第28讲 原电池和化学电源（2）—化学电源 课件-2027届高三化学一轮复习

最适合真实课堂教学的课件！ 简洁、启智！ 1.7.2013 ‹#› 原电池和化学电源 化学电源 一次 二次 燃料 化学电源 1.化学电源包括 电池、 电池、 电池。 2.相对其他能源，电池的优点有哪些？ 携带方便、易于维护，能量转换效率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状、大小和容量不同的电池。 3.判断电池优劣的标准是什么？ (1)比能量： (2)比功率： (3)电池的储存时间的长短 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小 一次电池 1.定义 ：放电后不可再充电的电池 2.常见的一次电池 普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池 锌银电池 普通锌锰干电池 e- 石墨棒 MnO2糊 NH4Cl糊 锌筒 e- e- e- 负极反应式 ； 正极反应式 ； 总反应式 。 电解质为 ； Zn－2e－＋2NH4+ ===== [Zn(NH3)2]2＋＋2H+ 一次电池 碱性锌锰干电池 一次电池 负极反应式 ； 正极反应式 ； 总反应式 ； 正极材料 ； 负极材料 ； 电解质 ； KOH Zn MnO2 ＋ － 锌粉和KOH 的混合物 MnO2 金属外壳 Zn＋2OH－ －2e－= Zn(OH)2 2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH － Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)＋Zn(OH)2 锌银电池 一次电池 负极反应式 ； 正极反应式 ； 总反应式为：Zn ＋ Ag2O===ZnO ＋ 2Ag 。 正极材料 ； 负极材料 ； 电解质 ； KOH Zn Ag2O Zn ＋ 2OH－－2e－== ZnO ＋ H2O Ag2O ＋ H2O － 2e－==2Ag ＋ 2OH－ ＋2OH－ －2e－ 浸有KOH(aq) 的隔板 金属 外壳 锌 Ag2O 锌银电池结构如右图所示，回答下列问题。 二次电池 1.定义 ：放电后可以再充电而反复使用的电池 2.常见的二次电池 铅酸蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 铅酸蓄电池 二次电池 稀硫酸 Pb PbO2 正极材料 ； 负极材料 ； 电解质 ； PbO2 Pb 稀硫酸 负极反应式 ； 正极反应式 ； 总反应式 ； 放电时： Pb＋S－2e－ == PbSO4 PbO2＋4H＋＋S＋2e－ == PbSO4＋2H2O Pb＋PbO2＋2H2SO4 == 2PbSO4＋2H2O 【思考】放电时，当外电路上有2 mol e－通过时，溶液中消耗H2SO4 mol。 2 【注意】若电极反应产生的离子能与电解质溶液中的离子反应，则要叠加写入电极反应式中。 铅酸蓄电池 二次电池 稀硫酸 Pb PbO2 B A 甲装置 【思考】 充电时，A接电源的 极； B接电源的 极，此时 甲装置为 （填“电解池”或“原电池”） 阳极反应式 ； 总反应式 ； 阴极反应式 ； 负 正 电解池 PbSO4＋2e－== Pb＋S PbSO4＋2H2O－2e－==PbO2＋4H＋＋S 减小 ＋2OH－ －2e－ 2PbSO4＋2H2O ===== Pb＋PbO2＋2H2SO4 电解 【规律】充电时电极的连接： 负接负作阴极，正接正作阳极。 Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O 放电 充电 铅酸蓄电池的充放电的比较 负极： 正极： 放电时： Pb＋S－2e－ == PbSO4 PbO2＋4H＋＋S＋2e－ == PbSO4＋2H2O PbSO4＋2e－== Pb＋S PbSO4＋2H2O－2e－==PbO2＋4H＋＋S 阴极： 阳极： 充电时： 【思考】比较放电和充电过程中的负极与阴极、正极与阳极电极反应式，能得出什么结论？ 在充电与放电时，电极反应式在形式上恰好是相反。 Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O 放电 充电 铅酸蓄电池的充放电的比较 负极： 正极： 放电时： Pb＋S－2e－ == PbSO4 PbO2＋4H＋＋S＋2e－ == PbSO4＋2H2O PbSO4＋2e－== Pb＋S PbSO4＋2H2O－2e－==PbO2＋4H＋＋S 阴极： 阳极： 充电时： 【思考】请分析放电时正极材料和负极材料质量变化及正极区域pH的变化。 Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O 放电 充电 铅酸蓄电池的充放电的比较 负极： 正极： 放电时： Pb＋S－2e－ == PbSO4 PbO2＋4H＋＋S＋2e－ == PbSO4＋2H2O PbSO4＋2e－== Pb＋S PbSO4＋2H2O－2e－==PbO2＋4H＋＋S 阴极： 阳极： 充电时： 【思考】请分析充电时正极材料和负极材料质量变化及阳极区域pH的变化。 燃料电池 燃料电池是一种将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂（如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。如氢氧燃料电池的结构如右图所示。 A H2 O2 负极区 正极区 稀硫酸 Pt电极 【注意】 1.燃料电池不是把还原剂、氧化剂全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出。 2.如无特别提示，燃料电池反应原理类似于燃料的燃烧。 燃料电池正极反应的反应物都是 。 燃料电池 O2 1. 在中性或碱性电解质溶液中，燃料电池正极反应式为 。 2. 在酸性电解质溶液中，燃料电池正极反应式为 。 3. 在熔融碳酸盐电解质中，燃料电池正极（通入CO2 ）反应式为 。 4. 在O2－传导电解质中，燃料电池正极反应式为 。 燃料电池负极反应的反应物都是 。 可燃物 2O2＋8e－＋8H＋===== 4H2O O2＋8e－＋4H2O ===== 8OH－ O2＋4e－＋2CO2 = ==== 2CO32－ O2＋4e－ = ==== 2O2－ 燃料电池 电极反应式的书写 电解质 酸性 碱性 负极 反应式 正极 反应式 电池 总反应 2H2＋4OH－－4e－===== 4H2O O2＋4e－＋4H＋===== 2H2O 1. 氢氧燃料电池电极反应式的书写 2H2－4e－ ===== 4H＋ O2＋2H2O＋4e－===== 4OH－ 2H2＋O2===== 2H2O 燃料电池的规律： ①燃料做负极，氧气为正极 ②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。 燃料电池 电极反应式的书写 2. CH4燃料电池电极反应式的书写 ①酸性介质(如H2SO4) 总反应式： 。 负极反应式： 。 正极反应式： 。 ②碱性介质(如KOH) 总反应式： 。 负极反应式： 。 正极反应式： 。 CH4－8e－＋2H2O = ==== CO2＋8H＋ CH4－8e－＋10OH－ ===== CO32－＋7H2O O2＋4e－＋4H＋===== 2H2O CH4＋2O2＋2OH－ = ==== CO32－＋3H2O CH4＋2O2 = ==== CO2＋2H2O O2＋4e－＋2H2O ===== 4OH－ 燃料电池 电极反应式的书写 2. CH4燃料电池电极反应式的书写 ③熔融盐介质(如K2CO3) 总反应式： 。 负极反应式： 。 正极反应式（通入CO2 ） ： 。 ④传导氧离子的固体作介质 总反应式： 。 负极反应式： 。 正极反应式： 。 CH4－8e－＋4CO32－ = ==== 5CO2＋2H2O CH4－8e－＋4O2－ = ==== CO2＋2H2O CH4＋2O2 = ==== CO2＋2H2O O2＋4e－＋2CO2 = ==== 2CO32－ CH4＋2O2 = ==== CO2＋2H2O O2＋4e－ = ==== 2O2－ (如熔融的金属氧化物，高温传导O2-) 【测】以甲醇为燃料，写出下列介质中的电极反应式。 ①酸性溶液(或含质子交换膜) 正极：______________________， 负极： _______________________________。 ②碱性溶液 正极： ______________________ ， 负极： ___________________________________ 。 O2+4e－+4H+ = ==== 2H2O CH3OH－6e－+H2O = ==== CO2↑+6H+ O2+4e－+2H2O = ==== 4OH－ CH3OH－6e－+8OH－ = ==== C+6H2O ③固体氧化物(其中O2－可以在固体介质中自由移动) 正极： _________________， 负极： _________________________________ 。 ④熔融碳酸盐(C) 正极(通入CO2)： ______________________ ， 负极： __________________________________ 。 O2+4e－ = ==== 2O2－ CH3OH－6e－+3O2－ = ==== CO2 ↑ +2H2O O2+4e－+2CO2 = ==== 2C CH3OH－6e－+3C = ==== 4CO2 ↑ +2H2O 【练1】燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4、C2H6等)与氧气(或空气)反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下列关于乙烷(C2H6)燃料电池的说法正确的是（ ） A.通入5.6 L O2完全反应后，有1 mol电子发生转移 B.负极反应式：C2H6+18OH－+14e－===2C+12H2O C.该电池工作时,正极附近 溶液的碱性增强 D.燃料电池的优点之一是燃料反应时化学能全部转化为电能 C 气体所处的状态未知，不能计算5.6 L O2的物质的量，故A错误； 乙烷燃料电池中，负极上乙烷失去电子发生氧化反应，电解质溶液呈碱性，则其电极反应式为C2H6+18OH－－14e－===2C+12H2O，故B错误； 该电池工作时，正极反应为O2+4e－+2H2O===4OH－，生成OH－，正极附近溶液的碱性增强，故C正确； 燃料的化学能不能全部转化为电能，还转化为热能等其他形式的能量，故D错误。 【练2】如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料，氧气为氧化剂，某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度在700~900 ℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，反应产物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是（ ） A.电池内的O2－由电极甲移向电极乙 B.电池总反应为N2H4+2O2===2NO+2H2O C.当电极甲上有1 mol N2H4消耗时，电极 乙上有22.4 L O2参与反应 D.电池外电路的电子由 电极甲移向电极乙 D 该装置中电极甲为负极，电极乙为正极，所以O2－由电极乙移向电极甲，A项正确； 电池的总反应为N2H4+O2===N2+2H2O，B项错误；当电极甲上消耗1 mol N2H4时，电极乙上就有1 mol O2参与反应，但题目没有指明是否处于标准状况，C项错误； 在外电路中，电子由负极(电极甲)移向正极(电极乙)，D项正确。 1.(2024·北京，3)酸性锌锰干电池的构造示意图如下。关于该电池及其工作原理，下列说法正确的是（ ） A.石墨作电池的负极材料 B.电池工作时，向负 极方向移动 C.MnO2发生氧化反应 D.锌筒发生的电极反应 为Zn－2e－===Zn2+ D 【真题演练】 酸性锌锰干电池，锌筒为负极，石墨棒为正极，A错误； 原电池工作时，阳离子向正极(石墨棒电极)方向移动，B错误； MnO2发生还原反应，C错误； 锌筒为负极，负极发生氧化反应：Zn－2e－===Zn2+，D正确。 【真题演练】 2.(2023·海南，8)利用金属Al、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是（ ） A. b电极为电池正极 B.电池工作时，海水中的Na+向a电极移动 C.电池工作时，紧邻a电极区域的海水呈强碱性 D.每消耗1 kg Al，电池最多向外提供37 mol电子的电量（Al-27） A 电池工作时，阳离子向正极移动，故海水中的Na+向b电极移动，B错误； 电池工作时，a电极反应为铝失去电子生成铝离子：Al－3e－===Al3+，铝离子水解使紧邻a电极区域的海水呈酸性，C错误； 每消耗1 kg Al(为 mol)，电池最多向外提供 mol×3= mol电子的电量，D错误。 【真题演练】 3.(2023·广东，6)负载有Pt和Ag的活性炭，可选择性去除Cl－实现废酸的纯化，其工作原理如图。下列说法正确的是（ ） A.Ag作原电池正极 B.电子由Ag经活性炭流向Pt C.Pt表面发生的电极反应： O2+2H2O+4e－===4OH－ D.每消耗标准状况下11.2 L 的O2，最多去除1 mol Cl－ B 由题图分析可知，Ag失去电子发生氧化反应，Ag为负极，A错误； 电子由负极Ag经活性炭流向正极Pt，B正确； 溶液为酸性，故Pt表面发生的电极反应为O2+4H++4e－===2H2O，C错误； 每消耗标准状况下11.2 L的O2，转移2 mol电子，最多去除2 mol Cl－，D错误。 【真题演练】 4.(2021·重庆，13)CO2电化学传感器是将环境中CO2浓度转变为电信号的装置，工作原理如图所示，其中YSZ是固体电解质，当传感器在一定温度下工作时，在熔融Li2CO3和YSZ之间的界面X会生成固体Li2O。下列说法错误的是（ ） A. C迁移方向为界面X→电极b B. 电极a上消耗的O2和电极b上产生 的CO2的质的量之比为1∶1 C.电极b为负极，发生的电极反应 为2C－4e－===O2↑+2CO2↑ D.电池总反应为Li2CO3===Li2O+CO2↑ B 根据图示可知，电极a上O2得到电子变为O2－，则a为正极；在电极b上熔融Li2CO3失去电子变为CO2、O2，则b为负极。C会向负极区移动，A正确； 依据电子守恒，可知电极a上消耗的O2和电极 b上产生的CO2的物质的量之比为1∶2，B错误； 电极b为负极，失去电子发生氧化反应，电极反应为2C－4e－===O2↑+2CO2↑，C正确； 正极上发生反应：O2+4e－===2O2－，将上述两电极反应式相加可得总反应方程式，D正确。 5.(2024·新课标卷，12)一种微型电池工作原理如图所示，电池工作时，下列叙述错误的是（ ） A.电池总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7 B.b电极上CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用 C.消耗18 mg葡萄糖，理论上a电极有0.4 mol电子流入 D.两电极间的Na+在电场驱动下的迁移方向为b→a C 该装置为原电池，a为正极，电极反应为O2+4e－+2H2O===4OH－，b为负极，发生反应：Cu2O－2e－+2OH－===2CuO+H2O，在负极区，葡萄糖被CuO氧化为葡萄糖酸： C6H12O6+2CuO===C6H12O7+Cu2O；电池的 总反应为2C6H12O6+O2===2C6H12O7，A正确； CuO将葡萄糖氧化为葡萄糖酸，自身被还原为Cu2O，Cu2O在b电极上失电子转化成CuO，因此，CuO通过Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅰ)相互转变起催化作用，B正确； 由反应2C6H12O6+O2===2C6H12O7可知， 1 mol C6H12O6参加反应时转移2 mol电子，消耗18 mg(0.1 mmol)葡萄糖时，理论上a电极有0.2 mmol电子流入，C错误； 原电池中阳离子从负极向正极迁移，故Na+迁移方向为b→a，D正确。 6.（2025⋅广东卷）某理论研究认为：燃料电池(图 的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c，其中获得第一个电子的过程最慢。判断下列说法是否正确。 A.负极反应的催化剂是 B.图a中，到过程的活化能一定最低 【真题演练】 【解析】由分析可知，氧气发生还原反应，做正极，正极反应的催化剂是 错误；图a中，到过程为获得第一个电子的过程，根据题中信息，获 得第一个电子的过程最慢，则到过程的活化能一定最高，B错误； 氢气发 生氧化反应，做负极，电极方程式为：，同时，反应负极每失 去1个电子，就会有一个通过质子交换膜进入正极室，故电池工作过程中，负 极室的溶液质量保持不变，C正确；由图可知，氧气催化循环一次需要转 移4个电子，氢气催化循环一次需要转移2个电子，相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上 的催化循环完成次数不相同，D错误；故选C。 × × 6.（2025⋅广东卷）某理论研究认为：燃料电池(图 的电极Ⅰ和Ⅱ上所发生反应的催化机理示意图分别如图a和图c，其中获得第一个电子的过程最慢。判断下列说法是否正确。 C.电池工作过程中，负极室的溶液质量保持不变 D.相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上的催化循环完成次数相同 【真题演练】 【解析】由分析可知，氧气发生还原反应，做正极，正极反应的催化剂是 错误；图a中，到过程为获得第一个电子的过程，根据题中信息，获 得第一个电子的过程最慢，则到过程的活化能一定最高，B错误； 氢气发 生氧化反应，做负极，电极方程式为：，同时，反应负极每失 去1个电子，就会有一个通过质子交换膜进入正极室，故电池工作过程中，负 极室的溶液质量保持不变，C正确；由图可知，氧气催化循环一次需要转 移4个电子，氢气催化循环一次需要转移2个电子，相同时间内，电极Ⅰ和电极Ⅱ上 的催化循环完成次数不相同，D错误；故选C。 × √ 7.江西卷)我国学者发明 了一种新型多功能甲醛—硝酸 盐电池，可同时处理废水中的 甲醛和硝酸根离子(如图)。下 列说法正确的是( ) A.CuAg电极反应为 B.放电过程中，通过质子 交换膜从左室传递到右室 C.处理废水过程中溶液不变， 无需补加KOH D.CuRu电极反应为 【解析】由分析可知，CuAg为负极，HCHO失去电子生成和，根据 得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为： 错误； 由分析可知， CuRu为正极，得到电子生成，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极 方程式为：正确； 质子交换膜只允许 通过，C错误； 由分析可知，负极电极方程式为： ，正极电极方程式为： ，总反应为 ，处理废水过程中 消耗，溶液减小，需补加错误；故选B。 D $