专题05 化学能与电能（教材深度精讲）
【核心素养分析】
1、宏观辨识与微观探析:能辨识简单原电池的构成要素，并能分析原电池的工作原理。
2、变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；并伴有能量的转化；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。
3、证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。
4、科学态度与社会责任：能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
【知识导图】
【目标导航】
高考对本专题的考查主要围绕着原电池工作原理及应用进行命题。往往以新型能源电池或燃料电池为载体，考查电极的判断、电极反应的书写、电子或电流的方向、判断金属活动性强弱、设计原电池、溶液pH的变化或计算，或应用电化学原理解释某些化学现象等。本节主要以选择题、填空题形式出现，分值选择题4-6分，填空题2-4分。
【重难点精讲】
一、火力发电——化学能间接转化为电能
1.火力发电的原理：通过化石燃料燃烧，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽
以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。
2.能量转化过程：
3.火力发电的弊端
①化石燃料属于不可再生能源，用化石燃料发电会造成能源的浪费。
②火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。
③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质（如S02、C0、N0x、粉尘等)，污染环境。
二、原电池——化学能直接转化为电能
1、原电池的定义：将化学能转变为电能的装置叫做原电池。
2、原电池的工作原理
（1）【实验6-3】（必修第二册，P36）
实验装置
实验原理 锌片（负极）：Zn－2e-=Zn2+（氧化反应）；铜片（正极）：2H++2e－=H2↑（还原反应）； 总反应：2H++Zn=H2↑+Zn2+（工作原理如上右图）
实验用品 锌片、铜片、稀硫酸；导线、电流表、烧杯。
实验步骤 (1)将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。 (2)用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象 (3)如图所示，用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表的指针是否偏转。
实验现象 (1)当锌片与铜片插入稀硫酸时，锌片上有气泡产生，铜片上无气泡产生； (2)当用导线将锌片和铜片相连后，铜片上有气泡产生： (3)串联电流表后，电流表指针发生偏转。
实验结论 锌--铜--稀硫酸构成了原电池装置，产生了电流，化学能转化为电能。
实验说明 形成原电池后锌片表面有少量气体产生，可能原因：一是锌片不纯，自身构成了微电池；二是锌片与H+直接接触发生氧化还原反应产生 H2（化学能转化为电能损耗）。
归纳总结：
电极材料 电极名称 电子转移 电极反应式 反应类型
锌 负极 电子流出 Zn－2e－===Zn2＋ 氧化反应
铜 正极 电子流入 2H＋＋2e－===H2↑ 还原反应
总离子反应式 Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
注：(1)原电池工作原理相当于将氧化还原反应中电子通过用电器转移，产生电能，因此原电池的作用为将化学能转化成电能。
(2)电子的流向：电子由负极经导线流向正极。反应本质：原电池反应的本质是氧化还原反应。
(3)离子移动方向：阴离子向负极移动(如SO)，阳离子向正极移动(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
3、原电池的组成条件
(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极，提供两个活泼性不同的电极，分别作负极和正极。
注：a、负极：活泼性强的金属，该金属失电子，发生氧化反应。
b、正极：活泼性弱的金属或非金属(常用碳棒、石墨)，该电极上得电子，发生还原反应。
c、得失电子的反应为电极反应，上述原电池中的电极反应为：
负极：Zn－2e－＝Zn2+ 正极：2H＋＋2e－＝H2↑，总反应：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑
(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：
①电解质溶液；
②两电极直接或间接接触；
③两电极插入电解质溶液中。
注：电源内部电解质溶液中，阳离子移动的方向即是电流的方向，所以阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
4、原电池的正、负极的判断方法
（1）根据电极材料：较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
（2）根据电流方向或电子流动方向：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。
（3）根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。
（4）根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。
（5）根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。
注：在判断电流方向时，要注意电源的内电路和外电路的电流方向的不同：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极。
5、原电池电极反应式的书写
（1）需标出正负极及电极材料。
（2）遵循三大守恒（电子得失守恒、质量守恒、电荷守恒）。
（3）电池的电极反应书写要满足所处的电解质溶液的酸碱性环境。例如在氢氧燃料电池的电极反应书写中，在碱性环境中O2得电子后的产物写OH-比写H2O更合适，在传导O2-的固体电解质中，O2得电子后的产物写O2-比写OH-更合适。
（4）电池的电极反应式可以直接写，也可以将总电池反应减去某一极反应得到另一极反应。减的时候要注意不要在负（正）极出现正（负）极得（失）电子的物质。
以氢氧燃料电池为例：
方法一：直接写。
负极电极反应式书写：
酸性介质中：H2失电子为负极，产物写成H+就可以。负极：2H2-4e-=4H+
碱性介质中：H2失电子的产物写成H+就不合适了，写成H2O更合适，根据电荷守恒，左边补OH-。负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O
正极电极反应式书写：
酸性介质中：O2得电子，根据电荷守恒再补4H+，产物写成H2O：正极：O2+4H++4e-=2H2O
碱性介质中：O2得电子，产物写成OH-更合适，根据元素守恒，左边以H2O来补。正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
方法二：用总反应。
总反应：2H2+O2=2H2O 减去负极反应：2H2-4e-=4H+，将负极中失电子的H2抵消掉，可得酸性条件下的正极反应。
注：①书写的原则是：按照负极发生氧化反应、正极发生还原反应的规律，正确判断出两极物质反应生成的产物，然后结合电解质溶液所能提供的离子，结合质量守恒定律、电荷守恒配平各电极式，两电极反应式相加则得总反应式。结合具体的情况，我们可以概括为以下两种情况：a.根据两个电极反应式，写出总反应式，使两个电极式得失电子数相等后，将两式相加，消去相同的部分。若电解质为弱电解质，在相加时应把离子改为相应的弱电解质。b.根据总反应式，写电极反应式一般分四个步骤：列物质，标得失；选离子，配电荷；配个数，巧用水；两式加，验总式。
②写电极反应式时应注意：
a.两极得失电子数相等。
b.电极反应式常用“”，不用“”。
c.电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”。
三、原电池原理的应用
1.制作化学电源。
人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能燃料电池等，以满足不同的需要。
从理论上说，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池制作化学电源。
①拆分反应：将自发的氧化还原反应分成两个半反应。
②选择电极材料：将还原剂（一般为比较活泼的金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极——石墨棒、铂片作负极。
③构成闭合回路：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。如果两个半反应分别在两个容器进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。
④画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。
2.比较金属的活动性。
原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。例如，有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，A为负极，B为正极，金属活动性A＞B。
3.加快氧化还原反应速率。
实验室用Zn和稀H2SO4（或稀HCl）反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快，原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4的溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。如果用纯锌，可以在稀H2SO4溶液中加入少量的CuSO4溶液，也同样会加快产生H2的速率，原因是Cu2++Zn=Cu+Zn2+，生成的Cu和Zn在稀H2SO4溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2的速率加快。
注：原电池为什么能加快化学反应速率？
以Fe与稀H2SO4溶液的反应为例说明。如下图所示：
甲中，Fe失去e－，变为Fe2+，Fe2+进入溶液，排斥了Fe片周围的H+，H+欲得电子须突破Fe2+形成的屏障，因而受到阻碍。乙中，Fe失去e－，e－转移到Cu片上，Cu片一侧没有Fe2+屏障，H+得e－不受阻碍，故其化学反应速率较快。
4.金属防腐蚀：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。
四、常见的几种化学电源
1、实用电池应具有的特点是：
能产生稳定且具有较高电压的电流；安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生的影响较小。
2、常用原电池
（1）干电池
干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充 ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂（吸收正极放出的H2，防止产生极化现象）。
电极反应：
负极：Zn＝Zn2+＋2e－
正极：2NH4+＋2e－＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O
正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+
淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。
电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O
干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。
（2）充电电池
充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电）、再由电能转变为化学能（充电）的循环。
①铅蓄电池
铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。
放电电极反应：
负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)；
正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l)
充电电极反应：
阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)；
阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq)
电池总反应式：
Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)2PbSO4(s) +2H2O(l)
铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。
缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。
②银锌蓄电池
银锌蓄电池是形似干电池的充电电池，其负极为锌，正极为附着Ag2O的银，电解液为40%的KOH溶液。电极反应：
放电电极反应：
负极：Zn-2e－+2OH-＝Zn(OH)2
正极：Ag2O+2e－+ H2O＝2Ag +2OH-
充电电极反应：
阳极：2Ag +2OH-－2e－= Ag2O+ H2O；
阴极：Zn(OH)2+2e－= Zn+2OH-
电池总反应式：
Zn + Ag2O + H2OZn(OH)2+2Ag
③锂电池
元素周期表中IA族的锂（Li）——最轻的金属，也是活动性极强的金属，是制造电池的理想物质。锂电池是新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。
电极反应为：
负极：Li－e- ＝Li＋
正极：MnO2＋Li＋ ＋e- ＝LiMnO2
总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2
（3）燃料电池
①氢氧燃料电池：氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为：
负极：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e－，
正极：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O
②甲烷氧燃料电池：该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为：
负极：CH4＋10OH－＝CO32－＋7H2O＋8e－
正极：2O2＋4H2O＋8e－＝8OH－
电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O
注：a.燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂（如O2）反应所放出的热能直接转变为电能。
b.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。
c.燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳，
d.燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。
（4）海水电池：1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，用作航海标志灯的电源。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。电极反应式为：
负极：4Al＝4Al3＋＋12e－
正极：3O2＋6H2O＋12e－＝12OH－
这种海水电池的能量比干电池高20～50倍。
（5）发展中的化学电源：当今发展新型化学电源，不仅要在其高比能量、高比容量、长寿命方面取得长足的进步，而且更重要的是向“绿色电池”方向发展。除了前面介绍的锂电池、燃料电池外，还有可充式镍氢电池，它的化学成分主要由镍和稀土组成，不含汞，无污染，是“绿色电池”的佼佼者。它可连续充放电500次，每次充放电成本低，而且减少了对环境的汞污染。
五、废旧电池的问题
1、废旧电池的主要危害
我们日常所用的普通干电池，主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类，它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等。重金属对环境造成严重污染，威胁着人类的健康。
金属种类 危害的表现
锰 过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱。较重者出现两腿发沉，语言单调，表情呆板，感情冷漠，常伴有精神症状。
锌 锌盐能使蛋白质沉淀，对皮肤黏膜有刺激作用。当在水中浓度超过10～50mg/L时有致癌危险，可能引起化学性肺炎。
铅 铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官。能抑制血红蛋白的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴幼儿影响甚大，它会导致儿童发育迟缓，慢性铅中毒可导致儿童智力低下。
镍 镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强的毒性，能损害中枢神经系统，引起血管变异，严重者导致癌症。
汞 汞是重金属污染物中最需注意的，对人的危害，确实不浅。长期以来，我国在生产干电池时，加入了这种有毒的物质——汞或汞的化合物，其碱性干电池中汞的含量达到1%～5%，中性干电池为0.025%。汞具有明显的神经毒性，此外对内分泌系统、免疫系统等也有不良的影响。1953年，发生在日本九州岛的震惊世界的水俣病事件，给人类敲响了汞污染的警钟。
镉 镉是人体不需要的元素，人体中的镉是出生后从外界环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。慢性中毒的临床表现为肺气肿、骨质改变和贫血。日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高的米和水而发生疼痛病（骨痛病），主要病变为骨软化，疼痛始于下肢，后遍及全身至卧床不起。
2、废旧电池的回收利用
干电池中有Zn、Cu、C、MnO2、ZnCl2、NH4Cl、炭黑、石墨等单质和化合物。通过一系列的基本操作，可回收上述物质，用以补充部分化学实验的试剂。
Zn——用剪刀除去废电池外皮，洗净后剪碎晾干，即得锌片，可用于实验室制H2。如想得到锌粒，可将锌片放入铁坩埚中加强热使之熔化（Zn熔点410.6℃），熔化时会有少量ZnO白烟生成，熔化后除去浮渣，倒出冷却。依上法再熔化一次，倒在铁板上，在其凝固过程中将其割碎，即得锌粒。
铜片——把废旧电池上的铜帽取下砸扁，用煮沸的稀H2SO4洗涤，用水洗净晾干，得紫红色铜片。
碳棒——从废旧电池中取出，洗净即可，可用于电解池的电极。
氯化铵——洗涤干电池中黑色糊状物时，其不溶于水的物质基本是MnO2，氯化铵则溶于水中，将溶液过滤得澄清溶液，加热、蒸发、浓缩、结晶，即得氯化铵晶体。
【研究与实践】《了解车用能源》【研究任务】参考答案：
（1）汽车发展的过程和车用能源种类：蒸汽机汽车，所用能源为矿物燃料；内燃机汽车，所用能源有矿物燃料、乙醇等；燃料电池汽车，所用能源有氢气、甲烷等；电动汽车，所用能源是电能；太阳能汽车，所用能源是太阳能。
（2）①2H2+O22H2O CH4+2O2CO2+2H2O
2C8H18+25O216CO2+18H2O C2H5OH+3O22CO2+3H2O
②几种燃料燃烧相同质量时放出热量多少（用热值表示）的比较
物质 热值（103kJ/mol）
酒精 30.2
柴油 42.7
汽油 46.1
氢气 142.5
甲烷 55.6
在储存和运输方面，液态燃料优于气态燃料。
③从来源方面说，氢气和酒精都是可再生能源，柴油、汽油和甲烷都是不可再生能源；从环保方面来看，最好的是氢气，其次是酒精和甲烷，柴油和汽油较差。
(3)蒸汽机：化学能→内能→机械能；内燃机：化学能→内能→机械能；燃料电池：化学能→电能。这三种能量转化，在技术上都是可行的，但能量转化效率是然料电池最大，蒸汽机最小。
【结果与讨论】参考答案：
(1)选择氢气作为燃料，直接将化学能转化为电能。选择燃料时应考虑以下因素：①是否产生污染性气体；②是否易于点燃；③价格是多少；④使用是否安全；⑤是否易于贮存和运输；⑥能释放多少热量等。
(2)启示：随着人类需求、社会发展与环境要求之间的矛盾，我们在提高人类生活水平的同时，既要考虑生活质量、生产成本，又要兼顾环境污染和可持续发展的“绿色化学”理念。
【典题精练】
考点1、考查原电池的工作原理
例1．（2022春·海南儋州·高一校考期中）下列有关原电池的说法中正确的是
A．在外电路中，电子由负极经导线流向正极
B．在内电路中，电子由正极经电解质溶液流向负极
C．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生
D．原电池工作时，一定不会伴随着热能变化
【解析】A．外电路中电子由负极流向正极，A正确；B．在内电路中,是阴、阳离子移动，B错误；C．原电池工作时，正极上一般是溶液中的阳离子得电子，则正极表面可能有气泡产生，也可能生成金属单质，C错误；D．原电池工作时，化学能转化为电能，同时可能会伴随着热能变化，D错误。故选A。
【答案】A
【误区警示】规避原电池工作原理的3个失分点
(1)原电池闭合回路的形成有多种方式，可以是导线连接两个电极，也可以是两电极相接触。
(2)电解质溶液中阴、阳离子的定向移动，与导线中电子的定向移动共同组成了一个完整的闭合回路。
(3)无论在原电池还是在电解池中，电子均不能通过电解质溶液。
考点2、考查原电池正负极的判断及电极反应式的书写
例2．（2022春·河南商丘·高一校联考期末）分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是
A．①②中Mg作负极
B．③④中Fe作负极
C．②中正极的电极反应式为
D．④中正极的电极反应式为
【解析】A．铝与氢氧化钠溶液反应，镁与氢氧化钠溶液不反应，装置②中铝做原电池的负极，镁做正极，故A错误；B．铁在浓硝酸中发生钝化，阻碍反应的继续进行，铜能与浓硝酸反应，装置③中铜做原电池的负极，铁做正极，故B错误；
C．装置②中铝做原电池的负极，镁做正极，水在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子和氢气，电极反应式为，故C正确；D．装置④中，金属性强的的铁做原电池的负极，铜做正极，水在正极得到电子发生还原反应生成氢氧根离子和氢气，电极反应式为，故D错误；故选C。
【答案】C
【名师归纳】判断原电池正、负极的方法
说明：原电池的正极和负极与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关，不要形成活泼电极一定作负极的思维定势。
考点3、考查原电池原理的应用
例3.（2022春·上海杨浦·高一校考期末）某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目。
(1)方案Ⅰ：有人提出将大小相等的铁片和铜片同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为_________________________。
(2)方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式______________________________________。
方案Ⅲ：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案(与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同)：_________________________________________________；用离子方程式表示其反应原理：_______________________________________________。
【解析】(1)方案Ⅰ：根据铁与酸的反应分析并写出离子方程式；(2)方案Ⅱ：根据正负极上得失电子写出电极反应式；(3)方案Ⅲ：根据铁、铜之间的置换反应设计。
(1)方案Ⅰ：金属的活动性越强，与酸反应越剧烈，产生H2的速率越快，Fe能与H＋反应生成H2：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，Cu不与H＋反应，无明显现象，所以Fe的活动性大于Cu的。
(2)方案Ⅱ：利用原电池中相对活泼金属失去电子为原电池负极，相对不活泼的金属为原电池的正极来判断金属活动性的相对强弱，正极上氢离子得电子生成氢气，反应还原反应，电极反应式为2H++2e ===H2↑；负极上铁失电子生成二价铁离子，发生氧化反应，电极反应式为Fe 2e ===Fe2+；用铁、铜作电极，稀硫酸作电解质溶液设计原电池，铁的金属性比铜强，所以铁作负极，铜作正极，电子从负极沿导线流向正极：；(3)方案Ⅲ：可根据活动性强的金属能将活动性弱的金属从其盐溶液中置换出来设计实验，设计方法如下：将铁片置于CuSO4溶液中，一段时间后观察Fe表面有红色的金属铜析出，即可以证明金属铁的活泼性强于金属铜的；反应原理为：铁和铜离子发生氧化还原反应生成铜和二价铁离子，反应的离子方程式为：Fe+Cu2+═Fe2++Cu。
【答案】(1)Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)正极反应：2H＋＋2e－===H2↑；负极反应：Fe－2e－===Fe2＋
(3)把铁片插入CuSO4溶液中，一段时间后，观察铁片表面是否生成红色物质
Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu
【方法技巧】利用原电池原理比较A、B两种金属活泼性的方法：将A、B两种金属用导线连接后，插入到稀硫酸中，一段时间后，若观察到A溶解，而B上有气体放出，则说明A作负极，B作正极，即可以断定金属活泼性A>B。
考点4、考查新型电池——可充电电池的工作原理
例4．（2022春·陕西延安·高一校考期末）科学家近年发明了一种新型Zn－CO2水介质可充电电池，放、充电时可以实现CO2和HCOOH的互相转化。其电池结构如图所示，电池中间由反向放置的双极膜分隔两极的电解质溶液，双极膜中的H2O可解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列关于该电池的说法错误的是
A．放电时锌箔电极的反应式为：Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)
B．若放电时外电路通过1mol电子，则理论上通过双极膜向两极迁移的离子数为2NA
C．若膜A和A'、B和B'分别为阳、阴离子交换膜，则放电时膜A、B工作
D．充电时Pd电极的反应式为：HCOOH+2OH--2e-=CO2+2H2O
【解析】该电池放电时锌箔作为原电池负极，发生氧化反应，电极反应式为，Pd作为电池正极，发生还原反应，电极反应式为。充电时，原来的负极作为充电时的阴极，正极作为充电时的阳极。A．放电时锌箔作负极，失电子，电极反应式为，故A正确；B．若放电时外电路通过1mol电子，则理论上有1mol移向负极，1mol移向正极，总计移向两极的离子总数为，故B正确；C．若膜A和A'、B和B'分别为阳、阴离子交换膜，放电时为原电池，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，双极膜中解离的通过A'(阳离子膜)向正极移动和通过B'(阴离子膜)向负极移动，此时工作的为膜A'、B'，故C错误；D．充电时为电解池，Pd电极作阳极，双极膜中水解离的向阳极移动，其电极反应式为，故D正确；
故选C。
【答案】C
【解题技巧】4方面突破可充电电池
考点5、考查新型电池——燃料电池的工作原理
例5．（2023·广东·高一学业考试）如图所示为氢氧燃料电池原理示意图。下列叙述不正确的是
A．a电极(通入氢气)是负极
B．b电极(通入氧气)是负极
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
【解析】氢氧燃料电池中通入燃料H2的一极为负极，电极反应为：H2-2e-=2H+，通入O2等氧化剂的一极为正极，电极反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-。A．由分析可知，a电极(通入氢气)是负极，A正确；B．由分析可知，b电极(通入氧气)是正极，B错误；C．氢氧燃料电池的产物是水，环保无污染，能源利用率高，且氢来源广泛，是一种具有应用前景的绿色电源，C正确；D．由图可知，氢氧燃料电池可以在正负极分别通氧气和氢气，则是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏电池内的新型发电装置，D正确；故答案为：B。
【答案】B
【解题规律】特定燃料电池电极反应式的书写与判断
第一步：写出电池总反应式。
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质：NaOH溶液)的反应式为
CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ②
①式＋②式得燃料电池总反应式为CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。
第二步：写出电池的正极反应式。
根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，电解质溶液不同，其电极反应有所不同，其实，我们只要熟记以下四种情况：
(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境下电极反应式：O2＋4e－===2O2－。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式：O2＋2CO2＋4e－===2CO。
第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式。电池的总反应式－电池正极反应式＝电池负极反应式。注意在将两个反应式相减时，要约去正极的反应物O2。
注：在燃料电池中，通入燃料的电极均为负极，通入空气或氧气的电极均为正极；对于燃料电池，要注意的是：即使燃料相同，如电解质溶液不同，电极反应式可能不同，如氢氧燃料电池，在酸性介质和碱性介质中的电极反应式就不同。专题05 化学能与电能（教材深度精讲）
【核心素养分析】
1、宏观辨识与微观探析:能辨识简单原电池的构成要素，并能分析原电池的工作原理。
2、变化观念与平衡思想：认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应；并伴有能量的转化；能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换。
3、证据推理与模型认知：能利用典型的原电池装置，分析原电池原理，建立解答原电池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。
4、科学态度与社会责任：能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
【知识导图】
【目标导航】
高考对本专题的考查主要围绕着原电池工作原理及应用进行命题。往往以新型能源电池或燃料电池为载体，考查电极的判断、电极反应的书写、电子或电流的方向、判断金属活动性强弱、设计原电池、溶液pH的变化或计算，或应用电化学原理解释某些化学现象等。本节主要以选择题、填空题形式出现，分值选择题4-6分，填空题2-4分。
【重难点精讲】
一、火力发电——化学能间接转化为电能
1.火力发电的原理：通过化石燃料燃烧，使化学能转化为热能，加热水使之汽化为蒸汽
以推动蒸汽轮机，带动发电机发电。
2.能量转化过程：
3.火力发电的弊端
①化石燃料属于不可再生能源，用化石燃料发电会造成能源的浪费。
②火力发电的过程中，能量经过多次转化，利用率低，能量损失大。
③化石燃料燃烧会产生大量的有害物质（如S02、C0、N0x、粉尘等)，污染环境。
二、原电池——化学能直接转化为电能
1、原电池的定义：将化学能转变为电能的装置叫做原电池。
2、原电池的工作原理
（1）【实验6-3】（必修第二册，P36）
实验装置
实验原理 锌片（负极）：Zn－2e-=Zn2+（氧化反应）；铜片（正极）：2H++2e－=H2↑（还原反应）； 总反应：2H++Zn=H2↑+Zn2+（工作原理如上右图）
实验用品 锌片、铜片、稀硫酸；导线、电流表、烧杯。
实验步骤 (1)将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。 (2)用导线连接锌片和铜片，观察、比较导线连接前后的现象 (3)如图所示，用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，观察电流表的指针是否偏转。
实验现象 (1)当锌片与铜片插入稀硫酸时，锌片上有气泡产生，铜片上无气泡产生； (2)当用导线将锌片和铜片相连后，铜片上有气泡产生： (3)串联电流表后，电流表指针发生偏转。
实验结论 锌--铜--稀硫酸构成了原电池装置，产生了电流，化学能转化为电能。
实验说明 形成原电池后锌片表面有少量气体产生，可能原因：一是锌片不纯，自身构成了微电池；二是锌片与H+直接接触发生氧化还原反应产生 H2（化学能转化为电能损耗）。
归纳总结：
电极材料 电极名称 电子转移 电极反应式 反应类型
锌 负极 电子流出 Zn－2e－===Zn2＋ 氧化反应
铜 正极 电子流入 2H＋＋2e－===H2↑ 还原反应
总离子反应式 Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑
注：(1)原电池工作原理相当于将氧化还原反应中电子通过用电器转移，产生电能，因此原电池的作用为将化学能转化成电能。
(2)电子的流向：电子由负极经导线流向正极。反应本质：原电池反应的本质是氧化还原反应。
(3)离子移动方向：阴离子向负极移动(如SO)，阳离子向正极移动(如Zn2＋和H＋，溶液中H＋在正极上得电子形成氢气在铜片上冒出)。
3、原电池的组成条件
(1)一看反应：看是否有能自发进行的氧化还原反应发生(一般是活泼性强的金属与电解质溶液反应)。
(2)二看两电极：一般是活泼性不同的两电极，提供两个活泼性不同的电极，分别作负极和正极。
注：a、负极：活泼性强的金属，该金属失电子，发生氧化反应。
b、正极：活泼性弱的金属或非金属(常用碳棒、石墨)，该电极上得电子，发生还原反应。
c、得失电子的反应为电极反应，上述原电池中的电极反应为：
负极：Zn－2e－＝Zn2+ 正极：2H＋＋2e－＝H2↑，总反应：Zn＋H2SO4＝ZnSO4＋H2↑
(3)三看是否形成闭合回路，形成闭合回路需三个条件：
①电解质溶液；
②两电极直接或间接接触；
③两电极插入电解质溶液中。
注：电源内部电解质溶液中，阳离子移动的方向即是电流的方向，所以阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。
4、原电池的正、负极的判断方法
（1）根据电极材料：较活泼的金属为负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
（2）根据电流方向或电子流动方向：电流是由正极流向负极的，电子是由负极流向正极的。
（3）根据离子移动方向：阳离子移向正极，阴离子移向负极。
（4）根据电极反应类型：发生氧化反应的为负极，发生还原反应的为正极。
（5）根据电极上反应现象：如电极粗细的变化、质量的变化、是否有气泡产生等。
注：在判断电流方向时，要注意电源的内电路和外电路的电流方向的不同：在电源的外电路电流由正极流向负极，在电源的内电路电流由负极流向正极。
5、原电池电极反应式的书写
（1）需标出正负极及电极材料。
（2）遵循三大守恒（电子得失守恒、质量守恒、电荷守恒）。
（3）电池的电极反应书写要满足所处的电解质溶液的酸碱性环境。例如在氢氧燃料电池的电极反应书写中，在碱性环境中O2得电子后的产物写OH-比写H2O更合适，在传导O2-的固体电解质中，O2得电子后的产物写O2-比写OH-更合适。
（4）电池的电极反应式可以直接写，也可以将总电池反应减去某一极反应得到另一极反应。减的时候要注意不要在负（正）极出现正（负）极得（失）电子的物质。
以氢氧燃料电池为例：
方法一：直接写。
负极电极反应式书写：
酸性介质中：H2失电子为负极，产物写成H+就可以。负极：2H2-4e-=4H+
碱性介质中：H2失电子的产物写成H+就不合适了，写成H2O更合适，根据电荷守恒，左边补OH-。负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O
正极电极反应式书写：
酸性介质中：O2得电子，根据电荷守恒再补4H+，产物写成H2O：正极：O2+4H++4e-=2H2O
碱性介质中：O2得电子，产物写成OH-更合适，根据元素守恒，左边以H2O来补。正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
方法二：用总反应。
总反应：2H2+O2=2H2O 减去负极反应：2H2-4e-=4H+，将负极中失电子的H2抵消掉，可得酸性条件下的正极反应。
注：①书写的原则是：按照负极发生氧化反应、正极发生还原反应的规律，正确判断出两极物质反应生成的产物，然后结合电解质溶液所能提供的离子，结合质量守恒定律、电荷守恒配平各电极式，两电极反应式相加则得总反应式。结合具体的情况，我们可以概括为以下两种情况：a.根据两个电极反应式，写出总反应式，使两个电极式得失电子数相等后，将两式相加，消去相同的部分。若电解质为弱电解质，在相加时应把离子改为相应的弱电解质。b.根据总反应式，写电极反应式一般分四个步骤：列物质，标得失；选离子，配电荷；配个数，巧用水；两式加，验总式。
②写电极反应式时应注意：
a.两极得失电子数相等。
b.电极反应式常用“”，不用“”。
c.电极反应式中若有气体生成，需加“↑”；若有固体生成，一般不标“↓”。
三、原电池原理的应用
1.制作化学电源。
人们利用原电池原理，将化学能直接转化为电能，制作了多种电池，如干电池、蓄电池、充电电池、高能燃料电池等，以满足不同的需要。
从理论上说，任何一个自发的氧化还原反应都可以设计成原电池制作化学电源。
①拆分反应：将自发的氧化还原反应分成两个半反应。
②选择电极材料：将还原剂（一般为比较活泼的金属）作负极，活泼性比负极弱的金属或非金属导体作正极。如果还原剂不是金属而是其它还原性物质，可选择惰性电极——石墨棒、铂片作负极。
③构成闭合回路：电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应(如溶解于溶液中的空气)。如果两个半反应分别在两个容器进行（中间连接盐桥），则两个容器中的电解质溶液应含有与电极材料相同的金属的阳离子。
④画装置图：结合要求及反应特点，画出原电池装置图，标出电极材料名称、正负极、电解质溶液等。
2.比较金属的活动性。
原电池中，一般活动性强的金属为负极，活动性弱的金属为正极。例如，有两种金属A和B，用导线连接后插入到稀硫酸中，观察到A极溶解，B极上有气泡产生，由原电池原理可知，A为负极，B为正极，金属活动性A＞B。
3.加快氧化还原反应速率。
实验室用Zn和稀H2SO4（或稀HCl）反应制H2，常用粗锌，它产生H2的速率快，原因是粗锌中的杂质和锌、稀H2SO4的溶液形成原电池，加快了锌的腐蚀，使产生H2的速率加快。如果用纯锌，可以在稀H2SO4溶液中加入少量的CuSO4溶液，也同样会加快产生H2的速率，原因是Cu2++Zn=Cu+Zn2+，生成的Cu和Zn在稀H2SO4溶液中形成原电池，加快了锌的腐蚀，产生H2的速率加快。
注：原电池为什么能加快化学反应速率？
以Fe与稀H2SO4溶液的反应为例说明。如下图所示：
甲中，Fe失去e－，变为Fe2+，Fe2+进入溶液，排斥了Fe片周围的H+，H+欲得电子须突破Fe2+形成的屏障，因而受到阻碍。乙中，Fe失去e－，e－转移到Cu片上，Cu片一侧没有Fe2+屏障，H+得e－不受阻碍，故其化学反应速率较快。
4.金属防腐蚀：使被保护的金属制品作原电池正极而得到保护。如要保护一个铁质的输水管道或钢铁桥梁等，可用导线将其与一块锌块相连，使锌作原电池的负极。
四、常见的几种化学电源
1、实用电池应具有的特点是：
能产生稳定且具有较高电压的电流；安全、耐用且便于携带；能够适用于特殊用途；便于回收处理，不污染环境或对环境产生的影响较小。
2、常用原电池
（1）干电池
干电池即普通的锌锰电池，它是用锌制的圆筒形外壳作负极，位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极，圆筒内填充 ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂（吸收正极放出的H2，防止产生极化现象）。
电极反应：
负极：Zn＝Zn2+＋2e－
正极：2NH4+＋2e－＝2NH3＋H2，H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O
正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝［Zn(NH3)4］2+
淀粉糊的作用：提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。
电池总反应式为：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2＝［Zn(NH3)4］Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O
干电池的电压通常约为1.5V，携带方便，但放完电后不能再用，污染较严重。
（2）充电电池
充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的是氧化还原反应，在充电时可以逆向进行（一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电），使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能（放电）、再由电能转变为化学能（充电）的循环。
①铅蓄电池
铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上附着一层棕褐色PbO2，负极板上是海绵状金属铅，两极均浸在密度为1.28g·cm-3、浓度为30%的硫酸溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。
放电电极反应：
负极：Pb(s)+SO42－(aq)－2e－＝PbSO4(s)；
正极：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)+2e－＝PbSO4(s)+2H2O(l)
充电电极反应：
阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)－2e－=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42－(aq)；
阴极：PbSO4(s)+2e－=Pb(s)+SO42－(aq)
电池总反应式：
Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq)2PbSO4(s) +2H2O(l)
铅蓄电池的优点：电动势高，电压稳定，使用范围宽，原料丰富，价格便宜。
缺点：笨重，防震性差，易溢出酸液，维护不便，携带不便等。
②银锌蓄电池
银锌蓄电池是形似干电池的充电电池，其负极为锌，正极为附着Ag2O的银，电解液为40%的KOH溶液。电极反应：
放电电极反应：
负极：Zn-2e－+2OH-＝Zn(OH)2
正极：Ag2O+2e－+ H2O＝2Ag +2OH-
充电电极反应：
阳极：2Ag +2OH-－2e－= Ag2O+ H2O；
阴极：Zn(OH)2+2e－= Zn+2OH-
电池总反应式：
Zn + Ag2O + H2OZn(OH)2+2Ag
③锂电池
元素周期表中IA族的锂（Li）——最轻的金属，也是活动性极强的金属，是制造电池的理想物质。锂电池是新一代可充电的绿色电池，已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。
电极反应为：
负极：Li－e- ＝Li＋
正极：MnO2＋Li＋ ＋e- ＝LiMnO2
总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2
（3）燃料电池
①氢氧燃料电池：氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极，但具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为40%的KOH溶液。电极反应式为：
负极：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e－，
正极：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
电池的总反应式为：2H2＋O2＝2H2O
②甲烷氧燃料电池：该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为：
负极：CH4＋10OH－＝CO32－＋7H2O＋8e－
正极：2O2＋4H2O＋8e－＝8OH－
电池总反应式：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O
注：a.燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂（如O2）反应所放出的热能直接转变为电能。
b.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。
c.燃料电池如果以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳，
d.燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂，使反应能连续进行。
（4）海水电池：1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，用作航海标志灯的电源。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。电极反应式为：
负极：4Al＝4Al3＋＋12e－
正极：3O2＋6H2O＋12e－＝12OH－
这种海水电池的能量比干电池高20～50倍。
（5）发展中的化学电源：当今发展新型化学电源，不仅要在其高比能量、高比容量、长寿命方面取得长足的进步，而且更重要的是向“绿色电池”方向发展。除了前面介绍的锂电池、燃料电池外，还有可充式镍氢电池，它的化学成分主要由镍和稀土组成，不含汞，无污染，是“绿色电池”的佼佼者。它可连续充放电500次，每次充放电成本低，而且减少了对环境的汞污染。
五、废旧电池的问题
1、废旧电池的主要危害
我们日常所用的普通干电池，主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类，它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等。重金属对环境造成严重污染，威胁着人类的健康。
金属种类 危害的表现
锰 过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱。较重者出现两腿发沉，语言单调，表情呆板，感情冷漠，常伴有精神症状。
锌 锌盐能使蛋白质沉淀，对皮肤黏膜有刺激作用。当在水中浓度超过10～50mg/L时有致癌危险，可能引起化学性肺炎。
铅 铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官。能抑制血红蛋白的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴幼儿影响甚大，它会导致儿童发育迟缓，慢性铅中毒可导致儿童智力低下。
镍 镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强的毒性，能损害中枢神经系统，引起血管变异，严重者导致癌症。
汞 汞是重金属污染物中最需注意的，对人的危害，确实不浅。长期以来，我国在生产干电池时，加入了这种有毒的物质——汞或汞的化合物，其碱性干电池中汞的含量达到1%～5%，中性干电池为0.025%。汞具有明显的神经毒性，此外对内分泌系统、免疫系统等也有不良的影响。1953年，发生在日本九州岛的震惊世界的水俣病事件，给人类敲响了汞污染的警钟。
镉 镉是人体不需要的元素，人体中的镉是出生后从外界环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。慢性中毒的临床表现为肺气肿、骨质改变和贫血。日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高的米和水而发生疼痛病（骨痛病），主要病变为骨软化，疼痛始于下肢，后遍及全身至卧床不起。
2、废旧电池的回收利用
干电池中有Zn、Cu、C、MnO2、ZnCl2、NH4Cl、炭黑、石墨等单质和化合物。通过一系列的基本操作，可回收上述物质，用以补充部分化学实验的试剂。
Zn——用剪刀除去废电池外皮，洗净后剪碎晾干，即得锌片，可用于实验室制H2。如想得到锌粒，可将锌片放入铁坩埚中加强热使之熔化（Zn熔点410.6℃），熔化时会有少量ZnO白烟生成，熔化后除去浮渣，倒出冷却。依上法再熔化一次，倒在铁板上，在其凝固过程中将其割碎，即得锌粒。
铜片——把废旧电池上的铜帽取下砸扁，用煮沸的稀H2SO4洗涤，用水洗净晾干，得紫红色铜片。
碳棒——从废旧电池中取出，洗净即可，可用于电解池的电极。
氯化铵——洗涤干电池中黑色糊状物时，其不溶于水的物质基本是MnO2，氯化铵则溶于水中，将溶液过滤得澄清溶液，加热、蒸发、浓缩、结晶，即得氯化铵晶体。
【研究与实践】《了解车用能源》【研究任务】参考答案：
（1）汽车发展的过程和车用能源种类：蒸汽机汽车，所用能源为矿物燃料；内燃机汽车，所用能源有矿物燃料、乙醇等；燃料电池汽车，所用能源有氢气、甲烷等；电动汽车，所用能源是电能；太阳能汽车，所用能源是太阳能。
（2）①2H2+O22H2O CH4+2O2CO2+2H2O
2C8H18+25O216CO2+18H2O C2H5OH+3O22CO2+3H2O
②几种燃料燃烧相同质量时放出热量多少（用热值表示）的比较
物质 热值（103kJ/mol）
酒精 30.2
柴油 42.7
汽油 46.1
氢气 142.5
甲烷 55.6
在储存和运输方面，液态燃料优于气态燃料。
③从来源方面说，氢气和酒精都是可再生能源，柴油、汽油和甲烷都是不可再生能源；从环保方面来看，最好的是氢气，其次是酒精和甲烷，柴油和汽油较差。
(3)蒸汽机：化学能→内能→机械能；内燃机：化学能→内能→机械能；燃料电池：化学能→电能。这三种能量转化，在技术上都是可行的，但能量转化效率是然料电池最大，蒸汽机最小。
【结果与讨论】参考答案：
(1)选择氢气作为燃料，直接将化学能转化为电能。选择燃料时应考虑以下因素：①是否产生污染性气体；②是否易于点燃；③价格是多少；④使用是否安全；⑤是否易于贮存和运输；⑥能释放多少热量等。
(2)启示：随着人类需求、社会发展与环境要求之间的矛盾，我们在提高人类生活水平的同时，既要考虑生活质量、生产成本，又要兼顾环境污染和可持续发展的“绿色化学”理念。
【典题精练】
考点1、考查原电池的工作原理
例1．（2022春·海南儋州·高一校考期中）下列有关原电池的说法中正确的是
A．在外电路中，电子由负极经导线流向正极
B．在内电路中，电子由正极经电解质溶液流向负极
C．原电池工作时，正极表面一定有气泡产生
D．原电池工作时，一定不会伴随着热能变化
考点2、考查原电池正负极的判断及电极反应式的书写
例2．（2022春·河南商丘·高一校联考期末）分析下图所示的四个原电池装置，其中结论正确的是
A．①②中Mg作负极
B．③④中Fe作负极
C．②中正极的电极反应式为
D．④中正极的电极反应式为
考点3、考查原电池原理的应用
例3.（2022春·上海杨浦·高一校考期末）某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案。请你帮助他们完成有关实验项目。
(1)方案Ⅰ：有人提出将大小相等的铁片和铜片同时放入稀硫酸(或稀盐酸)中，观察产生气泡的快慢，据此确定它们的活动性。该原理的离子方程式为_________________________。
(2)方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性。试在下面的方框内画出原电池装置图，标出原电池的电极材料和电解质溶液，并写出电极反应式______________________________________。
方案Ⅲ：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案(与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同)：_________________________________________________；用离子方程式表示其反应原理：_______________________________________________。
考点4、考查新型电池——可充电电池的工作原理
例4．（2022春·陕西延安·高一校考期末）科学家近年发明了一种新型Zn－CO2水介质可充电电池，放、充电时可以实现CO2和HCOOH的互相转化。其电池结构如图所示，电池中间由反向放置的双极膜分隔两极的电解质溶液，双极膜中的H2O可解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列关于该电池的说法错误的是
A．放电时锌箔电极的反应式为：Zn-2e-+4OH-=Zn(OH)
B．若放电时外电路通过1mol电子，则理论上通过双极膜向两极迁移的离子数为2NA
C．若膜A和A'、B和B'分别为阳、阴离子交换膜，则放电时膜A、B工作
D．充电时Pd电极的反应式为：HCOOH+2OH--2e-=CO2+2H2O
考点5、考查新型电池——燃料电池的工作原理
例5．（2023·广东·高一学业考试）如图所示为氢氧燃料电池原理示意图。下列叙述不正确的是
A．a电极(通入氢气)是负极
B．b电极(通入氧气)是负极
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
