第2课时　化学电源

新课情境呈现 

现在，各种各样的电池特别多，像手电筒上用的干电池，手机上用的锂电池，汽车上用的蓄电池，还有新型环保公交车上的燃料电池等，种类繁多。你知道化学电池是怎样分类的吗？

电源是能够实际应用的原电池。作为化学电源的电池有一次电池、可充电电池和燃料电池等。一次电池只能放电不能充电，使用后即弃去，因此可能造成环境污染。可充电电池也称为二次电池，可以反复充电和放电，是电池发展的一个重要方向。

课前素能奠基 

新知预习　　 

一、化学电池

化学电池是将__化学__能变成__电__能的装置。

1．化学电池的分类：

2．判断电池优劣的主要标准：

3．化学电池回收利用：废旧电池中含__重金属__和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。

二、一次电池

一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。一次电池不能充电，不能反复使用。

碱性锌锰电池与银锌电池比较

　种类

1．构造：

2．工作原理：

铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)  2PbSO4(s)＋2H2O(l)

3．铅蓄电池的优缺点：

(1)优点：性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电；生产生活中使用广泛。

(2)缺点：比能量低，废弃电池污染环境。

四、燃料电池

1．定义：把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。

2．氢氧燃料电池的结构：

3．氢氧燃料电池的工作原理。

负极：__H2__失电子；正极：__O2__得电子；电解质溶液：__氢氧化钾或稀硫酸__。

(1)能量转化率高。(2)污染__小__。

预习自测　　 

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)碱性锌锰电池、铅酸蓄电池、锂离子电池都属于二次电池。(　×　)

(2)二次电池充电时，化学能转化为电能。(　×　)

(3)二次电池充电时发生的反应不能自发进行。(　√　)

(4)某些导电非金属单质、某些导电金属氧化物都可作原电池的电极。(　√　)

(5)燃料电池工作时需要点燃条件才可发生。(　×　)

(6)燃料电池的燃料可以是氢气、烃、甲醇、氨等物质。(　√　)

(7)太阳能电池不属于原电池。(　√　)

2．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解液为硫酸，工作时的反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下面结论正确的是(　D　)

A．Pb为正极，被氧化　　    B．负极的质量逐渐减轻

C．SO只向PbO2处移动　　    D．电解液密度不断减小

解析：A项，由总反应式可知Pb化合价升高，被氧化，应为原电池负极，错误；B项，负极电极反应Pb＋SO－2e－===PbSO4可知，生成硫酸铅，质量增大，错误；C项，无论Pb还是PbO2最终都生成了PbSO4，所以SO既向Pb也向PbO2处移动，错误；D项，正极电极反应式为PbO2＋SO＋2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，生成水，密度减小，正确。

3．锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率，称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是(　B　)

A．两者正极材料不同

B．MnO2的放电产物可能是KMnO4

C．两者负极反应式均为Zn失电子

D．原电池中Zn与稀硫酸存在自行消耗的现象

解析：锌—铜—硫酸原电池的正极材料是金属铜，锌锰碱性干电池的正极材料是二氧化锰和碳粉，两者正极材料不同，故A正确；锌锰碱性干电池的正极材料是二氧化锰和碳粉，发生得电子的还原反应，元素的化合价应该降低，故B错误；锌—铜—硫酸原电池负极材料是金属锌，锌锰碱性干电池的负极材料是金属锌，两者负极上都是发生金属锌失电子的氧化反应，故C正确；锌—铜—硫酸可以构成原电池装置，金属锌和硫酸之间发生反应，化学能转化为电能，Zn与稀硫酸存在自行消耗的现象，故D正确。

4．电动汽车在改善城市交通、保护环境等方面的作用至关重要。下列说法不正确的是(　B　)

A．电动汽车的使用有助于减少氮氧化物的排放

B．燃油汽车也可以悬挂该标志

C．电动汽车使用时涉及化学能与电能的转换

D．电动汽车充电、放电过程均有电子转移

解析：推广使用电动汽车，能减少汽车尾气氮氧化物的排放，有利于保护环境，A项正确；此标志为电动汽车专用标志，B项错误；电动汽车充电过程中电能转为化学能，使用时化学能转化为电能，C项正确；电动汽车充、放电过程，均属于氧化还原反应，存在电子转移，D项正确。

课堂素能探究 

知识点 　化学电源电极判断与电极反应式书写

问题探究：

1．充电电池充电时的反应和放电时的反应是否为可逆反应？

2．铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g。(　√　)

3．铅蓄电池工作时SO向哪个电极移动？

探究提示：

1．提示：否，充电时和放电时反应条件不同。

2．提示：根据负极反应Pb－2e－＋SO===PbSO4，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重为0.05 mol SO的质量，即96 g·mol－1×0.05 mol＝4.8 g。

3．提示：向正极、负极都移动。

知识归纳总结：

1．二次电池充电时的电极连接：

(1)充电时的连接方法——正正负负，即：

(2)充电电池电极反应式的关系——负极颠倒得阴极，正极颠倒得阳极，即：

2．化学电源中电极反应式的书写：

方法一：根据装置书写电极反应式。

①先分析装置图，确定原电池的正负极上的反应物质。

②书写电极反应式：

—活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶

液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负

极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4

—阳离子得到电子生成单质(或低价离子)，或O2得

到电子，若是O2发生电极反应，则写法有以下两种情况：

a．电解质是碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－

b．电解质是酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O

③正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

方法二：根据电池总反应式，写电极反应式。

①标价态，定正负→根据元素化合价的变化情况确定正负极。

②列物质→判断电极的反应物、产物。

③标得失→分析化合价的升降，找出得失电子数。

④看环境，配守恒→配平电荷、配平原子。

方法三：充电电池电极反应式的书写方法。

①先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质。

②写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)

③在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。

④充电的电极反应与放电的电极反应过程相反。

典例1　我国科研人员研制出一种室温“可呼吸”Na－CO2电池。放电时该电池“吸入”CO2，充电时“呼出”CO2。“吸入”CO2时，其工作原理如图所示。吸收的全部CO2中，有2/3转化为Na2CO3固体沉积在多壁碳纳米管(MWCNT)电极表面。下列说法正确的是(　A　)

A．“吸入”CO2时，钠箔为负极

B．“吸入”CO2时的正极反应：4Na＋＋3CO2－4e－===2Na2CO3＋C

C．“呼出”CO2时，Na＋向多壁碳纳米管电极移动

D．每“呼出”22.4 L CO2，转移电子数为0.75

解析：A项，活泼金属钠是负极，正确；B项，“吸入”CO2时是原电池装置，正极发生还原反应，电极反应式为4Na＋＋3CO2＋4e－===2Na2CO3＋C，错误；C项，“呼出”CO2时，是电解池，电解池中，阳离子向阴极移动，Na＋向钠箔电极移动，错误；D项，标准状况下，22.4 L CO2的物质的量为1 mol，根据2Na2CO3＋C－4e－===4Na＋＋3CO2，每“呼出”1 mol CO2，转移电子数为mol，且题中没有给定标准状况下，无法计算，错误。

规律方法指导：

解答有关化学电源电极反应式书写试题的思维流程

〔变式训练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(　C　)

A．放电时，溶液中OH－移向负极

B．放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2

C．充电过程中，阴极附近溶液的pH降低

D．充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O

解析：电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，溶液中OH－移向负极，A项正确；放电时，Fe失电子再和OH－反应生成氢氧化亚铁，电极反应为Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，B项正确；充电过程中，阴极反应为：Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，有OH－离子生成，溶液的pH增大，C项错误；充电时，阳极上失电子发生氧化反应，电极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===N2O3＋3H2O，D项正确。

知识点 　形形色色的燃料电池

问题探究：

1．氢氧燃料电池如果用稀硫酸作电解质溶液，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将如何变化？溶液的pH将如何变化？

2．已知氢气可以在氯气中燃烧，根据燃料电池的原理，能否以该反应设计为燃料电池？

探究提示：

1．提示：减小。增大。反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，使溶液变稀，pH增大。

2．提示：能。氢气可以在氯气中发生自发的氧化还原反应。

知识归纳总结：

1．燃料电池的工作原理：

一般的燃料电池大多是可燃性物质(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。可燃性物质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。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。

2．有机燃料电池电极反应式书写方法：

电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。

如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。

第一步：确定生成物。

乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。

第二步：确定价态的变化及转移电子数。

乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为－2，CO中碳元素的化合价为＋4，故1 mol乙醇完全反应失去2×[4－(－2)]＝12 (mol)电子。

第三步：列出表达式。

C2H5OH＋＋OH－－12e－→CO＋H2O。

第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。

由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。

(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。

3．燃料电池的负极反应

(1)列变化。负极上燃料转化为燃烧产物。若电解质为碱性溶液，含碳或含硫燃料的燃烧产物还发生与碱溶液的反应。

(2)配守恒。用电解质溶液中的离子平衡电荷。阴离子(OH－、O2－、CO)在负极反应左侧，阳离子(H＋)在负极反应右侧。

4．常见的四种典型燃料电池：

A．通入氢气的电极发生氧化反应

B．碱性电解液中阳离子向通入氢气的方向移动

C．正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．放电过程中碱性电解液的OH－的物质的量不变

解析：A项，该电池工作时化学能转化为电能，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，正确；B项，阳离子向正极移动即通入氧气的一极移动，错误；C项，通入氧气的一极为原电池的正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，正确；D项，由图可知，氢氧燃料电池放电过程中，总反应为氢气和氧气反应生成水，则碱性电解液中氢氧根的物质的量不变，正确。

〔变式训练2〕有一种瓦斯分析仪(图甲)能够在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时，通过传感器显示出来，其装置如图乙所示，ab间充有固体电解质Y2ONa2O，允许O2－自由移动。下列叙述正确的是(　C　)

A．瓦斯分析仪工作时，电池内电路中，O2－由电极a流向电极b

B．电池外电路中电子由正极流向负极

C．电极a的反应式为CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

D．当固体电解质中有1 mol O2－通过时，电子转移4 mol

解析：A项，该原电池中，正极上氧气得电子发生还原反应，所以通入空气的电极b是正极，内电路中阴离子向负极移动，所以O2－由电极b流向电极a，错误；B项，电池外电路中电子从负极沿导线流向正极，错误；C项，a是负极，负极上甲烷失电子和O2－反应生成二氧化碳和水：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O，正确；D项，每个O原子得到2个电子生成O2－，所以当固体电解质中有1 mol O2－通过时，电子转移2 mol，错误。

名师博客呈现 

氢氧燃料电池中的电极反应

氢氧燃料电池的负极上发生的是氢气被氧化为H＋的反应，如果该反应是在碱性条件下进行的，生成的H＋瞬即与溶液中大量存在的OH－结合生成水。因此，实际发生的电极反应为：

H2＋2OH－－2e－===2H2O

如果在酸性条件或中性条件下，电极反应为：

H2－2e－===2H＋

类似地，在氢氧燃料电池的正极，氧气中氧元素被还原为－2价。通常情况下，－2价的氧原子在水溶液中不能存在，它只能存在于含氧化合物中。在氢氧燃料电池中，－2价的氧原子则只能存在于水分子和OH－中。如果是酸性条件，还原产生的－2价的氧原子与周围的H＋结合生成水，电极反应为：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

如果反应条件为中性或碱性，－2价的氧原子主要存在于OH－中，因此电极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

由此可见，书写电极反应式时，除了应该考虑反应前后有电子转移的元素的原子得失电子的情况外，还必须考虑这些元素形成的物质在溶液中的主要存在形式。下载本文