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第四章第二节

第二节　化学电源

[学习目标定位]　1.知道化学电源的分类方法。

2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。

3.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。

一　化学电池

1．原电池的设计与判断

（1）依据Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑设计原电池，可选用铁片作负极，铜片（或石墨）作正极，用导线连接后，置于电解质溶液稀硫酸中。

（2）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，也能构成原电池，其电极反应式：

负极为Cu－2e－===Cu2＋；正极为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

（3）若

（2）题中电极材料选铜和铁，则电极反应式：

负极为Fe－2e－===Fe2＋，正极为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，其电池总反应的离子方程式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。

以上三种电池并不能提供稳定的电流，为了能提供稳定的电流，人们根据原电池的原理，设计了多种多样的化学电池。

2．化学电池是将化学能转化成电能的装置。

其种类很多，常分为以下三类。

请你举出生活中常见的电池，并将其分类填入下表。

种类

特点（分类依据）

实例

一次电池

放完电以后不能再使用

普通锌锰电池、碱性锌锰电池

二次电池

充电、放电可循环进行

铅蓄电池、镍氢电池

燃料电池

可通过不断充入燃料、氧化剂，连续使用

氢氧燃料电池、CH4燃料电池

化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池（充电电池）、燃料电池（连续电池）。

使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，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。

1．下列说法错误的是（　　）

A．依据原电池的原理设计出了化学电源

B．原电池是化学电源的雏形

C．判断电池的正负极只需看其正负极材料的活泼性

D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源

答案　C

解析　判断电池的正、负极不仅与电极材料有关，还与电解质溶液有关。

2．下列说法中错误的是（　　）

A．化学电池是将化学能转变成电能的装置

B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等

C．化学电池供能稳定可靠，使用方便，易于维护

D．废旧电池可以随意丢弃

答案　D

二　常见的化学电池

1．一次电池

（1）碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液。

已知该电池总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2，则

①负极反应式：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，

②正极反应式：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

（2）锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。

试根据总反应式Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag判断：

①负极是Zn，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

②正极是Ag2O，电极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

2．二次电池

铅蓄电池是常见的二次电池，其负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。

已知铅蓄电池的放电反应和充电反应表示如下：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

（1）请你分析并写出铅蓄电池放电时的电极反应式

负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）；

正极：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）。

（2）放电过程中，电解质溶液的pH变大，理由是H2SO4不断被消耗，使c（H＋）减小，pH增大。

3．燃料电池

（1）氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料（H2）和氧化剂（O2），分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。

氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应

介质

负极反应式

正极反应式

酸性

2H2－4e－===4H＋

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

中性

2H2－4e－===4H＋

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

碱性

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。

1.常见化学电池的比较

（1）一次电池：

活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。

（2）二次电池：

两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。

（3）燃料电池：

两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。

2．书写化学电池中电极反应式注意的问题

（1）正确判断出化学电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

（2）确认电极得失电子后的产物是否能与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

（3）在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，无论该离子是强电解质提供的，还是弱电解质提供的，一律写离子符号。

（4）书写二次电池的电极反应式时，要注意判断充电方向与放电方向。

放电时的电极反应式倒过来即为充电时的电极反应式（注意电子的得失）。

3．某储氢的碳纳米管二次电池的工作原理如图，该电池的电解质为6mol·L－1的KOH溶液。

下列说法正确的是（　　）

A．放电过程中，碳纳米管的质量一直保持恒重

B．放电时正极附近溶液的pH减小

C．充电时阳极反应为NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－

D．该二次电池的工作原理为H2＋2NiO（OH）

2Ni（OH）2

答案　D

解析　利用图示可知放电时，储有氢气的碳纳米管中H2失电子发生氧化反应：

H2－2e－＋2OH－===2H2O，放电过程中，碳纳米管的质量不断减少，A项错误；正极上NiO（OH）得电子发生还原反应：

NiO（OH）＋e－＋H2O===Ni（OH）2＋OH－，放电时正极附近溶液的pH增大，B项错误；充电时阳极应发生氧化反应，C项错误；将正、负极的电极反应式相加可知电池工作原理为H2＋2NiO（OH）

2Ni（OH）2，D项正确。

总结提升　可充电电池电极反应的书写

书写可充电电池电极反应，一般都是先书写放电的电极反应。

书写放电的电极反应时，一般分三步书写：

第一，先标出原电池总反应电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应（书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存）；第三，在电子守恒的基础上，总反应减去已写出的电极反应即得另一电极反应。

充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。

4．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。

（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）环境下

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＋

（2）CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

（3）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋8e－===4O2－

CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

（4）CH4＋2O2===CO2＋2H2O

2O2＋4CO2＋8e－===4CO

CH4＋4CO

－8e－===5CO2＋2H2O

方法规律　

（1）书写燃料电池的总反应方程式时就相当于燃料燃烧，然后看一下产物与所用电解质是否能发生反应，若能发生反应，电解质溶液也参与反应，要写在总反应方程式中。

（2）燃料电池正极反应物是氧气，正极反应的本质都是氧气得电子生成O2－，发生还原反应，故正极反应式的基础都是O2＋4e－===2O2－。

（3）正极产生的O2－的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。

1．下列电池工作时，O2在正极放电的是（　　）

答案　B

解析　A项，锌锰电池，Zn是负极，MnO2为正极，所以正极放电的物质是MnO2；B项，氢燃料电池中，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，通入氧气的一极为原电池的正极；C项，铅蓄电池负极为Pb，正极为PbO2放电；D项，镍镉电池负极为Cd，正极为NiO（OH）放电。

2．某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液。

下列说法不正确的是（　　）

A．Zn为电池的负极

B．正极反应式为2FeO

＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2O

C．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大

D．电池工作时OH－向负极迁移

答案　B

解析　以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液的电池中，Zn为负极，发生反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，K2FeO4为正极，发生反应：

FeO

＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3＋5OH－，放电过程中有OH－生成，则电解质溶液的浓度增大，OH－向负极迁移，故A、C、D正确，B错误。

3．水溶液锂离子电池体系如图所示。

下列叙述错误的是（　　）

A．a为电池的正极

B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C．放电时，a极锂的化合价发生变化

D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移

答案　C

解析　图示所给出的是原电池装置。

A项，由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知，含有锂的一端为原电池的负极，即b为负极，a为正极，故正确；B项，电池充电时为电解池，反应式为原电池反应的逆反应，故正确；C项，放电时，a极为原电池的正极，发生还原反应的是Mn元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确；D项，放电时为原电池，锂离子为阳离子，应向正极（a极）迁移，故正确。

4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH，下列叙述不正确的是（　　）

A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

B．充电时阳极反应为Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO

＋4H2O

C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

D．放电时正极附近溶液的碱性增强

答案　C

解析　根据题给总反应式，高铁电池放电时必定是锌为负极失去电子，被氧化；高铁酸钾在正极得到电子，被还原。

充电时，阳极上氢氧化铁被氧化成高铁酸钾。

放电时正极附近生成OH－，碱性增强。

5．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Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。

请完成有关的电池反应式：

负极反应式：

2CO＋2CO

－4e－===4CO2；

正极反应式：

____________________________________________；

总电池反应式：

______________________________________________。

答案　

（1）①a　CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O　②减小　

（2）O2＋2CO2＋4e－===2CO

　2CO＋O2===2CO2

解析　

（1）CH4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）正极发生还原发应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。

[基础过关]

题组1　化学电池及处理

1．随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是（　　）

A．利用电池外壳的金属材料

B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C．防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品

D．回收其中石墨电极

答案　B

解析　汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。

题组2　一次电池

2．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。

北京化工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极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．调节电解质溶液的方法是补充CuSO4

答案　D

解析　A项，根据电池总反应可得铜为负极，PbO2为正极，正确；B项，该电池工作时，PbO2电极上发生的反应为PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O，消耗了溶液中的H＋，故溶液的pH增大，正确；C项，铜电极的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，正确；D项，反应生成了CuSO4，消耗了H2SO4，故应补充H2SO4，错误。

题组3　可充电电池

3．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

下列结论正确的是（　　）

A．Pb为正极被氧化

B．溶液的pH不断减小

C．SO

只向PbO2处移动

D．电解质溶液的密度不断减小

答案　D

解析　由题给电极反应可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，H2SO4浓度减小，溶液密度减小，所以B错，D对；由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极，所以A不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb极流向PbO2极；内电路中，负电荷（SO

和OH－）移向Pb极，所以C不正确。

4．目前人们正研究开发一种高能电池——钠硫电池，它以熔融的钠、硫为两极，以Na＋导电的β″Al2O3陶瓷作固体电解质，反应为2Na＋xS

Na2Sx。

以下说法正确的是（　　）

A．放电时，钠作正极，硫作负极

B．放电时，Na＋向负极移动

C．充电时，钠极与外电源正极相连，硫极与外电源的负极相连

D．放电时，负极发生的反应是：

2Na－2e－===2Na＋

答案　D

解析　放电时，负极失去电子发生氧化反应，正极得到电子发生还原反应，故钠作负极，硫作正极，A错误；放电时，阳离子向正极移动，B错误；充电时，钠极（负极）与外电源的负极相连，硫极（正极）与外电源的正极相连，C错误；放电时，负极发生氧化反应，D正确。

5．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6（x<1）。

下列关于该电池的说法不正确的是（　　）

A．放电时，Li＋在电解质中由负极向正极迁移

B．放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe－===xLi＋＋C6

C．充电时，若转移1mole－，石墨（C6）电极将增重7xg

D．充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋

答案　C

解析　放电时，负极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋C6，正极反应为Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2，A、B正确；充电时，阴极反应为xLi＋＋C6＋xe－===LixC6，转移1mole－时，石墨C6电极将增重7g，C项错误；充电时，阳极反应为放电时正极反应的逆反应：

LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋，D项正确。

题组4　燃料电池

6．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。

下列有关说法正确的是（　　）

A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动

B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气

C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O

D．正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

答案　C

解析　在原电池中，电解质溶液中的阳离子应向正极移动，A错；每消耗1molO2，转移4mol电子，若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗2.24LO2，B错；根据题意，电解质溶液呈酸性，正极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D错。

7.下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1mole－，消耗氧气0.25mol

答案　B

解析　电极反应式为

负极：

2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2＋12H＋

正极：

3O2＋12e－＋12H＋===6H2O，B错误；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1mol电子时，消耗O2为

＝0.25mol。

8．近年来AIST正在研制一种“高容量、低成本”锂－铜空气燃料电池。

该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O===2Cu＋2Li＋＋2OH－，下列说法不正确的是（　　）

A．放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动

B．放电时，负极的电极反应式为Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－

C．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O

D．整个反应过程中，铜相当于催化剂

答案　B

解析　根据放电时的反应判断锂电极是负极，铜电极是正极。

在电池内部阳离子移向正极，即Li＋透过固体电解质向Cu极移动，故A正确；负极发生失电子的氧化反应，故B错误；据图示和题干信息可知，通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O，放电时，负极生成铜，整个反应过程中，铜相当于催化剂，故C、D正确。

9．一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。

下列有关该电池的说法正确的是（　　）

A．反应CH4＋H2O

3H2＋CO，每消耗1molCH4转移12mol电子

B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O

C．电池工作时，CO

向电极B移动

D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO

答案　D

解析　A项，由化合价变化可知，每消耗1molCH4转移6mol电子；B项，电极A为负极，电极反应式为H2＋CO

－2e－===H2O＋CO2；C项，电池工作时，CO

向电极A移动；D项，电极B是正极，电极反应为O2＋2CO2＋2e－===2CO

。

[能力提升]

10．某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag＋Cl2===2AgCl。

下列说法正确的是（　　）

A．正极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－

B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成

C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变

D．当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子

答案　D

解析　原电池正极发生还原反应，该原电池正极反应式为Cl2＋2e－===2Cl－，A项不正确；该原电池放电时，负极材料中的Ag被氧化为Ag＋，Ag＋与附近的Cl－反应生成AgCl白色沉淀。

交换膜右侧溶液中无大量AgCl白色沉淀生成，B项不正确；由原电池负极反应Cl－＋Ag－e－===AgCl↓和正极反应Cl2＋2e－===2Cl－可知，若用NaCl溶液代替盐酸，电池总反应不变，C项不正确；由原电池的负极反应Cl－＋Ag－e－===AgCl↓可知，当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中减少0.01molCl－，同时约有0.01molH＋通过阳离子交换膜移至右侧，故交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子，D项正确。

11．“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。

（1）飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将________能转化为________能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。

其工作原理为

Cd＋2NiOOH＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2

充电时，阳极的电极反应式为__________________________________________；当飞船运行到地影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性________（填“增大”、“减小”或“不变”）。

（2）紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O

2Ag＋Zn（OH）2，其负极的电极反应式为________________________。

答案　

（1）太阳　电　Ni（OH）2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O　减小

（2）Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2

解析　

（1）阳极是失电子发生氧化反应的一极，Ni（OH）2为阳极；放电时负极反应为Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，故溶液碱性减小。

12．某新型可充电电池能长时间保持稳定的放电电压，该电池