第25讲化学电源（学生版）高二化学讲义（人教2019选择性必修1）

第25讲第25讲化学电源知识导航知识导航知识精讲知识精讲一、化学电源的分类与优劣判断1.分类：化学电源可以分为一次电池、二次电池和燃料电池等。2.优劣判断（1）比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)/kg或(W·h)/L。（2）比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W/kg或W/L。（3）电池可储存时间的长短。二、一次电池（干电池）一次电池，也叫做干电池，放电后不可再充电。常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。1.普通锌锰干电池常见的锌锰干电池的构造如图所示。其中，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液，锌筒作负极。这种电池放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行），属于一次电池。总反应Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++2MnO(OH)+2NH负极Zn﹣2e=Zn2+正极2MnO2+2NH4++2e=2MnO(OH)+2NH2.碱性锌锰干电池用KOH电解质溶液代替NH4Cl做电解质时，电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高。总反应Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2负极Zn+2OH﹣2eZn(OH)2正极2MnO2+2H2O+2e2MnO(OH)+2OH3.纽扣式锌银电池锌银扣式电池，以锌为负极,银的氧化物为正极,氢氧化钾（或钠）溶液为电解液的纽扣状微型原电池总反应Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag负极Zn+2OH2e=Zn(OH)2正极Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH三、二次电池有些电池放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使活性物质获得再生，从而实现放电（化学能转化为电能）与充电（电能转化为化学能）的循环。这种充电电池属于二次电池，也叫充电电池或蓄电池。常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅蓄电池。1.铅蓄电池工作原理Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O放电总反应Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O负极正极充电总反应2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+4H++2SO阴极PbSO4＋2e－Pb＋SO阳极PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SO2.锂离子电池锂离子电池正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4，也称磷酸亚铁锂）或钻酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌（即可逆嵌脱）结构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。电解质溶液是锂离子的载体，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子导电通道。在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。以钻酸锂石墨锂电池为例：工作原理Li1xCoO2+LixC6LiCoO2+6C放电总反应Li1xCoO2+LixC6LiCoO2+6C负极正极充电总反应LiCoO2+6CLi1xCoO2+LixC6阴极阳极三、燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有清洁、安全、高效等特点。燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。1．氢氧燃料电池电解质H2SO4溶液KOH溶液总反应2H2+O2=2H2O负极反应式正极反应式2．甲烷燃料电池甲烷电池电解质溶液为H2SO4电解质溶液为KOH负极反应式正极反应式总反应式对点训练对点训练题型一：一次电池的工作原理【例1】日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为：Zn2e=Zn2＋，2MnO2＋2NH＋2e=Mn2O3＋2NH3＋H2O。下列有关锌锰干电池的叙述中，正确的是A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极B．干电池可实现电能向化学能的转化C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒【变12】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．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极C．电池负极上发生氧化反应D．外电路中每通过0.4mol电子，锌的质量理论上减小13.0g题型二：二次电池的工作原理【变21】某种钠离子的二次电池，其放电工作原理如图所示。下列说法正确的是A．放电时，石墨上的电势比MnPO4上的高B．充电时，石墨接直流电源的正极C．充电时，Na+由右侧经过离子交换膜迁移到左侧D．放电时，正极反应为NaMnPO4+e=MnPO4+Na+题型三：锂离子电池的工作原理【例3】锂电池是新一代高能电池，目前已研发出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li+MnO2=LiMnO2，下列说法中正确的是A．Li是正极，MnO2是负极B．放电时负极的反应：Lie=Li+C．放电时正极发生氧化反应D．电池放电时，能量转化率可达到100%【变4】磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池，电池总反应为M1xFexPO4+LiC6LiM1xFexPO4+6C，其原理如图所示，下列说法正确的是A．放电时，石墨电极的电势更高B．充电时，Li+移向磷酸铁锂电极C．充电时，磷酸铁锂电极应与电源正极相连D．放电时，正极反应式为M1xFexPO4+e+Li+=LiFexPO4+(1x)M题型四：燃料电池的工作原理【变51】燃料电池装置如图所示，下列说法错误的是A．电池工作时，得到电子，发生还原反应B．电极b上的电极反应式为C．燃料电池能量之间的转化是由电能转化为化学能D．电池工作时，溶液中的向电极a迁移题型五：化学电源的工作原理【例6】下列四个常用电化学装置的叙述错误的是

A．图I所示电池中，电子从锌片流出B．图II所示干电池中石墨作负极C．图III所示电池为二次电池D．图IV所示电池中正极反应为：【例8】回答下列问题：（1）已知可逆反应AsO+2I—+2H+=AsO+I2+H2O，某化学兴趣小组利用反应探究原电池原理并应用原电池原理制作多种电池：电池工作时，盐桥中的阴离子向_______极移动(填C1或C2)；若向B池里滴加NaOH溶液，平衡向_______方向移动，此时C2极的电极反应式为_______。（2）乙同学结合课本氢氧燃料电池知识将CH4设计成燃料电池，装置如图所示(a、b为多孔碳棒)其中_______(填A或B)处电极入口通甲烷。当消耗标况下甲烷33.6L时，假设能量转化率为90%，则导线中转移电子的物质的量_______mol。若将该燃料电池内部KOH溶液改为熔融的掺杂着氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在其内部可以传导O2，电池的负极电极反应式：_______。（3）丙同学查资料发现生物电池具有工作时不发热、不损坏电极等优点，不但可以节约大量金属，而且寿命比化学电源长得多，因此越来越受到人们的青睐。某生物电池用葡萄糖(C6H12O6)作原料，在酶的作用下被氧化为葡萄糖酸(C6H12O7)，其工作原理如下图所示。a的电极反应式为_______。当有2molH+通过质子交换膜时，理论上电极a消耗葡萄糖的质量为_______g；该电池_______(填“能”或“不能”)在高温条件下使用。提分特训提分特训【题1】碱性锌锰干电池的总反应为：。下列关于该电池的说法中正确的是A．Zn为负极，为正极 B．工作时电子由经由外电路流向ZnC．工作时OH移向正极 D．电池放电过程中，溶液的酸碱性一定不变【题2】化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是A．甲：Zn2+向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液的pH增大B．乙：负极的电极反应式为Zn2e=Zn2+C．丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄D．丁：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降【题4】三元电池是电动汽车的新能源，其正极材料可表示为LiNixCoyMnzO2。充电时电池总反应为LiNixCoyMnzO2+6C(石墨)=Li1aNixCoyMnzO2+LiaC6，其电池工作原理如图所示，两极之间有一个允许特定的离子X通过的隔膜。下列说法正确的是A．允许离子X通过的隔膜属于阴离子交换膜B．放电时，电流由A经负载回到BC．充电时，B为阴极，发生还原反应D．放电时，负极反应式为：LiaC6ae=6C(石墨)+aLi+【题5】风力发电输出功率的波动性导致其直接并网会对电网带来不良影响，需要连接储能电池装置，通过储能电池对电能的存储、汇集，再集中供电来提高并网性能，下图是水系铝离子储能电池工作机理，下列有关其说法不正确的是A．单位质量的铝放出的电量高，并且价格低廉，储量丰富B．铝储能电池是二次电池C．放电时，从正极材料的空隙中脱出进入电解液，再以单质铝的形式沉积负极材料表面D．该电池中金属铝电极易形成致密的氧化铝钝化膜，阻断铝离子的传输从而降低电池效能【题6】铅蓄电池、镍镉碱性充电电池都是重要的二次电池。已知：①铅蓄电池总的化学方程式为：，使用(放电)段时间后，其内阻明显增大，电压却几乎不变，此时只有充电才能继续使用；②镍镉碱性充电电池放电时，正极反应为：，负极反应式：，使用(放电)到后期，当电压明显下降时，其内阻却几乎不变，此时充电后也能继续使用；回答下列问题：(1)铅蓄电池负极板上覆盖的物质是_______(填名称)，充电时，PbSO4在_______(填“阳极”、“阴极”或“两个电极”)上_______(填“生成或除去”)。(2)镍镉碱性充电电池在充电时的总反应的化学方程式为_______。(3)铅蓄电池和镍镉碱性充电电池使用一段时间后，一个内阻明显增大，而另一个内阻却几乎不变的主要原因可能是_______。【题8】酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是碳棒，其周围是碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等组成的糊状填充物，该电池在放电过程产生MnOOH，回收处理该废电池可得到多种化工原料，有关数据表所示：溶解度/(g/100g水)温度/℃化合物020406080100NH4Cl29.337.245.855.365.677.3ZnCl2343395452488541614回答下列问题：(1)该电池的正极反应式为___________。(2)维持电流强度为0.5A，电池工作五分钟，理论上消耗Zn___________g．(已知Q=It，F=96500C/mol)(3)废电池糊状填充物加水处理后，过滤，滤液中主要有ZnCl2和NH4Cl，二者可通过___________分离回收。(4)滤渣的主要成分是MnO2、___________和___________，欲从中得到较纯的MnO2，最简便的方法是___________，其原理是___________。提分作业提分作业【练1】下列电池不属于化学电池的是A．碱性干电池 B．铅蓄电池 C．燃料电池 D．太阳能电池【练2】新冠肺炎最明显的症状就是出现发热，体温枪能快速检测人体体温。该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如下图所示)，该电池的总反应式为：。下列关于该电池的说法正确的是A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应B．该电池放电时溶液中的K+向Zn电极移动C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板流向Zn电极D．该电池的负极反应为：【练3】甲醇燃料电池在碱性条件下的电池反应为2CH3OH＋3O2＋4OH=2CO＋6H2O。则下列有关说法不正确的是A．O2在正极参与反应B．该电池使用一段时间后溶液pH变小C．负极反应为：CH3OH6e＋8OH=CO＋6H2OD．每转移0.6mol电子，则消耗氧气的体积为3.36L【练4】一种应用比较广泛的甲醇燃料电池，电解液是酸性溶液，其工作原理如图所示，下列说法正确的是A．若有生成，则有从甲池通过交换膜进入乙池B．N极电极反应为C．甲