資源簡介

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化學電源
第四章 化學反應與電能
1.了解化學電源種類并認識化學電源在實際生活中的應用。
2.掌握一次電池、二次電池的反應原理并能書寫電極反應式。
3.理解常見的氫氧燃料電池的工作原理，并能設計簡易氫氧燃料電池。
4.會書寫不同介質條件下，其他燃料電池的電極反應。
鉛蓄電池
干電池
紐扣電池
鋰離子電池
燃料電池
鋰離子電池
太陽能電池
化
學
電
池
一次電池
二次電池
燃料電池
堿性鋅錳電池
鉛蓄電池
氫氧燃料電池等
鋰離子電池
鎳氫電池
普通鋅錳干電池
鋅銀紐扣電池
電池優劣的判斷標準:
① 比能量
［單位：(w·h/kg)，(w·h/L)］
指電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少
② 比功率
[單位：（W/kg，W/L)]
指電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小.
③ 電池的可儲存時間的長短
除特殊情況外，質量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，更易滿足使用者需求。
任務一：一次電池
放電后不可再充電的電池。一次電池的電解質溶液制成膠狀，不流動，也叫做干電池。
（1）普通鋅錳干電池
電極反應活性物質 負極：Zn 正極：MnO2
電極材料 負極：Zn 正極：石墨棒
離子導體 NH4Cl和ZnCl2混合物
主要反應為：
Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
正極：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)
優點：制作簡單、價格便宜。缺點：放電時間短，電壓下降快。
負極：
Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2
正極：
2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-
氫氧化氧錳
正極: ; 負極： ; 電解質: 。
MnO2
Zn粉
KOH
總反應：
Zn+2MnO2 + 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2
優點：比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流和連續放電
缺點：多數只能一次使用，不能充電；價格較貴
（2）堿性鋅錳干電池
堿性鋅錳干電池結構
金屬外殼
離子型
導電隔膜
Zn粉和
KOH混合物
銅針
MnO2和
KOH混合物
(3)鋅銀電池—紐扣電池
紐扣式銀鋅電池的總反應式為：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
電解質液為KOH溶液， 請寫出的電極反應式。
正極反應式
負極反應式
Zn＋2OH－－2e－＝Zn(OH)2
Ag2O＋2e－＋H2O＝2Ag ＋2OH－
【例1】(2024·江蘇卷，8)堿性鋅錳電池的總反應為
Zn+2MnO2+H2O= ZnO+2MnOOH，電池構造示意圖如圖所示。下列有關說法正確的是( )
A．電池工作時，MnO2發生氧化反應
B．電池工作時，OH-通過隔膜向正極移動
C．環境溫度過低，不利于電池放電
D．反應中每生成1mol MnOOH，轉移電子數為2×6.02×10-23
C
堿性鋅錳干電池結構
金屬外殼
離子型
導電隔膜
Zn粉和
KOH混合物
銅針
MnO2和
KOH混合物
變式1 酸性鋅錳干電池的構造示意圖如下。關于該電池及其工作原理，下列說法正確的是（ ）
D
A.石墨作電池的負極材料
B.電池工作時，向負極方向移動
C.發生氧化反應
D.鋅筒發生的電極反應為
任務二：二次電池
1.二次電池又稱可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而反復使用的電池
（1）鉛酸蓄電池
二次電池的思維模型
氧化反應
還原反應
陰極
陽極
充電
可充電電池
放電
氧化反應
負極
還原反應
正極
外接電源負極，同一電極
（1）鉛酸蓄電池
可重復使用、電壓穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉。
鉛酸電池由兩組柵狀電極板交替排列而成，正極板上覆蓋有PbO2,負極板上覆蓋有Pb，電解質溶液為H2SO4溶液。
構造：
鉛蓄電池的構造
缺點：
優點：
比能量低、笨重、廢棄電池污染環境
(-)Pb | H2SO4 | PbO2(+)
優點
缺點
電壓穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉
單位質量電池釋放的電能少
（1）鉛酸蓄電池
(-)Pb | H2SO4 | PbO2(+)
負極: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4
正極: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O
氧化反應
還原反應
Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O
放電
充電
放電過程中，負極的質量增大，稀H2SO4的濃度減小。
1.一種可充電鋰離子電池——鈷酸鋰-石墨鋰電池，其電池反應為LixCy＋Li1－xCoO2===LiCoO2＋Cy。
(1)寫出電池放電時的電極反應式。
負極：______________________；
正極：_______________________________。
(2)簡述放電和充電過程中Li＋運動情況。
LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
　放電時，鋰離子從石墨中脫嵌移向正極，嵌入鈷酸鋰晶體中；充電時，鋰離子從鈷酸鋰晶體中脫嵌，由正極回到負極，嵌入石墨中。
任務三：燃料電池
①燃料電池是一種連續地將燃料和氧化劑的化學能轉化為電能的化學電源。
③兩極材料：惰性材料（Pt），只具導電性。
②反應物不儲存在電池內部，外加提供燃料和氧化劑。
④兩極判斷：通入燃料氣的一極
通入O2或空氣的一極
⑤導電介質：可以是電解質溶液，也可以是新型的導離子介質。
⑥優點：能量轉換率高；污染小。
負極
正極
（1）氫氧燃料電池
任務三：燃料電池
負極：2H2 + 4OH- - 4e- ＝ 4H2O
正極： O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH-
總反應式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
② (-)H2 | OH- | O2(+) 堿性介質
① (-)H2 | H+ | O2(+) 酸性介質
負極：2H2 - 4e- ＝ 4H+
正極：O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O
總反應式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
（2）甲烷燃料電池
任務三：燃料電池
負極： CH4＋10OH－－8e－ = CO32－＋7H2O
正極： 2O2＋4H2O＋8e－ = 8OH－
總反應式： CH4+2O2+2OH- = CO32-+3H2O
① H2SO4溶液：
用導線連接兩個鉑電極插入電解質溶液中，向兩極分別通入CH4和O2。
負極：CH4＋2H2O－8e－ = CO2＋8H+
正極： 2O2＋8H＋＋8e－ = 4H2O
總反應式： CH4+2O2 = CO2+2H2O
② KOH溶液：
（3）甲醇燃料電池/KOH
任務三：燃料電池
（4）肼（N2H4）燃料電池/KOH
正極: 3O2+6H2O+12e- === 12OH-
負極: 2CH3OH+16OH--12e- === 2CO32- +12H2O
總反應: 2CH3OH+3O2+4OH- === 2CO32-+6H2O
正極: O2+2H2O+4e- === 4OH-
負極: N2H4+4OH--4e- === N2+4H2O
總反應: N2H4+O2 === N2+2H2O
2.書寫步驟
①析價態，定正負 ②列物質 ③標得失 ④看環境，配守恒
電極反應式的書寫方法
補項原則：酸性介質（缺H補H+，缺O補H2O）；
堿性介質（缺H補H2O，缺O補OH-）；
熔融氧化物使用O2-；熔融碳酸鹽使用CO32-。
1.書寫原則：
①質量守恒+電荷守恒+電子守恒
②弱電解質、氣體、難溶物均寫化學式，其余用離子符號
3.復雜電極反應式書寫
復雜電極反應式=總反應式—較簡單一極電極式
“有膜” 原電池
離子交換膜的類型
(1)陽離子交換膜：只允許陽離子通過；
(2)陰離子交換膜：只允許陰離子通過；
(3)質子交換膜：只允許質子通過。
1、一種新型的燃料電池，它以多孔鎳板為電極插入KOH溶液中，然后分別向兩極通入乙烷和氧氣，其總反應為：
2C2H6+7O2+8KOH==4K2CO3+10H2O
有關此電池的推斷正確的是( )
A．負極反應為14H2O+7O2+28e－==28OH－
B．放電一段時間后，負極周圍的pH升高
C．每消耗1molC2H6，則電路上轉移的電子為14mol
D．放電過程中KOH的物質的量濃度不變
C
2、乙醇燃料電池中采用磺酸類質子溶劑，在200 ℃左右時供電，電池總反應式為C2H5OH＋3O2 =2CO2＋3H2O，電池示意圖如圖所示，下列說法中正確的是(　　)
A．電池工作時，質子向電池的負極遷移
B．電池工作時，電流由b極沿導線流向a極
C．a極上發生的電極反應是
C2H5OH＋3H2O＋12e－=2CO2↑＋12H＋
D．b極上發生的電極反應是
2H2O＋O2＋4e－=4OH－
B
3.瓦斯分析儀(如圖甲)工作原理類似燃料電池的工作原理，其裝置如圖乙所示，其中的固體電解質是Y2O3－Na2O，O2－可以在其中自由移動。下列有關敘述中正確的是(　　)
A．瓦斯分析儀工作時，電池內電路中電子由電極b流向電極a
B．電極b是正極，O2－由電極a流向電極b
C．電極a的反應式為CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
D．當固體電解質中有1 mol O2－通過時，轉移4 mol電子　
C
4、用兩根鉑絲作為電極插入KOH溶液中,再分別向兩極通入甲烷氣體和氧氣,可形成原電池—燃料電池,該電池放電時發生的反應為CH4＋2KOH＋2O2===K2CO3＋3H2O。下列說法錯誤的是( )
A.通甲烷的一極為負極，通氧氣的一極為正極
B.放電時，通入O2一極附近溶液的pH升高
C.放電一段時間后，KOH的物質的量不發生變化
D.通甲烷極的電極反應式是CH4＋10OH－－8e－=== CO32－＋7H2O
C
5、高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相比，該電池長時間保持穩定的放電電壓。高鐵電池的總反應為：
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，下列敘述不正確的是( )
A.放電時負極反應為Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2
B.充電時陽極反應為Fe(OH)3－3e－＋5OH－=FeO42- ＋4H2O
C.放電時每轉移3 mol電子，正極有1 mol K2FeO4被氧化
D.放電時正極附近溶液的堿性增強
C

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