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第一节　原电池
第四章　化学反应与电能
基础课时 　化学电源
24
1.了解常见化学电源的工作原理。2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
学习目标
化学电源
目
录
CONTENTS
课后巩固训练
化学电源
对点训练
(一)知识梳理
1.化学电源
(1)分类：原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：一次电池、二次电池和燃料电池。
(2)优点：具有能量转化率高，供能稳定可靠，使用方便，易于维护等优点。
(3)判断电池优劣的主要标准：主要看单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率)，以及电池可储存时间的长短。
2.一次电池(以碱性锌锰电池为例)
碱性锌锰干电池
示意图
碱性锌锰干电池
构造 负极反应物：锌粉
正极反应物：二氧化锰
电解质溶液：氢氧化钾
工作原理 负极：____________________________________________
正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
3.二次电池(以铅酸蓄电池为例)
(1)构造
(2)组成：负极是Pb，正极是__________，电解质溶液是稀硫酸。
(3)工作原理
铅酸蓄电池放电时的电极反应如下：
负极反应式：________________________________________；
PbO2
4.燃料电池
(1)工作原理
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。燃料电池工作时，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，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。
(2)实例(以酸性氢氧燃料电池为例)
①构造
②工作原理
(二)问题探究
问题1　对比普通酸性锌锰电池和碱性锌锰电池，分析酸性锌锰电池的缺点和碱性锌锰电池的优点。
提示　酸性锌锰电池的缺点：放置过久，锌筒会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效。碱性锌锰电池的优点：单位质量输出的电能多且储存时间长，能提供较大电流并连续放电。
问题2　写出铅酸蓄电池放电时的负极反应式，分析负极质量的变化及电解质溶液pH的变化。
问题3　某种锂离子电池的结构如图：
其负极反应式和总反应分别为LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 、LixCy＋Li1－xCoO2 ===LiCoO2＋Cy。
写出其正极的电极反应式。
提示　Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
问题4　已知某燃料电池(用氢氧化钾作电解质)的总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，请写出该电池负极和正极的电极反应式。随着电池不断放电，电解质溶液的碱性将如何变化？
【探究归纳】
1.化学电源电极反应式书写的一般步骤
2.化学电源电极反应式的书写具体操作方法
(1)根据装置书写电极反应式
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。
①负极：活泼金属或燃料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。
②正极：阳离子得到电子生成单质或氧化剂得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：
电解质溶液呈碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
电解质溶液呈酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
③总反应式：正、负电极反应式在得失电子相等的前提下相加得到电池反应的总方程式。
(2)给出总反应式，写电极反应式
如果给定的是总反应式，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)，先写出反应相对较简单的一极的电极反应式，另一极的电极反应式可用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。
3.燃料电池电极反应式的书写
(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。
(2)正极反应式的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应式的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
1.银锌纽扣电池放电时反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时，电子从Ag2O极经过电解质溶液流到Zn极
B.该电池的电解质溶液呈碱性
C.Zn是电池的负极，发生氧化反应
D.正极的电极反应式：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
A
解析　锌是负极、Ag2O是正极，电池工作时，电子从Zn极经过外电路流到Ag2O极，电解质溶液没有电子通过，A错误；该电池反应产物存在Zn(OH)2，电解质溶液呈碱性，B正确；根据Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，Zn化合价升高，失去电子发生氧化反应，锌作为电池的负极，C正确；正极Ag2O得到电子发生还原反应生成银单质，电极反应式：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，D正确。
2.铅酸蓄电池广泛应用于机动车辆，其构造如下图所示，已知PbSO4难溶于水，电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列说法不正确的是(　　)
B
3.(2023·福建部分学校联考)水系锌离子电池具有能量密度高、功率密度高、放电过程高效安全等优点，我国科学家用V2O5和锌片作电极，用Zn(CF3SO3)2溶液作电解质溶液，制备了水系Zn—V2O5二次电池，下列说法错误的是(　　)
A.放电时，锌片发生氧化反应
B.放电时，V2O5作正极
C.放电时，Zn2＋移向锌片
D.放电时，电池总反应为xZn＋V2O5＋nH2O
===ZnxV2O5·nH2O
C
解析　由图可知，放电时，锌片为二次电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，五氧化二钒为正极，锌离子作用下，五氧化二钒在正极得到电子发生还原反应V2O5＋2xe－＋xZn2＋＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O，则电池总反应为xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O。放电时，锌片为二次电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，A正确；放电时，五氧化二钒为二次电池的正极，B正确；放电时，锌片为二次电池的负极，五氧化二钒为正极，则阳离子锌离子移向五氧化二钒，C错误。
4.(2024·广州执信中学高二月考)肼(N2H4)碱性燃料电池的原理示意图如图所示，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是(　　)
A.电极b发生还原反应
B.电子由电极b流出经用电器流
入电极a
C.物质Y是NaOH溶液
D.电极a的电极反应式为N2H4＋
4OH－－4e－===N2↑＋4H2O
B
解析　该燃料电池中，通入燃料肼的电极为负极、通入氧气的电极为正极，电解质溶液呈碱性，则负极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电流从正极沿导线流向负极。b电极为正极，发生还原反应，A正确；a为负极、b为正极，电子从负极a经用电器流入正极b，B错误；b电极上生成氢氧根离子，钠离子通过阳离子交换膜进入右侧，所以Y为NaOH溶液，C正确；a电极上肼失电子发生氧化反应，电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，D正确。
5.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。
(1)酸性条件燃料电池
总反应式：__________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________。
(2)固体电解质(高温下能传导O2－)燃料电池
总反应式：________________________________________________；
正极反应式：_____________________________________________；
负极反应式：____________________________________________。
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－
CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(3)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式：
__________________________________________________________；
正极反应式：_______________________________________________；
负极反应式：_______________________________________________。
CH4＋2O2===CO2＋2H2O
课后巩固训练
A.该电池为二次电池
B.该电池理论上每消耗1 mol Zn时，电池中消枆2 mol KOH
C.该电池正极的电极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===
2MnO(OH)＋2OH－
D.该电池的负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋
C
2.纽扣电池的两极材料分别是锌和氧化银，离子导体是KOH溶液。放电时两个电极的电极反应分别为
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
下列说法中，正确的是(　　)
A.锌是正极反应物，氧化银是负极反应物
B.锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应
C.溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动
D.在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变
D
解析　锌被氧化而作电池负极，氧化银被还原而作电池正极，A、B错误；电池中，电解质溶液中的阴离子移向负极，阳离子移向正极，C错误。
3.以海水为电解质溶液的水激活电池结构如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.正极反应式是AgCl＋e－===Ag＋Cl－
B.海水中的Cl－向镁电极移动
C.镁电极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
D.电池总反应是2Ag＋＋Mg===2Ag＋Mg2＋
D
解析　上述为原电池，镁作负极，发生失电子的氧化反应，氯化银在正极得电子发生还原反应生成银单质。正极反应式是AgCl＋e－===Ag＋Cl－，A正确；海水中的Cl－向负极(镁电极)移动，B正确；镁为活泼金属，与水接触可能会发生副反应：Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，C正确；溶液中没有游离的银离子，该电池总反应为Mg＋2AgCl===2Ag＋MgCl2，D错误。
(二)二次电池
4.判断正误(正确划“√”，错误划“×”)。
(1)手机上用的锂离子电池属于二次电池。(　　)
(2)可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。(　　)
(3)蓄电池充电时，标志着“－”的电极应与电源的负极相连。(　　)
(4)铅酸蓄电池在放电过程中，负极质量减小，正极质量增加。(　　)
(5)充电电池可以无限制地反复充电、放电。(　　)
(6)铅酸蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g。(　　)
√
×
√
×
×
√
下列有关爱迪生电池的推断不正确的是(　　)
A.放电时，Fe是负极，NiO2是正极
B.蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中
C.充电时，负极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－
D.放电时，电解质溶液中的阴离子向负极方向移动
B
解析　放电时，Fe是负极，发生氧化反应，NiO2是正极，发生还原反应，A正确；放电时Fe作负极，Fe与酸反应不能生成Fe(OH)2，故不能选用酸性电解质溶液，B错误；充电时负极的电极反应与放电时负极的电极反应互为逆过程，所以充电时负极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，C正确；蓄电池放电时为原电池，原电池的电解质溶液中阴离子向负极移动，D正确。
6.如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是(　　)
A.放电时，M电极反应为Ni－2e－===Ni2＋
B.放电时，Li＋由M电极向N电极移动
C.充电时，M电极的质量减小
D.充电时，N电极反应为Li3Bi＋3e－===3Li＋＋Bi
B
解析　由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为3Li＋＋3e－＋Bi===Li3Bi。放电时，M电极反应为Li－e－===Li＋，A错误；放电时，M极为负极，N极为正极，故Li＋由M电极向N电极移动，B正确；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，故充电时M电极的电极反应为Li＋＋e－===Li，故电极质量增大，C错误；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，充电时，N电极反应为Li3Bi－3e－===3Li＋＋Bi，D错误。
C
8.(2024·扬州中学高二期中)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，下列说法正确的是(　　)
A.该电池在高温下进行效率更高
B.电子的移动方向由b经外电路到a
C.若该电池中有0.2 mol O2参加反应，
则有0.8 mol H＋向b迁移
D.b电极发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
C
B级　素养培优练
9.某氨气燃料电池，如图所示，下列说法错误的是(　　)
A.正极的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O
B.电子流向：电极1→负载→电极2
C.Na＋由左向右移动
D.NH3在电极1上发生氧化反应
A
解析　A.通入氧气的一极为正极，电解质溶液为碱性，所以氧气得电子生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故A错误；B.原电池中电子由负极经导线流向正极，根据分析可知电极1为负极，电极2为正极，所以电子的流向为电极1→负载→电极2，故B正确；C.原电池中阳离子流向正极，所以钠离子自左向右移动，故C正确；D.据图可知NH3在电极1上转化为N2和H2O，失电子发生氧化反应，故D正确。
10.(2024·北京丰台高二期中)如图是一种应用广泛的锂电池，LiPF6是电解质，SO(CH3)2是溶剂，反应原理是4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法不正确的是(　　)
A.该装置将化学能转化为电能
B.电子移动方向是由a极流向b极
C.不可以用水代替SO(CH3)2作溶剂
D.b极反应式是FeS2＋4Li＋－4e－===Fe＋2Li2S
D
解析　该装置是原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确；根据反应方程式，锂发生氧化反应，a为负极、b为正极，外电路中电子移动方向为由负极流向正极，即由a极流向b极，故B正确；Li能与水反应，所以不能用水代替SO(CH3)2作溶剂，C正确；b极上FeS2得电子发生还原反应，电极反应式为FeS2＋4Li＋＋4e－===Fe＋2Li2S，D错误。
11.一种由石墨电极，海底沉积物为燃料的海底燃料电池的装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
C
负极
(3)放电时，析出的ZnO会覆盖在锌电极板表面，影响电池使用效果。用浓KOH溶液可以抑制ZnO的生成，并促进锌电极板的溶解，请结合化学用语，从速率和平衡的角度说明原因：_______________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
(4)将锌电极板制成蜂窝孔状，如图a所示，能增大锌电极板的表面积，但蜂窝孔的孔径过小，影响OH－进出蜂窝孔的速率，导致孔径内外OH－浓度出现差异，多次充放电后会影响锌电极板的形状。图b是使用一段时间后的锌极板变形情况。
下列说法正确的是________(填字母序号)。
a.充电时，OH－向锌极板方向迁移
b.孔内沉积ZnO，导电能力减弱，影响电池使用效果
c.导致该腐蚀变形的主要原因是孔外OH－浓度高于孔内OH－浓度
d.为延长电池使用寿命，提高电池放电效果，应选用孔径恰当的锌极板
bc
解析　(4)放电时OH－移向锌极板，则充电时OH－不向锌极板方向迁移，a错误；孔内沉积ZnO，导致蜂窝孔的孔径过小，影响OH－进出蜂窝孔的速率，导电能力减弱，影响电池使用效果，b正确；由图a可知，导致该腐蚀变形的主要原因是孔外OH－浓度高于孔内OH－浓度，c正确；由题干信息可知，锌板中蜂窝孔的孔径是在使用过程中发生改变，该改变是由于孔内外的OH－浓度改变，故为延长电池使用寿命，提高电池放电效果，应选用合适的OH－浓度，d错误。基础课时24　化学电源
学习目标　1.了解常见化学电源的工作原理。2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
化学电源
(一)知识梳理
1.化学电源
(1)分类：原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：一次电池、二次电池和燃料电池。
(2)优点：具有能量转化率高，供能稳定可靠，使用方便，易于维护等优点。
(3)判断电池优劣的主要标准：主要看单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率)，以及电池可储存时间的长短。
2.一次电池(以碱性锌锰电池为例)
碱性锌锰干电池
示意图
构造 负极反应物：锌粉 正极反应物：二氧化锰 电解质溶液：氢氧化钾
工作原理 负极：____________________________________ 正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
3.二次电池(以铅酸蓄电池为例)
(1)构造
(2)组成：负极是Pb，正极是________，电解质溶液是稀硫酸。
(3)工作原理
铅酸蓄电池放电时的电极反应如下：
负极反应式：________________________________________________；
正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ；
总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
4.燃料电池
(1)工作原理
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。燃料电池工作时，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，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。
(2)实例(以酸性氢氧燃料电池为例)
①构造
②工作原理
酸性电解质(H2SO4)
负极反应 H2－2e－===2H＋
正极反应
总反应 H2＋O2===H2O
(二)问题探究
问题1　对比普通酸性锌锰电池和碱性锌锰电池，分析酸性锌锰电池的缺点和碱性锌锰电池的优点。
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
问题2　写出铅酸蓄电池放电时的负极反应式，分析负极质量的变化及电解质溶液pH的变化。
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
问题3　某种锂离子电池的结构如图：
其负极反应式和总反应分别为LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 、LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。
写出其正极的电极反应式。
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
问题4　已知某燃料电池(用氢氧化钾作电解质)的总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，请写出该电池负极和正极的电极反应式。随着电池不断放电，电解质溶液的碱性将如何变化？
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
【探究归纳】
1.化学电源电极反应式书写的一般步骤
2.化学电源电极反应式的书写具体操作方法
(1)根据装置书写电极反应式
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。
①负极：活泼金属或燃料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。
②正极：阳离子得到电子生成单质或氧化剂得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：
电解质溶液呈碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
电解质溶液呈酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
③总反应式：正、负电极反应式在得失电子相等的前提下相加得到电池反应的总方程式。
(2)给出总反应式，写电极反应式
如果给定的是总反应式，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)，先写出反应相对较简单的一极的电极反应式，另一极的电极反应式可用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。
3.燃料电池电极反应式的书写
(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。
(2)正极反应式的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应式的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(3)负极反应式的书写
若负极通入的气体为含碳化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价的碳，在酸性溶液中生成二氧化碳气体，在碱性溶液中生成碳酸根离子，在熔融碳酸盐中生成二氧化碳，含有氢元素的化合物的电极反应最终都有水生成。
1.银锌纽扣电池放电时反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时，电子从Ag2O极经过电解质溶液流到Zn极
B.该电池的电解质溶液呈碱性
C.Zn是电池的负极，发生氧化反应
D.正极的电极反应式：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
2.铅酸蓄电池广泛应用于机动车辆，其构造如下图所示，已知PbSO4难溶于水，电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列说法不正确的是(　　)
A.电池工作时，Pb为负极，发生氧化反应
B.电池工作时，电解质溶液pH保持不变
C.硫酸根离子在负极和正极都参与了反应
D.正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O
3.(2023·福建部分学校联考)水系锌离子电池具有能量密度高、功率密度高、放电过程高效安全等优点，我国科学家用V2O5和锌片作电极，用Zn(CF3SO3)2溶液作电解质溶液，制备了水系Zn—V2O5二次电池，下列说法错误的是(　　)
A.放电时，锌片发生氧化反应
B.放电时，V2O5作正极
C.放电时，Zn2＋移向锌片
D.放电时，电池总反应为xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O
4.(2024·广州执信中学高二月考)肼(N2H4)碱性燃料电池的原理示意图如图所示，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是(　　)
A.电极b发生还原反应
B.电子由电极b流出经用电器流入电极a
C.物质Y是NaOH溶液
D.电极a的电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O
5.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。
(1)酸性条件燃料电池
总反应式：_________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________；
负极反应式：_______________________________________________。
(2)固体电解质(高温下能传导O2－)燃料电池
总反应式：____________________________________________________；
正极反应式：____________________________________________________；
负极反应式：___________________________________________________。
(3)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式：________________________________________________________________；
正极反应式：_______________________________________________；
负极反应式：________________________________________________。
：课后完成　第四章　基础课时24基础课时24　化学电源
学习目标　1.了解常见化学电源的工作原理。2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
化学电源
(一)知识梳理
1.化学电源
(1)分类：原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：一次电池、二次电池和燃料电池。
(2)优点：具有能量转化率高，供能稳定可靠，使用方便，易于维护等优点。
(3)判断电池优劣的主要标准：主要看单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或者输出功率的大小(比功率)，以及电池可储存时间的长短。
2.一次电池(以碱性锌锰电池为例)
碱性锌锰干电池
示意图
构造 负极反应物：锌粉 正极反应物：二氧化锰 电解质溶液：氢氧化钾
工作原理 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极：MnO2＋H2O＋e－===MnO(OH)＋OH－ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
3.二次电池(以铅酸蓄电池为例)
(1)构造
(2)组成：负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是稀硫酸。
(3)工作原理
铅酸蓄电池放电时的电极反应如下：
负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4__；
正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O ；
总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
4.燃料电池
(1)工作原理
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。燃料电池工作时，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，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。
(2)实例(以酸性氢氧燃料电池为例)
①构造
②工作原理
酸性电解质(H2SO4)
负极反应 H2－2e－===2H＋
正极反应 O2＋2e－＋2H＋===H2O
总反应 H2＋O2===H2O
(二)问题探究
问题1　对比普通酸性锌锰电池和碱性锌锰电池，分析酸性锌锰电池的缺点和碱性锌锰电池的优点。
提示　酸性锌锰电池的缺点：放置过久，锌筒会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效。碱性锌锰电池的优点：单位质量输出的电能多且储存时间长，能提供较大电流并连续放电。
问题2　写出铅酸蓄电池放电时的负极反应式，分析负极质量的变化及电解质溶液pH的变化。
提示　Pb＋SO－2e－===PbSO4；放电过程中，负极的质量增大，电解质溶液的pH升高。
问题3　某种锂离子电池的结构如图：
其负极反应式和总反应分别为LixCy－xe－===xLi＋＋Cy 、LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。
写出其正极的电极反应式。
提示　Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
问题4　已知某燃料电池(用氢氧化钾作电解质)的总反应为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，请写出该电池负极和正极的电极反应式。随着电池不断放电，电解质溶液的碱性将如何变化？
提示　负极： CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，正极：4H2O＋2O2＋8e－===8OH－。从电池总反应可知反应过程消耗KOH，所以溶液的碱性减弱。
【探究归纳】
1.化学电源电极反应式书写的一般步骤
2.化学电源电极反应式的书写具体操作方法
(1)根据装置书写电极反应式
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。
①负极：活泼金属或燃料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。
②正极：阳离子得到电子生成单质或氧化剂得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：
电解质溶液呈碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
电解质溶液呈酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
③总反应式：正、负电极反应式在得失电子相等的前提下相加得到电池反应的总方程式。
(2)给出总反应式，写电极反应式
如果给定的是总反应式，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)，先写出反应相对较简单的一极的电极反应式，另一极的电极反应式可用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。
3.燃料电池电极反应式的书写
(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。
(2)正极反应式的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应式的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO。
(3)负极反应式的书写
若负极通入的气体为含碳化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价的碳，在酸性溶液中生成二氧化碳气体，在碱性溶液中生成碳酸根离子，在熔融碳酸盐中生成二氧化碳，含有氢元素的化合物的电极反应最终都有水生成。
1.银锌纽扣电池放电时反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时，电子从Ag2O极经过电解质溶液流到Zn极
B.该电池的电解质溶液呈碱性
C.Zn是电池的负极，发生氧化反应
D.正极的电极反应式：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
答案　A
解析　锌是负极、Ag2O是正极，电池工作时，电子从Zn极经过外电路流到Ag2O极，电解质溶液没有电子通过，A错误；该电池反应产物存在Zn(OH)2，电解质溶液呈碱性，B正确；根据Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，Zn化合价升高，失去电子发生氧化反应，锌作为电池的负极，C正确；正极Ag2O得到电子发生还原反应生成银单质，电极反应式：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，D正确。
2.铅酸蓄电池广泛应用于机动车辆，其构造如下图所示，已知PbSO4难溶于水，电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列说法不正确的是(　　)
A.电池工作时，Pb为负极，发生氧化反应
B.电池工作时，电解质溶液pH保持不变
C.硫酸根离子在负极和正极都参与了反应
D.正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O
答案　B
解析　Pb作负极，发生氧化反应，A正确；电池工作时，硫酸浓度减小，则电解质溶液pH增大，B错误；负极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，正极反应式为PbO2＋SO＋2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，故硫酸根离子在负极和正极都参与了反应，C、D正确。
3.(2023·福建部分学校联考)水系锌离子电池具有能量密度高、功率密度高、放电过程高效安全等优点，我国科学家用V2O5和锌片作电极，用Zn(CF3SO3)2溶液作电解质溶液，制备了水系Zn—V2O5二次电池，下列说法错误的是(　　)
A.放电时，锌片发生氧化反应
B.放电时，V2O5作正极
C.放电时，Zn2＋移向锌片
D.放电时，电池总反应为xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O
答案　C
解析　由图可知，放电时，锌片为二次电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，五氧化二钒为正极，锌离子作用下，五氧化二钒在正极得到电子发生还原反应V2O5＋2xe－＋xZn2＋＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O，则电池总反应为xZn＋V2O5＋nH2O===ZnxV2O5·nH2O。放电时，锌片为二次电池的负极，失去电子发生氧化反应生成锌离子，A正确；放电时，五氧化二钒为二次电池的正极，B正确；放电时，锌片为二次电池的负极，五氧化二钒为正极，则阳离子锌离子移向五氧化二钒，C错误。
4.(2024·广州执信中学高二月考)肼(N2H4)碱性燃料电池的原理示意图如图所示，电池总反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列说法错误的是(　　)
A.电极b发生还原反应
B.电子由电极b流出经用电器流入电极a
C.物质Y是NaOH溶液
D.电极a的电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O
答案　B
解析　该燃料电池中，通入燃料肼的电极为负极、通入氧气的电极为正极，电解质溶液呈碱性，则负极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电流从正极沿导线流向负极。b电极为正极，发生还原反应，A正确；a为负极、b为正极，电子从负极a经用电器流入正极b，B错误；b电极上生成氢氧根离子，钠离子通过阳离子交换膜进入右侧，所以Y为NaOH溶液，C正确；a电极上肼失电子发生氧化反应，电极反应式为N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O，D正确。
5.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。
(1)酸性条件燃料电池
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：__________________________________________________________；
负极反应式：__________________________________________________________。
(2)固体电解质(高温下能传导O2－)燃料电池
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：__________________________________________________________；
负极反应式：__________________________________________________________。
(3)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：__________________________________________________________；
负极反应式：__________________________________________________________。
答案　(1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O
CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
(2)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－
CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋4CO2＋8e－===4CO
CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)一次电池
1.如图是生活中常用的锌锰干电池的示意图，该电池发生的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列有关说法中正确的是(　　)
A.该电池为二次电池
B.该电池理论上每消耗1 mol Zn时，电池中消枆2 mol KOH
C.该电池正极的电极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－
D.该电池的负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋
答案　C
解析　锌锰干电池不能充电，为一次电池，A错误；该电池的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O2MnO(OH)＋Zn(OH)2，电池工作时，不消耗KOH，B错误；电池正极得电子发生还原反应，根据电池总反应，可知该电池正极的电极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－，C正确；电池负极失电子发生氧化反应，根据电池总反应，该电池的负极反应为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，D错误。
2.纽扣电池的两极材料分别是锌和氧化银，离子导体是KOH溶液。放电时两个电极的电极反应分别为
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
下列说法中，正确的是(　　)
A.锌是正极反应物，氧化银是负极反应物
B.锌发生还原反应，氧化银发生氧化反应
C.溶液中OH－向正极移动，K＋、H＋向负极移动
D.在电池放电过程中，电解质溶液的酸碱性基本保持不变
答案　D
解析　锌被氧化而作电池负极，氧化银被还原而作电池正极，A、B错误；电池中，电解质溶液中的阴离子移向负极，阳离子移向正极，C错误。
3.以海水为电解质溶液的水激活电池结构如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.正极反应式是AgCl＋e－===Ag＋Cl－
B.海水中的Cl－向镁电极移动
C.镁电极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
D.电池总反应是2Ag＋＋Mg===2Ag＋Mg2＋
答案　D
解析　上述为原电池，镁作负极，发生失电子的氧化反应，氯化银在正极得电子发生还原反应生成银单质。正极反应式是AgCl＋e－===Ag＋Cl－，A正确；海水中的Cl－向负极(镁电极)移动，B正确；镁为活泼金属，与水接触可能会发生副反应：Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，C正确；溶液中没有游离的银离子，该电池总反应为Mg＋2AgCl===2Ag＋MgCl2，D错误。
(二)二次电池
4.判断正误(正确划“√”，错误划“×”)。
(1)手机上用的锂离子电池属于二次电池。(　　)
(2)可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。(　　)
(3)蓄电池充电时，标志着“－”的电极应与电源的负极相连。(　　)
(4)铅酸蓄电池在放电过程中，负极质量减小，正极质量增加。(　　)
(5)充电电池可以无限制地反复充电、放电。(　　)
(6)铅酸蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g。(　　)
答案　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×　(6)√
解析　(6)负极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，负极增重的质量为硫酸根离子的质量，电路中转移0.1 mol电子，负极增重×96 g/mol＝4.8 g，正确。
5.以下是爱迪生电池分别在充电和放电时发生的反应：Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2
下列有关爱迪生电池的推断不正确的是(　　)
A.放电时，Fe是负极，NiO2是正极
B.蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中
C.充电时，负极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－
D.放电时，电解质溶液中的阴离子向负极方向移动
答案　B
解析　放电时，Fe是负极，发生氧化反应，NiO2是正极，发生还原反应，A正确；放电时Fe作负极，Fe与酸反应不能生成Fe(OH)2，故不能选用酸性电解质溶液，B错误；充电时负极的电极反应与放电时负极的电极反应互为逆过程，所以充电时负极的电极反应式为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，C正确；蓄电池放电时为原电池，原电池的电解质溶液中阴离子向负极移动，D正确。
6.如图，某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是(　　)
A.放电时，M电极反应为Ni－2e－===Ni2＋
B.放电时，Li＋由M电极向N电极移动
C.充电时，M电极的质量减小
D.充电时，N电极反应为Li3Bi＋3e－===3Li＋＋Bi
答案　B
解析　由题干信息可知，放电时，M极由于Li比Ni更活泼，也比N极上的Sb、Bi、Sn更活泼，故M极作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，N极为正极，电极反应为3Li＋＋3e－＋Bi===Li3Bi。放电时，M电极反应为Li－e－===Li＋，A错误；放电时，M极为负极，N极为正极，故Li＋由M电极向N电极移动，B正确；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，故充电时M电极的电极反应为Li＋＋e－===Li，故电极质量增大，C错误；由二次电池的原理可知，充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程，充电时，N电极反应为Li3Bi－3e－===3Li＋＋Bi，D错误。
(三)燃料电池
7.(2024·郑州高二期中)某燃料电池所用燃料为CO，助燃剂为O2，电解质为熔融的K2CO3，负极反应式为CO－2e－＋CO===2CO2，则下列推断中错误的是(　　)
A.放电时CO向负极移动
B.该电池的总反应为2CO＋O2===2CO2
C.放电时电子流向：负极→熔融K2CO3→正极
D.电池消耗22.4 L O2(标准状况)时，理论上转移4 mol电子
答案　C
解析　放电时，阴离子向负极移动，所以CO向负极移动，A正确；CO为负极，O2为正极，发生反应2CO＋O2===2CO2，B正确；放电时，负极上失电子、正极上得电子，电子从负极沿导线流向正极，C错误；根据分析O2～4e－，当1 mol O2参加反应时，转移4 mol 电子，D正确。
8.(2024·扬州中学高二期中)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，下列说法正确的是(　　)
A.该电池在高温下进行效率更高
B.电子的移动方向由b经外电路到a
C.若该电池中有0.2 mol O2参加反应，则有0.8 mol H＋向b迁移
D.b电极发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－
答案　C
解析　HS－在硫氧化菌作用下转化为SO，失电子发生氧化反应，做负极，电极反应式是HS－＋4H2O－8e－===SO＋9H＋；正极上是氧气得电子的还原反应4H＋＋O2＋4e－===2H2O。高温使硫化菌失去活性，该电池不宜在高温下进行，A错误；b是电池的正极，a是负极，所以电子从a流出经外电路流向b，B错误；正极上是氧气得电子的还原反应4H＋＋O2＋4e－===2H2O，根据得失电子守恒，若该电池中有0.2 mol O2参加反应，则有0.8 mol H＋向b迁移，C正确，D错误。
B级　素养培优练
9.某氨气燃料电池，如图所示，下列说法错误的是(　　)
A.正极的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O
B.电子流向：电极1→负载→电极2
C.Na＋由左向右移动
D.NH3在电极1上发生氧化反应
答案　A
解析　A.通入氧气的一极为正极，电解质溶液为碱性，所以氧气得电子生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故A错误；B.原电池中电子由负极经导线流向正极，根据分析可知电极1为负极，电极2为正极，所以电子的流向为电极1→负载→电极2，故B正确；C.原电池中阳离子流向正极，所以钠离子自左向右移动，故C正确；D.据图可知NH3在电极1上转化为N2和H2O，失电子发生氧化反应，故D正确。
10.(2024·北京丰台高二期中)如图是一种应用广泛的锂电池，LiPF6是电解质，SO(CH3)2是溶剂，反应原理是4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法不正确的是(　　)
A.该装置将化学能转化为电能
B.电子移动方向是由a极流向b极
C.不可以用水代替SO(CH3)2作溶剂
D.b极反应式是FeS2＋4Li＋－4e－===Fe＋2Li2S
答案　D
解析　该装置是原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确；根据反应方程式，锂发生氧化反应，a为负极、b为正极，外电路中电子移动方向为由负极流向正极，即由a极流向b极，故B正确；Li能与水反应，所以不能用水代替SO(CH3)2作溶剂，C正确；b极上FeS2得电子发生还原反应，电极反应式为FeS2＋4Li＋＋4e－===Fe＋2Li2S，D错误。
11.一种由石墨电极，海底沉积物为燃料的海底燃料电池的装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.H＋向b极迁移
B.大块沉积物中的铁均显＋2价
C.b极上FeS2转化为S的电极反应式为FeS2－2e－===Fe2＋＋2S
D.微生物作用下S循环歧化生成SO、HS－的物质的量之比为1∶5
答案　C
解析　H＋为阳离子，原电池中阳离子移向正极，则H＋向a极迁移，A错误；大块沉积物中FeOOH中铁元素的化合价为＋3价，B错误；b极上FeS2中S元素化合价从－1价升高至0价，被氧化，其电极反应式为FeS2－2e－===Fe2＋＋2S，C正确；微生物作用下S循环歧化生成SO、HS－，其离子方程式为4S＋4H2OSO＋3HS－＋5H＋，则生成SO、HS－的物质的量之比为1∶3，D错误。
12.(2024·北京中关村中学高二期中)碱性银锌二次航空电池为价格昂贵的高能电池。该电池的总反应为Zn＋Ag2OZnO＋2Ag，其电池中的基本单元示意图如下：
(1)该电池放电时，锌电极板为电池的________(填“正极”或“负极”)。
(2)以KOH溶液为电解液，放电时锌电极板区域中发生的电极反应可分为两步：
反应ⅰ.锌电极板的溶解：……
反应ⅱ.锌电极板上ZnO的析出：Zn(OH)??ZnO＋2OH－＋H2O
补充反应ⅰ：___________________________________________________。
(3)放电时，析出的ZnO会覆盖在锌电极板表面，影响电池使用效果。用浓KOH溶液可以抑制ZnO的生成，并促进锌电极板的溶解，请结合化学用语，从速率和平衡的角度说明原因：______________________________________
__________________________________________________________
__________________________________________________________。
(4)将锌电极板制成蜂窝孔状，如图a所示，能增大锌电极板的表面积，但蜂窝孔的孔径过小，影响OH－进出蜂窝孔的速率，导致孔径内外OH－浓度出现差异，多次充放电后会影响锌电极板的形状。图b是使用一段时间后的锌极板变形情况。
下列说法正确的是________(填字母序号)。
a.充电时，OH－向锌极板方向迁移
b.孔内沉积ZnO，导电能力减弱，影响电池使用效果
c.导致该腐蚀变形的主要原因是孔外OH－浓度高于孔内OH－浓度
d.为延长电池使用寿命，提高电池放电效果，应选用孔径恰当的锌极板
答案　(1)负极
(2)Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)
(3)锌溶解：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，ZnO析出：Zn(OH)??ZnO＋2OH－＋H2O，增大氢氧化钾浓度，可以增大Zn的溶解速率，并使反应Zn(OH)??ZnO＋2OH－＋H2O逆向移动，抑制ZnO的生成
(4)bc
解析　(1)由电池总反应Zn＋Ag2OZnO＋2Ag可知，该电池放电时，锌的化合价升高，被氧化，故锌电极板为电池的负极；(2)已知原电池的总反应：Zn＋Ag2OZnO＋2Ag和反应ⅱ.锌电极板上ZnO的析出：Zn(OH)??ZnO＋2OH－＋H2O，故负极反应式的反应ⅰ为：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)；(3)根据(2)中的电极反应方程式可知，锌溶解：Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)，ZnO析出：Zn(OH)??ZnO＋2OH－＋H2O。增大氢氧化钾的浓度，锌溶解速率加快，并使ZnO的析出反应逆向移动。(4)放电时OH－移向锌极板，则充电时OH－不向锌极板方向迁移，a错误；孔内沉积ZnO，导致蜂窝孔的孔径过小，影响OH－进出蜂窝孔的速率，导电能力减弱，影响电池使用效果，b正确；由图a可知，导致该腐蚀变形的主要原因是孔外OH－浓度高于孔内OH－浓度，c正确；由题干信息可知，锌板中蜂窝孔的孔径是在使用过程中发生改变，该改变是由于孔内外的OH－浓度改变，故为延长电池使用寿命，提高电池放电效果，应选用合适的OH－浓度，d错误。

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