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高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第2节 化学能转化为电能——电池第2课时学案设计
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eq \a\vs4\al(化学电源) eq \a\vs4\al(（对应学生用书P13）)
1．电池分类及特点
2．一次电池——锌锰干电池
(1)酸性锌锰干电池
负极(锌)反应：Zn－2e－===Zn2＋；
正极(石墨)反应：2MnO2＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2e－=== Mn2O3＋2NH3＋H2O。
(2)碱性锌锰干电池
负极(锌)反应：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
正极(石墨)反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
电池反应：Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。
3．可充电电池——二次电池
(1)铅蓄电池
(2)二次电池工作原理
①二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
②充电时的连接方法——正接正，负接负，即：
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(原电池负极\f( 接 , )充电电源的负极,原电池正极\f( 接 , )充电电源的正极))
③充电电池电极反应的关系——负极颠倒得阴极，正极颠倒得阳极，即：
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(放电时的负极反应\f( 颠倒过来 , )充电时的阴极反应,放电时的正极反应\f( 颠倒过来 , )充电时的阳极反应))
[名师点拨] 可充电电池电极反应的书写方法
已知电池总反应书写可充电电池电极反应，一般都是先书写放电的电极反应。第一，先标出原电池总反应电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，用总反应减去已写出的电极反应即得另一电极反应。
1．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。碱性锌锰干电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应为Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)===ZnO(s)＋2MnOOH(s)，下列说法错误的是( )
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(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 ml电子，锌的质量理论上减少6.5 g
解析：选C 电池工作时，电子由负极通过外电路流向正极。
2．下列关于铅蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) －2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4))
解析：选B A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2＋4H＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
3．新型锂离子电池LiFePO4以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的总反应为FePO4＋Li===LiFePO4。下列说法中正确的是( )
A.放电时电池内部Li＋向负极移动
B．放电时，在正极上是Li＋得电子被还原
C．充电时电池阳极反应为Li－e－===Li＋
D．充电时电池上标注“－”的电极应与外接电源的负极相连
解析：选D 该电池放电时的总反应为FePO4＋Li===LiFePO4，则放电时正极反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4；负极反应为Li－e－===Li＋。依据原电池的正极反应FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4可知，放电时电池内部Li＋向正极移动，故A错误；由原电池的正极反应FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4可知，锂元素的化合价未变，而是铁元素的化合价发生变化，得到电子，故B错误；充电时电池的阳极发生氧化反应，电极反应为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋，故C错误；充电器的正极(＋)与电池正极(＋)连接，充电器的负极(－)与电池负极(－)连接，故D正确。
eq \a\vs4\al(燃料电池)
[探究实验] 用所给试剂和仪器，根据反应2H2＋O2===2H2O制作一个燃料电池。
实验用品：KOH溶液，K2SO4溶液，稀硫酸，石墨棒；导管，U形管或烧杯，橡胶塞，导线，电流表，电源。
实验装置图如下：
实验结论：电流表指针发生偏转，该装置产生电流，化学能转化为电能。
[问题探讨]
1．氢氧燃料电池中，正、负极反应物分别是什么？
提示：根据反应2H2＋O2===2H2O可知，H2中氢元素化合价升高，失去电子发生氧化反应，应在电池负极反应，O2中氧元素化合价降低，得到电子发生还原反应，应在电池正极反应，故正极反应物是O2，负极反应物是H2。
2．哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电极材料？哪些物质可以用作氢氧燃料电池的离子导体？
提示：氢氧燃料电池的电极材料是性质稳定的导体如石墨、金属铂等；强酸溶液如稀硫酸、强碱溶液如KOH溶液、熔融碳酸盐如熔融Na2CO3、固体电解质和离子交换膜等均可以作为离子导体。
3．请写出上述实验装置中设计的氢氧燃料电池的电极反应与电池总反应。
提示：负极反应：2H2－4e－＋4OH－===4H2O；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电池总反应：2H2＋O2===2H2O。
4．如果上述电池的电解质溶液换为稀硫酸，其电极反应是否发生变化？请写出电极反应。
提示：发生变化。电极反应和介质有关，负极反应：2H2－4e－===4H＋，正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
5．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极通常还有哪些物质？正极放电的是什么物质？
提示：燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体；正极放电的是氧气。
6．用稀硫酸做电解质溶液时，甲烷燃料电池的正、负极反应如何书写？并写出总反应。若用KOH溶液做电解质溶液时，甲烷燃料电池的总反应会发生变化吗？试分别写出两极的电极反应。
提示：甲烷燃料电池的总反应为CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。会发生变化；因为CO2会与KOH溶液反应生成K2CO3，故电池总反应为CH4＋2O2＋2OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋3H2O，其中正极反应为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O。
1．常见的四种典型燃料电池
2．书写燃料电池电极反应的三步骤
eq \x(第一步) — eq \x(\a\al(写电池,总反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(烃或含氧衍生物做燃料，碱性电解质,生成碳酸盐和水，其他电解质一般生,成二氧化碳和水))
eq \x(第二步) — eq \x(\a\al(写正极,反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(①酸性溶液：O2＋4e－＋4H＋===2H2O,②碱性溶液：O2＋4e－＋2H2O===4OH－,③允许O2－通过的高温固体：O2＋4e－,===2O2－,④熔融的碳酸盐：O2＋4e－＋2CO2,===2CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ))
eq \x(第三步) — eq \x(\a\al(写负极,反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(负极的电极反应＝电池总反应－,正极的电极反应,要设法消去总反应和正极反应中的O2))
1．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质溶液的燃料电池中发电，电池负极反应为( )
A．H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C.H2－2e－===2H＋
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析：选C 氢氧燃料电池中，负极上通入氢气，氢气失电子发生氧化反应，正极上通入氧气，氧气得电子发生还原反应，酸性介质中，负极上氢气失电子生成氢离子，电极反应为H2－2e－===2H＋，正极上氧气得电子，和氢离子反应生成水，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；所以符合题意选项为C。
2．有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是( )
①每消耗1 ml CH4可以向外电路提供8 ml e－
②负极上CH4失去电子，电极反应CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O
③负极上是O2得到电子，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
④电池放电后，溶液pH不断升高
A．①② B．①③
C．①④ D．③④
解析：选A 通入CH4的电极为负极，电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O，每消耗1 ml CH4可以向外电路提供8 ml e－，故①正确；通入CH4的电极为负极，失去电子发生氧化反应，电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O，故②正确；通入氧气的一极为原电池的正极，得到电子发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故③错误；电池反应为CH4＋2OH－＋2O2===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋3H2O，随着反应的进行，溶液中的氢氧根离子不断减少，溶液的pH不断减小，故④错误。
3．肼(N2H4)－空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时的说法正确的是( )
A．溶液的pH保持不变
B．溶液中的阴离子向正极移动
C．正极的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．负极的电极反应：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2
解析：选D 因为有水生成，溶液的pH会减小，A项错误；原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，B项错误；溶液介质为碱性，正极的电极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C项错误。
eq \a\vs4\al(探究与创新能力)
为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题：
(1)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择什么物质作为电解质？
提示：根据盐桥中阴、阳离子不能参与反应，及Fe3＋＋3HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===Fe(OH)3↓＋3CO2↑、Ca2＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ===CaSO4↓，可排除HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 、Ca2＋，再根据FeSO4溶液显酸性，而NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 在酸性溶液中具有氧化性，可排除NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 。最后根据阴、阳离子的电迁移率应尽可能地接近，知选择KCl作盐桥中的电解质较合适。
(2)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
提示：电子由负极流向正极，结合电子由铁电极流向石墨电极，可知铁电极为负极，石墨电极为正极。盐桥中的阳离子流向正极(石墨电极)溶液中。
(3)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 ml·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)为多少？
提示：由题意知负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，则铁电极溶液中c(Fe2＋)增加 0.02 ml·L－1时，石墨电极溶液中c(Fe2＋)增加0.04 ml·L－1，故此时石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝0.09 ml·L－1。
(4)根据(2)、(3)实验结果，可知石墨电极的电极反应为____________________，铁电极的电极反应为________________________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于________。
提示：石墨电极的电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，铁电极的电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，故验证了氧化性：Fe3＋＞Fe2＋，还原性：Fe＞Fe2＋。
(5)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是什么？
提示：该活化反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，故通过检验Fe3＋是否存在可说明活化反应是否完成，具体操作为取少量活化后溶液于试管中，滴加几滴KSCN溶液，若溶液不变血红色，则说明活化反应已完成。
1．氧化性强的离子首先在原电池的正极得电子被还原。
2．还原性强的物质首先在负极失去电子被氧化。
某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片做电极，但甲同学将电极放入6 ml·L－1稀硫酸中，乙同学将电极放入6 ml·L－1的NaOH溶液中，如图所示：
(1)写出甲池中发生的有关电极反应：负极______________，正极________________。
(2)乙池中负极为________，正极发生________反应，总反应的离子方程式为____________________________。
(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________(填写元素符号，下同)活动性更强，而乙会判断出________活动性更强。
(4)由此实验，可得到如下哪些结论？________(填字母)。
a．利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质
b．镁的金属性不一定比铝的金属性强
c．该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值
d．该实验说明化学研究对象复杂，反应条件多变，应具体问题具体分析
(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案：______________________________。
解析：(1)甲池中镁易失电子做负极、Al做正极，负极上镁发生氧化反应、正极上氢离子发生还原反应，负极反应为Mg－2e－===Mg2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑。
(2)乙池中铝易失电子做负极，负极上铝失电子发生氧化反应，电极反应为Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－，镁做正极，正极发生还原反应，总反应为2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑。
(3)甲中镁做负极、乙中铝做负极，若根据做负极的金属活泼性强判断，甲中镁的金属活动性强、乙中铝的金属活动性强。
(4)a.根据甲、乙中的电极反应知，原电池的正、负极与电解质溶液有关，故正确；b.镁的金属性大于铝，但失电子难易程度与电解质溶液有关，故错误；c.金属活动性顺序表对研究物质的性质有实用价值，故错误；d.该实验说明化学研究对象复杂，反应与条件有关，电极材料相同其反应条件不同导致其产物不同，所以应具体问题具体分析，故正确。
答案：(1)Mg－2e－===Mg2＋ 2H＋＋2e－===H2↑
(2)Al 还原
2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑
(3)Mg Al
(4)ad
(5)不可靠 根据电路中电流的方向或电子转移的方向
[分级训练·课课过关]_______________________________________________ _________
1．普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒做电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状做电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2MnO2===[Zn(NH3)2]2＋＋Mn2O3＋H2O。下列关于普通锌锰干电池的说法中正确的是( )
普通锌锰干电池
A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原
B．电池负极反应为2MnO2＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O
C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极
D．外电路中每通过0.1 ml电子，锌的质量理论上减小6.5 g
解析：选C 普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应可知，每通过0.1 ml电子，消耗锌的质量是65 g·ml－1× eq \f(0.1 ml,2) ＝3.25 g，D项错误。
2．LiFePO4电池可用于电动汽车。已知：电池放电时，电池反应为FePO4＋Li===LiFePO4。下列说法正确的是( )
A．Li是氧化剂
B．FePO4中磷元素被还原
C．氧化产物和还原产物的质量之比为1∶1
D．每消耗1 ml FePO4必有2 ml电子转移
解析：选C 在反应FePO4＋Li===LiFePO4中，Li元素化合价由0价升高为＋1价，失电子，被氧化，Li是还原剂，Fe元素化合价由＋3价降低到＋2价，得电子，被还原，FePO4为氧化剂，LiFePO4既是氧化产物，又是还原产物。Li元素化合价升高，失电子，被氧化，Li是还原剂，A项错误；FePO4中Fe元素化合价降低，得电子，被还原，P元素化合价没有变化，B项错误；LiFePO4既是氧化产物，又是还原产物，则氧化产物和还原产物的质量之比为1∶1，C项正确；Fe元素化合价由＋3价降低到＋2价，则每消耗1 ml FePO4必有1 ml电子转移，D项错误。
3．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3Zn＋2K2FeO4＋8H2O eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电)) 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。下列叙述不正确的是( )
A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
B．充电时阳极反应为Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O
C．放电时每转移3 ml 电子，正极有1 ml K2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：选C 放电时负极发生氧化反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，A正确；正极发生还原反应：FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，电极附近溶液的碱性增强，C不正确、D正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O，B正确。
4．目前常见的燃料电池主要有四种，下面是这四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是( )
解析：选C A中通空气的一极为正极，电极反应为O2＋4e－===2O2－；B中通O2的一极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－；C中通空气的一极为正极，电极反应为4H＋＋O2＋4e－===2H2O；D中通CO2和O2的一极为正极，电极反应为2CO2＋O2＋4e－===2CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) 。
5．镉镍可充电电池在现代生活中有着广泛的应用，它的充、放电反应如下：
Cd＋2NiOOH＋2H2O eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电)) Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。
请回答下列问题：
(1)上述反应式中左边物质的总能量____________(填“大于”“小于”或“等于”)右边物质的总能量。
(2)放电时负极发生反应的物质是____________，放电时正极的反应为________________________________________________________________________。
(3)镉镍废旧电池必须进行回收并集中处理，最主要的原因是_________________。
解析：(1)原电池放电过程中将化学能转化为电能，即反应物的总能量大于反应产物的总能量。(2)根据总反应可知放电时负极(Cd)反应：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正极(NiOOH)反应：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。(3)废旧电池中的镍、镉等重金属可对环境造成污染。
答案：(1)大于
(2)Cd NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－
(3)防止电池中的镉、镍等重金属对土壤和水源造成污染
明课程标准
扣核心素养
1.了解常见化学电源的工作原理。
2.认识原电池在实现物质转化和储存能量中的具体应用。
1.证据推理与模型认知：能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
2.科学态度与社会责任：能通过综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题，了解新型电池的开发等，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
电池
一次电池
可充电电池
(二次电池)
燃料电池
特点
只能放电，不能充电
可反复充电和放电，充电时是一个电解池；放电时是一个原电池
能量利用率高，可连续使用，污染轻
装置
放电
负极反应：Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4
正极反应：
PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O
充电
阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)
阳极反应：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)
总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电))2PbSO4＋2H2O
名称
电解质
电极反应和电池总反应
氢氧燃料电池
KOH
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O
总反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
负极：2H2－4e－===4H＋
总反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷燃料电池
KOH
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
负极：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇燃料电池
KOH
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃料电池
KOH
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
阳离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
阴离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋
4.07
HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3))
4.61
Na＋
5.19
NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3))
7.40
Ca2＋
6.59
Cl－
7.91
K＋
7.62
SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4))
8.27
eq \a\vs4\al(化学电源) eq \a\vs4\al(（对应学生用书P13）)
1．电池分类及特点
2．一次电池——锌锰干电池
(1)酸性锌锰干电池
负极(锌)反应：Zn－2e－===Zn2＋；
正极(石墨)反应：2MnO2＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2e－=== Mn2O3＋2NH3＋H2O。
(2)碱性锌锰干电池
负极(锌)反应：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
正极(石墨)反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
电池反应：Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。
3．可充电电池——二次电池
(1)铅蓄电池
(2)二次电池工作原理
①二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
②充电时的连接方法——正接正，负接负，即：
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(原电池负极\f( 接 , )充电电源的负极,原电池正极\f( 接 , )充电电源的正极))
③充电电池电极反应的关系——负极颠倒得阴极，正极颠倒得阳极，即：
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(放电时的负极反应\f( 颠倒过来 , )充电时的阴极反应,放电时的正极反应\f( 颠倒过来 , )充电时的阳极反应))
[名师点拨] 可充电电池电极反应的书写方法
已知电池总反应书写可充电电池电极反应，一般都是先书写放电的电极反应。第一，先标出原电池总反应电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，用总反应减去已写出的电极反应即得另一电极反应。
1．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。碱性锌锰干电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应为Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)===ZnO(s)＋2MnOOH(s)，下列说法错误的是( )
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(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 ml电子，锌的质量理论上减少6.5 g
解析：选C 电池工作时，电子由负极通过外电路流向正极。
2．下列关于铅蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) －2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4))
解析：选B A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2＋4H＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
3．新型锂离子电池LiFePO4以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的总反应为FePO4＋Li===LiFePO4。下列说法中正确的是( )
A.放电时电池内部Li＋向负极移动
B．放电时，在正极上是Li＋得电子被还原
C．充电时电池阳极反应为Li－e－===Li＋
D．充电时电池上标注“－”的电极应与外接电源的负极相连
解析：选D 该电池放电时的总反应为FePO4＋Li===LiFePO4，则放电时正极反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4；负极反应为Li－e－===Li＋。依据原电池的正极反应FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4可知，放电时电池内部Li＋向正极移动，故A错误；由原电池的正极反应FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4可知，锂元素的化合价未变，而是铁元素的化合价发生变化，得到电子，故B错误；充电时电池的阳极发生氧化反应，电极反应为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋，故C错误；充电器的正极(＋)与电池正极(＋)连接，充电器的负极(－)与电池负极(－)连接，故D正确。
eq \a\vs4\al(燃料电池)
[探究实验] 用所给试剂和仪器，根据反应2H2＋O2===2H2O制作一个燃料电池。
实验用品：KOH溶液，K2SO4溶液，稀硫酸，石墨棒；导管，U形管或烧杯，橡胶塞，导线，电流表，电源。
实验装置图如下：
实验结论：电流表指针发生偏转，该装置产生电流，化学能转化为电能。
[问题探讨]
1．氢氧燃料电池中，正、负极反应物分别是什么？
提示：根据反应2H2＋O2===2H2O可知，H2中氢元素化合价升高，失去电子发生氧化反应，应在电池负极反应，O2中氧元素化合价降低，得到电子发生还原反应，应在电池正极反应，故正极反应物是O2，负极反应物是H2。
2．哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电极材料？哪些物质可以用作氢氧燃料电池的离子导体？
提示：氢氧燃料电池的电极材料是性质稳定的导体如石墨、金属铂等；强酸溶液如稀硫酸、强碱溶液如KOH溶液、熔融碳酸盐如熔融Na2CO3、固体电解质和离子交换膜等均可以作为离子导体。
3．请写出上述实验装置中设计的氢氧燃料电池的电极反应与电池总反应。
提示：负极反应：2H2－4e－＋4OH－===4H2O；正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电池总反应：2H2＋O2===2H2O。
4．如果上述电池的电解质溶液换为稀硫酸，其电极反应是否发生变化？请写出电极反应。
提示：发生变化。电极反应和介质有关，负极反应：2H2－4e－===4H＋，正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
5．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极通常还有哪些物质？正极放电的是什么物质？
提示：燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体；正极放电的是氧气。
6．用稀硫酸做电解质溶液时，甲烷燃料电池的正、负极反应如何书写？并写出总反应。若用KOH溶液做电解质溶液时，甲烷燃料电池的总反应会发生变化吗？试分别写出两极的电极反应。
提示：甲烷燃料电池的总反应为CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。会发生变化；因为CO2会与KOH溶液反应生成K2CO3，故电池总反应为CH4＋2O2＋2OH－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋3H2O，其中正极反应为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O。
1．常见的四种典型燃料电池
2．书写燃料电池电极反应的三步骤
eq \x(第一步) — eq \x(\a\al(写电池,总反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(烃或含氧衍生物做燃料，碱性电解质,生成碳酸盐和水，其他电解质一般生,成二氧化碳和水))
eq \x(第二步) — eq \x(\a\al(写正极,反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(①酸性溶液：O2＋4e－＋4H＋===2H2O,②碱性溶液：O2＋4e－＋2H2O===4OH－,③允许O2－通过的高温固体：O2＋4e－,===2O2－,④熔融的碳酸盐：O2＋4e－＋2CO2,===2CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ))
eq \x(第三步) — eq \x(\a\al(写负极,反应)) eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(负极的电极反应＝电池总反应－,正极的电极反应,要设法消去总反应和正极反应中的O2))
1．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质溶液的燃料电池中发电，电池负极反应为( )
A．H2＋2OH－－2e－===2H2O
B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C.H2－2e－===2H＋
D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析：选C 氢氧燃料电池中，负极上通入氢气，氢气失电子发生氧化反应，正极上通入氧气，氧气得电子发生还原反应，酸性介质中，负极上氢气失电子生成氢离子，电极反应为H2－2e－===2H＋，正极上氧气得电子，和氢离子反应生成水，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；所以符合题意选项为C。
2．有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是( )
①每消耗1 ml CH4可以向外电路提供8 ml e－
②负极上CH4失去电子，电极反应CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O
③负极上是O2得到电子，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
④电池放电后，溶液pH不断升高
A．①② B．①③
C．①④ D．③④
解析：选A 通入CH4的电极为负极，电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O，每消耗1 ml CH4可以向外电路提供8 ml e－，故①正确；通入CH4的电极为负极，失去电子发生氧化反应，电极反应为CH4＋10OH－－8e－===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋7H2O，故②正确；通入氧气的一极为原电池的正极，得到电子发生还原反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故③错误；电池反应为CH4＋2OH－＋2O2===CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) ＋3H2O，随着反应的进行，溶液中的氢氧根离子不断减少，溶液的pH不断减小，故④错误。
3．肼(N2H4)－空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时的说法正确的是( )
A．溶液的pH保持不变
B．溶液中的阴离子向正极移动
C．正极的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．负极的电极反应：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2
解析：选D 因为有水生成，溶液的pH会减小，A项错误；原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，B项错误；溶液介质为碱性，正极的电极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C项错误。
eq \a\vs4\al(探究与创新能力)
为验证不同化合价铁的氧化还原能力，利用下列电池装置进行实验。
回答下列问题：
(1)电池装置中，盐桥连接两电极电解质溶液。盐桥中阴、阳离子不与溶液中的物质发生化学反应，并且电迁移率(u∞)应尽可能地相近。根据下表数据，盐桥中应选择什么物质作为电解质？
提示：根据盐桥中阴、阳离子不能参与反应，及Fe3＋＋3HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) ===Fe(OH)3↓＋3CO2↑、Ca2＋＋SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ===CaSO4↓，可排除HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 、Ca2＋，再根据FeSO4溶液显酸性，而NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 在酸性溶液中具有氧化性，可排除NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3)) 。最后根据阴、阳离子的电迁移率应尽可能地接近，知选择KCl作盐桥中的电解质较合适。
(2)电流表显示电子由铁电极流向石墨电极。可知，盐桥中的阳离子进入________电极溶液中。
提示：电子由负极流向正极，结合电子由铁电极流向石墨电极，可知铁电极为负极，石墨电极为正极。盐桥中的阳离子流向正极(石墨电极)溶液中。
(3)电池反应一段时间后，测得铁电极溶液中c(Fe2＋)增加了0.02 ml·L－1。石墨电极上未见Fe析出。可知，石墨电极溶液中c(Fe2＋)为多少？
提示：由题意知负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，则铁电极溶液中c(Fe2＋)增加 0.02 ml·L－1时，石墨电极溶液中c(Fe2＋)增加0.04 ml·L－1，故此时石墨电极溶液中c(Fe2＋)＝0.09 ml·L－1。
(4)根据(2)、(3)实验结果，可知石墨电极的电极反应为____________________，铁电极的电极反应为________________________________。因此，验证了Fe2＋氧化性小于________、还原性小于________。
提示：石墨电极的电极反应为Fe3＋＋e－===Fe2＋，铁电极的电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，故验证了氧化性：Fe3＋＞Fe2＋，还原性：Fe＞Fe2＋。
(5)实验前需要对铁电极表面活化。在FeSO4溶液中加入几滴Fe2(SO4)3溶液，将铁电极浸泡一段时间，铁电极表面被刻蚀活化。检验活化反应完成的方法是什么？
提示：该活化反应为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，故通过检验Fe3＋是否存在可说明活化反应是否完成，具体操作为取少量活化后溶液于试管中，滴加几滴KSCN溶液，若溶液不变血红色，则说明活化反应已完成。
1．氧化性强的离子首先在原电池的正极得电子被还原。
2．还原性强的物质首先在负极失去电子被氧化。
某探究活动小组想利用原电池反应检测金属的活动性顺序，有甲、乙两位同学均使用镁片与铝片做电极，但甲同学将电极放入6 ml·L－1稀硫酸中，乙同学将电极放入6 ml·L－1的NaOH溶液中，如图所示：
(1)写出甲池中发生的有关电极反应：负极______________，正极________________。
(2)乙池中负极为________，正极发生________反应，总反应的离子方程式为____________________________。
(3)如果甲与乙两位同学均认为“构成原电池的电极材料若是金属，则构成负极材料的金属应比构成正极材料的金属活泼”，则甲会判断出________(填写元素符号，下同)活动性更强，而乙会判断出________活动性更强。
(4)由此实验，可得到如下哪些结论？________(填字母)。
a．利用原电池反应判断金属活动性顺序应注意选择合适的介质
b．镁的金属性不一定比铝的金属性强
c．该实验说明金属活动性顺序表已过时，已没有实用价值
d．该实验说明化学研究对象复杂，反应条件多变，应具体问题具体分析
(5)上述实验也反过来证明了“利用金属活动性顺序直接判断原电池中正、负极”的做法________(填“可靠”或“不可靠”)。如不可靠，则请你提出另一个判断原电池正、负极可行的实验方案：______________________________。
解析：(1)甲池中镁易失电子做负极、Al做正极，负极上镁发生氧化反应、正极上氢离子发生还原反应，负极反应为Mg－2e－===Mg2＋，正极反应为2H＋＋2e－===H2↑。
(2)乙池中铝易失电子做负极，负极上铝失电子发生氧化反应，电极反应为Al＋4OH－－3e－===[Al(OH)4]－，镁做正极，正极发生还原反应，总反应为2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑。
(3)甲中镁做负极、乙中铝做负极，若根据做负极的金属活泼性强判断，甲中镁的金属活动性强、乙中铝的金属活动性强。
(4)a.根据甲、乙中的电极反应知，原电池的正、负极与电解质溶液有关，故正确；b.镁的金属性大于铝，但失电子难易程度与电解质溶液有关，故错误；c.金属活动性顺序表对研究物质的性质有实用价值，故错误；d.该实验说明化学研究对象复杂，反应与条件有关，电极材料相同其反应条件不同导致其产物不同，所以应具体问题具体分析，故正确。
答案：(1)Mg－2e－===Mg2＋ 2H＋＋2e－===H2↑
(2)Al 还原
2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑
(3)Mg Al
(4)ad
(5)不可靠 根据电路中电流的方向或电子转移的方向
[分级训练·课课过关]_______________________________________________ _________
1．普通锌锰干电池的简图如图所示，它是用锌皮制成的锌筒做电极，中央插一根碳棒，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状做电解质溶液。该电池工作时的总反应为Zn＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2MnO2===[Zn(NH3)2]2＋＋Mn2O3＋H2O。下列关于普通锌锰干电池的说法中正确的是( )
普通锌锰干电池
A．当该电池电压逐渐下降后，利用电解原理能重新充电复原
B．电池负极反应为2MnO2＋2NH eq \\al(\s\up1(＋),\s\d1(4)) ＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O
C．原电池工作时，电子从负极通过外电路流向正极
D．外电路中每通过0.1 ml电子，锌的质量理论上减小6.5 g
解析：选C 普通锌锰干电池是一次电池，不能充电复原，A项错误；根据原电池工作原理，负极失电子，B项错误；由负极的电极反应可知，每通过0.1 ml电子，消耗锌的质量是65 g·ml－1× eq \f(0.1 ml,2) ＝3.25 g，D项错误。
2．LiFePO4电池可用于电动汽车。已知：电池放电时，电池反应为FePO4＋Li===LiFePO4。下列说法正确的是( )
A．Li是氧化剂
B．FePO4中磷元素被还原
C．氧化产物和还原产物的质量之比为1∶1
D．每消耗1 ml FePO4必有2 ml电子转移
解析：选C 在反应FePO4＋Li===LiFePO4中，Li元素化合价由0价升高为＋1价，失电子，被氧化，Li是还原剂，Fe元素化合价由＋3价降低到＋2价，得电子，被还原，FePO4为氧化剂，LiFePO4既是氧化产物，又是还原产物。Li元素化合价升高，失电子，被氧化，Li是还原剂，A项错误；FePO4中Fe元素化合价降低，得电子，被还原，P元素化合价没有变化，B项错误；LiFePO4既是氧化产物，又是还原产物，则氧化产物和还原产物的质量之比为1∶1，C项正确；Fe元素化合价由＋3价降低到＋2价，则每消耗1 ml FePO4必有1 ml电子转移，D项错误。
3．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3Zn＋2K2FeO4＋8H2O eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电)) 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。下列叙述不正确的是( )
A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
B．充电时阳极反应为Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O
C．放电时每转移3 ml 电子，正极有1 ml K2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：选C 放电时负极发生氧化反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，A正确；正极发生还原反应：FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，电极附近溶液的碱性增强，C不正确、D正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4)) ＋4H2O，B正确。
4．目前常见的燃料电池主要有四种，下面是这四种燃料电池的工作原理示意图，其中正极的反应产物为水的是( )
解析：选C A中通空气的一极为正极，电极反应为O2＋4e－===2O2－；B中通O2的一极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－；C中通空气的一极为正极，电极反应为4H＋＋O2＋4e－===2H2O；D中通CO2和O2的一极为正极，电极反应为2CO2＋O2＋4e－===2CO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(3)) 。
5．镉镍可充电电池在现代生活中有着广泛的应用，它的充、放电反应如下：
Cd＋2NiOOH＋2H2O eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电)) Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。
请回答下列问题：
(1)上述反应式中左边物质的总能量____________(填“大于”“小于”或“等于”)右边物质的总能量。
(2)放电时负极发生反应的物质是____________，放电时正极的反应为________________________________________________________________________。
(3)镉镍废旧电池必须进行回收并集中处理，最主要的原因是_________________。
解析：(1)原电池放电过程中将化学能转化为电能，即反应物的总能量大于反应产物的总能量。(2)根据总反应可知放电时负极(Cd)反应：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正极(NiOOH)反应：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。(3)废旧电池中的镍、镉等重金属可对环境造成污染。
答案：(1)大于
(2)Cd NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－
(3)防止电池中的镉、镍等重金属对土壤和水源造成污染
明课程标准
扣核心素养
1.了解常见化学电源的工作原理。
2.认识原电池在实现物质转化和储存能量中的具体应用。
1.证据推理与模型认知：能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
2.科学态度与社会责任：能通过综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题，了解新型电池的开发等，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
电池
一次电池
可充电电池
(二次电池)
燃料电池
特点
只能放电，不能充电
可反复充电和放电，充电时是一个电解池；放电时是一个原电池
能量利用率高，可连续使用，污染轻
装置
放电
负极反应：Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4
正极反应：
PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O
充电
阴极反应：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)
阳极反应：
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)
总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up7(放电),\s\d5(充电))2PbSO4＋2H2O
名称
电解质
电极反应和电池总反应
氢氧燃料电池
KOH
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O
总反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
负极：2H2－4e－===4H＋
总反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷燃料电池
KOH
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
负极：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇燃料电池
KOH
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃料电池
KOH
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
阳离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
阴离子
u∞×108/(m2·s－1·V－1)
Li＋
4.07
HCO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3))
4.61
Na＋
5.19
NO eq \\al(\s\up1(－),\s\d1(3))
7.40
Ca2＋
6.59
Cl－
7.91
K＋
7.62
SO eq \\al(\s\up1(2－),\s\d1(4))
8.27
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