1、第第 2 课时课时 化学电源化学电源 【课程标准要求】 1.了解常见化学电源的工作原理。 2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。 一、化学电源 1.化学电源的分类 化学电源包括一次电池、 二次电池和燃料电池等， 原电池是各种化学电源的雏形。 普通锌锰电池属于一次电池，铅蓄电池属于二次电池。 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。 【微自测】 1.判断下列描述的正误(正确的打“”，错误的打“”) (1)一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生() (2)二次电池也叫可充电电池
2、，通过充电可使其活性物质再生() (3)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池() (4)化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点() (5)比能量与比功率是判断电池优劣的主要标准() 二、常见化学电源 1.一次电池(以碱性锌锰电池为例) 2.二次电池(以铅酸蓄电池为例) 3.燃料电池 (1)氢氧燃料电池 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，电池总反应是 2H2O2=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 H22e =2H 1 2O22H 2e=H 2O 中性 H22
3、e =2H H2O1 2O22e =2OH 碱性 H2 2e 2OH =2H2O H2O1 2O22e =2OH 其他燃料电池 燃料电池具有广阔的发展前景，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体均可作燃 料电池的燃料。 (3)燃料电池的能量利用率高，且可以做到污染物的少排放甚至零排放，因此又被 誉为“绿色发电站”。 【微自测】 2.下列说法正确的是( ) A.普通锌锰电池是一次电池，碱性锌锰电池是二次电池 B.铅酸蓄电池是一次电池，锂离子电池是二次电池 C.燃料电池的能量转化率可达 100% D.废旧电池集中处理的主要原因是防止电池中的重金属、酸和碱等物质污染水源 及土壤 答案 D 解析 一次电池
4、是放电后不能再充电使其复原的电池，如普通锌锰电池、碱性锌 锰电池等；二次电池又称可充电电池或蓄电池，放电后可通过充电的方法使活性 物质再生而继续使用的电池，如铅酸蓄电池、锂离子电池等，A、B 项错误；燃 料电池除将化学能转化为电能外， 还有一部分转化为热能， 能量转化率小于100%， C 项错误；电池中的重金属、酸和碱等物质会污染土壤和水源，需要集中处理， D 项正确。 一、一、可充电电池可充电电池(二次电池二次电池)的反应原理的反应原理 【活动探究】 铅酸蓄电池的结构 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。铅酸蓄电池由两组栅状极板交替排列而成， 可放电也可充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳
5、(防止酸液泄漏)。铅 酸蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的 PbO2，负极板上覆盖有 海绵状的金属 Pb，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料隔开(防止电极之间发生 短路)，两极均浸入稀 H2SO4中，如下图所示： 其充放电的总反应为 PbPbO22H2SO4 放电 充电 2PbSO42H2O。 (1)写出铅酸蓄电池放电时的正、负极反应式。 提示：负极反应式：Pb2e SO2 4=PbSO4 正极反应式：PbO24H SO2 42e =PbSO 42H2O (2)铅酸蓄电池放电时，正极附近溶液 pH 怎样变化？ 提示：由正极反应式可知，放电过程中不断消耗 H ，造成正极附近 c(H)
6、减少， pH 升高。 (3)写出铅酸蓄电池充电时阳极和阴极反应式。 提示：充电时的阳极反应式(放电时正极反应的逆反应)：PbSO42H2O2e =PbO24H SO2 4 阴极反应式(放电时负极反应的逆反应)：PbSO42e =PbSO2 4 (4)给该电池充电时怎样连接电极？ 提示：充电时，该电池的正极接外电源正极，负极接外电源负极。 【核心归纳】 可充电电池充电、放电的原理 (1)可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可逆反应。 (2)可充、放电时各电极上发生的反应 (3)可充电电池电极反应式的书写
7、充电时阴极(或阳极)的电极反应式是该电池放电时负极(或正极)的电极反应的逆 反应。例如，铅酸蓄电池充电、放电的过程如图所示。 书写铅酸蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的 Pb2 和 电解质溶液中的 SO2 4不能共存，Pb2 与 SO2 4结合生成 PbSO4沉淀，因此将负极 反应式写成 Pb2e =Pb2是错误的，应写成 PbSO2 42e =PbSO 4。 【实践应用】 1.铅酸蓄电池广泛应用于机动车辆，其构造如下图所示，已知 PbSO4难溶于水， 电池反应为 PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O，下列说法不正确的是( ) A.电池工作时，Pb 为负极，发生
8、氧化反应 B.电池工作时，电解质溶液 pH 保持不变 C.硫酸根离子在负极和正极都参与了反应 D.正极的电极反应式为 PbO22e 4HSO2 4=PbSO42H2O 答案 B 解析 Pb 作负极，发生氧化反应，A 正确；电池工作时，硫酸浓度减小，则电解 质溶液 pH 增大，B 错误；负极反应式为 PbSO2 42e =PbSO 4，正极反应式 为 PbO2SO2 42e 4H=PbSO 42H2O，故硫酸根离子在负极和正极都参与 了反应，C、D 正确。 2.镍- 镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达 1015 年。其总反应为 Cd2NiO(OH)2H2O 放电 充电 2Ni(OH)2
9、Cd(OH)2。下列说法不正确的是( ) A.放电时，负极发生了氧化反应，反应为 Cd2OH 2e=Cd(OH) 2 B.充电时，阳极反应为 Ni(OH)2e OH=NiO(OH)H 2O 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 Cd2OH 2e=Cd(OH) 2， 负 极区 OH 浓度减小， pH 减小； 放电时正极反应式为 NiOOHH 2Oe =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)2e OH=NiO
10、(OH)H 2O；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。 二、燃料电池电极反应式的书写二、燃料电池电极反应式的书写 【活动探究】 下面是三种燃料电池装置，结合原电池原理对其反应原理进行探究： (1)写出装置中，酸性甲醇燃料电池的正、负极反应式和总的化学方程式： 提示：负极反应式：CH3OH6e H 2O=CO26H 正极反应式：O24e 4H=2H 2O 总反应式：2CH3OH3O2=2CO24H2O (2)写出装置中熔融碳酸盐氢氧燃料电池的正、负极反应式。 提示：负极反应式：H22e CO2 3=CO2H2O 正极反应式：O24e 2CO 2=2CO2 3 (3)写出装置
11、中碱性甲烷燃料电池的正、负极反应式和总的化学方程式。 提示：负极反应式：CH48e 10OH=CO2 37H2O 正极反应式：2H2OO24e =4OH 总反应式：CH42O22OH =CO2 33H2O (4)燃料电池中正极通常通入什么物质？ 负极发生氧化反应还是还原反应？ 提示：燃料电池中正极通常通入的是 O2；可燃物一般在负极发生氧化反应。 【核心归纳】 1.燃料电池的组成和工作原理 (1)组成 (2)工作原理(以酸性氢氧燃料电池为例) 利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在负极将氢 气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达正极，在氢气的分解过程中 释放出电
12、子，电子通过负载被引出到正极，这样就产生了电能。 2.燃料电池电极反应式的书写方法 电池的负极反应物一定是可燃物，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。以乙醇碱性(KOH 溶液)燃料电池为例 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 K2CO3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，CO2 3中碳元素的化合
13、价为4，故 1 mol 乙醇完全反应失去 1 mol24(2)12 mol 电子。 第三步：列出表达式。 C2H5OH OH 12e CO2 3 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 CO2 3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 C2H5OH16OH 12e=2CO2 311H2O。 (1)燃料电池负极反应产物的判断 碱性介质：C 元素CO2 3，其余介质：CCO2 酸性介质：H 元素H ，其余介质：HH
14、 2O (2)配电荷守恒的方法： 用电解质溶液中的离子平衡电荷。阴离子(OH 、O2、CO2 3)在负极反应左侧，阳 离子(H )在负极反应右侧。 【实践应用】 1.甲醇空气燃料电池(DMFC)是一种高效、轻污染的车载电池，其工作原理如图 所示。下列有关叙述正确的是( ) A.该装置能将电能转化为化学能 B.电流由乙电极经导线流向甲电极 C.负极的电极反应式为：CH3OH6OH 6e=CO 25H2O D.b 口通入空气，c 口通入甲醇 答案 B 解析 甲醇燃料电池是一种新型化学电源，可将化学能转化为电能，A 错误；图 中 H 向乙电极迁移，则乙电极为正极，甲电极为负极，电流由正极流向负极，即
15、 由乙电极经导线流向甲电极，B 正确；该电池的电解质溶液呈酸性，故负极反应 式为 CH3OHH2O6e =CO 26H ，C 错误；b 口通入 CH 3OH 在负极发生氧 化反应，c 口通入空气，其中 O2在正极发生还原反应，D 错误。 2.肼(N2H4)暴露在空气中容易爆炸，但利用其作燃料电池是一种理想的电池，具 有容量大、能量转化效率高、产物无污染等特点，其工作原理如图所示，下列叙 述正确的是( ) A.电池工作时，正极附近的 pH 降低 B.当消耗 1 mol O2时，有 2 mol Na 由甲槽向乙槽迁移 C.负极反应为 4OH N 2H44e =N 24H2O D.若去掉离子交换膜电
16、池也能正常工作 答案 C 解析 电池工作时，O2在正极发生还原反应：O22H2O4e =4OH，由于生 成 OH ，溶液的 pH 增大，A 错误；当消耗 1 mol O 2时，电路中转移 4 mol 电子， 为保持溶液呈电中性，应有 4 mol Na 由甲槽向乙槽迁移，B 错误；N 2H4在负极 上失电子发生氧化反应，则负极反应为 4OH N 2H44e =N 24H2O，C 正 确；若去掉离子交换膜，肼会与水中溶解的氧气直接接触，发生爆炸，不能正常 工作，D 错误。 3.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。 (1)酸性条件燃料电池总反应式：_。 正极反应式： _。 负极反
17、应式： _。 (2)固体电解质(高温下能传导 O2 )燃料电池 总反应式： _。 正极反应式： _。 负极反应式： _。 (3)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电池总反应式： _。 正极反应式： _。 负极反应式：_。 答案 (1)CH42O2=CO22H2O 2O28H 8e=4H 2O CH48e 2H 2O=CO28H (2)CH42O2=CO22H2O 2O28e =4O2 CH44O2 8e=CO 22H2O (3)CH42O2=CO22H2O 2O24CO28e =4CO2 3 CH44CO2 38e =5CO 22H2O 核心体系建构 1.干电池原理示意图如图，电池总反应为
18、：Zn2NH 4=Zn2 2NH 3H2， 下列说法正确的是( ) A.碳为电池的正极 B.Zn 极上发生还原反应 C.常见锌锰干电池为二次电池 D.反应 2NH 42e =2NH 3H2在负极上发生 答案 A 解析 由电池反应可知， Zn 发生氧化反应生成 Zn2 ， 则 Zn 为负极， C 极为正极， A 正确；Zn 作负极，则 Zn 极上发生氧化反应，B 错误；常见锌锰干电池为一次 电池，C 错误；反应 2NH 42e =2NH 3H2中，NH 4被还原生成 H2，应在 正极发生，D 错误。 2.爱迪生蓄电池在充电和放电时发生的反应为 FeNiO22H2O 放电 充电 Fe(OH)2 N
19、i(OH)2，下列对该蓄电池的推断错误的是( ) 放电时，Fe 参与负极反应，NiO2参与正极反应 放电时，电解质溶液中的阴离子向正极移动 放电时，负极上的电极反应式为 Fe2H2O2e =Fe(OH) 22H 该蓄电池的电极必须浸入某种碱性电解质溶液中 A. B. C. D. 答案 B 解析 Fe 元素化合价由 0 价变为2 价、Ni 元素化合价由4 价变为2 价， 则 Fe 参与负极反应，NiO2参与正极反应，正确，放电时，电解质溶液中的阴 离子向负极移动，阳离子向正极移动，错误；放电时，负极上失电子发生氧化 反应，电极反应式为 Fe2e 2OH=Fe(OH) 2，错误；由方程式可知此电池
20、 为碱性电池，只能浸在碱性电解质溶液中，正确。 3.利用 CH4和 O2的反应，用铂电极在 KOH 溶液中构成燃料电池，则下列说法正 确的是( ) 每消耗 1 mol CH4可以向外电路提供 8 mol e 负极上 CH4失去电子，电极反应式为 CH410OH 8e=CO2 37H2O 负极上 O2获得电子，电极反应式为 O22H2O4e =4OH 电池放电过程中，溶液的 pH 不断升高 A. B. C. D. 答案 A 解析 该电池反应的实质是甲烷与氧气反应生成二氧化碳和水，生成的二氧化碳 与氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水。甲烷中碳元素为4 价，碳酸根离子中 碳元素为4 价，则每消耗 1
21、mol CH4可以向外电路提供 8 mol e ，正确。燃料 甲烷在负极上失去电子，结合氢氧根离子生成碳酸根离子，正确。氧气在正极 上得到电子，结合水生成氢氧根离子，错误。由电池的总反应式 CH42O2 2OH =CO2 33H2O 可知。 放电过程中消耗了氢氧根离子， 因此溶液的 pH 不断 降低，错误。综上所述，A 项正确。 4.“神舟十号”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 Cd2NiO(OH)2H2O 放电 充电 Cd(OH)
22、22Ni(OH)2 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 “增强”“减弱”或“不变”)。 (2)紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为 ZnAg2OH2O 放电 充电 2Ag Zn(OH)2，其负极的电极反应式为 _ _。 答案 (1)太阳 电 Ni(OH)2e OH=NiO(OH)H 2O 减弱 (2)Zn2e 2OH =Zn(OH) 2 解析 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 Cd2e 2OH=Cd(OH) 2，溶液的碱性减弱。 微专题微专题 锂离子电池锂离子电池知识技能型
23、知识技能型(教师独具教师独具) 【核心归纳】 1.锂离子电池的优点 质量小、体积小、储存和输出能量大等。是多种便携式电子设备和交通工具的常 用电池。 2.常见锂离子电池的材料组成 负极材料 正极材料 电解质溶液 嵌锂石墨 (LixCy) 钴酸锂 (LiCoO2) 六氟磷酸锂(LiPF6)的碳酸酯无水溶 液 3.常见锂离子电池工作原理 结构原理 图 放电 负极反应：LixCyxe =xLiC y Li 由石墨中脱 正极反应：Li1xCoO2xe xLi =LiCoO2 嵌移向正极，嵌 入LiCoO2晶体中 总反应：LixCyLi1xCoO2=LiCoO2 Cy 充电 阳极反应：LiCoO2xe
24、=Li 1xCoO2 xLi Li 从 LiCoO 2晶 体中脱嵌，由正 极回到负极，嵌 入石墨中 阴极反应：xLi C yxe =Li xCy 总反应：LiCoO2Cy=LixCyLi1 xCoO2 合并总反 应 Li1xCoO2LixCy 放电 充电 LiCoO2Cy 在放电、充电时， 锂离子往返于电 池的正极、负极 之间，完成化学 能与电能的相互 转化 典例 我国科研人员研制出一种 LiN2可充电电池，该电池中锂箔作负极，多 孔碳布作正极，玻璃纤维作隔板，其电池结构如下图所示，电池总反应为 6Li N2=2Li3N。下列说法错误的是( ) A.该电池属于二次电池 B.放电时正极反应式为
25、6Li N 26e =2Li 3N C.正、负极室均可用锂盐水溶液作电解质溶液 D.该电池的放电过程是一种固氮过程 答案 C 解析 该电池为可充电电池，属于二次电池，故 A 正确；放电时，N2得到电子， Li 参与反应，电极反应式为 6LiN 26e =2Li 3N，属于固氮过程，故 B、D 正确；Li 作负极，能与水发生反应，则负极室不可用锂盐水溶液作电解质溶液， 故 C 错误。 规律方法 加减法书写复杂电极反应式 【迁移应用】 1.锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已 成功研制多种锂电池。 某种锂电池的总反应方程式为 LiMnO2=LiMnO2， 下列 说法
26、正确的是( ) A.Li 是正极，电极反应为 Lie =Li B.Li 是负极，电极反应为 Lie =Li C.MnO2是负极，电极反应为 MnO2e =MnO 2 D.Li 是负极，电极反应为 Li2e =Li2 答案 B 解析 由总反应Li 0 Mn 4 O2=Li 1 Mn 3 O2可知， Li元素在反应后化合价升高(01)， Mn 元素在反应后化合价降低(43)。Li 被氧化，在电池中作负极，电极反应 为 Lie =Li，MnO 2在正极上反应，电极反应为 MnO2e =MnO 2。 2.(2018 浙江选考)锂(Li)空气电池的工作原理如下图所示。 下列说法不正确的是 ( ) A.金属锂作负极，发生氧化反应 B.Li 通过有机电解质向水溶液处移动 C.正极的电极反应式为：O24e =2O2 D.电池总反应：4LiO22H2O=4LiOH 答案 C 解析 锂(Li)空气电池中，锂为负极，发生氧化反应，A 项正确；负极的电极 反应为 Lie =Li，生成的 Li向正极移动，B 项正确；通入空气的一极为正 极，正极的电极反应式为 O22H2O4e =4OH，C 项错误；由正、负极的电 极反应可得电池总反应：4LiO22H2O=4LiOH，D 项正确。