第25講化學(xué)電源（學(xué)生版）高二化學(xué)講義（人教2019選擇性必修1）

第25講第25講化學(xué)電源知識(shí)導(dǎo)航知識(shí)導(dǎo)航知識(shí)精講知識(shí)精講一、化學(xué)電源的分類與優(yōu)劣判斷1.分類：化學(xué)電源可以分為一次電池、二次電池和燃料電池等。2.優(yōu)劣判斷（1）比能量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)/kg或(W·h)/L。（2）比功率：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W/kg或W/L。（3）電池可儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短。二、一次電池（干電池）一次電池，也叫做干電池，放電后不可再充電。常見(jiàn)的一次電池有普通鋅錳干電池、堿性鋅錳干電池、紐扣式銀鋅電池等。1.普通鋅錳干電池常見(jiàn)的鋅錳干電池的構(gòu)造如圖所示。其中，石墨棒作正極，氯化銨糊作電解質(zhì)溶液，鋅筒作負(fù)極。這種電池放電之后不能充電（內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)無(wú)法逆向進(jìn)行），屬于一次電池?？偡磻?yīng)Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++2MnO(OH)+2NH負(fù)極Zn﹣2e=Zn2+正極2MnO2+2NH4++2e=2MnO(OH)+2NH2.堿性鋅錳干電池用KOH電解質(zhì)溶液代替NH4Cl做電解質(zhì)時(shí)，電池的比能量和放電電流都能得到顯著的提高。總反應(yīng)Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2負(fù)極Zn+2OH﹣2eZn(OH)2正極2MnO2+2H2O+2e2MnO(OH)+2OH3.紐扣式鋅銀電池鋅銀扣式電池，以鋅為負(fù)極,銀的氧化物為正極,氫氧化鉀（或鈉）溶液為電解液的紐扣狀微型原電池總反應(yīng)Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag負(fù)極Zn+2OH2e=Zn(OH)2正極Ag2O+2e+H2O=2Ag+2OH三、二次電池有些電池放電時(shí)所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在充電時(shí)可以逆向進(jìn)行，使活性物質(zhì)獲得再生，從而實(shí)現(xiàn)放電（化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能）與充電（電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能）的循環(huán)。這種充電電池屬于二次電池，也叫充電電池或蓄電池。常見(jiàn)的充電電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，目前汽車上使用的大多是鉛蓄電池。1.鉛蓄電池工作原理Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O放電總反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O負(fù)極正極充電總反應(yīng)2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+4H++2SO陰極PbSO4＋2e－Pb＋SO陽(yáng)極PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SO2.鋰離子電池鋰離子電池正極材料多采用磷酸鐵鋰（LiFePO4，也稱磷酸亞鐵鋰）或鉆酸鋰（LiCoO2）等，一般是具有可供鋰離子嵌入或脫嵌（即可逆嵌脫）結(jié)構(gòu)的化合物。負(fù)極材料大多數(shù)是碳素材料，如人工石墨、碳纖維、天然石墨等。電解質(zhì)溶液是鋰離子的載體，是將鋰鹽溶解在一定的非水、非質(zhì)子性的有機(jī)溶劑中制成的，其作用是在電池內(nèi)部正、負(fù)極之間形成良好的離子導(dǎo)電通道。在放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極脫出，嵌入到正極。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料晶格間脫離出來(lái)，嵌入到負(fù)極材料里。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極間不斷地進(jìn)行可逆嵌脫。以鉆酸鋰石墨鋰電池為例：工作原理Li1xCoO2+LixC6LiCoO2+6C放電總反應(yīng)Li1xCoO2+LixC6LiCoO2+6C負(fù)極正極充電總反應(yīng)LiCoO2+6CLi1xCoO2+LixC6陰極陽(yáng)極三、燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料（如氫氣、甲烷、乙醇）和氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，具有清潔、安全、高效等特點(diǎn)。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到80%以上。1．氫氧燃料電池電解質(zhì)H2SO4溶液KOH溶液總反應(yīng)2H2+O2=2H2O負(fù)極反應(yīng)式正極反應(yīng)式2．甲烷燃料電池甲烷電池電解質(zhì)溶液為H2SO4電解質(zhì)溶液為KOH負(fù)極反應(yīng)式正極反應(yīng)式總反應(yīng)式對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練題型一：一次電池的工作原理【例1】日常所用鋅錳干電池的電極分別為鋅筒和石墨棒，以糊狀NH4Cl作電解質(zhì)，電極反應(yīng)為：Zn2e=Zn2＋，2MnO2＋2NH＋2e=Mn2O3＋2NH3＋H2O。下列有關(guān)鋅錳干電池的敘述中，正確的是A．干電池中鋅筒為正極，石墨棒為負(fù)極B．干電池可實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化C．干電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作后，糊狀物可能流出，腐蝕用電器D．干電池工作時(shí)，電流方向是由鋅筒經(jīng)外電路流向石墨棒【變12】堿性電池具有容量大、放電電流大的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l)=Zn(OH)2(s)+Mn2O3(s)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．電池工作時(shí)，鋅失去電子B．電池工作時(shí)，電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極C．電池負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)D．外電路中每通過(guò)0.4mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減小13.0g題型二：二次電池的工作原理【變21】某種鈉離子的二次電池，其放電工作原理如圖所示。下列說(shuō)法正確的是A．放電時(shí)，石墨上的電勢(shì)比MnPO4上的高B．充電時(shí)，石墨接直流電源的正極C．充電時(shí)，Na+由右側(cè)經(jīng)過(guò)離子交換膜遷移到左側(cè)D．放電時(shí)，正極反應(yīng)為NaMnPO4+e=MnPO4+Na+題型三：鋰離子電池的工作原理【例3】鋰電池是新一代高能電池，目前已研發(fā)出多種鋰電池。某種鋰電池的總反應(yīng)式為L(zhǎng)i+MnO2=LiMnO2，下列說(shuō)法中正確的是A．Li是正極，MnO2是負(fù)極B．放電時(shí)負(fù)極的反應(yīng)：Lie=Li+C．放電時(shí)正極發(fā)生氧化反應(yīng)D．電池放電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)到100%【變4】磷酸鐵鋰電池是以磷酸鐵鋰為正極材料的一種鋰離子二次電池，電池總反應(yīng)為M1xFexPO4+LiC6LiM1xFexPO4+6C，其原理如圖所示，下列說(shuō)法正確的是A．放電時(shí)，石墨電極的電勢(shì)更高B．充電時(shí)，Li+移向磷酸鐵鋰電極C．充電時(shí)，磷酸鐵鋰電極應(yīng)與電源正極相連D．放電時(shí)，正極反應(yīng)式為M1xFexPO4+e+Li+=LiFexPO4+(1x)M題型四：燃料電池的工作原理【變51】燃料電池裝置如圖所示，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A．電池工作時(shí)，得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)B．電極b上的電極反應(yīng)式為C．燃料電池能量之間的轉(zhuǎn)化是由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能D．電池工作時(shí)，溶液中的向電極a遷移題型五：化學(xué)電源的工作原理【例6】下列四個(gè)常用電化學(xué)裝置的敘述錯(cuò)誤的是

A．圖I所示電池中，電子從鋅片流出B．圖II所示干電池中石墨作負(fù)極C．圖III所示電池為二次電池D．圖IV所示電池中正極反應(yīng)為：【例8】回答下列問(wèn)題：（1）已知可逆反應(yīng)AsO+2I—+2H+=AsO+I2+H2O，某化學(xué)興趣小組利用反應(yīng)探究原電池原理并應(yīng)用原電池原理制作多種電池：電池工作時(shí)，鹽橋中的陰離子向_______極移動(dòng)(填C1或C2)；若向B池里滴加NaOH溶液，平衡向_______方向移動(dòng)，此時(shí)C2極的電極反應(yīng)式為_(kāi)______。（2）乙同學(xué)結(jié)合課本氫氧燃料電池知識(shí)將CH4設(shè)計(jì)成燃料電池，裝置如圖所示(a、b為多孔碳棒)其中_______(填A(yù)或B)處電極入口通甲烷。當(dāng)消耗標(biāo)況下甲烷33.6L時(shí)，假設(shè)能量轉(zhuǎn)化率為90%，則導(dǎo)線中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量_______mol。若將該燃料電池內(nèi)部KOH溶液改為熔融的摻雜著氧化釔(Y2O3)的氧化鋯(ZrO2)晶體，在其內(nèi)部可以傳導(dǎo)O2，電池的負(fù)極電極反應(yīng)式：_______。（3）丙同學(xué)查資料發(fā)現(xiàn)生物電池具有工作時(shí)不發(fā)熱、不損壞電極等優(yōu)點(diǎn)，不但可以節(jié)約大量金屬，而且壽命比化學(xué)電源長(zhǎng)得多，因此越來(lái)越受到人們的青睞。某生物電池用葡萄糖(C6H12O6)作原料，在酶的作用下被氧化為葡萄糖酸(C6H12O7)，其工作原理如下圖所示。a的電極反應(yīng)式為_(kāi)______。當(dāng)有2molH+通過(guò)質(zhì)子交換膜時(shí)，理論上電極a消耗葡萄糖的質(zhì)量為_(kāi)______g；該電池_______(填“能”或“不能”)在高溫條件下使用。提分特訓(xùn)提分特訓(xùn)【題1】堿性鋅錳干電池的總反應(yīng)為：。下列關(guān)于該電池的說(shuō)法中正確的是A．Zn為負(fù)極，為正極 B．工作時(shí)電子由經(jīng)由外電路流向ZnC．工作時(shí)OH移向正極 D．電池放電過(guò)程中，溶液的酸堿性一定不變【題2】化學(xué)電源在日常生活和高科技領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。下列說(shuō)法不正確的是A．甲：Zn2+向Cu電極方向移動(dòng)，Cu電極附近溶液的pH增大B．乙：負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn2e=Zn2+C．丙：鋅筒作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅筒會(huì)變薄D．丁：使用一段時(shí)間后，電解質(zhì)溶液的酸性減弱，導(dǎo)電能力下降【題4】三元電池是電動(dòng)汽車的新能源，其正極材料可表示為L(zhǎng)iNixCoyMnzO2。充電時(shí)電池總反應(yīng)為L(zhǎng)iNixCoyMnzO2+6C(石墨)=Li1aNixCoyMnzO2+LiaC6，其電池工作原理如圖所示，兩極之間有一個(gè)允許特定的離子X(jué)通過(guò)的隔膜。下列說(shuō)法正確的是A．允許離子X(jué)通過(guò)的隔膜屬于陰離子交換膜B．放電時(shí)，電流由A經(jīng)負(fù)載回到BC．充電時(shí)，B為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)D．放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)式為：LiaC6ae=6C(石墨)+aLi+【題5】風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動(dòng)性導(dǎo)致其直接并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)不良影響，需要連接儲(chǔ)能電池裝置，通過(guò)儲(chǔ)能電池對(duì)電能的存儲(chǔ)、匯集，再集中供電來(lái)提高并網(wǎng)性能，下圖是水系鋁離子儲(chǔ)能電池工作機(jī)理，下列有關(guān)其說(shuō)法不正確的是A．單位質(zhì)量的鋁放出的電量高，并且價(jià)格低廉，儲(chǔ)量豐富B．鋁儲(chǔ)能電池是二次電池C．放電時(shí)，從正極材料的空隙中脫出進(jìn)入電解液，再以單質(zhì)鋁的形式沉積負(fù)極材料表面D．該電池中金屬鋁電極易形成致密的氧化鋁鈍化膜，阻斷鋁離子的傳輸從而降低電池效能【題6】鉛蓄電池、鎳鎘堿性充電電池都是重要的二次電池。已知：①鉛蓄電池總的化學(xué)方程式為：，使用(放電)段時(shí)間后，其內(nèi)阻明顯增大，電壓卻幾乎不變，此時(shí)只有充電才能繼續(xù)使用；②鎳鎘堿性充電電池放電時(shí)，正極反應(yīng)為：，負(fù)極反應(yīng)式：，使用(放電)到后期，當(dāng)電壓明顯下降時(shí)，其內(nèi)阻卻幾乎不變，此時(shí)充電后也能繼續(xù)使用；回答下列問(wèn)題：(1)鉛蓄電池負(fù)極板上覆蓋的物質(zhì)是_______(填名稱)，充電時(shí)，PbSO4在_______(填“陽(yáng)極”、“陰極”或“兩個(gè)電極”)上_______(填“生成或除去”)。(2)鎳鎘堿性充電電池在充電時(shí)的總反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)______。(3)鉛蓄電池和鎳鎘堿性充電電池使用一段時(shí)間后，一個(gè)內(nèi)阻明顯增大，而另一個(gè)內(nèi)阻卻幾乎不變的主要原因可能是_______?！绢}8】酸性鋅錳干電池是一種一次電池，外殼為金屬鋅，中間是碳棒，其周圍是碳粉、MnO2、ZnCl2和NH4Cl等組成的糊狀填充物，該電池在放電過(guò)程產(chǎn)生MnOOH，回收處理該廢電池可得到多種化工原料，有關(guān)數(shù)據(jù)表所示：溶解度/(g/100g水)溫度/℃化合物020406080100NH4Cl29.337.245.855.365.677.3ZnCl2343395452488541614回答下列問(wèn)題：(1)該電池的正極反應(yīng)式為_(kāi)__________。(2)維持電流強(qiáng)度為0.5A，電池工作五分鐘，理論上消耗Zn___________g．(已知Q=It，F(xiàn)=96500C/mol)(3)廢電池糊狀填充物加水處理后，過(guò)濾，濾液中主要有ZnCl2和NH4Cl，二者可通過(guò)___________分離回收。(4)濾渣的主要成分是MnO2、___________和___________，欲從中得到較純的MnO2，最簡(jiǎn)便的方法是___________，其原理是___________。提分作業(yè)提分作業(yè)【練1】下列電池不屬于化學(xué)電池的是A．堿性干電池 B．鉛蓄電池 C．燃料電池 D．太陽(yáng)能電池【練2】新冠肺炎最明顯的癥狀就是出現(xiàn)發(fā)熱，體溫槍能快速檢測(cè)人體體溫。該體溫槍所用的電池為一種銀鋅電池(如下圖所示)，該電池的總反應(yīng)式為：。下列關(guān)于該電池的說(shuō)法正確的是A．Ag2O電極作正極，發(fā)生氧化反應(yīng)B．該電池放電時(shí)溶液中的K+向Zn電極移動(dòng)C．電池工作時(shí)，電流從Ag2O電極經(jīng)過(guò)隔板流向Zn電極D．該電池的負(fù)極反應(yīng)為：【練3】甲醇燃料電池在堿性條件下的電池反應(yīng)為2CH3OH＋3O2＋4OH=2CO＋6H2O。則下列有關(guān)說(shuō)法不正確的是A．O2在正極參與反應(yīng)B．該電池使用一段時(shí)間后溶液pH變小C．負(fù)極反應(yīng)為：CH3OH6e＋8OH=CO＋6H2OD．每轉(zhuǎn)移0.6mol電子，則消耗氧氣的體積為3.36L【練4】一種應(yīng)用比較廣泛的甲醇燃料電池，電解液是酸性溶液，其工作原理如圖所示，下列說(shuō)法正確的是A．若有生成，則有從甲池通過(guò)交換膜進(jìn)入乙池B．N極電極反應(yīng)為C．甲