高中化學 第四章 電化學基礎(chǔ) 重難點五 化學電源新型電池（含

1、重難點五 化學電源新型電池一、一次電池 1定義：一次電池的活性物質(zhì)(發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì))消耗到一定程度，就不能使用了一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀，不流動，也叫干電池常用的有普通的鋅錳干電池、堿性鋅錳電池、鋅汞電池、鎂錳干電池等2常見的一次電池：（1）普通鋅錳干電池鋅錳干電池是最常見的化學電源，分酸性堿性兩種干電池的外殼(鋅)是負極，中間的碳棒是正極，在碳棒的周圍是細密的石墨和去極化劑MnO2的混合物，在混合物周圍再裝入以NH4Cl溶液浸潤ZnCl2，NH4Cl和淀粉或其他填充物(制成糊狀物)為了避免水的蒸發(fā)，干電池用蠟封好干電池在使用時的電極反應(yīng)為：負極：Zn-2e-=Zn2+ 正極：2N

2、H4+2e-+2MnO2=2NH3+Mn2O3+H2O總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2NH4+=Mn2O3+2NH3+Zn2+H2O（2）堿性鋅錳干電池負極：Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正極：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2（3）銀一鋅電池 電子手表、液晶顯示的計算器或一個小型的助聽器等所需電流是微安或毫安級的，它們所用的電池體積很小，有“紐扣”電池之稱它們的電極材料是Ag2O和Zn，所以叫銀一鋅電池電極反應(yīng)和電池反應(yīng)是：負極：Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正極：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2O

3、H- 總反應(yīng)：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 利用上述化學反應(yīng)也可以制作大電流的電池，它具有質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點這類電池已用于宇航、火箭、潛艇等方面（4）鋰-二氧化錳非水電解質(zhì)電池    以鋰為負極的非水電解質(zhì)電池有幾十種，其中性能最好、最有發(fā)展前途的是鋰一二氧化錳非水電解質(zhì)電池，這種電池以片狀金屬及為負極，電解活性MnO2作正極，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有機溶劑作為電解質(zhì)溶液，以聚丙烯為隔膜，電極反應(yīng)為：負極反應(yīng)：Li-e-=Li+ 正極反應(yīng)：MnO2+Li+e-=LiMnO2 總反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2 該種電池的電動勢為2.

4、69V，重量輕、體積小、電壓高、比能量大，充電1000次后仍能維持其能力的90%，貯存性能好，已廣泛用于電子計算機、手機、無線電設(shè)備等 （5）鋁-空氣-海水電池1991年，我國首例以鋁-空氣-海水為材料組成的新型電池用作航海標志燈該電池以取之不盡的海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流 工作原理：負極：4Al-12e-4Al3+ 正極：3O2+6H2O+12 e-12OH- 總反應(yīng)：4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3 特點：這種海水電池的能量比“干電池”高20-50倍（6）高能電池-鋰電池   該電池是20世紀70年代研制出的一種高能電池由于鋰的相對原子質(zhì)

5、量很小，所以比容量(單位質(zhì)量電極材料所能轉(zhuǎn)換的電量)特別大，使用壽命長，適用于動物體內(nèi)(如心臟起搏器)因鋰的化學性質(zhì)很活潑，所以其電解質(zhì)溶液應(yīng)為非水溶劑如作心臟起搏器的鋰-碘電池的電極反應(yīng)式為：負極：2Li-2e-2Li+  正極：I2+2e-2 I-總反應(yīng)式為：2Li+I22LiI 二、二次電池1定義：二次電池又稱充電電池或蓄電池，放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生這類電池可以多次重復(fù)使用2常見的二次電池：（1）鉛蓄電池是最常見的二次電池，它由兩組柵狀極板交替排列而成，正極板上覆蓋有PbO2，負極板上覆蓋有Pb，電解質(zhì)是H2SO4鉛蓄電池放電的電極反應(yīng)如下：負極：Pb+S

6、O42-2e-=PbSO4(氧化反應(yīng))正極：PbO2+SO42-十4H+2e-=PbSO4+2H2O(還原反應(yīng))總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4十2H2O鉛蓄電池充電的反應(yīng)是上述反應(yīng)的逆過程：陰極：PbSO4+2e-=Pb+SO42-(還原反應(yīng))陽極：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+SO42-十4H+(氧化反應(yīng))總反應(yīng)：2PbSO4十2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4可以把上述反應(yīng)寫成一個可逆反應(yīng)方程式：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4十2H2O（2）堿性鎳-鎘電池：該電池以Cd和NiO(OH)作電極材料，NaOH作電解質(zhì)溶液負極：Cd+2OH-2e-=C

7、d(OH)2正極：2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-總反應(yīng)式為：Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2從上述兩種蓄電池的總反應(yīng)式可看出，鉛蓄電池在放電時除消耗電極材料外，同時還消耗電解質(zhì)硫酸，使溶液中的自由移動的離子濃度減小，內(nèi)阻增大，導電能力降低而鎳-鎘電池在放電時只消耗水，電解質(zhì)溶液中自由移動的離子濃度不會有明顯變化，內(nèi)阻幾乎不變，導電能力幾乎沒有變化（3）氫鎳可充電池：該電池是近年來開發(fā)出來的一種新型可充電池，可連續(xù)充、放電500次，可以取代會產(chǎn)生鎘污染的鎳-鎘電池負極：H2+2OH-2e-=2H2O正極：2NiO(OH)+2H2O

8、+2e-=2Ni(OH)2+2OH-總反應(yīng)式為：H2+2NiO(OH)=2Ni(OH)2  三、燃料電池    又稱連續(xù)電池：一般以天然燃料或其它可燃物質(zhì)如H2、CH4等作為負極反應(yīng)物質(zhì)，以O(shè)2作為正極反應(yīng)物質(zhì)而形成的燃料電池體積小、質(zhì)量輕、功率大，是正在研究的新型電池之一（1）氫氧燃料電池主要用于航天領(lǐng)域，是一種高效低污染的新型電池，一般用金屬鉑(是一種惰性電極，并具有催化活性)或活性炭作電極，用40%的KOH溶液作電解質(zhì)溶液其電極反應(yīng)式為：負極：2H2+4OH-4e-=4H2O正極：O2+2H2O+4e-=4OH-總反應(yīng)式為：2H2+O2=2H2O（

9、2）甲烷燃料電池用金屬鉑作電極，用KOH溶液作電解質(zhì)溶液負極：CH4+10OH-8e-=CO3 2-+7H2O正極：2O2+4H2O+8e-=8OH-總反應(yīng)式為：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O（3）甲醇燃料電池是最近摩托羅拉公司發(fā)明的一種由甲醇和氧氣以及強堿作為電解質(zhì)溶液的新型手機電池，電量是現(xiàn)有鎳氫電池或鋰電池的10倍負極：2CH4O+16OH-12e-=2CO3 2-+12H2O正極：3O2+6H2O+12e-=12OH-總反應(yīng)式為：2CH4O+3O2+4OH-=2CO3 2-+6H2O（4）固體氧化物燃料電池該電池是美國西屋公司研制開發(fā)的，它以固體氧化鋯-氧化釔為電解質(zhì)，

10、這種固體電解質(zhì)在高溫下允許O2-在其間通過負極：2H2+2O2-4e-=2H2O正極：O2+4e-=2O2-總反應(yīng)式為：2H2+O2 =2H2O（5）熔融鹽燃料電池：    該電池用Li2CO3和的Na2CO3熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為陽極燃氣，空氣與CO2的混合氣為陰極助燃氣，制得在6500C下工作的燃料電池熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率負極：2CO+2CO3 2-4e-=4CO2正極：O2+2CO2+4e-=2CO3 2-總反應(yīng)式為：2CO+O2=2CO2。【重難點指數(shù)】 【重難點考向一】 新型二次電池【例1】高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比

11、，該電池能長時間保持穩(wěn)定的放電電壓高鐵電池的總反應(yīng)為3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH下列敘述不正確的是()A放電時負極反應(yīng)為：Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2 B充電時陽極反應(yīng)為：Fe(OH)3-3e-+5OH-FeO42-+4H2OC放電時每轉(zhuǎn)移3mol電子，正極有1mol K2FeO4被氧化D放電時正極附近溶液的堿性增強【答案】C【重難點點睛】根據(jù)電池的總反應(yīng)可知，高鐵電池放電時必定是鋅在負極失去電子，電極反應(yīng)式為Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2，高鐵酸鈉在正極得到電子，電極反應(yīng)式為FeO42+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-

12、，根據(jù)電極反應(yīng)式可判斷電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量與反應(yīng)物之間的關(guān)系，充電時，陽極上氫氧化鐵轉(zhuǎn)化成高鐵酸鈉，電極反應(yīng)式為Fe(OH)3+5OH-=FeO42+4H2O+3e-，陽極消耗OH-離子，堿性要減弱?！局仉y點考向二】 新型燃料電池【例2】查處酒后駕駛采用的“便攜式乙醇測量儀”以燃料電池為工作原理，在酸性環(huán)境中，理論上乙醇可以被完全氧化為CO2，但實際乙醇被氧化為X，其中一個電極的反應(yīng)式為：CH3CH2OH-2e-X+2H+下列說法中正確的是()A電池內(nèi)部H+由正極向負極移動B另一極的電極反應(yīng)式為：O2+4e-+2H2O=4OH-C乙醇在正極發(fā)生反應(yīng)，電子經(jīng)過外電路流向負極D電池總反應(yīng)為：2CH3

13、CH2OH+O22CH3CHO+2H2O【答案】D【解析】A原電池工作時，陽離子向正極移動，故A錯誤；B電解質(zhì)溶液呈酸性，正極反應(yīng)式為O2+4e-+4H+=2H2O，故B錯誤；C原電池工作時，電子由負極經(jīng)外電路流向正極，故C錯誤；D由CH3CH2OH-2e-X+2H+可知，X應(yīng)為CH3CHO，則電池總反應(yīng)為2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O，故D正確；故選D?！久麕燑c睛】以化學電源新型電池為載體考查原電池原理，醇酸性燃料電池中，乙醇被氧化，應(yīng)為電池負極，正極上氧氣得電子和氫離子反應(yīng)生成水，電極反應(yīng)式為O2+4e-+4H+=2H2O，由CH3CH2OH-2e-X+2H+可知，X應(yīng)為

14、CH3CHO，應(yīng)為2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O，原電池工作時，電子由負極經(jīng)外電路流向正極；易錯選項是B，寫電極反應(yīng)式時要注意結(jié)合溶液的酸堿性；在酸性溶液，生成物中不能有氫氧根離子生成；在堿性溶液中，生成物中不能有氫離子生成?！局仉y點考向三】 電化學原理的綜合應(yīng)用【例3】將鉑電極放置在KOH溶液中，然后分別向兩極通入CH4和O2，即可產(chǎn)生電流，此裝置稱為甲烷燃料電池下列敘述中正確的是() 通入CH4的電極為正極 正極的電極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH- 通入CH4的電極反應(yīng)式為：CH4+2O2+4e-=CO2+2H2O 負極的電極反應(yīng)式為：CH4+10OH-8e-

15、=CO32-+7H2O 放電時溶液中的陽離子向負極移動 放電時溶液中的陰離子向負極移動A B C D 【答案】C【名師點睛】考查堿性甲烷電池的工作原理，具體分析：甲烷燃料電池中甲烷失電子為負極；正極上氧氣得電子生成氫氧根離子；甲烷燃料電池負極是甲烷失電子，堿性條件下生成碳酸根離子；甲烷燃料電池負極是甲烷失電子，堿性條件下生成碳酸根離子；原電池工作時，電解質(zhì)溶液中，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。1某種熔融碳酸鹽燃料電池以Li2CO3、K2CO3為電解質(zhì)，以C4H10為燃料時，該電池工作原理如圖下列說法正確的是()Aa為C4H10，b為CO2B在熔融電解質(zhì)中，CO32-向正極移動C此電池在常

16、溫時也能工作D通入丁烷的一極是負極，電極反應(yīng)為：C4H10-26e-+13CO32-=17CO2+5H2O【答案】【名師點睛】該原電池為甲烷燃料電池，根據(jù)圖象中電子流向知，左邊電極為負極、右邊電極為之間，通入燃料的電極為負極、通入氧化劑的電極為正極，所以a為丁烷、b為O2，負極反應(yīng)式為C4H10-26e-+13CO32-=17CO2+5H2O，正極反應(yīng)式為O2+2CO2+4e-2CO32-，據(jù)此分析解答。2空間實驗室“天宮一號”的供電系統(tǒng)中有再生氫氧燃料電池(RFC)，RFC是一種將水電解技術(shù)與氫氧燃料電池技術(shù)相結(jié)合的可充電電池如圖為RFC工作原理示意圖下列有關(guān)說法正確的是()A當有0.1&#

17、160;mol電子轉(zhuǎn)移時，a電極產(chǎn)生2.24LH2Bb電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是：4H2O+4e-=2H2+40H-Cc電極上進行還原反應(yīng)，B池中H+的可以通過隔膜進入A池Dd電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是：O2+4H+4e-=2H2O【答案】C【解析】電解池中的電極反應(yīng)為：b電極為陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH-4e-=2H2O+O2；a電極為陰極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：4H+4e-=2H2；原電池中是酸性溶液，電極反應(yīng)為：d為負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：2H2-4e-=4H+；c電極為正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：O2+4H+4e-=2H2O；A陽極電極反應(yīng)計算，當有0.1 mol電子轉(zhuǎn)移時，a電極產(chǎn)生標況下1

18、.12LH2，故A錯誤；Bb電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是4OH-4e-=2H2O+O2；故B錯誤；Cc電極上進行還原反應(yīng)，B池中的H+可以通過隔膜進入A池，故C正確；Dd電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是：2H2-4e-=4H+；故D錯誤；故選C?！久麕燑c睛】考查了化學電源新型電池，主要考查原電池和電解池的工作原理，電極判斷，電極反應(yīng)，關(guān)鍵是原電池中電解質(zhì)溶液是酸性環(huán)境，依據(jù)圖示ab電極是電解池的電極，由電源判斷a為陰極產(chǎn)生的氣體是氫氣，b為陽極產(chǎn)生的氣體是氧氣；cd電極是原電池的正負極，c是正極，d是負極；電解池中的電極反應(yīng)為：b電極為陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH-4e-=2H2O+O2；a電極為陰極得到電

19、子發(fā)生還原反應(yīng)：4H+4e-=2H2；原電池中是酸性溶液，電極反應(yīng)為：d為負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)：2H2-4e-=4H+；c電極為正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：O2+4H+4e-=2H2O；結(jié)合電極上的電子守恒分析計算。3有人設(shè)計出利用CH4和O2的反應(yīng)，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池電池的總反應(yīng)類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是()每消耗1mol CH4可以向外電路提供8mole-負極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O負極上是O2獲得電子，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-電池放電后，溶液pH不斷升高A B C D 【答案】A【名師點睛】堿性甲烷燃料電池，具有還原性的甲烷為原電池的負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O，通入氧氣的一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH-，原電池工作時，電子從負極經(jīng)外電路流向正極，電解質(zhì)溶液中，陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。4一種新型燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體；電解質(zhì)是摻雜氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在熔融狀態(tài)下能傳導O2-下列對該燃料電池說法正確的是()A在熔融電解質(zhì)中，O2-由負極移向正極B