发展中的化学电源

第2课时发展中的化学电源
[学习目标定位] 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)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)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Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH＋4＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。

(3)锌锰干电池电量小，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：①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②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、放电可在一定时期内循环进行。

充电电池中能量的转化
电能。

关系是化学能放电
充电
(2)常见的充电电池
①铅蓄电池
常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。

负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶
液；
②镍镉电池
以Cd为负极，NiO(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；
③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，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气体与氧气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：2H2＋4OH－－4e－===4H2O(氧化反应)；
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(还原反应)；
总反应：2H2＋O2===2H2O。

[归纳总结]
化学电池的基本类型
(1)活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应，如锌锰干电池。

(2)两电极都参加反应，如铅蓄电池。

(3)两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如燃料电池。

[活学活用]
1.下列有关电池叙述，正确的是()
A.水果电池是高效环保的家用电池
B.锌锰干电池是一种常用的二次电池
C.锌锰干电池碳棒是负极，锌片是正极
D.锌锰干电池工作一段时间后锌外壳逐渐变薄
答案 D
2.汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是()
A.Pb是正极
B.PbO2得电子，被氧化
C.负极反应是Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4
D.电池放电时，溶液的酸性增强
答案 C
解析从铅蓄电池的放电反应可以看出：放电过程中Pb失去电子变为Pb2＋，发生氧化反应，因而Pb是负极；PbO2得到电子发生还原反应，被还原；反应过程中消耗了H2SO4，使溶液的酸性减弱。

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(Zn—C—NH4Cl)的负极是Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2＋，Zn2＋与电解质溶液成分不反应，负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋。

(2)铅蓄电池(Pb—PbO2—H2SO4)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－
反应生成PbSO4，负极反应式是Pb－2e－＋SO2－4===PbSO4。

4
(3)氢氧燃料电池(Pt—Pt—KOH)的负极是Pt，其负极反应特点是Pt为惰性电极，燃料氢气失去电子生成H＋，H＋与电解质溶液中的OH－反应生成H2O，负极反应式是H2－2e－＋2OH－===2H2O。

2.正极反应式的书写
(1)首先判断在正极发生反应的物质
①当负极材料与电解质溶液能自发的发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；
②当负极材料与电解质溶液不能自发的发生化学反应时，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，若参与反应也要书写叠加式。

(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O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
铜锌原电池(Zn －Cu －H 2SO 4)的正极反应式是2H ＋＋2e －
===H 2↑。

[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)。

[活学活用]
3.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，目前已研制成功多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为Li ＋MnO 2===LiMnO 2，下列说法正确的是( ) A.Li 是正极，电极反应为Li －e －
===Li ＋
B.Li 是负极，电极反应为Li －e －
===Li ＋
C.MnO 2是负极，电极反应为MnO 2＋e －
===MnO －
2 D.Li 是负极，电极反应为Li －2e －
===Li 2＋
答案 B
解析 由总反应L 0
i ＋M ＋4nO 2===L ＋1iM ＋3
nO 2可知，Li 元素在反应后化合价升高(0→＋1)，Mn 元素在反应后化合价降低(＋4→＋3)。

Li 被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li －e －===Li ＋，
MnO 2在正极上反应，电极反应为MnO 2＋e －===MnO －2。

4.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O 2和H 2O 进行工作。

(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 2Zn －4e －
===2Zn 2＋
(2)铂 O 2＋2H 2O ＋4e －===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O 2得到电子被还原。

正极的反应为O 2＋4e －＋2H 2O===4OH －；负极的反应为2Zn －4e －===2Zn 2＋。

理解感悟根据原电池反应书写电极反应式
若已知电池总反应式，要写电极反应式，一般处理方法是根据化合价变化规律先判断负极材料，负极材料若是金属则失电子而变为相应的阳离子(注意：Fe失电子一般变为Fe2＋)，负极材料若是其他被氧化的物质，则失电子变为相应的氧化产物，然后再推断正极反应式，可利用总反应式与已知某一极的电极反应式作差推出。

当堂检测
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.回收其中的石墨电极
答案 B
解析回收电池的主要目的是防止对环境的污染。

2.下列有关电池的说法不正确的是()
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池
B.铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D.锌锰干电池中，锌电极是负极
答案 B
解析电池中电子由负极流向正极，B项电子应从Zn电极流向Cu电极。

3.已知空气—锌电池的电极反应为
锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
碳棒：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，据此判断，锌片是()
A.正极，被还原
B.正极，被氧化
C.负极，被还原
D.负极，被氧化
答案 D
4.氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理示意图如下所示。

下列有关氢氧燃料电池的说法，正确的是()
A.该电池工作时电能转化为化学能
B.该电池中电极a是正极
C.外电路中电子由电极b通过导线流向电极a
D.该电池的总反应：2H2＋O2===2H2O
答案 D
解析燃料电池是将化学能转化为电能，A项不正确；a极通入H2发生氧化反应，是电池的负极，B项不正确；外电路中电子由负极流向正极，即由电极a通过导线流向电极b，C项不正确。

5.钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe2＋＋4OH－。

负极反应式是__________________；正极反应式是______________________________。

答案Fe－2e－===Fe2＋2H2O＋O2＋4e－===4OH－
40分钟课时作业
[基础过关]
一、化学电源及其回收利用
1.对化学电源的叙述正确的是()
A.化学电源比火力发电对化学能的利用率高
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.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
3.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。

有同学想将其变废为宝，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。

二、常用化学电源
4.下列说法正确的是()
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。

5.日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应式可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH＋4＋2e－===2NH3↑＋H2↑(NH3与Zn2＋能生成一种稳定的物质)。

根据上述判断，下列结论不正确的是()
A.干电池内发生的是氧化还原反应
B.锌为负极，碳为正极
C.工作时，电子由碳极经过外电路流向锌极
D.长时间连续使用时，内装糊状物可能流出腐蚀用电器
答案 C
解析由负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应或根据原电池形成的条件，相对活泼(指金属性)的一极为负极，相对不活泼的一极为正极可判断出选项B、A正确；在外电路中，电子从负极流向正极，故选项C不正确；长时间连续使用该原电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，且MnO2不断吸收H2而生成H2O，糊状物也越来越稀，故其很可能流出腐蚀用电器，选项D正确。

6.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，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：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B.负极反应式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C.随着放电的进行，溶液的c(OH－)不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案 D
解析O2＋2H2O＋4e－===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CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O；由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH－)将减小。

三、新型化学电源
7.据报道，锌电池可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2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。

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Zn－2e－===Zn2＋
C.正极发生氧化反应
D.电解液为强酸
答案 B
解析Zn与O2反应的电子转移情况为
，所以Zn作负极，负极发生氧化反应，Zn－2e－===Zn2＋。

O2是正极反应物，发生还原反应。

若电解液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H ＋===Zn2＋＋H2↑。

8.
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均为惰性电极。

下列叙述不正确的是()
A.a极是负极，该电极上发生氧化反应
B.b极反应是O2＋4OH－－4e－===2H2O
C.总反应方程式为2H2＋O2===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2H2＋4OH－－4e－===4H2O，发生氧化反应；B 项，b极通O2为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B项不正确；C项，正负极电极反应式相加得总反应为2H2＋O2===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。

9.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O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B.以NaOH溶液为电解液时，负极反应为Al＋3OH－－3e－===Al(OH)3↓
C.以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的碱性保持不变
D.电池工作时，电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＋2H2O＋4e－===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－2＋2H2O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应方程式为4Al ＋3O2＋4OH－===4AlO－2＋2H2O，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。

[能力提升]
10.高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电
电压。

高铁电池的总反应为
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O放电
3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH
充电
下列叙述不正确的是()
A.放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
B.放电时正极反应为FeO2－4＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－
C.放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
答案 C
解析高铁电池放电时为原电池，依据原电池工作原理，放电时负极反应式为Zn－2e－＋2OH －===Zn(OH)2，用总式减去负极反应式即得正极反应式为FeO2－4＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－，放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被还原。

11.燃料电池是目前正在探索的一种新型电池。

它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用的氢氧燃料电池的基本反应是
x极：O2(气)＋2H2O(液)＋4e－===4OH－
y极：H2(气)＋2OH－－2e－===2H2O(液)
回答下列问题：
(1)x是________极，发生________反应。

(填“氧化”或“还原”，下同)
(2)y是________极，发生________反应。

总反应方程式为________________________________________________________。

(3)若反应后得到5.4 g液态水，此时氢氧燃料电池转移的电子数为________。

答案(1)正还原(2)负氧化2H2＋O2===2H2O(3)0.6N A
解析(1)x极：O2得电子发生还原反应，所以为正极。

(2)y极：H2失电子发生氧化反应，所以为负极。

x极、y极得失电子应相同，故x极电极方程式与y极电极方程式乘以2相加得总反应方程式为2H2＋O2===2H2O。

(3)4 mol e－～2H2O
4 mol 2×18 g
n(e－) 5.4 g
n(e－)＝0.6 mol。

12.氯铝电池是一种新型的燃料电池。

试回答下列问题：
(1)通入Cl2(g)的电极是________(填“正”或“负”)极。

(2)投入Al(s)的电极是________(填“正”或“负”)极。

(3)电子从________(填“Al”或“Cl”)极流向________极(填“正”或“负”)。

(4)每消耗8.1 g Al(s)，电路中通过的电子数目为________N A(N A表示阿伏加德罗常数的值)。

答案(1)正(2)负(3)Al正(4)0.9
解析判断原电池的正负极首先要分析题中所给信息，此题所给信息是具体反应物，根据具体反应物间的相互反应式2Al＋3Cl2===2AlCl3，可知Cl2得电子在正极反应，Al失电子在负极反应，所以通入Cl2(g)的电极是正极，投入Al(s)的电极是负极，电子由负极(Al)流向正极。

8.1 g Al(s)的物质的量为8.1 g
27 g·mol－1
＝0.3 mol，每摩尔Al反应转移3 mol电子，0.3 mol Al反应电路中通过的电子数为3N A×0.3＝0.9N A。

13.Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。

(1)该电池的负极材料是________。

电池工作时，电子流向________(填“正极”或“负极”)。

(2)若ZnCl2-NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2＋，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是________。

欲除去Cu2＋，最好选用下列试剂中的________(填代号)。

A.NaOH
B.Zn
C.Fe
D.NH3·H2O
答案(1)Zn(或锌)正极(2)锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 B
解析(1)负极是失电子的一极，Zn失电子由负极经外电路流向正极。

(2)锌与还原出来的Cu 构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。

除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2＋置换为单质而除去。

[拓展探究]
14.Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：
(1)电池的负极材料为__________，发生的电极反应为
________________________________________________________________________。

(2)电池正极发生的电极反应为____________________________________________。

(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。

如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是____________________________________________，
反应的化学方程式为____________________________________________________。

(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是
________________________________________________________________________。

答案(1)Li Li－e－===Li＋
(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
(3)出现白雾，有刺激性气味的气体生成
SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑
(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
解析分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。

(1)负极材料为Li(还原剂)，发生反应：Li－e－===Li＋。

(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。

(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。

(4)因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。