高中化学 第四章 第二节化学电源学生版.docx

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高中化学第四章第二节化学电源学生版

[目标导航]　1.了解化学电源的分类。

2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理，会熟练书写电极反应式。

3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害及处理方法。

一、化学电池

1．概念：

是将化学能直接转化为电能的装置。

化学电池的主要组成是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。

2．分类

议一议

1．化学电池与其他能源相比有哪些优点？

答案　化学电池的优点是：

①能量转换效率高，供能稳定可靠。

②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便。

③易维护，可在各种环境下工作。

2．判断电池优劣的主要标准是什么？

答案　

（1）比能量：

即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是“（W·h）/kg”或“（W·h）/L”。

（2）比功率：

即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是“W/kg”或“W/L”。

（3）电池可储存时间的长短。

3．阅读教材，判断下列关于“化学电池及其分类”的叙述是否正确。

（1）化学电池都是将化学能直接转化为电能的装置（　　）

（2）化学电池通常可分为一次电池、二次电池和燃料电池等几大类（　　）

（3）放电后不能再使用的电池称为一次电池，如锌锰干电池等（　　）

（4）可充电、放电循环进行的铅蓄电池、氢镍电池等是二次电池（　　）

（5）通过不断充入燃料和氧化剂，连续使用的电池称为燃料电池（　　）

（6）氢氧燃料电池的正极和负极本身都不参与电极反应（　　）

二、常见的化学电池

1．一次电池

（1）碱性锌锰电池

①组成：

正极：

MnO2；负极：

Zn；电解质：

KOH。

②工作原理：

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－。

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池

①组成：

负极：

Zn，正极：

Ag2O，电解质：

KOH。

②工作原理：

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－。

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．二次电池（以铅蓄电池为例）

（1）组成：

正极：

PbO2；负极：

Pb；电解质：

H2SO4溶液。

（2）工作原理：

铅蓄电池是最常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程，电极反应式如下：

①放电

负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4；

正极：

PbO2＋2e－＋4H＋＋SO

===PbSO4＋2H2O；

总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

②充电

阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

（还原反应）；

阳极：

PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO

（氧化反应）。

总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

③铅蓄电池的充、放电过程：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

3．燃料电池

（1）工作原理

①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。

②燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化元件。

③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。

（2）氢氧燃料电池

①电池组成：

氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极。

②工作原理：

如图所示，在负极室通入H2，它在Pt电极上被催化分解为H原子，再失去电子成为H＋进入电解质溶液，透过隔膜，进入正极室；在正极室通入O2，经过Pt电极的催化，O2、H＋在正极上放电生成H2O。

议一议

1．如何给可充电电池充放电？

其充放电过程的区别与联系是什么？

答案　

（1）可充电电池充放电时电池的接法：

（2）区别：

放电时，电极正极：

还原反应负极：

氧化反应

充电时，电极阳极：

氧化反应阴极：

还原反应

联系：

电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。

2．如图是氢氧燃料电池示意图，请根据示意图判断正、负极，并试写出在不同电解质中的电极反应。

氢氧燃料电池示意图

介质

电池反应：

2H2＋O2===2H2O

酸性（H＋）

负极

正极

中性（Na2SO4）

负极

正极

碱性

（OH－）

负极

正极

一、“久考不衰”的二次电池

例1

　铅蓄电池是化学电源，它工作时的电池总反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

试回答：

（1）铅蓄电池负极的电极材料是___________________________________。

（2）工作时该蓄电池正极的电极反应式是_______________________________________。

（3）铅蓄电池工作时，电解质溶液的密度________，pH________（填“减小”、“增大”或“不变”）。

归纳总结

1．可充电电池电极极性和两极反应物的判断

判断电池放电时电极极性和参加反应的物质，可先标出放电（原电池）总反应电子转移的数目，失去电子的一极为负极，该物质即为负极参加反应的物质；得到电子的一极为正极，该物质即为正极参加反应的物质。

若判断电池充电时电极极性和参加反应的物质，可直接利用阳极反应为放电时的正极反应倒置，阴极反应为放电时的负极反应倒置，进行判断。

2．电极反应的书写方法

书写可充电电池电极反应，一般都是先书写放电的电极反应。

书写放电的电极反应时，一般分三步书写：

第一，先标出原电池总反应电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应（书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存）；第三，在电子守恒的基础上，总反应减去写出的电极反应即得另一电极反应。

充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。

3．溶液中离子的移动方向判断

放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。

4．pH变化规律

若电极反应消耗OH－（H＋），则电极周围溶液的pH减小（增大），若电极反应生成H＋（OH－），则电极周围溶液的pH减小（增大）；若总反应的结果是消耗OH－（H＋），则溶液的pH减小（增大），若总反应的结果是生成H＋（OH－），则溶液的pH减小（增大）；若两极消耗或生成的OH－（H＋）的物质的量相等，则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定，应具体分析。

变式训练1市场上经常见到的标记为Liion的电池称为“锂离子电池”。

它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li＋的高分子材料。

这种锂离子电池的电池反应式为Li＋2Li0.35NiO2

2Li0.85NiO2。

下列说法不正确的是（　　）

A．放电时，负极的电极反应式：

Li－e－===Li＋

B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应

C．该电池不能用水作为电解质溶液

D．放电过程中Li＋向负极移动

二、“一池多变”的燃料电池

例2

　以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。

（1）酸性条件燃料电池总反应式：

______________________________________________。

正极反应式：

____________________________________________。

负极反应式：

____________________________________________________。

（2）碱性条件燃料电池总反应式：

_____________________________________。

正极反应式：

______________________________________________。

负极反应式：

_________________________________________________。

（3）固体电解质（高温下能传导O2－）燃料电池

总反应式：

________________________________________________。

正极反应式：

__________________________________________。

负极反应式：

_____________________________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下电池总反应式：

________________________________________________________________________。

正极反应式：

________________________________________。

负极反应式：

___________________________________________。

方法规律

（1）书写燃料电池的总反应方程式时就相当于燃料燃烧，然后看一下产物与所用电解质是否能发生反应，若能发生反应，电解质溶液也参与反应，要写在总反应方程式中。

（2）燃料电池正极反应物是氧气，正极反应的本质都是氧气得电子生成O2－，发生还原反应，故正极反应式的基础都是O2＋4e－===2O2－。

（3）正极产生的O2－的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。

变式训练2　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

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

2．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pH不断增大

3．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，电解质溶液为KOH溶液，电极反应为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

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经外电路流向Zn极

C．Zn是负极，Ag2O是正极

D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应

4．一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极上通入乙烷和氧气，其电极反应式为C2H6＋18OH－－14e－===2CO

＋12H2O、7H2O＋7/2O2＋14e－===14OH－，有关此电池的推断正确的是（　　）

A．通氧气的电极为负极

B．参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为7∶2

C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度不变

D．电解质溶液中，CO

向正极移动

5．我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。

电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3，下列说法不正确的是（　　）

A．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极

C．以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积

D．该电池通常只需更换铝板就可继续使用

[基础过关]

一、常见的化学电池

1．下列说法正确的是（　　）

A．碱性锌锰电池是二次电池

B．铅蓄电池是一次电池

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D．燃料电池的活性物质大量储存在电池内部

2．下列有关电池的说法不正确的是（　　）

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．锌铜原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

3．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2O

PbO2＋Pb＋2H2SO4。

下列对铅蓄电池的说法错误的是（　　）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时铅是负极，PbO2是正极

C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO

===PbSO4

D．工作时电解质的密度减小

4．氢氧燃料电池已用于航天飞机，它是以铂作电极，KOH溶液作电解质，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，负极反应为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，下列叙述不正确的是（　　）

A．H2在负极发生氧化反应

B．燃料电池的能量转化率可达100%

C．是一种高效、环保的发电装置

D．供电时的总反应为2H2＋O2===2H2O

二、根据电极反应式或总反应式分析电池的有关变化

5．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为

3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH

下列叙述不正确的是（　　）

A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

B．充电时阳极反应为Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO

＋4H2O

C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

6．甲醇燃料电池（DMFC）可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；电解质是质子交换膜，它能传导氢离子（H＋）。

电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

下列叙述中不正确的是（　　）

A．负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

B．电池的总反应式是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．电池工作时，H＋由正极移向负极

D．电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路流入通氧气的一极

7．LiAl/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe。

有关该电池的下列说法中，正确的是（　　）

A．LiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价

B．该电池的总反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应式为Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

三、新型电池的开发利用

8．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。

电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。

下列对该燃料电池的说法不正确的是（　　）

A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极

B．该电池的总反应是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O

C．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙烷被完全氧化

D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O

9.

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

10.

如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是（　　）

A．该系统中只存在3种形式的能量转化

B．装置Y中负极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

[能力提升]

11．某原电池中，电解质溶液为KOH（aq），向负极通入C2H4或Al（g），向正极通入O2或Cl2。

试完成下列问题：

（1）当分别通入C2H4和O2时：

①正极反应：

_____________________________________；

②负极反应：

________________________________；

③电池总反应：

__________________________________________。

（2）当分别通入少量Al（g）和Cl2时：

①正极反应：

________________________________________________；

②负极反应：

___________________________________________；

③电池总反应：

______________________________________________。

12．设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。

最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。

回答如下问题：

（1）以丁烷代表汽油，写出这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式：

__________________________________________。

（2）写出这个电池的正极发生的反应：

____________________________________________。

负极发生的反应：

_____________________________________________。

固体电解质里的O2－的移动方向是________________________________________________。

向外电路释放电子的电极是_____________________________________________。

[拓展探究]

13．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。

如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉。

铂吸附气体

的能力强，性质稳定。

请回答：

（1）氢氧燃料电池能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子流动方向为________（用a、b表示）。

（2）负极反应式为________。

（3）电极表面镀铂粉的原因是___________________________________

________________________________________________________________________。

（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。

因此，大量安全储氢是关键技术之一，金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H2

2LiH

Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是______，反应Ⅱ中的氧化剂是______。

②已知LiH固体密度为0.82g·cm－3，用锂吸收224L（标准状况）H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比值为____________。

③由②生成的LiH与H2O作用放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。