人教版高中化学选修四第四章 第二节 化学电源

第二节化学电源[核心素养发展目标] 1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电池的分析，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．判断电池优劣的主要标准(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。

(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。

(3)电池可储存时间的长短。

3．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。

例1随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是()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。

考点初步认识化学电池题点废旧化学电池的回收利用二、常见的化学电池1．一次电池(1)碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

①负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液；②负极反应式是Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；③正极反应式是2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

(2)锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点，总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

①负极反应式是Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；②正极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

相关链接化学电池中电极反应式的书写方法及步骤(1)分析电极反应。

负极元素化合价升高，失电子，发生氧化反应，写出氧化产物的简单形式；正极元素化合价降低，得电子，发生还原反应，写出还原产物的简单形式。

(2)注意电解质环境。

电极产物在电解质溶液中能稳定存在，写出产物的正确存在形式。

(3)根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。

(4)根据正负极得失电子守恒，两电极反应式相加得电池总反应。

(5)若已知电池总反应，可用电池总反应减去某一电极反应式求得另一电极反应式。

2．二次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：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)(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①负极反应式是Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s) ；②正极反应式是PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l) ；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①阴极(发生还原反应)反应式是PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO2－4(aq) ；②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq) ；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。

相关链接充电电池充电、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)的电极反应刚好相反。

例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。

注意书写铅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Pb－2e－===Pb2＋是错误的，应写成Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4。

3．燃料电池氢氧燃料电池用铂作电极，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：相关链接(1)燃料电池的工作原理一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。

可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。

也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。

(2)常见的四种典型燃料电池常见化学电池的比较(1)一次电池：活泼金属作负极，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。

例2锂空气电池放电时的工作原理如图所示。

下列叙述正确的是()A．放电时Li＋由B极向A极移动B．电池放电反应为4Li＋O2＋2H2O===4LiOHC．B电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2OD．电解液a可以为氯化锂溶液答案 B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。

考点一次电池和二次电池题点一次电池方法点拨——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。

例3镍—镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。

其总反应为Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋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Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2B．充电时，阳极反应为Ni(OH)2(s)－e－＋OH－(aq)===NiOOH(s)＋H2O(l)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(s)＋H2O＋e－===Ni(OH)2(s)＋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(s)－e－＋OH－(aq)===NiOOH(s)＋H2O(l)；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。

考点一次电池和二次电池题点二次电池方法点拨——由二次电池的总反应式书写电极反应式(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。

例4写出下列燃料电池的电极反应式和总反应式。

(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＋2H2O2O2＋8H＋＋8e－===4H2OCH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋(2)CH4＋2O2＋2OH－===CO2－3＋3H2O2O2＋4H2O＋8e－===8OH－CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O(3)2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO2－3＋6H2O3O2＋6H2O＋12e－===12OH－2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO2－3＋12H2O考点燃料电池题点有机物燃料电池方法点拨(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－。

相关链接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。