高中化学苏教版选修4学案专题一第二单元第2课时化学电源

第2课时化学电源

一、化学电池

1.定义

将化生能变成电能的装置。

2.分类

3.优点

化学电池的能量转换效率较高,供能稳定可靠。

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。

(2)比功率

即单位质量或单位体积所能输出功率的大小。

⑶电池的可储存时间的长短。

二、一次电池

1.锌镒干电池

⑴碱性锌锦电池的构造

(2)工作原理

负极：Zn+2OH-—2e-=Zn(OH)2；

正极：2MnO2+2H2O+2e==2MnOOH+2OH-：

总反应：Zn+2MliO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2。

(3)特点：比能量和可储存时间比普通锌锦电池均有所提高，适用

于大电流和连续放电。

2.银锌电池

(1)纽扣式银锌电池的构造

(2)工作原理

负极：Zn+2OH-2e=ZnO+H2O；

正极：Ag2O+H2O4-2e-==2Ag+2OH-；

总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ago

(3)特点：此种电池比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电

流连续放电。

3.锂电池

(1)电极材料：

负极：Li；正极：MnO2>CuO>FeSz等。

⑵特点：

比能量高、电压高、工作温度宽，可储存时间长。

三、二次电池

二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，又称充电电池

或蓄电池。

1.铅蓄电池的构造

负极：Pb,正极：PbOi,电解质溶液：H2sCh溶液。

2.工作原理

⑴放电时

负极：Pb(s)+SO汇(aq)—2e~==PbSO4(s)；

正极：PbCh(s)+4H+(aq)+SO汇(aq)+2e==PbSC>4(s)+2H2。(1);

总反应：Pb(s)+Pb(h(s)+2H2sOCaq)==2PbSC)4(s)+2H2。。)。

(2)充电时

铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。

阴极：PbSCh(s)+2e-==Pb(s)+SOf(aq)；

阳极：PbSOKs)+2H2O⑴-2e==PbO2(s)+4H+(aq)+SO汇(aq):

总反应：2PbSO4(s)+2H2CKI)=Pb(s)+PbChG)+2H2sOMaq)。

上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：Pb(s)+PbO2(s)+

放电

2H2so4(aq)充电2PbSO4(s)+2H2O(l)o

3.性能及应用

电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉、生产生活中应用广

泛，缺点是比能量低、笨重、废弃电池污染环境。

四、燃料电池

1.燃料电池的工作原理

(1)连续地将燃料(如氢气、烧、脏、甲醇、氨、煤气等液体或气体)

和氧化剂的化学能直接转换成电能。

(2)电极材料本身不参与氧化还原反应。

(3)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。

2.燃料电池的优点

(1)能量转化率高

燃料电池的能量转化率超过80%,普通燃烧过程能量转化率仅

30%多。

(2)污染小。

3.氢氧燃料电池

(1)碱性电解质

电极反应为：

__

负极：2H2+4OH-4e=4H2O;

正极：O2+2H2O+4e=4OIT；

总反应：2H2+O2=2H2O

(2)酸性电解质

电极反应为：

负极：2H2—4e-=4H+；

正极：O2+4H++4e—=2H2O;

总反应：2H2+O2=2H2O

探究点一燃料电池电极反应式的书写

1.燃料电池的组成

(1)电极：惰性电极。

(2)燃料：包括H2、物如CH。、醇(如C2HsOH)、脱(N2H4)等。

(3)电解质：①酸性电解质溶液，如H2s04溶液；②碱性电解质溶

液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O；④熔融碳酸盐，如K2cCh

2.书写燃料电池反应式的基本步骤

（1）第一步：写出电池总反应式。

燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反

应，则总反应为加和后的反应。

如氢氧燃料电池的总反应为2H2+O2=2H2O；甲烷燃料电池（电

解质溶液为NaOH溶液）的反应：

CH4+2O2=CO2+2H2O①

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O②

①+②式得燃料电池总反应为CH4+202+2NaOH=Na2CO3+

3H2OO

（2）第二步：写出电池的正极反应式。

根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是02,

随着电解质溶液的不同，其电极反应有所不同，一般为以下四种情况:

①酸性电解质溶液环境下电极反应式：02+4H++4e-==2H2O。

②碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2+2H2O+4e=4OHo

③固体电解质（高温下能传导。2-）环境下电极反应式：O2+4e-

=2O2-o

④熔融碳酸盐（如熔融K2co3）环境下电极反应式：O2+2CO2+4e

-=2cor（.

（3）第三步：根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应

式。

电池的总反应和正、负极反应之间有如下关系：电池的总反应式

=电池正极反应式+电池负极反应式（消去电子）。

故根据第一、二步写出的反应：电池的总反应式一电池正极反应

式=电池负极反应式，注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反

应物O2o

3.实例

以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方

法:

(1)酸性条件

燃料电池总反应：CH4+2O2=CO2+2H2O①

燃料电池正极反应：O2+4H++4e-=2H2O②

①一②X2,得燃料电池负极反应：CH4+2H2O-8e==CO2+8H

(2)碱性条件

燃料电池总反应：CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O①

燃料电池正极反应：O2+2H2O+4e-=4OIT②

①一②义2,得燃料电池负极反应：CH4+10OH--8e=COF+

7H2O

(3)固体电解质(高温下能传导。2-)

燃料电池总反应：CH4+2O2==CO2+2H2O①

燃料电池正极反应：O2+4e-=2O2-②

①一②义2,得燃料电池负极反应：CH4+4O2--8e-=CO2+

2H2O

(4)熔融碳酸盐(如熔融K2c环境

电池总反应：CH4+2O2==CO2+2H2O0正极电极反应式：O2+

2CO2+4e-=2COr0电池总反应一正极电极反应式=负极反应式：

-

CH4+4COr-8e=5CO2+2H2Oo

注意事项：①电池的负极通入可燃性气体，失电子，发生氧化反

应。电池的正极通入氧气或空气，得电子，发生还原反应。

②电极材料一般不参加化学反应，只是一个催化转化元件。

③书写电极反应式时，要分清电解质溶液的酸碱性。在碱性电解

质溶液中，电极反应式中不能出现H+；在酸性电解质溶液中，电极反

应式中不能出现OH,

④正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下，相加后的

电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反

应式，如甲烷燃料电池。

⑤电极反应式遵循质量守恒、电荷守恒定律。

1.燃料电池与一般化学电池之间的区别是什么？

提示：燃料电池与一般化学电池的区别：一般化学电池的活性物

质储存在电池内部，受电池容量的限制；燃料电池的电极本身不包含

活性物质，只是一个催化转化元件。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，反应产物不断地被排出，可以

连续不断地提供电能。

2.氢氧燃料电池的能量利用率是100%,产物为水，不污染环境。

正确吗？

提示：氢氧燃料电池中产物为水，不污染环境，但能量利用率达

不到100%。

3.如果用稀硫酸作电解质溶液，氢氧燃料电池在放电后溶液的

pH将发生怎样的变化？

提示：反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，

使溶液变稀，pH增大。

［例1］用两根钳丝作电极插入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02一极附近溶液的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=COr+

7H2O

【思路分析】燃料电池的总反应一般与燃烧反应相同，在燃料

电池中可燃物作负极发生失电子的氧化反应，助燃物(一般是02)作正

极发生得电子的还原反应。

【解析】原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总

反应式知，此燃料电池的电极反应式是：正极：2C>2+4H2O+8e-

==8OH";负极：CH44-10OH-8e==COr+7H2O,由此可见选项

A、B、D都正确。放电时KOH的物质的量减小。

【答案】C

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

化错一氧化铝为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（。2-）在

其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与

电极反应。下列判断正确的是（D）

A.有Ch放电的a极为电池的负极

B.有Hz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-=4OIT

高温

D.该电池的总反应方程式为2H2+O2=2H2O

2

解析：根据该电池的工作原理可知，被氧化的是H2：2H2-4e+2O

—=2H2O,b极为原电池的负极；被还原的是Ch:O2+4e-=2O2-,

高温

a极为原电池的正极；总反应式为2H2+O2===2H2O。

探究点二可充电电池

1.二次电池充电时与电源的连接

二次电池在充电时，正、负电极上发生的反应正好与放电时发生

的反应相反，因而充电时，二次电池的正极应与充电电源的正极相连

接，电池的负极应与充电电源的负极相连接。

2.充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生的反应的逆过程

3.可充电电池复杂电极反应式的书写方法

第一步：先标出放电（原电池）总反应式中变价元素的化合价，确定

电子转移的方向与数目，指出参与负极和正极反应的物质。

如铅蓄电池中：

第二步：写出一个比较容易书写的电极反应式，书写时一定要注

意电极产物是否与电解质溶液共存。如铅蓄电池的负极反应式为Pb+

SOr-2e===PbSO4o

第三步：在电子守恒的基础上，用总反应式减去写出的电极反应

式，即得另一极的反应式。如铅蓄电池的正极反应式可用总反应式一

负极反应式得到，

-

即Pb+PbO2+4H++2SOF-(Pb+SOF-2e)=2PbSO4+

2H2O-PbSO4,

-

整理得：PbO2+4H++SO,+2e=PbSO4+2H2Oo

4.对可充电电池某电极是发生氧化还是还原反应及某元素被氧化

还是被还原的判断

可根据电极反应式进行分析。放电(原电池)的负极及充电(电解池)

的阳极均失去电子，发生了氧化反应，其变价元素被氧化；放电(原电

池)的正极及充电(电解池)的阴极均得到电子，发生了还原反应，其变

价元素被还原。

5.对溶液中离子的移动方向的判断

放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移

向阳极，阳离子移向阴极。

6.可充电电池充电时与电源的连接

可充电电池用完后充电时，原电池的负极与外电源的负极相连，

原电池的正极与外电源的正极相连。

1.如何给可充电电池充放电？

提示：可充电电池充放电时电池的接法：

2.可充电电池充放电过程的区别与联系是什么？

提示：

【例2]银镉(Ni-Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已

知某银镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：

放电

Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2

充电

有关该电池的说法正确的是()

-

A.充电时阳极反应：Ni(OH)2-e+OH=NiOOH+H2O

B.充电过程是化学能转化为电能的过程

C.放电时负极附近溶液的碱性不变

D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动

【思路分析】二次电池放电时为原电池，其充电和放电时的电

极反应相反。

【解析】由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd-

--

2e4-2OH=Cd（OH）2,负极碱性变弱，C项错误；正极反应为

2NiOOH+2e+2H2O=2Ni（OH）2+2OH",放电时，OHT由正极向

负极移动（内电路），D项错误；充电时，电能转化为化学能，B项错误;

-

充电时阳极发生氧化反应，即为Ni（OH）2+OH-e-=NiOOH+

H2O,A项正确。

【答案】A

Li-SO2电池具有输出功率高和低温性能好等特点，其电解质是

放电

LiBr,溶剂是碳酸丙烯酯和乙晴，电池反应为Li2s2O42Li+

充电

2so2。下列说法正确的是（A）

A.充电时是电解池，放电时是原电池

B.放电时，阴极反应为Li—e-=Li+

C.充电时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动

D.充电时，每有0.1mol电子转移，有2.24LSO2生成

解析：充电时是电解池，放电时是原电池，A项正确；放电时，

负极反应为Li—e-==Li+,B项错误；充电时，阳离子向阴极移动，

阴离子向阳极移动，C项错误；没有指明是在标准状况下，D项错误。

1.下列有关化学电池的说法中正确的是（C）

A.化学电池只能将化学能转化为电能

B.燃料电池能将全部化学能转化为电能

C.银锌电池比能量大，电压稳定，储存时间长

D.一次电池包括干电池和蓄电池

解析：蓄电池不但可以将化学能转化为电能（放电），也可以将电能

转化为化学能（充电），燃料电池的能量转化率超过80%,但不可能

100%转化。蓄电池可重复使用，属于二次电池。故正确答案为C。

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。

锌一镒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

(C)

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(1)+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0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g

解析：由电池工作时锌在负极失去电子，故A正确；只要能够理

解正极的反应物是MnCh,同时能够应用电子转移数目、电荷守恒与

元素守恒即可正确地书写电极反应式，而本题只要对其进行正误判断，

因此只要从上述三个方面进行验证即可，B选项正确；C中外电路的

电子应该由负极流出，流入正极，故C错误；D中只要根据简单的计

算，即理解每反应1molZn,失去2moi电子，因此D正确。

3.纽扣电池可用于计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其

电极分别为Zn和AgzO,以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应

为Zn+Ag2O+H2O=2Ag+Zn(OH)2。关于该电池的叙述不正确的是

(B)

A.使用时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极

B.使用时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极

C.正极的电极反应为Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OlT

D.Zn极发生氧化反应，AgzO极发生还原反应

解析：由总方程式可以看出，负极为Zn,正极为Ag2O,使用时

电子由负极流向正极，A项正确；B项错误，负极发生氧化反应，正

极发生还原反应，C项正确，D项也正确。

4.有人设计出利用CH4和Ch的反应，用铀电极在KOH溶液中

构成原电池。该电池的总反应类似于CH4在02中燃烧的反应，则下列

说法正确的是(A)

①每消耗1moiCH4可以向外电路提供8mole-

②负极上CEU失去电子，电极反应式为CH4+10OH-8e-

==COr+7H2O

-

③负极上Ch获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH

④电池放电过程中，溶液的pH不断升高

A.①②B.①③C.①④D.③④

解析：该电池反应的实质是甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，

生成的二氧化碳与氢氧根离子反应生成碳酸根离子。甲烷中碳元素为

一4价，碳酸根离子中碳元素为+4价，则每消耗ImoICHk可以向外

电路提供8mole",①正确。燃料甲烷在负极上失去电子，结合氢氧

根离子生成碳酸根离子，②正确。氧气在正极上得到电子，结合水生

成氢氧根离子，③错误。由电池的总反应式CH4+2O2+2OH-=COr

+3H2O可知，放电过程中消耗了氢氧根离子，因此溶液的pH不断降

低，④错误。综上所述，A选项正确。

5.科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高。

一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气，其中电池的电解质是掺

杂了丫2。3（丫为钮）的ZrOz（Zr为错）晶体，它在高温下能传导。2-。若

以丁烷（C4H10）代表汽油，总反应为2c4HIO+1302=8C02+10H20。

下列有关该电池的说法中错误的是（C）

该电池负极的电极反应式为2-

A.C4HIO+130-26e=4CO2+

5H2O

B.-向负极移动

C.该电池正极的电极反应式为02+46一+2H2O=4OIT

D.丁烷在放电时发生氧化反应

解析：丁烷失电子发生氧化反应，电极反应式为C4Hio-26e-+

2-

13O==4CO24-5H2O,故A正确；原电池中，阴离子向负极移动，

即-向负极移动，故B正确；正极上通入空气，氧气得电子发生还

原反应，由电解质的性质知，02得电子被还原为。2-，故电极反应式

为O2+4e--2O2,故C错误；丁烷在负极放电时发生氧化反应，故

D正确。

6.我国科学工作者研制出以铝合金、Pt—Fe合金网为电极材料的

海水电池。在这种电池中（A）

①铝合金作阳极②铝合金作负极③海水作电解质溶液④铝

合金电极发生还原反应

A.②③B.②④

C.①③D.①④

解析：由原电池的工作原理可知，铝合金作负极，负极发生氧化

反应，Pt-Fe合金网作正极，电解质溶液是海水，故①④错误，②③

正确。

7.一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型电池，可连续

放电

使用一个月，