第2课时 化学电源(基础课)
学习任务 1．通过搜集、观察生活中常见的化学电源，了解化学电源的分类及废旧电池的处理方法等。 2．通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理，电极构成及简单的电极反应式书写与判断，构建认知模型。
旧知回顾 1．只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。 2．根据2Fe3+＋Cu===2Fe2+＋Cu2+设计原电池： (1)电极反应分别是①负极：Cu－2e－===Cu2+；②正极：2Fe3+＋2e－===2Fe2+。 (2)根据电池反应设计装置图或。 3．常见化学电池 (1)干电池：属于 一次电池，如锌锰干电池。 (2)充电电池：又称 二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。 (3)燃料电池：能量转换效率高、能长时间提供电能。
一、化学电源
1．概念：是将化学能直接转化为电能的实用装置。
2．分类
3．化学电池的回收利用
使用后的废弃电池中含有大量的重金属离子和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。
二、常见化学电源
1．锌锰干电池
项目 酸性锌锰干电池 碱性锌锰干电池
电极 锌筒作负极，石墨作正极
电解质 氯化铵和氯化锌 氢氧化钾
电 极 反 应 负 极 Zn－2e－===Zn2+ Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
正 极 ＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
电池 反应 Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===2NH3＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH
2．铅蓄电池
(1)电极材料
(2)电解质溶液：H2SO4溶液。
(3)原理
(4)特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量电池释放的电能少。
3．氢氧燃料电池
(1)原理(电极反应及电池反应)。
项目 酸性燃料电池 碱性燃料电池
电极 石墨电极材料
电解质 H3PO4等 KOH等
电 极 反 应 负 极 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正 极 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池反应 2H2＋O2===2H2O
(2)特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)手机、手提电脑使用的电池为一次电池。 (×)
(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。 (×)
(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。 (×)
(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。 (√)
(5)氢氧燃料电池的两电极不参与反应，而是氢气和氧气分别在两极发生反应。 (√)
二次电池的工作原理
一种碳纳米管(里面储存有H2)二次电池的装置如图所示。
1．放电时的电极反应如何书写？
提示：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
2．充电时的电极反应如何书写？
提示：阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O
3．电池反应方程式如何书写？电池充电时，外接电源的负极连接二次电池的哪个电极？
提示：H2＋2NiOOH2Ni(OH)2。阴极。
1．可充电电池的思维模型
充电时电极连接可简记：负接负，正接正。
2．可充电电池电极反应式的特点
放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；
放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。
【例1】 为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
D [A项，三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，镍元素化合价升高，失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，锌元素化合价升高，失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动，错误。]
[母题发散]
(1)放电一段时间后，电池中的电解质溶液的浓度怎样变化？
(2)放电过程中正极区和负极区溶液的酸碱性怎样变化？
提示：(1)浓度增大。因为电池在放电过程中消耗水，导致溶液的浓度增大。
(2)根据电极反应式可以判断正极区溶液的碱性增强，负极区溶液的碱性减弱。
1．我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na－CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na 2Na2CO3＋C。下列说法正确的是( )
A．放电时向正极移动
B．充电时吸收CO2，放电时释放CO2
C．放电时，正极反应为＋C
D．充电时，阳极反应为Na＋＋e－===Na
C [电池放电时向负极移动，A项错误；结合总反应可知放电时需吸收CO2，而充电时释放CO2，B项错误；放电时，正极CO2得电子被还原生成单质C，即电极反应为＋C，C项正确；充电时阳极发生氧化反应，即C被氧化生成CO2，D项错误。]
2．一种锂硫电池的总反应为16Li＋S88Li2S，该电池的装置如图甲所示，充、放电过程中物质的转化关系如图乙所示。该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．放电时，M电极的电势比N电极的高
B．放电时，Li＋通过阳离子交换膜到达M电极附近
C．充电时，M极反应式为8Li2S－16e－===S8＋16Li＋
D．充电时，1 mol Li2S4转化为Li2S6电路中通过2 mol 电子
[答案] D
常见燃料电池的比较
设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2-。
1．该电池放电时的电池总反应如何书写？
提示：该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。
2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？
提示：该电池的正极是氧气得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2-。负极失去电子发生氧化反应。
3．固体电解质里的O2-的移动方向是怎样的？
提示：原电池中阴离子O2-向负极移动。
4．若分别用KOH溶液和稀硫酸代替固体电解质，则放电时负极电极反应如何书写？
提示：＋47H2O；C9H20＋18H2O－56e－===9CO2＋56H＋。
1．常见的四种典型燃料电池
名称 电解质 电极反应和总反应
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
2．燃料电池电极反应式的书写
正极 通入的气体一般是氧气。 (1)在酸性溶液中，其电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O； (2)在碱性及中性溶液中，其电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－； (3)在熔融碳酸盐中，其电极反应为
负极 通入的是燃料。书写步骤：确定还原剂(燃料)和氧化产物→ 确定转移电子数→据电荷守恒确定离子种类及系数→据原子守恒确定缺项物质种类及系数
【例2】 原电池是化学对人类的一项重大贡献。
(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物做电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，其负极反应为－4e－===4CO2。
①正极反应是________________________________________________________；
②电池总反应是______________________________________________________。
解析：(1)甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原反应，故正极电极反应为，根据正极反应与负极反应可推知电池总反应为2CO＋O2===2CO2。
答案：(1)①a ＋7H2O ②减小 ②2CO＋O2===2CO2
1．硫化氢－空气质子交换膜燃料电池实现了发电、环保的有效结合，已知：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l) ΔH＝，下列说法正确的是( )
A．电子从电极b流出，经负载流向电极a
B．当电极a的质量增加64 g时，电池内部释放632 kJ的热能
C．电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．标准状况下，每11.2 L H2S参与反应，有1 mol H＋经质子固体电解质膜进入负极区
C [电极a上H2S失电子生成S2，为电池的负极，电极b上氧气得电子生成水，为正极，电子由负极流向正极，A错误； 当电极a的质量增加64 g时，即生成1 mol S2(s)，反应中化学能主要转化为电能，则电池内部释放的热能远小于632 kJ，B错误； 该电池是质子固体作电解质，所以电极b反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，C正确； 由电极反应式2H2S－4e－===4H＋＋S2可知，标准状况下，每11.2 L H2S 物质的量为＝0.5 mol，0.5 mol H2S 参与反应，有1 mol H＋经质子固体电解质膜进入正极区，D错误。]
2．常用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．电子从左侧Pt电极经导线转移到右侧Pt电极
B．该电池工作时质子从左池经质子交换膜向右池迁移
C．负极反应式：CH3CH2OH－4e－＋4OH－===CH3COOH＋3H2O
D．每消耗标准状况下2.24 L O2时理论上生成 0.1 mol CH3COOH
[答案] C
3．书写甲烷燃料电池在不同环境下的电极反应式。
(1)酸性条件
总反应式：_________________________________________________________；
正极反应式：_______________________________________________________；
负极反应式：_______________________________________________________。
(2)碱性条件
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
[答案] (1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O 2O2＋8H＋＋8e－===4H2O CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
＋3H2O 2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ ＋7H2O
(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O 2O2＋8e－===4O2- CH4＋4O2-－8e－===CO2＋2H2O
(4)CH4＋2O2===CO2＋2H2O －8e－===5CO2＋2H2O
1．化学电源分一次电池、可充电电池、燃料电池。 2．可充电电池充电时电极连接“负接负，正接正”。放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。 3．燃料电池是燃料(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。燃料在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。
1．电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是( )
A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
C [锌锰干电池中碳棒并不参加反应，A项错误；氢氧燃料电池是将化学能直接转变为电能，B项错误；太阳能电池的主要材料是高纯度的单质硅，故D项错误。]
2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其电极材料分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列叙述正确的是( )
A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大
B．在使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应
C [根据电极反应可知Zn失电子被氧化，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，故C正确；负极(即Zn极)在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；发生原电池反应时，电子由负极经外电路流向正极，即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极，故B错误；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。]
3．氟离子电池是目前新型电池的一个重要研究方向。某全固态电解质的氟离子电池放电时的示意图如图所示，下列有关说法正确的是( )
A．放电时，a极发生氧化反应，b极发生还原反应
B．充电时，a极接电源负极，b极接电源正极
C．放电时，a极电势比b极低
D．充电时，外电路每通过1 mol e－，固体电解质中有1 mol F－移动向a极
D [如图所示，放电时，a极上发生还原反应，则a极为正极；b极上发生氧化反应，则b极为负极，A错误；放电时，a极为正极，b极为负极，则充电时，a极接电源正极，b极接电源负极，B错误；放电时，a极为正极，b极为负极，则a极电势比b极高，C错误；充电时，a极为阳极，电极反应为Bi＋3F－－3e－===BF3，则外电路每通过1 mol e－，固体电解质中有1 mol F－移动向a极，D正确。]
4．直接煤－空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少
B．负极上发生的反应有－4e－===3CO2↑、
C．电极X为负极，O2-向电极X迁移
D．直接煤－空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高
A [该燃料电池中电极Y为正极，电极反应为O2＋4e－===2O2-；电极X是负极，电极反应为，总反应式为C＋O2===CO2，因此氧化物电解质的量不会减少，故A项错误，B项正确；电极X为负极，原电池内部的阴离子向负极移动，C项正确；该燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，故该燃料电池的能量效率更高，故D项正确。]
5．燃料电池是利用燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、NH3等)与O2反应从而将化学能转化为电能的装置。
(1)甲烷燃料电池(NaOH溶液作电解质溶液)的负极反应为_____________________________________________________________________，
正极反应为_________________________________________________________，
放电过程中溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)某公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如图所示，下列有关说法正确的是___________________________________________(填字母)。
a．电池工作时，Na＋向负极移动
b．电子由电极2经外电路流向电极1
c．电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O
d．电极2发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
[答案] ＋7H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 减小
(2)c
数智分层作业(五) 化学电源
(选择题每小题只有一个选项符合题目要求，选择题每小题3分，本试卷共40分)
1．下列关于化学能转化为电能的四种装置，说法正确的是( )
A．电池Ⅰ中锌是正极
B．电池Ⅱ是一次电池
C．电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应
D．电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒
D [电池Ⅰ中锌是负极，铜是正极，A错误；电池Ⅱ为铅蓄电池，属于二次电池，B错误；电池Ⅲ为氢氧燃料电池，H2在负极失去电子发生氧化反应，C错误；电池Ⅳ为锌锰干电池，锌为负极，碳棒为正极，电子由负极沿导线流向正极，D正确。]
2．如图是一种新型锂电池原理示意图，下列有关叙述正确的是( )
A．a为电池正极
B．外电路中电流从a流向b
C．离子交换膜为阳离子交换膜
D．b电极处，O2失电子生成OH－
C [Li失电子，为电池负极，A错误；电流方向与电子流动方向相反，故外电路中电流从b流向a，B错误；由题图可知，Li＋可穿过离子交换膜，故为阳离子交换膜，C正确；由题图可知，O2得电子生成OH－，D错误。]
3．流动电池是一种新型电池，其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动，在电池外部调节电解质溶液，以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。某大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应为Cu＋PbO2＋2H2SO4===CuSO4＋PbSO4＋2H2O。下列说法不正确的是( )
A．a为负极，b为正极
B．该电池工作时，PbO2电极附近溶液的pH增大
C．a极的电极反应为Cu－2e－===Cu2+
D．调节电解质溶液的方法是补充CuSO4
[答案] D
4．被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片作为传导体，在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰。纸内的离子“流过”水与氯化锌组成的电解液。电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。下列说法正确的是( )
A．该电池的正极为锌
B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用
C．当0.1 mol Zn完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.204×1023
D．电池正极反应为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－
D [由电池总反应可知，二氧化锰为氧化剂而不是催化剂，锌为还原剂，应为原电池的负极，A、B错误；电子只能经外电路流动，电解液内电流的形成是阴、阳离子的定向移动，C错误；电池负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，用电池总反应减去负极反应得正极反应为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－，D正确。]
5．(10分)铅蓄电池是典型的可充电电池，它的正负极格板均是惰性材料，电池总反应式为2PbSO4＋2H2O。
请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：
(1)放电时，正极的电极反应是_________________________________________
_____________________________________________________________________；
电解液中H2SO4的浓度将变____________；当外电路通过1 mol电子时，理论上负极板的质量增加________g。(4分)
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成________、B电极上生成________，此时铅蓄电池的正负极的极性将________。(6分)
[答案] ===PbSO4＋2H2O 小 48 (2)Pb PbO2 对换
6．某课题组基于钾离子电池特性，设计并合成了一种VN－NPs/N－CNFs复合材料，并将其应用于钾离子电池的电极，放电时该电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N。下列有关说法中错误的是( )
A．放电时，在Al电极区发生的是氧化反应
B．该电池的溶剂不能为水
C．放电时，电解质中的K＋向Cu电极区移动
D．放电时，每转移1 mol e－，Cu电极区质量减少39 g
D [以VN－NPs/N－CNFs和K/KFe[Fe(CN)6]的钾离子电池，放电时铜电极区发生的电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N，故放电时Cu电极为正极，Al电极为负极。在Al电极区发生的是氧化反应，A正确；电池中含有钾，钾性质活泼能与水反应，故该电池的溶剂不能为水，B正确；放电时，Al电极为负极，钾离子向正极移动，即放电时，电解质中的K＋向Cu电极区移动，C正确；放电时，铜电极区发生的电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N，每转移1 mol e－，Cu电极区质量增加39 g，D错误。]
7．结合K2Cr2O7溶液，可利用微生物电化学技术实现将含乙醛的废水有效处理，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是( )
A．该反应在高温下，反应速率加快
B．右侧电极为负极，发生氧化反应
C．当有0.3 mol e－通过电解质溶液，将有0.1 mol Cr(OH)3生成
D．左侧电极反应为CH3CHO＋3H2O－10e－===2CO2↑＋10H＋
D [该反应是利用微生物电化学技术，微生物在高温下活性会降低，高温下，反应速率反而会减慢，A错误；右侧Cr元素的化合价降低，得到电子，故右侧电极为正极，发生还原反应，B错误；电子只能从负极沿外电路到达正极，不能通过电解质溶液，C错误；左侧是乙醛在微生物上失去电子被氧化成CO2，结合质量守恒定律，则电极反应为CH3CHO＋3H2O－10e－===2CO2↑＋10H＋，D正确。]
8．(12分)(1)锂水电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，加入水即可放电，总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 。(3分)
①锂水电池放电时，OH－向______________________________________极移动。
②写出该电池放电时正极的电极反应：___________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)有学者想以如图所示装置用原电池原理将SO2转化为重要的化工原料，其负极反应为_____________________________________________________________
________________________________________________________________。(2分)
(3)Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。(7分)
①电池的负极材料为____________，发生的电极反应为_____________________
_____________________________________________________________________。
②电池正极发生的电极反应为__________________________________________
_____________________________________________________________________。
③组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是____________________
_____________________________________________________________________。
[答案] (1)①负 ②2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ ＋4H＋ (3)①Li Li－e－===Li＋ ②2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2 ③构成电池的电极材料Li能和氧气、水反应，且电解液SOCl2也与水反应
1/1第2课时 化学电源(基础课)
学习任务 1．通过搜集、观察生活中常见的化学电源，了解化学电源的分类及废旧电池的处理方法等。 2．通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理，电极构成及简单的电极反应式书写与判断，构建认知模型。
旧知回顾 1．只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。 2．根据2Fe3+＋Cu===2Fe2+＋Cu2+设计原电池： (1)电极反应分别是①负极：Cu－2e－===Cu2+；②正极：2Fe3+＋2e－===2Fe2+。 (2)根据电池反应设计装置图或。 3．常见化学电池 (1)干电池：属于 一次电池，如锌锰干电池。 (2)充电电池：又称 二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。 (3)燃料电池：能量转换效率高、能长时间提供电能。
一、化学电源
1．概念：是将____能直接转化为__能的实用装置。
2．分类
3．化学电池的回收利用
使用后的废弃电池中含有大量的__________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。废弃电池要进行回收利用。
二、常见化学电源
1．锌锰干电池
项目 酸性锌锰干电池 碱性锌锰干电池
电极 ____作负极，____作正极
电解质 氯化铵和氯化锌 氢氧化钾
电 极 反 应 负 极 Zn－2e－===Zn2+ Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O
正 极 ＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
电池 反应 Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===2NH3＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH
2．铅蓄电池
(1)电极材料
(2)电解质溶液：_______溶液。
(3)原理
(4)特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量电池释放的电能少。
3．氢氧燃料电池
(1)原理(电极反应及电池反应)。
项目 酸性燃料电池 碱性燃料电池
电极 石墨电极材料
电解质 H3PO4等 KOH等
电 极 反 应 负 极 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正 极 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池反应 2H2＋O2===2H2O
(2)特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)手机、手提电脑使用的电池为一次电池。 ( )
(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。 ( )
(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。 ( )
(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。 ( )
(5)氢氧燃料电池的两电极不参与反应，而是氢气和氧气分别在两极发生反应。 ( )
二次电池的工作原理
一种碳纳米管(里面储存有H2)二次电池的装置如图所示。
1．放电时的电极反应如何书写？
2．充电时的电极反应如何书写？
3．电池反应方程式如何书写？电池充电时，外接电源的负极连接二次电池的哪个电极？
1．可充电电池的思维模型
充电时电极连接可简记：负接负，正接正。
2．可充电电池电极反应式的特点
放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；
放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。
【例1】 为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。
下列说法错误的是( )
A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高
B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)
C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)
D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区
[母题发散]
(1)放电一段时间后，电池中的电解质溶液的浓度怎样变化？
(2)放电过程中正极区和负极区溶液的酸碱性怎样变化？
1．我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na－CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na 2Na2CO3＋C。下列说法正确的是( )
A．放电时向正极移动
B．充电时吸收CO2，放电时释放CO2
C．放电时，正极反应为＋C
D．充电时，阳极反应为Na＋＋e－===Na
2．一种锂硫电池的总反应为16Li＋S88Li2S，该电池的装置如图甲所示，充、放电过程中物质的转化关系如图乙所示。该装置工作时，下列叙述错误的是( )
A．放电时，M电极的电势比N电极的高
B．放电时，Li＋通过阳离子交换膜到达M电极附近
C．充电时，M极反应式为8Li2S－16e－===S8＋16Li＋
D．充电时，1 mol Li2S4转化为Li2S6电路中通过2 mol 电子
常见燃料电池的比较
设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2-。
1．该电池放电时的电池总反应如何书写？
2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？
3．固体电解质里的O2-的移动方向是怎样的？
4．若分别用KOH溶液和稀硫酸代替固体电解质，则放电时负极电极反应如何书写？
1．常见的四种典型燃料电池
名称 电解质 电极反应和总反应
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
2．燃料电池电极反应式的书写
正极 通入的气体一般是氧气。 (1)在酸性溶液中，其电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O； (2)在碱性及中性溶液中，其电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－； (3)在熔融碳酸盐中，其电极反应为
负极 通入的是燃料。书写步骤：确定还原剂(燃料)和氧化产物→ 确定转移电子数→据电荷守恒确定离子种类及系数→据原子守恒确定缺项物质种类及系数
【例2】 原电池是化学对人类的一项重大贡献。
(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物做电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，其负极反应为－4e－===4CO2。
①正极反应是________________________________________________________；
②电池总反应是______________________________________________________。
1．硫化氢－空气质子交换膜燃料电池实现了发电、环保的有效结合，已知：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l) ΔH＝，下列说法正确的是( )
A．电子从电极b流出，经负载流向电极a
B．当电极a的质量增加64 g时，电池内部释放632 kJ的热能
C．电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．标准状况下，每11.2 L H2S参与反应，有1 mol H＋经质子固体电解质膜进入负极区
2．常用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示。下列说法不正确的是( )
A．电子从左侧Pt电极经导线转移到右侧Pt电极
B．该电池工作时质子从左池经质子交换膜向右池迁移
C．负极反应式：CH3CH2OH－4e－＋4OH－===CH3COOH＋3H2O
D．每消耗标准状况下2.24 L O2时理论上生成 0.1 mol CH3COOH
3．书写甲烷燃料电池在不同环境下的电极反应式。
(1)酸性条件
总反应式：_________________________________________________________；
正极反应式：_______________________________________________________；
负极反应式：_______________________________________________________。
(2)碱性条件
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应式：__________________________________________________________；
正极反应式：________________________________________________________；
负极反应式：________________________________________________________。
1．化学电源分一次电池、可充电电池、燃料电池。 2．可充电电池充电时电极连接“负接负，正接正”。放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。 3．燃料电池是燃料(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。燃料在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。
1．电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是( )
A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能
C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其电极材料分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列叙述正确的是( )
A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大
B．在使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应
3．氟离子电池是目前新型电池的一个重要研究方向。某全固态电解质的氟离子电池放电时的示意图如图所示，下列有关说法正确的是( )
A．放电时，a极发生氧化反应，b极发生还原反应
B．充电时，a极接电源负极，b极接电源正极
C．放电时，a极电势比b极低
D．充电时，外电路每通过1 mol e－，固体电解质中有1 mol F－移动向a极
4．直接煤——空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少
B．负极上发生的反应有－4e－===3CO2↑、
C．电极X为负极，O2-向电极X迁移
D．直接煤——空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高
5．燃料电池是利用燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、NH3等)与O2反应从而将化学能转化为电能的装置。
(1)甲烷燃料电池(NaOH溶液作电解质溶液)的负极反应为_____________________________________________________________________，
正极反应为_________________________________________________________，
放电过程中溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)某公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如图所示，下列有关说法正确的是___________________________________________(填字母)。
a．电池工作时，Na＋向负极移动
b．电子由电极2经外电路流向电极1
c．电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2O
d．电极2发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
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