1、人教版高中化学选修四第四章 第二节 化学电源第二节化学电源核心素养发展目标1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电池的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。一、化学电池及其分类1化学电池的分类(1)化学电池按其使用性质常分为如下三类：一次电池：又叫干电池，活性物质消耗到一定程度就不能再使用。二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。(2)化学电池按其电解质
2、性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。2判断电池优劣的主要标准(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(Wh)kg1或(Wh)L1。(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是Wkg1或WL1。(3)电池可储存时间的长短。3化学电池的回收利用使用后的废弃电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。例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，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防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品D回
3、收其中石墨电极答案B解析汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。考点初步认识化学电池题点废旧化学电池的回收利用二、常见的化学电池1一次电池(1)碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，总反应式为Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2 。负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液；负极反应式是Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极反应式是2MnO22H2O2e=2MnOOH2OH。(2)锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点，总反应式为ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。负极反应式是Zn2OH2e=Zn(OH)2；正极反应式是Ag2OH2O2e=2Ag2OH。
4、相关链接化学电池中电极反应式的书写方法及步骤(1)分析电极反应。负极元素化合价升高，失电子，发生氧化反应，写出氧化产物的简单形式；正极元素化合价降低，得电子，发生还原反应，写出还原产物的简单形式。(2)注意电解质环境。电极产物在电解质溶液中能稳定存在，写出产物的正确存在形式。(3)根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。(4)根据正负极得失电子守恒，两电极反应式相加得电池总反应。(5)若已知电池总反应，可用电池总反应减去某一电极反应式求得另一电极反应式。2二次电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)(
5、1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。(2)放电反应原理负极反应式是Pb(s)SO(aq)2e=PbSO4(s) ；正极反应式是PbO2(s)4H(aq)SO(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l) ；放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。(3)充电反应原理阴极(发生还原反应)反应式是 PbSO4(s)2e=Pb(s)SO(aq) ；阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4(s)2H2O(l)2e=PbO2(s)4H(aq)SO(aq) ；充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。相关链接充电电池充电、放电的原理(1)充电电
6、池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。(2)充、放电时各电极上发生的反应(3)充电电池电极反应式的书写充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。注意书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb2e=Pb2是错误的，应写成PbSO2e=PbSO4。3燃料电池氢氧燃料电池用铂作电极，不断充入的氢气和氧气，分别在两极发生氧化
7、反应和还原反应。(1)氢氧燃料电池的总反应式是2H2O2=2H2O。(2)写出氢氧燃料电池(介质不同)的电极反应：介质负极反应式正极反应式酸性2H24e=4HO24H4e=2H2O碱性2H24e4OH=4H2OO22H2O4e=4OH相关链接(1)燃料电池的工作原理一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。(2)常见的四种典型燃料电池名称电解质电极反应和总反应氢氧燃料电池KOH正极：O24e
8、2H2O=4OH负极：2H24e4OH=4H2O总反应：2H2O2=2H2OH2SO4正极：O24e4H=2H2O负极：2H24e=4H总反应：2H2O2=2H2O甲烷燃料电池KOH正极：2O24H2O8e=8OH负极：CH410OH8e=CO7H2O总反应：CH42O22KOH=K2CO33H2O甲醇燃料电池KOH正极：3O26H2O12e=12OH负极：2CH3OH16OH12e=2CO12H2O总反应：2CH3OH3O24KOH=2K2CO36H2O肼燃料电池KOH正极：O22H2O4e=4OH负极：N2H44OH4e=N24H2O总反应：N2H4O2=N22H2O常见化学电池的比较(1
9、)一次电池：活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。(2)二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。(3)燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。例2锂空气电池放电时的工作原理如图所示。下列叙述正确的是()A放电时Li由B极向A极移动B电池放电反应为4LiO22H2O=4LiOHCB电极反应式为O24H4e=2H2OD电解液a可以为氯化锂溶液答案B解析在锂空气电池中，A(金属锂)为负极，其反应式是4Li4OH4e=4LiOH；B为正极，其反应式是O24e2H2O=4OH；总反应式是4LiO22H2O=4LiOH。原电池工作过程
10、中，溶液中的Li(阳离子)移向B极(正极)；金属锂能与水反应，电解质中不能含有水。考点一次电池和二次电池题点一次电池方法点拨根据原电池装置书写电极反应式(1)由装置图确定原电池的正极、负极及各极反应物。(2)若电解质溶液中的阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。(3)正极反应是溶液中的阳离子或氧化剂得到电子被还原。例3镍镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达1015年。其总反应为Cd2NiOOH2H2O2Ni(OH)2Cd(OH)2。下列说法不正确的是()A放电时，负极发生了氧化反应，反应为Cd2OH2e=Cd(OH)2B充电时，阳极反应为Ni(OH)2(s)eOH(a
11、q)=NiOOH(s)H2O(l)C电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小D该电池充电时将电能转化为化学能答案C解析由电池总反应可知：放电时负极反应式为Cd2OH2e=Cd(OH)2，负极区OH浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为NiOOH(s)H2Oe=Ni(OH)2(s)OH，正极区OH浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2(s)eOH(aq)=NiOOH(s)H2O(l)；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。考点一次电池和二次电池题点二次电池方法点拨由二次电池的总反应式书写电极反应式(1)放电时为原电池，由总反应式中元素化
12、合价的变化，确定负极、正极的反应物、主要产物和转移电子数目，再结合电解质溶液性质和守恒关系写出电极反应式。(2)充电时的电极反应是放电电极反应的逆过程，即充电的阳极反应为放电的正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电的负极反应的逆过程。例4写出下列燃料电池的电极反应式和总反应式。(1)酸性条件下的甲烷燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。(2)碱性条件下的甲烷燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。(3)碱性条件下的甲醇(CH3OH)燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。答案(1)CH42O2=CO22H2O2O28H8e=4H2OCH48e2H2O
13、=CO28H(2)CH42O22OH=CO3H2O2O24H2O8e=8OHCH410OH8e=CO7H2O(3)2CH3OH3O24OH=2CO6H2O3O26H2O12e=12OH2CH3OH16OH12e=2CO12H2O考点燃料电池题点有机物燃料电池方法点拨(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O24e=2O2，产生的O2存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱
14、性。碱性溶液电极反应式不能出现H；酸性溶液电极反应式不能出现OH。相关链接有机燃料电池电极反应式书写方法电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。第二步：确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为2，CO中碳元素的化合价为4，故1 m
15、ol乙醇完全反应失去24(2)12 mol电子。第三步：列出表达式。C2H5OHOH12eCOH2O。第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH的化学计量数为16。(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH16OH12e=2CO11H2O。1下列说法错误的是()A氧化还原反应释放的化学能是化学电池的能量来源B化学电池中的负极材料不一定参加电极反应C二次电池的充电和放电过程是可逆反应D丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是资源的浪费答案C解析二次电池的充电和放电，是在
16、不同条件下发生的过程，它们不是可逆反应。考点初步认识化学电池题点化学电池及其类别2下列电池工作时，氧气在正极放电的是()答案B解析燃料电池中在正极放电的物质都是氧气。考点化学电池的综合题点化学电池及其类别3某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是()A锌为电池的负极B正极反应式为2FeO10H6e=Fe2O35H2OC该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D电池工作时OH向负极迁移答案B解析以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn6e6OH=3Zn(OH)2；K2FeO4为正极，发生反应：2FeO8H2O6e
17、=2Fe(OH)310OH；放电过程中有OH生成，则电解质溶液的浓度增大，OH向负极迁移。考点一次电池和二次电池题点一次电池4原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：电池的负极是_(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为_。电池工作一段时间后电解质溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物作电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 下工作的燃料电池，其负极反应式为2CO2CO4e=4CO2。正极反应式是_；总电池反应式是_
18、。答案(1)aCH410OH8e=CO7H2O减小(2) O22CO24e=2CO2COO2=2CO2解析(1)甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原发应，故正极电极反应式为O22CO24e=2CO，根据正极反应式负极反应式总电池反应式，可推知总电池反应式应为2COO2=2CO2。考点燃料电池题点燃料电池的综合题组一一次电池1电子表和电子计算器的电源通常用微型银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag。下列说法正确的是()AAg2O是
19、正极，Zn是负极BZn是正极，Ag2O是负极C工作时，电池负极区溶液pH增大D工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极答案A解析根据总反应式可知，金属锌失去电子发生氧化反应，作该电池的负极，氧化银得到电子发生还原反应，作该电池的正极，A项正确，B项错误；负极区锌离子与氢氧根离子结合，溶液中氢氧根离子浓度减小，则其pH减小，C项错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D项错误。考点一次电池和二次电池题点一次电池2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(s)2MnO2(s)2H2O(l)=Zn(OH)2(s)2M
20、nOOH(s)。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2MnO2(s)2H2O(l)2e=2MnOOH(s)2OH(aq)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，锌的质量减少6.5 g答案C解析由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2 mol电子，参加反应的锌理论上为0.1 mol，即质量减少6.5 g。考点一次电池和二次电池题点一次电池3锂锰电池具有高倍率放电性能且电压稳定，是常用的贮存性能优良的一次电池。其工作原理如图所示，Li通过电解质迁移进入MnO2晶格中，生成LiMnO2，
21、以下说法错误的是()Aa极为电池的负极B可以用水代替有机溶剂C外电路中电子由a极流向b极Db极的电极反应式为MnO2eLi=LiMnO2答案B解析根据图示装置可确定Li电极为负极，A项正确；若用水代替有机溶剂，水能与金属Li直接发生化学反应，B项错误；原电池中电子从负极a流出经导线流回正极b，C项正确；MnO2在正极发生还原反应生成LiMnO2，其电极反应式为MnO2eLi=LiMnO2，D项正确。考点一次电池和二次电池题点一次电池题组二二次电池4铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。下列结论正确的是()A
22、Pb为正极被氧化B溶液的pH不断减小CSO只向PbO2处移动D电解质溶液的密度不断减小答案D解析由电池总反应方程式可知，铅是负极，二氧化铅是正极；原电池工作时，外电路中电子由负极流向正极；内电路中带负电荷的阴离子(SO和OH)移向负极；硫酸不断被消耗， pH不断增大，硫酸浓度减小，溶液密度减小。考点一次电池和二次电池题点二次电池5(2018资阳第二次诊断)锂铜空气燃料电池(如图)容量高、成本低，该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2LiCu2OH2O=2Cu2Li2OH，下列说法错误的是()A整个反应过程中，氧化剂为O2B放电时，正极的电极反应式为：Cu2OH2O2e=2
23、Cu2OHC放电时，当电路中通过0.1 mol电子的电量时，有0.1 mol Li透过固体电解质向Cu极移动，有标准状况下1.12 L氧气参与反应D通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O答案C解析该电池工作过程中，通入空气将Cu腐蚀生成Cu2O，Cu2O在正极放电又被还原成Cu，整个过程中，氧化剂为O2，A项正确；放电时正极的电极反应式为Cu2O2eH2O=2Cu2OH，B项正确；放电时负极反应式为Lie=Li，电路中通过0.1 mol电子生成0.1 mol Li，Li透过固体电解质向Cu极移动，反应中消耗O2的物质的量为0.025 mol，在标准状况下O2的体积为0.025 mol22.4 L
24、mol10.56 L，C项错误，D项正确。考点一次电池和二次电池题点二次电池6高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池可长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH，下列叙述不正确的是()A放电时负极反应为Zn2e2OH=Zn(OH)2B充电时阳极反应为Fe(OH)33e5OH=FeO4H2OC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解析根据题给总反应式，高铁电池放电时必定是锌为负极失去电子，被氧化；高铁酸钾在正极得到电子，被还原。充电时，阳极上氢氧化
25、铁被氧化成高铁酸钾。放电时正极附近生成OH，碱性增强。考点一次电池和二次电池题点二次电池题组三燃料电池7如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()Aa电极是负极Bb电极的电极反应为4OH4e=2H2OO2C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和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置答案B解析从图中可看出a电极处通入的是H2，b电极处通入的是O2，该电池的总反应是2H2O2=2H2O，故a电极处H2失e被氧化，a为负极；相对应的b极为正极，b极的电极反应是2H2OO24e=4OH，故选项中只有B项不正确。考点燃料电池题点氢氧燃料电池(
26、中性电解质)8将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是()通入CO的电极为正极；正极的电极反应式是O22H2O4e=4OH；通入CO的电极反应式是2COO24e=2CO2；负极的电极反应式是CO4OH2e=CO2H2O；放电时溶液中的阳离子向负极移动；放电时溶液中的阴离子向负极移动。A B C D答案B解析据题意知，发生的反应为2COO2=2CO2，反应产生的CO2处于KOH溶液中，又会转化为CO，正确，错误；O2得e被还原，在正极反应，错误，正确；阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，错误，正确。考点燃料电池题点无机物燃料电池(碱性电解质)9下图是甲醇燃料电池
