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人教版 (2019)选择性必修1第一节 原电池教案
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这是一份人教版 (2019)选择性必修1第一节 原电池教案，共22页。
[明确学习目标] 1.了解和学习电池的分类、优点及适用范围。2.了解几类化学电源的构造、原理。3.掌握原电池电极方程式及总反应方程式的书写。
1．化学电源
(1)概念：化学电源是将化学能变成电能的装置。
(2)化学电源的分类
eq \a\vs4\al(化学,电源)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(□,\s\up2(01))一次电池普通\(□,\s\up2(02))锌锰电池、\(□,\s\up2(03))碱性锌锰电池,\(□,\s\up2(04))二次电池\(□,\s\up2(05))铅酸蓄电池,\(□,\s\up2(06))燃料电池\(□,\s\up2(07))氢氧燃料电池))
(3)判断电池优劣的主要标准
①比能量：即单位质量或单位体积所能输出eq \(□,\s\up2(08))电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。
②比功率：即单位质量或单位体积所能输出eq \(□,\s\up2(09))功率的多少，单位W/kg或W/L。
③电池的可储存eq \(□,\s\up2(10))时间的长短。
2．常见的一次电池——碱性锌锰电池
(1)组成：碱性锌锰电池的负极是eq \(□,\s\up2(01))Zn，正极是eq \(□,\s\up2(02))MnO2，电解质是eq \(□,\s\up2(03))KOH。
(2)工作原理
负极：eq \(□,\s\up2(04))Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：eq \(□,\s\up2(05))2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
总反应：eq \(□,\s\up2(06))Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
3．常见的二次电池——铅酸蓄电池
(1)铅酸蓄电池的结构
铅酸蓄电池是最常见的二次电池。铅酸蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，铅酸蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的eq \(□,\s\up2(01))PbO2，负极板上覆盖有海绵状的金属eq \(□,\s\up2(02))Pb，两极均浸入eq \(□,\s\up2(03))稀硫酸溶液中。如图所示：
(2)铅酸蓄电池的工作原理
放电和充电是不同条件下的正、逆反应过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2PbSO4＋2H2O
①放电时——原电池
负极：eq \(□,\s\up2(04))Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4(氧化反应)
正极：eq \(□,\s\up2(05))PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应)
总反应：eq \(□,\s\up2(06))Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
②充电时——电解池
阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)(还原反应)
阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)(氧化反应)
总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
(3)铅酸蓄电池的优缺点
①优点：可重复使用、电压eq \(□,\s\up2(07))稳定、使用方便、安全可靠、价格eq \(□,\s\up2(08))低廉，在生产生活中应用广泛。
②缺点：eq \(□,\s\up2(09))比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。
4．氢氧燃料电池
(1)组成：电极材料为Pt，负极通入eq \(□,\s\up2(01))H2，正极通入eq \(□,\s\up2(02))O2，电解质是H2SO4。工作原理示意图如下：
(2)工作原理
负极：eq \(□,\s\up2(03))H2－2e－===2H＋
正极：eq \(□,\s\up2(04))eq \f(1,2)O2＋2H＋＋2e－===H2O
总反应：eq \(□,\s\up2(05))H2＋eq \f(1,2)O2===H2O
(3)优点：①能量转换率高，超过80%，远高于普通燃烧过程。
②污染小，被誉为“eq \(□,\s\up2(06))绿色”发电站。
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池。( )
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( )
(3)铅酸蓄电池放电时，正极与负极质量均增加。( )
(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。( )
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能。( )
(6)铅酸蓄电池工作时，当电路中转移0.1 ml电子时，负极增重4.8 g。( )
答案 (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
2．下列电池工作时，O2在正极放电的是( )
答案 B
3．某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液，电池总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。则下列说法不正确的是( )
A．Zn为电池的负极
B．正极反应式为2FeOeq \\al(2－,4)＋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
答案 B
知识点 化学电源的电极反应的书写
分析一个化学电源的关键是能够正确地写出其正、负两极的电极反应，通过分析两极反应式才能够分析出两极的产物、现象及变化，溶(熔融)液中离子的移动方向、溶(熔融)液中成分的变化以及电路中产生的电量与两极变化量、溶液变化量的关系等。
1．简单原电池电极反应的书写
书写简单原电池电极反应式时，可按照负极活泼金属失去电子生成阳离子，发生氧化反应，正极阳离子得到电子生成单质，发生还原反应的规律进行书写。首先判断出电极反应产物，然后结合电极反应物及转移电子数量写出反应式，最后结合质量守恒、电荷守恒配平各电极反应式。两电极反应式相加则得到电池反应。
2．根据总反应写电极反应
若题中给出总反应，可根据化合价的变化，分析此反应中的氧化反应(负极反应)和还原反应(正极反应)，然后写出其中较简单的电极反应，另一电极反应可用总反应减去已写出的电极反应得到。
以2H2＋O2===2H2O(KOH溶液作电解质溶液)为例，说明电极反应的书写。根据总反应中化合价变化，可知2 ml H2失去4 ml电子，初步确定负极反应为2H2－4e－===4H＋；由于电解质溶液中OH－与H＋不能共存，故负极反应应写成2H2＋4OH－－4e－===4H2O。用总反应减去负极反应即得正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
3．可充电电池电极反应的书写
在书写可充电电池电极反应时，要明确可充电电池放电时为原电池，充电时为电解池。
(1)原电池的负极与电解池的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。
(2)原电池的正极与电解池的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。
4．燃料电池电极反应的书写
(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。
(2)正极反应的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)。
(3)负极反应的书写
若负极通入的气体为含碳化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价的碳，在酸性溶液中生成二氧化碳气体，在碱性溶液中生成碳酸根离子，在熔融碳酸盐中生成二氧化碳，含有氢元素的化合物的电极反应最终都有水生成。
燃料电池的总反应－正极反应＝负极反应，注意将两个反应相减时，要约去正极反应物O2。
以甲烷燃料电池为例：
①酸性条件
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
②碱性条件
总反应：CH4＋2O2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋3H2O Ⅰ
正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
③固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋4e－===2O2－ Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3) Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4COeq \\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O
[解析] (1)在酸式介质中，负极是氢气失电子生成H＋，电极反应式为2H2－4e－===4H＋；正极是氧气得电子生成OH－，OH－结合H＋生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，由于正、负极消耗与生成的氢离子等量，所以H＋的总量不变，而总电极反应式为2H2＋O2===2H2O，水的量增加，H＋浓度减小，pH变大。
(2)在碱式介质中，氢气在负极失去电子生成H＋，H＋结合OH－生成水，电极反应式为2H2－4e－＋4OH－===4H2O；氧气在正极得电子生成OH－，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，由于正、负极生成与消耗的OH－等量，所以OH－的总量不变，而总电极反应式为2H2＋O2===2H2O，水的量增加，OH－浓度减小，pH变小。
(3)电解水获得H2消耗较多的能量，而在催化剂作用下利用太阳能来分解H2O获得H2更为科学，A正确；氢氧燃料电池产物H2O无污染，能有效保护环境，B正确；以稀H2SO4、KOH溶液为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式分别为H2－2e－===2H＋、H2－2e－＋2OH－===2H2O，不相同，C错误；以稀H2SO4、KOH溶液为介质的氢氧燃料电池的总反应式均为2H2＋O2===2H2O，D正确。
[答案] (1)H2 O2 2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O 变大
(2)2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 变小
(3)C
方法指导
燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，在不同电解质环境中，其正极反应的书写形式有所不同。因此在书写正极反应时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
(1)燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能出现OH－，碱性溶液中不能出现H＋，水溶液中不能出现O2－，而固体电解质中O2被还原为O2－。
(2)正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下相加，所得到的电池反应是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加。
[练1] 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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)。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为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
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0.2 ml电子，锌的质量理论上减少6.5 g
答案 C
解析 从总反应Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)可以看出，Zn失电子被氧化，Zn为负极，A项正确；根据总反应和化合价变化可写出正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－，B项正确；电池工作时，电子从负极流出经外电路流向正极，C项错误；当外电路中通过0.2 ml电子时，参加反应的锌理论上为0.1 ml，其质量减少6.5 g，D项正确。
[练2] 科学家预言，燃料电池将成为21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作电极催化剂，在电解质溶液稀硫酸中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：
(1)该电池的总反应是 。
(2)该电池正极发生的电极反应是 ；负极发生的电极反应是 。
(3)电解质溶液中的H＋向 (填“正极”或“负极”，后同)移动；向外电路释放电子的电极是 。
(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转换率高，其次是 。
答案 (1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
(3)正极 负极
(4)对空气的污染较小
解析 因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，且其电解质溶液为稀硫酸，所以该电池的总反应是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。在稀硫酸中，其正极反应为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，然后在得失电子守恒的基础上利用总反应减去正极反应即得负极反应：2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋。电池放电时阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故H＋向正极移动；由原电池原理知负极失电子后，电子经导线流向正极，所以向外电路释放电子的电极是负极。
知识拓展
几种常见的化学电源
1．锌银电池
(1)构成：常见的纽扣电池为锌银电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠正极壳一端填充由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组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。
(2)电极反应及电池总反应
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
2．镍镉电池
3．燃料电池
续表
本课归纳总结
1．环境保护意识越来越深入人心，许多城市对垃圾实行分类回收处理。废旧电池集中处理的首要原因是( )
A．回收电池中的石墨电极
B．回收电池外壳金属材料
C．防止电池中汞、镉、铜等重金属对土壤和水源的污染
D．防止电池中的渗出液腐蚀其他物品
答案 C
解析 电池中含有的汞、镉、铜等重金属对土壤和水源都会产生污染，需要集中处理。
2．下列关于铅酸蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)
答案 B
解析 铅酸蓄电池的充放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2PbSO4＋2H2O，放电时Pb作负极，电极反应为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4，PbO2作正极，电极反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4＋2H2O；充电时，硫酸的浓度不断增大，阳极上发生的反应是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)。
3．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( )
A．a电极是负极，该电极上发生氧化反应
B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===4H2O
C．电池总反应为2H2＋O2===2H2O
D．该电池使用过程中电解质溶液的pH逐渐减小
答案 B
解析 氢氧燃料电池工作时，通入氢气的一极(a极)为电池的负极，发生氧化反应，A项正确；通入氧气的一极(b极)为电池的正极，发生还原反应，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B项错误；氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，C项正确；电池工作时生成水，c(OH－)逐渐减小，则pH逐渐减小，D项正确。
4．甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )
A．负极反应为CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
B．正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．随着不断放电，电解质溶液的碱性不变
D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
答案 C
解析 因甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池反应是CH4＋2OH－＋2O2===COeq \\al(2－,3)＋3H2O。从总反应可以看出，反应消耗OH－，故电解质溶液的碱性减弱，C项错误。在KOH溶液中，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，通入甲烷的一极为负极，其电极反应为CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O，A、B项均正确。根据能量转化规律，甲烷燃烧时产生的热能不可能全部转化为功，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大很多，D项正确。
5．某兴趣小组设计如下图所示的原电池装置，下列有关说法正确的是( )
A．锌板是原电池的负极，发生还原反应
B．电子流向：锌板→灯泡→银板→湿布→锌板
C．银板上的电极反应：Ag＋Cl－－e－===AgCl
D．电池总反应：2Zn＋O2＋2H2O===2Zn(OH)2
答案 D
解析 通过对原电池装置的分析可知，锌板是原电池的负极，发生氧化反应，银板是原电池的正极，发生还原反应，选项A错误；电子的流向为锌板→灯泡→银板，选项B错误；银板是原电池的正极，银板上的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，选项C错误；锌板是原电池的负极，负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，故总的电池反应为2Zn＋O2＋2H2O===2Zn(OH)2，选项D正确。
6．应用电化学原理，回答下列问题：
(1)上述三个装置中，负极反应物化学性质上的共同特点是 。
(2)甲中电流计指针偏移时，盐桥(装有含琼胶的KCl饱和溶液)中离子移动的方向是 。
(3)乙中正极反应式为 ；若将H2换成CH4，则负极反应式为 。
(4)丙中铅酸蓄电池放电一段时间后，进行充电时，要将外接电源的负极与铅酸蓄电池 极相连接。
(5)应用原电池反应可以探究氧化还原反应进行的方向和程度。现连接如图装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应)，进行实验：
ⅰ.K闭合时，指针偏移。放置一段时间后，指针偏移减小。
ⅱ.随后向U形管左侧逐渐加入浓Fe2(SO4)3溶液，发现电流表指针的变化依次为：偏移减小→回到零点→逆向偏移。
①实验ⅰ中银作 极。
②综合实验ⅰ、ⅱ的现象，得出Ag＋和Fe2＋反应的离子方程式是 。
答案 (1)易失电子被氧化，具有还原性
(2)钾离子移向硫酸铜溶液、氯离子移向硫酸锌溶液
(3)O2＋4e－＋2H2O===4OH－
CH4－8e－＋10OH－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
(4)负 (5)①正 ②Fe2＋＋Ag＋Fe3＋＋Ag
解析 (1)负极反应物中有元素化合价升高，发生氧化反应，相应物质本身具有还原性，即负极反应物化学性质上的共同特点是易失电子被氧化，具有还原性。
(2)原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则盐桥中的钾离子会移向硫酸铜溶液，氯离子移向硫酸锌溶液。
(3)乙中装置为碱性氢氧燃料电池，正极上氧气得电子发生还原反应生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；若将H2换成CH4，则负极反应式为CH4－8e－＋10OH－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O。
(4)丙中铅酸蓄电池放电一段时间后，进行充电时，要将负极中的硫酸铅变成单质铅，发生还原反应，所以应作电解池的阴极，则与电源的负极相连。
(5)①亚铁离子失电子发生氧化反应，所以石墨电极作负极，银作正极；②综合实验ⅰ、ⅱ的现象，可知Ag＋和Fe2＋的反应可逆，故得出Ag＋和Fe2＋反应的离子方程式：Fe2＋＋Ag＋Fe3＋＋Ag。
课时作业
一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)
1．下列说法中正确的是( )
A．碱性锌锰电池是二次电池
B．铅酸蓄电池是一次电池
C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生
D．燃料电池的活性物质储存在电池内
答案 C
解析 碱性锌锰电池是一次电池，铅酸蓄电池是二次电池；燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外界不断输入电池。
2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质为KOH，电极反应为：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。根据上述反应式，判断下列叙述正确的是( )
A．使用过程中，电池负极区溶液的pH增大
B．使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应
答案 C
解析 在使用过程中，电池负极区消耗OH－，则负极区溶液的pH减小，A错误；因负极是Zn，正极是Ag2O，电子应从负极(Zn)流向正极(Ag2O)，B错误、C正确；Zn电极发生氧化反应，Ag2O电极发生还原反应，D错误。
3．镍镉(NiCd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充放电按下式进行：
Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
答案 A
解析 A项，充电时阳极发生氧化反应，电极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiO(OH)＋H2O，正确；B项，充电时，电能转化为化学能，错误；C项，由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极碱性变弱，错误；D项，正极反应为2NiO(OH)＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－，放电时，OH－由正极向负极移动(内电路)，错误。
4．如图所示为氢氧燃料电池原理示意图，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
答案 B
解析 从图中可看出a电极处进入的是H2，b电极处进入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失电子被氧化，a为负极；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故B项不正确。
5．一种燃料电池中发生的化学反应为甲醇与氧气在酸性溶液中作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是( )
A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)
B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)
C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)
D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－
答案 C
解析 甲醇与氧气反应的化学方程式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，被氧化的元素为碳，即负极上甲醇失电子放电，其电极反应为CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)。
6．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一特点，科学家发明了电动势法测水泥初凝的时间。此方法的原理如图所示，反应的总方程式为2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。下列说法中正确的是( )
A．测量过程中，氧化银被氧化成单质银
B．测量原理示意图中，Ag2O为负极
C．负极的电极反应：2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O
D．工作中电流由Cu电极流向Ag2O电极
答案 C
解析 由原理图知，这是一个原电池，铜作负极，发生氧化反应，氧化银在正极上被还原，A、B均错误；由总反应方程式知，负极铜反应后生成Cu2O，C正确；电流方向与电子流动方向相反，D错误。
7．固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的。它以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是( )
A．有O2放电的a极为电池的负极
B．有H2放电的b极为电池的负极
C．a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．b极对应的电极反应为2H2－4e－＋4OH－===4H2O
答案 B
解析 本题应结合信息和图示判断燃料电池的正负极及电极反应。原电池中失去电子的物质在负极发生氧化反应，故通入H2的b极为负极，通入O2的a极为正极。根据图示，a极对应的电极反应为O2＋4e－===2O2－，b极对应的电极反应为H2＋O2－－2e－===H2O。
二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)
8．以氨气代替氢气来研发氨燃料电池是当前科研的一个热点。氨燃料电池使用的电解质溶液是KOH溶液，电池反应为4NH3＋3O2eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2N2＋6H2O。下列有关说法错误的是( )
A．氨燃料电池在充电时，OH－向电池的负极移动
B．氨燃料电池在放电时，负极反应为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
C．以氨气代替氢气的主要优点是氨气易液化、易储存
D．燃料电池的能量转化率一般比普通电池的高
答案 A
解析 充电为电解过程，OH－向阳极移动，即向电池的正极移动，A错误；氨燃料电池在放电时，负极反应为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，B正确；氨气的沸点比氢气高，易液化、易储存，C正确；燃料电池的能量转化率一般比普通电池的高，D正确。
9．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图所示，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是( )
A．电流通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．每转移0.1 ml电子，消耗1.12 L的H2
D．H＋由a极通过固体电解质移向b极
答案 AD
解析 由电池总反应及原电池原理可知，充入H2的一极(a极)是负极，充入O2的一极(b极)是正极；电流由正极经外电路流向负极；电池内部阳离子即H＋移向正极，b极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B项错误，A、D两项正确。C项没有指明标准状况，错误。
10．某准晶体X由一定比例的Al、Fe、Cu组成，取两小块该准晶体：一块投入到盛KOH溶液的烧杯①中，另一块投入到盛稀硫酸的烧杯②中，两烧杯中固体均被液体浸没。下列分析合理的是( )
A．烧杯①中若构成微型电池，正极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
B．烧杯①中若铝、铜作电极构成微型电池，负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O
C．烧杯②中可能构成三种微型电池，且正极反应相同
D．烧杯②中溶液最终呈蓝色
答案 BC
解析 烧杯①中若构成微型电池，则正极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A项错误；烧杯①中若铝、铜作电极构成微型电池，则金属Al作负极，失去电子，电极反应为Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O，B项正确；烧杯②中可构成AlFe原电池、AlCu原电池、FeCu原电池，三种原电池的正极反应均为2H＋＋2e－===H2↑，C项正确；烧杯②中Cu不会溶解，溶液不会呈蓝色，D项错误。
11．已知反应AsOeq \\al(3－,4)＋2I－＋2H＋AsOeq \\al(3－,3)＋I2＋H2O是可逆反应。设计如图装置(C1、C2均为石墨电极)，分别进行下述操作：
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸
Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40% NaOH溶液
结果发现电流计指针均发生偏转，据此，下列判断正确的是( )
A．操作Ⅰ过程中，C1为正极
B．操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向B烧杯溶液
C．操作Ⅰ过程中，C2棒上发生的反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2H＋＋2e－===AsOeq \\al(3－,3)＋H2O
D．操作Ⅱ过程中，C1棒上发生的反应为2I－－2e－===I2
答案 C
解析 操作Ⅰ加入盐酸，反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2I－＋2H＋AsOeq \\al(3－,3)＋I2＋H2O向正反应方向移动，C1极上I－被氧化为I2，故C1为负极，C2为正极，C2棒上AsOeq \\al(3－,4)得电子，被还原为AsOeq \\al(3－,3)，电极反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2H＋＋2e－===AsOeq \\al(3－,3)＋H2O，故A项错误，C项正确；操作Ⅱ向B烧杯中逐滴加入40% NaOH溶液，反应向逆反应方向进行，B烧杯中AsOeq \\al(3－,3)被氧化为AsOeq \\al(3－,4)，即C2为负极，C1为正极，A烧杯中C1棒上I2被还原为I－，电极反应为I2＋2e－===2I－，盐桥中K＋(阳离子)向正极移动，即移向A烧杯，故B、D两项错误。
三、非选择题(本题共2小题)
12．LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。
请回答下列问题：
(1)电池的负极材料为 ，发生的电极反应为 。
(2)电池正极发生的电极反应为 。
(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是 ，反应的化学方程式为 。
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是 。
答案 (1)Li Li－e－===Li＋
(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
(3)出现白雾，有刺激性气味气体生成 SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑
(4)构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
解析 分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。
(1)负极材料为Li(还原剂)，电极反应式为Li－e－===Li＋。
(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。
(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，所以实验现象应该为出现白雾和有刺激性气味气体生成。
(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。
13．以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。
(1)A为生物燃料电池的 (填“正”或“负”)极。
(2)正极反应式为 。
(3)放电过程中，H＋由 极区向 极区迁移(填“正”或“负”)。
(4)在电池反应中，每消耗1 ml氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是 。
答案 (1)正 (2)O2＋4H＋＋4e－===2H2O
(3)负 正 (4)22.4 L
解析 分析题干中的电池的构造图可知：A极上发生的反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故A为正极，B极上的反应为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，H＋通过质子交换膜由负极区移向正极区；每消耗1 ml O2外电路转移4 ml e－，故负极区生成CO2的物质的量为eq \f(4 ml,24 ml)×6 ml＝1 ml，在标准状况下的体积为22.4 L。
组成材料
Cd(负极)、NiO(OH)(正极)、KOH溶液(电解质溶液)
放电时电极反应
负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
充电时电极反应
阴极：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O
工作原理
Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
名称
电解质
电极反应
总反应
甲烷燃
料电池
KOH
正极(通O2)：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；负极(通CH4)：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
CH4＋2O2＋2KOH=== K2CO3＋3H2O
甲醇燃
料电池
KOH
正极(通O2)：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；
负极(通CH3OH)：2CH3OH＋16OH－－12e－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
名称
电解质
电极反应
总反应
肼燃料电池
KOH
正极(通O2)：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
负极(通N2H4)：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
N2H4＋O2===N2＋2H2O
[明确学习目标] 1.了解和学习电池的分类、优点及适用范围。2.了解几类化学电源的构造、原理。3.掌握原电池电极方程式及总反应方程式的书写。
1．化学电源
(1)概念：化学电源是将化学能变成电能的装置。
(2)化学电源的分类
eq \a\vs4\al(化学,电源)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(\(□,\s\up2(01))一次电池普通\(□,\s\up2(02))锌锰电池、\(□,\s\up2(03))碱性锌锰电池,\(□,\s\up2(04))二次电池\(□,\s\up2(05))铅酸蓄电池,\(□,\s\up2(06))燃料电池\(□,\s\up2(07))氢氧燃料电池))
(3)判断电池优劣的主要标准
①比能量：即单位质量或单位体积所能输出eq \(□,\s\up2(08))电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。
②比功率：即单位质量或单位体积所能输出eq \(□,\s\up2(09))功率的多少，单位W/kg或W/L。
③电池的可储存eq \(□,\s\up2(10))时间的长短。
2．常见的一次电池——碱性锌锰电池
(1)组成：碱性锌锰电池的负极是eq \(□,\s\up2(01))Zn，正极是eq \(□,\s\up2(02))MnO2，电解质是eq \(□,\s\up2(03))KOH。
(2)工作原理
负极：eq \(□,\s\up2(04))Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：eq \(□,\s\up2(05))2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
总反应：eq \(□,\s\up2(06))Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
3．常见的二次电池——铅酸蓄电池
(1)铅酸蓄电池的结构
铅酸蓄电池是最常见的二次电池。铅酸蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，铅酸蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的eq \(□,\s\up2(01))PbO2，负极板上覆盖有海绵状的金属eq \(□,\s\up2(02))Pb，两极均浸入eq \(□,\s\up2(03))稀硫酸溶液中。如图所示：
(2)铅酸蓄电池的工作原理
放电和充电是不同条件下的正、逆反应过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2PbSO4＋2H2O
①放电时——原电池
负极：eq \(□,\s\up2(04))Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4(氧化反应)
正极：eq \(□,\s\up2(05))PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应)
总反应：eq \(□,\s\up2(06))Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
②充电时——电解池
阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)(还原反应)
阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)(氧化反应)
总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4
(3)铅酸蓄电池的优缺点
①优点：可重复使用、电压eq \(□,\s\up2(07))稳定、使用方便、安全可靠、价格eq \(□,\s\up2(08))低廉，在生产生活中应用广泛。
②缺点：eq \(□,\s\up2(09))比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。
4．氢氧燃料电池
(1)组成：电极材料为Pt，负极通入eq \(□,\s\up2(01))H2，正极通入eq \(□,\s\up2(02))O2，电解质是H2SO4。工作原理示意图如下：
(2)工作原理
负极：eq \(□,\s\up2(03))H2－2e－===2H＋
正极：eq \(□,\s\up2(04))eq \f(1,2)O2＋2H＋＋2e－===H2O
总反应：eq \(□,\s\up2(05))H2＋eq \f(1,2)O2===H2O
(3)优点：①能量转换率高，超过80%，远高于普通燃烧过程。
②污染小，被誉为“eq \(□,\s\up2(06))绿色”发电站。
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池。( )
(2)手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。( )
(3)铅酸蓄电池放电时，正极与负极质量均增加。( )
(4)碱性锌锰干电池是一次电池，其中MnO2是催化剂，可使锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。( )
(5)燃料电池工作时燃料在电池中燃烧，然后热能转化为电能。( )
(6)铅酸蓄电池工作时，当电路中转移0.1 ml电子时，负极增重4.8 g。( )
答案 (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√
2．下列电池工作时，O2在正极放电的是( )
答案 B
3．某电池以K2FeO4和Zn为电极材料，KOH溶液为电解质溶液，电池总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。则下列说法不正确的是( )
A．Zn为电池的负极
B．正极反应式为2FeOeq \\al(2－,4)＋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
答案 B
知识点 化学电源的电极反应的书写
分析一个化学电源的关键是能够正确地写出其正、负两极的电极反应，通过分析两极反应式才能够分析出两极的产物、现象及变化，溶(熔融)液中离子的移动方向、溶(熔融)液中成分的变化以及电路中产生的电量与两极变化量、溶液变化量的关系等。
1．简单原电池电极反应的书写
书写简单原电池电极反应式时，可按照负极活泼金属失去电子生成阳离子，发生氧化反应，正极阳离子得到电子生成单质，发生还原反应的规律进行书写。首先判断出电极反应产物，然后结合电极反应物及转移电子数量写出反应式，最后结合质量守恒、电荷守恒配平各电极反应式。两电极反应式相加则得到电池反应。
2．根据总反应写电极反应
若题中给出总反应，可根据化合价的变化，分析此反应中的氧化反应(负极反应)和还原反应(正极反应)，然后写出其中较简单的电极反应，另一电极反应可用总反应减去已写出的电极反应得到。
以2H2＋O2===2H2O(KOH溶液作电解质溶液)为例，说明电极反应的书写。根据总反应中化合价变化，可知2 ml H2失去4 ml电子，初步确定负极反应为2H2－4e－===4H＋；由于电解质溶液中OH－与H＋不能共存，故负极反应应写成2H2＋4OH－－4e－===4H2O。用总反应减去负极反应即得正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
3．可充电电池电极反应的书写
在书写可充电电池电极反应时，要明确可充电电池放电时为原电池，充电时为电解池。
(1)原电池的负极与电解池的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。
(2)原电池的正极与电解池的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。
4．燃料电池电极反应的书写
(1)燃料电池的正、负极均为惰性电极，均不参与反应。
(2)正极反应的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为氧离子即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，正极反应的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的氧离子与氢离子结合生成水，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性溶液中，氧离子与氢氧根离子不能结合，只能与水结合生成氢氧根离子，电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
③在熔融碳酸盐中，氧离子能与二氧化碳结合生成碳酸根离子，电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)。
(3)负极反应的书写
若负极通入的气体为含碳化合物CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为正四价的碳，在酸性溶液中生成二氧化碳气体，在碱性溶液中生成碳酸根离子，在熔融碳酸盐中生成二氧化碳，含有氢元素的化合物的电极反应最终都有水生成。
燃料电池的总反应－正极反应＝负极反应，注意将两个反应相减时，要约去正极反应物O2。
以甲烷燃料电池为例：
①酸性条件
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
②碱性条件
总反应：CH4＋2O2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋3H2O Ⅰ
正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
③固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋4e－===2O2－ Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O Ⅰ
正极反应：O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3) Ⅱ
Ⅰ－Ⅱ×2，得负极反应：CH4＋4COeq \\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O
[解析] (1)在酸式介质中，负极是氢气失电子生成H＋，电极反应式为2H2－4e－===4H＋；正极是氧气得电子生成OH－，OH－结合H＋生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，由于正、负极消耗与生成的氢离子等量，所以H＋的总量不变，而总电极反应式为2H2＋O2===2H2O，水的量增加，H＋浓度减小，pH变大。
(2)在碱式介质中，氢气在负极失去电子生成H＋，H＋结合OH－生成水，电极反应式为2H2－4e－＋4OH－===4H2O；氧气在正极得电子生成OH－，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，由于正、负极生成与消耗的OH－等量，所以OH－的总量不变，而总电极反应式为2H2＋O2===2H2O，水的量增加，OH－浓度减小，pH变小。
(3)电解水获得H2消耗较多的能量，而在催化剂作用下利用太阳能来分解H2O获得H2更为科学，A正确；氢氧燃料电池产物H2O无污染，能有效保护环境，B正确；以稀H2SO4、KOH溶液为介质的氢氧燃料电池的负极电极反应式分别为H2－2e－===2H＋、H2－2e－＋2OH－===2H2O，不相同，C错误；以稀H2SO4、KOH溶液为介质的氢氧燃料电池的总反应式均为2H2＋O2===2H2O，D正确。
[答案] (1)H2 O2 2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O 变大
(2)2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 变小
(3)C
方法指导
燃料电池正极反应的本质是O2＋4e－===2O2－，在不同电解质环境中，其正极反应的书写形式有所不同。因此在书写正极反应时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
(1)燃料电池的电极反应中，酸性溶液中不能出现OH－，碱性溶液中不能出现H＋，水溶液中不能出现O2－，而固体电解质中O2被还原为O2－。
(2)正负两极的电极反应在得失电子守恒的前提下相加，所得到的电池反应是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加。
[练1] 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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)。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为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
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0.2 ml电子，锌的质量理论上减少6.5 g
答案 C
解析 从总反应Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)可以看出，Zn失电子被氧化，Zn为负极，A项正确；根据总反应和化合价变化可写出正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－，B项正确；电池工作时，电子从负极流出经外电路流向正极，C项错误；当外电路中通过0.2 ml电子时，参加反应的锌理论上为0.1 ml，其质量减少6.5 g，D项正确。
[练2] 科学家预言，燃料电池将成为21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作电极催化剂，在电解质溶液稀硫酸中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：
(1)该电池的总反应是 。
(2)该电池正极发生的电极反应是 ；负极发生的电极反应是 。
(3)电解质溶液中的H＋向 (填“正极”或“负极”，后同)移动；向外电路释放电子的电极是 。
(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转换率高，其次是 。
答案 (1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
(2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
(3)正极 负极
(4)对空气的污染较小
解析 因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，且其电解质溶液为稀硫酸，所以该电池的总反应是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。在稀硫酸中，其正极反应为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，然后在得失电子守恒的基础上利用总反应减去正极反应即得负极反应：2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋。电池放电时阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故H＋向正极移动；由原电池原理知负极失电子后，电子经导线流向正极，所以向外电路释放电子的电极是负极。
知识拓展
几种常见的化学电源
1．锌银电池
(1)构成：常见的纽扣电池为锌银电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠正极壳一端填充由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组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。
(2)电极反应及电池总反应
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
2．镍镉电池
3．燃料电池
续表
本课归纳总结
1．环境保护意识越来越深入人心，许多城市对垃圾实行分类回收处理。废旧电池集中处理的首要原因是( )
A．回收电池中的石墨电极
B．回收电池外壳金属材料
C．防止电池中汞、镉、铜等重金属对土壤和水源的污染
D．防止电池中的渗出液腐蚀其他物品
答案 C
解析 电池中含有的汞、镉、铜等重金属对土壤和水源都会产生污染，需要集中处理。
2．下列关于铅酸蓄电池的说法正确的是( )
A．放电时，正极发生的反应是Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4
B．放电时，该电池的负极材料是铅板
C．充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋SOeq \\al(2－,4)
答案 B
解析 铅酸蓄电池的充放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2PbSO4＋2H2O，放电时Pb作负极，电极反应为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4，PbO2作正极，电极反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4＋2H2O；充电时，硫酸的浓度不断增大，阳极上发生的反应是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)。
3．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( )
A．a电极是负极，该电极上发生氧化反应
B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===4H2O
C．电池总反应为2H2＋O2===2H2O
D．该电池使用过程中电解质溶液的pH逐渐减小
答案 B
解析 氢氧燃料电池工作时，通入氢气的一极(a极)为电池的负极，发生氧化反应，A项正确；通入氧气的一极(b极)为电池的正极，发生还原反应，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B项错误；氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，C项正确；电池工作时生成水，c(OH－)逐渐减小，则pH逐渐减小，D项正确。
4．甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )
A．负极反应为CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
B．正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．随着不断放电，电解质溶液的碱性不变
D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大
答案 C
解析 因甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池反应是CH4＋2OH－＋2O2===COeq \\al(2－,3)＋3H2O。从总反应可以看出，反应消耗OH－，故电解质溶液的碱性减弱，C项错误。在KOH溶液中，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，通入甲烷的一极为负极，其电极反应为CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O，A、B项均正确。根据能量转化规律，甲烷燃烧时产生的热能不可能全部转化为功，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大很多，D项正确。
5．某兴趣小组设计如下图所示的原电池装置，下列有关说法正确的是( )
A．锌板是原电池的负极，发生还原反应
B．电子流向：锌板→灯泡→银板→湿布→锌板
C．银板上的电极反应：Ag＋Cl－－e－===AgCl
D．电池总反应：2Zn＋O2＋2H2O===2Zn(OH)2
答案 D
解析 通过对原电池装置的分析可知，锌板是原电池的负极，发生氧化反应，银板是原电池的正极，发生还原反应，选项A错误；电子的流向为锌板→灯泡→银板，选项B错误；银板是原电池的正极，银板上的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，选项C错误；锌板是原电池的负极，负极电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，故总的电池反应为2Zn＋O2＋2H2O===2Zn(OH)2，选项D正确。
6．应用电化学原理，回答下列问题：
(1)上述三个装置中，负极反应物化学性质上的共同特点是 。
(2)甲中电流计指针偏移时，盐桥(装有含琼胶的KCl饱和溶液)中离子移动的方向是 。
(3)乙中正极反应式为 ；若将H2换成CH4，则负极反应式为 。
(4)丙中铅酸蓄电池放电一段时间后，进行充电时，要将外接电源的负极与铅酸蓄电池 极相连接。
(5)应用原电池反应可以探究氧化还原反应进行的方向和程度。现连接如图装置并加入药品(盐桥中的物质不参与反应)，进行实验：
ⅰ.K闭合时，指针偏移。放置一段时间后，指针偏移减小。
ⅱ.随后向U形管左侧逐渐加入浓Fe2(SO4)3溶液，发现电流表指针的变化依次为：偏移减小→回到零点→逆向偏移。
①实验ⅰ中银作 极。
②综合实验ⅰ、ⅱ的现象，得出Ag＋和Fe2＋反应的离子方程式是 。
答案 (1)易失电子被氧化，具有还原性
(2)钾离子移向硫酸铜溶液、氯离子移向硫酸锌溶液
(3)O2＋4e－＋2H2O===4OH－
CH4－8e－＋10OH－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
(4)负 (5)①正 ②Fe2＋＋Ag＋Fe3＋＋Ag
解析 (1)负极反应物中有元素化合价升高，发生氧化反应，相应物质本身具有还原性，即负极反应物化学性质上的共同特点是易失电子被氧化，具有还原性。
(2)原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，则盐桥中的钾离子会移向硫酸铜溶液，氯离子移向硫酸锌溶液。
(3)乙中装置为碱性氢氧燃料电池，正极上氧气得电子发生还原反应生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；若将H2换成CH4，则负极反应式为CH4－8e－＋10OH－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O。
(4)丙中铅酸蓄电池放电一段时间后，进行充电时，要将负极中的硫酸铅变成单质铅，发生还原反应，所以应作电解池的阴极，则与电源的负极相连。
(5)①亚铁离子失电子发生氧化反应，所以石墨电极作负极，银作正极；②综合实验ⅰ、ⅱ的现象，可知Ag＋和Fe2＋的反应可逆，故得出Ag＋和Fe2＋反应的离子方程式：Fe2＋＋Ag＋Fe3＋＋Ag。
课时作业
一、选择题(本题共7小题，每小题只有1个选项符合题意)
1．下列说法中正确的是( )
A．碱性锌锰电池是二次电池
B．铅酸蓄电池是一次电池
C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生
D．燃料电池的活性物质储存在电池内
答案 C
解析 碱性锌锰电池是一次电池，铅酸蓄电池是二次电池；燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外界不断输入电池。
2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质为KOH，电极反应为：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。根据上述反应式，判断下列叙述正确的是( )
A．使用过程中，电池负极区溶液的pH增大
B．使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应
答案 C
解析 在使用过程中，电池负极区消耗OH－，则负极区溶液的pH减小，A错误；因负极是Zn，正极是Ag2O，电子应从负极(Zn)流向正极(Ag2O)，B错误、C正确；Zn电极发生氧化反应，Ag2O电极发生还原反应，D错误。
3．镍镉(NiCd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充放电按下式进行：
Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O
B．充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
答案 A
解析 A项，充电时阳极发生氧化反应，电极反应为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiO(OH)＋H2O，正确；B项，充电时，电能转化为化学能，错误；C项，由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极碱性变弱，错误；D项，正极反应为2NiO(OH)＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－，放电时，OH－由正极向负极移动(内电路)，错误。
4．如图所示为氢氧燃料电池原理示意图，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
答案 B
解析 从图中可看出a电极处进入的是H2，b电极处进入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失电子被氧化，a为负极；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，故B项不正确。
5．一种燃料电池中发生的化学反应为甲醇与氧气在酸性溶液中作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是( )
A．CH3OH(g)＋O2(g)－2e－===H2O(l)＋CO2(g)＋2H＋(aq)
B．O2(g)＋4H＋(aq)＋4e－===2H2O(l)
C．CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)
D．O2(g)＋2H2O(l)＋4e－===4OH－
答案 C
解析 甲醇与氧气反应的化学方程式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，被氧化的元素为碳，即负极上甲醇失电子放电，其电极反应为CH3OH(g)＋H2O(l)－6e－===CO2(g)＋6H＋(aq)。
6．普通水泥在固化过程中自由水分子减少并产生Ca(OH)2，溶液呈碱性。根据这一特点，科学家发明了电动势法测水泥初凝的时间。此方法的原理如图所示，反应的总方程式为2Cu＋Ag2O===Cu2O＋2Ag。下列说法中正确的是( )
A．测量过程中，氧化银被氧化成单质银
B．测量原理示意图中，Ag2O为负极
C．负极的电极反应：2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O
D．工作中电流由Cu电极流向Ag2O电极
答案 C
解析 由原理图知，这是一个原电池，铜作负极，发生氧化反应，氧化银在正极上被还原，A、B均错误；由总反应方程式知，负极铜反应后生成Cu2O，C正确；电流方向与电子流动方向相反，D错误。
7．固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的。它以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是( )
A．有O2放电的a极为电池的负极
B．有H2放电的b极为电池的负极
C．a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．b极对应的电极反应为2H2－4e－＋4OH－===4H2O
答案 B
解析 本题应结合信息和图示判断燃料电池的正负极及电极反应。原电池中失去电子的物质在负极发生氧化反应，故通入H2的b极为负极，通入O2的a极为正极。根据图示，a极对应的电极反应为O2＋4e－===2O2－，b极对应的电极反应为H2＋O2－－2e－===H2O。
二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)
8．以氨气代替氢气来研发氨燃料电池是当前科研的一个热点。氨燃料电池使用的电解质溶液是KOH溶液，电池反应为4NH3＋3O2eq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))2N2＋6H2O。下列有关说法错误的是( )
A．氨燃料电池在充电时，OH－向电池的负极移动
B．氨燃料电池在放电时，负极反应为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O
C．以氨气代替氢气的主要优点是氨气易液化、易储存
D．燃料电池的能量转化率一般比普通电池的高
答案 A
解析 充电为电解过程，OH－向阳极移动，即向电池的正极移动，A错误；氨燃料电池在放电时，负极反应为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，B正确；氨气的沸点比氢气高，易液化、易储存，C正确；燃料电池的能量转化率一般比普通电池的高，D正确。
9．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图所示，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是( )
A．电流通过外电路从b极流向a极
B．b极上的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．每转移0.1 ml电子，消耗1.12 L的H2
D．H＋由a极通过固体电解质移向b极
答案 AD
解析 由电池总反应及原电池原理可知，充入H2的一极(a极)是负极，充入O2的一极(b极)是正极；电流由正极经外电路流向负极；电池内部阳离子即H＋移向正极，b极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B项错误，A、D两项正确。C项没有指明标准状况，错误。
10．某准晶体X由一定比例的Al、Fe、Cu组成，取两小块该准晶体：一块投入到盛KOH溶液的烧杯①中，另一块投入到盛稀硫酸的烧杯②中，两烧杯中固体均被液体浸没。下列分析合理的是( )
A．烧杯①中若构成微型电池，正极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
B．烧杯①中若铝、铜作电极构成微型电池，负极反应为Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O
C．烧杯②中可能构成三种微型电池，且正极反应相同
D．烧杯②中溶液最终呈蓝色
答案 BC
解析 烧杯①中若构成微型电池，则正极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A项错误；烧杯①中若铝、铜作电极构成微型电池，则金属Al作负极，失去电子，电极反应为Al－3e－＋4OH－===AlOeq \\al(－,2)＋2H2O，B项正确；烧杯②中可构成AlFe原电池、AlCu原电池、FeCu原电池，三种原电池的正极反应均为2H＋＋2e－===H2↑，C项正确；烧杯②中Cu不会溶解，溶液不会呈蓝色，D项错误。
11．已知反应AsOeq \\al(3－,4)＋2I－＋2H＋AsOeq \\al(3－,3)＋I2＋H2O是可逆反应。设计如图装置(C1、C2均为石墨电极)，分别进行下述操作：
Ⅰ.向B烧杯中逐滴加入浓盐酸
Ⅱ.向B烧杯中逐滴加入40% NaOH溶液
结果发现电流计指针均发生偏转，据此，下列判断正确的是( )
A．操作Ⅰ过程中，C1为正极
B．操作Ⅱ过程中，盐桥中的K＋移向B烧杯溶液
C．操作Ⅰ过程中，C2棒上发生的反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2H＋＋2e－===AsOeq \\al(3－,3)＋H2O
D．操作Ⅱ过程中，C1棒上发生的反应为2I－－2e－===I2
答案 C
解析 操作Ⅰ加入盐酸，反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2I－＋2H＋AsOeq \\al(3－,3)＋I2＋H2O向正反应方向移动，C1极上I－被氧化为I2，故C1为负极，C2为正极，C2棒上AsOeq \\al(3－,4)得电子，被还原为AsOeq \\al(3－,3)，电极反应为AsOeq \\al(3－,4)＋2H＋＋2e－===AsOeq \\al(3－,3)＋H2O，故A项错误，C项正确；操作Ⅱ向B烧杯中逐滴加入40% NaOH溶液，反应向逆反应方向进行，B烧杯中AsOeq \\al(3－,3)被氧化为AsOeq \\al(3－,4)，即C2为负极，C1为正极，A烧杯中C1棒上I2被还原为I－，电极反应为I2＋2e－===2I－，盐桥中K＋(阳离子)向正极移动，即移向A烧杯，故B、D两项错误。
三、非选择题(本题共2小题)
12．LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。
请回答下列问题：
(1)电池的负极材料为 ，发生的电极反应为 。
(2)电池正极发生的电极反应为 。
(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是 ，反应的化学方程式为 。
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是 。
答案 (1)Li Li－e－===Li＋
(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
(3)出现白雾，有刺激性气味气体生成 SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑
(4)构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应
解析 分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。
(1)负极材料为Li(还原剂)，电极反应式为Li－e－===Li＋。
(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。
(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，所以实验现象应该为出现白雾和有刺激性气味气体生成。
(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。
13．以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。
(1)A为生物燃料电池的 (填“正”或“负”)极。
(2)正极反应式为 。
(3)放电过程中，H＋由 极区向 极区迁移(填“正”或“负”)。
(4)在电池反应中，每消耗1 ml氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是 。
答案 (1)正 (2)O2＋4H＋＋4e－===2H2O
(3)负 正 (4)22.4 L
解析 分析题干中的电池的构造图可知：A极上发生的反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故A为正极，B极上的反应为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，H＋通过质子交换膜由负极区移向正极区；每消耗1 ml O2外电路转移4 ml e－，故负极区生成CO2的物质的量为eq \f(4 ml,24 ml)×6 ml＝1 ml，在标准状况下的体积为22.4 L。
组成材料
Cd(负极)、NiO(OH)(正极)、KOH溶液(电解质溶液)
放电时电极反应
负极：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
充电时电极反应
阴极：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O
工作原理
Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq \(,\s\up17(放电),\s\d15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2
名称
电解质
电极反应
总反应
甲烷燃
料电池
KOH
正极(通O2)：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－；负极(通CH4)：CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
CH4＋2O2＋2KOH=== K2CO3＋3H2O
甲醇燃
料电池
KOH
正极(通O2)：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；
负极(通CH3OH)：2CH3OH＋16OH－－12e－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O
2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
名称
电解质
电极反应
总反应
肼燃料电池
KOH
正极(通O2)：O2＋2H2O＋4e－===4OH－；
负极(通N2H4)：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O
N2H4＋O2===N2＋2H2O
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