1、第2课时 化 学 电 源必备知识自主学习常见的化学电源 1一次电池：一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫作干电池。一次电池不能充电，不能反复使用。(1)碱性锌锰电池与银锌电池的比较。(2)锂电池。基本组成：负极：Li，正极：MnO2、CuO、FeS2等，电解质：非水溶剂。特点：比能量高、电压高、工作温度范围广、可储存时间长等优点。2二次电池：又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，可多次重复使用。(1)铅蓄电池的构造与组成：(2)工作原理(3)铅蓄电池的优缺点 优点：可重复使用，性能优良，安全可靠，价格低廉，在生产、生活中使用广泛。缺点：比能量低、笨重、废弃的电池污染
2、环境。3燃料电池(1)基本构造(2)工作原理碱性氢氧燃料电池负极反应：2H24OH4e=4H2O正极反应：O22H2O4e=4OH总反应：2H2O2=2H2O(3)特点 能量转换效率高(超过80%)排放废弃物少，运行时噪音低。缺点：电池比能量低、笨重、废弃的电池污染环境。【自主探索】(1)可充电电池的放电反应和充电反应互为可逆反应吗？提示：不是。可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的，不是可逆反应。(2)燃料电池的正、负两极必须是两种活泼性不同的金属或一种金属与一种导电的非金属吗？提示：不一定，如氢氧燃料电池的正、负极均为Pt。(3)(情境思考)已知某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电
3、解质传递H，其基本结构见图，电池总反应可表示为2H2O2=2H2O。思考：a极发生什么反应类型？b极的电极反应式该如何书写呢？提示：a极为负极，发生氧化反应。b极的电极反应式为O24H 4e=2H2O。关键能力合作学习知识点一 化学电源电极反应式的书写 1根据装置图书写电极反应式首先根据装置图判断电池所依据的化学反应，从而确定两个半反应即电极反应。(1)先分析装置图，确定原电池的正负极上的反应物质。(2)书写电极反应式(3)正负极电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。2根据总反应式，写电极反应式以 2H2O2=2H2O 为例，当电解质溶液为 KOH 溶液时的负极反应式的书写步骤：(1)根据
4、总反应方程式列出化合价升高的物质为 H2，转移的电子数为 4e：2H24e=4H。(2)根据电解质溶液的酸碱性，用 H或 OH或其他离子配平，使两边电荷总数相等。2H24e4OH=4H2O。注意：电子带负电荷；在碱性溶液中，电极反应式中不出现 H。(3)利用元素守恒验证，即得到 2H24e4OH=4H2O。3可充电电池电极反应式的书写(1)在书写可充电电池电极反应式时，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向都能反应，所以要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。(2)原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素的化合价升高。(3)原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素的化合价降
5、低。4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，写出总反应方程式时，首先要使两个电极反应式的得失电子总数相等，然后将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意若反应式同时出现不能共存的离子，如 H和 OH、Pb2和 SO24，要写成反应后的物质，如 H2O、PbSO4。电极反应式的书写原则要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。除此之外还要遵循：(1)加和性原则：两电极反应式相加，消去电子后得电池总反应式。利用此原则，电池总反应式减去已知的一电极反应式得另一电极反应式。(2)共存性原则：碱性溶液中 CO2不可能存在，也不会有 H参加反应或生成；同样酸性溶液，不会有 OH参加反应或
6、生成、也不会有碳酸根离子的存在。(1)(思维升华)正负极的电极反应式和总反应式之间有何关系？提示：总反应式正极反应式负极反应式。(2)电池内部的电解质是否参与电极反应？提示：电池外电路中通过电子导电，在电池内部通过离子导电；而离子只要导电就需要得失电子，故电池内部的电解质离子一定参与电极反应。【典例】研究人员研发了一种“水电池”，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量的 差 别 进 行 发 电。在 海 水 中，电 池 的 总 反 应 可 表 示 为 5MnO2 2Ag 2NaCl=Na2Mn5O102AgCl，下列“水电池”在海水中放电时的有关说法正确的是()A正极反应式：AgCle=AgClB每
7、生成 1 mol Na2Mn5O10 转移 4 mol 电子CNa不断向“水电池”的负极移动DAgCl 是氧化产物【解题指南】解答本题要从以下几个方面入手：(1)根据总反应找出正负极反应物。根据氧化还原反应类型，Ag 发生氧化反应作负极，MnO2 发生还原反应，是正极反应物。(2)根据化合价变化标出得失电子数；(3)考虑海水中含有大量 NaCl，Cl会与负极生成的 Ag结合成 AgCl，从而配平电极反应式。【解析】选 D。正极反应式应为 5MnO22e=Mn5O210，故 A 项错误；由正极反应式可知，生成 1 mol Na2Mn5O10 转移 2 mol 电子，故 B 项错误；钠离子要与Mn
8、5O210 结合，因此钠离子应该向正极移动，故 C 项错误；负极反应：AgCle=AgCl，Ag 失电子，被氧化，则 AgCl 是氧化产物，故 D 项正确。综上所述，本题正确答案为 D。书写电极反应式时，必须遵循的三个原则(1)在电极反应式中，只有能溶于水的强电解质才能写成离子。(2)在酸性溶液中，可发生消耗 H和产生 H的反应，不可能发生消耗 OH和产生OH的反应，同理在碱性溶液中，可发生消耗 OH和产生 OH的反应，不可能发生消耗 H和产生 H的反应。(3)明确电解质形态是溶液的、熔盐的还是固态的；电极反应的产物与电解质溶液中的物质有没有后续反应；体系中有没有不共存的微粒存在。【母题追问】
9、(1)正极的电极反应式如何书写？提示：正极发生还原反应，根据总反应式，可知 MnO2 是正极反应物，结合化合价变化，标出得到的电子数，可写出电极反应式 5MnO22e=Mn5O210。(2)电池工作时，溶液中的 Cl如何移动？提示：海水中的 Cl会向负极移动，与负极生成的 Ag结合生成 AgCl。Li-SOCl2 电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为 4Li2SOCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为_，发生的电极反应为_。(2)电池正极发生的电极反应为_。(3)SOCl2 易挥发，实验室中常用
10、NaOH 溶液吸收 SOCl2，有 Na2SO3 和 NaCl 生成。如果把少量水滴到 SOCl2 中，实验现象是_，反应的化学方程式为_。(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_。【解析】(1)分析反应的化合价变化，可得 Li 为还原剂(作负极)，失电子：Lie=Li。(2)SOCl2 为氧化剂，得电子，从题给电池反应可推出产物：Cl、S、SO2(或用总反应减去负极反应)。(3)题中已给出信息：碱液吸收时的产物是 Na2SO3 和NaCl，则没有碱液吸收时的产物应为 SO2 和 HCl，进而推出现象。答案：(1)Li Lie=Li(2)2SOCl24e=4ClSSO2(3)出现
11、白雾，有刺激性气味气体生成 SOCl2H2O=SO22HCl(4)构成电池的主要成分Li 能与氧气、水反应，SOCl2 也与水反应 在配平电极反应式时，一定要牢记在酸性溶液中，用 H和 H2O 调平，在碱性溶液中用 OH和 H2O 调平，总之在一个反应中，H和 OH不会同时出现。知识点二 燃料电池 1燃料电池的工作原理一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如 O2)得电子发生还原反应。2常见的四种类型的氢氧燃料电池
12、3.书写燃料电池电极反应式的三步骤(情境应用)如图是不同介质的氢氧燃料电池，它们的电极反应是否相同？提示：在不同的介质中，电极反应不同。酸性负极：2H24e=4H正极：O24H4e=2H2O碱性负极：2H24e4OH=4H2O正极：O22H2O4e=4OH(情境应用)如图是不同介质的氢氧燃料电池，它们的电极反应是否相同？A.如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2，NaOH 溶液作电解质溶液，则通 H2 的电极上的电极反应为 H22e=2HB如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2,H2SO4 溶液作电解质溶液，则通 O2 的电极上的电极反应为 O24e2H2O=4OHC如果 a 极通入 CH
13、4，b 极通入 O2，NaOH 溶液作电解质溶液，则通 CH4 的电极上的电极反应为 CH48e10OH=CO237H2OD如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2，NaOH 溶液作电解质溶液，则溶液中的 OH向 b 极移动【解题指南】在解答燃料电池中有关问题时，要注意以下两点：(1)燃料电池中，一般燃料(H2、CO、CH4、CH3OH、C2H5OH 等)是负极反应物，氧化剂(如 O2)是正极反应物。(2)写电极反应式时，正极电极反应式仅与电解质类型有关，与燃料无关；负极电极反应式与燃料和电解质均有关。【解析】选 C。如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2，NaOH 溶液作电解质溶液，则通H
14、2 的电极是负极，氢气失去电子，电极反应为 H22e2OH=2H2O，故 A 项错误；如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2,H2SO 溶液作电解质溶液，则通 O2 的电极是正极，氧气得到电子，电极反应为 O24H4e=2H2O，故 B 项错误；如果a 极通入 CH4，b 极通入 O2，NaOH 作电解质溶液，则通 CH4 的电极是负极，甲烷失去电子，电极反应为 CH48e10OH=CO237H2O，故 C 项正确；如果 a 极通入 H2，b 极通入 O2，NaOH 溶液作电解质溶液，则溶液中的 OH向负极(a 极)移动，D 项错误。【母题追问】(1)B 项中酸性燃料电池中，若将 H2换成
15、CH3OH，正极和负极反应式是否变化？提示：在酸性环境下 CH3OH 作为负极反应物，电极反应为 CH3OH6eH2O=CO26H；正极 O2 得电子，电极反应为 O24H4e=2H2O。(2)D 项中若将电解质 NaOH 换成 H2SO4，溶液中 OH移动的方向是否改变？提示：燃料电池也是原电池的一种，在电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动；所以无论酸性氢氧燃料电池，还是碱性氢氧燃料电池，溶液中 OH的移动方向都不会改变。1(2021凉山州高二检测)以熔融 Li2CO3 和 K2CO3 为电解质，天然气经重整催化作用提供反应气的燃料电池如图。下列说法正确的是()A当外电路中
16、通过 2 mol 电子时，将消耗 11.2 L O2B通天然气的电极为负极，发生还原反应C该电池使用过程中需补充 Li2CO3 和 K2CO3D正极电极反应式为 O24e2CO2=2CO23【解析】选 D。A.正极的电极反应式为 O24e2CO2=2CO23，当外电路中通过 2 mol 电子时，将消耗 0.5 mol O2，但未告知是否为标准状况，因此氧气的体积不一定为 11.2 L，故 A 错误；B.通天然气的电极为原电池的负极，发生氧化反应，故 B 错误；C.假设转移 4 mol 的电子，根据电极反应：负极电极反应式为 H22eCO23=CO2H2O，通入空气和 CO2 的混合气体一极为原
17、电池的正极，发生还原反应，电极反应式为 O24e2CO2=2CO23，负极消耗 2 mol 的碳酸根离子，正极产生 2 mol 的碳酸根离子，所以碳酸根离子的浓度不变，无需补充Li2CO3 和 K2CO3，故 C 错误，D 正确。2(2021天津红桥区检测)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，适合进行现场酒精检测，下列说法不正确的是()A.电流由 O2 所在的铂电极经外电路流向另一电极B该电池的正极反应式为 O24e4H=2H2OC该电池的负极反应式为 CH3CH2OH3H2O12e=2CO212HD微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量【解析
18、】选 C。A.乙醇燃料电池中，负极上乙醇失电子发生氧化反应，正极上是氧气得电子的还原反应，电流由正极流向负极，即从 O2 所在的铂电极经外电路流向另一电极，故 A 正确；B.乙醇燃料电池中，正极上是氧气得电子的还原反应，O2 所在的铂电极处发生还原反应，由于是酸性环境，正极反应式为 O24e4H=2H2O，故 B 正确；C.该电池的负极上乙醇失电子发生氧化反应，分析装置图可知酒精在负极被氧气氧化发生氧化反应生成醋酸，CH3CH2OH4eH2O=4HCH3COOH，故 C 错误；D.根据微处理器通过检测电流大小可以得出电子转移的物质的量，根据电极反应式可以计算出被测气体中酒精的含量，故D 正确。
19、三言两语话重点 熟记四种类型燃料电池的正极反应式：酸性燃料电池：O24H4e=2H2O碱性燃料电池：O22H2O4e=4OH熔融碳酸盐燃料电池：O22CO24e=2CO23固体氧化物燃料电池：O24e=2O2课堂检测素养达标1.(2021南京高二检测)一种镁氧电池电极材料为金属膜和吸附氧气的活性炭，电解液为 KOH 浓溶液，如图所示。下列说法不正确的是()A正极反应式为 O24e2H2O=4OHB负极反应式为 Mg2e2OH=Mg(OH)2C电子的移动方向是由 a 经外电路到 bD该电池在工作过程中，电解液 KOH 的浓度保持不变【解析】选 D。A.Mg 电极 a 作负极、活性炭 b 电极作正
20、极，正极反应式为 O24e2H2O=4OH，故 A 正确；B.Mg 作负极、Mg 失电子生成 Mg(OH)2，电极反应式为 Mg2e2OH=Mg(OH)2，故 B 正确；C.Mg 作负极、活性炭作正极，即 a 电极为负极，b 电极为正极，电子从负极 a 经外电路到正极 b，故 C 正确；D.负极反应为 Mg2e2OH=Mg(OH)2、正极反应为 O24e2H2O=4OH，原电池总反应为 2MgO22H2O=2Mg(OH)2，消耗水使 KOH的浓度增大，故 D 错误。2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
21、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 Li2Li0.35NiO22Li0.85NiO2，下列说法不正确的是()A放电时，负极的电极反应式：Lie=LiB充电时，Li0.85NiO2 既发生氧化反应又发生还原反应C该电池不能用水溶液作为电解质溶液D放电过程中 Li向负极移动【解析】选 D。A 项，Li 从零价升至正价，失去电子，作负极，正确；B 项，反应逆向进行时，反应物只有一种，化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应，正确；C 项，由于 Li 可以与水反应，故不能用水溶液作为电解质溶液，正确；D 项，原电池中阳离子应迁移至正极得电子，故错。3(2021福
22、建适应性测试)一种新型镁硫二次电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是()A使用碱性电解质水溶液B放电时，正极反应包括 3Mg2MgS86e=4MgS2C使用的隔膜是阳离子交换膜D充电时，电子从 Mg 电极流出【解析】选 C。Mg 为活泼金属，所以放电时 Mg 被氧化，Mg 电极为负极，聚合物电极为正极。碱性电解质水溶液中负极生成的 Mg2会生成 Mg(OH)2 沉淀，降低电池效率，A 错误；放电时为原电池，原电池正极发生得电子的还原反应，包括 3Mg2MgS86e=4MgS2，B 错误；据图可知 Mg2要通过隔膜移向正极参与电极反应，所以使用的隔膜是阳离子交换膜，C 正确；放电时 Mg 电极
23、发生氧化反应，充电时 Mg 电极得电子发生还原反应，即电子流入 Mg 电极，D 错误。4.锂(Li)-空气电池的工作原理如图所示，下列说法不正确的是()A金属锂作负极，发生氧化反应B.Li通过有机电解质向水溶液处移动C正极的电极反应：O24e=2O2D电池总反应：4LiO22H2O=4LiOH【解析】选 C。在锂-空气电池中，金属锂失去电子，发生氧化反应，为负极，故A 项正确；Li 在负极失去电子变成了 Li，会通过有机电解质向水溶液处(正极)移动，故 B 项正确；正极氧气得到了电子后与氢结合形成氢氧根，电极方程式为O24e2H2O=4OH，故 C 项错误；负极的反应式为 Lie=Li，正极反
24、应式为 O24e2H2O=4OH，电池的总反应则为 4LiO22H2O=4LiOH，故 D 项正确。综上所述，本题的正确答案为 C。5法国格勒诺布尔(Grenoble)约瑟夫傅立叶大学的研究小组发明了第一块可植入人体为人造器官提供电能的葡萄糖生物燃料电池，其基本原理是葡萄糖和氧气在人体中酶的作用下发生反应：C6H12O66O2=酶6CO26H2O(酸性环境)。下列有关该电池的说法不正确的是()A该生物燃料电池不可以在高温下工作B电池的负极反应为 C6H12O66H2O24e=6CO224HC消耗 1 mol 氧气时转移 4 mol e，H向负极移动D今后的研究方向是设法提高葡萄糖生物燃料电池的
25、效率，从而使其在将来可以为任何可植入医疗设备提供电能【解析】选 C。大部分酶属于蛋白质，在高温下会发生变性，失去生理活性，所以该生物燃料电池不可以在高温下工作，故 A 正确；葡萄糖生物燃料电池中葡萄糖在负极失电子发生氧化反应生成二氧化碳，其电极反应式为 C6H12O66H2O24e=6CO224H，故 B 正确；氧气在正极得电子，其电极方程式为 O24e4H=2H2O，消耗 1 mol 氧气则转移 4 mol e，在溶液中阳离子向正极移动，所以 H会向正极移动，故 C 错误；提高葡萄糖生物燃料电池的效率，能提高葡萄糖的能量利用率，向外提供更多的电量，故 D 正确；答案选 C。6汽车的启动电源常
26、用铅蓄电池，该电池在放电时的总反应方程式为 PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)，根据此反应判断下列叙述正确的是()APbO2 是电池的负极B负极的电极反应式为 Pb SO242e=PbSO4C铅蓄电池放电时，每转移 2 mol 电子消耗 1 mol H2SO4D电池放电时，两电极质量均增加，且每转移 1 mol 电子时正极质量增加 48 g【解析】选 B。铅蓄电池放电时，该装置是原电池，负极上失电子发生氧化反应，该装置中 Pb 失电子发生氧化反应，所以 Pb 是负极，PbO2 为正极，A 错误；负极上 Pb 失电子后和硫酸根离子反应生成硫酸铅，电极反
27、应式为 Pb SO242e=PbSO4，B 正确；1 mol Pb 反应转移 2 mol 电子，反应消耗 2mol H2SO4，C 错误；放电时两电极质量均增加，负极的电极反应式为 Pb SO242e=PbSO4，每转移 1 mol 电子时电极质量增加 48 g，正极的电极反应式为 PbO2SO242e4H=PbSO42H2O，每转移 1 mol 电子时电极质量增加 32 g，D 错误。素养新思维7中国科学院应用化学研究所在甲醚(CH3OCH3)燃料电池技术方面获得新突破。甲醚燃料电池的工作原理如图所示：(1)甲醚由_(填“b”或“c”)通入。(2)该电池负极的电极反应式为_。(3)工作一段时间后，当 9.2 g 的甲醚完全反应时，有_mol 电子转移。【解析】(1)燃料电池中，通入燃料的电极是负极，负极上甲醚失电子在酸性条件下产生 CO2，原电池中阳离子 H定向移动至正极，则甲醚由 b 通入；(2)该电池负 极 甲 醚 失 电 子 产 生 二 氧 化 碳 和 水，电 极 反 应 式 为 CH3OCH3 12e 3H2O=2CO212H；(3)根据电极反应 CH3OCH312e3H2O=2CO212H，工作一段时间后，当 9.2 g 的甲醚(0.2 mol)完全反应时，有 2.4 mol 电子转移。答案：(1)b(2)CH3OCH312e3H2O=2CO212H(3)2.4