第二节 化学电源
重难点一 常见的一次电池
1.干电池——普通锌锰电池
干电池用锌制筒形外壳作负极,位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极,在石墨棒的周围由内向外依次是A:二氧化锰粉末(黑色)——用于吸收在正极上生成的氢气(以防止产生极化现象);B:用饱和氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。电极反应式为:
负极(锌筒):Zn-2e-===Zn2+
正极(石墨):2NH+4+2e-===2NH3+H2↑
H2+2MnO2===Mn2O3+H2O
总反应式为Zn+2NH+4+2MnO2===Zn2++2NH3+Mn2O3+H2O。
2.碱性锌锰电池
碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好,它的比能量和可储存时间均有提高,适用于大电流和连续放电,是民用电池的升级换代产品之一。
3.锌银纽扣电池
一般用不锈钢制成小圆盒形,圆盒由正极壳和负极壳组成,形似纽扣(俗称纽扣电池)。盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料,负极壳一端填充锌汞合金组成的负极活性材料,电解质溶液为KOH浓溶液。
这种电池比能量大、电压稳定,储存时间长,适宜小电池连续放电,常制成纽扣式微型电池,广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。
4.锂电池
锂电池是负极为Li的电池(正极可以是MnO2、CuO、FeS2等),锂电池是一种微型电池,它是用金属锂作负极,石墨作正极,电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。
电极反应式如下:负极:8Li-8e-=== 8Li+;正极:3SOCl2+8e-===SO2-3+2S↓+6Cl-;电池总反应式为:8Li+3SOCl2===6LiCl+Li2SO3+2S↓。
锂电池是一种高能电池,它具有比能量高、电压高、工作温度宽和可储存时间长等优点,因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起搏器上,以及作为火箭、导弹等的动力电源。
重难点二 常见的二次电池
1.普通铅蓄电池
铅蓄电池可以放电也可以充电,一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳(防止酸液的泄漏);设有多层电极板,其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅,负极是海绵状的金属铅,正、负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开(以防止电极之间发生短路);两极均浸入到稀硫酸溶液中。
2.碱性蓄电池
这类电池的寿命一般比铅蓄电池长很多,且携带很方便。
Ni-Cd电池:Cd+2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2。
Ni-Fe电池:Fe+2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+Fe(OH)2。
重难点三 燃料电池
1.燃料电池与一般化学电池的区别
(1)一般化学电池的活性物质储存在电池内部,从而限制了电池的容量。
(2) 燃料电池的电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件。工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除,电池可以连续不断地提供电能。
2.氢氧燃料电池
这是一种高效、低污染的新型电池,主要用于航天领域。其电极材料一般为活化电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液一般为40% KOH溶液。电极反应式如下:负极:2H2-4e-===4H+,正极:O2+4H++4 e-===2H2O,总反应式:2H2+O2===2H2O。
除了氢氧燃料电池外,甲烷、煤气等燃料,空气、氯气等氧化剂也可以作为燃料电池的原料。电解质可以呈酸性,也可以呈碱性。
3.燃料电池的优点
(1)能量转化率高。燃料电池的能量转化率超过80%,远高于普通燃烧过程(能量转换率仅30%多)。
(2)污染小。如氢氧燃料电池产物为水,不污染环境。燃料电池发电站排放废弃物少,运行时噪音低,被称为“绿色”发电站。
重难点四 书写化学电源的电极反应式应遵循的原则
原电池两电极上分别发生氧化反应和还原反应,因此电极反应式的书写要遵循质量守恒、电子守恒及电荷守恒。
弱电解质、气体和难溶物均写成化学式,其余的用离子符号表示。
正极反应产物、负极反应产物根据题意或化学方程式确定,也要注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。
重难点五 常见电极反应式的书写类型
1.根据装置书写电极反应式
首先判断该电池所依据的化学反应,从而确定两个半反应即电极反应。
2.给出总反应式,写电极反应式
各类电极反应式的一般书写步骤为:①列出物质,标电子的得失。②选离子,配电荷。③配个数,巧用水。④两式加,验总式。
如以2H2+O2===2H2O为例,当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤:
负极反应式的书写:
(1)根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H2,转移电子数为4e-:2H2-4e-===4H+。
(2)根据电解质溶液的酸碱性,用H+或OH-或其他离子配平,使两边电荷总数相等。2H2+4OH--4e-===4H2O。
注意 电子带负电荷;在碱性溶液中,电极反应式不宜出现H+。
(3)利用H2O使两边的元素守恒,即得:2H2-4e-+4OH-===4H2O。
同理,正极反应式的书写如下:
①O2+4e-===2O2-。
②O2+2H2O+4e-===4OH-,注意:在碱性溶液中提供H+使O2-变为OH-的是水,要写成化学式的形式。
将正、负极反应式相加,若得到总反应式,说明写法正确。
3.可充电电池电极反应式的书写
在书写可充电电池电极反应式时,由于电极都参加反应,且正方向、逆方向反应都能进行,所以要明确电池和电极,放电为原电池,充电为电解池;原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应,对应元素化合价升高;原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应,对应元素化合价降低。
4.给出电极反应式书写总反应方程式
根据给出的两个电极反应式,写出总反应方程式时,首先要使两个电极反应式的得失电子相等后将两式相加,消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意:若反应式同侧出现不能共存的离子,如H+和OH-、Pb2+和SO2-4,要写成反应后的物质如H2O和PbSO4。
例1 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+8H2O 3Zn(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-===FeO2-4+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
答案 C
解析 该电池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:FeO2-4+3e-+4H2O===Fe(OH)3+5OH-,电极附近溶液碱性增强,D正确,C不正确;充电时阳极发生氧化反应:Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO2-4+4H2O,B正确。
1.电池中正、负极的判断,抓住还原剂失去电子,化合价一定升高,发生负极反应;氧化剂得到电子,化合价一定降低,发生正极反应。
2.电池中转移电子数目一般只看氧化或还原一方即可,放电两极溶液酸碱性的变化关键看该极是否消耗了H+(OH-)或生成了H+(OH-)。
例2 电瓶车所用电池一般为铅蓄电池,这是一种典型的可充电电池,电池总反应式为:Pb+PbO2+4H++2SO2-4 2PbSO4+2H2O
则下列说法正确的是( )
A.放电时:负极板上发生了还原反应
B.放电时:正极反应是Pb-2e-+SO2-4===PbSO4
C.充电时:铅蓄电池的负极应与充电器电源的正极相连
D.充电时:阳极反应是PbSO4-2e-+2H2O===PbO2+SO2-4+4H+
答案 D
解析 铅蓄电池在放电时,负极为Pb,失去电子发生氧化反应,正极为PbO2,得到电子发生还原反应,故A、B错误;铅蓄电池在充电时,是电解池的装置,与充电器电源正极相连的叫阳极,即它放电时的正极,阳极失去电子转移到充电器电源的正极,故C错误,D正确。故正确答案为D。
1.铅蓄电池放电时是原电池,充电时是电解池,二者的能量转化相反,但不是可逆反应。
2.书写电极反应式时必须识别是“充电”还是“放电”。铅蓄电池中正极负极的产物均为PbSO4,因此充电时发生反应的均是PbSO4,只是阳极氧化为PbO2,阴极还原为Pb。
例3 (1)今有2H2+O2=====KOH2H2O反应,构成燃料电池,则负极通的应是________,正极通的应是________,电极反应式为_______ ______________、
________________________________________________________________________。
(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液,则电极反应式为_____________________、________________________________________________________________________。
(1)和(2)的电解液不同,反应进行后,其溶液的pH各有何变化?
________________________________________________________________________。
(3)如把H2改为甲烷、KOH作导电物质,则电极反应式为:______________________、______________________。
答案 (1)H2 O2 负极:2H2+4OH--4e-===4H2O 正极:O2+2H2O+4e-===4OH-
(2)负极:2H2-4e-===4H+ 正极:O2+4H++4e-===2H2O (1)变小,(2)变大
(3)负极:CH4+10OH--8e-===CO2-3+7H2O
正极:2O2+4H2O+8e-===8OH-
解析 根据电池反应式可知H2在反应中被氧化,O2被还原,因此H2应在负极上反应,O2应在正极上反应。又因为是碱性溶液,此时应考虑不可能有H+参加或生成,故负极反应为:2H2+4OH--4e-===4H2O,正极反应为:O2+