新教材2023年高中化学第1章化学反应与能量转化第2节化学能转化为电能__电池第2课时化学电源导学案鲁科版选择性必修1

第2课时　化学电源

化学电源及其分类

1．化学电源：是将化学能转化为电能的实用装置。

2．分类

常见的化学电源的工作原理分析

1．锌锰干电池

2．铅蓄电池

3．燃料电池

(1)燃料电池的特点

①电极材料本身不参与氧化还原反应。

②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出。

③通入燃料(如氢气)的一极为负极，通入氧化剂(如O2)的一极为正极。

④能量转化率高，远高于普通燃烧过程。

(2)燃料电池的工作原理

燃料电池以燃料(如氢气、煤气、天然气、甲醇等)为负极反应物，以氧化剂(如氧气)为正极反应物。电解质有溶液(碱性、酸性和中性)、熔融碳酸盐、固体电解质等类型。

4．氢氧燃料电池

1．下列说法错误的是(　　)

A．依据原电池的原理设计出了化学电源

B．原电池是化学电源的雏形

C．判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性

D．氧化还原反应所释放的化学能是化学电源的能量来源

答案　C

解析　判断电池的正、负极不仅与电极材料有关，还与电解质溶液有关。

2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，总反应为Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag。

根据上述反应式，判断下列叙述中正确的是(　　)

A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大

B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn极

C．Zn是负极，Ag2O是正极

D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应

答案　C

解析　根据电极反应可知Zn失电子被氧化，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，故C正确；负极(即Zn极)在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；发生原电池反应时，电子由负极经外电路流向正极，即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极，故B错误；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。

3．我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3，下列说法不正确的是(　　)

A．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极

C．以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积

D．该电池通常只需更换铝板就可继续使用

答案　B

解析　该原电池负极反应为Al－3e－===Al3＋，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，工作时电子由负极流向正极，而电流由正极流向负极，答案为B。

4．下列有关电池的说法不正确的是(　　)

A．手机上用的锂离子电池属于二次电池

B．锌铜原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D．锌锰干电池中，锌电极是负极

答案　B

解析　锌铜原电池中，电子从负极锌沿外电路流向正极铜。

5．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　)

A．需要定期补充硫酸

B．工作时铅是负极，PbO2是正极

C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

答案　A

解析　铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO生成PbSO4沉淀；放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

6．甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；电解质是质子交换膜，它能传导氢离子(H＋)。电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O。下列叙述中不正确的是(　　)

A．负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

B．电池的总反应式是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．电池工作时，H＋由正极移向负极

D．电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路流入通氧气的一极

答案　C

解析　首先判断出通入甲醇的一极失去电子做负极，通入氧气的一极得到电子做正极。电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式，就得到了负极反应式，A正确；电池工作时，H＋移向正极而不是移向负极，C错误。

7．试写出氢氧燃料电池在不同电解质溶液中的电极反应。

答案　

探究　如何根据原电池反应书写电极反应

分析化学电源的工作原理关键是正确地书写两极反应式，通过两极反应式来分析两极的变化、电解质溶液的变化、离子的移动方向及进行有关的计算等，那么如何正确地书写化学电源的两极反应式呢？

  化学电源电极反应的书写方法

(1)简单原电池电极反应的书写

书写简单原电池电极反应式时，可按照负极活泼金属失去电子生成阳离子，发生氧化反应，正极阳离子得到电子生成单质，发生还原反应的规律进行书写。首先判断出电极反应产物，然后结合电极反应物及转移电子数量写出反应式，最后结合质量守恒、电荷守恒配平各电极反应式。两电极反应式相加则得到电池反应。

(2)根据总反应写电极反应

若题中给出总反应，可根据化合价的变化，分析此反应中的氧化反应(负极反应)和还原反应(正极反应)，然后写出其中较简单的电极反应，另一电极反应可用总反应减去已写出的电极反应得到。

以2H2＋O2===2H2O(KOH溶液做电解质溶液)为例，说明电极反应的书写。根据总反应中化合价变化，可知2 mol H2失去4 mol电子，初步确定负极反应为2H2－4e－===4H＋；由于电解质溶液中OH－与H＋不能共存，故负极反应应写成2H2＋4OH－－4e－===4H2O。用总反应减去负极反应即得正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

燃料电池电极反应的书写

(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。

(2)正极反应的书写

正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应的书写分以下几种情况：

①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO。

注意：燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，在不同电解质环境中，其正极反应的书写形式有所不同。因此在书写正极反应时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

(3)负极反应的书写

若负极通入的气体为含碳化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价的碳，在酸性溶液中生成二氧化碳气体，在碱性溶液中生成碳酸根离子，在熔融碳酸盐中生成二氧化碳，含有氢元素的化合物的电极反应最终都有水生成。

燃料电池的总反应－正极反应＝负极反应，注意将两个反应相减时，要约去正极反应物O2。

以甲烷燃料电池为例：

①酸性条件

总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2OⅠ

正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2OⅡ

Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋

②碱性条件

总反应：CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2OⅠ

正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－Ⅱ

Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O

③固体电解质(高温下能传导O2－)

总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2OⅠ

正极反应：O2＋4e－===2O2－Ⅱ

Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)

总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2OⅠ

正极反应：O2＋2CO2＋4e－===2COⅡ

Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O

1．纽扣电池可作为计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极组成分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的叙述不正确的是(　　)

A．电池工作时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极

B．电池工作时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极

C．正极的电极反应为Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

D．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应

答案　B

解析　由总反应可以看出，Zn为负极，Ag2O为正极，电池工作时电子由负极Zn经外电路流向正极Ag2O，A项正确，B项错误；负极失去电子发生氧化反应，正极得到电子发生还原反应，C、D两项正确。

2．原电池是化学对人类的一项重大贡献。

(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：

①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为________________________________________________________________。

②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示：

①A为微生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。

②正极反应式为____________________________________________；

负极反应式为____________________________________________。

③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移。(填“正”或“负”)

④在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体________L。

⑤该电池________(填“能”或“不能”)在高温下工作。

答案　(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　②减小

(2)①正　②6O2＋24H＋＋24e－===12H2O　

C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋　③负　正

④22.4　⑤不能

解析　(1)CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。

(2)①O2→H2O发生还原反应，故A为燃料电池的正极，B为燃料电池的负极。

②由于电解质中含有H＋，故正极电极反应为6O2＋24H＋＋24e－===12H2O，负极电极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋。

③放电过程中，H＋由负极区向正极区移动。

④葡萄糖燃料电池的总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1 mol O2～1 mol CO2，每消耗1 mol O2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4 L。

⑤高温下由于微生物蛋白质发生变性，故该电池不能在高温下工作。

几种常见燃料电池的电极反应式

本课小结

课时作业

一、选择题(本题共6小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2做电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH＋2e－===2NH3＋H2，已知：NH3与Zn2＋结合生成[Zn(NH3)4]2＋。根据以上叙述判断下列结论不正确的是(　　)

A．Zn为正极，碳为负极

B．Zn为负极，碳为正极

C．工作时电流由碳棒极经外电路流向Zn极

D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器

答案　A

解析　由电极反应可知，Zn发生氧化反应，为电源的负极，碳棒为电源的正极。电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反。长时间连续使用时，MnO2吸收较多H2而体积膨胀，糊状物可能流出，因电解质呈酸性，故会腐蚀用电器。

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(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)

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，发生的电池反应为：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

答案　B

解析　铅蓄电池的充放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，放电时Pb做负极，电极反应为Pb－2e－＋SO===PbSO4，PbO2做正极，电极反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O；充电时，硫酸的浓度不断增大。

3．下图为氢氧燃料电池原理示意图，下列叙述不正确的是(　　)

A．a电极是负极

B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置

答案　B

解析　从图中可看出a电极处进入的是H2，b电极处进入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失电子被氧化，a为负极；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故B项不正确。

4．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法错误的是(　　)

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，负极质量减少207 g

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

答案　C

解析　在干电池中，Zn为负极，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。

5．镁­H2O2酸性电池采用海水做电解质溶液(加入一定量的酸)，下列说法正确的是(　　)

A．电池总反应的离子方程式为Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

B．负极的电极反应为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O

C．工作时，正极周围海水的pH减小

D．电池工作时，溶液中的H＋向负极移动

答案　A

解析　酸性条件下，镁失电子生成Mg2＋，该原电池的电池反应式为Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，故A正确；负极上Mg失电子生成Mg2＋，电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，故B错误；放电时，正极上电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，导致溶液中氢离子浓度减小，溶液的pH增大，故C错误；放电时，溶液中阳离子氢离子向正极移动，故D错误。

6．碱性锌锰干电池具有容量大、放电电流大的特点，得到广泛应用。锌－锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn(s)＋MnO2(s)＋H2O(l)===ZnO(s)＋Mn(OH)2(s)，下列说法错误的是(　　)

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池工作时，电子由负极经过电解质溶液流向正极

C．电池正极的电极反应式为MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===Mn(OH)2(s)＋2OH－(aq)

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

答案　B

解析　根据总反应可知Zn失去电子被氧化，为原电池的负极，故A正确；原电池中，电子由负极经外电路流向正极，电子不能经过电解质溶液，故B错误；根据电池总反应式为Zn(s)＋MnO2(s)＋H2O(l)===ZnO(s)＋Mn(OH)2(s)，可知反应中Zn被氧化，为原电池的负极，负极反应为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，MnO2为原电池的正极，发生还原反应，正极反应为MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===Mn(OH)2(s)＋2OH－(aq)，故C正确；负极反应为Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O，外电路中每通过0.2 mol电子，消耗的Zn的物质的量为0.1 mol，质量为0.1 mol×65 g/mol＝6.5 g，故D正确。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

7．铅蓄电池是一种用途极广的二次电池，其电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，下列说法错误的是(　　)

A．放电时，负极质量减少

B．充电时，应将外接直流电源的正极与铅蓄电池的铅电极相接

C．放电时，正极反应为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O

D．铅蓄电池做电源电解Na2SO4溶液时，当有1 mol O2产生时，消耗4 mol H2SO4

答案　AB

解析　放电时，负极发生Pb＋SO－2e－===PbSO4，负极质量增加，A项不正确；充电时，直流电源的正极与铅蓄电池的正极相连，即与PbO2电极相连，B项不正确；放电时，正极反应为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，C项正确；当有1 mol O2产生时转移4 mol电子，由总方程式Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O可知，消耗4 mol硫酸，D项正确。

8．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2－在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)

①多孔电极a为负极

②a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

③b极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O

④该电池的总反应式为2H2＋O22H2O

A．①② B．②④

C．②③ D．③④

答案　D

解析　①图中电子由多孔电极b通过导线流向多孔电极a，多孔电极b为负极，多孔电极a为正极，错误；②a极对应的电极反应式为O2＋4e－===2O2－，错误；③b极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O，正确；④根据正、负极得失电子数相等，将正、负极电极反应式相加，该电池的总反应式为2H2＋O22H2O，正确；故选D。

9．瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如图，有关说法正确的是(　　)

A．电池工作时，Na＋向负极移动

B．电子由电极2经外电路流向电极1

C．电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O

D．电极2发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

答案　C

解析　先分析进出电极物质的化合价判断电池正、负极，NH3→N2，N元素化合价升高，故电极1为原电池负极，电极2为原电池正极，电池工作时，Na＋向正极移动，故A错误；电子由电极1经外电路流向电极2，故B错误，电极2电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－；电极1电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O，所以总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O，故C正确，D错误。

10．高铁电池是电动汽车首选的电池之一，该电池的工作原理为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。下列关于该电池放电时的说法中正确的是(　　)

A．高铁电池产生的电流从负极经外电路到达正极

B．正极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2

C．负极pH减小，正极pH增大，电解液pH增大

D．每氧化1 mol高铁酸钾转移3 mol电子

答案　C

解析　根据电池反应式知，Zn元素化合价由0价变为＋2价，所以Zn做负极，放电时，负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，正极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，故B错误，C正确；放电时，电流方向与电子流动方向相反，电流从正极经外电路到达负极，A错误；高铁酸钾中Fe元素化合价由＋6价变为＋3价，所以高铁酸钾在反应中被还原，D错误。

三、非选择题(本题共1小题)

11．(1)高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，而且其用于高铁电池的研制也在进行中。如图甲是高铁电池的模拟实验装置：

①该电池放电时正极的电极反应式为

________________________________________________________________。

②盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向________(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向________(填“左”或“右”)移动。

③图乙为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有______________。

(2)有人设想以N2和H2为反应物，以溶有A的稀盐酸为电解质溶液，可制造出既能提供电能、又能固氮的新型燃料电池，装置如图丙所示，电池正极的电极反应式为__________________________，A是________(填物质名称)。

(3)利用原电池工作原理测定汽车尾气中CO的浓度，其装置如图丁所示。该电池中O2－可以在固体介质NASICON(固溶体)内自由移动，工作时O2－的移动方向________(填“从a到b”或“从b到a”)，负极发生的电极反应式为__________________________。

答案　(1)①FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－　②右　左　③使用时间长、工作电压稳定

(2)N2＋8H＋＋6e－===2NH　氯化铵

(3)从b到a　CO＋O2－－2e－===CO2

解析　(1)①放电时，高铁酸钾在正极发生还原反应，电极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3↓＋5OH－。

②电池工作时，阴离子移向负极，阳离子移向正极，所以盐桥中氯离子向右移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子应向正极移动即向左移动。

③根据高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，可得出高铁电池的优点有使用时间长、工作电压稳定。

(2)该电池的本质反应是合成氨反应，电池中氢气失去电子在负极发生氧化反应，氮气得电子在正极发生还原反应，则正极反应式为N2＋8H＋＋6e－===2NH，NH与Cl－结合成氯化铵，则电解质溶液为氯化铵溶液，即A是氯化铵。

(3)工作时电极b作正极，O2－由电极b移向电极a；该装置是原电池，通入CO的电极a是负极，负极上CO失去电子发生氧化反应，电极反应式为CO＋O2－－2e－===CO2。