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基础课时5　化学电源
学习任务 1．通过对常见化学电源的分析，建立对原电池放电过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。 2．通过增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求，积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
一、化学电源概述　一次电池
1．化学电源的分类及特点
(1)化学电源的分类。
①一次电池：也叫作干电池，常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰电池、纽扣式银锌电池等。
②二次电池：又称为充电电池或蓄电池，铅蓄电池是最常见的二次电池。目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。
③燃料电池：氢氧燃料电池
(2)各类电池的特点。
①一次电池：电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用，放电后不可再充电。
②二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，可多次重复使用。
③燃料电池：燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能。
【特别提醒】　判断电池优劣的主要标准
①比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg-1或(W·h)·L-1。
②比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg-1或W·L-1。
③电池可储存时间的长短。
2．一次电池
(1)锌锰干电池。
普通锌锰干电池制作简单、价格便宜，但存在放电时间短、放电后电压下降较快等缺点。碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能优越，它的比能量[电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L]大，能提供较大电流并连续放电。
普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池的比较
普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池
示意 图
构造 负极：锌筒 正极：石墨棒 电解质溶液：氯化铵和氯化锌 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：＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH 总反应：＋2MnOOH 负极： 正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 总反应：
(2)银锌纽扣电池。
①组成。
②电极反应式和电池总反应式。
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。
二、二次电池
1．铅蓄电池
(1)构造与组成。
(2)工作原理。
放电过程 充电过程
负极：===PbSO4(氧化反应) 阴极：(还原反应)
正极：＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应) 阳极：(氧化反应)
总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O 总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
铅蓄电池的充、放电过程：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(3)铅蓄电池的优缺点。
①优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产生活中应用广泛。
②缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。
2．锂离子电池
(1)构造与组成。
锂离子电池由正极、负极和电解质溶液三部分组成，正极材料多采用磷酸铁锂(LiFePO4)或钴酸锂(LiCoO2)等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌(即可逆嵌脱)结构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。
(2)工作原理(钴酸锂-石墨锂电池为例)。
电极 电极反应式
负极 LixC6－xe－===6C＋xLi＋
正极 Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
电池反应 LixC6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C
(3)反应过程。
在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。
　(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小。 (×)
(2)可充电电池的充放电过程是可逆反应。 (×)
(3)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电解质。 (√)
(4)铅蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应。 (×)
(5)锂离子电池放电时，Li＋移向正极区。 (√)
三、燃料电池
1．燃料电池
利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。燃料电池种类很多，如氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池。
2．氢氧燃料电池
(1)氢氧燃料电池原理示意图。
(2)氢氧燃料电池工作原理。
酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应 2H2＋O2===2H2O
(3)电池特点。
①能量转换率高，污染小。
②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，连续不断地提供电能。
【特别提醒】　(1)燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。
(2)酸性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O；
碱性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
　(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)燃料电池所有能量均转化为电能。 (×)
(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极。 (×)
(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (√)
(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应。 (√)
燃料电池电极反应式的书写
燃料电池是化学对人类的一项重大贡献，用两根铂丝作电极插入NaOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池——甲烷燃料电池。如图是甲烷燃料电池原理示意图。
[问题1]　燃料电池供电时燃料会燃烧吗？燃料电池的优点有哪些？
提示：不会。燃料电池是燃料与氧化剂分别在两个电极上反应，将化学能直接转化为电能，不会发生燃烧转化为热能。优点：燃料电池能量转化率高，超过80%，污染小。
[问题2]　甲烷燃料电池的正负极如何判断？
提示：通O2一端得电子为正极，通CH4一端失电子为负极。
[问题3]　写出用NaOH作电解质溶液时两极的电极反应式。
提示：因为CO2与NaOH溶液反应生成Na2CO3，故总反应式为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O，其中正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应式为＋7H2O。
[问题4]　用稀H2SO4作电解质溶液时，甲烷燃料电池的正负极反应式和(3)相同吗？应如何书写？
提示：不相同，总反应式是甲烷燃烧的化学方程式CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应式为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应式为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。
1．书写燃料电池电极反应式的三步骤
2．常见的四种典型燃料电池
名称 电解质 电极反应式和总反应式
氢氧 燃料 电池 KOH 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O 总反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 负极：2H2－4e－===4H＋ 总反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷 燃料 电池 KOH 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ 负极：＋7H2O 总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇 燃料 电池 KOH 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－ 负极：＋12H2O 总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃 料电 池　 KOH 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O 总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
1．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。有关该电池的说法正确的是(　　)
A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B．电极A上的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
C．电池工作时，向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为
D　[A项，由碳元素化合价变化可知，每消耗1 mol CH4转移6 mol电子；B项，电极A为负极，电极反应式为－4e－===H2O＋3CO2；C项，电池工作时，向电极A移动；D项，电极B是正极，电极反应式为。]
2．如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是(　　)
A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇
B．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋
D．该电池提供1 mol e－，消耗0.25 mol氧气
B　[负极反应式为2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋，正极反应式为3O2＋12e－＋12H＋===6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1 mol电子时，消耗O2的物质的量为1× mol＝0.25 mol。]
充电电池(蓄电池)
铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好、造价较低，因而应用广泛。
[问题1]　二次电池充电放电时互为可逆过程，是可逆反应吗？
提示：二次电池的充电反应和放电反应是两个相反的过程，但反应条件不同，不能互称可逆反应。
[问题2]　铅蓄电池工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
放电时的负极材料是什么？写出负极电极反应式。放电时的正极材料是什么？写出正极电极反应式。
提示：放电时的负极材料是Pb，负极反应式为－2e－===PbSO4，正极材料是PbO2，正极反应式为＋2e－===PbSO4＋2H2O。
[问题3]　在铅蓄电池的充、放电过程中，溶液的pH分别如何变化？
提示：根据电池的总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O可做出判断。放电时，消耗硫酸，pH增大；充电时生成硫酸，pH减小。
充电电池充电、放电的原理
(1)充电电池。
充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为可逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应。
(3)充电电池电极反应式的书写。
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。
书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2+和电解质溶液中的不能共存，Pb2+与结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb－2e－===Pb2+是错误的，应写成－2e－===PbSO4。
1．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O＋4KOH。请回答下列问题：
(1)高铁电池的负极材料是________，放电时负极的电极反应式为____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)放电时，正极发生________(选填“氧化”或“还原”)反应；正极的电极反应式为________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
放电时，________(选填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
[解析]　放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极的电极反应式为，正极上发生还原反应，正极的电极反应式为＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。
[答案]　(1)Zn　3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2
(2)还原　＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－　正
2．镍-镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应式为Cd＋2NiOOH＋2H2O＋Cd(OH)2。
(1)放电时，负极发生________反应，反应式为___________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)电池工作时，负极区pH________，正极区pH________。
(3)该电池工作时，电解质溶液中的OH－向______移动。
[答案]　(1)氧化　　(2)减小　增大　(3)负极
1．如图是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是(　　)
干电池示意图　铅蓄电池示意图
氢氧燃料电池示意图
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，锌筒被破坏
C．铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 g
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
C　[在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确；C项忽略了硫酸铅在该极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误。]
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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为＋2MnOOH。下列说法中错误的是(　　)
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．理论上外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量减少6.5 g
C　[由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2 mol电子，参加反应的锌理论上为0.1 mol，即质量减少6.5 g。]
3．“除氢气外，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，均可作燃料电池的燃料”。已知肼燃烧时发生反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O。以Pt为电极，以硫酸为电解质溶液组成肼燃料电池，下列关于肼燃料电池的说法中不正确是(　　)
A．肼是燃料电池的负极反应物，O2是正极反应物
B．肼燃料电池的正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．肼燃料电池的负极反应式为N2H4 —4e—===N2＋4H＋
D．电池工作过程中H＋向正极移动，但H＋物质的量不变
B　[肼燃烧时发生反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O，该反应中肼是还原剂，氧气是氧化剂。A.根据原电池原理，肼在负极上发生氧化反应，氧气在正极上发生还原反应，正确；B.电解质溶液是酸性的，所以正极的电极反应式应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B错误；C.电池负极的电极反应式为N2H4－4e—===N2＋4H＋，正确；D.电池工作过程中H＋向正极移动，根据总反应可知，H＋物质的量不变，正确。]
4．中国科学院应用化学研究所在甲醚(CH3OCH3)燃料电池技术方面获得新突破。甲醚燃料电池的工作原理如图所示：
(1)甲醚由________(填“b”或“c”)通入。
(2)该电池负极的电极反应式为__________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)工作一段时间后，当9.2 g的甲醚完全反应时，有________mol电子转移。
[解析]　(1)燃料电池中，通入燃料的电极是负极，负极上甲醚失电子在酸性条件下产生CO2，原电池中阳离子H＋定向移动至正极，则甲醚由b通入。(2)该电池负极甲醚失电子产生二氧化碳和氢离子，电极反应式为CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋。(3)根据电极反应式：CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋，工作一段时间后，当9.2 g的甲醚(0.2 mol)完全反应时，有2.4 mol电子转移。
[答案]　(1)b
(2)CH3OCH3－12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋
(3)2.4
基础课时固基练(5)　化学电源
1．下列说法中正确的是(　　)
A．碱性锌锰电池是二次电池
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
C　[碱性锌锰电池是一次电池，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，A、B、D错，C正确。]
2．燃料电池能量利用率可高达80%，下列说法不正确的是(　　)
A．燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质
B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，属于环境友好电池
C．H2SO4作电解质，氢氧燃料电池的负极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O
D．乙醇燃料电池电解质为KOH，负极反应式为＋11H2O
C　[A.燃料电池中负极上失电子发生氧化反应，负极上反应材料是燃料，则负极反应物可以是氢气、甲烷、乙醇等物质，故A正确；B.航天飞行器中氢氧燃料电池的产物是水，无污染，属于环境友好电池，经过处理之后可供宇航员使用，故B正确；C.酸性条件下，氢氧燃料电池的负极是氢气失电子生成氢离子，则负极反应式为：H2－2e－===2H＋，故C错误；D.在碱性环境下，乙醇燃料电池负极反应式为＋11H2O，故D正确。]
3．宇宙飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCPC型燃料电池。该电池可同时供应电和水蒸气，所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，则下列推断中正确的是(　　)
A．电池工作时，向正极移动
B．电池放电时，电子由负极流向正极，再通过电解质溶液流回负极
C．通O2的电极为正极，发生氧化反应
D．负极反应式为－2e－===CO2＋H2O
D　[A.电池放电时，电解质中阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，所以向负极移动，故A错误；B.原电池放电时，电子从负极沿导线流向正极，电子不能通过电解质溶液，故B错误；C.正极上氧气得电子和二氧化碳反应生成碳酸根离子，发生还原反应，电极反应式为，故C错误；D.燃料电池中，通入燃料的电极是负极，负极反应式为－2e－===CO2＋H2O，故D正确。]
4．铅蓄电池放电时发生的化学反应：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，其电极材料分别是PbO2和Pb，电解质为H2SO4溶液，下列说法不正确的是(　　)
A．电池工作过程中，H2SO4溶液浓度降低
B．电池工作过程中，电解质溶液中H＋向正极移动
C．每当有2 mol电子通过电路时，负极材料增重96g
D．正极发生反应为：PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2+＋2H2O
D　[A.铅蓄电池工作时，硫酸参加反应生成硫酸铅同时生成水，导致硫酸浓度降低，故A正确；B.原电池放电时阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，即电解质溶液中H＋向正极移动，故B正确；C.铅蓄电池中，负极上金属Pb失电子，发生氧化反应，每当有2 mol电子通过电路时，负极材料增重96g，故C正确；D.铅蓄电池正极上PbO2得电子发生还原反应＋2e－===PbSO4＋2H2O，故D错误。]
5．近来，科学家研制了一种新型的乙醇电池(DEFC)，它用磺酸类质子作溶剂，在200 ℃左右时供电，乙醇电池比甲醇电池效率高出32倍且更加安全。电池总反应式为：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O。下列说法错误的是(　　)
A．C2H5OH在电池的负极上参加反应
B．1 mol乙醇被氧化时转移5 mol电子
C．在外电路中电子由负极沿导线流向正极
D．电池正极得电子的物质是O2
B　[A.燃料电池中，负极上燃料乙醇失电子发生氧化反应，所以乙醇在电池的负极上参加反应，故A正确；B.反应中C元素化合价由－2价变为＋4价，则1 mol乙醇被氧化转移电子的物质的量＝1 mol×2×[4－(－2)]＝12 mol，故B错误；C.放电时，负极上失电子、正极上得电子，所以电子从负极沿导线流向正极，故C正确；D.燃料电池中正极上氧化剂氧气得电子发生还原反应，故D正确。]
6．“锂—呼吸CO2电化学装置”放电时的原理如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．金属Li电极发生还原反应
B．多孔碳电极的电极反应式为：
C．每生成0.1 mol Li2C2O4，电路中有发生转移
D．电池“吸入”CO2时将电能转化为化学能
B　[分析：观察“锂—呼吸CO2电化学装置”可知，负极：Li→Li＋，失电子，发生氧化反应；正极：CO2→，得电子，发生还原反应；总反应：＋2Li＋。
详解：A.根据分析可知，金属Li电极发生氧化反应， A选项错误；B.根据分析可知，多孔碳电极变化为，所以电极反应式为：，B选项正确；，C化合价降低1，转移电子数等于总失电子数，所以，每生成0.1 mol Li2C2O4，电路中发生转移的电子为：0.1 mol ×1×2＝0.2 mol，C选项错误；D.该电池为原电池，将化学能转化为电能，D选项错误。]
7．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　[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，电极方程式为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。]

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