【学案导学设计】2014-2021学年高中化学鲁科版选修4 第一章 3.2 化学电源同步讲练

第2课时化学电源
[目标要求] 1.了解常见化学电源的种类。

2.把握常见化学电源的工作原理。

一、化学电源
1．依据原电池的反应原理，人们设计和生产了多种化学电源，包括一次电池、可充电电池和燃料电池等。

可充电电池也称为二次电池。

可充电电池放电时是一个原电池，充电时是一个电解池。

锂电池是一种高能电池。

2．目前常见的一次锌锰干电池分为酸性和碱性两种。

碱性锌锰电池比一般锌锰干电池性能优越，它单位质量所输出的电能多，能供应较大电流并连续放电。

碱性锌锰电池的负极是锌粉，正极是二氧化锰和石墨，电解质溶液是KOH溶液。

其电极反应为：负极：Zn＋2OH－―→ZnO＋H2O＋2e－，正极：MnO2＋2H2O＋2e－―→Mn(OH)2＋2OH－，总反应为：Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2。

3．铅蓄电池是常见的二次电池。

它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上掩盖有PbO2，负极板上掩盖有Pb，电解质溶液是30%H2SO4溶液。

放电时电极反应：负极：Pb＋SO2－4―→PbSO4＋2e－，正极：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－―→PbSO4＋2H2O，放电时总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

铅蓄电池充电时电极反应：阴极：PbSO4＋2e－―→Pb＋SO2－4，阳极：PbSO4＋2H2O―→PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－，充电时总反应式：2PbSO4＋
2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

可见充电过程和放电过程是可逆的，可用一个反应表示为：Pb＋PbO2＋2H2SO 4
2PbSO4＋2H2O。

4．氢氧燃料电池正极通入O2，负极通入H2。

其电极反应为负极：2H2＋4OH－―→4H2O＋4e－，正极：O2＋4e－＋2H2O―→4OH－，总反应：2H2＋O2===2H2O。

燃料电池的能量转换效率远高于一般燃料的燃烧的能量转换效率。

二、废旧电池的危害及处理
1．危害
废弃电池中的重金属和酸碱等有害物质会造成土壤和水污染，会对生态环境和人体健康造成很大危害。

2．回收利用
(1)回收重金属；
(2)回收填充材料；
(3)对无用物质集中进行无害处理。

学问点一化学电池
1．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＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2
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MnO2＋2H2O＋2e－―→Mn(OH)2＋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0.2 mol电子，锌的质量理论上削减6.5 g
答案 C
解析本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：锌为负极，在反应中失去电子，故A正确；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向移动方向与电流方向相反，故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池的原理写出正极反应式知B正确。

2．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是
2PbSO4＋2H2O PbO2＋Pb＋2H2SO4
下列对铅蓄电池的说法错误的是( )
A．需要定期补充硫酸
B．工作时铅是负极，PbO2是正极
C．工作时负极上发生的反应是Pb＋SO2－4―→PbSO4＋2e－
D．工作时电解质的密度减小
答案 A
解析铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO2－
4生成PbSO4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是肯定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中的H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

3．某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。

该电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O
3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，以下说法不正确的是( )
A．放电时负极反应式为Zn＋2OH－―→Zn(OH)2＋2e－
B．放电时正极反应式为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．充电时阳极四周溶液的碱性减弱
答案 C
解析选项A，放电时，在碱性条件下，Zn失去电子为电池的负极：Zn＋2OH－―→
Zn(OH)2＋2e－；选项B，依据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相等)可得放电时正极反应式为FeO2－4＋4H2O＋3e－―→Fe(OH)3＋5OH－；选项C，放电时，K2FeO4被还原；选项D，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH－，导致阳极四周溶液的碱性减弱。

学问点二燃料电池
4.氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应式如下：
负极：2H2＋4OH－―→4H2O＋4e－
正极：O2＋2H2O＋4e－―→4OH－
当得到1.8 L饮用水时，电池内转移的电子数约为( )
A．1.8 mol B．3.6 mol C．100 mol D．200 mol
答案 D
解析n(H2O)＝
1.8×103 g
18 g·mol－1
＝100 mol
2H2＋O4e－2===2H2O
即每生成1 mol H2O则转移2 mol e－，当生成100 mol H2O时，转移200 mol e－。

5．将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，即可构成CH4燃料电池。

已知通入CH4的一极，其电极反应式是：CH4＋10OH－―→CO2－3＋7H2O＋8e－；通入O2
的另一极，其电极反应式是：O2＋2H2O＋4e－―→4OH－，该电池放电时，下列有关叙述中，不正确的是( ) A．通入CH4的电极为负极
B．正极发生氧化反应
C．燃料电池工作时溶液中的阴离子向负极移动
D．该电池使用一段时间后应补充KOH
答案 B
解析依据原电池的工作原理和题给电极反应式可知：CH4在负极上被氧化，O2在正极上被还原，在内电路阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。

由于反应过程中消耗KOH生成K2CO3，故该燃料电池工作一段时间应补充KOH。

6．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。

该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。

放电
充电
放电充电放电充电
下列推断正确的是( )
A ．有O 2参与反应的a 极为电池的负极
B ．b 极的电极反应式为H 2＋O 2－―→H 2O ＋2e －
C ．a 极对应的电极反应式为O 2＋2H 2O ＋4e －―→4OH －
D ．该电池的总反应式为2H 2＋O 2=====高温
2H 2O 答案 D
解析 由于电子从b 电极流向a 电极，所以b 电极为负极，H 2在该极发生氧化反应；a 电极为正极，O 2
在该极发生还原反应。

由此推断该原电池的负极反应式为H 2―→2H ＋＋2e －，正极电极反应式为12
O 2＋2e －―→O
2
－
，则电池总反应式为2H 2＋O 2=====高温2H 2O 。

练基础落实
1．下列对碱性锌锰电池的叙述不正确的是( ) A ．Zn 是正极，MnO 2是负极 B ．电解质是KOH 溶液
C ．Zn 发生氧化反应，MnO 2发生还原反应
D ．它的能量和储存时间比一般锌锰电池高 答案 A
解析 Zn 化合价上升，发生氧化反应，是负极，MnO 2发生还原反应，是正极。

2．铅蓄电池的两极分别为Pb 、PbO 2，电解质溶液为H 2SO 4，工作时的电池反应式为Pb ＋PbO 2＋2H 2SO 4===2PbSO 4＋2H 2O ，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
C ．SO 2－
4只向PbO 2处移动
D ．电解质溶液的pH 不断增大 答案 D
解析 由题给电极反应式可以看出H 2SO 4不断被消耗，故pH 不断增大，所以B 不正确，D 正确；由Pb 元素化合价的变化，可以看出Pb 是负极，所以A 不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是全都
的，外电路中，电子由Pb 极流向PbO 2极；内电路中，负电荷(SO 2－4和OH －
)移向Pb 极，所以C 不正确。

3．据报道，锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池，由于锌电池容量更大，而且没有铅污染，其电池反应为2Zn ＋O 2===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 ＋2OH －―→ZnO＋H 2O ＋2e －
C ．正极发生氧化反应
D ．电解液可以是强酸也可以是强碱 答案 B
解析 2Zn ＋O 2===2ZnO ，Zn 失电子，O 2得电子，即Zn 为原电池负极，O 2在正极上反应，故B 正确；若电解液为强酸，ZnO 则不能存在，故D 不正确。

4．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧气作用生成水和二氧化碳。

该电池负极发生的反应是( )
A ．CH 3OH(g)＋O 2(g)―→H 2O(l)＋CO 2(g)＋2H ＋(aq)＋2e －
B ．O 2(g)＋4H ＋(aq)＋4e －
―→2H 2O(l)
C ．CH 3OH(g)＋H 2O(l)―→CO 2(g)＋6H ＋(aq)＋6e －
D ．O 2(g)＋2H 2O(l)＋4e －―→4OH －
(aq) 答案 C
解析 电能来源于化学能，CH 3OH 与O 2的反应即为该电池的总反应：2CH 3OH(g)＋3O 2(g)===2CO 2(g)＋
4H 2O(l)。

酸性溶液中，正极上O 2发生还原反应，即O 2(g)＋4H ＋(aq)＋4e －
―→2H 2O(l)，电池总反应式减去正
极反应式即得负极反应式为CH 3OH(g)＋H 2O(l)―→CO 2(g)＋6H ＋(aq)＋6e －。

5．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 锂离子电池可以充电后再次使用，属于二次电池，A 项正确；铜锌原电池中铜为正极，故外电路中电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B 项错误；电池的实质是把化学能转化成电能，C 项正确；Zn 失
去电子生成Zn 2＋
，故作为负极，D 项正确。

练方法技巧
6．燃料电池是燃料(例如CO 、H 2、CH 4等)跟氧气或空气反应，将此反应的化学能转化为电能的装置，电解质通常是KOH 溶液。

则下列关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )
A ．负极反应式为：CH 4＋10OH －―→CO 2－3＋7H 2O ＋8e －
B ．负极反应式为：O 2＋2H 2O ＋4e －―→4OH －
C ．随着反应进行，电解质溶液碱性不变
D ．该电池的总反应与甲烷燃烧的反应方程式相同，反应式为：CH 4＋2O 2===CO 2＋2H 2O 答案 A
解析 本题考查燃料电池的反应原理、电极反应式的书写等学问。

对于该燃料电池，负极CH 4失电子被
氧化，其中产物之一应是CO 2，但在KOH 溶液中，肯定会变为CO 2－3。

故电极反应为：CH 4＋10OH －―→CO 2－
3＋7H 2O
＋8e －；正极O 2得电子被还原，生成物应与电池中电解质溶液相关。

电极反应为：O 2＋2H 2O ＋4e －―→4OH －
；
将两个电极反应式相加，即可得到总反应式为：CH 4＋2OH －＋2O 2===CO 2－
3＋3H 2O 。

可见随着反应的进行，电解
质溶液中c (OH －
)不断减小。

7．一个完整的氧化还原反应方程式可以拆分，写成两个“半反应式”，一个是“氧化反应”式，一个
是“还原反应”式。

如2Fe 3＋＋Cu===2Fe 2＋＋Cu 2＋，可以写成：氧化反应：Cu ―→Cu 2＋＋2e －；还原反应：2Fe 3
＋＋2e －―→2Fe 2＋。

(1)依据以上信息将反应3NO 2＋H 2O===2H ＋＋2NO －
3＋NO 拆分为两个“半反应式”：氧化反应式为_____________________________________________________________；
还原反应式为_______________________________________________________。

(2)已知某一反应的“半反应式”为CH 4＋10OH －―→CO 2－3＋7H 2O ＋8e －；O 2＋2H 2O ＋4e －―→4OH －
，则总反应式为____________________________________________________。

答案 (1)2NO 2＋2H 2O ―→2NO －3＋4H ＋＋2e －
NO 2＋2H ＋＋2e －
―→NO＋H 2O
(2)CH 4＋2O 2＋2OH －===CO 2－
3＋3H 2O
解析 (1)依据题目供应的信息，还原剂失去电子作负极，发生氧化反应；氧化剂得到电子作正极，发
生还原反应。

反应式为：氧化反应：2NO 2＋2H 2O ―→2NO －3＋4H ＋＋2e －；还原反应：NO 2＋2H ＋＋2e －
―→NO＋H 2O 。

(2)知道两个半反应，依据得失电子守恒，将两式相加，即可得总反应式。

练综合拓展
8．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已方案将甲醇燃料电池用于军事。

一种甲醇燃料电池是接受铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

回答下列问题：
(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(2)此电池的正极发生的电极反应：
________________________________________________________________________，
负极发生的电极反应： __________________________________________________。

(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

(4)使用该燃料电池的另一个好处是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

答案(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
(2)3O2＋12H＋＋12e－―→6H2O
2CH3OH＋2H2O―→2CO2＋12H＋＋12e－
(3)正负极(4)对环境无污染
解析(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。

(2)电池的正极O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。

(3)H＋移向正极，在正极生成水。

(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。

9．我国首创以铝－空气－海水电池作为能源的新型海水标志灯，以海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。

只要把灯放入海水中数分钟，就会发出刺眼的白光。

则该电源负极材料为________，正极材料为________，正、负极反应分别为
________________________________________________________________________，
________________________________________________________________________。

答案铝石墨3O2＋6H2O＋12e－―→12OH－4Al―→4Al3＋＋12e－
解析依据原电池构成的条件，活泼金属做负极(失去电子)，发生氧化反应；惰性材料做正极(得到电子)，发生还原反应。

在题目中，发生的反应是4Al＋3O2===2Al2O3，所以铝被氧化而做负极，在正极上氧气得到电子被还原。

类似于钢铁的电化学腐蚀。

10．铅蓄电池是典型的可充电型电池，它的正负极极板是惰性材料，电池总反应式为：
Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2－42PbSO4＋2H2O
请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：
(1)放电时：正极的电极反应式是____________________________________________；
电解液中H2SO4浓度将变____；电流方向从____极流向____极。

当外电路通过1 mol电子时，理论上负极板的质量增加________g。

(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按如图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成______、B电极上生成________，此时铅蓄电池的正负极的极性将________。

答案(1)PbO2＋2e－＋4H＋＋SO2－4―→PbSO4＋2H2O 小正负48 (2)Pb PbO2对换
解析解答本题要留意以下两点：
(1)原电池正极、电解池阴极发生还原反应，原电池负极、电解池阳极发生氧化反应。

(2)铅蓄电池完全放电后，电极材料为PbSO4。

原电池中正极上得电子、负极上失电子。

依据电池总反应式，正极反应为：PbO2＋2e－＋4H＋＋
SO2－4―→PbSO4＋2H2O。

负极反应为：
Pb＋SO2－4―→PbSO4＋2e－质量增加
2 mol 96 g
1 mol Δm
求得Δm＝48 g
电解池里与电源正极相连的电极(阳极)上失电子、与电源负极相连的电极(阴极)上得电子。

则阳极反应式为PbSO4＋2H2O―→PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－；阴极反应式为PbSO4＋2e－―→Pb＋SO2－4。

依据图示，电解一段时间后，原PbO2极(阴极)变成Pb，原Pb极(阳极)变成PbO2，即正负极对换。

放电充电。