选修4第四章第二节 化学电源

选修4第四章第二节 化学电源

‎ ‎ 第二节 化学电源 一、化学电池的种类 化学电池：借助于化学能直接转变为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液，和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。‎ ‎ ‎ 下面介绍化学电池的种类：‎ ‎ 1．干电池：普通锌锰干电池的简称，在一般手电筒中使用锌锰干电池，是用锌皮制成的锌筒作负极兼做容器，中央插一根碳棒作正极，碳棒顶端加一铜帽。在石墨碳棒周围填满二氧化锰和炭黑的混合物，并用离子可以通过的长纤维纸包裹作隔膜，隔膜外是用氯化锌、氯化铵和淀粉等调成糊状作电解质溶液；电池顶端用蜡和火漆封口。在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极化剂(吸收正极放出的H2，防止产生极化现象，即作去极剂)，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。‎ ‎ 电极反应为：负极 Zn－2 e-＝Zn2+ ‎ ‎ 正极 2＋2 e-＝2NH3＋H2 ‎ ‎ H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O ‎ 正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[Zn(NH3)4]2+ ‎ ‎ 干电池的总反应式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2＋Mn2O3＋H2O 或 2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[Zn(NH3)2]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O ‎ 正极生成的氨被电解质溶液吸收，生成的氢气被二氧化锰氧化成水。干电池的电压1.5 V—1.6 V。在使用中锌皮腐蚀，电压逐渐下降，不能重新充电复原，因而不宜长时间连续使用。这种电池的电量小，在放电过程中容易发生气涨或漏液。而今体积小，性能好的碱性锌—锰干电池是电解液由原来的中性变为离子导电性能更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增加，使放电电流大加幅度提高。碱性干电池的容量和放电时间比普通干电池增加几倍。‎ 6‎ ‎ ‎ ‎2．铅蓄电池：铅蓄电池可放电亦可充电，具有双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，用含锑5%～8%的铅锑合金铸成格板，在正极格板上附着一层PbO2，负极格板上附着海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液(密度为1.25—1.28 g / cm3)中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。放电的电极反应为：‎ 负极：Pb＋－2e- ＝PbSO4↓‎ 正极：PbO2＋4H+＋＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O ‎ 铅蓄电池的电压正常情况下保持2.0 V，当电压下降到1.85 V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达1.18 g / cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为：‎ ‎ 阳极：PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋‎ ‎ 阴极：PbSO4＋2e- ＝Pb＋‎ ‎ 当密度增加至1.28 g / cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。‎ ‎ 放电 ‎ ‎ 充电 ‎ ‎ 蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O ‎ 目前汽车上使用的电池，有很多是铅蓄电池。由于它的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中。‎ ‎ 3．银锌蓄电池 ‎ 银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。目前，有一种类似干电池的充电电池，它实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。‎ ‎ 常见的钮扣电池也是银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。‎ ‎ 负极：Zn＋2OH-－2e- ＝Zn(OH)2‎ ‎ 正极：Ag2O＋H2O＋2e- ＝2Ag＋2OH- ‎ ‎ 银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用(放电)一段时间后就要充电，充电过程表示如下：‎ ‎ 阳极：2Ag＋2OH-－2e- ＝Ag2O＋H2O ‎ ‎ 阴极：Zn(OH)2＋2e- ＝Zn＋2OH- ‎ 放电 ‎ ‎ 充电 ‎ ‎ 总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O Zn(OH)2＋2Ag 一粒钮扣电池的电压达1.59 V，安装在电子表里可使用两年之久。‎ ‎4．燃料电池 6‎ ‎ ‎ ‎：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电流的一种原电池，所以燃料电池也是化学电源。它与其它电池不同，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮存在电池内，而是在工作时，不断地从外界输入，同时把电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实地把能源中燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。燃料电池的正极和负极都用多孔炭和多孔镍、铂、铁等制成。从负极连续通入氢气、煤气、发生炉煤气、水煤气、甲烷等气体；从正极连续通入氧气或空气。电解液可以用碱(如氢氧化钠或氢氧化钾等)把两个电极隔开。化学反应的最终产物和燃烧时的产物相同。燃料电池的特点是能量利用率高，设备轻便，减轻污染，能量转换率可达70%以上。‎ 当前广泛应用于空间技术的一种典型燃料电池就是氢氧燃料电池，它是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，碳电极上嵌有微细分散的铂等金属作催化剂，如铂电极、活性炭电极等，具有很强的催化活性。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。‎ ‎ 电极反应式为：负极 H22H ‎ 2H＋2OH-－2 e-＝2H2O ‎ 正极 Ｏ2＋2H2O＋4 e-＝4OH- ‎ 电池总反应式为：2H2＋Ｏ2＝2H2O ‎ 另一种燃料电池是用金属铂片插入KOH溶液作电极，又在两极上分别通甲烷(燃料)和氧气(氧化剂)。电极反应式为：‎ 负极：CH4＋10OH－－8e- ＝＋7H2O；‎ 正极：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。‎ 电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 目前已研制成功的铝—空气燃料电池，它的优点是：体积小、能量大、使用方便、不污染环境、耗能少。这种电池可代替汽油作为汽车的动力，还能用于收音机、照明电源、野营炊具、野外作业工具等。‎ ‎5．锂电池：锂电池是金属锂作负极，石墨作正极，无机溶剂亚硫酰氯(SO2Cl2)在炭极上发生还原反应。电解液是由四氯铝化锂(LiAlCl4)溶解于亚硫酰氯中组成。它的总反应是锂与亚硫酰氯发生反应，生成氯化锂、亚硫酸锂和硫。‎ ‎ 8Li＋3SO2Cl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S ‎ 锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其它金属作负极相比较，能在较小的体积和质量下能放出较多的电能，放电时电压十分稳定，贮存时间长，能在216.3—344.1K温度范围内工作，使用寿命大大延长。锂电池是一种高能电池，它具有质量轻、电压高、工作效率高和贮存寿命长的优点，因而已用于电脑、照相机、手表、心脏起博器上，以及作为火箭、导弹等的动力资源。‎ ‎ 微型电池：常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池是锂电池。这种电池容量大，电压稳定，能在-56.7℃—71.1℃温度范围内正常工作。‎ ‎ 6．海水电池 ‎ 1991年，我国首创以铝─空气─海水电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。 该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高20─50‎ 6‎ ‎ ‎ 倍。负极材料是铝，正极材料可以用石墨。‎ 电极反应式为：负极反应：Al－3 e-＝Al3+，‎ ‎ 正极反应：2H2O＋O2＋4 e-＝4OH-。‎ ‎ 电池总反应式为：4Al＋3O26H2O＝4Al(OH)3‎ ‎ 7．溴—锌蓄电池 ‎ 国外新近研制的的基本构造是用碳棒作两极，溴化锌溶液作电解液。‎ 电极反应式为：负极反应：Zn－2e-＝Zn2+‎ ‎ 正极反应：Br2＋2e-＝2Br- ‎ 电池总反应式为：Zn＋Br2＝ZnBr2‎ 二、相关考题和练习 例1．（2000年全国高考理综题）熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐 混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：‎ 阳极反应式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2‎ 阴极反应式：_________________，‎ 电池总反应式：_______________。‎ 解析：作为燃料电池，总的效果就是把燃料进行燃烧。本题中CO为还原剂，空气中O2为氧化剂，电池总反应式为：2CO+O2==2CO2。用总反应式减去电池负极（即题目指的阳极）反应式，就可得到电池正极（即题目指的阴极）反应式：O2+2CO2+4e-== 2CO32- 。‎ 例2．（1999年全国高考化学题）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生污染的铜镍电池。氢镍电池的总反应式是：‎ ‎(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2‎ 根据此反应式判断下列叙述中正确的是（ ）‎ A．电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大 　B．电池放电时，镍元素被氧化 C．电池充电时，氢元素被还原　　　　　　　　　 D．电池放电时，H2是负极 解析：电池的充、放电互为相反的过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。根据氢镍电池放电时的总反应式可知，电解质溶液只能是强碱性溶液，不能是强酸性溶液，因为在强酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都会溶解。这样可写出负极反应式：H2+2OH--2e- == 2H2O，H2为负极，附近的pH应下降。放电时镍元素由+3价变为+2价，被还原，充电时氢元素由+1价变为0价，被还原。故答案为C、D项。 ‎ 例3．有人设计出利用CH4和O2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CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是（ ）‎ ‎ ①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-‎ ‎②负极上CH4失去电子，电极反应式CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O 6‎ ‎ ‎ ‎③负极上是O2获得电子，电极反应式为 O2+2H2O+4e-=4OH-‎ ‎④电池放电后，溶液PH不断升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④‎ ‎[点拨]：本题是考查原电池原理在燃料电池中的具体应用，首先要判断出电池的正负极，其方法是确定在该电极上发生的是失电子还是得电子反应，若发生的是失电子反应是原电池的负极，反之是正极。CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2燃烧反应，即CH4 →CO2严格讲生成的CO2还与KOH反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4参加反应有8mole-发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-。虽然正极产生OH-，负极消耗OH-，但从总反应CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH，所以电池放电时溶液的PH值不断下降，故①②正确，③④错误。‎ 答案：A 例4．（2004年天津高考理综题）下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是 ( )‎ A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为：4OH--4e-== 2H2O+O2↑‎ C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 解析：分析氢氧燃料电池原理示意图，可知a极为负极，其电极反应为：2H2-4e-==4H+，b极为正极，其电极反应为：O2+2H2O+4e-==4OH-，电池总反应式为：2H2+O2==2H2O。H2为还原剂，O2为氧化剂，H2、O2不需全部储藏在电池内。故答案为B项。‎ 例5．（2004年江苏高考化学题）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。锌—锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为： ‎ Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) == Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)‎ 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(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)‎ ‎ C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 6‎ ‎ ‎ ‎ D．外电路中每通过O.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g 解析： 该电池的电解液为KOH溶液，结合总反应式可写出负极反应式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- == Zn(OH)2(s)，用总反应式减去负极反应式，可得到正极反应式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn为负极，失去电子，电子由负极通过外电路流向正极。1molZn失去2mol电子，外电路中每通过O.2mol电子，Zn的质量理论上减小6.5g。故答案为C项。‎ 6‎