高中化学选修4之知识讲解-化学电源-基础

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。

【化学电源#化学电池的分类】

2、分类

L（锌.电池）

一次电池］（锌银电池）

L（锂电池）

缉电遭卜"一［二次电池卜」一（铅蓄电池）

T燃料电池）——■（氢氧燃料电池］

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。

【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2++-+

Zn-2e-=Zn2MnO2+2NH4+2e2MnO2+2NH4+Zn=

次2+

（Zn、MnO2>NH4CI、C）=2NH3+MI12O3+H2C)2NH3+Mn2O3+H2O+Zn

电碱性锌镒电池—

Zn+2OH2e2MnO2+2H2O+2e-Zn+2MnO2+2H2O=

池

（Zn、KOH、MnO2）=Zn(OH)2=2MnOOH+2OH-2MnOOH+Zn(OH)2

锌银电池Zn+2OH—2eAg2O+H2O+2eZn+AgzO+HzO=

（、、）

ZnKOHAg2O=Zn(OH)2=2Ag+2OH"Zn(OH)2+2Ag

铅蓄电池2-+2

Pb+SO4-2e-PbO2+4H+SO4-+2ePb+PbCh+2H2sO4

次（Pb、H2so4、PbO）=PbSO"=PbSO+2HO放由

24422PbSO+2HO

电充电4~2

池氢银电池

H2+2OH—2e-2NiO(OH)+2H2O+2e放由

2NiO(OH)+H20

充电

[H2>OH，NiO(OH)]=2H2O=2Ni(OH)2+2OH-

2Ni(OH)2

燃氢氧燃料电池+

2H2—4屋=4H+O2+4H+4e-2H2+。2=2a0

料

32、H+、O2）=2H2O

电氢氧燃料电池

2H2—4屋=4H+O2+2H2O+4e2H2+O2=2H2O

池

(H2、Na2SO4>O2)=4OIT

-

氢氧燃料电池2H2+4OH--4eC)2+2H2C)+4e2H2+。2=2比0

（H2、OH—、O2）=4H2O=4O>T

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放电后可以再充电使发生氧化一种连续地将燃料和氧化剂的化学能

物质消耗到一定程度，还原反应的物质获得再生直接转换成电能的化学电池

就不能再使用

特点电解质溶液制成胶状，可以多次重复使用工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供

不流动给，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

举例普通的锌锦电池、碱性铅蓄电池、氢保电池、镉锲电池氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH30H

锌锦电池燃料电池

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

2--

子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb+SO4-2e=PbSO4o

b.正极：阳离子得到电子生成单质或。2得到电子，若反应物是则有以下规律：

-

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+02=2^0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2molH2失掉4mol电子，初步确定负极反应为:

+

2H2-4e-=4Ho

②根据电解质溶液为碱性，与H+不能共存，反应生成水，推出OIF应写入负极反应式为：2H2+4OFF—4屋

=4H2OO

③用总反应式2H2+O2=2H2。减去负极反应式得正极反应式为：2H2。+。2+4屋=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

=4OH0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。该装置用硝化铀半导体材料制

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ZrCh晶体，它在高温下能传导

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Z/+的增加和H+的迁出。

【典型例题】

类型一：常见的化学电源

例1下列说法中正确的是（）

A.碱性锌锦电池是二次电池

B.铅蓄电池是一次电池

C.二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D.燃料电池的活性物质储存在电池内

【答案】C

【解析】碱性锌锌电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池，燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外

界不断输入电池。

例2普通锌锦干电池在放电时电池总反应方程式可以表示为:Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2Oo

此电池放电时，正极（碳棒）上发生反应的物质是（）

A.MnCh和NH4+B.Zr?+和NH4+C.ZnD.碳棒

【答案】A

【解析】在电池的正极上发生的是得广的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。由普通锌锦干电

池的总反应式可知，MnCh与NH4+发生的反应为正极反应。

举一反三：

【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅睇合金上均匀涂上膏状的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中错误的是（）

A.需要定期补充硫酸

B.工作时Pb是负极，PbCh是正极

C.工作时负极上发生的反应是Pb-2e-+SO42-=PbSO4

D.工作时电解质溶液的密度减小

【答案】A

【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以

Pb是负极，PbCh是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+,而Pb?+又与溶液中的SCV一生成

PbSCU沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2sCU不用补充；放电时，H2SO4被消耗，

溶液中H2sCU的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

该电

例3锂离子电池的总反应为：LixC+Lii-xCoCh、t+LiCoO?：

充电

谕电

锂硫电池的总反应为：2Li+S金工U2S。有关上述两种电池说法正确的是（）

充电

A.锂离子电池放电时，Li+向负极迁移

B.锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应

C.理论上两种电池的比能量相同

C

D.图中表示用锂离子电池给锂硫电池充电

【思路点拨】电池充电的实质是把放电时发生的变化再复原的过程，即放电是原电池、充电是电解的过程,

解决该类题目时，先分清原电池放电时的正、负极，再根据电池充电时阳极接正极、阴极接负极的原理进行分析。

【答案】B

【解析】A、原电池中阳离子向正极移动，则锂离子电池放电时，Li+向正极迁移，故A错误；

B、锂硫电池充电时，锂电极与外接电源的负极相连，锂电极上Li+得电子发生还原反应，故B正确；

C、比能量是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，锂硫电池放电时负极为Li,锂离子电池

放电时负极为LixC,两种电池的负极材料不同，所以比能量不同，故C错误；

D、用锂离子电池给锂硫电池充电时，Li为阴极，应与负极C相连，S为阳极应与正极LiCoCh相连，故D

错误；

故选B。

【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：负极一正极，电流方向：正极一负极；

（2）电池内部离子移动方向：阴离子一负极，阳离子一正极；

（3）盐桥中（含饱和KC1溶液）离子移动方向：K+一正极，C「一负极。

类型二：电极方程式的书写

例4（2016浙江模拟）Mg-HzCh电池是一种化学电源，以Mg和石墨为电极，海水为电解质溶液，示意图

如下，下列说法不正确的是（

A.石墨电极是该电池的正极

B.石墨电极上发生还原反应

C.Mg电极的电极反应式：Mg-2e=Mg2+

D.电池工作时，电子从Mg电极经导线流向石墨电极，再出石墨电极经电解质溶液流向Mg电极

【思路点拨】该装置中Mg易失电子作负极，电极反应式为Mg-2e=Mg2+,石墨电极是该电池的正极，H2O2

具有氧化性，应在原电池的正极被还原，电极反应式为H2O2+2H++2e-=2H2O,据此分析解答。

【答案】B

【解析】A项Mg易失电