高中化学必修2 课时6.2.3 拓展1 燃料电池及其它新型电池电极反应式的书写高一化学精品讲义

这是一份高中化学必修2 课时6.2.3 拓展1 燃料电池及其它新型电池电极反应式的书写高一化学精品讲义，共14页。
燃料电池及其它新型电池电极反应式的书写
一、电极反应遵循的三个守恒
观察铅蓄电池的正、负极电极反应
负极反应
Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极反应
PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
总反应
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
规律
任何一个电极反应等号左、右两边一定遵循：得失电子守恒、电荷守恒、原子守恒
1、得失电子守恒
(1)，
(2)元素的化合价每升高一价，则元素的原子就会失去一个电子
(3)元素的化合价每降低一价，则元素的原子就会得到一个电子
2、电荷守恒：电极反应左、右两边的正电荷和负电荷数相等
3、原子守恒(质量守恒)：电极反应左、右两边同种原子的原子个数一定相等
二、电极反应的书写方法
1、直观法：针对比较简单的原电池可以采取直观法，先确定原电池的正、负极，列出正、负极上反应的物质，并标出相同数目电子的得失
【微点拨】注意负极反应生成的阳离子与电解质溶液中的阴离子是否共存。若不共存，则电解质溶液中的阴离子应写入负极反应式中
【对点训练1】
装置图

Zn——Cu (稀硫酸)
总反应

负极反应

正极反应

Al——Mg (稀盐酸)
总反应

负极反应

正极反应

Cu——Ag (硝酸银溶液)
总反应

负极反应

正极反应

Fe——Cu (FeCl3溶液)
总反应

负极反应

正极反应


2、用差值法写电极反应方程式：正、负极反应相加得到电池反应的离子方程式。反之，若能写出已知电池的总反应的离子方程式，可以减去较易写出的电极反应式，从而得到较难写出的电极反应式
复杂电极反应式===总反应式—简单的电极反应式
【对点训练2】
装置图

Al——Cu (稀硝酸)
总反应

负极反应

正极反应

Al——Cu (浓硝酸)
总反应

负极反应

正极反应

Al——Mg (NaOH溶液)
总反应

负极反应

正极反应

铅蓄电池
总反应

负极反应

正极反应

3、“三步法”书写电极反应——按顺序书写
以“甲醇——氧气——KOH溶液”为例
第一步：得失电子守恒
，
负极的甲醇在碱性环境中变成CO 32－失去6个电子，写成－6e－；正极的O2到底是变成了OH－还是H2O，一定是得到4个电子，写成＋4e－，此步称之为得、失电子守恒
负极反应：CH3OH—6e－— CO32－；
正极反应：O2＋4e－—
第二步：电荷守恒
此时负极反应左边的电荷数为＋6，右边的电荷数为－2，电荷显然不守恒，为了使左、右两边电荷守恒必需在左边配8个OH－；正极反应的左边电荷数为－4，右边的电荷数为0，为了使左、右两边电荷守恒必需在右边配4个OH－，此步称之为电荷守恒
负极反应：CH3OH—6e—＋8OH－—CO32－；
正极反应：O2＋4e－—4OH－
第三步：原子守恒
观察负极反应左、右两边的原子个数，C守恒，H、O不守恒，需在右边配6 个H2O；而正极反应H、O不守恒，需在左边配2个H2O，此步称之为原子守恒
负极反应：CH3OH—6e－＋8OH－＋6H2O===CO32－；
正极反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－

【微点拨】
①该法书写电极是各写各的电极，因此正负极电子数可能不相等，所以最后再用最小公倍数写出总方程式
②若为酸性介质，先补H+，另一边补H2O；若为碱性介质，先补OH—，另一边补H2O
③有机物中化合价处理方法：“氧－2，氢＋1，最后算碳化合价”，并且要注意溶液环境与产物之间的反应，碱性环境下，C元素最终产物应为CO32－
④水溶液中不能出现O2－；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH－，中性溶液反应物中无H+ 和OH－
燃料电池的构成
燃料电池装置示意图
燃料电池是通过燃料气体与氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体。电解质通常有四种情况：
①稀硫酸
②KOH溶液
③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32－
④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2－离子

【对点训练3】
1、氢、氧燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

2、甲烷(CH4)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

3、甲醇(CH3OH)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

4、乙烷(C2H6)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

5、丙烷(C3H8)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

6、乙醇(C2H5OH)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

7、葡萄糖(C6H12O6)燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

8、CO燃料电池
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

熔融碳酸盐燃料电池

CO
总反应

负极反应

正极反应

固态氧化物燃料电池
O2－
总反应

负极反应

正极反应

9、肼(H2N—NH2)燃料电池：肼分子可以在氧气中燃烧生成氮气和水
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

10、氨气燃料电池(生成无污染的气体)
电池类型
导电介质
反应式
酸性燃料电池
H＋
总反应

负极反应

正极反应

碱性燃料电池
OH－
总反应

负极反应

正极反应

四、其它新型电池电极反应式的书写
1、锂离子电池
书写技巧
锂离子电池通常都是锂做负极，平衡电荷的也是锂离子，因此可以先写出负极反应
(Li－e－===Li＋，至于带x或者C6可以稍加变形加进去即可：LixC6－xe－===xLi＋＋C6)，正极用总反应减去总反应即可
常见锂离子电池电极反应的书写
钴酸锂电池
总反应
Li1－xCoO2＋LixC6 LiCoO2＋C6(x＜1)
负极反应

正极反应

磷酸铁锂电池
总反应
FePO4＋LiLiFePO4
负极反应

正极反应

锰酸锂电池
总反应
LixC6＋Li3-xNiCoMnO6 C6＋Li3NiCoMnO6
负极反应

正极反应

锂钒氧化物电池
总反应
xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8
负极反应

正极反应

锂－铜
电池
总反应
2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－
负极反应

正极反应

2、高铁电池
高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O===3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题：
(1)放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)反应，则负极反应式为________________________________，
正极反应式为_________________________________________
(2)放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强
3、镍氢电池
用吸收H2后的稀土储氢合金作为电池负极材料(用MH表示)，NiO(OH)作为电池正极材料，KOH溶液作为电解质溶液，可制得高容量、长寿命的镍氢电池。电池充放电时的总反应为：NiO(OH)＋MH===Ni(OH)2＋M
电池放电时，负极的电极反应式为_________________________，正极反应式为___________________________
4、微生物燃料电池
微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置。某微生物燃料电池的工作原理如图所示。

(1)该微生物燃料电池，负极为_____(填“a”或“b”)，当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有____ mol的H＋通过质子交换膜
(2)该电池正极反应式为：___________________________________________________
负极反应式为：_________________________________________________________
【课后作业】
1、有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中有一定浓度的O2和H2O进行工作。请回答下列问题：
(1)负极材料是________，电极反应为_______________________
(2)正极材料是________，电极反应为_______________________
2、研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
(1)该电池的负极是__________，负极反应式是_________________
(2)正极现象是____________________________________
(3)放电时OH－向_________(填“正极”或“负极”)移动
3、Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是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_____________________________________________
4、Mg－AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应方程式2AgCl＋Mg===Mg2＋＋2Ag＋2Cl－。
负极反应式是__________________________________，正极反应式是________________________________
5、铝－空气海水电池：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
负极反应式是__________________________________，正极反应式是________________________________
6、肼分子(H2N—NH2)可以在氧气中燃烧生成氮气和水，利用肼、氧气与KOH溶液组成碱性燃料电池，请写出该电池的负极反应式：_________________________________，正极反应式：_____________________________，
总反应式：________________________________________
7、以甲醇(CH3OH)为燃料，空气为氧化剂，以熔融K2CO3为电解质环境的燃料电池，负极反应式为
_____________________________________，正极反应式为________________________________
8、科学家预言，燃料电池是21世纪获得电能的重要途径。甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在硫酸电解质溶液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答以下问题：
(1)配平电池放电时发生的化学方程式：CH3OH＋____O2―→____CO2＋____H2O
(2)在硫酸电解质溶液中，CH3OH失去电子，此电池的正极发生的反应是_____________________________，
负极发生的反应是____________________________________
(3)电解质溶液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________极
9、酸性锌锰干电池是一种一次性电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是由碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物。该电池放电过程产生MnOOH。回收处理该废电池可得到多种化工原料。该电池的正极反应式为________________，电池反应的离子方程式为______________________________
10、二甲醚(CH3OCH3)直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg－1)。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为_________________________________
11、钴酸锂电池的正极采用钴酸锂(LiCoO2)，负极采用金属锂和碳的复合材料，该电池充放电时的总反应式：
LiCoO2＋6CLi1－xCoO2＋LixC6，写出放电时负极的电极反应____________________
12、NOx是汽车尾气中的主要污染物之一。通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意图如下：
(1)Pt电极上发生的是______反应(填“氧化”或“还原”)
(2)写出NiO电极的电极反应式：

13、由于锂密度小，活动性强，是制造电池的理想物质。锂锰电池的体积小，性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li＋通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。
(1)外电路的电流方向是由________极流向________极(填字母)
(2)电池负极反应式为____________________________，正极反应式为____________________________


14、如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。负极反应式为_________________________________，正极反应式为_____________________________

15、浓差电池中的电动势是由于电池中存在浓度差而产生的。某浓差电池的原理如图所示，该电池从浓缩海水中提取LiCl的同时又获得了电能
(1)X为________极，Y电极反应式为_________________________________
(2)Y极生成1 mol Cl2时，________ mol Li＋移向________极(填X或Y)


16、PbSO4热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl－KCl混合物受热熔融后，电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。负极反应式为________________

17、一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。
(1)电极A为________极，CO和H2按体积比1∶1发生的电极反应式为____________________________
(2)电极B的反应式为_____________________
(3)CO向________极迁移(填A或B)

18、氨氧燃料电池具有很大的发展潜力。氨氧燃料电池工作原理如下图所示。a电极的电极反应式是_____________

19、磷酸燃料电池是目前较为成熟的燃料电池之一，其基本组成及反应原理如图所示，该电池正极的电极反应为_______________________

20、以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如下图所示，在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y，则该电极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　

21、近几年开发的甲醇燃料电池是采用铂作电极，电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过。其工作原理的示意图如下， Pt(a)电极是电池的　　　极，电极反应式为　　　　　　　　　　，Pt(b)电极发生　 (填“氧化”或“还原”)反应,电极反应式为　　　　　　　　　，电池的总反应式为　　　　　　　　　　　　


22、下图为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图 (a、b均为多孔性Pt电极)。b电极是　　　　(填“正”或“负”)极, a电极上的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　

23、下图是利用微生物燃料电池处理工业含酚废水的原理示意图, 电极a附近发生的反应是



24、Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液（碱性），示意图如下，H2O2在石墨电极上发生的电极反应式为　　　　　　　　　　　　　

25、化学家正在研究尿素动力燃料电池，尿液也能发电。用这种电池直接去除城市废水中的尿素，既能产生净化的水，又能发电，尿素燃料电池结构如图所示，甲电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　

26、乙烯催化氧化成乙醛可设计成如下图所示的燃料电池，能在制备乙醛的同时获得电能，其总反应：
2CH2===CH2＋O2―→2CH3CHO。正极反应式为________________________________________

27、液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小，无需气体存储装置等优点。一种以肼(N2H4)为燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH作为电解质。负极发生的电极反应式为：

28、铝电池性能优越，Al­Ag2O电池可用作水下动力电源，其原理如图丙所示。该电池反应的化学方程式为____________________________________________________________

29、以Al和NiO(OH)为电极,NaOH溶液为电解液组成一种新型电池,放电时NiO(OH)转化为Ni(OH)2,该电池反应的化学方程式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　
30、“神舟7号”宇宙飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCPC型燃料电池，该电池可同时供应电和水蒸气，所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾，已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，正极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　
【燃料电池及其它新型电池电极反应式的书写】答案
四、其它新型电池电极反应式的书写
1、常见锂离子电池类型及电极反应书写
书写技巧
锂离子电池通常都是锂做负极，平衡电荷的也是锂离子，因此可以先写出负极反应
(Li－e－===Li＋，至于带x或者C6可以稍加变形加进去即可：LixC6－xe－===xLi＋＋C6)，正极用总反应减去总反应即可
常见锂离子电池电极反应的书写
钴酸锂电池
总反应
Li1－xCoO2＋LixC6 LiCoO2＋C6(x＜1)
负极反应
LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极反应
Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2
磷酸铁锂电池
总反应
FePO4＋LiLiFePO4
负极反应
Li－e－===Li＋
正极反应
FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4
锰酸锂电池
总反应
LixC6＋Li3-xNiCoMnO6 C6＋Li3NiCoMnO6
负极反应
LixC6－xe－===xLi＋＋C6
正极反应
Li3-xNiCoMnO6 ＋xe－＋xLi＋===Li3NiCoMnO6
锂钒氧化物电池
总反应
xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8
负极反应
xLi－xe－=== xLi＋
正极反应
xLi＋＋LiV3O8＋xe－===Li1＋xV3O8
锂－铜
电池
总反应
2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－
负极反应
Li－e－===Li＋
正极反应
Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－
2、(1)还原　3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2
2FeO42—＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－
(2)正
解析：根据高铁电池放电时的总反应式可知，Zn为负极，负极反应为3Zn－6e－＋6OH－===3Zn(OH)2，由电池的总反应－负极反应＝正极反应可知，正极反应为2FeO42—＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，正极区生成OH－且消耗水，OH－浓度增大，故正极附近溶液的碱性增强。
3、MH－e－＋OH－===M＋H2O NiO(OH)＋H2O＋e－＋OH－===Ni(OH)2
解析：负极实际上是稀土储氢合金吸附的H2失去电子生成H＋，H＋再与OH－结合生成H2O，所以负极的电极反应式为MH－e－＋OH－===M＋H2O。充电时阳极发生氧化反应，反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O。
4、(1)a　0.5
(2)2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，HS－＋4H2O－8e－===SO＋9H＋
解析：(1)根据图示，在硫氧化菌作用下HS－转化为SO，发生氧化反应：HS－＋4H2O－8e－===SO＋9H＋；电极a上发生氧化反应，电极a为负极，b为正极，正极上发生还原反应：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O，当电路中有0.5 mol电子发生转移，则有0.5 mol H＋通过质子交换膜。
【课后作业】
1、(1)锌　2Zn－4e－===2Zn2＋　(2)铂　O2＋2H2O＋4e－===4OH－
2、(1)锂　Li－e－===Li＋　(2)有无色气体产生　(3)负极
3、(1)锂　4Li－4e－===4Li＋ (2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
4、负极：Mg－2e－===Mg2＋ 正极：2AgCl＋2e－===2Ag＋2Cl－
5、4Al－12e－===4Al3＋　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
6、N2H4－4e－＋4OH－===4H2O＋N2 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ N2H4＋O2===N2＋2H2O
7、2CH3OH－12e－＋6CO===8CO2＋4H2O 3O2＋12e－＋3CO2===6CO
8、(1)2　3　2　4　(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋　(3)正　负
9、MnO2＋H＋＋e－===MnOOH　2MnO2＋Zn＋2H＋===2MnOOH＋Zn2＋　
10、CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋　
11、LixC6－xe－===C6＋xLi＋
12、①还原　②NO＋O2－－2e－===NO2
13、(1)b　a (2)Li－e－===Li＋　MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2
14、C2H5OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O
15、正　2Cl－－2e－===Cl2↑　 2　X
16、Ca＋2Cl－－2e－===CaCl2
17、(1)负　CO＋H2－4e－＋2CO===3CO2＋H2O (2)O2＋4e－＋2CO2===2CO (3)A
18、2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
19、O2＋4H＋＋4e－===2H2O
20、NO2+ NO32－-e-=N2O5
21、负　CH3OH+H2O-6e-=CO2↑+6H+还原　O2+4H++4e-=2H2O 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O
22、正　CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2↑+12H+
23、C6H6O-28e-+11H2O6CO2↑+28H+
24、H2O2+2e-=2OH-
25、CO(NH2)2＋H2O－6e－===CO2＋N2＋6H＋
26、O2＋4H＋＋4e－===2H2O
27、N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
28、2Al＋3Ag2O＋2NaOH===2NaAlO2＋6Ag＋H2O
29、Al+3NiO(OH)+NaOH+H2O=NaAlO2+3Ni(OH)2
30、H2＋CO－2e－===CO2↑＋H2O