第2课时 化学电源
[核心素养发展目标] 1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
一、化学电池及其分类
1．化学电池的分类
(1)化学电池按其使用性质常分为如下三类：
①一次电池：又叫干电池，活性物质消耗到一定程度就不能再使用。
②二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。
③燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。
(2)化学电池按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。
2．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。
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。
二、常见的化学电池
1．锌锰干电池
目前常见的一次锌锰干电池分为酸性和碱性两种。
(1)酸性锌锰干电池
①构造
锌皮制成的锌筒做负极，中央插一根碳棒做正极，氯化锌、氯化铵和淀粉等糊状物做电解质溶液。
②电极反应
负极反应式：Zn－2e－===Zn2＋，
(2)碱性锌锰干电池
相对于酸性锌锰干电池，用氢氧化钾代替氯化铵做电解质。
已知该电池总反应式：Zn＋MnO2＋H2O===Mn(OH)2＋ZnO，则
负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，
正极反应式：MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－。
2．铅蓄电池
铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。
(2)放电反应原理
③放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。
(3)充电反应原理
③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。
3．氢氧燃料电池
氢氧燃料电池用多孔石墨做电极，不断充入的氢气和氧气，分别在两极发生氧化反应和还原反应。
(1)氢氧燃料电池的总反应式是：2H2＋O2===2H2O。
(2)写出氢氧燃料电池(介质不同)的电极反应：
常见化学电源的比较
(1)一次电池：活泼金属做负极，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。
A．放电时Li＋由B极向A极移动
B．电池放电反应为：4Li＋O2＋2H2O===4LiOH
C．B电极反应式为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．电解液a可以为氯化锂溶液
解析 在锂空气电池中，A(金属锂)为负极，其反应式是：4Li＋4OH－－4e－===4LiOH；B为正极，其反应式是：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；总反应式是：4Li＋O2＋2H2O===4LiOH。原电池工作过程中，溶液中的Li＋(阳离子)移向B极(正极)；金属锂能与水反应，电解质中不能含有水。
思维启迪——根据原电池装置书写电极反应式
(1)由装置图确定原电池的正极、负极及各极反应物。
(2)若电解质溶液中的阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。
(3)正极反应是溶液中的阳离子或氧化剂得到电子被还原。
A．放电时，负极发生了氧化反应，反应式为：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
B．充电时，阳极反应式为：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
C．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小
D．该电池充电时将电能转化为化学能
答案 C
解析 由电池总反应可知：放电时负极反应式为：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，负极区
OH－浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，正极区OH－浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2－
e－＋OH－===NiOOH＋H2O；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。
思维启迪——由二次电池的总反应式书写电极反应式方法
(1)放电时为原电池，由总反应式中元素化合价的变化，确定负极、正极的反应物、主要产物和转移电子数目，再结合电解质溶液性质和守恒关系写出电极反应式。
(2)充电时的电极反应是放电时电极反应的逆过程，即充电的阳极反应为放电的正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电的负极反应的逆过程。
充电电池充电、放电的原理
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应
(3)充电电池电极反应式的书写
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应式刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下所示。
(1)酸性条件下的甲烷燃料电池
总反应式：_________________________________________________________________；
正极反应式：_______________________________________________________________；
负极反应式：_______________________________________________________________。
(2)碱性条件下的甲烷燃料电池
总反应式：________________________________________________________________；
正极反应式：______________________________________________________________；
负极反应式：______________________________________________________________。
(3)碱性条件下的甲醇(CH3OH)燃料电池
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＋
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
思维启迪——燃料电池电极反应与电池总反应式的书写
(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。
(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。
(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。
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变化规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，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。
第二步：确定价态的变化及转移电子数。
第三步：列出表达式。
第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。
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，
1．下列电池工作时，氧气在正极放电的是( )
解析 燃料电池中在正极放电的物质都是氧气。
2．某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是( )
A．锌为电池的负极
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
3．(·广东省清远质检)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用
Li＋交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为：Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS。下列有关该电池的说法中，正确的是( )
A．化合物LiAl具有强还原性，做负极材料
B．放电时，电子从LiAl极经过Li＋交换膜流向FeS极
C．放电时发生的总反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋Fe
D．为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液
解析 LiAl是合金，不是化合物，A不正确；放电时，电子从LiAl极经过外电路流向FeS极，B不正确；放电时发生的总反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋Fe，C正确；负极材料易与水发生反应，故不能用电解质的水溶液，D不正确。
4.瑞典ASES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右图，有关说法正确的是( )
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
解析 先分析进出电极物质的化合价判断电池正、负极，NH3→N2，N元素化合价升高，故电极1为原电池负极，电极2为原电池正极，电池工作时，Na＋向正极移动，电子由电极1经外电路流向电极2，电极2电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电极1电极反应式为：2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O。
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”)。
①正极反应式是：_____________________________________________________________；
②总电池反应式是：___________________________________________________________。
②减小
②2CO＋O2===2CO2
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。
题组一 一次电池
1．电子表和电子计算器的电源通常用微型银—锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为：Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法正确的是( )
A．Ag2O是正极，Zn是负极
B．Zn是正极，Ag2O是负极
C．工作时，电池负极区溶液pH增大
D．工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
答案 A
解析 根据总反应式可知，金属锌失去电子发生氧化反应，做该电池的负极，氧化银得到电子发生还原反应，做该电池的正极，A项正确，B项错误；负极区锌离子与氢氧根离子结合，溶液中氢氧根离子浓度减小，则其pH减小，C项错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D项错误。
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液，电池总反应式为：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH。下列说法中错误的是( )
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
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，锌的质量减少6.5g
解析 由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2mol电子，参加反应的锌理论上为0.1mol，即质量减少6.5g。
3．锌—空气电池(原理如图)适宜用做城市电动车的动力电源。该电池放电时Zn转化为ZnO。该电池工作时的下列说法正确的是( )
A．氧气在石墨电极上发生氧化反应
B．该电池的负极反应为：Zn＋H2O－2e－===ZnO＋2H＋
C．该电池放电时OH－向石墨电极移动
D．该电池充电时应将Zn电极与电源负极相连
答案 D
解析 氧气得电子发生还原反应，A错误；锌做负极，碱性条件下，负极反应为：Zn＋
2OH－－2e－===ZnO＋H2O，B错误；原电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动，即OH－向Zn电极移动，C错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，D正确。
题组二 二次电池
4．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
D．电解质溶液的密度不断减小
5．(·资阳第二次诊断)锂—铜空气燃料电池(如图)容量高、成本低，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－，下列说法错误的是( )
A．整个反应过程中，氧化剂为O2
B．放电时，正极的电极反应式为：Cu2O＋H2O＋2e－===2Cu＋2OH－
C．放电时，当电路中通过0.1mol电子的电量时，有0.1molLi＋透过固体电解质向Cu极移动，有标准状况下1.12L氧气参与反应
D．通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
A．放电时负极反应为：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
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
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。
题组三 燃料电池
7．一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－
解析 在原电池中，电解质溶液中的阳离子应向正极移动，A项错误；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项错误；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项错误。
8．将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是( )
①通入CO的电极为正极；
②正极的电极反应式是：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
③通入CO的电极反应式是：2CO＋O2－4e－===2CO2；
⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动；
⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动。
A．①③⑤B．②④⑥C．④⑤⑥D．①②③
9．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
10．一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( )
B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O
题组四 新型电池
11．研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl，下列“水”电池的海水中放电时的有关说法正确的是( )
A．正极反应式为：Ag＋Cl－－e－===AgCl
B．每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子
C．Na＋不断向“水”电池的负极移动
D．AgCl是还原产物
A．氨燃料电池在充电时，N2在阴极得电子被氧化
B．氨燃料电池在放电时，负极反应为：2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
C．以氨气代替氢气的主要原因是氨气易液化、易储存
D．燃料电池的能量转化率一般比普通的电池高
解析 充电时N2在阴极得电子被还原，A错误；氨燃料电池在放电时，负极反应为：4NH3－12e－＋12OH－===2N2＋12H2O，正极反应为：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－，B正确；燃料电池的能量转化率超过80%，比普通的电池高，D正确。
13.最近科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2，同时产生电能，其原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．氧化银电极上的反应为：Ag2O＋2e－===2Ag＋O2－
B．石墨电极上的反应为：C6H12O6＋6H2O＋24e－===6CO2↑＋24H＋
C．每转移4mol电子，氧化银电极产生22.4LCO2气体(标准状况)
D．30gC6H12O6参与反应，有4molH＋经质子交换膜进入正极区
14．“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：
充电时，阳极的电极反应式为：_____________________________________________；
当飞船运行到阴影区时，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”)。
答案 (1)太阳 电 Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O 减小
(2)Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
解析 镉镍蓄电池中，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，溶液的碱性减小。
15．燃料电池是利用燃料与氧气反应从而将化学能转化为电能的装置。
(1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。
①A为微生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。
②正极反应式为：________________________________________________________。
③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移(填“正”或“负”)。
④在电池反应中，每消耗1mol氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是________。
(2)一种一氧化碳分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化钇—氧化钠，其中
O2－可以在固体介质NASICON中自由移动。传感器中通过的电流越大，尾气中一氧化碳的含量越高。请回答：
①a极电极反应式为：___________________________________________________；
②工作时，O2－由电极________向电极________移动(填“a”或“b”)；
③电子由电极________通过传感器流向电极________(填“a”或“b”)。
答案 (1)①正 ②O2＋4H＋＋4e－===2H2O③负 正 ④22.4L
(2)①CO＋O2－－2e－===CO2 ②b a ③a b
解析 (1)由图可知A为燃料电池的正极，电极反应为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O；B为燃料电池的负极，电极反应为：C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋。放电过程中，H＋由负极区向正极区移动。葡萄糖燃料电池的总反应为：C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1molO2～
1molCO2，每消耗1molO2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4L。
(2)由元素价态变化可知，a电极为负极，电极反应式为：CO＋O2－－2e－===CO2，b电极为正极，电极反应式为：O2＋4e－===2O2－，总反应为：2CO＋O2===2CO2。工作时电子由电极a通过传感器流向电极b，O2－由电极b向电极a移动。
16．已知甲池的总反应式为：2CH3OH＋3O2＋4NaOH===2Na2CO3＋6H2O。
请回答下列问题：
(1)图中甲、乙两池的名称：甲池是________装置，乙池是________装置。
(2)下列电极的名称：通入CH3OH的电极名称是_________________________________，
B(石墨)电极的名称是________。
(3)写出电极反应式：
①通入O2的电极的电极反应式是：________________________________________________；
②A(石墨)电极的电极反应式为：________________________________________________。
(4)乙池中反应的化学方程式为：________________________________________________。
(5)若反应结束后乙池中A(石墨)电极上共收集到气体0.mol，则甲池中理论上消耗O2________mL(标准状况下)。
答案 (1)原电池 电解池 (2)负极 阳极
(3)①O2＋2H2O＋4e－===4OH－②2H＋＋2e－===H2↑
解析 甲池是以CH3OH为燃料的燃料电池，乙池是以石墨为电极电解饱和食盐水的电解装置。根据电子守恒
O2～4e－～2H2
1mol 2mol
n(O2) 0.mol
n(O2)＝0.mol V(O2)＝0.56L＝mL。