发展中的化学电源.pdf

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1、第 2 课时发展中的化学电源 目标导航 1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。 2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。 3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。 一、常见的化学电源 1锌锰干电池 (1)结构：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊 状的 MnO2和 NH4Cl 作电解质。 (2)原理：锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应 是不可逆的。负极发生的电极反应为Zn2e =Zn 2，正极发生的电极反应 为 2MnO22NH 42e =Mn 2O32NH3H2O。 (3)缺陷与改进：锌锰干电池电

2、量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液， 会导致电器设备的腐蚀。改进措施：在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成 防漏电池；将电池内的电解质NH4Cl 换成湿的 KOH， 并在构造上进行改进， 制成碱性锌锰电池。 2充电电池 (1)充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充 电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内 循环进行。充电电池中能量的转化关系是：化学能 放电 充电 电能。 (2)常见的充电电池 铅蓄电池 负极是 Pb， 正极是 PbO2， 电解质溶液是硫酸溶液， 常作汽车电瓶，电压稳定， 使用方便安全。 镍镉电池 以 Cd 为负极， NiO(

3、OH) 为正极，以 KOH 为电解质，寿命比铅蓄电池长，但 镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。 碱金属中的 Li 是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。锂离 子电池是新一代可充电的绿色电池。 3燃料电池 (1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化 学能直接转化为电能的装置。 (2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池 或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提 供燃料和氧化剂等。 (3)以 30%的 KOH 溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下： 负极： 2H24OH 4e=4H

4、 2O(氧化反应 )； 正极： O22H2O4e =4OH(还原反应 )； 总反应： 2H2O2=2H2O。 【议一议】 1判断正误 (1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。() (2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。() (3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。() (4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。() 答案(1)(2)(3)(4) 二、原电池电极反应式的书写方法 1负极反应式的书写 先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极 产物的影响。 (1)锌锰干电池 (ZnCNH4Cl)的负极是 Zn， 其负极反应特点是锌本身失去电 子生成 Zn 2，

5、Zn2与电解质溶液成分不反应， 负极反应式是 Zn2e=Zn2。 (2)铅蓄电池 (PbPbO2H2SO4)的负极是 Pb，其负极反应特点是Pb失去电子 生成 Pb2 ，Pb2与电解质溶液中的 SO2 4反应生成 PbSO4，负极反应式是Pb 2e SO2 4=PbSO4。 (3)氢氧燃料电池 (PtPtKOH)的负极是 Pt， 其负极反应特点是燃料氢气在惰 性电极 (Pt)上失去电子生成 H ，H与电解质溶液中的 OH 反应生成 H 2O，负 极反应式是 H22e 2OH=2H 2O。 2正极反应式的书写 (1)首先判断在正极发生反应的物质 当负极材料与电解质溶液能自发的发生氧化反应时，在正

6、极上发生电极反 应的物质是电解质溶液中的某种微粒； 当负极材料与电解质溶液不能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极 反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。 (2)然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是 否与电解质溶液反应的问题，若参与反应要叠加在一起书写。 (3)甲烷燃料电池用铂作电极插入KOH 溶液中，其正极反应式是O22H2O 4e =4OH；铜锌原电池 (ZnCuH 2SO4)的正极反应式是2H 2e=H 2 。 【议一议】 2有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的 能源，它依靠人体血液中有一定浓度的O2和 H2O 进行工作。请讨论解

7、答： (1)负极材料是 _， 电极反应为 _ 。 (2)正极材料是 _， 电极反应为 _ 。 答案(1)锌2Zn4e =2Zn2 (2)铂O22H2O4e =4OH 解析以铂和锌为电极材料， 植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源， 正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血 液中的 O2得到电子被还原。正极的反应为O24e 2H 2O=4OH ；负极的 反应为 2Zn4e =2Zn2。 一、原电池电极反应式的书写 【例 1】 锂电池是一代新型高能电池， 它以质量轻、能量高而受到普遍重视， 目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为LiMnO2=LiMnO2， 下

8、列说法正确的是 () ALi 是正极，电极反应为Lie =Li BLi 是负极，电极反应为Lie =Li CMnO2是负极，电极反应为MnO2e =MnO 2 DLi 是负极，电极反应为Li2e =Li2 答案B 解析根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反 应可知， Li 失去电子生成 Li 被氧化，为负极； MnO 2得到电子被还原，为正 极。 归纳总结 书写原电池电极反应式时注意的问题： (1)正确判断原电池的负极和正极，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

9、正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无 论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的 书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。 变式训练 1可用于电动汽车的铝 空气燃料电池，通常以 NaCl 溶液或 NaOH 溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是 () A以 NaCl 溶液或 NaOH 溶液为电解液时，正极反应都为：O22H2O4e =4OH B以 NaOH 溶液为电解液时，负极反应为：Al3OH 3e=Al(OH) 3 C以 NaOH 溶液为电解液时， 电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变 D电池工作时，电

10、子通过外电路从正极流向负极 答案A 解析当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为O2 2H2O4e =4OH，A 项是正确的； 铝作负极， 负极反应应该是铝失去电 子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸 根，因此负极反应为Al 4OH 3e=AlO 22H2O，B 项是错误的；该电 池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为4Al3O24OH =4AlO 22H2O，溶液的碱性减弱， C 项是错误的；电池工作时，电子从负 极流出来经过外电路流向正极，D 项是错误的。 二、燃料电池 【例 2】燃料电池是燃料 (如 CO、H2、CH4等)跟氧气

11、 (或空气 )起反应将化学 能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的 说法正确的是 () A负极反应式： O22H2O4e =4OH B负极反应式： CH48OH 8e=CO 26H2O C随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变 D放电时溶液中的阴离子向负极移动 答案D 解析O22H2O4e =4OH应为正极反应式。燃料氧化生成的二氧化碳不 可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根。所以负极反应式为 CH410OH 8e =CO 2 37H2O。由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶 液的 c(OH )将减小。 归纳总结 常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、

12、甲醇燃料电池等。燃料电 池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电 池以碱为电解质，其放电原理为： 负极(H2)反应式： 2H24e 4OH=4H 2O(氧化反应 ) 正极(O2)反应式： O22H2O4e =4OH(还原反应 ) 电池总反应式： 2H2O2=2H2O 氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为： 负极(H2)反应式： 2H24e =4H(氧化反应 ) 正极(O2)反应式： O24H 4e=2H 2O(还原反应 ) 电池总反应式： 2H2O2=2H2O 变式训练 2燃料电池是目前电池研究的热点之一。 现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示a、b 均为惰性

13、电极。下列叙 述不正确的是 () Aa极是负极，该电极上发生氧化反应 Bb 极反应是 O24OH 4e=2H 2O C总反应的化学方程式为2H2O2=2H2O D氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 答案B 解析A 项 a 极通 H2为负极，电极反应为： 2H24OH 4e=4H 2O 发生 氧化反应；B 项，b 极通 O2为正极，电极反应为： O22H2O4e =4OH， B 项不正确； C 项：正负极电极反应式相加得总反应为2H2O2=2H2O；D 项：氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前 景的绿色电源。 1对化学电源的叙述正确的是() A化学电源比火力发电对

14、化学能的利用率高 B化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位 C化学电源均是安全、无污染的 D化学电源即为可充电电池 答案A 解析由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中转环节，所以化学电 源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位； 化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严 重的污染；有些化学电源是可充电电源(如镍镉电池 )，有些是不可充电的 (如 干电池 )。 2废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存 在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是() A把锌皮取下洗净用于实验室制取氢

15、气 B碳棒取出洗净用作电极 C把铜帽取下洗净回收利用 D电池内部填有 NH4Cl 等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用 答案D 解析虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用 作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。 3.右图为生活中常用的锌锰干电池的示意图，下列有关说 法中不正确的是() A电池内部含有电解质 B锌是负极，石墨棒是正极 C电池用完后可埋入土壤 D锌锰干电池是一次性电池 答案C 解析锌锰干电池是一次性电池，负极材料是Zn，正极材料是石墨棒，电解 质溶液是 NH4Cl 糊。因为废电池中含有多种重金属、酸、碱等有害物质，随 意丢弃对生态环境和公众健

16、康危害很大，故应对废电池进行集中处理，不能 埋入土壤。 4 汽车的启动电源常用铅蓄电池。 其结构如下图所示， 放电时的电池反应如下： PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O 根据此反应判断下列叙述中正确的是() APbO2是电池的负极 BPb 是负极 CPbO2得电子，被氧化 D电池放电时，溶液酸性增强 答案B 解析根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其 电极反应式为 PbSO 2 42e =PbSO 4，故 B 项正确； PbO2在放电过程中得 到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C 两项错误；由于原电池 放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D

17、项错误。 5(1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保 持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为： 3Zn2K2FeO48H2O 放电 充电 3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。请回答下列问 题： 高铁电池的负极材料是 _。 放电时，正极发生 _(填“氧化”或“还原” ) 反应： 已知负极反应为 Zn2e 2OH=Zn(OH) 2， 则正极反应为 _。 放电时， _(填“正”或“负” )极附近溶液的碱性增强。 (2)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b 均为惰性电极。 使用时，空气从 _口通入 (填“A”或“B”)； 假设使用的“燃料”是甲醇(CH3OH)，

18、 a 极的电 极反应式为 _ ； 答 案(1)Zn 还 原FeO 2 4 3e 4H2O=Fe(OH)35OH 正(2)BCH3OH6e 8OH =CO 2 3 6H2O 解析(1)高铁电池放电时为原电池， 负极发生氧化反应， 正极发生还原反应。 总反应式减去负极反应式得正极反应式，正极生成OH ，故此极附近溶液碱 性增强。 (2)由电子流动方向可知a 为负极， b 为正极，空气应从B 口通入， 容易写出总反应式和正极反应式，两者相减得出负极反应式。 经典基础题 题组 1电池及电极判断 1下列化学电池不易造成环境污染的是() A氢氧燃料电池B锌锰电池 C镍镉电池D铅蓄电池 答案A 2下列说法正

19、确的是() A镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池 B燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池 C化学电池的反应基础是氧化还原反应 D铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是 PbO2 答案C 解析碱性锌锰干电池是一次电池，燃料电池是一种高效且不会污染环境的 新型电池，铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是 Pb。 3已知空气锌电池的电极反应为 锌片： Zn2OH 2e=ZnOH 2O； 碳棒： 1 2O2H2O2e =2OH， 据此判断，锌片是() A正极并被还原B正极并被氧化 C负极并被还原D负极并被氧化 答案D 解析Zn 失电子作负极，被氧化。 4据报道，锌电池可

20、能将会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2ZnO2=2ZnO，原料为锌粒、电解 质溶液和空气。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 Zn2e =Zn2 C正极发生氧化反应 D电解质溶液为强酸 答案B 解析Zn 与 O2反应的电子转移情况为=2ZnO，所以 Zn 作负极， 负极发生氧化反应， Zn2e =Zn2。O 2是正极反应物，发生还原反应。若 电解质溶液是强酸，电池的化学反应不是2ZnO2=2ZnO，而是 Zn2H =Zn 2H 2。 题组 2各种燃料电池的突破 5镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来 源丰

21、富、成本低、燃料易于贮运等特点。 研究的燃料电 池可分为镁空气燃料电池， 镁海水燃料电池， 镁 过氧化氢燃料电池， 镁次氯酸盐燃料电池。 如图为镁 次氯酸盐燃料电池的工作原理图， 下列有关说法不正 确的是() A放电过程中 OH 移向正极 B电池的总反应式为MgClO H 2O=Mg(OH)2Cl C镁电池中镁均为负极，发生氧化反应 D镁 过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：H2O22H 2e =2H2O 答案A 解析根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。镁燃 料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成Mg 2 ，碱性溶液生成 Mg(OH)2。ClO

22、 在正极反应，由图可知有 Cl 和 OH生成， OH 向负极移动，生成 Mg(OH)2。 6右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动 吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精 检测。下列说法不正确的是() A该电池的负极反应式为：CH3CH2OH3H2O 12e =2CO 212H B该电池的正极反应式为：O24e 4H=2H 2O C电流由 O2所在的铂电极经外电路流向另一电极 D微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量 答案A 解析本题的关键是读图。由图示可知，呼气时进去的是CH3CH2OH 出来的 是 CH3COOH，负极的电极反应为： CH3CH2OH4e H

23、2O=CH3COOH 4H ，A 错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成 H2O，B 正确；电流由正极 流向负极， C 正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D 正确。 72012年 6 月 16 日 18时 37 分 24 秒，神舟九号成功发射。飞船的能量部分来 自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC 型燃料电池。该燃料电池可同 时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃 料电池的总反应为2H2O2=2H2O，负极反应为 H2CO2 3 2e =CO2 H2O，则下列推断正确的是() A电池工作时， CO 2 3 向负极移动 B电池放电时，电子经外电路由通氧气的

24、正极流向通氢气的负极 C正极的电极反应为4OH 2e=O 22H2O D通氧气的电极为正极，发生氧化反应 答案A 解析原电池放电时，电子由负极经外电路流向正极，B 错误；正极反应为 O24e 2H 2O=4OH ，C 错误；通氧气一极为正极，发生还原反应， D 错 误。 题组 3有关电池的计算 8实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取Cl2，已知铅蓄电池放电时发生 如下反应： 负极： PbSO 2 42e =PbSO 4 正极： PbO24H SO2 42e =PbSO 42H2O 今欲制得 Cl2 0.050 mol，这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是 () A0.025 mol B0.050 mol C0.10 mol D0.20 mol