1、第二节第二节 化学电源化学电源 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
2、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 Zn2 eZn 2+ 正极 2NH4 +2 e2NH3H2 H22MnO2Mn2O3H2O 正极产生的 NH3又和 ZnCl2作用：Zn 2+4NH 3ZnNH34 2+ 干电池的总反应式：Zn2NH4Cl2MnO2ZnNH32Cl2Mn2O3 H2O 或 2Zn4NH4C
3、l2MnO2ZnNH32Cl2 ZnCl2Mn2O3H2O 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 15 V16 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。 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
4、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 125128 g / cm 3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：PbSO4 2-2e PbSO4 正极：PbO24H + SO4 2-2e PbSO42H2O 铅蓄电池的电压正常情况下保持 20 V，当电压下降到 185 V 时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达 118 g / cm 3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：PbSO42H2O2e PbO 24H + SO4 2- 阴极：PbSO42e Pb SO4 2
5、- 当密度增加至 128 g / cm 3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。 蓄电池放电和充电的总反应式： PbO2Pb2H2SO4 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
6、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：Zn2OH2e ZnOH 2 放电 充电 正极：Ag2OH2O2e 2Ag2OH 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：2Ag2OH2e Ag 2OH2O 阴极：ZnOH22e Zn2OH 总反应式：ZnAg2OH2O ZnOH22Ag 一粒钮扣电池的电压达159 V， 安装在电子表里可使用两年之久。 4燃料电池：燃料电池是使燃料与氧化剂反应直接产生电
7、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
8、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 放电 充电 40%的 KOH 溶液。 电极反应式为：负极 H22H 2H2OH2 e2H2O 正极 22H2O4 e4OH 电池总反应式为：2H222H2O 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：CH410OH 8e CO3 2-7H2O； 正极：4H2O2O28e 8OH。 电池总反应式为：
9、CH42O22KOHK2CO33H2O 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。 8Li3SO2Cl26LiClLi2SO32S 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
10、放出较多的电 能，放电时电压十分稳定，贮存时间长，能在 21633441K 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567711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
11、出耀眼的白光，其能量比干电池高 2050 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：Al3 eAl 3+， 正极反应：2H2OO24 e4OH。 电池总反应式为：4Al3O26H2O4AlOH3 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：Zn2eZn 2+ 正极反应：Br22e2Br 电池总反应式为：ZnBr2ZnBr2 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
12、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+2CO3 2-4e-= 4CO 2 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 -= 2CO 3 2- 。 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
13、/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+
14、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（ ） 每消耗 1molCH4可以向外电路提供 8mole - 负极上 CH4失去电子，电极反应式 CH4+10OH -8e-=CO 3 2-+7H 2O 负极上是 O2获得电子，电极反应式为 O2+2H2O+4e -=4OH- 电池放电后，溶液 PH 不断升高 A. B. C. D. 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
15、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-=CO 3 2-+7H 2O，1molCH4参加反应有 8mole -发生转移，O 2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
16、断下降，故正确，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 ( ) Aa 电极是负极 Bb 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： O 2+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
17、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 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 - = Mn 2O3(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。
