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高中化学苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化第二课时学案及答案
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这是一份高中化学苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化第二课时学案及答案，共15页。
第二课时 化学电源
明课程标准
扣核心素养
1.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
2.充分利用铅蓄电池、氢氧燃料电池等案例素材，发展学生对原电池工作原理的认识。
3.学会制作简单的燃料电池。
宏观辨识与微观探析：能从宏观和微观结合的视角认识常见化学电源的结构、工作原理及物质与能量转化。
科学态度与社会责任：具有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识，能依据所学原电池知识解释生产、生活中简单的化学问题；在实践中逐步形成保护环境的观念。
普通锌锰干电池和碱性锌锰电池的构造如下图所示：
普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
[问题探讨]
1．你能指出两种干电池中的正、负极材料及电解质吗？
提示：普通锌锰干电池的负极为Zn，正极为石墨棒，电解质为NH4Cl、ZnCl2，碱性锌锰电池的负极为Zn，正极为MnO2，电解质为KOH。
2．试写出碱性锌锰电池的正、负极反应式。
提示：负极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，
正极反应式：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－。
3．对比两种干电池，比较两种电池的优缺点。
提示：普通锌锰干电池中的NH4Cl糊呈酸性，能腐蚀负极材料Zn，故该干电池不能长时间储存；碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能好，它的比能量和可储存时间均有所提高，是普通锌锰干电池的升级换代产品。
1．化学电池
(1)概念
化学电池是将化学能转化为电能的装置。
(2)分类
(3)优点
①化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组。
③使用方便，易于维护，可在各种环境下工作。
(4)判断电池优劣的主要标准
①比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。
②比功率：电池单位质量或单位体积所输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
③电池的可储存时间的长短。
(5)化学电池回收利用
废旧电池中含重金属和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。
2．普通锌锰干电池和碱性锌锰电池
普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
装置
电极反
应式及
电池反
应方程
式
负极：Zn－2e－===Zn2＋
正极：2NH＋2MnO2＋2e－===2NH3＋Mn2O3＋H2O
电池反应：Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋2NH3＋Mn2O3＋H2O
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
电池反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点
优点：制作简单，价格便宜。缺点：放电时间短，放电后电压下降较快
优点：克服了普通锌锰干电池的缺点，单位质量所输出的电能多，储存时间长，适用于大电流和连续放电
3.银锌电池
(1)构成：常见的纽扣电池为银锌电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠近正极壳的一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，靠近负极盖的一端填充由锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。
(2)电极反应式及电池反应方程式
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
(3)优点：银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。
(4)用途：常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、计算器和其他微型电子仪器中。
1．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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池反应方程式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH，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＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
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0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g
解析：选C 由所给的电池反应方程式可知，电池工作时，每有 1 mol Zn参加反应，会有2 mol 电子从负极Zn经外电路流向正极，并在正极发生反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－，则外电路每通过0.2 mol电子，Zn的质量减少6.5 g。
2．纽扣电池可用作计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，用KOH溶液做离子导体，电池反应方程式为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2，下列关于该电池的叙述不正确的是( )
A．正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
B．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应
C．使用时，电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极
D．使用时，溶液中OH－向Ag2O极移动
解析：选D 由电池反应方程式可知，Ag2O为正极，Ag2O得电子发生还原反应，碱性环境中，正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，A正确；Zn为负极，Zn失电子发生氧化反应，Ag2O为正极，Ag2O得电子发生还原反应，B正确；Zn为负极，Ag2O为正极，放电时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，C正确；电解质溶液中的阴离子移向负极，则OH－向Zn极移动，D错误。
铅蓄电池是最常见的二次电池。铅蓄电池是由两组平行的栅状铝合金极板交替排列而成，可放电也可充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳(防止酸液泄漏)。铅蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的PbO2，负极板上覆盖有海绵状的金属Pb，正、负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料隔开(防止电极之间发生短路)，两极均浸入H2SO4溶液中，如图所示。
已知铅蓄电池的充、放电过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
[问题探讨]
1．写出铅蓄电池放电时的负极、正极的电极反应式。
提示：负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4；
正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O。
2．铅蓄电池放电时，正极区域溶液的pH是如何变化的？
提示：铅蓄电池放电时，正极的电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，反应消耗H＋，故c(H＋)下降，pH升高。
3．铅蓄电池充电时的反应和放电时的反应是可逆反应吗？
提示：不是；充电时的反应和放电时反应的反应条件不同。
4．铅蓄电池放电时，两极发生什么反应？充电时两极发生什么反应？据此，在充电时，怎样连接电源的两极？
提示：放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应；铅蓄电池在充电时，负极接电源负极，正极接电源正极。
1．二次电池
二次电池又称为充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。
2．铅蓄电池
(1)工作原理
放电
负极
Pb＋SO－2e－===PbSO4
正极
PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
电池
反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
充电
阴极
PbSO4＋2e－===Pb＋SO
阳极
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
电池
反应
2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
合并总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(2)电池的优缺点
①优点：可多次重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。
②缺点：比能量低、笨重、废弃电池会污染环境。
3．可充电电池充、放电时电极的连接
1．下列关于铅蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的电极反应是Pb＋SO===PbSO4＋2e－
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO
解析：选B 铅蓄电池充、放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。放电时Pb作负极，发生的电极反应为Pb－2e－＋SO===PbSO4，正极发生的反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O。充电时，H2SO4的浓度不断增大，阳极上失去电子发生氧化反应。
2．镍镉(NiCd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：
Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
解析：选A 由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极碱性变弱，C项错误；正极反应为2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－，放电时，OH－由正极向负极移动，D项错误；充电时，电能转化为化学能，B项错误；充电时阳极发生氧化反应，即为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确。
信息1 中国氢燃料电池汽车网 2021年3月12日消息，东风氢燃料客车上榜第342批公告，搭载中山大洋电机股份有限公司的质子交换膜燃料电池系统，驱动电机额定功率：90 kW，峰值功率：200 kW，该车采用电机控制器限速，限速69 km·h－1。
信息2 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化反应的场所，阴极为氧化剂发生还原反应的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，即其阳极为电源负极，阴极为电源正极。
[问题探讨]
1．试写出该氢氧燃料电池的电极反应式。
提示：负极：2H2－4e－===4H＋；
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
2．燃料电池有哪些优点？
提示：(1)能量转化率高。
(2)排放的废弃物少，绿色环保。
(3)燃料与氧化剂方便更换，且能连续不断地提供电能。
3．常见的燃料电池还有哪些？
提示：甲烷、甲醇、肼(N2H4)、氨等都可以作为燃料电池的燃料。
1．燃料电池的概念
燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。
2．燃料电池的工作原理
(1)连续地将燃料(常见的有氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体)和氧化剂的化学能直接转化为电能。
(2)燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化元件。
(3)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部输入，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。
3．常见的四种典型燃料电池
名称
电解质
电极反应式和电池反应方程式
氢氧
燃料
电池
KOH
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O
电池反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
负极：2H2－4e－===4H＋
电池反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷燃
料电池
KOH
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
电池反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇燃料电池
KOH
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O电池反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃料电池
KOH
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
电池反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
1.质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是( )
A．通入氧气的电极发生氧化反应
B．通入氢气的电极为正极
C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极
D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
解析：选D 该燃料电池中，H2和O2分别在负极和正极上发生氧化反应和还原反应，正极的电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，该电池中导电离子为H＋，在电池内部由负极定向移动至正极。
2．肼(N2H4)空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时的说法中正确的是( )
A．溶液的pH保持不变
B．溶液中的阴离子向正极移动
C．正极的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．负极的电极反应式：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑
解析：选D A项，因为有水生成，溶液的pH会减小，错误；B项，原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，错误；C项，溶液介质为碱性，正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误；D项，负极上发生燃料失电子的氧化反应，即N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑，正确。
“绿水青山就是金山银山”，利用电池原理治理各种污染是科研工作人员致力研究的重要课题之一。
(1)硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体，我国最近在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢的研究中获得新进展，相关装置如图所示。
①指出a极和b极的名称，并写出电极反应式。
提示：从图示可以看出电子从a极流出，故a极为负极，电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋；b极为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。
②结合离子方程式分析H2S气体去除的原理。
提示：除去H2S的过程涉及两个反应步骤，第一步Fe2＋在电极上发生反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；第二步，生成的铁离子氧化硫化氢生成硫单质，离子方程式为2Fe3＋＋H2S===2Fe2＋＋S↓＋2H＋。
(2)碳排放是影响气候变化的重要因素之一。最近，科学家开发出一种新系统，“溶解”水中的二氧化碳，以触发电化学反应，生成电能和氢气，其工作原理如图所示。
写出生成氢气的电极反应式和此电池的电池反应方程式。
提示：氢气在b电极产生，其电极反应式为2CO2＋2H2O＋2e－===2HCO＋H2，a电极反应式为Na－e－===Na＋，因此电池反应方程式为2Na＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2。
(3)微生物燃料电池在净化废水的同时能获得能源或得到有价值的化学产品，如图为其工作原理，右下图为废水中Cr2O的浓度与去除率的关系。
根据图示写出正极的电极反应式。
提示：根据原电池的工作原理知，电子流入的一极为正极，即N极为正极，根据图示可以判断在正极上得电子的物质有O2和Cr2O，因此电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O。
解答有关化学电源电极反应式书写试题的思维流程如下：
1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是( )
A．电流由呼气所在的铂电极流出
B．H＋通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极
C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2
D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
解析：选B 呼气所在的电极发生乙醇转化为醋酸的氧化反应，故为负极，而电流由正极流出，A项错误；H＋通过质子交换膜流向正极(氧气所在的铂电极)，B项正确；正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，电路中流过2 mol 电子时，消耗0.5 mol O2，在标准状况下的体积为11.2 L，但题中未指明是否为标准状况，C项错误；该电池的负极反应为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D项错误。
2．某新型可充电电池构造如图所示，工作时(需先引发铁和氯酸钾的反应，从而使LiClKCl共晶盐熔化)某电极(记为X)的反应式之一为xLi＋＋xe－＋LiV3O8===Li1＋xV3O8。下列说法正确的是( )
A．放电时，正极上的电极反应式为Li－e－===Li＋
B．放电时，电池反应方程式为xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8
C．充电时，X电极与电源负极相连
D．充电时，X电极的质量增加
解析：选B 由题干所给电极反应式可知，X电极发生得电子的还原反应，故X电极是正极，结合题图知，X电极是LiV3O8，则LiSi合金是负极，负极的电极反应式为Li－e－===Li＋，结合X电极的电极反应式可知放电时电池反应方程式为xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8，A项错误，B项正确；充电时，X电极应与电源正极相连，C项错误；充电时，X电极的电极反应与放电时X电极的电极反应互为逆反应，则充电时X电极的质量减轻，D项错误。
[分级训练·课课过关]___________________________________________________
1．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为硫酸，工作时的电池反应方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是( )
A．Pb为正极被氧化
B．溶液的pH不断减小
C．SO只向PbO2处移动
D．溶液的pH不断增大
解析：选D 由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极， A错误；由题给电池反应方程式可以看出硫酸不断被消耗，故pH不断增大， B错误，D正确；原电池工作时，阴离子向负极移动，即SO移向Pb极，C错误。
2．微型锂碘电池可用作植入某些心脏病人体内的心脏起搏器的电源。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：2Li－2e－===2Li＋
B．负极反应：I2＋2e－===2I－
C．电池反应是2Li＋I2===2LiI
D．金属锂作正极
解析：选C 该电池中Li的活泼性强，作负极，其发生的反应为2Li－2e－===2Li＋，B、D均错误；正极发生的反应为I2＋2e－===2I－，A错误；电池反应为2Li＋I2===2LiI，C正确。
3．下面是几种常见的化学电源的示意图，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，每转移2 mol电子，负极质量减小207 g
D．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
解析：选C A项，干电池是一次电池，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，正确；B项，在干电池中，Zn作负极，被氧化，正确；C项，铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量增加而非减小，错误；D项，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，且最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源，正确。
4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，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－===FeO＋4H2O
C.放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：选C 放电时负极发生氧化反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，正极发生还原反应：FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，电极附近溶液碱性增强，A、D正确，C不正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O，B正确。
5．化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图1所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极的电极反应式为____________________________。若反应消耗32.5 g负极材料，则电池中转移电子的数目为________。
(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池其电池总反应式可以表示为Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2(充电是指外加电流作用发生氧化还原反应)，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法中正确的是________(填序号)。
①上述反应可以在酸性条件下进行
②上述反应不是可逆反应
③放电时正极金属Cd的质量增加
④放电时化学能转变为电能
(3)如图2为氢氧燃料电池的构造示意图，电解质溶液的溶质是KOH。则X极为电池的________(填“正”或“负”)极，X极的电极反应式为_____________________________。
解析：(1)负极发生氧化反应，锌失去电子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，32.5 g锌的物质的量为0.5 mol，而1 mol 锌失去2 mol电子，所以32.5 g锌参与反应时转移电子的物质的量为1 mol，数目为NA或6.02×1023。(2)①Ni(OH)2与Cd(OH)2可以与酸反应，则不能在酸性条件下进行，错误；②因为电池充放电在不同条件下进行，所以该电池反应不是可逆反应，正确；③放电时Cd在负极发生氧化反应转化为Cd(OH)2，金属Cd的质量增加，错误；④该电池放电为原电池工作原理，是将化学能转化为电能，正确。(3)电解质溶液为KOH溶液，X电极失去电子，为负极，氢气在负极被氧化，失电子发生氧化反应：H2－2e－＋2OH－===2H2O。
答案：(1)锌 Zn－2e－===Zn2＋ NA或6.02×1023 (2)②④ (3)负 H2－2e－＋2OH－===2H2O
第二课时 化学电源
明课程标准
扣核心素养
1.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。
2.充分利用铅蓄电池、氢氧燃料电池等案例素材，发展学生对原电池工作原理的认识。
3.学会制作简单的燃料电池。
宏观辨识与微观探析：能从宏观和微观结合的视角认识常见化学电源的结构、工作原理及物质与能量转化。
科学态度与社会责任：具有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识，能依据所学原电池知识解释生产、生活中简单的化学问题；在实践中逐步形成保护环境的观念。
普通锌锰干电池和碱性锌锰电池的构造如下图所示：
普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
[问题探讨]
1．你能指出两种干电池中的正、负极材料及电解质吗？
提示：普通锌锰干电池的负极为Zn，正极为石墨棒，电解质为NH4Cl、ZnCl2，碱性锌锰电池的负极为Zn，正极为MnO2，电解质为KOH。
2．试写出碱性锌锰电池的正、负极反应式。
提示：负极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，
正极反应式：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－。
3．对比两种干电池，比较两种电池的优缺点。
提示：普通锌锰干电池中的NH4Cl糊呈酸性，能腐蚀负极材料Zn，故该干电池不能长时间储存；碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能好，它的比能量和可储存时间均有所提高，是普通锌锰干电池的升级换代产品。
1．化学电池
(1)概念
化学电池是将化学能转化为电能的装置。
(2)分类
(3)优点
①化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组。
③使用方便，易于维护，可在各种环境下工作。
(4)判断电池优劣的主要标准
①比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。
②比功率：电池单位质量或单位体积所输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
③电池的可储存时间的长短。
(5)化学电池回收利用
废旧电池中含重金属和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。
2．普通锌锰干电池和碱性锌锰电池
普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
装置
电极反
应式及
电池反
应方程
式
负极：Zn－2e－===Zn2＋
正极：2NH＋2MnO2＋2e－===2NH3＋Mn2O3＋H2O
电池反应：Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋2NH3＋Mn2O3＋H2O
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
电池反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
特点
优点：制作简单，价格便宜。缺点：放电时间短，放电后电压下降较快
优点：克服了普通锌锰干电池的缺点，单位质量所输出的电能多，储存时间长，适用于大电流和连续放电
3.银锌电池
(1)构成：常见的纽扣电池为银锌电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠近正极壳的一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，靠近负极盖的一端填充由锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。
(2)电极反应式及电池反应方程式
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
(3)优点：银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。
(4)用途：常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、计算器和其他微型电子仪器中。
1．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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池反应方程式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH，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＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
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0.2 mol电子，锌的质量理论上减少6.5 g
解析：选C 由所给的电池反应方程式可知，电池工作时，每有 1 mol Zn参加反应，会有2 mol 电子从负极Zn经外电路流向正极，并在正极发生反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－，则外电路每通过0.2 mol电子，Zn的质量减少6.5 g。
2．纽扣电池可用作计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，用KOH溶液做离子导体，电池反应方程式为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2，下列关于该电池的叙述不正确的是( )
A．正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－
B．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应
C．使用时，电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极
D．使用时，溶液中OH－向Ag2O极移动
解析：选D 由电池反应方程式可知，Ag2O为正极，Ag2O得电子发生还原反应，碱性环境中，正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－，A正确；Zn为负极，Zn失电子发生氧化反应，Ag2O为正极，Ag2O得电子发生还原反应，B正确；Zn为负极，Ag2O为正极，放电时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，C正确；电解质溶液中的阴离子移向负极，则OH－向Zn极移动，D错误。
铅蓄电池是最常见的二次电池。铅蓄电池是由两组平行的栅状铝合金极板交替排列而成，可放电也可充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳(防止酸液泄漏)。铅蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的PbO2，负极板上覆盖有海绵状的金属Pb，正、负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料隔开(防止电极之间发生短路)，两极均浸入H2SO4溶液中，如图所示。
已知铅蓄电池的充、放电过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
[问题探讨]
1．写出铅蓄电池放电时的负极、正极的电极反应式。
提示：负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4；
正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O。
2．铅蓄电池放电时，正极区域溶液的pH是如何变化的？
提示：铅蓄电池放电时，正极的电极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，反应消耗H＋，故c(H＋)下降，pH升高。
3．铅蓄电池充电时的反应和放电时的反应是可逆反应吗？
提示：不是；充电时的反应和放电时反应的反应条件不同。
4．铅蓄电池放电时，两极发生什么反应？充电时两极发生什么反应？据此，在充电时，怎样连接电源的两极？
提示：放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应；铅蓄电池在充电时，负极接电源负极，正极接电源正极。
1．二次电池
二次电池又称为充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。
2．铅蓄电池
(1)工作原理
放电
负极
Pb＋SO－2e－===PbSO4
正极
PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
电池
反应
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
充电
阴极
PbSO4＋2e－===Pb＋SO
阳极
PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
电池
反应
2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
合并总反应
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(2)电池的优缺点
①优点：可多次重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。
②缺点：比能量低、笨重、废弃电池会污染环境。
3．可充电电池充、放电时电极的连接
1．下列关于铅蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的电极反应是Pb＋SO===PbSO4＋2e－
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SO
解析：选B 铅蓄电池充、放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。放电时Pb作负极，发生的电极反应为Pb－2e－＋SO===PbSO4，正极发生的反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O。充电时，H2SO4的浓度不断增大，阳极上失去电子发生氧化反应。
2．镍镉(NiCd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：
Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
解析：选A 由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极碱性变弱，C项错误；正极反应为2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－，放电时，OH－由正极向负极移动，D项错误；充电时，电能转化为化学能，B项错误；充电时阳极发生氧化反应，即为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确。
信息1 中国氢燃料电池汽车网 2021年3月12日消息，东风氢燃料客车上榜第342批公告，搭载中山大洋电机股份有限公司的质子交换膜燃料电池系统，驱动电机额定功率：90 kW，峰值功率：200 kW，该车采用电机控制器限速，限速69 km·h－1。
信息2 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化反应的场所，阴极为氧化剂发生还原反应的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，即其阳极为电源负极，阴极为电源正极。
[问题探讨]
1．试写出该氢氧燃料电池的电极反应式。
提示：负极：2H2－4e－===4H＋；
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
2．燃料电池有哪些优点？
提示：(1)能量转化率高。
(2)排放的废弃物少，绿色环保。
(3)燃料与氧化剂方便更换，且能连续不断地提供电能。
3．常见的燃料电池还有哪些？
提示：甲烷、甲醇、肼(N2H4)、氨等都可以作为燃料电池的燃料。
1．燃料电池的概念
燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。
2．燃料电池的工作原理
(1)连续地将燃料(常见的有氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体)和氧化剂的化学能直接转化为电能。
(2)燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化元件。
(3)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部输入，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出。
3．常见的四种典型燃料电池
名称
电解质
电极反应式和电池反应方程式
氢氧
燃料
电池
KOH
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－
负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O
电池反应：2H2＋O2===2H2O
H2SO4
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
负极：2H2－4e－===4H＋
电池反应：2H2＋O2===2H2O
甲烷燃
料电池
KOH
正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
电池反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
甲醇燃料电池
KOH
正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O电池反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
肼燃料电池
KOH
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
电池反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O
1.质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是( )
A．通入氧气的电极发生氧化反应
B．通入氢气的电极为正极
C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极
D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
解析：选D 该燃料电池中，H2和O2分别在负极和正极上发生氧化反应和还原反应，正极的电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，该电池中导电离子为H＋，在电池内部由负极定向移动至正极。
2．肼(N2H4)空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池反应方程式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时的说法中正确的是( )
A．溶液的pH保持不变
B．溶液中的阴离子向正极移动
C．正极的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
D．负极的电极反应式：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑
解析：选D A项，因为有水生成，溶液的pH会减小，错误；B项，原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，错误；C项，溶液介质为碱性，正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误；D项，负极上发生燃料失电子的氧化反应，即N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2↑，正确。
“绿水青山就是金山银山”，利用电池原理治理各种污染是科研工作人员致力研究的重要课题之一。
(1)硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体，我国最近在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢的研究中获得新进展，相关装置如图所示。
①指出a极和b极的名称，并写出电极反应式。
提示：从图示可以看出电子从a极流出，故a极为负极，电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋；b极为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。
②结合离子方程式分析H2S气体去除的原理。
提示：除去H2S的过程涉及两个反应步骤，第一步Fe2＋在电极上发生反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；第二步，生成的铁离子氧化硫化氢生成硫单质，离子方程式为2Fe3＋＋H2S===2Fe2＋＋S↓＋2H＋。
(2)碳排放是影响气候变化的重要因素之一。最近，科学家开发出一种新系统，“溶解”水中的二氧化碳，以触发电化学反应，生成电能和氢气，其工作原理如图所示。
写出生成氢气的电极反应式和此电池的电池反应方程式。
提示：氢气在b电极产生，其电极反应式为2CO2＋2H2O＋2e－===2HCO＋H2，a电极反应式为Na－e－===Na＋，因此电池反应方程式为2Na＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2。
(3)微生物燃料电池在净化废水的同时能获得能源或得到有价值的化学产品，如图为其工作原理，右下图为废水中Cr2O的浓度与去除率的关系。
根据图示写出正极的电极反应式。
提示：根据原电池的工作原理知，电子流入的一极为正极，即N极为正极，根据图示可以判断在正极上得电子的物质有O2和Cr2O，因此电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O。
解答有关化学电源电极反应式书写试题的思维流程如下：
1.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，下列有关说法正确的是( )
A．电流由呼气所在的铂电极流出
B．H＋通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极
C．电路中流过2 mol电子时，消耗11.2 L O2
D．该电池的负极反应为CH3CH2OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
解析：选B 呼气所在的电极发生乙醇转化为醋酸的氧化反应，故为负极，而电流由正极流出，A项错误；H＋通过质子交换膜流向正极(氧气所在的铂电极)，B项正确；正极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，电路中流过2 mol 电子时，消耗0.5 mol O2，在标准状况下的体积为11.2 L，但题中未指明是否为标准状况，C项错误；该电池的负极反应为CH3CH2OH＋H2O－4e－===CH3COOH＋4H＋，D项错误。
2．某新型可充电电池构造如图所示，工作时(需先引发铁和氯酸钾的反应，从而使LiClKCl共晶盐熔化)某电极(记为X)的反应式之一为xLi＋＋xe－＋LiV3O8===Li1＋xV3O8。下列说法正确的是( )
A．放电时，正极上的电极反应式为Li－e－===Li＋
B．放电时，电池反应方程式为xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8
C．充电时，X电极与电源负极相连
D．充电时，X电极的质量增加
解析：选B 由题干所给电极反应式可知，X电极发生得电子的还原反应，故X电极是正极，结合题图知，X电极是LiV3O8，则LiSi合金是负极，负极的电极反应式为Li－e－===Li＋，结合X电极的电极反应式可知放电时电池反应方程式为xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8，A项错误，B项正确；充电时，X电极应与电源正极相连，C项错误；充电时，X电极的电极反应与放电时X电极的电极反应互为逆反应，则充电时X电极的质量减轻，D项错误。
[分级训练·课课过关]___________________________________________________
1．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为硫酸，工作时的电池反应方程式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是( )
A．Pb为正极被氧化
B．溶液的pH不断减小
C．SO只向PbO2处移动
D．溶液的pH不断增大
解析：选D 由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极， A错误；由题给电池反应方程式可以看出硫酸不断被消耗，故pH不断增大， B错误，D正确；原电池工作时，阴离子向负极移动，即SO移向Pb极，C错误。
2．微型锂碘电池可用作植入某些心脏病人体内的心脏起搏器的电源。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：2Li－2e－===2Li＋
B．负极反应：I2＋2e－===2I－
C．电池反应是2Li＋I2===2LiI
D．金属锂作正极
解析：选C 该电池中Li的活泼性强，作负极，其发生的反应为2Li－2e－===2Li＋，B、D均错误；正极发生的反应为I2＋2e－===2I－，A错误；电池反应为2Li＋I2===2LiI，C正确。
3．下面是几种常见的化学电源的示意图，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，每转移2 mol电子，负极质量减小207 g
D．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
解析：选C A项，干电池是一次电池，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，正确；B项，在干电池中，Zn作负极，被氧化，正确；C项，铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量增加而非减小，错误；D项，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，且最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源，正确。
4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，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－===FeO＋4H2O
C.放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
解析：选C 放电时负极发生氧化反应：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，正极发生还原反应：FeO＋3e－＋4H2O===Fe(OH)3＋5OH－，电极附近溶液碱性增强，A、D正确，C不正确；充电时阳极发生氧化反应：Fe(OH)3－3e－＋5OH－===FeO＋4H2O，B正确。
5．化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图1所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极的电极反应式为____________________________。若反应消耗32.5 g负极材料，则电池中转移电子的数目为________。
(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池其电池总反应式可以表示为Cd＋2NiOOH＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2(充电是指外加电流作用发生氧化还原反应)，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法中正确的是________(填序号)。
①上述反应可以在酸性条件下进行
②上述反应不是可逆反应
③放电时正极金属Cd的质量增加
④放电时化学能转变为电能
(3)如图2为氢氧燃料电池的构造示意图，电解质溶液的溶质是KOH。则X极为电池的________(填“正”或“负”)极，X极的电极反应式为_____________________________。
解析：(1)负极发生氧化反应，锌失去电子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋，32.5 g锌的物质的量为0.5 mol，而1 mol 锌失去2 mol电子，所以32.5 g锌参与反应时转移电子的物质的量为1 mol，数目为NA或6.02×1023。(2)①Ni(OH)2与Cd(OH)2可以与酸反应，则不能在酸性条件下进行，错误；②因为电池充放电在不同条件下进行，所以该电池反应不是可逆反应，正确；③放电时Cd在负极发生氧化反应转化为Cd(OH)2，金属Cd的质量增加，错误；④该电池放电为原电池工作原理，是将化学能转化为电能，正确。(3)电解质溶液为KOH溶液，X电极失去电子，为负极，氢气在负极被氧化，失电子发生氧化反应：H2－2e－＋2OH－===2H2O。
答案：(1)锌 Zn－2e－===Zn2＋ NA或6.02×1023 (2)②④ (3)负 H2－2e－＋2OH－===2H2O
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