最新人教版高中化学《化学电源》教材梳理

庖丁巧解牛
诱学·导入·点拨
材料：由我国自主研制的燃料电池城市大巴目前单车行驶里程已突破10 000公里。

清能一号和清能三号两辆大巴代表了中国燃料电池城市大巴的最高水平，上海神力科技有限公司为这两辆车提供了核心部件——燃料电池发动机。

从今年八月份至今清能一号行驶里程已经突破10 000公里，清能三号也达到了7 000公里。

第三方的相关检测也将在近期开始，随后的商业化运行也将提上议事日程。

问题设置：什么是燃料电池？其原理是什么？有什么样的发展前景？
导入点拨：燃料电池是把燃料的化学能转化为电能的装置，结合原电池原理，分析燃料电池的工作原理。

来探究形形色色的电池的结构和工作原理。

知识·巧学·升华
一、一次电池
1.普通锌锰电池
锌锰电池是最早使用的干电池。

锌锰电池的电极分别是锌（负极）和碳棒（正极），内部填充的是糊状的MnO2和NH4Cl。

电池的两极发生的反应是：
负极（锌外壳）：Zn-2e-Zn2+
正极（碳棒）：2MnO 2+2NH+4+2e-2MnO（OH）+2NH3+H2O
总的电池反应为：2MnO 2+Zn+2NH4Cl2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2。

知识拓展该电池的电流—电压特性和二氧化锰的来源有关，也直接地依赖于锰的氧化价态、晶粒的大小及水化程度等；目前已全部以ZnCl2电解液代替NH4Cl，充分说明Zn2+与Cl-配合［ZnCl4］2-，而不必有NH+4存在，放电前pH＝5，放电后pH上升到pH＝7为中性。

电池在使用过程中电压不断下降，不能提供稳定电压，且放电功率低，比能量小，低温性能差，在-20 ℃即不能工作。

在高寒地区只可使用碱性锌锰干电池。

2.碱性锌锰电池（碱锰电池）
用KOH电解质溶液代替NH4Cl作电解质时，电池的总能量和放电电流都能得到显著地提高。

其电极反应为：
正极：2MnO 2+2H2O+2e-2MnO(OH)+2OH-
负极：Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2
总的电池反应为：Zn+2MnO 2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2
辨析比较普通锌锰干电池与碱性锌锰干电池的比较：(1)碱性锌锰电池比普通的锌锰电池能量高，储存时间长；(2)适合大电流和连续放电（电流可达到普通锌锰电池的5倍）；
(3)放电后电压恢复能力强；(4)工作温度范围在-20～60 ℃之间，适于高寒地区使用。

3.银锌电池——钮扣电池
该电池使用寿命较长，广泛用于电子表和电子计算机。

其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液。

其电极反应式为：
负极：Zn+2OH--2e-ZnO+H2O
正极：Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-
总反应式为：Zn+Ag2O ZnO+2Ag
4.高能电池——锂电池
该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池。

由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）。

因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂。

如作心脏起搏器的锂碘电池的电极反应式为：
负极：2Li-2e-2Li+
正极：I 2+2e-2I-
总反应式为：2Li+I 22LiI
5.海水铝电池
该电池是1991年我国首创以“铝-空气-海水”电池为能源的新型航海标志灯。

这种灯以海水为电解质溶液，靠空气中氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中就能发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20～50倍。

其电极反应式为：
负极：4Al-12e-4Al3+
正极：3O 2+4H2O+8e-8OH-
总反应式为：4Al+3O 2+6H2O4Al(OH)4
方法点拨书写电极反应的方法一般分为四点：①列物质、标得失；②选离子、标电荷；
③配个数、配电荷；④两式相加，验总式。

二、二次电池（可充电电池)
1.原理：充电电池在放电时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关系是：化学能电能
2.铅蓄电池
构成：该电池以Pb和PbO2作电极材料，H2SO4作电解质溶液。

其电极反应式为：
负极：Pb+SO-2
-2e-PbSO4
4
+2e-PbSO4+2H2O
正极：PbO 2+4H++SO-2
4
总反应式为：Pb+PbO 2+2H2SO42PbSO4+2H2O
3.碱性镍镉电池
该电池以Cd和NiO(OH)作电极材料，NaOH作电解质溶液。

其电极反应式为：
负极：Cd+2OH--2e-Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)+2H 2O+2e-2Ni(OH)2+2OH-
总反应式：Cd+2NiO(OH)+2H 2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
要点提示铅蓄电池与碱性镍镉电池的比较：从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低。

而镍镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化。

4.氢镍可充电电池
该电池是近年来开发出来的一种新型可充电池，可连续充、放电500次，可以取代会产生镉污染的镍镉电池。

其电极反应式为：
负极：H2+2OH--2e-2H2O
正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-2Ni(OH)2+2OH-
总反应式：H2+2NiO(OH) 2Ni(OH)2
辨析比较一次性电池与二次性电池的不同点：一次性电池的活性物质消耗到一定程度就不能使用了；二次性电池放电后可以再充电，使活性物质获得再生。

这类电池可以多次重
复使用。

三、燃料电池
1.常见氢氧燃料电池，其电池反应为：2H 2+O22H2O，可以在酸性或碱性电解质溶液中工作，反应原理为：
酸性条件下：以金属铂为电极，电解质溶液为盐酸或硫酸。

在负极氢气失去电子，发生氧化反应；在正极氧气得到电子，发生还原反应。

负极：2H 2-4e-4H+pH变小
正极：O 2+4H++4e-2H2O pH变大
结论：溶液被稀释，pH变大。

2.若电解液为KOH时：
负极：2H 2-4e-+4OH-4H2O pH变小
正极：O 2+2H2O+4e-4OH-pH变大
结论：溶液被稀释，pH变小。

3.甲烷燃料电池，KOH溶液为电解质溶液。

+7H2O
电极反应：负极：CH 4+10OH--8e-CO 2
3
正极：2O 2+4H2O+8e-8OH-
电池总反应式：CH 4+2O2+2KOH K2CO3+4H2O
4.铝空气燃料电池。

电极反应：负极：4Al-12e-4Al3+
正极：3O 2+6H2O+12e-12OH-
电池总反应式：4Al+3O 22Al2O3
方法点拨原电池反应后溶液pH的变化判断方法：(1)若消耗H+，则pH增大；(2)若消耗OH-，则pH减小；(3)若生成OH-，则pH增大；(4)若生成H+，则pH减小；(5)若稀释酸溶液，则pH增大；(6)若稀释碱溶液，则pH减小。

问题·思路·探究
问题1判断一种电池优劣的标准是什么？
导思:从电池使用的角度考虑该问题。

面对各种电池，选择使用电池的标准即为原电池优劣的标准。

探究:主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少（即电池的比能量），或者输出功率的大小（即比功率），以及电池的储存时间的长短。

问题2怎样书写电池的电极反应方程式？
导思:书写电池的电极反应式，应根据初始物质的性质和反应环境的特性，通过合理设定“反应机理”，在依次确定“直接产物”“后续产物”和“终态稳定物质”的基础上，再对各级反应式对应顺次加和（“顺接合成”），即可顺利求得相应电极反应式。

探究:(1)根据给出的化学方程式或根据题意，确定电池的正、负极，弄清在正、负极上发生反应的物质。

(2)注意电解质溶液的成分，对正、负极反应产物的影响，正、负极产物可根据题意或根据化学方程式来确定。

(3)弱电解质、气体或难溶性物质均以分子表示，其余以离子符号表示。

(4)写电极反应方程式时要保证电荷守恒、元素守恒、质量守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H+或OH-或H2O，将两个电极反应结合起来，即可得到电池反应总方程式。

典题·热题·新题
一、重点：一次性电池
例1 有人设计Pt 和Zn 为电极材料，埋入人体作为某种心脏病人的心脏起搏器的能源。

它依靠人体内体液中含有一定浓度的溶解氧、H +和Zn 2+进行工作，试写出两极的电极反应式。

解析：根据题意，Zn 、Pt 和人体体液构成原电池作为心脏起搏器的能源。

由于Zn 的失电子能力比Pt 强，故Zn 作原电池负极，Pt 作正极，因为体液不可能呈较强酸性，故应发生吸氧腐蚀。

答案：负极：Zn-2e -Zn 2+;正极：2H 2O+O 2+4e -4OH -
误区警示 把氧化剂当作H +，正极反应写成：2H ++2e -H 2↑是常见的错误。

由于体
液的pH 一般在7左右（略呈碱性），故H +的浓度很小，氧化剂为体液中溶解的氧气而不是
H +,正极反应为O 2+4e -+2H 2O 4OH -。

二、难点：二次电池
例2 铅蓄电池（原电池）的电极分别为PbO 2和Pb ，电解质溶液为稀硫酸溶液，工作时原电池的总反应是：PbO 2+Pb+2H 2SO 42PbSO 4+2H 2O ，根据上述变化，判断：
（1）原电池的负极是 （填电极材料）；
（2）工作时蓄电池正极反应为 ；
（3）工作时蓄电池里电解质溶液pH （选填增大，不变，变小）。

解析：负极为Pb ，正极为PbO 2，正极发生还原反应（得电子），所以PbO 2中的Pb 由+4价降到+2价，产物中的水是PbO 2中的氧元素与硫酸中的氢元素结合的结果。

因为在正极PbO 2消耗了硫酸中的氢离子，所以蓄电池里电解质溶液的pH 增大。

答案：（1）Pb （2）PbO
2+2e -+4H ++SO 24PbSO 4+2H 2O （3）增大
深化升华 铅蓄电池放电是原电池反应。

铅蓄电池的电解液中硫酸溶液的密度与其物质的量浓度成正比，也决定了电解液酸碱性的变化。

原电池考查的主要形式是判断电极名称、书写电极反应、进行简单的有关电子转移的计算。

例3 银锌蓄电池是一种高能电池，它的两极材料分别为锌和氧化银，电解质溶液为KOH 溶液，放电时它的正、负两极的电极反应式如下：
Zn+2OH --2e -Zn （OH ）2；Ag 2O+H 2O+2e -2Ag+2OH -
下列判断正确的是（ ）
A.锌为负极，氧化银为正极
B.锌为正极，氧化银为负极
C.原电池工作时，负极区溶液pH 增大
D.原电池反应的化学方程式为：Zn+Ag 2O+H 2O Zn （OH ）2+2Ag
解析：从电极反应式看，锌失电子被氧化，所以锌为负极；Ag 2O 得电子被还原，所以是正极。

由电极反应式相加，可得方程式：
Zn+Ag 2O+H 2O Zn （OH ）2+2Ag
从负极电极反应式分析，OH -被消耗，所以负极区溶液的pH 应减小，所以应选A 、D 。

答案：AD
深化升华 电池反应方程式的书写，可以依据正极和负极的加和。

加和的前提条件是正极反应和负极反应得失电子相等。

原电池中负极失去电子和正极得到电子的数目是相等的，配平正负极反应后再进行加和。

三、疑点：燃料电池
例4 有人将铂丝插入KOH 溶液中作电极，又在两极片上分别通入甲烷和氧气，设计一种燃料电池，则通入甲烷的铂丝为 极，发生的电极反应为 。

该电池放电反应的化学方程式为 。

电池工作时，溶液的pH （填“变小”“不变”“变大”） 。

解析：因为该电池为燃料电池，依据的化学原理是
在此反应中，CH4失去电子，因此通入CH4的铂丝为负极。

CH4在负极失电子转变成CO2，
，所以负极反应为：
但因在碱性条件下CO2将转化成CO-2
3
CH 4+10OH--8e-CO-2
+7H2O
3
正极反应为：2O 2+8e-+4H2O8OH-
该电池放电反应的化学方程式为：
CH 4+2O2+2KOH K2CO3+3H2O
由此可知反应过程中c(OH-)不断减小，c(H+)则不断增大，pH将变小。

答案：负CH 4+10OH--8e-CO-2
+7H2O CH4+2O2+2KOH K2CO3+3H2O 变小
3
典例变式：如果把甲烷改成乙烷则电极反应方程式是什么？电极反应方程式为：
+H2O
负极：C 2H6-14e-+10OH-2CO-2
3
正极：O 2+4e-+2H2O4OH-
+10H2O
电池反应为：2C 2H6+7O2+8OH-4CO-2
3。