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第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
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知识思维导图
第3课时 化学电源
课程学习目标
1、知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点、组成和工作原理
2、会正确书写燃料电池的电极反应
【新知学习】
知识点01水果简易电池的制作
1、探究制作水果电池对电极材料的要求 (按如图连接)
(已知电流表的指针偏向电子流入的电极)
电极材料 水果 电流表偏转方向 电极名称
铁片、铜片 苹果 偏向铜片 铁： 铜：
铁片、镁条 苹果 偏向铁片 铁： 镁：
铁片、碳棒 柠檬 偏向 铁： 碳棒：
铁片、铁片 柠檬
铜片、碳棒 柠檬 几乎不偏转
(1)水果的作用是作：电解质溶液
(2)构成原电池的要素有：
①自发的氧化还原反应
②两个活泼性不同的电极， 溶液，形成闭合回路
③根据电极材料判断电极：较活泼金属作 ，不活泼的金属或惰性电极作
2、探究影响电流效果的因素
【实验1】探究电极材料对电流效果的影响
电极材料 电极间距/cm 水果 电流表/μA，偏转角度 (填“大”或“小”)
铁、铜 1 苹果
镁、铜 1 苹果
实验结论：在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电流效果越好
【实验2】探究不同水果对电流效果的影响
电极材料 电极间距/cm 水果 电流表/μA，偏转角度
锌、铜 1 苹果
锌、铜 1 柠檬
实验结论：在其他条件相同时，不同的电解质溶液，电流效果不同
【实验3】探究电极间距对电流效果的影响
电极材料 电极间距/cm 水果 电流表/μA，偏转角度
锌、铜 1 柠檬
锌、铜 2 柠檬
实验结论：在其他条件相同时，两电极间距越小，电流效果
知识点02常见的化学电源
1、化学电源的概念：将化学能转化为电能的装置
2、化学电源的分类：一次电池、二次电池、燃料电池
(1)一次电池：一次电池的特点是活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗一定程度后，就不能再重复使用。即：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池
①酸性锌锰干电池
结构 酸性锌锰干电池是以锌筒为 极，石墨棒为 极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作
电极反应 负极 Zn－2e－===Zn2＋
正极 2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O
总反应 Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===ZnCl2＋Mn2O3＋2NH3↑＋H2O
缺陷 酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀
改进措施 a.在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池 b.将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池
②碱性锌锰干电池
结构 碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 溶液
电极反应 负极 Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
总反应 Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点 比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电
③锌银电池
电极反应 负极 Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极 Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
总反应 Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
特点 比能量大、电压稳定、储存时间长
(2)二次电池：充电电池又称 电池。充电电池在放电时所进行的 反应，在充电时又可以 进行， 物重新转化为 物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：
化学能电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等
①铅酸蓄电池
结构 铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开
电极反应 总反应 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)
负极 Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)
正极 PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
特点 常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全
②镍镉电池
结构 以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质
电极反应 总反应 Cd +2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+ Cd(OH)2
负极 Cd+2OH－－2e－=Cd(OH)2
正极 2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－
特点 寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境
③碱金属中的 是最轻的金属，活动性 ，是制造电池的理想物质。 电池是新一代可充电的绿色电池
(3)发展中的燃料电池
燃 料 电 池 的 构 成 燃料电池是一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)与氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的 电化学反应装置。 燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体， 电解质通常有四种情况： ①稀硫酸 ②KOH溶液 ③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32－ ④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2－离子 燃料电池装置示意图
特 点 ①清洁、安全、高效 ②料的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上 ③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低 ④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用 ⑤供电量易于调节，能适应于电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用情景
3、电池的优点和应用
(1)优点：能量转化率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作
(2)应用：在现代生活、生产、国防和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助电器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各式各样的电池
4、电池优劣的判断标准：判断一种电池的优劣或是否适合某种需要，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位：(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：W/kg或W/L
(3)电池的可储存时间的长短
【微点拨】一般的，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更适合使用者的需要
5、废旧电池为什么要集中处理？
废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，1节1号干电池会使1m2的耕地失去使用价值，并通过食物链给人体健康造成危害。另一方面，废弃电池中的有色金属是宝贵的资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约
知识点03燃料电池电极方程式书写
燃料电池的构成 燃料电池装置示意图
燃料电池是通过燃料气体与 分别在两个电极上发生 反应，将 能直接转化为 能的装置 燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体， 电解质通常有四种情况： ①稀硫酸 ②KOH溶液 ③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32－ ④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2－离子
【拓展培优】
【问题探究】
燃料电池
燃料电池与一般的电池不同的是，反应物不是储存在 电池内部 ，而是由外部提供，电池装置起着类似于试管、烧杯等反应容器的作用。
工作原理：利用原电池的工作原理将燃料(如H2)和氧化剂(如O2)分别在两个电极上反应所放出的化学能直接转化为　电能　。(实验装置如下)
氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分成酸性、碱性和中性三种。
【易错提醒】
不是燃烧反应。燃料电池是化学能直接转化为电能，具有清洁、安全、高效的优点。
燃料电池能量利用率可高达80%以上，但是说达到100%是错误的。
【知识归纳总结1】
① 氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应：
介质 负极反应式 正极反应式
酸性 2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性 2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
②有机物燃料电池负极失电子数目判断：燃料电池的燃料以有机物居多，其燃烧后的产物通常为CO2和H2O(酸性介质)或CO32-和H2O(碱性介质)。但无论上述哪种情况，产物中C、H、O的化合价均为+4、+1、-2，如果把原有机物CxHyOz中所以元素都看成0价，可知整个反应中失去的电子数为:4x+y-2z,即“碳四氢一氧减二”
③水溶液中不能出现O2－；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH－，中性溶液反应物中无H+ 和OH－
【典例1】氢氧燃料电池电极方程式书写
电池类型 导电介质 反应式
酸性燃料电池 H＋ 总反应
负极反应
正极反应
碱性燃料电池 OH－ 总反应
负极反应
正极反应
（变式训练1）燃料电池四种甲烷(CH4)
电池类型 导电介质 反应式
酸性燃料电池 H＋ 总反应
负极反应
正极反应
碱性燃料电池 OH－ 总反应
负极反应
正极反应
熔融碳酸盐燃料电池 CO 总反应
负极反应
正极反应
固态氧化物燃料电池 O2－ 总反应
负极反应
正极反应
【典例2】（23-24高一下·重庆·期末）某实验小组自制如图所示的水果电池，探究影响电池效果的因素，实验记录如下。下列说法正确的是
序号 电极 电极间距/cm 水果种类 电流/
① 2.0 西红柿 78.8
② 2.0 西红柿 70.3
③ 2.0 西红柿
④ 2.0 柠檬 45.7
⑤ 1.0 柠檬 98.4
A．化学能全部转化为电能
B．通过实验可得出：
C．对比①⑤可得出：电极间距越小，电池效果越好
D．通过实验可得出：其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电池效果越好
（变式训练2）16．（23-24高一下·浙江台州·期末）根据原电池原理，某化学兴趣小组设计和制作简易水果电池，探究原电池的构成要素．下列说法不正确的是
序号 电极 电极间距 水果种类 电流表示数
① 2.0 西红柿 78.5
② a 西红柿 70.3
③ 2.0 柠檬 45.7
④ 1.0 柠檬 98.4
A．①③对比可探究水果种类对电池效果的影响；③④对比可探究电极间距对电池效果的影响
B．
C．实验②，电流从电极经果汁流向电极
D．实验④，把柠檬换成硫酸铜溶液，铜电极的反应为
【课堂检测】
一、单选题
1．（23-24高一下·陕西渭南·期中）化学电池已经成为人类生产生活的重要能量来源之一，下列说法错误的是
A．锌锰干电池属于一次电池
B．原电池的正、负极材料必须一样
C．原电池反应的实质是自发进行的氧化还原反应
D．利用氢气的燃烧反应可设计成原电池
2．（23-24高一下·广东惠州·期中）下列科技成果中所蕴含的化学知识叙述不正确的是
A．新能源汽车所使用的三元锂电池和磷酸铁锂电池都属于一次电池
B．量子通信材料螺旋碳纳米管与石墨烯互为同素异形体
C．在“人造太阳”中发生核聚变的3H、2H是1H的同位素
D．运载火箭采用“液氢液氧”作推进剂，其产物对环境无污染
3．（23-24高一下·浙江·期中）下列有关能源或能量的说法正确的是
A．对发电厂的余热与城市供热联产可促进能源循环利用
B．铅酸蓄电池、锂电池、锌锰干电池均属于二次电池
C．研究利用特殊化学物质做催化剂，分解的同时释放能量
D．燃料电池具有高效性，可将化学能全部转化为电能
4．（23-24高一下·湖南益阳·期中）下列说法中正确的是
A．锌锰干电池是二次电池
B．手机锂离子电池是一次电池
C．二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生
D．燃料电池工作时燃料会燃烧
5．（23-24高一下·辽宁·期中）化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用，下列说法错误的是
图Ⅰ原电池 图Ⅱ碱性锌锰电池 图Ⅲ铅酸蓄电池 图Ⅳ银锌纽扣电池
A．图Ⅰ：向铁电极方向移动
B．图Ⅱ：碱性锌锰电池比普通锌锰电池的比能量有所提高
C．图Ⅲ：电池放电过程中，正负极质量均增加
D．图Ⅳ：电池使用时，正极附近溶液pH减小
6．（23-24高一下·江苏淮安·期中）根据原电池原理，人们研制出很多结构和性能各异的化学电池，用来满足不同的用电需要。常见的锌锰干电池的构造如图所示。下列说法正确的是
A．锌筒质量逐渐减小 B．该电池可以反复充放电
C．石墨棒作负极 D．电流从锌筒通过导线流向石墨棒
7．（23-24高一下·北京西城·期末）如图为普通锌锰电池的构造示意图，放电时的电池反应为。下列说法不正确的是
A．锌筒作负极 B．发生还原反应
C．工作时电子由锌筒通过外电路流向石墨棒 D．正极反应：
8．（23-24高一下·四川眉山·期末）几位同学用大小相同的铜片和锌片为电极研究水果电池，得到的实验数据如下表所示：
实验编号 水果种类 电极间距离 电流
① 西红柿 1 98.7
② 西红柿 2 72.5
③ 苹果 2 27.2
下列说法错误的是
A．该实验的目的是探究水果种类和电极间距离对水果电池电流的影响
B．上述装置中，铜片作负极，电极反应为：
C．能表明水果种类对电流有影响的实验编号是②和③
D．其他条件相同时，改变电极材料可能影响水果电池电流
9．（23-24高一下·河南驻马店·期末）几位同学以相同大小的铜片和锌片为电极研究水果电池，得到的实验数据如下表所示：
实验编号 水果种类 电极间距离 电流
1 番茄 1 98.7
2 番茄 2 92.5
3 苹果 3 27.2
下列有关分析正确的是
A．该实验的目的只探究水果种类对水果电池电流大小的影响
B．该实验所用的装置中，负极材料是锌片，电势较高
C．实验1和实验3表明水果种类对电流大小有影响
D．水果的酸碱度也能影响水果电池电流大小
10．（23-24高一下·北京·期中）如图为一种氢氧燃料电池的装置示意图，下列说法不正确的是
A．电极材料可以为石墨
B．使用时应向a电极通入，向b电极通入
C．a电极发生氧化反应，b电极发生还原反应
D．电解质溶液可以传导电子和离子
11．（23-24高一下·河北唐山·期中）有关下列四个常用电化学装置的叙述中，正确的是
氢氧燃料电池 铅蓄电池
原电池 银锌纽扣电池
A．图Ⅰ所示电池使用一段时间后，电解质溶液的碱性不变
B．图Ⅱ所示铅蓄电池放电过程中，负极质量不断减小
C．图Ⅲ所示装置工作过程中，电解质溶液中浓度始终不变
D．图Ⅳ所示电池中，是氧化剂，电池工作过程中被还原为Ag
12．（23-24高一下·重庆·期中）氨作为一种无碳富氢化合物，其具有价廉、不易燃、易储存等特点，被认为是可替代氢用于燃料电池的理想材料。NH3﹣O2燃料电池如图所示，下列说法错误的是
A．电极a为负极，发生氧化反应
B．电极b上的电极反应：O2+4e-+2H2O=4OH-
C．电池工作时，OH﹣向电极b迁移
D．电池工作时两电极上理论消耗的
13．（23-24高一下·福建福州·期中）氢氧燃料电池已用于航天飞机，其工作原理如图所示，该燃料电池说法不正确的是
A．氢氧燃料电池中，当转移4mol电子时消耗1mol氧气
B．电子从电极经外电路流向电极
C．放电时的总反应为：
D．通入氧气的一极为负极，发生氧化反应
14．（23-24高一下·湖南·期中）下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法错误的是
A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B．干电池在长时间使用后，锌筒变薄或者被破坏
C．氢氧燃料电池中消耗22.4L氢气，理论上通过导线的电子数为2
D．酸性介质的氢氧燃料电池的负极电极反应为：
二、填空题
15．（23-24高一下·湖南·期中）燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。氢氧燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式。燃烧会释放像、、气体和粉尘等污染物。如上所述，氢燃料电池只会产生水和热。氢氧燃料电池被誉为氢能源汽车的心脏，某种氢氧燃料电池的内部结构如下图。
(1)左侧为电池 极，氢氧燃料电池工作时右侧通入的物质是 (填化学式)。
(2)氢氧燃料电池工作时涉及的能量转化形式有 。
a．电能转化为化学能 b．化学能转化为电能
c．化学能转化为热能 d．太阳能转化为电能
(3)已知左侧的电极反应是式为，则右侧的电极反应式为： ，若每消耗5.6L (标准状况下的体积)，外电路转移电子数为 。
(4)溶液常用于腐蚀印刷电路铜板，发生的反应为：，若将此反应设计成原电池，电解质溶液为 ，当电路中转移0.2mol电子时，被腐蚀的负极反应物的质量为 g。
16．（23-24高一下·安徽宿州·期中）按要求完成下列问题
(1)2024年2月23日19时30分，长征五号遥七运载火箭在我国文昌航天发射场成功发射，运载火箭的推进器中装有还原剂肼()和强氧化剂过氧化氢，一定量的和完全反应生成氮气和1mol气态水放出160.4KJ热量。则一定量的与完全反应生成2mol液态时，放出热量 320.8KJ(填“>”“=”或“＜”)。
(2)下图中，若溶液C为稀，A电极材料为Zn，B为Cu电极，电流流向 (用A，B表示)，电池工作一段时间后，B电极的质量 (填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)燃料电池也是电池的一种，某课外小组自制的氢氧燃料电池，电池的构造如下图所示，a、b均为惰性电极。
则a电极为电池的 (填“正极”或“负极”)，b电极的电极反应式为 ，标准状况下，若a电极消耗22.4L，则b电极消耗的质量为 g。
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