第23讲 化学电源1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，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、化学电源概述一次电池1化学电源概述(1)化学电源的分类 是各种化学电源的雏形，常分为如下三类：一次电池：也叫做 ，放电后不可再充电的电池。二次电池：又称 或 ，放电后可以再充电而反复使用的电池。燃料电池：一种连续地将 和 的化学能直接转化为电能的化学电源。(2)判断电池优劣的主要标准比能量： 或 所能输出 的多少，单位是(Wh)kg1或(Wh)L1。比功率： 或 所能输出 的大小，单位是Wkg1或WL1。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 、酸和碱等有害物质，随处丢弃会对生态环境和人体健康造成危害。废弃电池要进行 利用。(4)化学电源的发展方向小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐，如 电池、 电池等。2一次电池：锌锰干电池普通锌锰干电池碱性锌锰干电池示意图构造负极： 正极： 电解质溶液：氯化铵和氯化锌负极反应物： 正极反应物： 电解质溶液： 工作原理负极： 正极： 总反应：Zn2NH4Cl2MnO2=Zn(NH3)2Cl22MnO(OH)负极： 正极： 总反应：Zn2MnO22H2O=2MnO(OH)Zn(OH)2二、二次电池1铅酸蓄电池铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其放电过程表示如下：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O(1)负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 。(2)放电反应原理负极反应式是PbSO2e=PbSO4 ；正极反应式是PbO24HSO2e=PbSO42H2O ；放电过程中，负极质量的变化是 ，H2SO4溶液的浓度 。(3)充电反应原理阴极(还原反应)反应式是 PbSO42e=PbSO ；阳极(氧化反应)反应式是PbSO42H2O2e=PbO24HSO ；充电时，铅蓄电池正极与直流电源 相连，负极与直流电源 相连。即“负极接负极，正极接正极”。铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程相反。2锂离子电池电极电极反应负极嵌锂石墨(LixCy)： 正极钴酸锂(LiCoO2)： 总反应LixCyLi1xCoO2=LiCoO2Cy反应过程：放电时，Li从石墨中脱嵌移向 ，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li从 晶体中脱嵌，由 极回到 极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。【归纳总结】化学电源电极反应式的书写(1)根据电源总反应式或装置确定正、负极的反应物；原电池的正极大多数只起导电作用，而化学电源的正极材料得电子参与电极反应。(2)根据电源总反应式的产物或装置中微粒的种类确定稳定的产物。特别注意溶液的酸碱性和离子共存问题。(3)利用氧化还原配平方法配平电极反应式，运用原子守恒和电荷守恒进行检查。三、燃料电池1燃料电池燃料电池是一种连续地将 和 的化学能直接转化为 的化学电源。电极本身不包含 ，只是一个催化转化元件。2氢氧燃料电池(1)基本构造(2)工作原理酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应 正极反应 总反应2H2O2=2H2O3.能量转换所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，条件不同。理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超高。4燃料电池电极反应式的书写方法负极为燃料失电子发生氧化反应。正极为O2得电子发生还原反应。如CH4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CH4第二步：确定电子转移和变价元素原子守恒H48eOH2O；第三步：依据电解质性质，用OH使电荷守恒CH48e10OHCOH2O；第四步：依据氢原子守恒配平H2O的化学计量数CH48e10OH=CO7H2O。【归纳总结】常见燃料电池(1)H2、CH4、N2H4、CH3OH、NH3、煤气等均可作为燃料电池的燃料。(2)电解液可以是酸(如H2SO4)、碱(如KOH)也可以是熔融盐(如Li2CO3-Na2CO3混合物)。(3)燃料电池电极反应式的书写与电解质溶液有密切关系，酸性溶液中电极反应式不能出现OH，碱性溶液中电极反应式不能出现H四、新型化学电源1常见考查方向电极的判断，电子或电流的流向，溶液中离子的流向，电极的反应类型，pH的变化，电子的转移数目，电极反应式的书写。2正、负极的判断(1)根据装置图判断：电子流向或电流流向，电解质溶液中离子流向，加入或生成物质的化合价变化。(2)根据总方程式判断：根据化合价变化，化合价升高的为负极，化合价降低的为正极。3电极反应式的书写(1)放电时电极反应式的书写根据电极反应中化合价变化的物质，找出反应物和生成物，然后利用氧化还原反应的配平方法，写出电极反应式。(2)充电时的电极反应式，利用放电时电极反应的逆方向书写。4常见新型化学电源类型(1)新型燃料电池，如肼、LiCu空气电池、有机物等。(2)新型熔融盐电池。(3)新型元素形成的电池，如B、V。(4)浓差电池。考点01 一次电池【例1】碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，其结构示意图如图所示，电池总反应式为：。下列说法中不正确的是A电池工作时，电子转移方向是由经外电路流向B电池正极反应式为C电池工作时，不参与反应D电池工作时，发生氧化反应，发生还原反应【答案】C【解析】A失电子的一极是负极，电子从负极流向正极，负极是金属锌失电子，电子转移方向是由Zn经外电路流向MnO2，故A正确；B正极上得电子，发生还原反应，所以正极的电极反应式为：，故B正确；C电池工作时，KOH电离出离子，增大溶液的导电性，KOH不参与反应，但是能提高溶液的导电性，故C错误；D负极上锌失电子，Zn发生氧化反应，正极得电子，发生还原反应，则MnO2发生还原反应，故D正确；故选：C。【变式1-1】下列有关化学电源的描述正确的是一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生二次电池也叫可充电电池，通过充电可使其活性物质再生任何电池都是依据原电池的原理制造的化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点比能量与比功率，是判断电池优劣的主要标准ABCD【答案】B【解析】一次电池中电解质溶液为胶状，无法流动，故也叫做干电池，干电池中发生氧化还原反应的活性物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了，故正确；二次电池放电后可以再充电，使活性物质获得再生，故正确；有些电池不是依据原电池的原理制造的，如太阳能电池，故错误；化学电源可以制成各种形状、大小不同的电池，与其他能源相比，具有携带方便，故正确；比能量与比功率越大说明电池单位质量或单位体积所能输出的电能越大或者输出功率越大，比能量与比功率是判断电池优劣的主要标准，故正确；正确，故选B。【变式1-2】下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是()A上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池B干电池在长时间使用后，锌筒被破坏C铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 gD氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源【答案】C【解析】A干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，A选项正确；B在干电池中，Zn作负极，被氧化，因此长时间使用后，锌筒被破坏，B选项正确；C铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，C选项错误；D氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D选项正确；答案选C。考点02 二次电池【例2】关于铅蓄电池的说法正确的是A在放电时，电池的正极材料是铅板B在放电时，电池的负极材料质量减小C在放电时，向正极迁移D在放电时，正极发生的反应是：【答案】D【分析】铅蓄电池中，放电过程为原电池原理。Pb作负极，发生失电子的氧化反应；PbO2作正极，发生得电子的还原反应，放电的总反应方程式为：，据此结合二次电池的工作原理分析解答。【解析】A在放电时，电池的正极材料是PbO2，A错误；B在放电时，电池的负极材料Pb放电转化为，电极质量增大，B错误；C上述铅蓄电池放电时，阴离子移向负极，所以向负极迁移，C错误；D在放电时，正极PbO2发生得电子的还原反应转化为，其电极反应式为：，D正确；故选D。【变式2-1】某科研团队提出了一种碱酸Zn-混合充放电电池，其放电时的工作原理如图所示，下列说法正确的是A放电时，M极为正极B放电时，从中间室移向左极室C充电时，N极发生的电极反应式为D充电时，M极质量每增加32.5g，外电路中通过2mol电子【答案】C【分析】由图可知，放电时，M极为原电池的负极，碱性条件下锌失去电子发生氧化反应生成四羟基合锌离子，电极反应式为Zn2e+4OH=Zn(OH)，N电极为正极，酸性条件下二氧化铅在正极得到电子发生还原反应生成硫酸铅和水PbO2+2e+SO+4H+=PbSO4+2H2O，充电时，与直流电源负极相连的M极为阴极，N电极为阳极。【解析】A由分析可知，放电时，M极为原电池的负极，故A错误；B由分析可知，放电时，M极为原电池的负极，N电极为正极，则阳离子钾离子从中间室移向右极室，故B错误；C由分析可知，充电时，N极为阳极，水分子作用下硫酸铅在阳极失去电子发生氧化反应生成二氧化铅、硫酸根离子和氢离子，电极反应