高中化學(xué)蘇教版選修4學(xué)案專題一第二單元第2課時化學(xué)電源

第2課時化學(xué)電源

一、化學(xué)電池

1.定義

將化生能變成電能的裝置。

2.分類

3.優(yōu)點

化學(xué)電池的能量轉(zhuǎn)換效率較高,供能穩(wěn)定可靠。

4.判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)

(1)比能量

即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。

(2)比功率

即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。

⑶電池的可儲存時間的長短。

二、一次電池

1.鋅鎰干電池

⑴堿性鋅錦電池的構(gòu)造

(2)工作原理

負(fù)極：Zn+2OH-—2e-=Zn(OH)2；

正極：2MnO2+2H2O+2e==2MnOOH+2OH-：

總反應(yīng)：Zn+2MliO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2。

(3)特點：比能量和可儲存時間比普通鋅錦電池均有所提高，適用

于大電流和連續(xù)放電。

2.銀鋅電池

(1)紐扣式銀鋅電池的構(gòu)造

(2)工作原理

負(fù)極：Zn+2OH-2e=ZnO+H2O；

正極：Ag2O+H2O4-2e-==2Ag+2OH-；

總反應(yīng)：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ago

(3)特點：此種電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲存時間長，適宜小電

流連續(xù)放電。

3.鋰電池

(1)電極材料：

負(fù)極：Li；正極：MnO2>CuO>FeSz等。

⑵特點：

比能量高、電壓高、工作溫度寬，可儲存時間長。

三、二次電池

二次電池放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，又稱充電電池

或蓄電池。

1.鉛蓄電池的構(gòu)造

負(fù)極：Pb,正極：PbOi,電解質(zhì)溶液：H2sCh溶液。

2.工作原理

⑴放電時

負(fù)極：Pb(s)+SO匯(aq)—2e~==PbSO4(s)；

正極：PbCh(s)+4H+(aq)+SO匯(aq)+2e==PbSC>4(s)+2H2。(1);

總反應(yīng)：Pb(s)+Pb(h(s)+2H2sOCaq)==2PbSC)4(s)+2H2。。)。

(2)充電時

鉛蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆過程。

陰極：PbSCh(s)+2e-==Pb(s)+SOf(aq)；

陽極：PbSOKs)+2H2O⑴-2e==PbO2(s)+4H+(aq)+SO匯(aq):

總反應(yīng)：2PbSO4(s)+2H2CKI)=Pb(s)+PbChG)+2H2sOMaq)。

上述充放電反應(yīng)可寫成一個可逆反應(yīng)方程式：Pb(s)+PbO2(s)+

放電

2H2so4(aq)充電2PbSO4(s)+2H2O(l)o

3.性能及應(yīng)用

電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉、生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣

泛，缺點是比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。

四、燃料電池

1.燃料電池的工作原理

(1)連續(xù)地將燃料(如氫氣、燒、臟、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體)

和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。

(2)電極材料本身不參與氧化還原反應(yīng)。

(3)工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進

行反應(yīng)，生成物不斷地被排除。

2.燃料電池的優(yōu)點

(1)能量轉(zhuǎn)化率高

燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過80%,普通燃燒過程能量轉(zhuǎn)化率僅

30%多。

(2)污染小。

3.氫氧燃料電池

(1)堿性電解質(zhì)

電極反應(yīng)為：

__

負(fù)極：2H2+4OH-4e=4H2O;

正極：O2+2H2O+4e=4OIT；

總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O

(2)酸性電解質(zhì)

電極反應(yīng)為：

負(fù)極：2H2—4e-=4H+；

正極：O2+4H++4e—=2H2O;

總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O

探究點一燃料電池電極反應(yīng)式的書寫

1.燃料電池的組成

(1)電極：惰性電極。

(2)燃料：包括H2、物如CH。、醇(如C2HsOH)、脫(N2H4)等。

(3)電解質(zhì)：①酸性電解質(zhì)溶液，如H2s04溶液；②堿性電解質(zhì)溶

液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O；④熔融碳酸鹽，如K2cCh

2.書寫燃料電池反應(yīng)式的基本步驟

（1）第一步：寫出電池總反應(yīng)式。

燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反

應(yīng)，則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。

如氫氧燃料電池的總反應(yīng)為2H2+O2=2H2O；甲烷燃料電池（電

解質(zhì)溶液為NaOH溶液）的反應(yīng)：

CH4+2O2=CO2+2H2O①

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O②

①+②式得燃料電池總反應(yīng)為CH4+202+2NaOH=Na2CO3+

3H2OO

（2）第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。

根據(jù)燃料電池的特點，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是02,

隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)有所不同，一般為以下四種情況:

①酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：02+4H++4e-==2H2O。

②堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：O2+2H2O+4e=4OHo

③固體電解質(zhì)（高溫下能傳導(dǎo)。2-）環(huán)境下電極反應(yīng)式：O2+4e-

=2O2-o

④熔融碳酸鹽（如熔融K2co3）環(huán)境下電極反應(yīng)式：O2+2CO2+4e

-=2cor（.

（3）第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式寫出電池的負(fù)極反應(yīng)

式。

電池的總反應(yīng)和正、負(fù)極反應(yīng)之間有如下關(guān)系：電池的總反應(yīng)式

=電池正極反應(yīng)式+電池負(fù)極反應(yīng)式（消去電子）。

故根據(jù)第一、二步寫出的反應(yīng)：電池的總反應(yīng)式一電池正極反應(yīng)

式=電池負(fù)極反應(yīng)式，注意在將兩個反應(yīng)式相減時，要約去正極的反

應(yīng)物O2o

3.實例

以甲烷燃料電池為例來分析在不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫方

法:

(1)酸性條件

燃料電池總反應(yīng)：CH4+2O2=CO2+2H2O①

燃料電池正極反應(yīng)：O2+4H++4e-=2H2O②

①一②X2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：CH4+2H2O-8e==CO2+8H

(2)堿性條件

燃料電池總反應(yīng)：CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O①

燃料電池正極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-=4OIT②

①一②義2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：CH4+10OH--8e=COF+

7H2O

(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)。2-)

燃料電池總反應(yīng)：CH4+2O2==CO2+2H2O①

燃料電池正極反應(yīng)：O2+4e-=2O2-②

①一②義2,得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：CH4+4O2--8e-=CO2+

2H2O

(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2c環(huán)境

電池總反應(yīng)：CH4+2O2==CO2+2H2O0正極電極反應(yīng)式：O2+

2CO2+4e-=2COr0電池總反應(yīng)一正極電極反應(yīng)式=負(fù)極反應(yīng)式：

-

CH4+4COr-8e=5CO2+2H2Oo

注意事項：①電池的負(fù)極通入可燃性氣體，失電子，發(fā)生氧化反

應(yīng)。電池的正極通入氧氣或空氣，得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。

②電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。

③書寫電極反應(yīng)式時，要分清電解質(zhì)溶液的酸堿性。在堿性電解

質(zhì)溶液中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)H+；在酸性電解質(zhì)溶液中，電極反

應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH,

④正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)式在得失電子守恒的前提下，相加后的

電池反應(yīng)必然是燃料燃燒反應(yīng)和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的疊加反

應(yīng)式，如甲烷燃料電池。

⑤電極反應(yīng)式遵循質(zhì)量守恒、電荷守恒定律。

1.燃料電池與一般化學(xué)電池之間的區(qū)別是什么？

提示：燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別：一般化學(xué)電池的活性物

質(zhì)儲存在電池內(nèi)部，受電池容量的限制；燃料電池的電極本身不包含

活性物質(zhì)，只是一個催化轉(zhuǎn)化元件。工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由

外部供給，在電極上不斷地進行反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物不斷地被排出，可以

連續(xù)不斷地提供電能。

2.氫氧燃料電池的能量利用率是100%,產(chǎn)物為水，不污染環(huán)境。

正確嗎？

提示：氫氧燃料電池中產(chǎn)物為水，不污染環(huán)境，但能量利用率達

不到100%。

3.如果用稀硫酸作電解質(zhì)溶液，氫氧燃料電池在放電后溶液的

pH將發(fā)生怎樣的變化？

提示：反應(yīng)過程中電解質(zhì)不被消耗，但氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，

使溶液變稀，pH增大。

［例1］用兩根鉗絲作電極插入KOH溶液中，再分別向兩極通

入甲烷氣體和氧氣，可形成原電池——燃料電池，該電池放電時發(fā)生

的反應(yīng)為CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O,下列說法錯誤的是

()

A.通甲烷的一極為負(fù)極，通氧氣的一極為正極

B.放電時，通入02一極附近溶液的pH升高

C.放電一段時間后，KOH的物質(zhì)的量不發(fā)生變化

-

D.通甲烷一極的電極反應(yīng)式是CH4+10OH-8e=COr+

7H2O

【思路分析】燃料電池的總反應(yīng)一般與燃燒反應(yīng)相同，在燃料

電池中可燃物作負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，助燃物(一般是02)作正

極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)。

【解析】原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，由總

反應(yīng)式知，此燃料電池的電極反應(yīng)式是：正極：2C>2+4H2O+8e-

==8OH";負(fù)極：CH44-10OH-8e==COr+7H2O,由此可見選項

A、B、D都正確。放電時KOH的物質(zhì)的量減小。

【答案】C

固體氧化物燃料電池是由美國西屋公司研制開發(fā)的，它以固體氧

化錯一氧化鋁為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子（。2-）在

其間通過。該電池的工作原理如圖所示，其中多孔電極a、b均不參與

電極反應(yīng)。下列判斷正確的是（D）

A.有Ch放電的a極為電池的負(fù)極

B.有Hz放電的b極為電池的正極

C.a極對應(yīng)的電極反應(yīng)為：O2+2H2O+4e-=4OIT

高溫

D.該電池的總反應(yīng)方程式為2H2+O2=2H2O

2

解析：根據(jù)該電池的工作原理可知，被氧化的是H2：2H2-4e+2O

—=2H2O,b極為原電池的負(fù)極；被還原的是Ch:O2+4e-=2O2-,

高溫

a極為原電池的正極；總反應(yīng)式為2H2+O2===2H2O。

探究點二可充電電池

1.二次電池充電時與電源的連接

二次電池在充電時，正、負(fù)電極上發(fā)生的反應(yīng)正好與放電時發(fā)生

的反應(yīng)相反，因而充電時，二次電池的正極應(yīng)與充電電源的正極相連

接，電池的負(fù)極應(yīng)與充電電源的負(fù)極相連接。

2.充電時發(fā)生的電極反應(yīng)和總反應(yīng)是放電時發(fā)生的反應(yīng)的逆過程

3.可充電電池復(fù)雜電極反應(yīng)式的書寫方法

第一步：先標(biāo)出放電（原電池）總反應(yīng)式中變價元素的化合價，確定

電子轉(zhuǎn)移的方向與數(shù)目，指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì)。

如鉛蓄電池中：

第二步：寫出一個比較容易書寫的電極反應(yīng)式，書寫時一定要注

意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存。如鉛蓄電池的負(fù)極反應(yīng)式為Pb+

SOr-2e===PbSO4o

第三步：在電子守恒的基礎(chǔ)上，用總反應(yīng)式減去寫出的電極反應(yīng)

式，即得另一極的反應(yīng)式。如鉛蓄電池的正極反應(yīng)式可用總反應(yīng)式一

負(fù)極反應(yīng)式得到，

-

即Pb+PbO2+4H++2SOF-(Pb+SOF-2e)=2PbSO4+

2H2O-PbSO4,

-

整理得：PbO2+4H++SO,+2e=PbSO4+2H2Oo

4.對可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應(yīng)及某元素被氧化

還是被還原的判斷

可根據(jù)電極反應(yīng)式進行分析。放電(原電池)的負(fù)極及充電(電解池)

的陽極均失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，其變價元素被氧化；放電(原電

池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子，發(fā)生了還原反應(yīng)，其變

價元素被還原。

5.對溶液中離子的移動方向的判斷

放電時，陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極；充電時，陰離子移

向陽極，陽離子移向陰極。

6.可充電電池充電時與電源的連接

可充電電池用完后充電時，原電池的負(fù)極與外電源的負(fù)極相連，

原電池的正極與外電源的正極相連。

1.如何給可充電電池充放電？

提示：可充電電池充放電時電池的接法：

2.可充電電池充放電過程的區(qū)別與聯(lián)系是什么？

提示：

【例2]銀鎘(Ni-Cd)可充電電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用。已

知某銀鎘電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，其充、放電按下式進行：

放電

Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2

充電

有關(guān)該電池的說法正確的是()

-

A.充電時陽極反應(yīng)：Ni(OH)2-e+OH=NiOOH+H2O

B.充電過程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程

C.放電時負(fù)極附近溶液的堿性不變

D.放電時電解質(zhì)溶液中的OH-向正極移動

【思路分析】二次電池放電時為原電池，其充電和放電時的電

極反應(yīng)相反。

【解析】由總反應(yīng)可知，放電時，負(fù)極Cd發(fā)生氧化反應(yīng)：Cd-

--

2e4-2OH=Cd（OH）2,負(fù)極堿性變?nèi)?，C項錯誤；正極反應(yīng)為

2NiOOH+2e+2H2O=2Ni（OH）2+2OH",放電時，OHT由正極向

負(fù)極移動（內(nèi)電路），D項錯誤；充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，B項錯誤;

-

充電時陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，即為Ni（OH）2+OH-e-=NiOOH+

H2O,A項正確。

【答案】A

Li-SO2電池具有輸出功率高和低溫性能好等特點，其電解質(zhì)是

放電

LiBr,溶劑是碳酸丙烯酯和乙晴，電池反應(yīng)為Li2s2O42Li+

充電

2so2。下列說法正確的是（A）

A.充電時是電解池，放電時是原電池

B.放電時，陰極反應(yīng)為Li—e-=Li+

C.充電時，陽離子向正極移動，陰離子向負(fù)極移動

D.充電時，每有0.1mol電子轉(zhuǎn)移，有2.24LSO2生成

解析：充電時是電解池，放電時是原電池，A項正確；放電時，

負(fù)極反應(yīng)為Li—e-==Li+,B項錯誤；充電時，陽離子向陰極移動，

陰離子向陽極移動，C項錯誤；沒有指明是在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，D項錯誤。

1.下列有關(guān)化學(xué)電池的說法中正確的是（C）

A.化學(xué)電池只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

B.燃料電池能將全部化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能

C.銀鋅電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲存時間長

D.一次電池包括干電池和蓄電池

解析：蓄電池不但可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（放電），也可以將電能

轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（充電），燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過80%,但不可能

100%轉(zhuǎn)化。蓄電池可重復(fù)使用，屬于二次電池。故正確答案為C。

2.堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應(yīng)用。

鋅一鎰堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為：Zn(s)+

2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s),下列說法錯誤的是

(C)

A.電池工作時，鋅失去電子

B.電池正極的電極反應(yīng)式為：

-

2MnO2(s)+H2O(1)+2e=Mn2O3(s)+2OH(aq)

C.電池工作時，電子由正極通過外電路流向負(fù)極

D.外電路中每通過0.2mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減小6.5g

解析：由電池工作時鋅在負(fù)極失去電子，故A正確；只要能夠理

解正極的反應(yīng)物是MnCh,同時能夠應(yīng)用電子轉(zhuǎn)移數(shù)目、電荷守恒與

元素守恒即可正確地書寫電極反應(yīng)式，而本題只要對其進行正誤判斷，

因此只要從上述三個方面進行驗證即可，B選項正確；C中外電路的

電子應(yīng)該由負(fù)極流出，流入正極，故C錯誤；D中只要根據(jù)簡單的計

算，即理解每反應(yīng)1molZn,失去2moi電子，因此D正確。

3.紐扣電池可用于計算器、電子表等的電源。有一種紐扣電池，其

電極分別為Zn和AgzO,以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，電池的總反應(yīng)

為Zn+Ag2O+H2O=2Ag+Zn(OH)2。關(guān)于該電池的敘述不正確的是

(B)

A.使用時電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極，Zn是負(fù)極

B.使用時電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極，Ag2O是負(fù)極

C.正極的電極反應(yīng)為Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OlT

D.Zn極發(fā)生氧化反應(yīng)，AgzO極發(fā)生還原反應(yīng)

解析：由總方程式可以看出，負(fù)極為Zn,正極為Ag2O,使用時

電子由負(fù)極流向正極，A項正確；B項錯誤，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正

極發(fā)生還原反應(yīng)，C項正確，D項也正確。

4.有人設(shè)計出利用CH4和Ch的反應(yīng)，用鈾電極在KOH溶液中

構(gòu)成原電池。該電池的總反應(yīng)類似于CH4在02中燃燒的反應(yīng)，則下列

說法正確的是(A)

①每消耗1moiCH4可以向外電路提供8mole-

②負(fù)極上CEU失去電子，電極反應(yīng)式為CH4+10OH-8e-

==COr+7H2O

-

③負(fù)極上Ch獲得電子，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-=4OH

④電池放電過程中，溶液的pH不斷升高

A.①②B.①③C.①④D.③④

解析：該電池反應(yīng)的實質(zhì)是甲烷與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，

生成的二氧化碳與氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子。甲烷中碳元素為

一4價，碳酸根離子中碳元素為+4價，則每消耗ImoICHk可以向外

電路提供8mole",①正確。燃料甲烷在負(fù)極上失去電子，結(jié)合氫氧

根離子生成碳酸根離子，②正確。氧氣在正極上得到電子，結(jié)合水生

成氫氧根離子，③錯誤。由電池的總反應(yīng)式CH4+2O2+2OH-=COr

+3H2O可知，放電過程中消耗了氫氧根離子，因此溶液的pH不斷降

低，④錯誤。綜上所述，A選項正確。

5.科學(xué)家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池，其效率更高。

一個電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣，其中電池的電解質(zhì)是摻

雜了丫2。3（丫為鈕）的ZrOz（Zr為錯）晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)。2-。若

以丁烷（C4H10）代表汽油，總反應(yīng)為2c4HIO+1302=8C02+10H20。

下列有關(guān)該電池的說法中錯誤的是（C）

該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為2-

A.C4HIO+130-26e=4CO2+

5H2O

B.-向負(fù)極移動

C.該電池正極的電極反應(yīng)式為02+46一+2H2O=4OIT

D.丁烷在放電時發(fā)生氧化反應(yīng)

解析：丁烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為C4Hio-26e-+

2-

13O==4CO24-5H2O,故A正確；原電池中，陰離子向負(fù)極移動，

即-向負(fù)極移動，故B正確；正極上通入空氣，氧氣得電子發(fā)生還

原反應(yīng)，由電解質(zhì)的性質(zhì)知，02得電子被還原為。2-，故電極反應(yīng)式

為O2+4e--2O2,故C錯誤；丁烷在負(fù)極放電時發(fā)生氧化反應(yīng)，故

D正確。

6.我國科學(xué)工作者研制出以鋁合金、Pt—Fe合金網(wǎng)為電極材料的

海水電池。在這種電池中（A）

①鋁合金作陽極②鋁合金作負(fù)極③海水作電解質(zhì)溶液④鋁

合金電極發(fā)生還原反應(yīng)

A.②③B.②④

C.①③D.①④

解析：由原電池的工作原理可知，鋁合金作負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化

反應(yīng)，Pt-Fe合金網(wǎng)作正極，電解質(zhì)溶液是海水，故①④錯誤，②③

正確。

7.一種甲醇、氧氣和強堿溶液作電解質(zhì)的新型電池，可連續(xù)

放電

使用一個月，