高中化学人教版选修四42 化学电源.docx
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高中化学人教版选修四42化学电源
第二节
化学电源
1．碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH。
2．铅蓄电池是最常见的二次电池，正极是PbO2，负极是Pb，电解质溶液是H2SO4溶液。
3．氢氧燃料电池两类型：
（1）酸性电解质时：
负极反应式：
2H2－4e－===4H＋；
正极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
（2）碱性电解质时：
负极反应式：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O；
正极反应式：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
化学电池
[自学教材·填要点]
1．概念
将化学能变成电能的装置。
2．分类
3．电池优劣的判断标准
（1）单位质量或单位体积所输出的电能的大小（比能量），或者输出的功率的大小（比功率）。
（2）电池储存时间长短。
[师生互动·解疑难]
（1）化学电池能量转化率高，供能稳定可靠。
（2）可制成各种形状和大小，不同容量和电压的电池及电池组，使用方便。
（3）电池中的镍、镉、锰、铅等金属离子会对土壤、水源造成污染，应集中回收处理。
1．下列说法中，不正确的是（ ）
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，可以制成各种形状和大小，使用方便，易于维护
D．废旧电池可以随意丢弃
解析：
本题考查的是有关化学电池的概念、分类及性能等方面的知识。
废旧电池中含有重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康危害很大，所以废旧电池应回收处理。
答案：
D
一次电池——碱性锌锰电池
[自学教材·填要点]
1．构造
2．组成
正极材料：
MnO2；负极材料：
Zn；电解质：
KOH。
3．工作原理
负极：
Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；
正极：
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。
[师生互动·解疑难]
（1）碱性锌锰干电池克服了普通锌锰干电池的缺点，单位质量所输出的电能多且储存时间长，适用于大电流和连续放电。
（2）纽扣式锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。
（3）锂电池的负极是Li，正极是MnO2、CuO、FeS2等，锂电池的比能量高，电压高，可储存时间长。
2．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。
碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应式为Zn（s）＋2MnO2（s）＋H2O（l）===Zn（OH）2（s）＋Mn2O3（s），下列说法错误的是（ ）
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：
2MnO2（s）＋H2O（l）＋2e－===Mn2O3（s）＋2OH－（aq）
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减少6.5g
解析：
由所给的电池总反应式可知，电池工作时，每有1molZn参加反应，则会有2mol电子从负极Zn经外电路流向正极，并在正极发生反应：
2MnO2（s）＋H2O（l）＋2e－===Mn2O3（s）＋2OH－（aq）。
外电路每通过0.2mol电子，Zn的质量就减少6.5g。
答案：
C
二次电池
[自学教材·填要点]
1．铅蓄电池的构造
2.铅蓄电池的工作原理
（1）放电时：
负极：
Pb（s）＋SO
（aq）－2e－===PbSO4（s）；
正极：
PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO
（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）；
总反应式：
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）
2PbSO4（s）＋2H2O（l）。
（2）充电时：
铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。
阴极：
PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO
（aq），发生还原反应。
阳极：
2PbSO4（s）＋2H2O（l）－2e－===PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO
（aq），发生氧化反应。
总反应式：
2PbSO4（s）＋2H2O（l）
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。
上述充放电反应可写成一个可逆的反应方程式：
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）
2PbSO4（s）＋2H2O（l）。
[师生互动·解疑难]
（1）二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，能重复使用。
（2）铅蓄电池的优缺点：
①铅蓄电池具有电压稳定，性能良好，价格低廉，使用方便，安全可靠，循环使用的优点。
②铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃的电池污染环境。
（3）放电时是原电池原理，而充电时是电解池原理；二次电池的充放电过程相反。
3．关于铅蓄电池的说法正确的是（ ）
A．在放电时，正极发生的反应是
Pb（s）＋SO
（aq）===PbSO4（s）＋2e－
B．在放电时，该电池的负极材料是铅板
C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．在充电时，阳极发生的反应是
PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO
（aq）
解析：
A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
答案：
B
氢氧燃料电池
[自学教材·填要点]
电池
负极反应
正极反应
总反应式
氢氧燃料电池酸性电解质
2H2－4e－===4H＋
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
2H2＋O2===2H2O
氢氧燃料电池碱性电解质
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
2H2＋O2===2H2O
[师生互动·解疑难]
（1）燃料电池的特点：
①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。
②电极材料本身不参与氧化还原反应。
③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。
（2）燃料电池的优点：
①能量转化率高，燃料电池的能量转换率超过80%，远高于普通燃烧过程。
②污染小。
（3）通可燃物的一极为电池的负极，通O2的一极为燃料电池的正极。
（4）燃料电池的正极反应式：
①若为酸性介质：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O；
②若为碱性（或中性）介质：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
4．氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水，经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应如下：
负极：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O；
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
当得到1.8L饮用水时，电池内转移的电子数约为（ ）
A．1.8mol B．3.6mol
C．100molD．200mol
解析：
n（H2O）＝
＝100mol，
由总反应方程式：
2H2＋O2===2H2O，
知每生成2molH2O转移电子4mol，
现得到100molH2O转移电子200mol。
答案：
D
主题1：
废旧电池为什么要集中统一处理？
甲
废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等重金属和酸碱等有害物质，随意丢弃会造成土壤、水源的污染
乙
废旧电池中的有色金属是宝贵的资源，可以回收再利用
主题2：
以镍镉（Ni－Cd）可充电电池为例，探讨电池充、放电时电极发生反应的类型及书写电极反应式。
Cd＋2NiO（OH）＋2H2O
Cd（OH）2＋2Ni（OH）2（电解质溶液为KOH溶液）。
甲
放电时为原电池原理，负极发生氧化反应，电极反应式为：
Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2，正极发生还原反应，电极反应式为：
2NiO（OH）＋2H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－
乙
充电时为电解池原理，阴极发生还原反应：
电极反应式为：
Cd（OH）2＋2e－===Cd＋2OH－，阳极发生氧化反应：
电极反应式为：
2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===2NiO（OH）＋2H2O
二次电池的工作原理
[例1] （2011·新课标全国卷）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
[解析] 因为放电时的反应中有氢氧化物生成，故电解质溶液是碱性溶液，因为铁的化合价升高，镍的化合价降低，故铁是负极，氧化镍是正极，故A和B均正确；充电时的阴极反应为Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－，故此时阴极附近的pH增大，故C错误；根据所给的放电时的电池反应可推知D正确。
[答案] C
（1）二次电池在充电时，正、负电极上发生的反应正好与放电时发生的反应相反，因而充电时，二次电池的正极应与充电电源的正极相连接，电池的负极应与充电电源的负极相连接。
（2）充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生的反应的逆过程。
①放电时，
②充电时，
你能写出镍电池
放电时的正极反应式吗？
提示：
放电时，正极发生还原反应，
其电极反应式为：
Ni2O3＋3H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－
。
化学电源电极反应式的书写
[例2] （2011·新课标全国卷）科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。
（甲醇的燃烧热为726.5kJ·mol－1）
在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为________________________________________________________________________，
正极的反应式为______________________________。
理想状态下，该燃料电池消耗1mol甲醇所能产生的最大电能为702.1kJ，则该燃料电池的理论效率为________（燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比）。
[解析] 在燃料电池中，通入氧气的一极是正极，通入甲醇的一极是负极，根据甲醇中碳元素的化合价变化可推知1mol甲醇转移6mol电子，故写出负极反应为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋；正极反应为
O2＋6H＋＋6e－===3H2O。
因为甲醇的燃烧热是726.5kJ·mol－1，故可求得该燃料电池的理论效率＝702.1kJ÷726.5kJ×100%＝96.6%。
[答案] CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋
O2＋6H＋＋6e－===3H2O 96.6%
（1）写电极反应式时，一定要注意电解质是什么，其中阴、阳离子要和电极反应式中出现的离子相对应，在碱性电解质中，电极反应式中不能出现H＋；在酸性电解质中，电极反应式中不能出现OH－。
（2）正、负两极的电极反应式在得失电子相等时相加，即得总反应式。
（2010·安徽高考）某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如下图，电池总反应可表示为：
2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是（ ）
A．电子通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应式为：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2
D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极
解析：
本题考查原电池知识，意在考查考生的分析能力。
该原电池的化学原理是H2被氧化，在负极（a极）发生反应：
H2－2e－===2H＋，H＋由a极转移到b极，D项正确；O2发生还原反应，在正极（b极）发生反应：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O，则电子从a极流向b极，A、B两项不正确；C项因未指明气体所处的温度和压强，不正确。
答案：
D
[随堂基础巩固]
1．下列有关化学电池的说法中正确的是（ ）
A．化学电池只能将化学能转化为电能
B．燃料电池能将全部化学能转化为电能
C．锌银电池比能量大，电压稳定，储存时间长
D．一次电池包括干电池和蓄电池
解析：
蓄电池不但可以将化学能转化为电能（放电），也可以将电能转化为化学能（充电）；燃料电池的能量转换率超过80%，但不可能100%转换。
蓄电池可重复使用，属于二次电池。
答案：
C
2．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为：
2Ag＋Zn（OH）2
Ag2O＋Zn＋H2O，在此电池放电时，负极上发生反应的物质是（ ）
A．Ag B．Zn（OH）2
C．Ag2OD．Zn
解析：
电池放电时发生原电池原理，其负极发生氧化反应，元素的化合价升高，即负极材料为Zn。
答案：
D
3．（2011·海南高考）一种充电电池放电时的电极反应为
H2＋2OH－－2e－===2H2O；
NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－
当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是（ ）
A．H2O的还原B．NiO（OH）的还原
C．H2的氧化D．Ni（OH）2的氧化
解析：
放电时为原电池反应，负极上失去电子，正极上得到电子；充电时为电解反应，与外电源正极连接的电极为阳极，由放电时的电极反应式知，阳极上发生的是Ni（OH）2的氧化反应，D正确。
答案：
D
4．判断正误（正确打“√”号，错误打“×”号）。
（1）化学电源是把电能转化为化学能的装置。
（ ）
（2）干电池中碳棒为正极。
（ ）
（3）铅蓄电池属于二次电池。
（ ）
（4）氢氧燃料电池工作时，发出淡蓝色火焰。
（ ）
（5）废旧电池应集中回收，并填埋处理。
（ ）
答案：
（1）×
（2）√ （3）√ （4）× （5）×
5．
（1）根据氧化还原反应2H2＋O2===2H2O，设计成燃料电池，负极通的气体应是________，正极通的气体应是________。
（2）根据选择电解质溶液的不同，填写下表：
电解质溶液
H2SO4溶液
KOH溶液
负极反应式
正极反应式
溶液的pH变化
（3）若把H2改为CH4，KOH作电解质，则正极反应式为______________________。
解析：
（1）氢、氧燃料电池中通可燃性气体（H2）的一极为负极，通O2的一极为正极。
（2）若以H2SO4作电解质溶液，其电极反应式为：
负极：
2H2－4e－===4H＋；
正极：
O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
反应过程中生成水，溶液中c（H＋）减小，pH增大，若以KOH溶液作电解质溶液，其电极反应式为：
负极：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O；
正极：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
反应过程中生成水、溶液中c（OH－）减小，pH减小。
（3）若把H2改为CH4，KOH作电解质溶液时其正极反应式不变。
答案：
（1）H2 O2
（2）
电解质溶液
H2SO4溶液
KOH溶液
负极反应式
2H2－4e－===4H＋
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极反应式
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
溶液的pH变化
变大
变小
（3）2H2O＋O2＋4e－===4OH－
[课时跟踪训练]
（时间45分钟 满分60分）
一、选择题（本题包括7小题，每小题3分，共21分）
1．氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。
氢镍电池的总反应式是H2＋2NiO（OH）
2Ni（OH）2。
根据此反应式判断，下列叙述中正确的是（ ）
A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大
B．电池放电时，镍元素被氧化
C．电池充电时，氢元素被氧化
D．电池放电时，H2在负极放电
解析：
根据电池反应可首先看出放电时，H2在负极被氧化，NiO（OH）在正极被还原，而充电时则是氢元素被还原，镍元素被氧化。
答案：
D
2．[双选题]燃料电池是一种新型电池，它利用燃料在氧化过程中把化学能直接转化为电能。
氢氧燃料电池的基本反应如下：
X极，
O2（g）＋H2O（l）＋2e－===2OH－；Y极，H2（g）＋2OH－－2e－===2H2O（l）。
下列判断中，正确的是（ ）
A．X是正极 B．Y是正极
C．Y极发生还原反应D．Y极发生氧化反应
解析：
本题考查的是燃料电池的电极反应。
从电极反应式中可以看出，X极得电子发生还原反应，作正极，Y极失去电子发生氧化反应，作负极。
答案：
AD
3．（2012·东城模拟）镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，且镁电池放电时电压高而平稳，使镁电池越来越成为人们研制绿色电池的关注焦点。
其中一种镁电池的反应为：
xMg＋Mo3S4
MgxMo3S4。
在镁电池放电时，下列说法错误的是（ ）
A．Mg2＋向正极迁移
B．正极反应式为：
Mo3S4＋2xe－===Mo3S
C．Mo3S4发生氧化反应
D．负极反应式为：
xMg－2xe－===xMg2＋
解析：
镁在反应中失电子，则Mo3S4在反应中得电子，故放电时Mo3S4发生还原反应，不正确。
答案：
C
4．（2011·福建高考）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。
该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。
关于该电池的下列说法不正确的是（ ）
A．水既是氧化剂又是溶剂
B．放电时正极上有氢气生成
C．放电时OH－向正极移动
D．总反应为：
2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
解析：
由于Li属于碱金属，化学性质活泼，金属性大于铁，所以，该电池的总电极反应为：
2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，负极：
Li，正极：
钢板。
负极反应为Li－e－＋OH－===LiOH，放电时，OH－向负极移动，故C选项不正确。
答案：
C
5．纽扣电池可用于计算器、电子表等的电源。
有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O===2Ag＋ZnO。
关于该电流的叙述不正确的是（ ）
A．使用时电子由Zn极经外电流流向Ag2O极，Zn是负极
B．使用时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极
C．正极的电极反应为
Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
D．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应
解析：
由总方程式可以看出，负极为Zn，正极为Ag2O，使用时电子由负极流向正极，A项正确，B项错误，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，C项正确，D项也正确。
答案：
B
6．[双选题]据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。
其电池反应为：
2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解质和空气，则下列叙述正确的是（ ）
A．锌为正极，空气进入负极反应
B．负极反应为：
Zn－2e－===Zn2＋
C．正极发生氧化反应
D．电解质肯定不是强酸
解析：
在原电池中，负极是还原性物质，失去电子，发生氧化反应，正极是氧化性物质，得到电子，发生还原反应，从原电池的电池反应为：
2Zn＋O2===2ZnO知产物与强酸反应，所以电解质溶液肯定不是强酸。
答案：
BD
7．（2011·济南高二检测）美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁过氧化氢燃料电池系统。
其工作原理如图所示。
以下说法中错误的是（ ）
A．电池的负极反应为：
Mg－2e－===Mg2＋
B．电池工作时，H＋向负极移动
C．电池工作一段时间后，溶液的的pH增大
D．电池总反应式是：
Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O
解析：
Mg H2O2燃料电池中Mg作负极：
Mg－2e－===Mg2＋，Pt作正极：
H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，总式为：
Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，消耗H＋，使c（H＋）减小，pH增大，且H＋移向正极。
答案：
B
二、非选择题（本题包括4小题，共39分）
8．（6分）某学校设计了一节实验活动课，让学生从废旧干电池回收碳棒、锌皮、MnO2、NH4Cl、ZnCl2等物质，请回答有关问题：
如图所示为干电池的基本构造图。
干电池工作时负极上的电极反应式是______________________________，MnO2的作用是除去正极上产生的H2，本身生成Mn2O3，该反应的化学方程式是______________________________________________。
解析：
根据提供的电极材料，综合原电池原理可判断出Zn作负极，碳棒作正极。
答案：
Zn－2e－===Zn2＋
2MnO2＋H2===Mn2O3＋H2O
9．（9分）镉镍可充电电池在现代生活中有着广泛的应用，它的充、放电反应如下：
Cd＋2NiOOH＋2H2O
Cd（OH）2＋2Ni（OH）2
请回答下列问题：
（1）上述反应式中左边物质的总能量________（填“大于”“小于”或“等于”）右边物质的总能量。
（2）放电时负极发生反应的物质是________，放电时正极的反应式为________________________________________________________________________。
（3）镉镍废旧电池必须进行回收并集中处理，最主要的原因是______________________。
解析：
（1）原电池放电过程中能将化学能转化为电能，即反应物的总能量大于生成物的总能量。
（2）根据总反应式可知放电时：
负极（Cd）反应式：
Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2，
正极（NiOOH）反应式：
2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－。
（3）废旧电池中的镍、镉等重金属离子对环境造成污染。
答案：
（1）大于
（2）Cd NiOOH＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－
（3）防止电池中的镉、镍等重金属对土壤和水源造成污染
10．（10分）（2011·山东高考，节选）如图为钠硫高能电池的结构示意图。
该电池的工作温度为320℃左右，电池反应为2Na＋xS===Na2Sx，正极的电极反应式为______________。
M（由Na2O和Al2O3制得）的两个作用是____________________。
与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极活性物质时，钠硫电池的理论放电量是铅蓄电池的________倍。
解析：
首先标化合价，由2个Na失2个电子，可写出正极为xS＋2e－===S
；此电池提供2mol电子，消耗2molNa为46g，铅蓄电池负极为Pb，提供2mol电子，消耗1molPb为207g，所以当消耗相同质量的负极物质时，钠硫电池放电是铅蓄电池的207/46＝4.5倍；在该装置中，M有两个作用，其一是导电，起电解质作用，其二是隔离Na与S，防止Na与S发生反应。
答案：
xS＋2e－
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