高中化學(xué)選修4之知識講解-化學(xué)電源-基礎(chǔ)

化學(xué)電源

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1、了解常見電池的分類及優(yōu)點(diǎn)；

2、了解一次電池、二次電池、燃料電池的基本構(gòu)造、反應(yīng)原理及應(yīng)用。

【要點(diǎn)梳理】

知識點(diǎn)一、化學(xué)電池

1、定義

化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。

【化學(xué)電源#化學(xué)電池的分類】

2、分類

L（鋅.電池）

一次電池］（鋅銀電池）

L（鋰電池）

緝電遭卜"一［二次電池卜」一（鉛蓄電池）

T燃料電池）——■（氫氧燃料電池］

3、化學(xué)電池的優(yōu)點(diǎn)

①化學(xué)電池的能量轉(zhuǎn)換效率較高，供能穩(wěn)定可靠。

②可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池及電池組。

③使用方便，易于維護(hù)，并可在各種環(huán)境下工作。

4、判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)

①比能量：即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位（W?h）/k或（W?h）/L。

②比功率：即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位W/kg或W/L。

③電池的可儲存時間的長短。

【化學(xué)電源#常見的化學(xué)電池】

知識點(diǎn)二、常見的化學(xué)電池

電池負(fù)極反應(yīng)正極反應(yīng)總反應(yīng)式

普通干電池2++-+

Zn-2e-=Zn2MnO2+2NH4+2e2MnO2+2NH4+Zn=

次2+

（Zn、MnO2>NH4CI、C）=2NH3+MI12O3+H2C)2NH3+Mn2O3+H2O+Zn

電堿性鋅鎰電池—

Zn+2OH2e2MnO2+2H2O+2e-Zn+2MnO2+2H2O=

池

（Zn、KOH、MnO2）=Zn(OH)2=2MnOOH+2OH-2MnOOH+Zn(OH)2

鋅銀電池Zn+2OH—2eAg2O+H2O+2eZn+AgzO+HzO=

（、、）

ZnKOHAg2O=Zn(OH)2=2Ag+2OH"Zn(OH)2+2Ag

鉛蓄電池2-+2

Pb+SO4-2e-PbO2+4H+SO4-+2ePb+PbCh+2H2sO4

次（Pb、H2so4、PbO）=PbSO"=PbSO+2HO放由

24422PbSO+2HO

電充電4~2

池氫銀電池

H2+2OH—2e-2NiO(OH)+2H2O+2e放由

2NiO(OH)+H20

充電

[H2>OH，NiO(OH)]=2H2O=2Ni(OH)2+2OH-

2Ni(OH)2

燃?xì)溲跞剂想姵?

2H2—4屋=4H+O2+4H+4e-2H2+。2=2a0

料

32、H+、O2）=2H2O

電氫氧燃料電池

2H2—4屋=4H+O2+2H2O+4e2H2+O2=2H2O

池

(H2、Na2SO4>O2)=4OIT

-

氫氧燃料電池2H2+4OH--4eC)2+2H2C)+4e2H2+。2=2比0

（H2、OH—、O2）=4H2O=4O>T

知識點(diǎn)三、各種化學(xué)電池的特點(diǎn)

名稱一次電池（干電池）二次電池（充電電池或蓄電池）燃料電池

定義發(fā)生氧化還原反應(yīng)的放電后可以再充電使發(fā)生氧化一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能

物質(zhì)消耗到一定程度，還原反應(yīng)的物質(zhì)獲得再生直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池

就不能再使用

特點(diǎn)電解質(zhì)溶液制成膠狀，可以多次重復(fù)使用工作時,燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供

不流動給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物

不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地

提供電能

舉例普通的鋅錦電池、堿性鉛蓄電池、氫保電池、鎘鍥電池氫氧燃料電池、CH4燃料電池、CH30H

鋅錦電池燃料電池

知識點(diǎn)四、化學(xué)電池電極反應(yīng)式的書寫

1、根據(jù)裝置書寫電極反應(yīng)式

①先分析題目給定的圖示裝置，確定原電池正負(fù)極上的反應(yīng)物質(zhì)，并標(biāo)出電子得失的數(shù)目。

②電極反應(yīng)式的書寫

a.負(fù)極：活潑金屬或H2失去電子生成陽離子；若電解質(zhì)溶液中的陰離子與生成的陽離子不共存，則該陰離

2--

子應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式。如鉛蓄電池，負(fù)極：Pb+SO4-2e=PbSO4o

b.正極：陽離子得到電子生成單質(zhì)或。2得到電子，若反應(yīng)物是則有以下規(guī)律：

-

電解質(zhì)溶液是堿性或中性：O2+2H2O+4e=4OH

+

電解質(zhì)溶液是酸性；O2+4H+4e-=2H2O

③正負(fù)電極反應(yīng)式相加得到電池反應(yīng)的總反應(yīng)方程式。

2、給出總反應(yīng)式，寫電極反應(yīng)式

如果題目給定的是總反應(yīng)式，可分析此反應(yīng)中的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)（即分析有關(guān)元素的化合價變化情況），

選擇一個簡單的變化去寫電極反應(yīng)式，另一極的電極反應(yīng)式可直接寫或?qū)⒏鞣磻?yīng)式看作數(shù)學(xué)中的代數(shù)式，用總反

應(yīng)式減去已寫出的電極反應(yīng)式，即得結(jié)果。以2H2+02=2^0為例，當(dāng)電解質(zhì)溶液為KOH溶液時的電極反應(yīng)式

的書寫步驟如下。

①根據(jù)總反應(yīng)方程式分析有關(guān)元素化合價的變化情況，確定2molH2失掉4mol電子，初步確定負(fù)極反應(yīng)為:

+

2H2-4e-=4Ho

②根據(jù)電解質(zhì)溶液為堿性，與H+不能共存，反應(yīng)生成水，推出OIF應(yīng)寫入負(fù)極反應(yīng)式為：2H2+4OFF—4屋

=4H2OO

③用總反應(yīng)式2H2+O2=2H2。減去負(fù)極反應(yīng)式得正極反應(yīng)式為：2H2。+。2+4屋=4OH,

3、可充電電池電極反應(yīng)式的書寫

在書寫可充電電池電極反應(yīng)式時，要明確電池和電極，放電為原電池，充電為電解池。

①原電池的負(fù)極與電解池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，對應(yīng)元素化合價升高；

②原電池的正極與電解池的陰極發(fā)生還原反應(yīng)，對應(yīng)元素化合價降低。

要點(diǎn)詮釋：書寫燃料電池的電極反應(yīng)式時，首先要明確電解質(zhì)是酸、堿還是熔融鹽。在酸性電解質(zhì)溶液中電

極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH,堿性電解質(zhì)溶液中電極反應(yīng)式中不要出現(xiàn)H+,同時還要分清燃料是H+還是含碳燃料

（CO、CH4>CH3OH、C2H5OH……），但無論是哪一種燃料在堿性條件下正極反應(yīng)式都是一樣的，即O2+4e>2H2O

=4OH0如果是含碳燃料，負(fù)極反應(yīng)式的書寫同CH4作負(fù)極時的書寫方法相同，只是需要配上不同的化學(xué)計(jì)量

數(shù)。一般來說，燃料電池的總反應(yīng)式與燃料燃燒的反應(yīng)方程式相同，因此可以通過將兩極加和的方法，判斷各極

反應(yīng)方程式的書寫是否正確。

知識點(diǎn)五、新型電池

1、菠菜電池

科學(xué)家參照光合作用原理，利用生物技術(shù)手段發(fā)明了一種新型菠菜電池?？茖W(xué)家們首先從菠菜的葉綠體中分

離出多種蛋白質(zhì)，并將這些蛋白質(zhì)分子與一種肽分子混合，這種肽分子能在蛋白質(zhì)分子外形成保護(hù)層，為其創(chuàng)造

類似植物葉片內(nèi)的生存環(huán)境。之后，科學(xué)家又將提取出的蛋白質(zhì)分子鋪在一層金質(zhì)薄膜上，而后在其最上方再加

一層有機(jī)導(dǎo)電材料，做成一個類似“三明治”的裝置。當(dāng)光照射到這個“三明治”上時，裝置內(nèi)會發(fā)生光合作用，

最終產(chǎn)生電流。

2、水充電池

水充電池的發(fā)明使水直接轉(zhuǎn)化為電能成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)水流動時，因摩擦而充滿帶正、負(fù)電荷的物質(zhì)，與固體相

互吸引，這樣就會產(chǎn)生一個很薄的帶靜電荷的水流層，也叫雙電荷層或者電偶層，如果將這兩種電荷分開，就能

使其像我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫碾姵啬菢犹峁╇娔?。這種“水充電池”無污染、無毒并且易于攜帶，預(yù)計(jì)在不久的

將來，這種電池就可以投入商用了。

3、生物熱電池

生物熱電池是一塊植有數(shù)千個微型熱電發(fā)生器的芯片。它利用“熱電偶效應(yīng)”發(fā)電，即將兩種不同的材料連

接起來組成一個閉合回路，如果兩個連接點(diǎn)的溫度不一樣，就能產(chǎn)生微小的電壓。該裝置用硝化鈾半導(dǎo)體材料制

造，其中摻入了雜質(zhì)，使得一端富有多余的電子，另一端則因?yàn)槿鄙倭穗娮佣鴰д?，這樣的制造方法使熱電偶

的發(fā)電能力比同等規(guī)模的金屬裝置更強(qiáng)?！吧餆犭姵亍蹦軌虺掷m(xù)工作約30年，這就可以減少更換電池的次數(shù)。

4、汽油電池

設(shè)計(jì)出燃料電池使汽油氧化直接產(chǎn)生電流是本世紀(jì)最富有挑戰(zhàn)性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電

池，一個電極通人空氣，另一電極通入汽油蒸氣，電池的電解質(zhì)是摻雜了YO3的ZrCh晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)

5、溶氧生物電池

用作人體心臟起搏器的電池規(guī)格與通常的電池有很大的不同。要求是一次電池，輸出功率只需幾個毫瓦，但

必須連續(xù)工作若干年，其間不需要維持保養(yǎng)，例如Zn2+/Zn和H+/O2、Pt構(gòu)成的“生物電池”。因人體體液中含有

一定量的溶解氧，若該“生物電池”在低功率下工作，人體就會易于適應(yīng)Z/+的增加和H+的遷出。

【典型例題】

類型一：常見的化學(xué)電源

例1下列說法中正確的是（）

A.堿性鋅錦電池是二次電池

B.鉛蓄電池是一次電池

C.二次電池又叫蓄電池，它放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生

D.燃料電池的活性物質(zhì)儲存在電池內(nèi)

【答案】C

【解析】堿性鋅鋅電池是一次電池，鉛蓄電池是二次電池，燃料電池的活性物質(zhì)沒有儲存在電池內(nèi)而是從外

界不斷輸入電池。

例2普通鋅錦干電池在放電時電池總反應(yīng)方程式可以表示為:Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2Oo

此電池放電時，正極（碳棒）上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是（）

A.MnCh和NH4+B.Zr?+和NH4+C.ZnD.碳棒

【答案】A

【解析】在電池的正極上發(fā)生的是得廣的還原反應(yīng)，是總反應(yīng)中氧化劑發(fā)生反應(yīng)的電極。由普通鋅錦干電

池的總反應(yīng)式可知，MnCh與NH4+發(fā)生的反應(yīng)為正極反應(yīng)。

舉一反三：

【變式1】生產(chǎn)鉛蓄電池時，在兩極板上的鉛睇合金上均勻涂上膏狀的PbSO4,干燥后再安裝，充電后即可

使用，發(fā)生的反應(yīng)是：2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4

下列對鉛蓄電池的說法中錯誤的是（）

A.需要定期補(bǔ)充硫酸

B.工作時Pb是負(fù)極，PbCh是正極

C.工作時負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是Pb-2e-+SO42-=PbSO4

D.工作時電解質(zhì)溶液的密度減小

【答案】A

【解析】鉛蓄電池在工作時相當(dāng)于原電池，發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是正極，所以

Pb是負(fù)極，PbCh是正極；在工作時，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是Pb失去電子生成Pb2+,而Pb?+又與溶液中的SCV一生成

PbSCU沉淀；放電時消耗硫酸的量與充電時生成硫酸的量相等，說明H2sCU不用補(bǔ)充；放電時，H2SO4被消耗，

溶液中H2sCU的物質(zhì)的量濃度減小，所以溶液的密度也隨之減小。

該電

例3鋰離子電池的總反應(yīng)為：LixC+Lii-xCoCh、t+LiCoO?：

充電

諭電

鋰硫電池的總反應(yīng)為：2Li+S金工U2S。有關(guān)上述兩種電池說法正確的是（）

充電

A.鋰離子電池放電時，Li+向負(fù)極遷移

B.鋰硫電池充電時，鋰電極發(fā)生還原反應(yīng)

C.理論上兩種電池的比能量相同

C

D.圖中表示用鋰離子電池給鋰硫電池充電

【思路點(diǎn)撥】電池充電的實(shí)質(zhì)是把放電時發(fā)生的變化再復(fù)原的過程，即放電是原電池、充電是電解的過程,

解決該類題目時，先分清原電池放電時的正、負(fù)極，再根據(jù)電池充電時陽極接正極、陰極接負(fù)極的原理進(jìn)行分析。

【答案】B

【解析】A、原電池中陽離子向正極移動，則鋰離子電池放電時，Li+向正極遷移，故A錯誤；

B、鋰硫電池充電時，鋰電極與外接電源的負(fù)極相連，鋰電極上Li+得電子發(fā)生還原反應(yīng)，故B正確；

C、比能量是參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小，鋰硫電池放電時負(fù)極為Li,鋰離子電池

放電時負(fù)極為LixC,兩種電池的負(fù)極材料不同，所以比能量不同，故C錯誤；

D、用鋰離子電池給鋰硫電池充電時，Li為陰極，應(yīng)與負(fù)極C相連，S為陽極應(yīng)與正極LiCoCh相連，故D

錯誤；

故選B。

【總結(jié)升華】原電池中應(yīng)注意的3個“方向”：

（1）外電路中電子移動方向：負(fù)極一正極，電流方向：正極一負(fù)極；

（2）電池內(nèi)部離子移動方向：陰離子一負(fù)極，陽離子一正極；

（3）鹽橋中（含飽和KC1溶液）離子移動方向：K+一正極，C「一負(fù)極。

類型二：電極方程式的書寫

例4（2016浙江模擬）Mg-HzCh電池是一種化學(xué)電源，以Mg和石墨為電極，海水為電解質(zhì)溶液，示意圖

如下，下列說法不正確的是（

A.石墨電極是該電池的正極

B.石墨電極上發(fā)生還原反應(yīng)

C.Mg電極的電極反應(yīng)式：Mg-2e=Mg2+

D.電池工作時，電子從Mg電極經(jīng)導(dǎo)線流向石墨電極，再出石墨電極經(jīng)電解質(zhì)溶液流向Mg電極

【思路點(diǎn)撥】該裝置中Mg易失電子作負(fù)極，電極反應(yīng)式為Mg-2e=Mg2+,石墨電極是該電池的正極，H2O2

具有氧化性，應(yīng)在原電池的正極被還原，電極反應(yīng)式為H2O2+2H++2e-=2H2O,據(jù)此分析解答。

【答案】B

【解析】A項(xiàng)Mg易失電