知识讲解_化学电源_提高

化学电源 【学习目标】 1、了解常见电池的分类及优点； 2、了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、反应原理及应用。 【要点梳理】 知识点一、化学电池 1、定义 化学电池是将化学能转变成电能的装置。 【高清课堂：化学电源#化学电池的分类】 2、分类 3、化学电池的优点 ①化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。 ②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组。 ③使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。 4、判断电池优劣的主要标准 ①比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/k 或(W·h)/L。 ②比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位 W/kg 或 W/L。 ③电池的可储存时间的长短。 【高清课堂：化学电源#常见的化学电池】 知识点二、常见的化学电池 电池 负极反应 正极反应 总反应式 普通干电池 (Zn、MnO2、NH4Cl、C) Zn－2e－＝Zn2+ 2MnO2+2NH4++2e－ ＝2NH3+Mn2O3+H2O 2MnO2+2NH4++Zn＝ 2NH3+Mn2O3+H2O+Zn2+ 碱性锌锰电池 (Zn、KOH、MnO2) Zn+2OH－－2e－ ＝Zn(OH)2 2MnO2+2H2O+2e－ ＝2MnOOH+2OH－ Zn+2MnO2+2H2O＝ 2MnOOH+Zn(OH)2 一 次 电 池 锌银电池 (Zn、KOH、Ag2O) Zn+2OH－－2e－ ＝Zn(OH)2 Ag2O+H2O+2e－ ＝2Ag+2OH－ Zn+Ag2O+H2O＝ Zn(OH)2+2Ag 铅蓄电池 (Pb、H2SO4、PbO2) Pb+SO42－－2e－ ＝PbSO4 PbO2+4H++SO42－ +2e －＝PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 二 次 电 池 氢镍电池 [H2、OH－、NiO(OH)] H2+2OH－－2e－ ＝2H2O 2NiO(OH)+2H2O+2e －＝2Ni(OH)2+2OH－ 2NiO(OH)+H2 2Ni(OH)2 氢氧燃料电池 (H2、H+、O2) 2H2－4e－＝4H+ O2+4H++4e－ ＝2H2O 2H2+O2＝2H2O 氢氧燃料电池 (H2、Na2SO4、O2) 2H2－4e－＝4H+ O2+2H2O+4e－ ＝4OH－ 2H2+O2＝2H2O 燃 料 电 池 氢氧燃料电池 2H2+4OH－－4e－ O2+2H2O+4e－ 2H2+O2＝2H2O  放电 充电  放电 充电(H2、OH－、O2) ＝4H2O ＝4OH－ 知识点三、各种化学电池的特点 名称 一次电池(干电池) 二次电池(充电电池或蓄电池) 燃料电池 定义 发生氧化还原反应的 物质消耗到一定程度， 就不能再使用 放电后可以再充电使发生氧化 还原反应的物质获得再生 一种连续地将燃料和氧化剂的化学能 直接转换成电能的化学电池 特点 电解质溶液制成胶状， 不流动 可以多次重复使用 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，生成物 不断地被排除，于是电池就连续不断地 提供电能 举例 普通的锌锰电池、碱性 锌锰电池 铅蓄电池、氢镍电池、镉镍电池 氢氧燃料电池、CH4 燃料电池、CH3OH 燃料电池 知识点四、化学电池电极反应式的书写 1、根据装置书写电极反应式 ①先分析题目给定的图示装置，确定原电池正负极上的反应物质，并标出电子得失的数目。 ②电极反应式的书写 a．负极：活泼金属或 H2 失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离 子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb+SO42－－2e－＝PbSO4。 b．正极：阳离子得到电子生成单质或 O2 得到电子，若反应物是 O2，则有以下规律： 电解质溶液是碱性或中性：O2+2H2O+4e－＝4OH－ 电解质溶液是酸性；O2+4H++4e－＝2H2O ③正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。 2、给出总反应式，写电极反应式 如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)， 选择一个简单的变化去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反 应式减去已写出的电极反应式，即得结果。以 2H2+O2＝2H2O 为例，当电解质溶液为 KOH 溶液时的电极反应式 的书写步骤如下。 ①根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定 2 mol H2 失掉 4 mol 电子，初步确定负极反应为： 2H2－4e－＝4H+。 ②根据电解质溶液为碱性，与 H+不能共存，反应生成水，推出 OH－应写入负极反应式为：2H2+4OH－－4e－＝ 4H2O。 ③用总反应式 2H2+O2＝2H2O 减去负极反应式得正极反应式为：2H2O+O2+4e－＝4OH－。 3、可充电电池电极反应式的书写 在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。 ①原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高； ②原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。 要点诠释：书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸、碱还是熔融盐。在酸性电解质溶液中电 极反应式中不能出现 OH－，碱性电解质溶液中电极反应式中不要出现 H+，同时还要分清燃料是 H+还是含碳燃料 (CO、CH4、CH3OH、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料在碱性条件下正极反应式都是一样的，即 O2+4e－+2H2O ＝4OH－。如果是含碳燃料，负极反应式的书写同 CH4 作负极时的书写方法相同，只是需要配上不同的化学计量 数。一般来说，燃料电池的总反应式与燃料燃烧的反应方程式相同，因此可以通过将两极加和的方法，判断各极 反应方程式的书写是否正确。 知识点五、新型电池 1、菠菜电池 科学家参照光合作用原理，利用生物技术手段发明了一种新型菠菜电池。科学家们首先从菠菜的叶绿体中分 离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形成保护层，为其创造 类似植物叶片内的生存环境。之后，科学家又将提取出的蛋白质分子铺在一层金质薄膜上，而后在其最上方再加 一层有机导电材料，做成一个类似“三明治”的装置。当光照射到这个“三明治”上时，装置内会发生光合作用， 最终产生电流。 2、水充电池 水充电池的发明使水直接转化为电能成为现实。当水流动时，因摩擦而充满带正、负电荷的物质，与固体相 互吸引，这样就会产生一个很薄的带静电荷的水流层，也叫双电荷层或者电偶层，如果将这两种电荷分开，就能 使其像我们日常生活中使用的电池那样提供电能。这种“水充电池”无污染、无毒并且易于携带，预计在不久的 将来，这种电池就可以投入商用了。 3、生物热电池 生物热电池是一块植有数千个微型热电发生器的芯片。它利用“热电偶效应”发电，即将两种不同的材料连 接起来组成一个闭合回路，如果两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。该装置用碲化铋半导体材料制 造，其中掺入了杂质，使得一端富有多余的电子，另一端则因为缺少了电子而带正电，这样的制造方法使热电偶 的发电能力比同等规模的金属装置更强。“生物热电池”能够持续工作约 30 年，这就可以减少更换电池的次数。 4、汽油电池 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池， 一个电极通人空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了 YO3 的 ZrO2 晶体，它在高温下能传导 O2－。 5、溶氧生物电池 用作人体心脏起搏器的电池规格与通常的电池有很大的不同。要求是一次电池，输出功率只需几个毫瓦，但 必须连续工作若干年，其间不需要维持保养，例如 Zn2+/Zn 和 H+/O2、Pt 构成的“生物电池”。因人体体液中含有 一定量的溶解氧，若该“生物电池”在低功率下工作，人体就会易于适应 Zn2+的增加和 H+的迁出。 【典型例题】 类型一：常见的化学电源 例 1 下列电池工作时，O2 在正极放电的是（　　） A． 锌锰电池 B． 氢燃料电池 C． 铅蓄电池 D． 镍镉电池 【思路点拨】本题涉及到的这些化学电源都比较常见，了解它们的工作原理即可答对本题。 【答案】B 【解析】A．锌锰干电池中电极反应式，负极：Zn﹣2e﹣═Zn2+、正极 2MnO2+2NH4++2e﹣ =Mn2O3+2NH3+H2O，所以不符合题意，故 A 错误； B．酸性氢氧燃料电池电极反应式为 2H2﹣4e﹣=4H+、O2+4H++4 e﹣=2H2O，碱性氢氧燃料电池电极反应式为 2H2 ﹣4e﹣+4OH=4H2O、O2+2H2O+4 e﹣=4OH﹣，所以符合题意，故 B 正确； C．放电时负极电极反应：Pb﹣2e﹣+SO42﹣=PbSO4 ，正极电极反应：PbO2+2e﹣+4H++2SO42﹣=PbSO4+2H2O， 所以不符合题意，故 C 错误；D．放电正极：2NiOOH+2H2O+2e﹣=2Ni（OH）2+2OH﹣、负极：Cd+2OH﹣﹣2e﹣=Cd（OH）2，所以不符合 题意，故 D 错误； 故选 B。 【总结升华】原电池电极判断的 6 种方法： （1）负极：较活泼金属、氧化反应、电子流出、电流流入、阴离子移向极、不断溶解。 （2）正极：不活泼金属或非金属、还原反应、电子流入、电流流出、阳离子移向极、电极增重。 举一反三： 【变式 1】（2015 江苏高考）一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是 （ ）。 A．反应 CH4＋H2O 3H2＋CO,每消耗 1molCH4 转移 12mol 电子 B．电极 A 上 H2 参与的电极反应为：H2＋2OH--2e-=2H2O C．电池工作时，CO32-向电极 B 移动 D．电极 B 上发生的电极反应为：O2＋2CO2＋4e-=2CO32- 【答案】D 【解析】A、1molCH4→CO，化合价由-4 价→+2 上升 6 价，1molCH4 参加反应共转移 6mol 电子，故错误； B、环境不是碱性，否则不会产生 CO2，其电极反应式：CO＋H2＋2CO32－－4e－=3CO2＋H2O，故 B 错误；C、 根据原电池工作原理，电极 A 是负极，电极 B 是正极，阴离子向负极移动，故 C 错误；D、根据电池原理，O2、 CO2 共同参加反应，其电极反应式：O2＋2CO2＋4e－=2CO32－，故 D 正确。 【变式 2】有人设计出利用 CH4 和 O2 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 中燃烧的反应，则下列说法中正确的是( ) ①每消耗 l mol CH4 可以向外电路提供 8 mol e－ ②负极上 CH4 失去电子，电极反应式为 CH4+10OH－－8e－＝CO32－+7H2O ③负极上 O2 获得电子，电极反应式为 O2+2H2O+4e－＝4OH－ ④电池放电时，溶液 pH 不断升高 A．①② B．①③ C．①④ D．③④ 【答案】A 【解析】CH4 在铂电极上发生类似于 CH4 在 O2 中燃烧的反应，即 CH4→CO2，严格地讲生成的 CO2 还与 KOH 溶液反应生成 K2CO3，化合价升高，失去电子，作电池的负极，电极反应式为 CH4+10OH－－8e －＝CO32－ +7H2O，1 mol CH4 参加反应有 8 mol e－发生转移，O2 在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为 O2+2H2O+4e －＝4OH－。虽然正极产生 OH－，负极消耗 OH－，但从总反应 CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O 可看出反应消耗 了 KOH，所以电池放电时溶液的 pH 不断下降，故①②正确，③④错误。 例 2（2016 新课标 III）锌–空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为 KOH 溶液，反应 为 2Zn+O2+4OH–+2H2O===2Zn(OH) 。下列说法正确的是 A．充电时，电解质溶液中 K+向阳极移动 =====点燃 ======= 通电 ======= 电解 ======== 催化剂 △ 2 4 −B．充电时，电解质溶液中 逐渐减小 C．放电时，负极反应为：Zn+4OH–-2e–===Zn(OH) D．放电时，电路中通过 2mol 电子，消耗氧气 22.4L（标准状况） 【思路点拨】认真分析总反应，找出电源的阳极和阴极，而且要根据总反应式写出各极的电极反应式。 【答案】C 【 解 析 】 A 项 充 电 时 阳 离 子 向 阴 极 移 动 ， 故 A 错 误 ； B 项 放 电 时 总 反 应 为 ： 2Zn+O2+4KOH+2H2O===2K2Zn(OH)4,，则充电时生成氢氧化钾，溶液中的氢氧根离子浓度增大，故 B 错误；C 项放电时，锌在负极失去电子，故 C 正确；D 项标准状况下 22.4L 氧气的物质的量为 1mol，对应转移 4mol 电子， 故 D 错误。故选 C。 【总结升华】原电池中应注意的 3 个“方向”： (1)外电路中电子移动方向：负极→正极，电流方向：正极→负极； (2)电池内部离子移动方向：阴离子→负极，阳离子→正极； (3)盐桥中(含饱和 KCl 溶液)离子移动方向：K+→正极，Cl-→负极。 类型二：电极方程式的书写 例 3 天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴(LiCoO2)，充电 时 LiCoO2 中 Li 被还原，并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中，以 LiC6 表示。电池反应为 LiCoO2+C6 CoO2+LiC6。则下列说法正确的是( ) A．放电时，电池的正极反应为 LiC6－e－＝Li++C6 B．放电时，电池的正极反应为 CoO2+Li++e－＝LiCoO2 C．羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质 D．锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低 【答案】B 【解析】A 项，放电时，电池的正极得 e－，发生还原反应，A 项错误；B 项，放电时发生原电池反应，电 池正极反应为还原反应，B 项正确；C 项，含活泼氢的有机物作电解质，易得电子；D 项，锂的相对原子质量小， 其密度小，所以锂离子电池的比能量高。故选 B。 例 4 已知原电池总反应式为：CH4+2O2＝CO2+2H2O，分别写出在下列环境中该原电池的电极反应式。 (1)电解质溶液为 KOH 溶液 负极：____________；正极：____________。 (2)电解质溶液为稀硫酸 负极：____________；正极：____________。 【答案】(1)负极：CH4+10OH－－8e－＝CO32－+7H2O 正极：2O2+4H2O+8e－＝8OH－ (2)负极：CH4+2H2O－8e－＝CO2+8H+ 正极：2O2+8H++8e－＝4H2O 【解析】根据总反应式可知，甲烷在反应中被氧化，因此应在负极上反应；氧气在反应中被还原，应在正极 上反应。然后根据电解质溶液的酸碱性可知，电解质溶液为碱性溶液时，在电极反应式中不能有 H+参加或生成， 也不能有酸性物质生成；电解质溶液为酸性溶液时，在电极反应式中不能有 OH－参加或生成，也不能有碱性物 质生成。最后，根据反应中转移电子数守恒、电荷守恒和元素守恒等原则，写出电极反应式并配平。 【高清课堂：化学电源#例 1】 举一反三： 【变式 1】某可充电的锂离子电池以 LiMn2O4 为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含 Li+导电固体为电解质。 放电时的电池反应为：Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。下列说法正确的是 (OH )c − 2 4 −  充电 放电A．放电时，LiMn2O4 发生氧化反应 B．放电时，正极反应为：Li++LiMn2O4+e－=Li2Mn2O4 C．充电时，LiMn2O4 发生氧化反应 D．充电时，阳极反应为：Li++e-=Li 【答案】B 【变式 2】把一小块镁铝合金放入 6 mol/L 的 NaOH 溶液中，可形成微型原电池。则该电池负极上发生的电 极反应为( ) A．Mg－2e－＝Mg2+ B．Al+4OH－－3e－＝AlO2－+2H2O C．4OH－－4e－＝2H2O+O2↑ D．2H2O+2e－＝2OH－+H2↑ 【答案】B 【解析】镁虽比铝活泼，但原电池的正负极不仅与电极金属的活泼性有关，而且与电解质溶液有关，在 NaOH 溶液中 Al 能与碱反应，而镁较难与 NaOH 溶液反应，所以铝作负极。 【变式 3】在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为：Zn+2MnO2+2H2O＝2MnOOH +Zn(OH)2。则下列对该电池的电极反应书写正确的是( ) A．负极反应为 Zn－2e－＝Zn2+ B．负极反应为 Zn+2H2O－2e－＝Zn(OH)2+2H+ C．正极反应为 2MnO2+2H++2e－＝2MnOOH D．正极反应为 2MnO2+2H2O+2e－＝2MnOOH+2OH－ 【答案】D 【解析】由于所给电池的电解质溶液为氢氧化钾溶液，所以该电池为碱性电池。在书写碱性电池的电极反应 式时，方程式中不得出现 H+，因此立即排除 B、C。在碱性电池中，负极的 Zn 失去电子形成的 Zn2+应该与 OH－ 结 合 为 Zn(OH)2 ， 因 此 A 错 误 。【巩固练习】 1．下列说法错误的是（ ） A．依据原电池的原理可设计出化学电源 B．原电池是化学电源的雏形 C．原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的负极材料的活动性 D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源 2．研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池 总反应可表示为：5MnO2＋2Ag＋2NaCl=Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确 的是（ ） 　　A．正极反应式：Ag＋Cl-－e-=AgCl 　　B．每生成 1mol Na2Mn5O10 转移 2mol 电子 　　C．Na+不断向“水”电池的负极移动 　　D．AgCl 是还原产物 3．电子表所用的纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为 KOH 溶液，其电极反应是：Zn+2OH－－2e－＝ Zn(OH)2；Ag2O+H2O+2e－＝2Ag+2OH－。总反应式为：Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2。下列判断正确的是（ ） A．Zn 为正极，Ag2O 为负极 B．Zn 为负极，Ag2O 为正极 C．电池工作时，负极附近溶液的 pH 减小 D．电池工作时，负极附近溶液的 pH 增大 4．（2016 四川高考）某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为： Li1-xCoO2+LixC6=LiCoO2+C6(x