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四维教育 化学电源1、 化学电池： 化学电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。它包括一次电池、二次电池和燃料电池等几大类。判断一种电池的优劣或是否符合某种需要，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（比能量，单位是（Wh）/kg, （Wh）/L）,或者输出功率的大小（比功率，W/kg,W/L）以及电池的可储存时间的长短。除特殊情况外，质量轻、体积小而输出点能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者的需要。化学电池的主要部分是电解质溶液，和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。二、不同种类的电池：（一）一次电池 一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池。常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等。常见的一次电池：（1） 普通锌锰干电池锌锰干电池是最常见的化学电源，分酸性碱性两种。干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO2的混合物，在混合物周围再装入以NH4Cl溶液浸润ZnCl2，NH4Cl和淀粉或其他填充物（制成糊状物）。为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好。干电池在使用时的电极反应为 负极： Zn 2eZn2+ 正极： 2NH4+ + 2e + 2MnO2 = 2NH3 +Mn2O3+ H2O总反应： Zn + 2MnO2 + 2NH4+ = Mn2O3+ 2NH3 + Zn2+H2O（2）碱性锌锰干电池负极： Zn 2OH2eZn（OH）2正极：2MnO2 2H2O 2e2MnOOH 2OH总反应：Zn 2MnO2 2H2O2MnOOH Zn（OH）2（3）银一锌电池 电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称。它们的电极材料是Ag2O和Zn，所以叫银一锌电池。电极反应和电池反应是： 负极： Zn2OH2eZn(OH)2正极：Ag2OH2O2e2Ag2OH 总反应： ZnAg2OH2OZn(OH)22Ag 利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点。这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面。（4）锂二氧化锰非水电解质电池 以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属及为负极，电解活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜，电极反应为： 负极反应：LieLi 正极反应：MnO2LieLiMnO2 总反应：LiMnO2LiMnO2 该种电池的电动势为2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。 （5）铝-空气-海水电池1991年，我国首例以铝空气海水为材料组成的新型电池用作航海标志灯。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。 工作原理： 负极：4Al12e=4Al3+ 正极：3O2+6H2O+12 e=12OH 总反应：4Al+3O2+6H2O=4Al(OH)3 特点：这种海水电池的能量比“干电池”高2050倍。（6） 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：2Li2e- =2Li+ 正极：I2+2e-=2 I- 总反应式为：2Li+I2=2LiI锂电池（二）二次电池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。这类电池可以多次重复使用。（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电介质是H2SO4 .铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：Pb（s）SO42（aq）2ePbSO4（s）（氧化反应）正极：PbO2（s）SO42（aq）十4H（aq）2ePbSO4（s）2H2O (l)（还原反应） 总反应：Pb（s）PbO2（s）2H2SO4（aq）2PbSO4（s）十2H2O (l)铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程： 阴极：PbSO4（s）2ePb（s）SO42（aq）（还原反应） 阳极：PbSO4（s）2H2O (l) 2ePbO2（s）SO42（aq）十4H（aq）（氧化反应） 总反应：2PbSO4（s）十2H2O (l) Pb（s）PbO2（s）2H2SO4（aq）可以把上述反应写成一个可逆反应方程式： Pb（s）PbO2（s）2H2SO4（aq） 2PbSO4（s）十2H2O (l) （2）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。负极：Cd+2OH-2e- = Cd(OH)2正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-总反应式为：Cd+2NiO(OH)+2H2O=Cd(OH)2+2Ni(OH)2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。 （3）氢镍可充电池：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。负极：H2+2OH-2e-=2H2O正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-总反应式为：H2+2NiO(OH)=2Ni(OH)2 （三）燃料电池 又称连续电池：一般以天然燃料或其它可燃物质如H2、CH4等作为负极反应物质，以O2作为正极反应物质而形成的。燃料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一。 （1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用40%的KOH溶液作电解质溶液。其电极反应式为：负极：2H2+4OH-4e-=4H2O正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应式为：2H2+O2=2H2O （2）甲烷燃料电池用金属铂作电极，用KOH溶液作电解质溶液。负极：CH4+10OH-8e-= CO3 2- +7H2O正极：2O2+4H2O+8e- = 8OH-总反应式为：CH4+2O2+2KOH = K2CO3+3H2O （3）甲醇燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的10倍。负极：2CH4O+16OH-12e- = 2CO3 2- +12H2O正极：3O2+6H2O+12e- =12OH-总反应式为：2CH4O+3O2+4OH- =2CO3 2- +6H2O （4）固体氧化物燃料电池该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2-在其间通过。负极：2H2+2O24e- = 2H2O正极：O2+4e- = 2O2- 总反应式为：2H2+O2 = 2H2O （5）熔融盐燃料电池： 该电池用Li2CO3和的Na2CO3熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在6500C下工作的燃料电池。熔融盐燃料电池具有高的发电效率。负极：2CO+2CO3 2- 4e- = 4CO2正极：O2+ 2CO2+4e- = 2CO3 2-总反应式为：2CO+O2 = 2CO 2知识拓展：海洋电池 1991年，我国首创以铝空气海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。海洋电池彻底改变了以往海上航标灯两种供电方式：一是一次性电池，如锌锰电池、锌银电池、锌空（气）电池等。这些电池体积大，电能低，价格高。二是先充电后给电的二次性电源，如铅蓄电池，镍镉电池等。这种电池要定期充电，工作量大，费用高。 海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt、Fe）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为： 负极：（Al）：4Al12e4Al3 正极：（Pt或Fe等）：3O26H2O十12e12OH 总反应式：4Al3O2十6H2O4Al(OH)3 海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝电极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高2050倍。 电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块铝板，铝板的大小，可根据实际需要而定。 海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常了作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀。 【典型例题】【例1】氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是：(1/2) H2+NiO(OH) Ni(OH)2根据此反应式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【例2】有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（ ） 每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-负极上CH4失去电子，电极反应式CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O负极上是O2获得电子，电极反应式为 O2+2H2O+4e-=4OH-电池放电后，溶液pH不断升高A. B. C. D.【例3】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 ( )Aa电极是负极 Bb电极的电极反应为：4OH-4e-= 2H2O+O2C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【例4】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。锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为： Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) = Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)下列说法错误的是（ ） 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)+H2O(1) + 2e- = Mn2O3(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O.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g【巩固提高】1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：AH22OH2H2O2e BO24H4e2H2OCH22H2e DO22H2O4e4OH2一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ACH3OH(g)+O2(g)=H2O(1)+CO2(g)+2H+(aq)+2e-BO2(g)+4H(aq)+4e=2H2O(1)CCH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H(aq)+6eDO2(g)+2H2O(1)+4e=4OH3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变为电能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的二氧化硅4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) +2eB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)5可用于电动汽车的铝-空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为点解液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是A以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为：O22H2O4e4OHB以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al3OH3eAl(OH)3C以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解液的pH保持不变D电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极6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7下列说法正确的是A废旧电池应集中回收，并填埋处理B充电电池放电时，电能转变为化学能C放在冰箱中的食品保质期较长，这与温度对反应速率的影响有关D所有燃烧反应都是放热反应，所以不需吸收能量就可以进行充电8锌银电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充放电过程可以表示为：放电2AgZn(OH)2=Ag2OZnH2O此电池放电时，被氧化的物质是 （ ）A. Ag B. Zn(OH)2 C. Ag2O D. Zn9微型锂碘电池可用植入某些心脏病人体内的心脏起搏器所用的电源。这种电池中的电解质是固体电解质LiI，其中的导电离子是I。下列有关说法正确的是 （ ）A.正极反应：2Li2e2Li B.负极反应：I22e2IC.总反应是：2LiI22LiI D.金属锂作正极10ZnMnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2NH4Cl混合溶液。（1）该电池的负极材料是 。电池工作时，电子流向 （填“正极”或“负极”）。（2）若ZnCl2NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是 。欲除去Cu2+，最好选用下列试剂中的 （填代号）。aNaOHbZncFedNH3H2O（3）MnO2的生产方法之一是以石墨为电极，电解酸化的MnSO4溶液。阴极的电极反应式是 。若电解电路中通过2mol电子，MnO2的理论产量为 。11氢氧燃料电池是一种高效、低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。该电池 为燃料， 为氧化剂，可用 性电解质（如稀H2SO4），也可用 性电解质（如 ）。（1）当用酸性电解质时，电极反应为：负极： 正极： 总反应式： （2）当用碱性电解质时，电极反应式为：负极： 正极： 电池总反应式：2H2O22 H2O12甲烷氧气燃料电池，该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气。负极： 正极： 电池总反应式： 13锌银电池：负极是 ，正极是 ，电解质是 ，其电极反应如下：负极： ，正极： ，总反应： 14锂电池是用金属 作负极， 作正极，电解质溶液由四氯化铝锂（LiAlCl4）溶解在亚硫酰氯（SOCl2）中组成。负极： 正极：3 SOCl28eSO322S+6Cl电池的总反应式：8Li3 SOCl26Cl-Li SO32S 化学电源 参考答案【典型例题】【例1】解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式：H2+2OH-2e- = 2H2O，H2为负极，附近的pH应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价，被还原，充电时氢元素由+1价变为0价，被还原。答案为C、D项。 【例2】解析：本题是考查原电池原理在燃料电池中的具体应用，首先要判断出电池的正负极，其方法是确定在该电极上发生的是失电子还是得电子反应，若发生的是失电子反应是原电池的负极，反之是正极。CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2燃烧反应，即CH4 CO2严格讲生成的CO2还与KOH反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4参加反应有8mole-发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-。虽然正极产生OH-，负极消耗OH-，但从总反应CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH，所以电池放电时溶液的PH值不断下降，故正确，错误。答案：A【例3】解析：分析氢氧燃料电池原理示意图，可知a极为负极，其电极反应为：2H2-4e-=4H+，b极为正极，其电极反应为：O2+2H2O+4e-=4OH-，电池总反应式为：2H2+O2=2H2O。H2为还原剂，O2为氧化剂，H2、O2不需全部储藏在电池内。答案为B项。【例4】解析： 该电池的电解液为KOH溶液，结合总反应式可写出负极反应式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- = Zn(OH)2(s)，用总反应式减去负极反应式，可得到正极反应式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- = Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极，失去电子，电子由负极通过外电路流向正极。1molZn失去2mol电子，外电路中每通过O.2mol电子，Zn的质量理论上减小6.5g。答案为C项。【巩固提高】1.答案：C解析：难度：易，电解液为酸性，故A错，负极通入氢气，正极通入氧气，故B、D错。2.答案：C解析：甲醇与氧气反应的化学方程式为：2CH3OH3O22CO24H2O，化合价升高的元素为C，所以在负极上甲醇失去电子而放电，在该极上的电极反应式为：CH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H+(aq)+6e。3.答案：C解析：A. 锌锰干电池的碳棒为负极，不会被消耗；B 燃料电池将燃料的化学能转化为电能和部分热能散失；C 燃料电池燃料是被氧化的，永远做负极；D 太阳能电池的主要材料是硅而非二氧化硅。4.答案：B解析：铅蓄电池的充放电反应为：PbPbO22H2SO4放电充电 PbSO42H2O，放电时Pb作负极：Pb2eSO42 =PbSO4，在正极上：PbO22e4HSO42 =PbSO42H2O；充电时，H2SO4的浓度不断增大，阳极上发生的是氧化反应，是失去电子而不是得到电子。5.答案：A解析：无论是NaOH还是NaCl，在正极上都是O2得到电子被还原