2018步步高高中化学选修4第四章 第二节 化学电源

第二节化学电源

[目标要求] 1.了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。2.了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3.正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。

一、化学电池

化学电池是利用原电池原理，将化学能转化为电能的装置。

二、常用电池

知识点一化学电池

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液，电池总反应式为Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2

下列说法中，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

MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋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

答案 C

解析本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：锌为负极，在反应中失去电子，故A正确；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向移动方向与电流方向

相反，故C 错误；由电子守恒知D 项正确；由该电池反应的总反应式和原电池的原理写出正极反应式知B 正确。

2．某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为3Zn ＋

2K 2FeO 4＋8H 2

O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH ，以下说法不正确的是( ) A ．放电时负极反应式为Zn －2e －＋2OH －

===Zn(OH)2

B ．放电时正极反应式为FeO 2－4＋4H 2O ＋3e －===Fe(OH)3＋5OH －

C ．放电时每转移3 mol 电子，正极有1 mol K 2FeO 4被氧化

D ．充电时阳极附近的溶液的碱性减弱

答案 C

解析 选项A ，放电时，在碱性条件下，Zn 失去电子为电池的负极：Zn －2e －＋2OH －===Zn(OH)2；选项B ，根据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相等)可得放电时

正极反应式为FeO 2－4＋4H 2O ＋3e －===Fe(OH)3＋5OH －；选项C ，放电时，K 2FeO 4被还原；选项D ，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH －，导致阳极附近的溶液的碱性减弱。

3．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO 4，干燥后再

安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO 4＋2H 2O PbO 2＋Pb ＋2H 2SO 4 下列对铅蓄电池的说法错误的是( )

A ．需要定期补充硫酸

B ．工作时铅是负极，PbO 2是正极

C ．工作时负极上发生的反应是Pb －2e －＋SO 2－4===PbSO 4

D ．工作时电解质的密度减小

答案 A

解析 铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb 是负极，PbO 2是正极，负极发生的反应是Pb

失去电子生成Pb 2＋，Pb 2＋与溶液中的SO 2－4生成PbSO 4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生

成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO 4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H 2SO 4不用补充；放电时，H 2SO 4被消耗，溶液中的H 2SO 4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

知识点二 燃料电池

4．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允

许氧离子(O 2－)在其间通过。该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a 、b 均不参与电

极反应。

下列判断正确的是( )

A ．有O 2参加反应的a 极为电池的负极

B ．b 极的电极反应式为H 2－2e －＋O 2－===H 2O

C ．a 极对应的电极反应式为O 2＋2H 2O ＋4e －===4OH －

D ．该电池的总反应式为2H 2＋O 2=====高温2H 2O 放电

充电

放电 充电

答案 D

解析 因为电子从b 电极流向a 电极，所以b 电极为负极，H 2在该极发生氧化反应；a 电极为正极，O 2在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为H 2－2e －===2H ＋，

正极电极反应式为12

O 2＋2e －===O 2－，则电池总反应式为2H 2＋O 2=====高温2H 2O 。 5．有位科学家说：“甲烷是21世纪的新燃料。”甲烷作为燃料的用途之一就是用于制作燃料电池。有科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入

甲烷，电解质是掺杂了Y 2O 3的ZrO 2晶体，它在高温下能传导O 2－。以下判断错误的是( )

A ．电池正极发生的反应：O 2＋4e －===2O 2－

B ．电池负极发生的反应：CH 4＋4O 2－－8e －===CO 2＋2H 2O

C ．固体电解质里的O 2－的移动方向：由正极流向负极

D ．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)

答案 D

解析 因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)。所以正极反应式是O 2＋4e －===2O 2－，负极反应式是CH 4＋4O 2－－8e －===CO 2＋2H 2O 。由上述电池的正、负极反应式可以看出：正极反应“源源不断”地产生O 2－，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”的O 2－供应，故电池内O 2－的移动方向是由正极流向负极。电池的负极发生氧化反应，失去电子，故外电路电子从负极流出，所以D 错误。

练基础落实

1．铅蓄电池的两极分别为Pb 、PbO 2，电解质溶液为H 2SO 4，工作时的电池反应式为Pb ＋PbO 2＋2H 2SO 4===2PbSO 4＋2H 2O ，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 2－4只向PbO 2处移动

D ．电解质溶液的pH 不断增大

答案 D

解析 由题给电极反应式可以看出H 2SO 4不断被消耗，故pH 不断增大，所以B 不正确，D 正确；由Pb 元素化合价的变化，可以看出Pb 是负极，所以A 不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb 极流向PbO 2极；内电路中，负电荷

(SO 2－4和OH －)移向Pb 极，所以C 不正确。

2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，其电极分别是Ag 2O 和Zn ，电解质溶液为KOH 溶液，电极反应式为

Zn ＋2OH －－2e －===ZnO ＋H 2O

Ag 2O ＋H 2O ＋2e －===2Ag ＋2OH －

总反应式为Ag 2O ＋Zn===ZnO ＋2Ag

根据上述反应式，判断下列叙述中正确的是( )

A ．在使用过程中，电池负极区溶液的pH 增大

B ．在使用过程中，电子由Ag 2O 经外电路流向Zn 极

C ．Zn 是负极，Ag 2O 是正极

D ．Zn 极发生还原反应，Ag 2O 极发生氧化反应

答案 C

解析 (1)根据电极反应式可知Zn 失电子被氧化而溶解，Ag 2O 得电子被还原，故Zn 是负极，Ag 2O 是正极，所以C 正确；(2)负极(即Zn 极)在反应时消耗OH －，则负极区溶液的pH 应减小，故A 错误；(3)发生原电池反应时，电子由负极经外电路到正极，即电子从Zn 极经外电路到Ag 2O 极，故B 错误；(4)在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D 错误。

3．有人设计出利用CH 4和O 2的反应，用铂电极在KOH 溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH 4在O 2中燃烧，则下列说法正确的是( )

①每消耗1 mol CH 4可以向外电路提供8 mol e － ②负极上CH 4失去电子，电极反应式

为CH 4＋10OH －－8e －===CO 2－3＋7H 2O ③负极上是O 2获得电子，电极反应式为O 2＋2H 2O

＋4e －===4OH － ④电池放电后，溶液的pH 不断升高

A ．①②

B ．①③

C ．①④

D ．③④

答案 A

解析 CH 4在铂电极上发生类似于CH 4在O 2中燃烧的反应，即CH 4→CO 2，严格地讲生成的CO 2还与KOH 反应生成K 2CO 3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式

为CH 4－8e －＋10OH －===CO 2－3＋7H 2O,1 mol CH 4参加反应有8 mol e －发生转移，O 2在正极

上发生反应，获得电子，电极反应式为O 2＋2H 2O ＋4e －===4OH －。虽然正极产生OH －，负极消耗OH －，但从总反应式CH 4＋2O 2＋2KOH===K 2CO 3＋3H 2O 可看出是消耗了KOH ，所以电池放电时溶液的pH 值不断下降，故①②正确，③④错误。 练方法技巧

4．锌锰干电池在放电时，电池总反应方程式可以表示为Zn ＋2MnO 2＋2NH ＋4===Zn 2＋＋

Mn 2O 3＋2NH 3＋H 2O ，此电池放电时，在正极(碳棒)上发生反应的物质是( )

A ．Zn

B ．碳

C ．MnO 2和NH ＋4

D ．Zn 2＋和NH 3

答案 C

解析 根据原电池原理，锌为负极，碳棒为正极，锌应参加负极反应，而MnO 2在反应

中得到电子，应当在正极区发生反应，又由于NH ＋4移向正极，在正极发生反应生成NH 3

。本题考查原电池电极反应式的书写，阳离子移动的方向。

5．氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应式如下：

负极：2H 2＋4OH －－4e －===4H 2O

正极：O 2＋2H 2O ＋4e －===4OH －

当得到1.8 L 饮用水时，电池内转移的电子数约为( )

A ．1.8 mol

B ．3.6 mol

C ．100 mol

D ．200 mol

答案 D

解析 n (H 2O)＝1.8×103 g 18 g·mol

－1＝100 mol 2H 2＋O4e －2===2H 2O

即每生成1 mol H 2O 则转移2 mol e －，当生成100 mol H 2O 时，转移200 mol e －。

6．乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应式为C 2H 5OH ＋3O 2===2CO 2＋3H 2O ，电池示意图，下列说法中正确的是( )

A．电池工作时，质子向电池的负极迁移

B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极

C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋

D．b极上发生的电极反应是2H2O＋O2＋4e－===4OH－

答案 B

解析通入乙醇的一极(a极)为负极，发生氧化反应；通入氧气的一极(b极)为正极，发生还原反应。电池工作时，阳离子(质子)向电池的正极迁移，A项不正确；电流方向与电子流向相反，电流由b极沿导线流向a极，B项正确；a极上乙醇应该失电子被氧化，所以C 项不正确；因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂，所以电极反应式中不能出现OH－，D项不正确。

练综合拓展

7．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：

(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(1)此电池的正极发生的电极反应：

________________________________________________________________________，负极发生的电极反应：_____________________________________________________。

(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

(4)使用该燃料电池的另一个好处是________________________________________

________________________________________________________________________。

答案(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O

2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋

(3)正负极(4)对环境无污染

解析(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。

(2)电池的正极O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。

(3)H＋移向正极，在正极生成水。

(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。

8．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，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________________，在导线中电子流动方向为________(用a 、b 表示)。

(2)负极反应式为_________________________________________________________。

(3)电极表面镀铂粉的原因为______________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)该电池工作时，H 2和O 2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li ＋H 2=====△2LiH

Ⅱ.LiH ＋H 2O===LiOH ＋H 2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是__________，反应Ⅱ中的氧化剂是________。

②已知LiH 固体密度为0.82 g·cm －3，用锂吸收224 L(标准状况)H 2，生成的LiH 体积与

被吸收的H 2体积比为________。

③由②生成的LiH 与H 2O 作用，放出的H 2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol 。

答案 (1)化学能转变为电能 a 到b (2)2H 2＋4OH －－4e －===4H 2O 或H 2＋2OH －－2e －

===2H 2O (3)增大电极单位面积吸附H 2、O 2的分子数，加快电极反应速率(4)①Li H 2O

②1/1 148或8.71×10－4 ③32

解析 (1)电池是把化学能转变为电能的装置；在电池中，电子从负极经导线流向正极，而氢氧燃料电池中通入H 2的一极是负极，故电子由a 流动到b 。

(2)H 2在负极失电子，因为电解质溶液是KOH 溶液，故负极反应式为2H 2＋4OH －－4e －===4H 2O 。

(3)电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附H 2、O 2的分子数，从而增大反应速率。

(4)LiH 中Li 为＋1价，H 为－1价，故反应Ⅰ中还原剂是Li ，反应Ⅱ中氧化剂是H 2O 。

由反应Ⅰ可知吸收标准状况下224 L H 2时生成160 g LiH ，则生成的LiH 的体积是160 g 0.82 g ·cm

－3，则生成的LiH 的体积与被吸收的H 2的体积之比为1600.82×224×103＝11 148

。由②生成的20 mol LiH 与H 2O 反应，由反应Ⅱ可知生成20 mol H 2，H 2～2e －，能量转化率为80%，则通过的电子

的物质的量为20 mol ×2×80%＝32 mol 。