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化学电源
第四章 化学反应与电能
1.了解化学电源种类并认识化学电源在实际生活中的应用。
2.掌握一次电池、二次电池的反应原理并能书写电极反应式。
3.理解常见的氢氧燃料电池的工作原理，并能设计简易氢氧燃料电池。
4.会书写不同介质条件下，其他燃料电池的电极反应。
铅蓄电池
干电池
纽扣电池
锂离子电池
燃料电池
锂离子电池
太阳能电池
化
学
电
池
一次电池
二次电池
燃料电池
碱性锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池等
锂离子电池
镍氢电池
普通锌锰干电池
锌银纽扣电池
电池优劣的判断标准:
① 比能量
［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］
指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
② 比功率
[单位：（W/kg，W/L)]
指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小.
③ 电池的可储存时间的长短
除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更易满足使用者需求。
任务一：一次电池
放电后不可再充电的电池。一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
（1）普通锌锰干电池
电极反应活性物质 负极：Zn 正极：MnO2
电极材料 负极：Zn 正极：石墨棒
离子导体 NH4Cl和ZnCl2混合物
主要反应为：
Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)
优点：制作简单、价格便宜。缺点：放电时间短，电压下降快。
负极：
Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2
正极：
2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-
氢氧化氧锰
正极: ; 负极： ; 电解质: 。
MnO2
Zn粉
KOH
总反应：
Zn+2MnO2 + 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2
优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
（2）碱性锌锰干电池
碱性锌锰干电池结构
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
MnO2和
KOH混合物
(3)锌银电池—纽扣电池
纽扣式银锌电池的总反应式为：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
电解质液为KOH溶液， 请写出的电极反应式。
正极反应式
负极反应式
Zn＋2OH－－2e－＝Zn(OH)2
Ag2O＋2e－＋H2O＝2Ag ＋2OH－
【例1】(2024·江苏卷，8)碱性锌锰电池的总反应为
Zn+2MnO2+H2O= ZnO+2MnOOH，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( )
A．电池工作时，MnO2发生氧化反应
B．电池工作时，OH-通过隔膜向正极移动
C．环境温度过低，不利于电池放电
D．反应中每生成1mol MnOOH，转移电子数为2×6.02×10-23
C
碱性锌锰干电池结构
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
MnO2和
KOH混合物
变式1 酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是（ ）
D
A.石墨作电池的负极材料
B.电池工作时，向负极方向移动
C.发生氧化反应
D.锌筒发生的电极反应为
任务二：二次电池
1.二次电池又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池
（1）铅酸蓄电池
二次电池的思维模型
氧化反应
还原反应
阴极
阳极
充电
可充电电池
放电
氧化反应
负极
还原反应
正极
外接电源负极，同一电极
（1）铅酸蓄电池
可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。
铅酸电池由两组栅状电极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb，电解质溶液为H2SO4溶液。
构造：
铅蓄电池的构造
缺点：
优点：
比能量低、笨重、废弃电池污染环境
(-)Pb | H2SO4 | PbO2(+)
优点
缺点
电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉
单位质量电池释放的电能少
（1）铅酸蓄电池
(-)Pb | H2SO4 | PbO2(+)
负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4
正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O
氧化反应
还原反应
Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O
放电
充电
放电过程中，负极的质量增大，稀H2SO4的浓度减小。
1.一种可充电锂离子电池——钴酸锂-石墨锂电池，其电池反应为LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。
(1)写出电池放电时的电极反应式。
负极：______________________；
正极：_______________________________。
(2)简述放电和充电过程中Li＋运动情况。
LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
　放电时，锂离子从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。
任务三：燃料电池
①燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的化学电源。
③两极材料：惰性材料（Pt），只具导电性。
②反应物不储存在电池内部，外加提供燃料和氧化剂。
④两极判断：通入燃料气的一极
通入O2或空气的一极
⑤导电介质：可以是电解质溶液，也可以是新型的导离子介质。
⑥优点：能量转换率高；污染小。
负极
正极
（1）氢氧燃料电池
任务三：燃料电池
负极：2H2 + 4OH- - 4e- ＝ 4H2O
正极： O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH-
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
② (-)H2 | OH- | O2(+) 碱性介质
① (-)H2 | H+ | O2(+) 酸性介质
负极：2H2 - 4e- ＝ 4H+
正极：O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
（2）甲烷燃料电池
任务三：燃料电池
负极： CH4＋10OH－－8e－ = CO32－＋7H2O
正极： 2O2＋4H2O＋8e－ = 8OH－
总反应式： CH4+2O2+2OH- = CO32-+3H2O
① H2SO4溶液：
用导线连接两个铂电极插入电解质溶液中，向两极分别通入CH4和O2。
负极：CH4＋2H2O－8e－ = CO2＋8H+
正极： 2O2＋8H＋＋8e－ = 4H2O
总反应式： CH4+2O2 = CO2+2H2O
② KOH溶液：
（3）甲醇燃料电池/KOH
任务三：燃料电池
（4）肼（N2H4）燃料电池/KOH
正极: 3O2+6H2O+12e- === 12OH-
负极: 2CH3OH+16OH--12e- === 2CO32- +12H2O
总反应: 2CH3OH+3O2+4OH- === 2CO32-+6H2O
正极: O2+2H2O+4e- === 4OH-
负极: N2H4+4OH--4e- === N2+4H2O
总反应: N2H4+O2 === N2+2H2O
2.书写步骤
①析价态，定正负 ②列物质 ③标得失 ④看环境，配守恒
电极反应式的书写方法
补项原则：酸性介质（缺H补H+，缺O补H2O）；
碱性介质（缺H补H2O，缺O补OH-）；
熔融氧化物使用O2-；熔融碳酸盐使用CO32-。
1.书写原则：
①质量守恒+电荷守恒+电子守恒
②弱电解质、气体、难溶物均写化学式，其余用离子符号
3.复杂电极反应式书写
复杂电极反应式=总反应式—较简单一极电极式
“有膜” 原电池
离子交换膜的类型
(1)阳离子交换膜：只允许阳离子通过；
(2)阴离子交换膜：只允许阴离子通过；
(3)质子交换膜：只允许质子通过。
1、一种新型的燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，其总反应为：
2C2H6+7O2+8KOH==4K2CO3+10H2O
有关此电池的推断正确的是( )
A．负极反应为14H2O+7O2+28e－==28OH－
B．放电一段时间后，负极周围的pH升高
C．每消耗1molC2H6，则电路上转移的电子为14mol
D．放电过程中KOH的物质的量浓度不变
C
2、乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200 ℃左右时供电，电池总反应式为C2H5OH＋3O2 =2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A．电池工作时，质子向电池的负极迁移
B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极
C．a极上发生的电极反应是
C2H5OH＋3H2O＋12e－=2CO2↑＋12H＋
D．b极上发生的电极反应是
2H2O＋O2＋4e－=4OH－
B
3.瓦斯分析仪(如图甲)工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图乙所示，其中的固体电解质是Y2O3－Na2O，O2－可以在其中自由移动。下列有关叙述中正确的是(　　)
A．瓦斯分析仪工作时，电池内电路中电子由电极b流向电极a
B．电极b是正极，O2－由电极a流向电极b
C．电极a的反应式为CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
D．当固体电解质中有1 mol O2－通过时，转移4 mol电子　
C
4、用两根铂丝作为电极插入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O2一极附近溶液的pH升高
C.放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化
D.通甲烷极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－=== CO32－＋7H2O
C
5、高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列叙述不正确的是( )
A.放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2
B.充电时阳极反应为Fe(OH)3－3e－＋5OH－=FeO42- ＋4H2O
C.放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
C

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