1、基础课时5化学电源学 习 任 务1通过对常见化学电源的分析，建立对原电池放电过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。2通过增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求，积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。一、化学电源概述 一次电池1化学电源的分类及特点 (1)化学电源的分类一次电池：也叫做干电池，常见的一次电池有普通锌锰电池、碱性锌锰电池、钮扣式银锌电池。二次电池：又称为充电电池或蓄电池，铅蓄电池是最常见的二次电池。目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。燃料
2、电池：氢氧燃料电池(2)各类电池的特点一次电池：电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用，放电后不可再充电。二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，可多次重复使用。燃料电池：燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能。【特别提醒】判断电池优劣的主要标准比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(Wh)kg1或(Wh)L1。比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是Wkg1或WL1。电池可储存时间的长短。2一次电池(1)锌锰干电池普通锌锰干电池制作简单、价格便
3、宜，但存在放电时间短、放电后电压下降较快等缺点。碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能优越，它的比能量电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位(Wh)/kg或(Wh)/L大，能提供较大电流并连续放电。目前，在我国碱性锌锰电池正在逐渐代替普通锌锰干电池。普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池的比较普通锌锰干电池碱性锌锰干电池示意图构造负极：锌正极：石墨棒电解质溶液：氯化铵和氯化锌负极反应物：锌粉正极反应物：二氧化锰电解质溶液：氢氧化钾工作原理负极：Zn2e2NH=Zn(NH3)2H正极：2MnO22H2e=2MnOOH总反应：Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnOOH负极：Zn2OH2
4、e=Zn(OH)2正极：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2(2)银锌钮扣电池组成电极反应和电池反应负极：Zn2OH2e=Zn(OH)2正极：Ag2OH2O2e=2Ag2OH电池反应：ZnAg2OH2O=2AgZn(OH)21碱性锌锰干电池在放电时，电池的总反应方程式可以表示为Zn2MnO22H2O=Zn(OH)22MnOOH，在此电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是()AZnB碳棒CMnO2 DMnO2和H2OD在反应中Zn元素化合价升高，被氧化，Zn为负极反应物，负极电极反应式为Zn2OH2e=Zn(OH)2；Mn元素化
5、合价降低，被还原，MnO2为正极反应物，正极反应式为2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH，由此可知正极上参加反应的物质为MnO2和H2O；失去电子发生氧化反应的是Zn，得到电子发生还原反应的是MnO2，故选D。2电子表和电子计算机的电源通常用微型银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式：Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag。下列说法正确的是()AAg2O是正极，Zn是负极BZn是正极，Ag2O是负极C工作时，电池负极区溶液pH增大D工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极AA、电池反应式Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag中，较活泼的金属锌失去电子
6、发生氧化反应，所以锌作负极，氧化银得电子发生还原反应，所以氧化银作正极，故A正确，B错误；C、原电池放电时，负极上锌失电子和氢氧根离子反应生成氢氧化锌，导致负极附近氢氧根离子浓度降低，溶液的pH值减小，故C错误；D、原电池放电时，电子从负极沿导线流向正极，所以该原电池放电时，电子从锌沿导线流向氧化银，故D错误。二、二次电池1铅蓄电池(1)构造与组成铅蓄电池是由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2, 负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸。(2)工作原理放电过程充电过程负极：Pb2eSO=PbSO4(氧化反应)阴极：PbSO42e=PbSO(还原反应)正极：PbO24HSO2e
7、=PbSO42H2O(还原反应)阳极：PbSO42H2O2e= PbO24HSO(氧化反应)总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O总反应：2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4铅蓄电池的充、放电过程：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O(3)铅蓄电池的优缺点优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产生活中应用广泛。缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。2锂离子电池(1)构造与组成锂离子电池由正极、负极和电解质溶液三部分组成，正极材料多采用磷酸铁锂(LiFePO4)或钴酸锂(LiCoO2)等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌(即可逆嵌脱)结
8、构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。(2)工作原理(钴酸锂石墨锂电池为例)。电极电极反应负极LixO6xe=6CxLi正极Li(1x)CoO2xLixe=LiCoO2电池反应LixC6Li(1x)CoO2=LiCoO26C(3)反应过程在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。(正确的打“”，错误的打“”)(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小()(2)可充电电池的充放电过程是可逆反应()(3)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电
9、解质()(4)铅蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应()(5)锂离子电池放电时，Li移向正极区()三、燃料电池1燃料电池利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。燃料电池种类很多，如氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池。2氢氧燃料电池(1)氢氧燃料电池原理示意图(2)氢氧燃料电池工作原理酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应2H24e=4H2H24e4OH=4H2O正极反应O24e4H=2H2OO24e2H2O=4OH总反应2H2O2=2H2O(3)电池特点能量转换率高，污染小。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上
10、不断进行反应，连续不断地提供电能。【特别提醒】(1)燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。(2)酸性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为O24e4H=2H2O；碱性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为 O24e2H2O=4OH。(正确的打“”，错误的打“”)(1)燃料电池所有能量均转化为电能()(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极()(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O24H4e=2H2O()(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应()一次电池电极反应式的书写一次电池是放电后不能再充电使其复原的电池，又名干电池。价格比较便
11、宜，且电量较好，储存时间长，温度适应条件好，适用于中小电流密度的放电。其中最常见的为碱性锌锰电池和钮扣式银锌电池。碱性锌锰电池纽扣式银锌电池问题1碱性锌锰电池的总反应式为Zn2MnO22H2O=Zn(OH)22MnOOH(1)该电池中锰的化合价如何变化？提示锰元素从二氧化锰中的4价降为氢氧化氧锰中的3价。(2)该电池负极材料及电解质溶液是什么？写出其负极反应式。提示Zn作负极。电解质溶液为KOH溶液；其负极反应式为Zn2OH2e=Zn(OH)2。(3)依据第(2)题书写的负极反应式，你能书写出正极反应式吗？提示用总反应式减去负极反应式可得正极反应式：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH。
12、(4)该电池工作一段时间后，电解质溶液(KOH)的浓度如何变化？提示尽管反应过程中KOH没有被消耗，但从总反应式上可以看出，反应消耗了H2O，故KOH的浓度增大。问题2纽扣式银锌电池的总反应式为ZnAg2OH2O=2AgZn(OH)2(1)银锌电池的负极反应物及生成物分别是什么？提示负极反应物是锌，失电子后变成锌离子然后在碱性环境中生成氢氧化锌。(2)银锌电池的正极材料是什么？写出正极反应式。提示正极材料是Ag2O；正极反应式为Ag2OH2O2e=2Ag2OH。(3)若负极消耗1 mol Zn，那么正极会产生多少Ag?提示根据两极得失电子相等，Zn和Ag的物质的量之比应为12，所以若负极消耗1
13、 mol Zn，那么正极会产生2 mol Ag。化学电池中电极反应式的书写方法及步骤(1)分析电极反应。负极化合价升高，失电子，发生氧化反应，写出氧化产物的简单形式；正极化合价降低，得电子，发生还原反应，写出还原产物的简单形式。(2)注意电解质环境。电极产物在电解质溶液中能稳定存在，写出产物的正确存在形式。(3)根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。(4)根据正负极得失电子守恒，两电极反应式相加得电池总反应。(5)若已知电池总反应，可用电池总反应减去某一电极反应式求得另一电极反应式。轻巧记忆：各类电极反应式的一般书写步骤为列物质，标得失；选离子，配电荷；配个数，巧用水；两式加，验总式。1碱性电
14、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Zn2MnO22H2O=Zn(OH)22MnOOH。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2MnO22H2O2e=2MnOOH2OHC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0.2 mol电子，锌的质量减少6.5 gC由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2 mol电子，参加反应的锌理论上为0.1 mol，即质量减少6.5 g。2某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的
15、是()A锌为电池的负极B正极反应式为2FeO10H6e=Fe2O35H2OC该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D电池工作时OH向负极迁移B以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn6e6OH=3Zn(OH)2；K2FeO4为正极，发生反应：2FeO8H2O6e=2Fe(OH)310OH；放电过程中有OH生成，则电解质溶液的浓度增大，OH向负极迁移。燃料电池电极反应式的书写燃料电池是化学对人类的一项重大贡献，用两根铂丝作电极插入NaOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池甲烷燃料电池。下图是甲烷燃料电池原理示意图。问题1燃料电池供电
16、时燃料会燃烧吗？燃料电池的优点有哪些？提示不会。燃料电池是燃料与氧化剂分别在两个电极上反应，将化学能直接转化为电能，不会发生燃烧转化为热能。优点：燃料电池能量转化率高，超过80%，污染小。问题2甲烷燃料电池的正负极如何判断？提示通O2一端得电子为正极，通CH4一端失电子为负极。问题3写出用NaOH作电解质溶液时两极的电极反应式。提示因为CO2与NaOH溶液反应生成Na2CO3，故总反应式为CH42O22NaOH=Na2CO33H2O，其中正极反应式为2O24H2O8e=8OH，负极反应式为CH410OH8e=CO7H2O。问题4用稀H2SO4作电解质溶液时，甲烷燃料电池的正负极反应式和(3)相
17、同吗？应如何书写？提示不相同，总反应式是甲烷燃烧的化学方程式CH42O2=CO22H2O，其中正极反应式为2O28H8e=4H2O，负极反应式为CH48e2H2O=CO28H。1有机燃料电池电极反应式书写方法电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如甲烷碱性(NaOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物。甲烷燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与NaOH溶液反应生成Na2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。
18、第二步：确定价态的变化及转移电子数。甲烷(CH4)中碳元素的化合价为4，CO中碳元素的化合价为4，故1 mol甲烷完全反应失去14(4) mol8 mol电子。第三步：列出表达式。CH4OH8eCOH2O。第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为1，由电荷守恒确定OH的化学计量数为10。(注：失去8个电子，相当于带8个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为7，故负极反应式为CH410OH8e=CO7H2O。2书写燃料电池电极反应式的三步骤3常见的四种典型燃料电池名称电解质电极反应和总反应氢氧燃料电池KOH正极：O24e2H2O=4OH负极：2H
19、24e4OH=4H2O总反应：2H2O2=2H2OH2SO4正极：O24e4H=2H2O负极：2H24e=4H总反应：2H2O2=2H2O甲烷燃料电池KOH正极：2O24H2O8e=8OH负极：CH410OH8e=CO7H2O总反应：CH42O22KOH=K2CO33H2O甲醇燃料电池KOH正极：3O26H2O12e=12OH负极：2CH3OH16OH12e=2CO12H2O总反应：2CH3OH3O24KOH=2K2CO36H2O肼燃料电池KOH正极：O22H2O4e=4OH负极：N2H44OH4e=N24H2O总反应：N2H4O2=N22H2O1一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。有关该电
20、池的说法正确的是()A反应CH4H2O3H2CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子B电极A上的电极反应为H22OH2e=2H2OC电池工作时，CO向电极B移动D电极B上发生的电极反应为O22CO24e=2CODA项，由碳元素化合价变化可知，每消耗1 mol CH4转移6 mol电子；B项，电极A为负极，电极反应为H2CO2CO4e=H2O3CO2；C项，电池工作时，CO向电极A移动；D项，电极B是正极，电极反应为O22CO24e=2CO。2如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH
21、3O2=2CO24H2O。下列说法不正确的是()A左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇B正极反应式为O22H2O4e=4OHC负极反应式为CH3OHH2O6e=CO26HD该电池提供1 mol e，消耗氧气0.25 molB负极反应式为2CH3OH12e2H2O=2CO212H，正极反应式为3O212e12H=6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1 mol电子时，消耗O2为1 mol0.25 mol。充电电池(蓄电池)铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好、造价较低，因而应用广泛。问题1二次电池充电放电时互为可逆过程，
22、是可逆反应吗？提示二次电池的充电反应和放电反应是两个相反的过程，但反应条件不同，不能互称可逆反应。问题2铅蓄电池工作原理为PbPbO22H2SO42PbSO42H2O放电时的负极材料是什么？写出负极电极反应式。放电时的正极材料是什么？写出正极电极反应式。提示放电时的负极材料是Pb，负极反应式为PbSO2e=PbSO4正极材料是PbO2，正极反应式为PbO24HSO2e=PbSO42H2O。问题3铅蓄电池放电时，溶液中的阴、阳离子如何运动？提示SO向负极移动，H向正极移动。一般来讲，带负电荷的阴离子向负极定向移动，带正电荷的阳离子向正极定向移动。离子移动的目的是使电解质溶液整体区域和局部区域都保
23、持电中性。问题4在铅蓄电池的充、放电过程中，溶液的pH分别如何变化？提示根据电池的总反应：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O可做出判断。放电时，消耗硫酸，pH增大；充电时生成硫酸，pH减小。问题5一次电池和二次电池的本质区别是什么？提示一次电池放电之后不能充电，即内部的氧化还原反应是不可逆的；二次电池在放电时所进行的氧化还原反应在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前状态可多次重复使用。充电电池充电、放电的原理(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为可逆反应。(2)充、放电时各电极上发生的反应(3
24、)充电电池电极反应式的书写充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb2e=Pb2是错误的，应写成PbSO2e=PbSO4。1高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。请回答下列问题：(1)高铁电池的负极材料是_，放电时负极的电极反应
25、式为_。(2)放电时，正极发生_(填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为_。放电时，_(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。解析放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极的电极反应式为3Zn6OH6e=3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，正极的电极反应式为2FeO6e8H2O=2Fe(OH)310OH，则正极附近生成了OH，溶液的碱性增强。答案(1)Zn3Zn6OH6e=3Zn(OH)2(2)还原2FeO6e8H2O=2Fe(OH)310OH正2镍镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达1015年。其总反应为Cd2NiO(OH)2H2O2Ni(OH)2Cd(OH)2。(1)放电时
26、，负极发生_反应，反应式为_。(2)电池工作时，负极区pH_，正极区pH_。(3)该电池工作时，电解质溶液中的OH向_移动答案(1)氧化Cd2OH2e=Cd(OH)2(2)减小增大(3)负极1如图是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是()干电池示意图铅蓄电池示意图氢氧燃料电池示意图A上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池B干电池在长时间使用后，锌筒被破坏C铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 gD氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源C在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧
27、燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确；C项忽略了硫酸铅在该极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误。2全钒液流电池以惰性材料作电极，在电解质溶液中发生电池总反应为VO2H2OV3VOV22H。在电池放电过程中，正极附近溶液的pH()A增大B减小C不变D无法判断A放电过程中，正极附近发生反应：VO2He=VO2H2O，消耗氢离子，酸性减弱，溶液的pH变大。3CO无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一种CO分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化钇一氧化钠，其中O2可以在固体介质NASICON中自由移动。下列说法中错误的是()A负极的电极反应式为COO22e=
28、CO2B工作时电极b作正极，O2由电极a向电极b移动C工作时电子由电极a通过传感器流向电极bD传感器中通过的电流越大，尾气中CO的含量越高BA负极上一氧化碳失电子和氧离子反应生成二氧化碳，电极反应式为COO22e=CO2，故A正确；B原电池放电时，阴离子向负极移动，该原电池中，a是负极，b是正极，所以氧离子由b电极向a电极移动，故B错误；C放电时，a作负极，b作正极，电子从负极a通过传感器流向电极b，故C正确；D一氧化碳的含量越大，一氧化碳失电子越多，则原电池放电时产生的电流越大，故D正确；4“除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料”。已知肼燃烧时发生下列反应，N2
29、H4O2=N22H2O。以Pt为电极，以硫酸为电解质溶液组成肼燃料电池，下列关于肼燃料电池的说法中不正确是()A肼是燃料电池的负极反应物，O2是正极反应物B肼燃料电池的正极反应为O22H2O4e=4OHC肼燃料电池的负极反应为N2H4 4e=N24HD电池工作过程中H向正极移动，但H物质的量不变B肼燃烧时发生下列反应，N2H4O2=N22H2O，该反应中肼是还原剂，氧气是氧化剂。A根据原电池原理，肼在负极上发生氧化反应，氧气在正极上发生还原反应，正确；B电解质溶液是酸性的，所以正极的电极反应式应为O24H4e=2H2O，故B错误；C电池的负极的反应式为N2H44e=N24H，正确；D电池工作过
30、程中H向正极移动，根据总反应可知，H物质的量不变，正确。5普通锌锰电池和碱性锌锰电池是生活中用量很大的两种干电池构造如图所示。普通锌锰电池放电时发生的主要反应为Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnOOH。普通锌锰电池构造示意图碱性锌锰电池构造示意图(1)请写出普通锌锰电池中的负极材料、电解质的主要成分，以及正极发生的主要反应。(2)与普通锌锰电池相比，请指出碱性锌锰电池的优点，并说明理由。解析根据化学方程式Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnOOH，反应中Zn被氧化，为电池负极锌，氯化铵是电解质的主要成分，二氧化锰和铵根离子在正极发生反应，MnO2NHe=MnOOHNH3。与普通锌锰电池相比，碱性锌锰电池的优点及其理由是碱性电池不易发生电解质的泄露，因为消耗的负极改装在电池的内部，碱性电池的使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性高。答案(1)锌；NH4Cl；MnO2NHe=MnOOHNH3(2)碱性电池不易发生电解质的泄露，因为消耗的负极改装在电池的内部，碱性电池的使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性高。