高中化学 第四章 电化学基础 重难点五 化学电源新型电池（含

1、重难点五 化学电源新型电池一、一次电池 1定义：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2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-2e-=Zn2+ 正极：2N

2、H4+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+2OH-2e-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+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：Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2O

3、H- 总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 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：Li-e-=Li+ 正极反应：MnO2+Li+e-=LiMnO2 总反应：Li+MnO2=LiMnO2 该种电池的电动势为2.

4、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：4Al-12e-4Al3+ 正极：3O2+6H2O+12 e-12OH- 总反应：4Al+3O2+6H2O4Al(OH)3 特点：这种海水电池的能量比“干电池”高20-50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

5、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：2Li-2e-2Li+  正极：I2+2e-2 I-总反应式为：2Li+I22LiI 二、二次电池1定义：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2常见的二次电池：（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，电解质是H2SO4铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：Pb+S

6、O42-2e-=PbSO4(氧化反应)正极：PbO2+SO42-十4H+2e-=PbSO4+2H2O(还原反应)总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4十2H2O铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42-(还原反应)阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+SO42-十4H+(氧化反应)总反应：2PbSO4十2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4十2H2O（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-=C

7、d(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

8、+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（

9、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，

10、这种固体电解质在高温下允许O2-在其间通过负极：2H2+2O2-4e-=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=2CO2。【重难点指数】 【重难点考向一】 新型二次电池【例1】高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比

11、，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+8H2O3Zn(OH)2+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-FeO42-+4H2OC放电时每转移3mol电子，正极有1mol K2FeO4被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强【答案】C【重难点点睛】根据电池的总反应可知，高铁电池放电时必定是锌在负极失去电子，电极反应式为Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2，高铁酸钠在正极得到电子，电极反应式为FeO42+4H2O+3e-=Fe(OH)3+5OH-

12、，根据电极反应式可判断电子转移的物质的量与反应物之间的关系，充电时，阳极上氢氧化铁转化成高铁酸钠，电极反应式为Fe(OH)3+5OH-=FeO42+4H2O+3e-，阳极消耗OH-离子，碱性要减弱。【重难点考向二】 新型燃料电池【例2】查处酒后驾驶采用的“便携式乙醇测量仪”以燃料电池为工作原理，在酸性环境中，理论上乙醇可以被完全氧化为CO2，但实际乙醇被氧化为X，其中一个电极的反应式为：CH3CH2OH-2e-X+2H+下列说法中正确的是()A电池内部H+由正极向负极移动B另一极的电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH-C乙醇在正极发生反应，电子经过外电路流向负极D电池总反应为：2CH3

13、CH2OH+O22CH3CHO+2H2O【答案】D【解析】A原电池工作时，阳离子向正极移动，故A错误；B电解质溶液呈酸性，正极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，故B错误；C原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，故C错误；D由CH3CH2OH-2e-X+2H+可知，X应为CH3CHO，则电池总反应为2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O，故D正确；故选D。【名师点睛】以化学电源新型电池为载体考查原电池原理，醇酸性燃料电池中，乙醇被氧化，应为电池负极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，由CH3CH2OH-2e-X+2H+可知，X应为

14、CH3CHO，应为2CH3CH2OH+O22CH3CHO+2H2O，原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极；易错选项是B，写电极反应式时要注意结合溶液的酸碱性；在酸性溶液，生成物中不能有氢氧根离子生成；在碱性溶液中，生成物中不能有氢离子生成。【重难点考向三】 电化学原理的综合应用【例3】将铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，即可产生电流，此装置称为甲烷燃料电池下列叙述中正确的是() 通入CH4的电极为正极 正极的电极反应式为：O2+2H2O+4e-=4OH- 通入CH4的电极反应式为：CH4+2O2+4e-=CO2+2H2O 负极的电极反应式为：CH4+10OH-8e-

15、=CO32-+7H2O 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】C【名师点睛】考查碱性甲烷电池的工作原理，具体分析：甲烷燃料电池中甲烷失电子为负极；正极上氧气得电子生成氢氧根离子；甲烷燃料电池负极是甲烷失电子，碱性条件下生成碳酸根离子；甲烷燃料电池负极是甲烷失电子，碱性条件下生成碳酸根离子；原电池工作时，电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。1某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质，以C4H10为燃料时，该电池工作原理如图下列说法正确的是()Aa为C4H10，b为CO2B在熔融电解质中，CO32-向正极移动C此电池在常

16、温时也能工作D通入丁烷的一极是负极，电极反应为：C4H10-26e-+13CO32-=17CO2+5H2O【答案】【名师点睛】该原电池为甲烷燃料电池，根据图象中电子流向知，左边电极为负极、右边电极为之间，通入燃料的电极为负极、通入氧化剂的电极为正极，所以a为丁烷、b为O2，负极反应式为C4H10-26e-+13CO32-=17CO2+5H2O，正极反应式为O2+2CO2+4e-2CO32-，据此分析解答。2空间实验室“天宫一号”的供电系统中有再生氢氧燃料电池(RFC)，RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池如图为RFC工作原理示意图下列有关说法正确的是()A当有0.1&#

17、160;mol电子转移时，a电极产生2.24LH2Bb电极上发生的电极反应是：4H2O+4e-=2H2+40H-Cc电极上进行还原反应，B池中H+的可以通过隔膜进入A池Dd电极上发生的电极反应是：O2+4H+4e-=2H2O【答案】C【解析】电解池中的电极反应为：b电极为阳极失电子发生氧化反应：4OH-4e-=2H2O+O2；a电极为阴极得到电子发生还原反应：4H+4e-=2H2；原电池中是酸性溶液，电极反应为：d为负极失电子发生氧化反应：2H2-4e-=4H+；c电极为正极得到电子发生还原反应：O2+4H+4e-=2H2O；A阳极电极反应计算，当有0.1 mol电子转移时，a电极产生标况下1

18、.12LH2，故A错误；Bb电极上发生的电极反应是4OH-4e-=2H2O+O2；故B错误；Cc电极上进行还原反应，B池中的H+可以通过隔膜进入A池，故C正确；Dd电极上发生的电极反应是：2H2-4e-=4H+；故D错误；故选C。【名师点睛】考查了化学电源新型电池，主要考查原电池和电解池的工作原理，电极判断，电极反应，关键是原电池中电解质溶液是酸性环境，依据图示ab电极是电解池的电极，由电源判断a为阴极产生的气体是氢气，b为阳极产生的气体是氧气；cd电极是原电池的正负极，c是正极，d是负极；电解池中的电极反应为：b电极为阳极失电子发生氧化反应：4OH-4e-=2H2O+O2；a电极为阴极得到电

19、子发生还原反应：4H+4e-=2H2；原电池中是酸性溶液，电极反应为：d为负极失电子发生氧化反应：2H2-4e-=4H+；c电极为正极得到电子发生还原反应：O2+4H+4e-=2H2O；结合电极上的电子守恒分析计算。3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1mol CH4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 【答案】A【名师点睛】碱性甲烷燃料电池，具有还原性的甲烷为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O，通入氧气的一极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，原电池工作时，电子从负极经外电路流向正极，电解质溶液中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。4一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-下列对该燃料电池说法正确的是()A在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B