化学反应原理专题1第二单元第2课时.docx

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化学反应原理专题1第二单元第2课时

第2课时　化学电源

[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。

化学电池的主要部分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：

参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，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、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－。

电池反应方程式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）银锌电池

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－。

电池反应方程式：

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：

硫酸。

（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。

①放电过程

负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4；

正极：

PbO2＋2e－＋4H＋＋SO

===PbSO4＋2H2O；

电池反应方程式：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

②充电过程

阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

（还原反应）；

阳极：

PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO

（氧化反应）。

电池反应方程式：

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：

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

答案　通H2的一极为负极，通O2的一极为正极。

介质

电池反应：

2H2＋O2===2H2O

酸性（H＋）

负极

2H2－4e－===4H＋

正极

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

中性（Na2SO4）

负极

2H2－4e－===4H＋

正极

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

碱性（OH－）

负极

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

正极

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

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”）。

解析　

（1）由电池总反应可知，Pb发生氧化反应，所以Pb是负极。

（2）正极上的反应是PbO2―→PbSO4，则必然有H2SO4参加：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O（负极反应为Pb－2e－＋SO

===PbSO4，将正极、负极反应合并，与题给总反应相符）。

（3）在铅蓄电池的工作过程中，Pb被氧化，H2SO4被消耗，所以溶液的密度减小，pH增大。

答案　

（1）Pb　

（2）PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O　（3）减小　增大

归纳总结

　二次电池的总结

（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

①分析价态变化确定正、负两极及其产物。

②先写出简单的电极反应式。

③用电池总反应方程式减去简单的电极反应式得到另一电极反应式。

（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Li－ion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

答案　D

解析　负极Li失去电子生成Li＋移向正极。

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）酸性条件燃料电池反应方程式：

_________________________________________。

正极反应式：

__________________________________________。

负极反应式：

____________________________________________________________。

（2）碱性条件燃料电池反应方程式：

_______________________________________。

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

电池反应方程式：

______________________________________________________。

正极反应式：

________________________________________________________。

负极反应式：

____________________________________________________________。

（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3）环境下电池反应方程式：

_______________________________。

正极反应式：

___________________________________________________。

负极反应式：

________________________________________________________。

答案　

（1）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋8H＋＋8e－===4H2O

CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

（2）CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

（3）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

（4）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋4CO2＋8e－===4CO

CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O

方法规律

　燃料电池规律的总结

（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　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，这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是________________________________________________________________________。

（2）这个电池的正极发生的反应是_________________________________________。

负极发生的反应是____________________________________________。

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________。

答案　

（1）2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O

（2）O2＋4e－===2O2－　C4H10＋13O2－－26e－===4CO2＋5H2O　向负极移动　负极

解析　由原电池原理知：

负极失电子后经导线转移到正极，根据电中性关系，内电路中O2－向负极移动。

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．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

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，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，负电荷（SO

和OH－）移向Pb极，所以C不正确。

3．微型钮扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，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

答案　C

解析　根据电极反应可知，Zn失电子被氧化而溶解，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，所以C正确；负极（即Zn极）在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；发生原电池反应时，电子由负极经外电路流向正极，即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极，故B错误；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。

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＋

O2＋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

答案　B

解析　燃料电池中，燃料为负极，氧气为正极，A不正确；由于KOH参与电极反应，所以KOH的物质的量浓度减小，C不正确；电解质溶液中，CO

几乎不移动，D不正确。

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

答案　B

解析　该原电池负极反应为Al－3e－===Al3＋，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，工作时电子由负极流向正极，而电流由正极流向负极，答案为B。

6．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＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnOOH。

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＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

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。

[基础过关]

一、常见的化学电源

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

答案　C

解析　碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池。

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．铜锌原电池工作时，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

答案　B

解析　铜锌原电池中，电子从负极锌沿外电路流向正极铜。

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

答案　A

解析　铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO

生成PbSO4沉淀；放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

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

答案　B

解析　该燃料电池中，通H2的电极作负极，发生氧化反应；通O2的电极为正极，发生还原反应，总反应式为2H2＋O2===2H2O，是一种高效、环保的发电装置，燃料电池的能量转化率虽然比燃料直接燃烧时高，但也达不到100%。

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

答案　C

解析　根据题给总反应式，高铁电池放电时必定是锌为负极失去电子，被氧化；高铁酸钾在正极得到电子，被还原。

充电时，阳极上氢氧化铁转化成高铁酸钾。

放电时正极附近生成OH－，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

答案　C

解析　首先判断出通入甲醇的一极失去电子作负极，通入氧气的一极得到电子作正极。

电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式，就得到了负极反应式，A项正确；电池工作时，H＋移向正极而不是移向负极，C项错误。

7．Li－Al/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

答案　B

解析　由正极的电极反应式知，在负极上Li失去电子被氧化，所以LiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为0价，故A项错误；负极的电极反应式为2Li－2e－===2Li＋，故C项错误；该电池的总反应式为正、负极的电极反应式之和，即2Li＋FeS===Li2S＋Fe，故B项正确；由于充电时阴极发生还原反应，所以阴极的电极反应式为2Li＋＋2e－===2Li，故D项错误。

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

答案　A

解析　该燃料电池的化学原理是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O，B正确；放电过程中通入丙烷的电极为负极：

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O，D正确；通入O2的电极为正极：

O2＋4e－===2O2－，产生的O2－将向负极移动，A项错。

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

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。

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

答案　C

解析　A项，该系统有太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为电能、电能转化为机械能多种能量转化形式，A项错；B项，装置Y为原电池，负极发生氧化反应，应是H2发生氧化反应，B项错；C项，装置X为电解池，其作用是将水转化为燃料（氢气）和氧化剂（氧气），C项正确；D项，化学能与电能间不可能完全转化，D项错。

[能力提升]

11．原电池是化学对人类的一项重大贡献。

（1）某兴趣小组为研究原电池原理，设计如图装置。

①a和b不连接时