【同步讲义】高中化学（鲁科版2019）选修第一册--第06讲 化学电源 讲义

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第06讲 化学电源
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课程标准
课标解读
1．了解化学电源的分类。
2．了解常见的化学电源及其工作原理。
3．了解化学电源的广泛使用及对环境的影响。
1．能从宏观与微观结合的视角对电池及其变化进行分类和表征。能运用相关的化学用语说明各类电池的有关变化，能分析电池中的物质变化和伴随发生的能量转化与电池结构之间的关系。
2．根据实验方案，独立完成氢氧燃料电池的实验，收集实验证据，能用数据、图标、符号等处理实验信息，基于现象进行分析并得出结论，交流自己的探究成果。
3．了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害，在实践中逐步形成保护环境的观念。
知识精讲

知识点01 化学电源的分类

【即学即练1】下列电池属于一次电池的是（ ）。
A．锌锰干电池 B．铅蓄电池 C．锂电池 D．氢氧燃料电池
知识点02 常见电池
1．锌锰干电池
项目
酸性锌锰干电池
碱性锌锰干电池
电极
______作负极，______作正极
电解质
氯化铵和氯化锌
氢氧化钾
电极反应
负极
Zn－2e－＝Zn2+
Zn+2OH－－2e－＝ZnO+H2O
正极
2NH+2e－＝2NH3+H2
MnO2+2H2O+2e－＝Mn（OH）2+2OH－
电池反应
Zn+2NH4Cl＝ZnCl2+2NH3+H2
Zn+MnO2+H2O＝ZnO+Mn（OH）2
2．铅蓄电池
（1）电极材料

（2）电解质溶液：____________溶液
（3）电极反应和总反应

（4）特点：性能优良，价格便宜，可多次充放电；单位重量的电极材料释放的电能小。
3．氢氧燃料电池
（1）电极反应及电池反应
项目
酸性燃料电池
碱性燃料电池
电极
石墨电极材料
电解质
磷酸等酸性溶液
______溶液
电极反应
负极
____________
________________________
正极
__________________
________________________
电池反应
2H2+O2＝2H2O
（2）特点：能量利用效率高、可连续使用、排放污染物少。
【特别提醒】燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料（还原性气体或液体）和氧气分别在两极发生反应。
【即学即练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2mol电子，负极质量减轻207g
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
能力拓展

考法01 二次电池
【典例1】（2022·广东省等级考）科学家基于Cl2易溶于CCl4的性质，发展了一种无需离子交换膜的新型氯流电池，可作储能设备（如图）。充电时电极a的反应为：NaTi2（PO4）3+2e－+2Na+Na3Ti2（PO4）3。下列说法正确的是（ ）。

A．充电时电极b是阴极
B．放电时NaCl溶液的pH减小
C．放电时NaCl溶液的浓度增大
D．每生成1molCl2，电极a质量理论上增加23g
【知识拓展】二次电池工作原理

1．二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。
2．当蓄电池充电时就是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。可简单记忆：负接负，正接正。
3．阳极连正极，阴极连负极，电极反应和电极反应式相反，充放电时电极互变
（1）充电时，阳极变成正极，阴极变成负极
（2）放电时，正极变成阳极，负极变成阴极
考法02 燃料电池
【典例2】（2021·山东省等级考）以KOH溶液为离子导体，分别组成CH3OH－O2、N2H4－O2、（CH3）2NNH2－O2清洁燃料电池，下列说法正确的是（ ）。
A．放电过程中，K+均向负极移动
B．放电过程中，KOH物质的量均减小
C．消耗等质量燃料，（CH3）2NNH2－O2燃料电池的理论放电量最大
D．消耗1molO2时，理论上N2H4－O2燃料电池气体产物的体积在标准状况下为11.2L
【知识拓展】燃料电池
1．燃料电池的电极材料
（1）可燃物在负极上发生氧化反应，如氢气、甲烷、乙醇等还原剂
（2）助燃物在正极上发生还原反应，如氧气、氯气等氧化剂
2．燃料电池电极反应的产物
（1）含碳燃料的氧化产物
正常产物
酸性
碱性
碳酸盐溶液
熔融碳酸盐
O2－
CO2
CO2
CO32－
HCO3－
CO2
CO32－
（2）含氮燃料的氧化产物：与环境无关，都是氮气
（3）氧气的还原产物
正常产物
酸性
碱性
中性
CO2
O2－
H2O
OH－
OH－
CO32－
3．常见燃料电池的电极反应式
（1）甲烷燃料电池的负极反应式
①酸性环境：CH4+2H2O－8e－CO2+8H+
②碱性环境：CH4+10OH－－8e－CO32－+7H2O
③熔融碳酸盐：CH4+4CO32－－8e－5CO2↑+2H2O
④碳酸盐溶液：CH4+9CO32－－8e－+3H2O10HCO3－
⑤熔融氧化物：CH4+5O2－－8e－CO32－+2H2O
（2）甲醇燃料电池的负极反应式
①酸性环境：CH3OH+H2O－6e－CO2↑+6H+
②碱性环境：CH3OH+8OH－－6e－CO32－+6H2O
③熔融碳酸盐：CH3OH－6e－+3CO32－4CO2↑+2H2O
④碳酸盐溶液：CH3OH +7CO32－－6e－+2H2O8HCO3－
⑤熔融氧化物：CH3OH +4O2－－6e－CO32－+2H2O
（3）氢氧燃料电池的负极反应式
①酸性环境：H2－2e－2H+
②碱性环境：H2－2e－+2OH－2H2O
③熔融碳酸盐：H2－2e－+CO32－H2O+ CO2↑
④碳酸盐溶液：H2－2e－+CO32－H2O+ CO2↑
⑤熔融氧化物：H2－2e－+O2－2H2O
（4）肼燃料电池的负极反应式
①酸性环境：N2H4－4e－N2↑+4H+
②碱性环境：N2H4－4e－+4OH－N2↑+4H2O
③熔融氧化物：N2H4－4e－+2O2－N2↑+2H2O
（5）氧气在正极上的反应式
①酸性环境：4H++O2+4e－2H2O
②碱性环境：2H2O+O2+4e－4OH－
③中性环境：2H2O+O2+4e－4OH－
④熔融氧化物：O2+4e－2O2－
⑤有CO2存在：O2+4e－+2CO22CO32－
考法03 电极方程式的书写
【典例3】（1）（2021·河北省选择考）CO2在碱性介质中电还原为正丙醇（CH3CH2CH2OH）的电极反应方程式为________________________________________。
（2）（2021·湖南省选择考）利用电解原理，将氮转化为高纯氢气，其装置如图所示。

阳极的电极反应式为____________________________。
（3）（2022·广东省等级考）Pt3Y/C用作氢氧燃料电池电极材料时，能在碱性溶液中高效催化O2的还原，发生的电极反应为_______________________________。
（4）（2022·湖南省等级考）利用电化学原理，将CO2电催化还原为C2H4，阴极反应式为______________________。
【知识拓展】电极反应式书写方法
1．一般电极反应式的书写

2．复杂电极反应式的书写
复杂电极反应式＝总反应式－较简一极电极反应式
分层提分

题组A 基础过关练
1．（2021·金华高二检测）下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是（ ）。

A．电池Ⅰ中锌是正极
B．电池Ⅱ是一次性电池
C．电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应
D．电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒
2．张明在超市看到一种电池外壳的纸层包装，印有如右图的文字。有关说法错误的是（ ）。

A．该电池是一次电池
B．电池工作时，电子由负极通过外电路流向正极
C．该电池含有的金属元素中毒性最大的是Hg
D．此电池工作时，外电路中每通过0.2mol e－，锌的质量理论上减小3.25g
3．（2021·曲靖高二检测）原电池的电极名称不仅与电极材料的性质有关，也与电解质溶液有关。下列说法中正确的是（ ）。

A．①②中Mg作负极，③④中Fe作负极
B．②中Mg作正极，电极反应式为：2H2O+2e－＝2OH－+H2↑
C．③中Fe作负极，电极反应式为Fe－2e－＝Fe2+
D．④中Cu作正极，电极反应式为2H++2e－＝H2↑
4．（2022·湖南省等级考）海水电池在海洋能源领域备受关注，一种锂－海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是（ ）。

A．海水起电解质溶液作用
B．N极仅发生的电极反应：2H2O+2e－2OH－+H2↑
C．玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D．该锂－海水电池属于一次电池
5．银锌纽扣电池，其电池的电池反应式为：Zn+Ag2O+H2O＝Zn（OH）2+2Ag。

下列说法不正确的是（ ）。
A．锌作负极
B．正极发生还原反应
C．电池工作时，电流从Ag2O经导线流向Zn
D．负极的电极方程式为：Zn－2e－＝Zn2+
6．（2021·芜湖高二检测）LED产品的使用为城市增添色彩。下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。下列有关叙述正确的是（ ）。

A．b处通入H2
B．该装置将化学能最终转化为电能
C．通入H2的电极发生反应：2H2－4e－＝4H+
D．a处为电池负极，发生了氧化反应
7．（2021·江苏省启东市高二上学期期末）金属（M）空气电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是（ ）。

A．金属M作电池正极
B．电解质是熔融的MO
C．电路中转移2mol电子，理论上约消耗空气56L
D．电池总反应为2M+O2+2H2O＝2M（OH）2
8．新华网报道，我国固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该技术实现了H2S废气资源回收能量，并得到单质硫的原理如图所示。

下列说法正确的是（ ）。
A．电极b为电池负极
B．电路中每流过4mol电子，正极消耗44.8LH2S
C．电极b上的电极反应为：O2+4e－+4H+＝2H2O
D．电极a上的电极反应为：2H2S+2O2－－4e－＝S2+2H2O
9．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置，右图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定．请回答：

（1）氢氧燃料电池的能量转化主要形式是__________，在导线中电流流动方向为（用a、b表示）__________。
（2）负极的电极反应式为_______________，电极表面镀铂粉的原因为___________。
（3）关于该电池的说法错误的是__________。
A．氢气在负极发生氧化反应
B．供电时的总反应为：2H2+O2＝2H2O
C．产物为无污染的水，属于环境友好电池
D．燃料电池的能量转化率可达100%
（4）在下图所示的装置中，能够发生原电池反应的是____________________。

（5）下图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电后在石墨电极a附近滴加一滴石蕊试液，现象是______________________________。

10．（2021•沈阳高二检测）已知：向FeCl2溶液中滴加稀硝酸，溶液颜色由浅绿色变为棕黄色。某同学用此反应设计了如图所示原电池。

（1）写出FeCl2与稀硝酸反应的离子方程式_________________________。
（2）图中电子流动方向为_____极到_____极（填“a”或“b”）。
（3）在乙烧杯中会观察到的现象为______________________________，写出乙烧杯中的电极反应方程式____________________。
（4）H+流向_____烧杯（填“甲”或“乙”），若一段时间内流向该烧杯的H+有0.05mol，则消耗Fe2+_____g。
（5）该装置存在的缺点是_________________________（写一点）。
题组B 能力提升练
1．（2021·四川省凉山州高二上学期期末检测）以下是中学化学常见的四个装置，下列关于这些装置说法正确的是（ ）。

A．装置甲在使用过程中，电池内部电子从Ag2O极通过隔板移向锌粉
B．装置乙在使用过程中，电池外壳会逐渐变薄，容易出现漏液
C．装置丙在使用过程中，电解质溶液的pH不会发生变化
D．装置丁电极b上发生的电极反应为：O2+2H2O+4e－＝4OH－
2．（2021•北京高二上学期期末）瓦斯爆炸是煤矿开采中的重大危害，一种瓦斯分析仪能够在煤矿巷道中的甲烷浓度达到一定浓度时，可以通过传感器显示。该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图所示，其中的固体电解质是Y2O3－Na2O，O2－可以在其中自由移动。下列有关叙述正确的是（ ）。

A．瓦斯分析仪工作时，电池电路中电子由电极b流向电极a
B．电极b是正极，O2－由电极a流向电极b
C．电极a的反应式为：CH4+5O2－－8e－＝CO32－+2H2O
D．当固体电解质中有1mol O2－通过时，电子转移4mol
3．（2022·河南省商丘市高三11月联考）某钠－空气水电池的充、放电过程原理示意图如图所示，下列说法正确的是（ ）。

A．放电时，Na+向负极移动
B．放电时，电子由钠箔经导线流向碳纸
C．充电时，当有0.1mol e－通过导线时，则钠箔减重2.3g
D．充电时，碳纸与电源负极相连，电极反应式为4OH－－4e－2H2O+O2↑
4．我国科学家发明了制取H2O2的绿色方法，原理如图所示（已知：H2O2H++HO2－，Y膜为HO2－选择性交换膜）。下列说法错误的是（ ）。

A．b极上的电极反应为O2+H2O+2e－＝HO2－+OH－
B．X膜为选择性阳离子交换膜
C．电池工作时，a极室的pH不变
D．理论上，每生成1molH2O2，电路中转移4mol电子
5．（双选）（2021·启东高二检测）现以CO、O2、熔融盐Z（Na2CO3）组成的燃料电池，采用电解法处理CO同时制备N2O5，装置如图所示，其中Y为CO2。下列说法不合理的是（ ）。

A．石墨Ⅰ是原电池的负极，发生氧化反应
B．甲池中的CO32－向石墨Ⅱ极移动
C．乙池中左端Pt极电极反应式：N2O4－2e－+2HNO32N2O5+2H+
D．若甲池消耗标准状况下的氧气2.24L，则乙池中产生氢气0.05mol
6．（2021·徐州高二上学期期末检测）某原电池装置如图所示，电池总反应为2Ag+Cl2＝2AgCl。下列说法正确的是（ ）。

A．正极反应为AgCl+e－＝Ag+Cl－
B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变
D．当电路中转移0.01mole－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02mol离子
7．铁是一种廉价的金属，除了作为重要的结构材料外，现又有了新的用途。磷酸聚合物铁锂电池以其廉价、高容量和安全性逐渐占据市场。下图是高铁电池的实验装置：

已知放电后，两极反应均生成Fe的+3价的化合物。
（1）该电池放电时正极发生的电极反应是________________________；
（2）若该电池属于二次电池，则充电时阴极反应的电极反应方程式为：_______________________________________。
8．某同学查资料得知α－AgI是一种固体导体，导电率很高。他为了研究α－AgI究竟是Ag+导电还是I－导电，设计一个如下图所示（用铅蓄电池做电源）的电化学实验。已知铅蓄电池总反应：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。

（1）该电解池的阳极电极方程式____________________________，铅蓄电池的正极电极方程式____________________________________。
（2）若Ag+导电，α－AgI本身质量将_________（填不变、变大、或变小）。若I－导电，阳极附近的α－AgI晶体密度将会________（填不变、变大、或变小）。
（3）若通电一段时间后铅蓄电池中消耗了1mol H2SO4，则电解池的阴极增重的质量为____________g。
题组C 培优拔尖练
1．钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠（Na2Sx）分别作为两个电极的反应物，固体Al2O3陶瓷（可传导Na+）为电解质，其反应原理如下图所示：

下列说法不正确的是（ ）。
A．放电时，电极A为负极
B．根据上表数据，该电池工作的适宜温度应控制在350～2050℃
C．充电时，Na+的移动方向为从电极B到电极A
D．充电时，总反应为Na2Sx＝2Na+xS（3＜x＜5），则阳极的电极反应式为Sx－2e－＝xS
2．（2022·全国甲卷）一种水性电解液Zn－MnO2离子选择双隔膜电池如图所示（KOH溶液中，Zn2+以Zn（OH）42－存在）。电池放电时，下列叙述错误的是（ ）。

A．Ⅱ区的K+通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO42－通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2+2e－+4H+＝Mn2++2H2O
D．电池总反应：Zn+4OH－+MnO2+4H+＝Zn（OH）42－+Mn2++2H2O
3．（2022·全国乙卷）Li－O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li－O2电池（如图所示）。光照时，光催化电极产生电子（e－）和空穴（h+），驱动阴极反应（Li++e－＝Li）和阳极反应（Li2O2+2h+＝2Li++O2）对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）。

A．充电时，电池的总反应Li2O2＝2Li+O2
B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关
C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移
D．放电时，正极发生反应O2+2Li++2e－＝Li2O2
4．（双选）图1是在金属锌板上贴上一张用某溶液浸湿的滤纸，图2是NaBH4/H2O2燃料电池，则下列说法正确的是（ ）。

A．图2电池放电过程中，Na+从正极区向负极区迁移
B．图2电池负极区的电极反应为BH4－―8e－+8OH－＝BO2－+6H2O
C．若用硫酸钠和酚酞的混合溶液浸湿滤纸，用导线将a、b直接相连，则铅笔芯C点处出现红色
D．若用KI淀粉溶液浸湿滤纸，用导线将a、b与A、B电极相连，铅笔芯C点处出现蓝色，则b接的是A电极
5．如图所示的四个容器中分别盛有不同的溶液，除A、B外，其余电极均为石墨电极。甲为铅蓄电池，其工作原理为：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O，其两个电极的电极材料分别是PbO2和Pb。

闭合K，发现G电极附近的溶液变红，20min后，将K断开，此时C、D两极上产生的气体体积相同；据此回答：
（1）A电极的电极材料是______（填“PbO2”或“Pb”）。
（2）电解后，要使丙中溶液恢复到原来的浓度，需加入的物质是______（填化学式）。
（3）到20min时，电路中通过电子的物质的量为____________。
（4）0～20min，H电极上发生反应的电极反应式为________________________。
（5）20min后将乙装置与其他装置断开，然后在C、D两极间连上灵敏电流计，发现电流计指针偏转，则此时C电极为____________极，D电极上发生的电极反应式为：__________________________________________。