化学电源和盐桥电池
【学习目标】
1、知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点、组成和工作原理 2、掌握盐桥电池和普通单液电池的区别和联系 【主干知识梳理】 一、常见的化学电源
1、化学电源的概念：将化学能转化为电能的装置 2、化学电源的分类：一次电池、二次电池、燃料电池
(1)一次电池：一次电池的特点是活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗一定程度后，就不能再重复使用。即：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池 ①酸性锌锰干电池
结构 酸性锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质 负极 电极反应 正极 总反应 缺陷 改进措施 Zn－2e===Zn2 2MnO2＋2NH4＋2e===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O ＋－－＋酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀 a.在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池 b.将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池 碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液 负极 Zn＋2OH－2e===Zn(OH)2 2MnO2＋2H2O＋2e===2MnOOH＋2OH Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 －－－－②碱性锌锰干电池 结构 电极反应 特点 ③锌银电池 正极 总反应 比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电 负极 电极反应 特点 正极 总反应 Zn＋2OH－2e===Zn(OH)2 Ag2O＋H2O＋2e===2Ag＋2OH Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag －－－－比能量大、电压稳定、储存时间长 (2)二次电池：充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是： 化学能①铅蓄电池
铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕结构 褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开 电极反应 总反应 负极 正极
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电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)Pb(s)＋SO24(aq)－2e===PbSO4(s) －－2PbSO4(s)＋2H2O(l) PbO2(s)＋4H(aq)＋SO24(aq)＋2e===PbSO4(s)＋2H2O(l) ＋－－ 特点 常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全
②镍镉电池
结构 以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质 总反应 电极反应 负极 正极 特点 池 (3)燃料电池
燃料电池是一种持续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。它与一般的化学电源不同，一般化学燃料电池的工作原理 电池的活性物质储存在电池内部，故而限制了电池的容量，而燃料电池的电极本身不包括活性物质，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，于是电池就连续不断地提供电能 燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化特点 率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂 反应式是2H2＋O2===2H2O。氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应：
介质 酸性 中性 碱性 3、电池的优点和应用
(1)优点：能量转化率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作
(2)应用：在现代生活、生产、国防和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、电话、助电器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各式各样的电池
4、电池优劣的判断标准：判断一种电池的优劣或是否适合某种需要，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位：(W·h)/kg或(W·h)/L (2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位：W/kg或W/L (3)电池的可储存时间的长短
【微点拨】一般的，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更适合使用者的需要 5、废旧电池为什么要集中处理？
废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，1节1号干电池会使1m2的耕地失去使用价值，并通过食物链给人体健康造成危害。另一方面，废弃电池中的有色金属是宝贵的资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约
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Cd +2NiO(OH)+2H2OCd+2OH－2e=Cd(OH)2 －－2Ni(OH)2+ Cd(OH)2 2NiO(OH)+2H2O+2e=2Ni(OH)2+2OH －－寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境 ③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电氢氧燃料电池工作原理
①氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总负极反应式 2H2－4e===4H 2H2－4e===4H 2H2－4e＋4OH===4H2O －－－＋－＋正极反应式 O2＋4H＋4e===2H2O O2＋2H2O＋4e===4OH O2＋2H2O＋4e===4OH －－－－＋－②燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体
【即学即练1】
1、日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应式可简化为Zn－2e===Zn2，2NH4＋2e===2NH3↑＋H2↑(NH3与Zn2能生成一种稳定的物质)。根据上述判断，下列结论不正确的是( )
A.干电池内发生的是氧化还原反应 B.锌为负极，碳为正极
C.工作时，电子由碳极经过外电路流向锌极 D.长时间连续使用时，内装糊状物可能流出腐蚀用电器 2、下列电池工作时，O2在正极得电子的是( )
A B C D －
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＋
－
＋
锌锰电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池 镍镉电池 3、汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是( )
A.Pb是正极 B.PbO2得电子，被氧化
C.负极反应是Pb＋SO24－2e===PbSO4 D.电池放电时，溶液的酸性增强
4、燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是( )
－
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－－
A.a极是负极，该电极上发生氧化反应 B.b极反应是O2＋4OH－4e===2H2O
C.总反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 5、随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是( ) A.利用电池外壳的金属材料
B.防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染 C.防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品 D.回收其中的石墨电极
6、燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，电解质溶液是强碱溶液。下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( ) A.负极反应式：O2＋2H2O＋4e===4OH
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－－－
－
B.负极反应式：CH4＋8OH－8e===CO2＋6H2O C.随着放电的进行，溶液的c(OH)不变 D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
7、一种微生物燃料电池的结构示意图如下，关于该电池的叙述正确的是( )
A.电池工作时，电子由a流向b
B.微生物所在电极区放电时发生还原反应 C.放电过程中，H从正极区移向负极区
D.正极反应式为MnO2＋4H＋2e===Mn2＋2H2O
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二、原电池的两个装置的比较 (以铜锌原电池为例)
实验一 用一个充满电解质溶液的盐桥，讲置有锌片的Zn溶液和置有铜片的溶液连接起来，然后将锌片和铜片用导线连接，并在中间串联一个电流表，观察有什么现象发生。 实验装置图 实验现象 实验二 实验现象 ①锌片溶解，铜片加厚变亮；②电流表指针发生偏转；③CuSO4溶液的颜色变浅 取出盐桥，又有什么现象发生？ 取出装置中的盐桥，电流表的指针不偏转。如果要使电流表指针发生偏转，则该装置中必须形成闭合回路。若取出盐桥，很显然该装置未构成闭合回路，电流表指针不会发生偏转 1、盐桥的成分及作用 (1)成分：盐桥通常是装有饱和KCl或者NH4NO3琼脂溶胶的U形管，溶液不致流出来，但离子则可以在其中自由移动
(2)作用：连接两个半电池；保持溶液呈电中性
(3)半反应：即氧化反应和还原反应，也就是盐桥将原电池分成两个半电池 半电池：Zn与ZnSO4(aq)组成的锌半电池；Cu与CuSO4(aq)组成的铜半电池 2、盐桥是怎样构成原电池中的电池通路呢？
Zn棒失去电子成为Zn2+进入溶液中，使ZnSO4溶液中Zn2+过多，带正电荷。Cu2+获得电子沉积为Cu，溶液中Cu2+过少，SO42-过多，溶液带负电荷。当溶液不能保持电中性，将阻止放电作用的继续进行。盐桥的存在，其中Cl-向ZnSO4 溶液迁移，K+向CuSO4 溶液迁移，分别中和过剩的电荷，使溶液保持电中性，反应可以继续进行。盐桥中离子的定向迁移构成了电流通路，盐桥既可沟通两方溶液，又能阻止反应物的直接接触 2、原电池两个装置的比较
装置图 电极名称 电极反应 总反应 电子流向 电流流向 离子迁移 方向 负极 (锌片) Zn－2e===Zn2 (氧化反应) ＋－＋＋正极 (铜片) Cu2＋2e===Cu (还原反应) ＋－Zn＋Cu2===Zn2＋Cu 电子由负极经导线流向正极：由Zn沿导线流向Cu 电流由正极经导线流向负极：由Cu沿导线流向Zn 电解质溶液中，阴离子向负极迁移，阳离子向正极迁移 Ⅰ中：Cu2移向正极，SO42移向负极 Ⅱ中：盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极 ①无论是装置Ⅰ还是装置Ⅱ，电子均不能通过电解质溶液 ②在装置Ⅰ中，还原剂Zn与氧化剂Cu2直接接触，不可避免地会直接发生Zn＋Cu2＋＋＋＋－＋－微点拨 ===Cu＋Zn2而使化学能转化为热能，易造成能量损耗；装置Ⅱ盐桥原电池中，还原剂在负极区，而氧化剂在正极区，能避免能量损耗，所以装置Ⅱ的能量转化率高
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【即学即练2】
1、关于下图所示的原电池，下列说法正确的是( )
A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极 B．盐桥中的阴离子向硫酸铜溶液中迁移
C．锌电极发生氧化反应；铜电极发生还原反应，其电极反应是2H＋2e===H2↑ D．取出盐桥后，电流表仍会偏转，铜电极在反应前后质量不变 2、关于如图所示的原电池，下列说法正确的是( )
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A．电子从锌电极通过电流表流向铜电极 B．盐桥中的阴离子向CuSO4溶液中迁移 C．锌电极发生还原反应，铜电极发生氧化反应 D．铜电极上发生的电极反应是2H＋e===H2↑ 3、如图所示，甲和乙均是双液原电池装置。判断下列说法不正确的是( )
＋
－
甲 乙
A．甲中电池总反应的离子方程式为Cd(s)＋Co2(aq)===Co(s)＋Cd2(aq) B．反应2Ag(s)＋Cd2(aq)===Cd(s)＋2Ag(aq)能够发生 C．盐桥的作用是形成闭合回路，并使两边溶液保持电中性 D．乙电池中有1 mol电子通过外电路时，正极有108 g Ag析出 【课后作业】
1、随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是( ) A．利用电池外壳的金属材料
B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染 C．防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品 D．回收其中石墨电极
2、据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是( ) A．锌为正极，空气进入负极反应 B．负极反应为Zn－2e===Zn2 C．正极发生氧化反应 D．电解液为强酸
3、某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是( )
A．Zn为电池的负极 B．正极反应式为2FeO24＋10H＋6e===Fe2O3＋5H2O C．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大 D．电池工作时OH向负极迁移
4、铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4
＋2H2O。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．SO24只向PbO2处移动 D．电解质溶液的密度不断减小
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课时4.2 化学电源及盐桥电池-高二化学选修4精品讲义(人教版)
