发生还原反应的是Mn元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确；D项，放电时为原电池，锂离子为阳离子，应向正极（a极）迁移，故正确。

★2.一种充电电池放电时的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O；NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－。

当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是（　　）

A.H2O的还原B.NiO（OH）的还原

C.H2的氧化D.Ni（OH）2的氧化

答案　D

解析　当电池充电时，正极与外电源正极连接，发生氧化反应，排除A、B选项；电极反应式应是将放电时的正极电极反应式逆回去，故答案为D。

★★

3.右图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子（H＋）和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。

下列说法不正确的是（　　）

A.左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇

B.正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C.负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

D.该电池提供1mole－，消耗氧气0.25mol

答案　B

解析　电极反应式为

负极：

2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋

正极：

3O2＋12e－＋12H＋===6H2O，B错误；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1mol电子时，消耗O2为

＝0.25mol。

★★4.美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁－过氧化氢燃料电池系统。

其工作原理如图所示。

以下说法中错误的是（　　）

A.电池的负极反应为Mg－2e－===Mg2＋

B.电池工作时，H＋向负极移动

C.电池工作一段时间后，溶液的pH增大

D.电池总反应式是Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

答案　B

解析　Mg－H2O2燃料电池中Mg作负极：

Mg－2e－===Mg2＋，Pt作正极：

H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，总反应式为Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，消耗H＋，使c（H＋）减小，pH增大，且H＋移向正极。

★★5.一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。

下列有关该电池的说法正确的是（　　）

A.反应CH4＋H2O

3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol电子

B.电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O

C.电池工作时，CO

向电极B移动

D.电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO

答案　D

解析　A项，由化合价变化可知，每消耗1molCH4转移6mol电子；B项，电极A为负极，电极反应式为H2＋CO

－2e－===H2O＋CO2↑；C项，电池工作时，CO

向电极A移动；D项，电极B是正极，电极反应为O2＋2CO2＋2e－===2CO

。

★★★6.某新型可充电电池能长时间保持稳定的放电电压，该电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH。

（1）放电时负极反应为___________________________________________________。

（2）充电时Fe（OH）3发生________反应。

（3）放电时电子由________极流向________（填“正”或“负”）极。

（4）放电时1molK2FeO4发生反应，转移电子数是__________________。

答案　

（1）Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

（2）氧化　（3）负　正　（4）1.806×1024

解析　放电时锌在负极发生氧化反应，因为电解质是碱，故负极反应是Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；电子由负极流出，通过外电路流向正极，每1molK2FeO4发生反应，转移电子是3mol，数目是1.806×1024，充电时Fe（OH）3失去电子发生氧化反应。