【同步讲义】高中化学（苏教版2019）选修第一册--1.2.2 化学电源 讲义

第2课时 化学电源

知识点01  一次电池和二次电池

一、一次电池

1．一次电池的特点

一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后不能________。

2．常见的一次电池

（1）碱性锌锰干电池

电池反应式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2

负极反应式：________________________________________；

正极反应式：________________________________________。

（2）银锌纽扣电池：

电池反应式：________________________________________。

负极反应式：________________________________________。

正极反应式：________________________________________。

二、二次电池

1．二次电池的特点

二次电池又称为充电电池或蓄电池，放电后可以________使活性物质获得再生。

2．铅蓄电池

（1）铅蓄电池的放电反应为________反应

负极：________________________________________

正极：________________________________________

电池反应：____________________________________________

（2）铅蓄电池的充电反应

阴极：________________________________________

阳极：________________________________________

总反应：________________________________________

（3）铅蓄电池的充、放电原理的化学方程式为：________________________________________。

3．新型二次电池

（1）新型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等。

（2）锂离子电池

①锂离子电池的组成

正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4）或钴酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子________或________结构的化合物；

负极材料大多数是________材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。

电解质溶液是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的________中。

②锂离子电池的工作原理

负极：________________________________

正极：________________________________

电池反应：________________________________

【即学即练1】已知某储氢电池的电池的反应为：H2+2NiOOH=2Ni(OH)2，电解质溶液为KOH溶液，写出该电池的电极反应式。

知识点02  燃料电池

1．燃料电池

（1）概念：

燃料电池是利用________和________之间发生的氧化还原反应，将化学能________转化为电能的化学电池。氢气、甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作为燃料。

（2）特点

氧化剂和还原剂在工作时不断从________，同时将电极反应产物不断________。

2．氢氧燃料电池（电解液为KOH溶液）

负极：________________________________

正极：________________________________

电池反应：________________________________

3．基础实验——制作简单的燃料电池

（1）实验步骤

①将石墨棒和玻璃导管插入橡胶塞中，将橡胶塞塞入U形管管口中，检查________，标记________________到达的位置；

②取出橡胶塞，往U形管中注入稀硫酸，以接近________________的位置为宜；

③塞紧橡胶塞，接通学生电源，当一端玻璃管内的________接近溢出时，切断学生电源；

④取出时钟内的干电池，将________与时钟的正、负极相连，观察时钟指针。

（2）实验现象

①接通学生电源，________________________________。

②连接时钟，________________________________。

（3）判断燃料电池中正、负极的方法

接通学生电源时，玻璃管内液柱先接近溢出的电极产生的气体是_______，该电极为燃料电池的______极；

另外一个电极产生的是________，该电解为燃料电池的________极。

【即学即练2】已知：2H2+O2=2H2O，根据此反应可以设计成氢氧燃料电池，电池的两个电极均为石墨。

（1）若电解质溶液为K2SO4溶液，请写出电极反应式。

（2）若电解质溶液为硫酸溶液，请写出电极反应式。

（3）若电解质溶液为KOH溶液，请写出电极反应式。

【即学即练3】请写出甲烷燃料电池（电解液为KOH溶液）的电池反应式和电极反应式。

考法01  化学电池

1．化学电池的分类

化学电池的种类很多，常分为以下三类。

2．常见化学电池的比较

（1）一次电池：活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。

（2）二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。

（3）燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。

3．化学电池的特点

化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池(充电电池)、燃料电池(连续电池)。使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸、碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。

【典例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．判断一种电池的优劣主要是看其负极材料的活动性

D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源

考法02  化学电池中电极反应式的书写

在书写化学电池中电极反应式时应注意以下问题：

（1）正确判断出化学电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

（2）确认电极得失电子后的产物是否能与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

（3）书写二次电池的电极反应时，要注意判断充电方向与放电方向。放电时的电极反应式倒过来即为充电时的电极反应式(注意电子的得失)。

（4）书写电极反应的原则

①加和性原则：

两电极反应相加，消去电子后得电池总反应式。利用此原则，电池总反应式减去已知的一电极反应得另一电极反应。

②共存原则：

碱性溶液中，CO2不可能生成，也不会有H+参加反应或生成；同样酸性溶液中，不会有OH-参加反应或生成。

根据此原则，物质得失电子后在不同的电解质环境中所存在的形式不同。

【典例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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池反应方程式为Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)=Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)，下列说法中，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，锌的质量减少6.5 g

题组A  基础过关练

1．下列有关原电池的叙述正确的是（   ）

A．一切氧化还原反应都可设计成原电池

B．燃料电池是将热能转变为电能的装置

C．原电池的正极发生的是还原反应，负极发生氧化反应

D．在锌锰干电池中，锌单质做负极，锰单质做正极

2．下列说法中，不正确的是(　　)

A．化学电池是将化学能转变成电能的装置

B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等

C．化学电池供能稳定可靠，使用方便，易于维护

D．废旧电池可以随意丢弃

3．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为：

2Ag＋Zn(OH)2Ag2O＋Zn＋H2O，在此电池放电时，负极上发生反应的物质是(　　)

A．Ag　　　　　B．Zn(OH)2         C．Ag2O     D．Zn

4．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是(　　)

A．Pb为正极被氧化 B．溶液的pH不断减小

C．SO42-只向PbO2处移动 D．电解质溶液pH不断增大

5．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CH4＋2KOH＋2O2=K2CO3＋3H2O，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CH4＋10OH－－8e－=CO＋7H2O

6．如图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，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

7．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是(　　)

A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)

B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)

C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)

D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－

8．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。电池反应方程式为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

9．(1)今有反应2H2＋O22H2O，要构成燃料电池，则负极通入的是______，正极通入的是________，

电极反应式分别为______________、_______________________________。

(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解液，则电极反应式分别为__________________、______________。

(3)上述(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，(1)中溶液pH变_____(填“大”或“小”，下同)，(2)中溶液pH变_________。

(4)如把H2改为甲烷，KOH溶液作电解液，则电极反应式分别为_______________、____________________。

10．铅蓄电池(原电池)工作时，总反应为：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，由此可以判断：

(1)铅蓄电池的电极材料：正极为________，负极为________。

(2)两极的电极反应式：正极为_______________________，负极为_______________________________。

(3)工作一段时间后，铅蓄电池电解质溶液的pH__________(填“变大”、“变小”或“不变”)。

题组B  能力提升练

1．据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车在北京奥运会期间为运动员提供了服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是(　　)

A．正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变

C．该燃料电池的总反应方程式为：2H2＋O2===2H2O

D．用该电池电解CuCl2溶液，产生2.24 L Cl2(标准状况)时，有0.1 mol电子转移

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(　　)

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

3．肼(N2H4)－空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质溶液是20%～30%的KOH溶液。电池总反应为：N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该燃料电池工作时的说法正确的是(　　)

A．负极的电极反应式是：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑

B．正极的电极反应式是：O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．溶液中阴离子向正极移动

D．溶液中阴离子物质的量显著减少

4．电极反应为：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

根据上述反应式，做下列题目：

(1)判断下列叙述中正确的是______。

A．在使用过程中，电解质KOH被不断消耗

B．使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极

C．Zn是负极，Ag2O是正极

D．Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应

(2)写出电池的总反应式_____________________。

(3)使用时，负极区的pH______(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，正极区的pH______，电解质溶液的pH______。

5．设计原电池装置证明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强。

(1)写出能说明氧化性Fe3＋大于Cu2＋的离子方程式：__________________________。

(2)若要将上述反应设计成原电池，电极反应式分别是：

①负极：________________________，②正极：____________________________。

(3)画出装置图，指出电极材料和电解质溶液：

6．(1)今有2H2＋O22H2O反应，构成燃料电池，则负极通的应是__________，正极通的应是__________，电极反应式分别为________________________、____________________________。

(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质，则电极反应式分别为______________________________、____________________________。(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？________________________________________________________________________。

(3)如把H2改为甲烷，KOH作导电物质，则电极反应式为_________________、__________________。

题组C  培优拔尖练

1．固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的。它以固体氧化锆­氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)

A．有O2放电的a极为电池的负极

B．有H2放电的b极为电池的正极

C．a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．该电池的总反应方程式为2H2＋O2===2H2O

2．美国纽约州的工科大学——伦斯勒理工学院(RPI)宣布开发出了由纤维素和碳纳米管组成的双层电容器。这些元件的厚度仅为数十微米，相当于人头发的粗细，能够和纸一样弯曲。RPI的研究人员认为，“未来能够利用卷对卷印刷技术制造电池”。一种碳纳米管(里面储存有H2)二次电池的装置如图所示。该电池的电解质溶液为6 mol·L－1的KOH溶液，下列有关说法不正确的是(　　)

A．储存H2的碳纳米管作电池的负极

B．电池的负极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O

C．电池的正极反应式为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－

D．放电时，电池总反应为2H2＋O2===2H2O

3．控制合适的条件，将反应2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(　　)

A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3＋被还原

C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流计读数为零后，在甲中加入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

4．Li­SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质是LiAlCl4­SOCl2。电池的总反应可表示为：4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

(1)电池的负极材料为________，发生的电极反应为__________________；

(2)电池正极发生的电极反应为__________________；

(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是__________________，反应的化学方程式为____________________；

(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是______________________________________。