1、第二节化学电源学习目标核心素养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、废旧电池对环境的危害及处理方法。1.证据推理与模型认知：建立对原电池过程的系统分析思路的认识模型，提高对原电池本质的认识。2科学态度与社会责任：依据生活和工业生产上的过程，设计简单的原电池，有致力于新型电池开发的科学态度与社会责任。一、化学电池1定义将化学能变成电能的装置。2分类3优点化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。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。(2)比功率即单位质量或单位体积所能输出功率的大小。(
2、3)电池的可储存时间的长短。二、一次电池1锌锰干电池(1)碱性锌锰电池的构造(2)工作原理负极：Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH；总反应：Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。(3)特点：比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高，适用于大电流和连续放电。2银锌电池(1)纽扣式银锌电池的构造(2)工作原理负极：Zn2OH2e=ZnOH2O；正极：Ag2OH2O2e=2Ag2OH；总反应：ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。(3)特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。3锂电池(1)电极材料：负极：Li；
3、正极：MnO2、CuO、FeS2等。(2)特点：比能量高、电压高、工作温度宽、可储存时间长。三、二次电池二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，又称充电电池或蓄电池。1铅蓄电池的构造负极：Pb，正极：PbO2，电解质溶液：H2SO4溶液。2工作原理(1)放电时负极：Pb(s)SO(aq)2e=PbSO4(s)；正极：PbO2(s)4H(aq)SO(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)；总反应：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)。(2)充电时铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。阴极：PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq)；阳极：PbS
4、O4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq)；总反应：2PbSO4(s)2H2O(l)=Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)。上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)。3性能及应用电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉、生产生活中应用广泛，缺点是比能量低、笨重、废弃电池污染环境。四、燃料电池1燃料电池的工作原理(1)连续地将燃料(如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体)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
5、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)能量转化率高燃料电池的能量转化率超过80%，普通燃烧过程能量转化率仅30%多。(2)污染小。3氢氧燃料电池(1)碱性电解质电极反应为：负极：2H24OH4e=4H2O；正极：O22H2O4e=4OH；总反应：2H2O2=2H2O(2)酸性电解质电极反应为：负极：2H24e=4H；正极：O24H4e=2H2O；总反应：2H2O2=2H2O探究点一燃料电池电极反应式的书写1燃料电池的组成(1)电极：惰性电极。(2)燃料：包括H2、烃(如CH4)、醇(如C2H5OH)、肼(N2H4)等。(3)电解质：酸性电解质溶液，如H2SO4溶液；碱
6、性电解质溶液，如NaOH溶液；熔融氧化物，如Y2O；熔融碳酸盐，如K2CO3等。2书写燃料电池反应式的基本步骤(1)第一步：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，则总反应为加和后的反应。如氢氧燃料电池的总反应为2H2O2=2H2O；甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的反应：CH42O2=CO22H2OCO22NaOH=Na2CO3H2O式得燃料电池总反应为CH42O22NaOH=Na2CO33H2O。(2)第二步：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，一般为以下四
7、种情况：酸性电解质溶液环境下电极反应式：O24H4e=2H2O。碱性电解质溶液环境下电极反应式：O22H2O4e=4OH。固体电解质(高温下能传导O2)环境下电极反应式：O24e=2O2。熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O22CO24e=2CO。(3)第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式(消去电子)。故根据第一、二步写出的反应：电池的总反应式电池正极反应式电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。3实例以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式
8、的书写方法：(1)酸性条件燃料电池总反应：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应：O24H4e=2H2O2，得燃料电池负极反应：CH42H2O8e=CO28H(2)碱性条件燃料电池总反应：CH42O22NaOH=Na2CO33H2O燃料电池正极反应：O22H2O4e=4OH2，得燃料电池负极反应：CH410OH8e=CO7H2O(3)固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应：CH42O2=CO22H2O燃料电池正极反应：O24e=2O22，得燃料电池负极反应：CH44O28e=CO22H2O(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境电池总反应：CH42O2=CO22H2O正极电极反应式
9、：O22CO24e=2CO2，得负极反应式：CH44CO8e=5CO22H2O。注意事项：电池的负极通入可燃性气体，失电子，发生氧化反应。电池的正极通入氧气或空气，得电子，发生还原反应。电极材料一般不参加化学反应，只是一个催化转化元件。书写电极反应式时，要分清电解质溶液的酸碱性。在碱性电解质溶液中，电极反应式中不能出现H；在酸性电解质溶液中，电极反应式中不能出现OH。正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式，如甲烷燃料电池。电极反应式遵循质量守恒、电荷守恒定律。1燃料电池与一般化学电池之间的区别是什么？提示：燃料电池
10、与一般化学电池的区别：一般化学电池的活性物质储存在电池内部，受电池容量的限制；燃料电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。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，反应产物不断地被排除，可以连续不断地提供电能。2氢氧燃料电池的能量利用率是100%，产物为水，不污染环境。正确吗？提示：氢氧燃料电池中产物为水，不污染环境，但能量利用率达不到100%。3如果用稀硫酸作电解质溶液，氢氧燃料电池在放电后溶液的pH将发生怎样的变化？提示：反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，使溶液变稀，pH增大。【例1】用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体
11、和氧气，可形成原电池燃料电池，该电池放电时发生的反应为CH42KOH2O2=K2CO33H2O，下列说法错误的是()A通甲烷的一极为负极，通氧气的一极为正极B放电时，通入O2一极附近溶液的pH升高C放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化D通甲烷一极的电极反应式是CH410OH8e=CO7H2O【思路分析】燃料电池的总反应一般与燃烧反应相同，在燃料电池中可燃物作负极发生失电子的氧化反应，助燃物(一般是O2)作正极发生得电子的还原反应。【解析】原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总反应式知，此燃料电池的电极反应式是：正极2O24H2O8e=8OH；负极CH410OH8e=CO7H2O
12、，由此可见选项A、B、D都正确。放电时KOH的物质的量减小。【答案】C下图是四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极反应生成水的是(C)解析：A项，正极反应生成O2；B项，正极反应生成OH；C项，正极反应生成H2O；D项，正极反应生成CO。探究点二化学电源电极反应式的书写1化学电源电极反应式的书写步骤(1)列出物质，标电子的得失；(2)选离子，配电荷；(3)配个数，巧用水；(4)两式加，验总式。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：根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H2，转移电子数为4e：2H24e=4H。根据电解质溶液的酸碱性，用H或OH
13、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，电极反应式不出现H。利用元素守恒验证，即得2H24e4OH=4H2O。2给出总反应式，书写电极反应式(1)根据总反应式，分析有关元素的化合价变化情况，找出此反应中的氧化反应和还原反应，负极反应式为：还原剂氧化产物；正极反应式为：氧化剂还原产物，选择一个较简单的去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。3给出装置，书写电极反应式先分析给定的化学电源的装置图，确定电源的正、负极及正、负极的反应物，结合电解质溶液确定产物，然后按
14、电极反应式书写步骤即可。4可充电电池电极反应式的书写书写充电电池的电极反应式时，首先从放电过程入手，首先分析反应的总方程式，放电时负极发生氧化反应：元素化合价升高，通常是电极本身或电极中充入的物质失电子，正极则发生还原反应，元素的化合价降低；其次分析充电过程：充电时的阴极反应式与放电时的负极反应式书写方向正好相反，充电时的阳极反应式与放电时的正极反应式书写方向相反；第三，书写时特别注意两极反应生成的离子能否在电解质溶液中共存，若不能共存，则该离子还应与电解质溶液中的某种离子发生反应。第四，充电电池反应原理中化合物一般不溶于水，书写电极反应式时不能拆分。如何给可充电电池充放电？提示：可充电电池充
15、放电时电池的接法：【例2】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。下列叙述不正确的是()A放电时负极反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2B充电时阳极反应：Fe(OH)35OH3e=FeO4H2OC放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强【思路分析】二次电池放电时为原电池，其充电和放电时的电极反应相反。【解析】该电池放电时负极发生氧化反应：Zn2OH2e=Zn(OH)2，正极发生还原反应：FeO4H2O3e=Fe
16、(OH)35OH，正极附近溶液碱性增强，A、D正确，C不正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)35OH3e=FeO4H2O，B正确。【答案】C已知某种微生物燃料电池工作原理如图所示(B极区溶液为酸性电解质溶液)。下列有关该电池的说法中，正确的是(D)A外电路电子从B极移向A极B溶液中H由B极区移向A极区C电池工作一段时间后B极区溶液的pH减小DA极电极反应式为CH3COOH8e2H2O=2CO28H解析：根据图知，A电极上碳元素化合价由0价变为4价，则A是负极，B是正极，负极反应式为CH3COOH8e2H2O=2CO28H，电解质溶液呈酸性，则正极反应式为 O24e4H=2H2O，正极区反
17、应生成H2O，溶液浓度变小，pH增大。1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。其电池反应为2ZnO2=2ZnO，原料为锌粒、电解质溶液和空气，则下列叙述正确的是(B)A锌为正极，空气进入负极反应B负极反应为Zn2e=Zn2C正极发生氧化反应D电解质溶液可能是强酸溶液解析：在原电池中，负极是还原性物质，失去电子，发生氧化反应；正极是氧化性物质，得到电子，发生还原反应。从原电池的电池反应为2ZnO2=2ZnO知，产物与强酸反应，所以电解质溶液肯定不是强酸溶液。2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。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电
18、池总反应式为：Zn(s)2MnO2(s)H2O(l)=Zn(OH)2(s)Mn2O3(s)，下列说法错误的是(C)A电池工作时，锌失去电子B电池正极的电极反应式为：2MnO2(s)H2O(l)2e=Mn2O3(s)2OH(aq)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0.2 mol电子，锌的质量理论上减小6.5 g解析：电池工作时锌在负极失去电子，故A正确；只要能够理解正极的反应物是MnO2，同时能够应用电子转移数目、电荷守恒与元素守恒即可正确地书写电极反应式，而本题只要对其进行正误判断，因此只要从上述三个方面进行验证即可，B选项正确；C中外电路的电子应该由负极流出，流入正极
19、，故C错误；D中只要根据简单的计算，即理解每反应1 mol Zn，失去2 mol电子，因此D正确。3.纽扣电池可用于计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为ZnAg2OH2O=2AgZn(OH)2。关于该电池的叙述不正确的是(B)A使用时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极B使用时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极C正极的电极反应为Ag2O2eH2O=2Ag2OHDZn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应解析：由总方程式可以看出，负极为Zn，正极为Ag2O，使用时电子由负极流向正极，A项正确，B项错
20、误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，C项正确，D项也正确。4一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH4eH2O=CH3COOH4H。下列有关说法正确的是(C)A检测时，电解质溶液中的H向负极移动B若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气C电池反应的化学方程式为：CH3CH2OHO2=CH3COOHH2OD正极上发生的反应为：O24e2H2O=4OH解析：电解质溶液中阳离子应向正极移动，A项错误；酸性溶液中，正极上的电极反应为O24e4H=2H2O，D项错误；结合正极反应，转移0.4 mol电子时，消耗0.1 mol O2，其在标准状况
21、下的体积为2.24 L，B项错误；C项符合题目要求。5铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为FeNi2O33H2O=Fe(OH)22Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是(C)A电池的电解质溶液呈碱性，正极为Ni2O3、负极为FeB电池放电时，负极反应为Fe2OH2e=Fe(OH)2C电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低D电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)22OH2e=Ni2O33H2O解析：在铁镍蓄电池中，Fe作负极，Ni2O3作正极，由于生成Fe(OH)2，则电解质溶液呈碱性，A项正确；电池放电时，负极反应为Fe2OH2e=Fe(OH)2，B项正确；电池充电时，阴极反应为F
22、e(OH)22e=Fe2OH，阴极附近溶液的pH升高，C项错误；由充电时的总反应减去阴极反应，可得阳极反应，D项正确。6美国圣路易斯大学研制了一种新型的乙醇电池，它用磺酸类质子溶剂，在200 左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更安全。电池总反应为C2H5OH3O2=2CO23H2O，电池示意如图，下列说法不正确的是(D)Aa极为电池的负极B电池工作时电流由b极沿导线经灯泡再到a极C电池正极的电极反应为4HO24e=2H2OD电池工作时，1 mol乙醇被氧化时就有6 mol电子转移7一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池，可连续使用一个月，其电池反应为：2CH3OH3O24O
23、H2CO6H2O，则有关说法正确的是(B)A放电时，CH3OH参与反应的电极为正极B放电时，负极的电极反应为CH3OH8OH6e=CO6H2OC标准状况下，通入5.6 L O2并完全反应后，有0.5 mol电子转移D放电一段时间后，通入氧气的电极附近溶液的pH降低解析：从电池反应可知，CH3OH为原电池的负极，A选项错误；正极反应为：O22H2O4e=4OH，标准状况下，5.6 L O2为0.25 mol，转移电子数为1 mol，C选项错误；从正极反应可以看出，正极附近溶液OH的浓度增大，pH升高，D选项错误。8被誉为改变未来世界的十大新科技之一的燃料电池具有无污染、无噪音、高效率的特点。如图
24、所示为氢氧燃料电池的结构示意图，电解质溶液为KOH溶液，电极材料为疏松多孔石墨棒。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可在闭合回路中不断地产生电流。试回答下列问题：(1)图中通过负载的电子流动方向为向右(填“向左”或“向右”)。(2)写出氢氧燃料电池工作时的电极反应和总反应。正极：2H2OO24e=4OH，负极：2H24OH4e=4H2O，总反应：2H2O2=2H2O。(3)为了获得氢气，除了充分利用太阳能外，工业上利用石油产品与水在催化剂作用下制取氢气。写出C3H8和H2O反应生成H2和CO化学方程式C3H83H2O3CO7H2。(4)若将此燃料电池改为甲烷空气燃料电池，该电池工作时的负极反应为CH410OH8e=CO7H2O。解析：H2在负极上被氧化，O2在正极上被还原，电解质溶液为KOH溶液，在书写电极反应时不出现H。书写甲烷空气燃料电池的电极反应时，甲烷被O2氧化的产物是CO2，在碱溶液中继续反应生成CO。