高中化學(xué)選修4之知識講解-化學(xué)電源-提高

化學(xué)電源

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1、了解常見電池的分類及優(yōu)點；

2、了解一次電池、二次電池、燃料電池的基本構(gòu)造、反應(yīng)原理及應(yīng)用。

【要點梳理】

知識點一、化學(xué)電池

1、定義

化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。

【化學(xué)電源#化學(xué)電池的分類】

2、分類

鋅-電池）

L（一次電池）——?（鋅銀電池）

日t學(xué)電池j-一（二次電池）—?（鉛蓄電池）

T燃料電池）—1氫?燃料電池］

3、化學(xué)電池的優(yōu)點

①化學(xué)電池的能量轉(zhuǎn)換效率較高，供能穩(wěn)定可靠。

②可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池及電池組。

③使用方便，易于維護(hù)，并可在各種環(huán)境下工作。

4、判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)

①比能量：即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位（W?h）/k或（W?h）/Lo

②比功率：即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位W/kg或W/L。

③電池的可儲存時間的長短。

【化學(xué)電源#常見的化學(xué)電池】

知識點二、常見的化學(xué)電池

電池負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)總反應(yīng)式

2+++

普通干電池Zn—2e==Zn2MnO2+2NH4+2e-2MnO2+2NH4+Zn=

2+

次（Zn、MnO2>NHQ、C）=2NH3+M112O3+H2O2NH3+Mn2O3+H2O+Zn

電堿性鋅錦電池Zn+2OH"-2e-2MnC)2+2H2O+2eZn+2MnC)2+2H2O=

池

（Zn、KOH、MnO2）=Zn(0H)2=2MnOOH+2OH~2MnOOH+Zn(OH)2

鋅銀電池Zn+2OH--2e-Ag2O+H2(D+2eZn+Ag2O+H2O=

（Zn、KOH、Ag2O）=Zn(OH)2=2Ag+20H一Zn(OH)2+2Ag

2-+2-

鉛蓄電池Pb+SO4--2ePbO2+4H+SO4+2ePb+PbCh+2H2sO4

次（Pb、H2sO4、PbO）=PbSO■=PbSO+2HO

24422PbSO+2HO

電充電42

池氫銀電池H2+2OH—2屋2NiO(OH)+2HO+2e放電

22NiO(OH)+H或

-2

[H2>OH，NiO(OH)]=2H2O=2Ni(OH)2+2OH

2Ni(OH)2

燃?xì)溲跞剂想姵?H2—4e=4WO2+4H'+4e2H2+02=240

料

（H2、H+、O2）=2H2O

電

氫氧燃料電池2H2—4e=4H+C)2+2H2O+4e2H2+O2=2H2O

池（H2、Na2so4、O2）=40H-

氫氧燃料電池2H2+4OH-4eCh+2H2O+4e2H24-O2=2H2O

-

（Ph、0H，02）=4H2O=40H

知識點三、各種化學(xué)電池的特點

名稱一次電池（干電池）二次電池（充電電池或蓄電池）燃料電池

定義發(fā)生氧化還原反應(yīng)的放電后可以再充電使發(fā)生氧化一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能

物質(zhì)消耗到一定程度，還原反應(yīng)的物質(zhì)獲得再生直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池

就不能再使用

特點電解質(zhì)溶液制成膠狀，可以多次重復(fù)使用工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供

不流動給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物

不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地

提供電能

舉例普通的鋅銃電池、堿性鉛蓄電池、氫鎮(zhèn)電池、鎘銀電池氫氧燃料電池、CH,燃料電池、CH30H

鋅鎰電池燃料電池

知識點四、化學(xué)電池電極反應(yīng)式的書寫

1、根據(jù)裝置書寫電極反應(yīng)式

①先分析題目給定的圖示裝置，確定原電池正負(fù)極上的反應(yīng)物質(zhì)，并標(biāo)出電子得失的數(shù)目。

②電極反應(yīng)式的書寫

a.負(fù)極：活潑金屬或H2失去電子生成陽離子；若電解質(zhì)溶液中的陰離子與生成的陽離子不共存，則該陰離

2-

子應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式。如鉛蓄電池，負(fù)極：Pb+SO4-2e-PbSO4?

b.正極：陽離子得到電子生成單質(zhì)或02得到電子，若反應(yīng)物是02,則有以下規(guī)律：

電解質(zhì)溶液是堿性或中性：O2+2H2O+4e=40H

+

電解質(zhì)溶液是酸性；O2+4H+4e^=2H2O

③正負(fù)電極反應(yīng)式相加得到電池反應(yīng)的總反應(yīng)方程式。

2、給出總反應(yīng)式，寫電極反應(yīng)式

如果題目給定的是總反應(yīng)式，可分析此反應(yīng)中的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)（即分析有關(guān)元素的化合價變化情況），

選擇一個簡單的變化去寫電極反應(yīng)式，另一極的電極反應(yīng)式可直接寫或?qū)⒏鞣磻?yīng)式看作數(shù)學(xué)中的代數(shù)式，用總反

應(yīng)式減去已寫出的電極反應(yīng)式，即得結(jié)果。以2H2+。2=2比0為例，當(dāng)電解質(zhì)溶液為K0H溶液時的電極反應(yīng)式

的書寫步驟如下。

①根據(jù)總反應(yīng)方程式分析有關(guān)元素化合價的變化情況，確定2m。1匹失掉4moi電子，初步確定負(fù)極反應(yīng)為:

2H2-4e-=4H+?

②根據(jù)電解質(zhì)溶液為堿性，與H+不能共存，反應(yīng)生成水，推出0H應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式為：2H2+4OH-4e

=4H20O

③用總反應(yīng)式2H2+。2=2比0減去負(fù)極反應(yīng)式得正極反應(yīng)式為：2H2O+C）2+4e=40H。

3、可充電電池電極反應(yīng)式的書寫

在書寫可充電電池電極反應(yīng)式時，要明確電池和電極，放電為原電池，充電為電解池。

①原電池的負(fù)極與電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，對應(yīng)元素化合價升高；

②原電池的正極與電解池的陰極發(fā)生還原反應(yīng)，對應(yīng)元素化合價降低。

要點詮釋：書寫燃料電池的電極反應(yīng)式時，首先要明確電解質(zhì)是酸、堿還是熔融鹽。在酸性電解質(zhì)溶液中電

極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)0H，堿性電解質(zhì)溶液中電極反應(yīng)式中不要出現(xiàn)H+,同時還要分清燃料是H+還是含碳燃料

（CO、CH,、CH3OH、C2H5OH……），但無論是哪一種燃料在堿性條件下正極反應(yīng)式都是一樣的，即O2+4e+2H2O

=40H?如果是含碳燃料，負(fù)極反應(yīng)式的書寫同CH4作負(fù)極時的書寫方法相同，只是需要配上不同的化學(xué)計量

數(shù)。一般來說，燃料電池的總反應(yīng)式與燃料燃燒的反應(yīng)方程式相同，因此可以通過將兩極加和的方法，判斷各極

反應(yīng)方程式的書寫是否正確。

知識點五、新型電池

1、菠菜電池

科學(xué)家參照光合作用原理，利用生物技術(shù)手段發(fā)明了一種新型菠菜電池?？茖W(xué)家們首先從菠菜的葉綠體中分

離出多種蛋白質(zhì)，并將這些蛋白質(zhì)分子與一種肽分子混合，這種肽分子能在蛋白質(zhì)分子外形成保護(hù)層，為其創(chuàng)造

類似植物葉片內(nèi)的生存環(huán)境。之后，科學(xué)家又將提取出的蛋白質(zhì)分子鋪在一層金質(zhì)薄膜上，而后在其最上方再加

一層有機(jī)導(dǎo)電材料，做成一個類似“三明治”的裝置。當(dāng)光照射到這個“三明治”上時，裝置內(nèi)會發(fā)生光合作用，

最終產(chǎn)生電流。

2、水充電池

水充電池的發(fā)明使水直接轉(zhuǎn)化為電能成為現(xiàn)實。當(dāng)水流動時，因摩擦而充滿帶正、負(fù)電荷的物質(zhì)，與固體相

互吸引，這樣就會產(chǎn)生一個很薄的帶靜電荷的水流層，也叫雙電荷層或者電偶層，如果將這兩種電荷分開，就能

使其像我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾姵啬菢犹峁╇娔?。這種“水充電池”無污染、無毒并且易于攜帶，預(yù)計在不久的

將來，這種電池就可以投入商用了。

3、生物熱電池

生物熱電池是一塊植有數(shù)千個微型熱電發(fā)生器的芯片。它利用“熱電偶效應(yīng)”發(fā)電，即將兩種不同的材料連

接起來組成一個閉合回路，如果兩個連接點的溫度不一樣，就能產(chǎn)生微小的電壓。該裝置用硅化鈕半導(dǎo)體材料制

造，其中摻入了雜質(zhì)，使得一端富有多余的電子，另一端則因為缺少了電子而帶正電，這樣的制造方法使熱電偶

的發(fā)電能力比同等規(guī)模的金屬裝置更強(qiáng)。“生物熱電池”能夠持續(xù)工作約30年，這就可以減少更換電池的次數(shù)。

4、汽油電池

設(shè)計出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀(jì)最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電

池，一個電極通人空氣，另一電極通入汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了YO3的ZrCh晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)

O2\

5、溶氧生物電池

用作人體心臟起搏器的電池規(guī)格與通常的電池有很大的不同。要求是一次電池，輸出功率只需幾個毫瓦，但

必須連續(xù)工作若干年，其間不需要維持保養(yǎng)，例如Zn2+/Zn和H+/O2、Pt構(gòu)成的“生物電池因人體體液中含有

一定量的溶解氧，若該“生物電池”在低功率下工作，人體就會易于適應(yīng)Zn?+的增加和H+的遷出。

【典型例題】

類型一：常見的化學(xué)電源

例1下列電池工作時，02在正極放電的是（）

網(wǎng)

B.-----

D.銀鎘電池

【思路點撥】本題涉及到的這些化學(xué)電源都比較常見，了解它們的工作原理即可答對本題。

【答案】B

【解析】A.鋅鎰干電池中電極反應(yīng)式，負(fù)極：Zn-2e—Z/+、正極ZMnCh+ZNHj+ZeNMmCh+ZNHs+EhO,

所以不符合題意，故A錯誤；

+

B.酸性氫氧燃料電池電極反應(yīng)式為2H2-4e.=4H，O2+4H+4e=2H2O,堿性氫氧燃料電池電極反應(yīng)式為

2H2-4e+40H=4氏0、O2+2H2O+4e-=4OH,所以符合題意，故B正確；

2+2

C.放電時負(fù)極電極反應(yīng)：Pb-2e+SO4=PbSO4,正極電極反應(yīng)：PbO2+2e'+4H+2SO4'=PbSO4+2H2O,

所以不符合題意，故C錯誤；

D.放電正極：2NiOOH+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH\負(fù)極：Cd+2OH--2e'=Cd(OH)2，所以不符合題

意，故D錯誤；

故選Bo

【總結(jié)升華】原電池電極判斷的6種方法：

(1)負(fù)極：較活潑金屬、氧化反應(yīng)、電子流出、電流流入、陰離子移向極、不斷溶解。

(2)正極：不活潑金屬或非金屬、還原反應(yīng)、電子流入、電流流出、陽離子移向極、電極增重。

舉一反三：

【變式1](2015江蘇高考)一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖。下列有關(guān)該電池的說法正確的是

(),

B.電極A上H?參與的電極反應(yīng)為：H2+2OH--2e-2H2O

C.電池工作時，CCh?一向電極B移動

D.電極B上發(fā)生的電極反應(yīng)為：O2+2CO2+4e=2CO3"

【答案】D

【解析】A、ImolCH—CO,化合價由-4價—+2上升6價，ImolCE參加反應(yīng)共轉(zhuǎn)移6moi電子，故錯誤；

2-

B、環(huán)境不是堿性，否則不會產(chǎn)生CO2,其電極反應(yīng)式：CO+H2+2CO3-4e=3CO2+H2O,故B錯誤；C、根

據(jù)原電池工作原理，電極A是負(fù)極，電極B是正極，陰離子向負(fù)極移動，故C錯誤；D、根據(jù)電池原理，02、

CO2共同參加反應(yīng)，其電極反應(yīng)式：02+282+4。=2CCh2-,故D正確。

【變式2]有人設(shè)計出利用CE和Ch反應(yīng)，用鉗電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應(yīng)類似于CH4

在02中燃燒的反應(yīng)，則下列說法中正確的是()

①每消耗1molCHU可以向外電路提供8mole

2-

②負(fù)極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式為CH4+1OOH--8屋=CO3+7H2O

③負(fù)極上O2獲得電子，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e=40H

④電池放電時，溶液pH不斷升高

A.①②B.①③C.①@D.③④

【答案】A

【解析】CH4在鉗電極上發(fā)生類似于CH」在02中燃燒的反應(yīng)，即CH,一CO?,嚴(yán)格地講生成的C02還與KOH

溶液反應(yīng)生成K2co3,化合價升高，失去電子，作電池的負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH4+10OH—-8屋=832一+7比0,

1molCH,參加反應(yīng)有8mole發(fā)生轉(zhuǎn)移，Ch在正極上發(fā)生反應(yīng)，獲得電子，電極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e=40H

-o雖然正極產(chǎn)生OFT,負(fù)極消耗OH,但從總反應(yīng)CH4+2O2+2KOH=K2co3+3H2O可看出反應(yīng)消耗了KOH,

所以電池放電時溶液的pH不斷下降，故①②正確，③④錯誤。

例2(2016新課標(biāo)HI)鋅-空氣燃料電池可用作電動車動力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)

為2Zn+O2+4OH+2H2O===2Zn(OH),下列說法正確的是

A.充電時，電解質(zhì)溶液中K+向陽極移動

B.充電時，電解質(zhì)溶液中c(OH-)逐漸減小

C.放電時，負(fù)極反應(yīng)為：Zn+4OH-2e===Zn(OH)：

D.放電時，電路中通過2moi電子，消耗氧氣22.4L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)

【思路點撥】認(rèn)真分析總反應(yīng)，找出電源的陽極和陰極，而且要根據(jù)總反應(yīng)式寫出各極的電極反應(yīng)式。

【答案】C

【解析】A項充電時陽離子向陰極移動，故A錯誤；B項放電時總反應(yīng)為：

2Zn+O2+4KOH+2H2O-2K2Zn(OH)4,,則充電時生成氫氧化鉀，溶液中的氫氧根離子濃度增大，故B錯誤；C

項放電時，鋅在負(fù)極失去電子，故C正確；D項標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4L氧氣的物質(zhì)的量為Imol,對應(yīng)轉(zhuǎn)移4moi電子,

故D錯誤。故選C。

【總結(jié)升華】原電池中應(yīng)注意的3個“方向”：

(1)外電路中電子移動方向：負(fù)極一正極，電流方向：正極一負(fù)極；

(2)電池內(nèi)部離子移動方向：陰離子f負(fù)極，陽離子一正極；

(3)鹽橋中(含飽和KCI溶液)離子移動方向：K+-正極，cr-負(fù)極。

類型二：電極方程式的書寫

例3天津是我國研發(fā)和生產(chǎn)鋰離子電池的重要基地。鋰離子電池正極材料是含鋰的二氧化鉆(LiCoCh),充電

時LiCoO2中Li被還原，并以原子形式嵌入電池負(fù)極材料碳(C6)中，以LiC6表示。電池反應(yīng)為

LiCoO2+C6烈CoO2+LiC6o則下列說法正確的是()

A.放電時，電池的正極反應(yīng)為LiC6——=Li++C6

B.放電時，電池的正極反應(yīng)為CoO2+Li++e「=LiCoO2

C.竣酸、醇等含活潑氫的有機(jī)物可用作鋰離子電池的電解質(zhì)

D.鋰離子電池的比能量(單位質(zhì)量釋放的能量)低

【答案】B

【解析】A項，放電時，電池的正極得e,發(fā)生還原反應(yīng)，A項錯誤；B項，放電時發(fā)生原電池反應(yīng)，電

池正極反應(yīng)為還原反應(yīng)，B項正確；C項，含活潑氫的有機(jī)物作電解質(zhì)，易得電子；D項，鋰的相對原子質(zhì)量小,

其密度小，所以鋰離子電池的比能量高。故選B。

例4已知原電池總反應(yīng)式為：CH4+2O2=CO2+2H2O,分別寫出在下列環(huán)境中該原電池的電極反應(yīng)式。

(1)電解質(zhì)溶液為KOH溶液

負(fù)極：；正極：。

(2)電解質(zhì)溶液為稀硫酸

負(fù)極：;正極：?

2

【答案】⑴負(fù)極：CH4+1OOH^-8e--=CO3+7H2O正極：2C>2+4H2O+8e=80H

+

(2)負(fù)極：CH4+2H2O-8e=CO2+8H正極：2C)2+8H++8e「=4比0

【解析】根據(jù)總反應(yīng)式可知，甲烷在反應(yīng)中被氧化，因此應(yīng)在負(fù)極上反應(yīng)；氧氣在反應(yīng)中被還原，應(yīng)在正極

上反應(yīng)。然后根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性可知，電解質(zhì)溶液為堿性溶液時，在電極反應(yīng)式中不能有H+參加或生成,

也不能有酸性物質(zhì)生成；電解質(zhì)溶液為酸性溶液時，在電極反應(yīng)式中不能有OPT參加或生成，也不能有堿性物

質(zhì)生成。最后，根據(jù)反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)守恒、電荷守恒和元素守恒等原則，寫出電極反應(yīng)式并配平。

【化學(xué)電源#例1]

舉一反三：

【變式1】某可充電的鋰離子電池以L