化学电源种类、工作原理及重要意义

【高考化学·考试大纲】了解常见化学电源的种类及其工作原理。

【课程标准·学业要求】能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义:(1)能分析、解释原电池的工作原理,能设计简单的原电池。(2)能列举常见的化学电源,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。

1.[18 全国Ⅱ,12]我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为:3CO2+4Na2Na2CO3+C,下列说法错误的是(　)

A.放电时,ClO4-向负极移动

B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2

C.放电时,正极反应为:3CO2+4e-==2CO32-+C

D.充电时,正极反应为:Na++e-==Na

2.[18 全国Ⅲ,11]一种可充电锂-空气电池如下图所示。当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。下列说法正确的是(　)

A.放电时,多孔碳材料电极为负极

B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移

D.充电时,电池总反应为

3.[14 全国Ⅱ,12]如上图所示是水溶液锂离子电池体系。

下列叙述错误的是(　)

A.a为电池的正极

B.电池充电反应为LiMn2O4==Li1-xMn2O4+xLi

C.放电时,a极锂的化合价发生变化

D.放电时,溶液中Li+从b向a迁移

【考型1】离子交换膜的电池

1.[16 浙江,11]金属(M)-空气电池(如图)。该类电池放电的总反应方程式为:4M+nO2+2nH2O==4M(OH)n。已知:电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。下列说法不正确的是(　)

A.采用多孔电极的目的是提高电极与电解质溶液的接触面积,并有利于氧气扩散至电极表面

B.比较Mg、Al、Zn三种金属-空气电池,Al-空气电池的理论比能量最高

C.M-空气电池放电过程的正极反应式:4Mn++nO2+2nH2O+4ne-==4M(OH)n

D.在Mg-空气电池中,为防止负极区沉积Mg(OH)2,宜采用中性电解质及阳离子交换膜

【考型2】可充电电池

2.[14 浙江,11]镍氢电池(NiMH)中的M表示储氢金属或

合金。该电池在充电过程中的总反应方程式是:Ni(OH)2+M==NiOOH+MH

已知:6NiOOH+NH3+H2O+OH-==6Ni(OH)2+NO2-(https://www.xing528.com)

下列说法正确的是(　)

A.NiMH电池放电过程中,正极的电极反应式为NiOOH+H2O+e-==Ni(OH)2+OH-

B.充电过程中OH-离子从阳极向阴极迁移

C.充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-==MH+OH-,H2O中的H被M还原

D.NiMH电池中可以用KOH溶液、氨水等作为电解质溶液

一、几种电池的结构

1.半电池与盐桥装置

(1)原电池中盐桥的作用:①形成闭合回路②平衡电荷。

有盐桥存在时,负极金属和正极溶液没有直接接触反应,化学能不能直接转化为热能,而是通过原电池反应转化为电能;无盐桥时,负极金属和正极溶液直接接触反应,化学能部分转化为热能,所以,有盐桥的装置能更有效地将化学能转化为电能,提高电池的效率。

(2)半电池的结构:一般情况下,两个半电池是由两种活泼性不同的金属分别插入在含相同金属离子的盐溶液中构成。简单判断:将较活泼的金属电极插入在另一种较不活泼金属离子形成的半电池中,能发生反应，则上述由盐桥形成的原电池就成立,且活泼金属为负极,不活泼金属为正极。

2.离子交换膜的电池

离子交换膜是一种可以使水分子透过和对溶液中离子具有选择性透过的高分子膜,能阻止其他离子和气体通过;常见的离子交换膜有:阳离子膜、阴离子膜、质子交换膜等。离子交换膜广泛运用到原电池和电解池中。

电化学反应进行时,为平衡溶液的电荷和传输电流,溶液中离子是双向迁移的,如原电池中，阳离子向正极移动、阴离子向负极移动。如果使用离子交换膜,电解质溶液变原来离子的双向迁移平衡电荷,为透过离子的单向移动,分析时,按下列顺序分析，首先画出透过膜的离子方向,后寻找迁移的离子（一般是浓度较大的），然后分析离子在迁入室的聚集和在迁出室的减少(如阳离子透过阳膜在正极室聚集和在负极室减少),这种变化可能引起下列结果:(1)在迁入室得到新的物质(如阳离子透过阳膜向正极室迁移,与正极室的阴离子形成新的物质)。(2)在迁出室可以提纯物质(或在负极区,由于原溶液中阳离子的迁出,浓度降低使其纯化等);离子交换膜还能防止副反应的发生,防止两极物质的混合,产物不纯，或引发不安全因素(如电解饱和食盐水)。

3.载体电极

参与原电池反应的氧化剂或还原剂附着在导电的惰性材料上用作电极。分析电极组成时,常把惰性物质元素的化合价看成0价,不参与电极反应,仅起导电的作用。例如:[14 浙江,11]充电过程中阴极的电极反应式:H2O+M+e-==MH+OH-,H2O中的H被M还原,MH看成是M吸附H,其中M看成0价,反应中H(+1)得到电子变成H(0价),M不是还原H。如果把MH看成金属氢化物,M(+1)H(-1),这个分析就变成有两种元素的变化,M被氧化,H2O被还原,这个阴极不但发生了还原反应,还发生了氧化反应,问题就麻烦,而提出载体电极的概念就能较好地解决这个问题。由于石墨烯具有稳定、导电性好和比表面大，常用作气体吸附载体电极。

这种情况比较常见,如[14 天津,6]已知:锂离子电池的总反应为LixC也可以看成载体电极,两种元素都为0价去分析。

用载体电极的思想分析反应，常可以使复杂问题简单化，如:把FePO4、Li4Ti5O12分别看成一个整体A、B分析:

二、可充电电池(二次电池)

如果是可充电电池,首先必须分清充电与放电的方向,放电方向一般是能量降低的自发反应。二次电池的电极材料,反应物和生成物,多为难溶电解质,写电极反应时不拆分。

1.放电时(即为原电池)的反应

(1)用正极负极标注电极。

(2)电极由自身材料与反应决定:①还原性物质做负极反应物(Al、Li、Pb、Zn等活泼金属;H2、CH3OH等可燃性气体)发生氧化反应。②氧化性物质做正极反应物(H+、Cu2+、Pb2+等金属离子;O2)发生还原反应。③在燃料电池中,电极材料不参加化学反应,只起传导电子的作用。

2.充电时(即为电解池)的反应

(1)二次电池充电时,也有用原电池的正负极来标注电极的,外电源的正极与被充电“电池的正极”(原理上是阳极)相连,反之同理(充电时,“正接正”、“负接负”),被充电“电池的正极”发生“电解池的阳极”反应，被氧化。

(2)二次电池,“放电”与“充电”是完全逆向的两个过程,将放电时的负极反应逆向书写即是充电时的阴极反应,另一极同理,例如:

放电与充电的关系是装置中，电荷的进与出的方向完全相反，氧化与还原反应也完全相反。