版高中化学专题2化学反应与能量转化第三单元化学能与电能的转化第2课时化学电源学案苏教版必修2.docx
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版高中化学专题2化学反应与能量转化第三单元化学能与电能的转化第2课时化学电源学案苏教版必修2
第2课时 化学电源
一、常见的化学电源
1．锌锰干电池
（1）结构
锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质。
（2）原理
锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。
（3）电极反应
负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH
＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。
（4）缺陷与改进措施
锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。
改进措施：
①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。
2．充电电池
（1）充电电池又称二次电池。
其能量的转化关系是化学能
电能。
（2）常见的充电电池
①铅蓄电池
常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。
负极材料是Pb，正极材料是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。
②镍镉电池
以Cd为负极，NiO（OH）为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃的镍镉电池如不回收，会严重污染环境。
③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。
锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。
3．燃料电池
（1）燃料电池是通过燃料气体与氧气分别在两个电极上发生氧化、还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。
（2）燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。
与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。
（3）以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：
负极：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O（氧化反应）；
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－（还原反应）；
总反应：
2H2＋O2===2H2O。
从电极反应认识化学电池类型
（1）活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应，如锌锰干电池。
（2）两电极都参加反应，如铅蓄电池。
（3）两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如燃料电池。
例1
下列电池工作时，O2在正极得电子的是（ ）
A
B
C
D
锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池
镍镉电池
考点 常见化学电源
题点 常见化学电源的分类
答案 C
例2
汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：
PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是（ ）
A．Pb是正极
B．PbO2得电子，被氧化
C．负极反应是Pb＋SO
－2e－===PbSO4
D．电池放电时，溶液的酸性增强
考点 常见化学电源
题点 铅蓄电池
答案 C
解析 从铅蓄电池的放电反应可以看出：
放电过程中Pb失去电子变为Pb2＋，发生氧化反应，因而Pb是负极；PbO2得到电子发生还原反应，被还原；反应过程中消耗了H2SO4，使溶液的酸性减弱。
思维启迪
二次电池的放电、充电是相反的过程，如铅蓄电池放电时，Pb电极上发生氧化反应，充电时Pb电极上发生还原反应，PbO2电极亦是如此。
二、电池中电极反应式的书写
1．充电电池电极反应式的书写方法
（1）先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质。
（2）写出一个比较容易书写的电极反应式（书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存）。
（3）在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
例3
铅蓄电池是化学电源，其电极材料分别是Pb和PbO2，电解液为稀硫酸。
工作时该电池总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
根据上述情况判断：
（1）工作时，电解质溶液的pH______（填“增大”“减小”或“不变”）。
（2）工作时，电解质溶液中的阴离子移向______极。
（3）电流方向从______极流向______极。
（4）写出负极的电极反应式：
__________________________________________________。
（5）当铅蓄电池向外电路提供1mol电子时，理论上负极板的质量增加______g。
考点 常见化学电源
题点 铅蓄电池的相关综合
答案
（1）增大
（2）负 （3）正 负（4）Pb＋SO
－2e－===PbSO4 （5）48
解析 本题解答时应从两方面入手：
一是根据电池总反应式明确铅蓄电池的工作原理，二是抓住电极反应中各反应物和生成物之间量的关系。
由铅蓄电池工作时总反应式可知Pb为负极，负极反应为Pb－2e－＋SO
===PbSO4，PbO2为正极，正极反应为PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O。
由于电池工作时，不断消耗H2SO4且生成水，使H＋的浓度减小，故pH增大；阴离子移向负极，电流方向与电子移动方向相反，由正极到负极；当外电路中通过1mol电子时，根据Pb
PbSO4，则负极增重为SO
的质量，即96g·mol－1×
mol＝48g。
2．燃料电池电极反应式的书写方法
（1）写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。
甲烷燃料电池（电解质溶液为NaOH溶液）的总反应为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
（2）写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下两种情况：
①酸性电解质溶液环境下的电极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
②碱性电解质溶液环境下的电极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
（3）根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。
例4
如图所示，可形成氢氧燃料电池。
通常氢氧燃料电池有酸式（当电解质溶液为硫酸时）和碱式[当电解质溶液为NaOH（aq）或KOH（aq）时]两种。
试回答下列问题：
（1）酸式电池的电极反应：
负极：
________________________________________________，
正极：
________________________________________________________________________；
电池总反应：
_______________________________________________________；
电解质溶液pH的变化为________（填“变大”“变小”或“不变”）。
（2）碱式电池的电极反应：
负极：
____________________________________________________，
正极：
______________；电池总反应：
_______________________________________；
电解质溶液pH的变化为__________（填“变大”“变小”或“不变”）。
考点 常见化学电源
题点 电极反应式的书写
答案
（1）2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O 2H2＋O2===2H2O 变大
（2）2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 2H2＋O2===2H2O 变小
解析
（1）正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，酸性条件下与H＋结合成H2O。
负极上，H2失电子变为H＋，H＋进入电解质溶液。
电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应，由于有水生成，溶液将逐渐变稀，故pH变大。
（2）正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，碱性条件下与H2O结合成OH－。
负极上，H2失电子变为H＋，碱性条件下H＋不能大量存在，与OH－结合成H2O。
电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应。
同样，由于有水生成，c（OH－）变小，pH变小。
1．下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是（ ）
A．碱性锌锰电池B．手机用锂电池
C．汽车用铅蓄电池D．玩具用镍氢电池
考点 常见化学电源
题点 常见电源的分类
答案 A
解析 A项，碱性锌锰电池属于一次电池，不属于可充电电池，正确；B项，手机用锂电池属于可充电电池，错误；C项，汽车用铅蓄电池属于可充电电池，错误；D项，玩具用镍氢电池属于可充电电池，错误。
2．下列有关锌锰干电池的说法中正确的是（ ）
A．锌外壳是负极，石墨碳棒是正极材料
B．在外电路中电子从碳棒流向锌外壳
C．电流从锌流到碳棒上
D．在电池内部阳离子从碳棒向锌片移动
考点 常见化学电源
题点 锌锰干电池
答案 A
解析 A项，在锌锰干电池中，锌外壳是负极，石墨碳棒是正极，故正确；B项，在外电路中电子从锌外壳流向碳棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从碳棒流向锌，故错误；D项，电池内部，阳离子向正极碳棒移动，故错误。
3．（2017·北京101中学期中）LED产品的使用为城市增添色彩。
下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。
下列有关叙述正确的是（ ）
A．a处通入氧气，b处通入氢气
B．通入H2的电极发生反应：
H2－2e－===2H＋
C．通入O2的电极为电池的正极
D．该装置将化学能最终转化为电能
考点 常见化学电源
题点 氢氧燃料电池
答案 C
解析 A项，由电子流向可知a为负极，b为正极，负极上发生氧化反应，通入的是氢气，正极上发生还原反应，通入的是氧气，故错误；B项，a为正极，通入氢气，电解质溶液为碱性，因此发生的电极反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O，故错误；C项，氧气得电子，因此通入氧气的电极为电池的正极，故正确；D项，该装置的能量转换是化学能―→电能―→光能，故错误。
4．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。
航标灯的电源必须长效、稳定。
我国科技工作者研制出以铝合金、Pt—Fe合金网为电极材料的海水电池。
在这种电池中（ ）
①铝合金是负极 ②海水是电解质溶液 ③铝合金电极发生还原反应
A．①②B．②③
C．①③D．①②③
考点 新型化学电源
题点 金属空气燃料电池
答案 A
5．银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。
其工作示意图如图所示。
下列说法不正确的是（ ）
A．Zn电极是负极
B．Ag2O电极发生还原反应
C．Zn电极的电极反应式：
Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2
D．放电前后电解质溶液的pH保持不变
考点 常见化学电源
题点 常见化学电源的综合
答案 D
解析 反应中锌失去电子，Zn电极是负极，A正确；Ag2O得到电子，发生还原反应，B正确；电解质溶液显碱性，Zn电极的电极反应式：
Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，C正确；根据方程式可知消耗水，且产生氢氧化锌，氢氧根浓度增大，放电后电解质溶液的pH升高，D错误。
6．有一种微型电池，其电极分别为Zn和Ag2O，电解质溶液是KOH溶液，试回答下列问题：
（1）原电池是把________能转化成__________能的装置。
（2）该电池中Zn极为________极。
（3）当金属Zn消耗了16.25g时，转移电子的物质的量为__________。
考点 常见化学电源
题点 常见化学电源的综合
答案
（1）化学 电
（2）负 （3）0.5mol
[对点训练]
题组一 常见化学电源
1．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。
有同学想将其变废为宝，以下他的想法你认为不正确的是（ ）
A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气
B．碳棒取出洗净用作电极
C．把铜帽取下洗净回收利用
D．电池内部填有NH4Cl等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥用
考点 常见化学电源
题点 废旧电池的危害及回收利用
答案 D
解析 虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。
2．最早使用的化学电池是锌锰电池，即大家熟悉的干电池，其结构如图所示。
尽管这种电池的历史悠久，但对于它的化学过程人们尚未完全了解。
一般认为，放电时，电池中的反应如下：
E极：
2MnO2＋2e－＋2NH
===Mn2O3＋H2O＋2NH3↑
F极：
Zn－2e－===Zn2＋
总反应式：
2MnO2＋Zn＋2NH
===Mn2O3＋Zn2＋＋2NH3↑＋H2O
下列说法正确的是（ ）
A．E极是电池的正极，发生的是氧化反应
B．F极是电池的负极，发生的是氧化反应
C．从结构上分析，锌锰电池应属于可充电电池
D．锌锰电池内部发生的氧化还原反应是可逆的
考点 常见化学电源
题点 锌锰干电池
答案 B
解析 E极发生还原反应，应为电池的正极，F极发生氧化反应，为电池的负极。
干电池中反应不可逆，故不属于可充电电池。
3．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，电池放电时的反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列对电池放电时的分析正确的是（ ）
A．Pb为正极被氧化
B．电子从PbO2流向外电路
C．SO
向PbO2处移动
D．电解质溶液pH不断增大
考点 常见化学电源
题点 铅蓄电池
答案 D
解析 根据元素化合价变化知，铅失电子作还原剂而被氧化，则铅作负极，故A错误；该原电池中，铅失电子作负极，二氧化铅得电子作正极，导致电子从铅沿导线流向正极二氧化铅，故B错误；该原电池放电时，硫酸根离子向负极铅移动，氢离子向正极二氧化铅移动，故C错误；根据电池反应式知，硫酸参加反应，则溶液中氢离子浓度逐渐减小，溶液的pH逐渐增大，故D正确。
4．氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理示意图如下所示。
下列有关氢氧燃料电池的说法，正确的是（ ）
A．该电池工作时电能转化为化学能
B．该电池中电极a是正极
C．外电路中电子由电极b通过导线流向电极a
D．该电池的总反应：
2H2＋O2===2H2O
考点 常见化学电源
题点 氢氧燃料电池
答案 D
解析 燃料电池是将化学能转化为电能，A项不正确；a极通入H2发生氧化反应，是电池的负极，B项不正确；外电路中电子由负极流向正极，即由电极a通过导线流向电极b，C项不正确。
5．下列关于化学电源的说法正确的是（ ）
A．干电池放电之后还能再充电
B．充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能
C．充电电池可以无限制地反复放电、充电
D．氢氧燃料电池是一种环境友好型电池
考点 常见化学电源
题点 常见化学电源的综合判断
答案 D
解析 A项，干电池是一次性电池，放电之后不能再充电，错误；B项，充电电池在放电时化学能转化为电能，充电时将电能转化为化学能，错误；C项，充电电池不能无限制地反复放电、充电，错误；D项，氢氧燃料电池的生成物是水，是一种环境友好型电池，正确。
题组二 新型化学电源
6．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。
某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是（ ）
A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋
B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋
C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO
D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋
考点 新型化学电源
题点 用途广泛的锂电池
答案 B
解析 由总反应
i＋
nO2===
i
nO2可知，Li元素在反应后化合价升高（0→＋1），Mn元素在反应后化合价降低（＋4→＋3）。
Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－===MnO
。
7．鱼雷采用Al—Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解液，电池反应为2Al＋3Ag2O＋2KOH===6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列说法错误的是（ ）
A．Ag2O为电池的正极
B．Al在电池反应中被氧化
C．电子由Ag2O极经外电路流向Al极
D．溶液中的OH－向Al极迁移
考点 新型化学电源
题点 层出不穷的新型化学电源
答案 C
解析 A项，根据原电池工作原理，化合价升高，失电子的作负极，即铝单质作负极，则Ag2O作电池的正极，正确；B项，根据电池总反应，铝的化合价升高，被氧化，正确；C项，根据原电池工作原理，外电路电子从负极流向正极，由铝流向氧化银，错误；D项，根据原电池工作原理，阳离子移向正极，阴离子移向负极，即OH－移向铝极，正确。
8．（2017·永州高一检测）镍镉（Ni—Cd）可充电电池可以发生如下反应：
Cd（OH）2＋2Ni（OH）2
Cd＋2NiO（OH）＋2H2O，由此可知，该电池的负极材料是（ ）
A．CdB．NiO（OH）
C．Cd（OH）2D．Ni（OH）2
考点 新型化学电源
题点 常考常新的充电电池
答案 A
解析 放电时，元素化合价升高的物质为负极材料。
9．将铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，即产生电流，称为甲烷燃料电池。
已知甲烷燃料电池两个电极上的反应分别为CH4－8e－＋10OH－===CO
＋7H2O,2O2＋8e－＋4H2O===8OH－。
下列有关说法中错误的是（ ）
A．CH4在负极上反应，O2在正极上反应
B．放电过程中电解质溶液的碱性减弱
C．此电池属于环境友好型电池
D．此电池中化学能100%转化为电能
考点 新型化学电源
题点 甲烷燃料电池
答案 D
解析 A项，CH4燃料电池中，燃料失电子发生氧化反应，所以CH4在负极上反应，氧气得电子发生还原反应，所以O2在正极上反应，正确；B项，根据电池总反应CH4＋2O2＋2OH－===CO
＋3H2O知，OH－参加反应，所以溶液中OH－浓度降低，溶液的碱性减弱，正确；C项，该电池放电时不产生对环境有污染的物质，所以属于环境友好型电池，正确；D项，此电池中化学能转化为电能和少量热能，错误。
10．如图是甲醇（CH3OH）燃料电池的化学原理示意图，下列判断不正确的是（ ）
A．电极A为电池负极
B．电极B表面上发生还原反应
C．工作一段时间溶液pH保持不变
D．燃料电池工作时不会出现火焰
考点 新型化学电源
题点 甲醇燃料电池
答案 C
解析 甲醇燃料电池中，甲醇在负极通入，氧气在正极通入，即A是负极，B是正极，O2在电极B表面发生还原反应，A、B正确；由于氧气和甲醇不直接接触，不可能产生火焰，D正确；因为反应后会生成碳酸钾，消耗氢氧化钾，因此溶液的碱性降低，C错误。
11．据报道，锌电池可能将会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。
其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。
则下列叙述正确的是（ ）
A．锌为正极，空气进入负极反应
B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
C．正极发生氧化反应
D．电解液为强酸
考点 新型化学电源
题点 金属空气燃料电池
答案 B
解析 Zn与O2反应的电子转移情况为
，所以Zn作负极，负极发生氧化反应：
Zn－2e－===Zn2＋。
O2是正极反应物，发生还原反应。
若电解液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
12．一种微生物燃料电池的结构示意图如下，关于该电池的叙述正确的是（ ）
A．电池工作时，电子由a流向b
B．微生物所在电极区放电时发生还原反应
C．放电过程中，H＋从正极区移向负极区
D．正极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O
考点 新型化学电源
题点 微生物燃料电池
答案 D
解析 因为右侧产生CO2，说明微生物所在的电极区Cm（H2O）n失电子生成CO2，电池工作时电子由b极经外电路流向a极，A错误；微生物所在电极区放电时发生氧化反应，B错误；放电时阳离子向正极移动，C错误；放电时正极发生还原反应，D正确。
[综合强化]
13．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。
该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。
总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑。
（1）该电池的负极是________，负极反应式是________。
（2）正极现象是__________________________________________________________。
（3）放电时OH－向________（填“正极”或“负极”）移动。
考点 新型化学电源
题点 化学电源的相关综合
答案
（1）锂 Li－e－===Li＋
（2）有无色气体产生 （3）负极
解析 金属锂比铁活泼，作原电池的负极，电极反应式为Li－e－===Li＋，LiOH溶液中的阳离子有Li＋和H＋，由于氧化性：
H＋>Li＋，所以正极反应是2H＋＋2e－===H2↑，正极产生无色气体；在原电池的放电过程中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以OH－向负极移动。
14．目前汽车上使用的铅蓄电池如图所示，根据图示回答下列问题：
铅蓄电池的负极是__________，负极反应式是__________________________________，铅蓄电池的总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，则正极反应式为_______________。
放电过程中溶液的密度________（填“增大”“减小”或“不变”）。
考点 常见化学电源
题点 铅蓄电池的相关综合
答案 铅 Pb－2e－＋SO
===PbSO4 PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O 减小
解析 正极反应式等于总反应式减去负极反应式，放电过程中消耗了硫酸，故电解液的密度减小。
15.如图为原电池装置示意图。
（1）将铝片和铜片用导线相连，一组插入浓硝酸中，一组插入烧碱溶液中，分别形成了原电池，在这两个原电池中，作负极的分别是________（填字母）。
A．铝片、铜片B．铜片、铝片
C．铝片、铝片D．铜片、铜片
写出插入烧碱溶液中形成的原电池的负极反应式：
_____________________________
________________________________________________________________________。
（2）若A为Pb，B为PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，工作时的总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
写出B电极反应式：
______________________________
________________________________________________________________________；
该电池在工作时，A电极的质量将________（填“增加”“减小”或“不变”）。
若该电池反应消耗了0.1molH2SO4，则转移电子的数目为________。
（3）若A、
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