化学能转化为电能——电池

第三节化学能转化为电能——电池
【学习指导】
一、原电池的工作原理
1．概念：化学能转化为电能的装置
2.工作原理：负极：失去电子（化合价升高），发生氧化反应
正极：得到电子（化合价降低），发生还原反应
3. 原电池的构成条件
（1）自发进行的氧化还原反应；
（2）活泼性不同的两极；
（3）电解质溶液，并形成闭合回路。

4.电极反应：
（1）负极反应：X→X n－+ne-
（2）正极反应：溶液中的阳离子得电子的还原反应
5.原电池的正、负极的判断方法：
（1）由组成原电池的两极的电极材料判断。

一般是活泼的金属是负极，活泼性较弱的金属或能导电的非金属是正极。

注意：如Mg、Al与NaOH溶液形成原电池；Fe、Cu与浓硝酸形成原电池。

都是相对不活泼金属作负极。

（2）根据电流方向或电子流动方向判断。

电流是由正极流向负极，电子流动方向是由负极流向正极。

（3）根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。

在原电池的电解质溶液内，阳离子向正极移动，阴离向负极移动。

6.原电池电极反应式的书写方法
（1）写出总化学反应方程式（即氧化还原反应方程式）。

（2）根据总反应方程式从电子得失（或元素化合价升降）的角度，将总反应分成氧化反应和还原反应。

（3）氧化反应在负极发生，还原反应在正极发生，注意介质可能参与反应，要生成对应的稳定产物。

（4）验证；两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。

二、化学电源
1. 碱性锌锰干电池
负极（锌）：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-
正极(石墨)：MnO2+2H2O+2e-→Mn(OH)2+2OH-
总反应式：Zn+MnO2+H2O = ZnO+Mn(OH)2
2.铅蓄电池(H2SO4作电解质)
负极：Pb + SO42- PbSO4+2e-
正极：PbO2+4H++SO42-+2e-PbSO4+2H2O
总反应：Pb + PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
3.(1)氢氧燃料电池（多孔石墨作电极材料，KOH作电解质）
负极：2H2+4OH-→4H2O+4e-
正极：O2+2H2O+4e-→4OH-
总反应：2H2+ O2＝2H2O
(1)氢氧燃料电池（多孔石墨作电极材料，H2SO作电解质）
负极：2H2→4H++4e-
正极：O2+4H++4e-→2H2O
总反应：2H2+ O2＝2H2O
三、金属的腐蚀和防护
1.不纯的金属（或合金）在电解质溶液中的腐蚀，关键形成了原电池，加速了金属腐蚀。

2. 金属腐蚀的防护
（1）改变金属内部组成结构，可以增强金属耐腐蚀的能力。

如：不锈钢等。

（2）在金属表面覆盖一层保护层，以断绝金属与外界物质接触，达到耐腐蚀的效果。

如在金属表面加油漆、搪瓷、塑料或电镀金属及氧化成致密的氧化膜等。

（3）电化学保护法：牺牲活泼金属保护法或与外加直流电源负极的阴极保护法。

同步作业1
1.构成原电池的化学反应必须具备的条件是（）
A.氧化还原反应
B.复分解反应
C.反应的热效应小于零
D. 反应的热效应大于零
2.下列关于铜锌原电池的叙述中正确的是（）
A. 锌作负极失电子，铜作正极得电子
B.在导线中，电子由锌流向铜，在溶液中，电子由铜流向锌
C.锌片质量减小，铜片质量不变
D.电流从锌片经导线流向铜片
3.实验室要制取氢气，所用稀盐酸和稀硫酸的浓度相同，反应速率最快的是（）
A.纯锌与稀硫酸
B.纯锌与稀盐酸
C.粗锌（含铁、铜杂质）与稀硫酸
D.粗锌（含铁、铜杂质）与稀盐酸
4 .下列关于实验现象的描述不正确的是（）
A.把铜片和铁片紧靠在一起侵入稀硫酸中，铜片表面出现气泡
B.把铜片和铁片紧靠在一起侵入稀硫酸中，铁片表面出现气泡
C.把铜片插入三氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁
D.把锌粒放入盛有稀盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速率加快
5.有关原电池的下列说法中正确的是（）
A．在外电路中电子由正极流向负极
B．在内电路中电子由正极流向负极
C．原电池工作时，阳离子向正极方向移动
D．原电池工作时，阳离子向负极方向移动
6.在盛有稀H2SO4的烧杯中放入用导线连接的锌片和铜片，下列叙述正确的是（）
A．正极附近的SO42－离子浓度逐渐增大
B．电子通过导线由铜片流向锌片
C．正极有O2逸出
D．铜片上有H2逸出
7.隋着人们生活质量的不断提高，废旧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造成污染
C.回收其中的石墨电极
D.防止残余电流短路放电酿成火灾
8.在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为：
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
下列该电池的电极反应正确的是( )
A．负极反应为Zn→Zn2++2e－
B．负极反应为Zn+2H2O →Zn(OH)2+H++2e－
C．正极反应为2MnO2+2H++ 2e－→2MnOOH
D．正极反应为2MnO2+2H2O + 2e－→2MnOOH+2OH－
9.关于铅蓄电池的说法正确的是（）
A．在放电时，正极发生的反应是 Pb(s) +SO42—(aq) → PbSO4(s) +2e—
B．在放电时，该电池的负极材料是铅板
C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．在充电时，阳极发生的反应是 PbSO4(s)+2e—→ Pb(s)+ SO42—(aq)
10.请根据下列化学反应设计一个原电池，并写出电极反应。

Fe+2FeCl3=3 FeCl2
同步作业2
1.以下现象与电化学腐蚀无关的是（）
A.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈
B.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿
C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈
D.银质奖牌久置后表面变暗
2.造成钢铁腐蚀的主要外界条件是（）
A.酸、碱
B. 酸雾、O2
C.SO2、H2O
D. H2O、O2
3.下列叙述中不正确的是（）
A.钢铁在干燥的空气中不易腐蚀
B.金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍
C.用铝制铆钉铆接铁板，铁板反而更易被腐蚀
D.原电池中外电路电子由负极流向正极
4 .为了防止轮船体的腐蚀，应在船壳水线以下部位嵌入一定数量的（）
A.铜块
B.铅块
C.锌块
D.锡块
5.下列方法不能用于金属防腐蚀处理的是（）
A.涂防锈油漆
B.将被保护的金属连接外加直流电源的正极
C.电镀金属保护层
D.与其它金属制成合金，如不锈钢
6.（2008年广东文科基础）铁和铁合金是生活中常用的材料，下列说法正确的是（）A．不锈钢是铁合金，只含金属元素
B．一定条件下，铁粉可与水蒸气反应
C．铁与盐酸反应，铁合金不与盐酸反应
D．在空气中，铁板比镀锌铁板更耐腐蚀
7.（2008年高考广东卷）下列有关金属腐蚀与防护的说法正确的是（）
A．纯银器表面在空气中因化学腐蚀渐渐变暗
B．当镀锡铁制品的镀层破损时，镶层仍能对铁制品起保护作用
C．在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法
D．可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀
8.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－。

以下说法正确的是（）
A．负极发生的反应为：Fe－2e－→Fe2＋
B．正极发生的反应为：2H2O＋O2＋2e－→ 4OH－
C．原电池是将电能转变为化学能的装置
D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易腐蚀
9．为了避免青铜器生成铜绿，以下方法正确的是（）
A．将青铜器放在银质托盘上
B．将青铜器保存在干燥的环境中
C．将青铜器保存在潮湿的空气中
D．在青铜器的表面覆盖一层防渗的高分子膜
10.科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。

一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

试回答下列问题：
（1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是。

（2）此电池的正极发生的电极反应是；
负极发生的电极反应是。

（3）电解液中的H+向极移动；向外电路释放电子的电极是极。

（4）与燃料直接燃烧相比，使用燃料电池有许多优点，其中重要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是。

基础检测
1．由铜、锌和稀硫酸组成的原电池工作时，电解质溶液的pH的变化是（）
A．不变 B．先变小后变大
C．逐渐变大 D．逐渐变小
2．将镁片、铝片平行插入到一定浓度的NaOH溶液中，用导线连接成闭合回路，该装置在工作时，下列叙述正确的是（）
A．镁比铝活泼，镁失去电子被氧化成Mg2+
B．铝是电池负极，开始工作时溶液中会立即有白色沉淀生成
C．该装置的内、外电路中，均是电子的定向移动形成电流
D．该装置开始工作时，铝片表面的氧化膜可不必处理
3．某可充电的锂离子电池以LiMn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li+导电固体为电解质。

放电时的电池反应为：Li+LiMn2O4=Li2Mn2O4。

下列说法正确的是（）
A．放电时，LiMn2O4发生氧化反应
B．放电时，正极反应为：Li++LiMn2O4+e-→Li2Mn2O4
C．充电时，LiMn2O4发生氧化反应
D．充电时，阳极反应为：Li++e-→Li
4．将锌片和银片接触并放入相同物质的量浓度的下列溶液中，反应一段时间后，溶液质量减轻的是（）
A．氯化铝 B．硫酸铜 C．硝酸银 D．稀硫酸
5．一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。

该电池负极发生的反应是（）
A．CH3OH(g)+O2(g) →H2O(1)+CO2(g)+2H+(aq)+2e-
B．O2(g)+4H＋(aq)+4e－→2H2O(1)
C．CH3OH(g)+H2O(1) →CO2(g)+6H＋(aq)+6e－
D．O2(g)+2H2O(1)+4e－→4OH－
6．2006年1月，我国研制出能在超低温状下工作的镍氢电池。

镍氢电池的反应式是：
H2+2NiO(OH) 2Ni(OH)2，
根据此反应判断下列叙述中正确的是（）
A．电池放电时，电池负极周围溶液的PH 值不断增大
B．电池充电时，镍元素被氧化
C．电池充电时，镍元素被还原
D．电池放电时，H2是正极
7．家用炒菜锅用水清洗放置后，出现红棕色的锈斑，在此变化过程中不会发生的化学反应是（）
A．4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
B．2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2
C．2H2O+O2+4e-→4OH-
D．Fe→Fe3++3e-
8．为了防止钢铁锈蚀，下列合理的防护措施是（）
A．在精密机床的铁床上安装铜螺丝
B．在地下输油的铸铁管上接直流电源的负极
C．在海轮的船体上系上几块锌块并侵入海水中
D．在船闸的钢铁闸门与水接触处连接一定数目的石墨块
9. 电池是人类生产和生活中重要的能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大的贡献。

下列有关电池的叙述正确的是（）
A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细
B．氢氧燃料电池可将热能直接转化为电能
C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化
D．太阳能电池的主要材料是高纯度二氧化硅
10. 天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。

锂离子电池正极材料是含锂的二氧化
钴(LiCoO2)，充电时LiCoO2中Li被氧化，Li＋迁移并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中，以LiC6表示。

电池反应为LiCoO2＋C6充电CoO2＋LiC6，下列说法正确的是（）A．充电时，电池的负极反应为LiC6→ Li＋＋C6＋e－
B．放电时，电池的正极反应为CoO2＋Li＋＋e－→ LiCoO2
C．羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质
D．锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低
11. 科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入
以磷酸为电解质的燃料电池发电。

电池负极反应为（）
A．H2＋2OH－→2H2O＋2e－ B．O2＋4H＋＋4e－→2H2O
C．H2→2H＋＋2e－ D．O2＋2H2O＋4e－→4OH－
12.设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。

最近有人制造了一种燃料电池，一极通入空气，另一极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的晶体，它在高温下能传到O2-离子。

请回答如下问题：
（1）以丁烷代表汽油，这个电池放电时发生的化学反应的方程式是：。

（2）这个电池的正极发生的电极反应是；
负极发生的电极反应是。

（3）固体电解质里的O2-向极移动；通入空气的一极是电源的极。

13. 铅蓄电池是典型的可充型电池，它的正负极格板是惰性材料，电池总反应式为：
Pb+PbO2+4H++2SO42-2PbSO4+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的浓度将变________;
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，若按题27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
________________________。

拓展阅读
废旧电池危害与处理
近年来，我国电池产业发展尤为迅猛，电池年产量达140亿只，占世界总产量的三分之一，电池的种类达14个系列250个品种。

废干电池中含有大量的重金属、酸、碱等物质，国内生产的干电池 多数还含有对环境危害严重的汞。

由于汞的剧毒性、积累性和易于迁移转化，一旦进入生态系统中，所造成的危害是长期的，而且是代际之间传递的。

当废旧电池被丢弃或者混在垃圾中时，这些有毒物质就会慢慢从电池中溢出来，进入土壤和水源之中，最后进入人体内部。

这些有毒物质在人体内会长期积蓄，难以排除，损害神经系统、造血功能、肾脏和骨器，有的还能够致癌。

有资料表明，一节5号废旧干电池，可以污染1平方米土地范围内的生物；废干电池产生的汞污染，占整个城市固体废物汞污染的60％～80％。

另一方面，废旧干电池中这些对环境和人体有害的重金属，又是比较稀有的工业原料。

近年来，我国每年用于生产干电池消耗的锌约12万吨，二氧化锰约20万吨，铜约2万吨。

在—些发达国家，已经有相应的回收、处理政策和生产实体，逐步形成了一种环保产业。

国际上通行的废旧电池处理方式大致有三种：固化深埋、存放于废矿井、回收利用。

我国废旧电池的处理研究始于20世纪80年代，并已经过生产试验，处理技术已经成熟。

作为学生，我们能不能探究一下如何在实验室回收处理废旧电池呢？普通干电池是圆筒形的，外筒由锌制成，这一锌筒即为电池的负极；筒中央炭棒为正极；筒内为二氧化锰，氯化铵和氯化锌。

下面介绍两种废干电池内物质回收利用的方法，大家不妨一试。

（1）提取氯化铵：将电池里的黑色物质放在水里搅拌并过滤，将部分滤液放在蒸发皿中蒸发，得白色固体，再加热，利用“升华”收集较纯的氯化铵。

（2）制取锌粒：将锌筒上的锌片剪成碎片，放在坩埚中强热（锌熔点419度），熔化后小心将锌页倒入冷水中，得锌粒。

工业回收方法： 国际上通行的废旧电池处理方式大致有三种：固化深埋、存放于废矿井、回收利用。

参考答案：
同步作业1
1.A C
2.C
3.C
4.B C
5.C
6.D
7.B
8.D
9. B
10.用石墨作正极，铁作负极，FeCl 3作电解质溶液。

如图：
正极：2Fe 3++2e -→2Fe 2+
负极：Fe →Fe 2++2e -
同步作业2 1.D 2.D 3.C 4.C 5.B 6.B 7.A C 8.A 9.B D
10.（1）2CH 3OH+3O 2=2CO 2+4H 2O
（2）3O 2+12H ++12e -→6H 2O ；2CH 3OH+2H 2O →2CO 2+12H ++12e -
（3）正；负
（4）燃料电池减少对空气的污染
FeCl 3溶液
基础检测
1.C
2.D
3.B
4.C
5.C
6.B
7.D
8.B
9.C10.B11.C 12. （1）2C4H10+13O2=8CO2+10H2O
（2）O2+4e-→2O2-；2C4H10+13O2-→4CO2+10H2O +26e-
（3）负；正
13.（1）PbO2 + 2e－ + 4H+ +2SO42－ = PbSO4 + 2H2O ；小；48
（2）Pb； PbO2；对换。