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化学电源
专题１ 化学反应与能量变化
苏教版 选择性必修1
1.了解化学电源的种类及工作原理。
2.了解常见的一次电池、二次电池和燃料电池的构造。
3.掌握电池电极反应式和总反应的书写方法。
根据原电池的反应原理，人们设计和生产出了形形色色的化学电源，包括一次电池、 二次电池和燃料电池等。它们在生产、生活和国防等诸多领域得到了广泛的应用。
化学电源与原电池的关系：
原电池 雏形、原理基础 化学电源
一、一次电池
干电池如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等，纽扣电池等。
一次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。
使用最广泛的一次电池有：
特点：
1. 普通锌锰干电池是最早进入市场的实用电池，其构造如图1-10所示。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，单位为（W·h）/kg或（W·h）/L］大，能提供较大电流并连续放电。目前，在我国碱性锌锰电池正在逐渐代替普通锌锰干电池。碱性锌锰电池的构造如图1-11所示，其电池总反应式为：

2MnO2＋Zn＋2H2O=2MnOOH＋ Zn(OH)2
氢氧化氧锰
请指出该电池的正、负极，写出电极反应式。
负极（Zn）：
正极：
负极
正极
0
+2
+4
+3
Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-
电池的电极反应式的书写步骤：
1 、找到总反应，标化合价，判断正负极
2 、确定正负极的反应物及生成物，及得失e-
3 、电荷守恒（左右补H+还是OH-）
4 、用H2O配平（H或O原子守恒）
使用后的废弃电池中含有大量的重金属、酸和碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。
2. 一种银锌纽扣电池（构造示意图见1-12）的电极分别为 Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，发生氧化还原反应后生成Ag和ZnO，请写出该电池的电极反应式和电池总反应式。
负极反应式：
正极反应式：
电池反应式：
Zn+Ag2O=ZnO+2Ag
Zn-2e-+2OH-=ZnO+H2O
Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-
二、二次电池
又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。
特点：
常见的充电电池:
铅蓄电池(最常见的二次电池)
镍镉电池、镍氢电池、银锌 电池、锂电池和锂离子电池(新型二次电池)
1、铅蓄电池
性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电，所以在生产和生活中使用广泛，如汽车等机动车辆多数使用这种蓄电池。
铅蓄电池的缺点是比能量低
废弃后会污染环境等。
铅蓄电池放电反应为原电池反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
放
电
总反应
负极
?
正极
?
工作原理：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Pb +?SO42-﹣2e- = PbSO4
?
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O
?
电解质
随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。
铅蓄电池充电反应为放电反应的逆过程（电解池反应）
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
充
电
总反应
阴极
?
阳极
?
工作原理：
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +4H+ + 2SO42-
PbSO4 +2e- = Pb +?SO42?
?
PbSO4 +2H2O-2e- = PbO2 + 4H+ + SO42?
?
在电能转化为化学能的装置中，人们常将发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。
充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。即“负极接负极，正极接正极”。
3Zn+2K2FeO4+8H2O
3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH
放电
充电
负极
正极
阴极
阳极
0
+2
+3
+6
6e-
6e-
原电池
电解池
6e-
1.铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：
Fe＋Ni2O3＋3H2O=Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。
下列有关该电池的说法不正确的是（ ）
A.电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为Fe
B.电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－=Fe(OH)2
C.电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D.电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－=Ni2O3＋3H2O
C
Fe(OH)2＋2e－=Fe＋2OH－
判断电池的正、负极，是解题的关键。
2、新型二次电池
随着信息技术的发展，为了适应移动通信、便携式电脑和各种电子产品等的广泛使用，科研工作者不断研制出小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。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。
锂离子电池的构成及工作原理
与其他化学电池一 样 ， 锂离子电池也是由正极 、负极和电解质溶液三部分组成的 。正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4，也称磷酸亚铁锂）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。研究表明，将纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在传统的石墨、纳米碳管里面，可以极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。
电解质溶液是锂离子的载体，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子移动通道。
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。
以钴酸锂-石墨锂电池为例，放电时的电极反应式可表示如下：
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
碳素材料
磷酸铁锂
三、燃料电池
（1）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。
（2）燃料电池的能量转换效率远高于普通燃料燃烧的能量转换效率，应用燃料电池的发电站，具有能量转换效率高、废弃物排放少、运行噪音小等优点。
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。
特点：
分别写出下列碱性氢氧燃料电池的电极反应式和电池总反应式。
电池总反应式：
负极
正极
2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
2H2+O2=2H2O
碱性溶液电极反应式不能出现H＋
燃料电池汽车的工作原理
2.甲烷除了直接用作燃料之外，还可以用于燃料电池。甲烷燃料电池是以铂为电极，以KOH溶液为电解质溶液，在两极区分别通入CH4和O2即可产生电流。下列叙述中正确的是（ ）
A. 通甲烷的电极为正极
B. 正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－
C. 通甲烷的电极的电极反应式为CH4＋2O2＋4e－=CO2＋2H2O
D. 负极的电极反应式为CH4＋10OH－－8e－=CO32－＋7H2O
BD
如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法：
第一步　确定生成物
第四步　最后据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
（1）碱性溶液：
（2）酸性溶液：
（3）能传导O2-的固体介质：
（4）熔融碳酸盐介质：
O2+4e-+2H2O=4OH-
O2+ 4e-+ 4H+=2H2O
O2 + 4e-= 2O2－
O2 +4e- +2CO2= 2CO32－
燃料电池中不同介质环境下的正极反应
{5940675A-B579-460E-94D1-54222C63F5DA}电解质环境
酸性
碱性
固体氧化物
熔融碳酸盐
环境离子
H+
OH-
O2-
CO32-
3.固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)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（ ）
A.有O2参加反应的电极a为电池的负极
B.电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－=H2O
C.电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－
D.该电池的总反应式为2H2＋O2=2H2O
D
化学电源
一次电池
二次电池（放电、充电）
燃料电池

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