高中化学 第四章 第二节 化学电源学案 新人教版.docx

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高中化学第四章第二节化学电源学案新人教版

化学电源

　1.知道化学电源的分类方法。

　2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。

3．了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。

知识点一　化学电源

阅读教材P74～P77，思考并填空。

一、化学电池

1．定义：

将化学能转化为电能的装置。

2．分类

3．优点

能量转化效率高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。

4．判断电池优劣的主要标准

（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（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W/kg或W/L。

（3）电池可储存时间的长短。

二、几种常见的化学电池

1．一次电池

（1）碱性锌锰电池

①构造

②组成

正极：

MnO2；负极：

Zn；电解质：

KOH。

③工作原理

负极反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池

①构造

②组成

正极：

Ag2O；负极：

Zn；电解质：

KOH。

③工作原理

负极反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===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）构造

（2）组成

正极：

PbO2；负极：

Pb；电解质：

H2SO4。

（3）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。

①放电过程

负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4（氧化反应）；

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O（还原反应）；

总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbO4＋2H2O。

②充电过程

阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

_（还原反应）；

阳极：

PbSO4＋2H2O－2e－===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。

1．想一想，连一连。

a．干电池　　　　　　　　①一次电池

b．铅蓄电池②二次电池

c．锌锰电池

答案：

a－①　b－②　c－①

2．人造卫星用到的一种高能电池——锌银电池，其电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

根据反应式判断氧化银是（　　）

A．负极　被氧化B．正极　被还原

C．负极　被还原D．正极　被氧化

解析：

选B。

锌银电池放电时，Ag2O得到电子被还原为Ag，故Ag2O作电池的正极。

化学电源电极反应式的书写

1．一般电极反应式的书写

2．复杂电极反应式的书写

3．给出电极反应式书写总反应式

根据给出的两个电极反应式，写出总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子相等，然后将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。

　若原电池正、负两极产生的阴、阳离子能与电解质溶液中的离子发生反应时，要把后续反应一并写入电极反应式中。

若反应式同侧出现不能共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO

，要写成反应后的物质，如H2O、PbSO4。

　铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应：

Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe（OH）2＋2Ni（OH）2。

下列有关该电池的说法不正确的是（　　）

A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe

B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe（OH）2　

C．电池充电过程中，阴极附近溶液pH降低

D．电池充电时，阳极反应为2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O

[解析]　因为放电时的反应中有氢氧化物生成，故电解质溶液是碱性溶液，因为铁的化合价升高，镍的化合价降低，故铁是负极，氧化镍是正极，故A和B均正确；充电时的阴极反应为Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－，故此时阴极附近的pH增大，故C错误；根据所给的放电时的电池反应可推知D正确。

[答案]　C

　以例1分析，怎样判断电极附近溶液pH的变化？

答案：

判断电极附近溶液pH的变化，主要应看电极反应式，如该电池的负极反应：

Fe－2e－＋2OH－===Fe（OH）2，OH－被消耗，故负极附近pH减小，正极反应为Ni2O3＋2e－＋3H2O===2Ni（OH）2＋2OH－，生成OH－，故正极附近pH变大；充电时同理分析，阳极反应：

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，阳极附近pH减小，阴极附近pH增大。

电极方程式书写时的注意事项

（1）正、负两极的电极反应式在得失电子相等时相加，即得总反应式。

（2）写电极反应式时，一定要注意电解质是什么，其中阴、阳离子要和电极反应式中出现的离子相对应。

在碱性电解质中，电极反应式中不能出现H＋；在酸性电解质中，电极反应式中不能出现OH－。

　　　　　化学电源工作原理

1．一种充电电池放电时的电极反应为

H2＋2OH－－2e－===2H2O；

NiOOH＋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．NiOOH的还原

C．H2的氧化D．Ni（OH）2的氧化

解析：

选D。

放电时为原电池反应，负极上失去电子，正极上得到电子；充电时为电解反应，与外电源正极连接的电极为阳极，由放电时的电极反应式知，阳极上发生的是Ni（OH）2的氧化反应，D正确。

2．Mg－H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该电池以海水为电解质溶液，示意图如图所示。

该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．Mg电极是该电池的正极

B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C．石墨电极附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正极移动

解析：

选C。

在原电池中活泼金属作负极，即Mg为负极，A错误；通入H2O2的一极为正极，在反应过程中发生还原反应，B错误；石墨电极的电极反应式为H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O，溶液pH增大，C正确；原电池中，电解质溶液中的阴离子向负极移动，D错误。

　　　　　电极方程式的书写

3．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

下列有关该电池的电极反应，正确的是（　　）

A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．负极反应为Zn＋2H2O－2e－===Zn（OH）2＋2H＋

C．正极反应为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH

D．正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

解析：

选D。

在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H＋。

在碱性电池中，负极的Zn失去电子形成的Zn2＋应该与OH－结合为Zn（OH）2。

4．高铁酸钾（K2FeO4）是一种强氧化剂，可作为水处理剂和高容量电池材料。

（1）FeCl3与KClO在强碱性条件下反应可制取K2FeO4，其反应的离子方程式为________________________________________________________________________。

（2）与MnO2－Zn电池类似，K2FeO4－Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为

________________________________________________________________________，

该电池总反应的离子方程式为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）K2FeO4中Fe元素化合价为＋6价，FeCl3中Fe为＋3价，故需要氧化剂，而ClO－具有强氧化性可作氧化剂，反应为2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO

＋3Cl－＋5H2O。

（2）K2FeO4作正极，发生还原反应，＋6价铁被还原为＋3价铁，Fe3＋与OH－反应生成Fe（OH）3。

Zn作负极，发生氧化反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2。

所以电极反应式分别为

正极：

2FeO

＋6e－＋8H2O===2Fe（OH）3＋10OH－，

负极：

3Zn－6e－＋6OH－===3Zn（OH）2，

总反应：

2FeO

＋8H2O＋3Zn===2Fe（OH）3＋3Zn（OH）2＋4OH－。

答案：

（1）2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO

＋5H2O＋3Cl－

（2）FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－

2FeO

＋8H2O＋3Zn===2Fe（OH）3＋3Zn（OH）2＋4OH－

知识点二　燃料电池

阅读教材P77～P78，思考并填空。

1．构造（以酸性氢氧燃料电池为例）

2．工作原理

负极反应：

2H2－4e－===4H＋；

正极反应：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O；

电池反应：

2H2＋O2===2H2O。

1．判断正误

（1）氢氧燃料电池是绿色电池。

（　　）

（2）氢氧燃料电池能量利用率为100%。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×

2．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电，电池的负极反应式为____________________。

解析：

该燃料电池中H2失去电子，产生H＋，因此通H2的电极为负极，由于该电池用H3PO4作电解质，故负极反应式为H2－2e－===2H＋。

答案：

H2－2e－===2H＋

燃料电池的工作原理及其应用

1．工作原理

（1）以H2、烃、醇、肼作燃料在负极上失电子发生氧化反应，以空气或O2作氧化剂在正极上得到电子发生还原反应，连续不断地把燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。

（2）所用电极一般为惰性电极。

（3）所用电解质为酸（或碱）、熔融氧化物（或熔融盐）等。

2．应用实例

（1）氢氧燃料电池

电解质

负极反应

正极反应

总反应式

酸性电

解质

2H2－4e－===4H＋

O2＋4e－＋

4H＋===

2H2O

2H2＋O2===2H2O

碱性电

解质

2H2－4e－＋4OH－

===4H2O

O2＋4e－＋

2H2O===

4OH－

2H2＋O2===2H2O

（2）烃类燃料电池

①CH4燃料电池

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CH4和O2，该电池的反应式为

负极反应：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O；

正极反应：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；

总反应式：

CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O。

②丁烷燃料电池

一个电极通入空气，另一电极通入丁烷，电池的电解质是掺杂了Y2O3（三氧化二钇）的ZrO2（二氧化锆）晶体，它在高温下能传导O2－。

该电池的电极反应式为

负极反应：

2C4H10＋26O2－－52e－===8CO2＋10H2O；

正极反应：

13O2＋52e－===26O2－；

总反应式：

2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O。

（1）燃料电池的特点

①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。

②电极材料本身不参与氧化还原反应。

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，生成物不断地被排除。

（2）燃料电池的优点

①能量转换率高，燃料电池的能量转换率超过80%，远高于普通燃烧过程。

②污染小。

（3）通可燃物的一极为电池的负极，通O2的一极为燃料电池的正极。

　新型NaBH4/H2O2燃料电池（DBFC）的结构如图所示，该电池总反应方程式：

NaBH4＋4H2O2===NaBO2＋6H2O，有关的说法不正确的是（　　）

A．电极B为正极，纳米MnO2层的作用是提高原电池的工作效率

B．放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移

C．电池负极的电极反应为BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O

D．在电池反应中，每消耗1L6mol/LH2O2溶液，理论上流过电路中的电子为12mol

[解析]　A．根据图知，B电极上H2O2得电子生成OH－，所以B电极是正极，MnO2是H2O2分解的催化剂，可以提高原电池的工作效率，故A正确；B.放电时，阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，所以Na＋从负极区向正极区迁移，故B错误；C.根据元素化合价变化知，负极上BH

失电子发生氧化反应，电极反应式为BH

＋8OH－－8e－===BO

＋6H2O，故C正确；D.在电池反应中，每消耗1L6mol/LH2O2溶液，即物质的量为6mol，根据H2O2＋2e－===2OH－知，理论上流过电路中的电子为6mol×2＝12mol，故D正确。

[答案]　B

　　　　　水溶液中的燃料电池

1．燃料电池是燃料（如CO、H2、CH4等）跟氧气或空气反应，将此反应的化学能转化为电能的装置，电解质溶液通常是KOH溶液。

下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是（　　）

A．负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

B．正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

C．随着不断放电，电解质溶液碱性不变

D．甲烷燃料电池的能量转换率比甲烷燃烧的能量转换率高

解析：

选C。

A、B两项是正确的；结合A、B两项知C项不正确；燃料电池的能量转换率超过80%，远高于普通燃烧过程（能量转换率仅30%多），D项正确。

2．科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池（甲醇的燃烧热为ΔH＝－726.5kJ/mol）。

在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，则负极的电极反应式为________________________________________________________________________，

正极的电极反应式为________________________________________________________________________。

理想状态下，该燃料电池消耗1mol甲醇所能产生的最大电能为702.1kJ，则该燃料电池的理论效率为________________________________________________________________________

（燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比）。

解析：

在燃料电池中，通入氧气的一极是正极，通入甲醇的一极是负极，根据甲醇中碳元素的化合价变化可推知1mol甲醇转移6mol电子，故写出负极反应为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋；正极反应为

O2＋6H＋＋6e－===3H2O。

因为甲醇的燃烧热是726.5kJ/mol，故可求得该燃料电池的理论效率＝702.1kJ÷726.5kJ×100%≈96.6%。

答案：

CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋

O2＋6H＋＋6e－===3H2O　96.6%

　　　　　固体熔融态的燃料电池

3．固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的。

它以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过。

该电池的工作原理如下图所示。

其中多孔电极a、b均不参与电极反应。

下列判断正确的是（　　）

A．有O2放电的a极为电池的负极

B．有H2放电的b极为电池的正极

C．a极对应的电极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．该电池的总反应：

2H2＋O2

2H2O

解析：

选D。

根据该电池的工作原理图可知，被氧化的是H2，2H2－4e－＋2O2－===2H2O，b极为原电池的负极；被还原的是O2，O2＋4e－===2O2－，a极为原电池的正极；该电池的总反应为2H2＋O2

2H2O。

4．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是（　　）

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2

D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

解析：

选D。

a极通H2，H2失电子应在负极反应，所以a为负极，电子通过外电路由a极流向b极，A项错误；因为电解质显酸性，所以b极上的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B项错误；C项没有告知是标准状况，转移0.1mol电子消耗H2的物质的量是0.05mol，但体积不一定是1.12L，C项错误；阳离子向正极移动，所以H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极，D项正确。

重难易错提炼

1.二次电池的充电过程就是下一节要学习的电解过程，要记住充电时“正接正、负接负”。

2．燃料电池电极材料为铂等惰性电极，正极反应一般是氧气发生的还原反应。

3．原电池的正极本身一般不参与反应，但铅蓄电池正极材料二氧化铅参与了正极反应。

4．原电池的电解质溶液不一定是水溶液，如Li－I2电池的电解质溶液是惰性非水有机溶剂（Li可与H2O发生反应）。

课后达标检测

[基础巩固]

1．对化学电源的叙述正确的是（　　）

A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高

B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位

C．化学电源均是安全、无污染的

D．化学电源即为充电电池

解析：

选A。

化学电源比火力发电对化学能的利用率高，故A正确；火力发电居于人类社会现阶段总耗电量的首位，故B错误；部分废旧化学电源会引起重金属污染，故C错误；化学电源包括一次电池、充电电池、燃料电池等，故D错误。

2．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的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。

下列有关铅蓄电池的说法中错误的是（　　）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时Pb是负极，PbO2是正极

C．工作时负极上发生的反应是Pb＋SO

－2e－===PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

解析：

选A。

铅蓄电池在工作时相当于原电池，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极上Pb失去电子生成Pb2＋，而Pb2＋又与溶液中的SO

结合生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，不用定期补充H2SO4；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，溶液的密度也随之减小。

3．据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染，其电极反应式为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、空气和电解质溶液。

则下列叙述中正确的是（　　）

A．锌为正极，空气进入负极反应

B．电池中有1mol电子转移时消耗的Zn为65g

C．正极发生氧化反应

D．电解质溶液肯定不是强酸溶液

解析：

选D。

因电池反应中有ZnO生成，故电解质溶液不可能为强酸溶液，否则ZnO会溶解。

4．燃料电池的基本组成为电极、电解质溶液、燃料和氧化剂。

此种电池的能量转化率超过80%，产物污染小。

下列有关燃料电池的说法错误的是（　　）

A．燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质

B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用

C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池的负极反应为C2H5OH－12e－＋12OH－===2CO2↑＋9H2O

D．碱性甲烷燃料电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

解析：

选C。

C项，电解质为KOH，因此不可能生成二氧化碳，应该生成CO

，即负极反应为C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO

＋11H2O，故C项错误。

5．Harbermann等设计出利用Desulfovibriodesulfurcan菌种生成的硫化物作为微生物燃料电池的电解质，电池内部有质子通过，该系统不经任何维护可持续运行5年，该电池的负极反应式为S2－＋4H2O－8e－===SO

＋8H＋。

有关该电池的下列说法中正确的是（　　）

A．若有1.12L氧气参与反应，则一定有0.2mol电子发生转移

B．质子由正极移向负极

C．该电池的总反应式为S2－＋2O2===SO

D．正极的电极反应式为2O2＋8e－＋4H2O===8OH－

解析：

选C。

未标明1.12L氧气所处的压强和温度，不能确定氧气的物质的量，A项错误；质子由负极移向正极，B项错误；正极的电极反应式为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，D项错误。

6．目前人们正在研究开发一种高能电池——钠－硫电池，它是以熔融的钠和硫为两极，以Na＋导电的β″－Al2O3陶瓷作固体电解质，反应式为2Na＋xS

Na2Sx。

以下说法正确的是（　　）

A．放电时，钠作正极，硫作负极

B．放电时，钠极发生还原反应

C．充电时，钠极与外接电源正极相连，硫极与外接电源负极相连

D．充电时硫电极发生的反应为S

－2e－===xS

解析：

选D。

放电时Na为活泼金属作负极，发生氧化反应；充电时，S

失电子重新变为S。

7．（2016·湖北百所重点中学联考）流动电池是一种新型电池，其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动，在电池外部调节电解质溶液，以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。

北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应为Cu＋PbO2＋2H2SO4===CuSO4＋PbSO4＋2H2O。

下列说法不正确的是（　　）

A．a为负极，b为正极

B．该电池工作时，PbO2电极附近溶液的pH增大

C．a极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．调节电解质溶液的方法是补充CuSO4

解析：

选D。

A项，根据电池总反应可得铜为负极，PbO2为正极，正确；B项，该电池工作时，PbO2电极上发生的反应为PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O，消耗了溶液中的H＋，故溶液的pH增大，正确；C项，铜电极的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，正确；D项，反应生成了CuSO4，消耗了H2SO4，故应补充H2SO4，错误。

8．科学工作者为心脏病患者设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体体液中含有的一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作的。

该电池工作时，正极的电极反应式为（　　）

A．Zn－2e－===Zn2＋

B．2H＋＋2e－===H2↑

C．4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

D．O2＋4H＋＋4e－===2H2O

解析：

选D。

正极得电子，体液中溶解的氧易得电子而发生反