1-2 课时2 化学电源 知能定位 1.了解化学电源的种类及工作原理，认识化学能转化为电能的实际意义。 2.了解常见的一次电池、二次电池和燃料电池。 3.了解废旧电池对环境的危害，树立环保意识。 情景切入 各种电池在我们的生活中发挥着重要作用，你想知道它们的构造吗？它们工作的原理是怎样的呢？
自主研习 电池的种类及特点 电池 一次电池 可充电电池 燃料电池  特点 只能放电， 不能充电 可反复充电和放电， 充电时是一个电解池； 放电时是一个原电池 能量利用率高可连续使用，污染轻  二、常见电池 1.银锌纽扣电池（一次电池） （1）组成 正极为Ag2O，负极为Zn，电解质溶液为KOH溶液。 （2）电极反应和电池反应 正极反应： H2O+Ag2O+2e-===2Ag+2OH 负极反应： Zn+2OH-===2e+Zn(OH) 2 电池反应： H2O+Ag2O+Zn===2Ag+Zn(OH) 2 2.锌锰干电池（一次电池） （1）组成：分为酸性锌锰干电池（普通锌锰干电池）和碱性锌锰干电池，其正极为石墨棒，负极为锌筒，前者电解质溶液为NH4Cl和ZnCl2混合液，后者电解质为KOH。 （2）电极反应及电池反应 碱性锌锰干电池 负极反应：Zn+2OH--2e-===Zn(OH) 2 正极反应： 2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH 电池反应: Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH) 2+2MnOOH 3.铅蓄电池（二次电池） （1）组成：正极材料为PbO2,负极材料为Pb,电解质溶液为H2SO4溶液。 （2）电极反应及电池反应 铅蓄电池的放电反应是原电池反应，其电极反应式和电池反应式为： 负极：Pb+SO-42-2e-===PbSO4 正极： PbO2+4H++2e-+SO2-4===PbSO4+2H2O+2OH- 电池反应：Pb+PbO2+4H++2SO2-4===2PbSO4+2H2O 铅蓄电池充电反应是上述反应的逆反应： 阴极：PbSO4+2e-===Pb+SO2-4 阳极： PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO2-4 总反应式：2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+4H++2SO2-4 铅蓄电池的充、放电原理可用化学方程式表示： Pb+PbO2+2H2SO4　 充电 　　　　　　　　　　　　放电 PbSO4+2H2O4.氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池，其工作原理如上图所示。氢气、氧气分别在多孔金属电极上发生氧化、还原反应，其反应可表示如下： 负极： H2-2e-+2OH-===2H2O 正极：
O2+H2O+2e-===2OH- 电池反应： H2+
O2===H2O 课堂师生互动 知识点1 可充电电池的工作原理 （1）放电时对外做功，发生原电池反应，充电时则是外电源对电池做功，发生电解反应。 （2）电极：放电时的负极在充电时与外电源的负极相连，作阴极；放电时的正极在充电时与外电源的正极相连，作阳极。 （3）电极反应属性：放电时发生氧化反应的电极在充电时发生还原反应，放电时发生还原反应的电极在充电时发生氧化反应。 原电池的负极与电解池的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。 原电池的正极与电解池的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。 考例1 镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛的应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH 2+2Ni(OH)2,有关该电池的说法正确的是 ( ) A.充电时阳极反应：Ni(OH) 2-e-+OH-===NiOOH+H2O B.充电过程是化学能转化为电能的过程 C.放电时负极附近溶液的碱性不变 D.放电时电解质溶液中的OH-向正极移动 解析：由充电时方程式中的Cd和Ni的化合价的变化可知，Ni(OH) 2作阳极，电解质溶液为KOH，所以电极反应式为:Ni(OH) 2-e-+OH-===NiOOH+H2O； Cd(OH) 2作阴极； Cd(OH) 2+2e-===Cd+2OH－；充电的过程是将电能转化为化学能；放电时，Cd作负极：Cd-2e-+2OH===Cd(OH) 2,Cd周围的c (OH-)下降，OH-向负极移动。 答案： A 变式探究1 LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为:FePO4+Li
LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li+导电固体为电解质。下列有关LiFePO4电池说法不正确的是 ( ) A.可加入硫酸以提高电解质的导电性 B.放电时电池内部Li+向正极移动 C.充电过程中，电池正极材料的质量减少 D.放电时电池正极反应为：FePO4+Li++e-===LiFePO4 答案： A 解析：放电时，负极：Li-e-===Li+,正极：FePO4+Li++e-===LiFePO4；充电时，阳极：LiFePO4-e===FePO4+Li+，阴极：Li++e-===Li,所以易知C、D正确。若加入硫酸，与Li单质（固体）发生反应，故A不正确；放电时，Li+（正电荷）应在电池内部（电解质中）向正极移动，故B正确。 变式探究2 （2011·龙岩高二检测）镍镉（Ni-Cd）可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行： Cd+2NiOOH+2H2O
Cd(OH) 2+2Ni(OH) 2 该电池的负极材料是 ( ) A.Cd(OH) 2 B.Cd C.Ni(OH) 2 D.NiOOH 答案： B 解析：在该电池中Cd失电子，作负极。NiOOH在正极得电子。 知识点2 化学电源的结构和原理 原电池的类型 原电池基本类型较多：（1）负极参与反应的原电池：活泼金属作电极构成原电池，被腐蚀的金属作负极；（2）两电极都参加反应的电极：可充电电池是两个电极都参与反应的原电池；（3）两个电极不参加反应的原电池：用惰性电极作两极，分别向两极上通入参与氧化还原反应的气体，从而形成原电池。 考例2 （2011·拉萨高二检测）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.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化 C.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 D.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能 解析： 选项 原因分析 结论  A 锌锰干电池工作后碳棒不变了 错误  B 氢氧燃料电池工作时都是负极发生氧化反应,H2-2e-=2H+ 正确  C 太阳能电池的主要材料是高纯度的硅 错误  D 氢氧燃料电池是将化学能转变为电能 错误  答案： B 变式探究3 （2009·江苏，12）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是（ ） A.该电池能够在高温下工作 B.电池的负极反应为：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2↑+24H+ C.放电过程中，H+从正极区向负极区迁移 D.在电池反应中，每消耗1 mol氧气理论上能生成标准状况下 CO2气体
L 答案： B 解析：本题考查原电池知识。微生物燃料电池只能在常温下工作，A错；放电过程为原电池反应，H+应向正极迁移，C错；由电池反应C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O知， 每消耗1 mol O2理论上生成1 mol CO2，即标况下22.4 L，D错。 变式探究4 日常所用的干电池其电极分别为碳棒（上面有铜帽）和锌（皮），以糊状NH4Cl和ZnCl2作为电解质（其中加入MnO2吸收H2），电极反应可简化为： Zn-2e-=Zn2+，2NH+4+2e-=2NH3+H2（NH3与Zn2+结合），根据上述叙述判断（ ） A.Zn为正极，碳为负极 B.Zn为负极，碳为正极 C.工作时电子由碳极经外电路流向锌极 D.长时间连续使用时内装的糊状物可能流出腐蚀所用的电器 答案: BD 解析:对于原电池，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，B项正确。在外电路中，正极的电势比负极的电势高，故电路中电流的方向是正极指向负极，所以电子应从负极流向正极，C选项不正确。长时间连续使用该原电池由于锌皮慢慢溶解而被腐蚀，且MnO2不断吸收H2生成H2O，糊状物也越来越稀，故很可能流出腐蚀电器，D正确。 变式探究5 下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是（ ）
A.a电极是负极 B.b电极的电极反应式为：4OH--4e-=2H2O+O2↑ C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂、氧化剂全部贮藏在电池内的新型发电装置 答案： B 解析：首先明确燃料电池是一种原电池。选项A中a电极通氢气，氢气是还原性的气体，是负极。选项B中参加反应的是氧化性的氧气，电极反应为：2H2O+O2+4e=4OH-。选项C中该燃料电池总反应生成水，是绿色电源。选项D中燃料电池在工作时，氢气、氧气不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名副其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。 课后强化作业 基础夯实 1. (2009·广东理基)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 2.电子表所用纽扣电池的两极材料为锌和氧化银，电解质溶液为KOH溶液，其电极反应如下：锌极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH) 2，氧化银极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-，下列说法正确的是（ ） A.锌为正极，被氧化 B.Ag2O是正极，发生还原反应 C.电子从负极流向Ag2O极 D.Zn为负极，被还原 答案： BC  解析：依据原电池工作原理分析A、B、C、D四项。从已知反应式可知，锌失电子，被氧化，而原电池的负极失电子被氧化，故Zn极为负极，A、D错误。 Ag2O中
得电子，发生还原反应，故为正极，B正确，原电池的外电路中，电子是从负极经导线流到正极，故C正确。 3.已知空气－锌电池的电极反应式为：锌：Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O,石墨：
O2+H2O+2e-=2OH-，据此判断锌片是 ( ) A.负极，并被氧化 B.负极，并被还原 C.正极，并被氧化 D.正极，并被还原 答案： A 解析：负极为失电子的活泼金属，发生氧化反应。 4.氢氧燃料电池已用于航天飞机，它是以铂作电极，KOH溶液作电解质，正极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-,负极反应为：2H2+4OH--4e-=4H2O,下列叙述不正确的是 ( ) A.H2在负极发生氧化反应 B.燃料电池的能量转化率可达100% C.是一种高效、环保的发电装置 D.供电时的总反应为：2H2+O2==2H2O 答案： B 解析：该燃料电池中，通H2的电极作负极，发生氧化反应；通O2的电极为正极，发生还原反应，总反应式为2H2+O2==2H2O,是一种高效、环保的发电装置，燃料电池的能量转化率比燃料直接燃烧时高，但达不到100%。 5.氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是
H2+NiO(OH)
Ni(OH) 2。根据此反应式判断，下列叙述正确的是( ) A.电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大 B.电池放电时，镍元素被氧化 C.电池充电时，氢元素被还原 D.电池放电时，H2是负极 答案： CD 解析：放电时，H2在负极上参与反应产生H+，使负极周围的pH下降，故A错误，镍元素的原子得到电子被还原，故B错误。充电时，氢元素的原子得到电子被还原，选项C正确。H2失去电子，是负极，D项正确。 6.我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为：4Al+3O2+6H2O==4Al(OH) 3，下列说法不正确的是（ ）A.正极反应式为：O2+2H2O+4e-==4OH- B.电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极 C.以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积 D.该电池通常只需更换铝板就可继续使用 答案： B 解析：该原电池负极反应为：Al-3e-==Al3+，正极反应为O2+2H2O+4e-==4OH-。工作时电子由负极（铝电极）流向正极（铂电极）。 7.铅蓄电池（原电池）工作时，总反应为 Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O 由此可以判断： （1）原电池的电极材料：①正极为 ，②负极为 。 （2）两极的电极反应式：①正极为 ，②负极为 。 （3）工作后，蓄电池里电解质溶液的pH（填“变大”、“变小”或“不变”） ，理由是 。 答案：（1）①PbO2 ②Pb （2）①PbO2+4H++SO2-4+2e-==PbSO4+2H2O ②Pb-2e-+SO2-4==PbSO4 （3）变大 反应消耗H2SO4， c (H+)下降，pH变大 能力提升 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上来，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.不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品 D.回收其中石墨电极 答案： B 解析：电池的制造需要一些重金属单质或其化合物，发生电池反应后形成重金属离子，这些重金属离子会污染土壤和水源，最终会危及人类，故需要集中处理废电池。 2.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
3Zn(OH2+2Fe(OH) 3+4KOH 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.充电时阳极反应为： Fe(OH) 3-3e-+5OH-==FeO2-4+4H2O 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：放电时负极发生氧化反应Zn-2e-+2OH-==Zn(OH) 2，正极发生还原反应：FeO4+ 3e+4H2O==Fe(OH) 3+5OH-，电极附近溶液碱性增强，D正确，C不正确。在充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH) 3-3e-+5OH-==FeO2-4+4H2O，B正确。 3.氢氧燃料电池是将H2和O2分别通入电池，穿过浸入20%~40%的KOH溶液的多孔碳电极，其电极反应式为：H2+2OH--2e-==2H2O和1/2O2+H2O+2e-==2OH-，则下列叙述正确的是（ ） A.通H2的一极是正极，通O2的一极是负极 B.通O2的一极是正极，通H2的一极是负极 C.工作一段时间后电解质溶液pH增大 D.工作时负极区附近pH减小 答案： BD 解析：根据原电池的工作原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。 4.目前人们正在研究开发一种高能电池——钠硫电池，它是以熔融的钠和硫为两极，以Na+导电的β″-Al2O3陶瓷作固体电解质，反应式为2Na+xS
Na2Sx。以下说法正确的是（ ） A.放电时，钠作正极，硫作负极 B.放电时，钠极发生还原反应 C.充电时，钠极与外接电源正极相连，硫极与外电源负极相连 D.充电时阳极发生的反应S2-x==xS+2e- 答案： D 解析：放电时Na为活泼金属作负极，发生氧化反应，充电时，阳极应为S，使S2-x失电子重新变为S。 5.某蓄电池放电、充电时的反应为： Fe+Ni2O3+3H2O
Fe(OH) 2+2Ni(OH) 2 下列推断中正确的是（ ） ①放电时， Fe为正极，Ni2O3为负极 ②充电时，阴极上的电极反应式是：Fe(OH) 2+2e-==Fe+2OH- ③充电时，Ni(OH) 2为阳极 ④该蓄电池的电极必须是浸在某种碱性电解质溶液中 A.①②③ B.①②④ C.①③④ D.②③④ 答案： D 解析：蓄电池在放电时发生原电池反应，把化学能转变为电能；在充电时发生电解反应，将电能转变为化学能。反应方程式的左右各物质互为反应物和生成物。 此蓄电池在放电时的反应：
+
2O3+3H2O放电
(OH) 2+2
(OH) 2 生成物为Fe(OH) 2、Ni(OH) 2，电解质溶液应为碱性溶液。 Fe为负极，其电极反应为： Fe+2OH-==Fe(OH) 2+2e Ni2O3为正极，其电极反应为： Ni2O3+2e-+3H2O==2Ni(OH) 2+2OH- 蓄电池在充电时的反应： Fe(OH) 2+2Ni(OH) 2充电Fe+Ni2O3+3H2O 阳极Ni（OH）2发生氧化反应： 2Ni(OH) 2+2OH-==Ni2O3+3H2O+2e- 阴极Fe(OH) 2发生还原反应： Fe(OH) 2+2e-==Fe+2OH- 由上述放电和充电的过程可看出，反应是在碱性电解质溶液中进行的。 6.（2011·海南卷，6）一种充电电池放电时的电极反应为 H2+2OH--2e==2H2O；NiO(OH)+H2O+e-==Ni(OH) 2+OH-， 当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是（ ） A.H2O的还原 B.NiO(OH)的还原 C.H2的氧化 D.Ni(OH) 2的氧化 答案： D 解析：本题考查了原电池原理的应用中化学电源正负极反应的判断。由题中所给的两个电极反应可知， NiO(OH)在正极上反应，当给电池充电时，该极应连接电源的正极，故电极反应为Ni(OH) 2-e-+OH-==NiO(OH)+H2O，故只有D正确。 7. 1958年世界上第一个心脏起搏器在瑞典植入人体成功，使用寿命长达10年之久。这种能源起搏器中安装寿命最长、可靠性最高的锂—碳电池，这种电池容量大，电压稳定，能在-56.7~71.1℃温度范围内正常工作，现已在火箭、移动电话、笔记本电脑中广泛使用。它采用锂和石墨作电极，四氯化铝锂（LiAlCl4）溶解在亚硫酰氯中（SOCl2）组成电解质溶液。电池总反应为：8Li+3SOCl2==6LiCl+Li2SO3+2S。 （1）此电池中 作负极，电极反应为 ， 作正极；（2）该电池用于心脏起搏器时，在生理上的作用是 。 答案：（1）Li Li-e-==Li+ 石墨 （2）起搏器遵循天然心脏的工作原理通过向心脏发送电脉冲以控制心脏的跳动 8.目前常用的镍（Ni）镉（Cd）电池，其电池总反应可以表示为 Cd+2NiO(OH)+2H2O
2Ni(OH) 2+Cd(OH) 2 （1）已知Ni(OH) 2和Cd(OH) 2均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确的是 。①以上反应是可逆反应 ②以上反应不是可逆反应 ③充电时化学能转变为电能 ④放电时化学能转变为电能 A.①③ B.②④ C.①④ D.②③ （2）废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重，这是因为 。 （3）另一种常用的电池是锂电池（锂是一种碱金属元素，其相对原子质量为7），由于它的比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大而广泛应用于心脏起搏器，一般使用时间可长达十年。它的负极用金属锂制成，电池总反应可表示为 Li+MnO2==LiMnO2 试回答：锂电池比容量特别大的原因是 ，锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制，为什么这种电池不能使用电解质的水溶液？请用化学方程式表示其原因 。 答案：（1）B （2）Ni(OH) 2和Cd(OH) 2能溶于酸性溶液 （3）锂的摩尔质量小 2Li+2H2O==2LiOH+H2↑ 解析：（1）镍镉充电电池中发生的反应是在不同条件下发生的，放电时的反应是自发进行的，而充电时的反应是非自发进行的，只在充电电解时发生，所以这个反应不是可逆反应。充电时电能转化为化学能（相当于电解池），放电时化学能转化为电能（相当于原电池）。 （2）镍镉充电电池对土壤的污染主要在于镍和镉的离子都是重金属离子，具有很大的毒性。在酸性土壤里原来不溶性的Ni(OH) 2和Cd(OH) 2被酸溶解，使Ni2+和Cd2+在土壤中扩散。 （3）由题意，产生等量的电量时锂电池消耗锂的质量比其他电池消耗的负极金属材料的质量小，这就是锂电池比容量特别大的原因。锂是一种非常活泼的金属，与钠相似，能与水剧烈反应，如果用水配制电解质溶液，则锂电极本身会直接与水发生反应而不产生电流。

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