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几种常见的化学电源比较
河北省宣化县第一中学 栾春武
一、锌锰干电池（一次电池）

1. 普通干电池的反应原理：

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl ＝ Mn2O3 + ZnCl2 + 2NH3↑+ H2O

负极(Zn)：Zn－2e－ ＝Zn2+

正极(MnO2和C)：2MnO2 + 2NH4+ + 2e－ ＝ Mn2O3 + 2NH3↑+ H2O

表示方法：(－)Zn│NH4Cl+ZnCl2│MnO2，C(+)

2. 碱性锌锰电池的反应原理：
Zn + 2MnO2+ 2H2O ＝ 2MnOOH + Zn(OH)2

负极(Zn)： Zn + 2OH－ － 2e－ ＝ Zn(OH)2

正极(MnO2)：2MnO2 + 2H2O + 2e－ ＝ 2MnOOH + 2OH－

表示方法：(－) Zn│KOH│MnO2 (+)

3. 锌银电池(纽扣电池)的反应原理

Zn + Ag2O + H2O ＝ Zn(OH)2 + 2Ag

负极(Zn)：Zn + 2OH－ － 2e－ ＝ Zn(OH)2

正极(Ag2O)：Ag2O + H2O + 2e－ ＝ 2Ag + 2OH－

表示方法：(－) Zn│KOH│Ag2O (+)

碱性锌锰电池、锌银电池的比能量和储存时间等比普通锌锰电池性能有所提高。但只能一次使用，不能充电；价格较贵。锂电池是目前常用的一种升级换代产品，它的比能量高、电压高、工作温度宽，可储存时间长。

二、铅蓄电池（二次电池）

二次电池在放电时是原电池，遵循原电池工作原理；在充电时是电解池，遵循电解原理；给二次电池充电充电时，外加电源的负极连接电池的负极。

电池总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4+2H2O

①放电反应：
负极(Pb)：Pb － 2e－ + SO42－ ＝ PbSO4
正极(PbO2)： PbO2 + 2e－ + 4H+ + SO42－ ＝ PbSO4 + 2H2O

②充电反应：
阴极(接电源负极发生还原反应)： PbSO4 + 2e－ ＝ Pb+SO42－
阳极(接电源正极发生氧化反应)： 2PbSO4 + 2H2O－2e－ ＝ PbO2 + 4H+ + SO42－
表示方法：(－) Pb│H2SO4│PbO2 (+)

铅蓄电池可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。但比能量低、笨重、废弃电池污染环境等。其它二次电池：镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池等一系列新型蓄电池已逐渐占领二次电池的市场。

三、燃料电池

燃料电池是以还原剂（氢气、烃类、甲醇等）为负极反应物，以氧化剂（氧气、空气）为正极反应物，将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电池。

1. 氢氧燃料电池

电池的反应原理：2H2 + O2 ＝ 2H2O

①以酸性溶液为电解液构成的氢氧燃料电池：

负极(Pt)：2H2 － 4e－ ＝ 4H+；正极(Pt)：O2+ 4H+ + 4e－ ＝ 2H2O
电池的表示方法：(－) Pt│H2│H+│O2│Pt (+)

②以碱性溶液为电解液构成的氢氧燃料电池：
负极(Pt)：2H2 － 4e－ + 4OH－ ＝ 4H2O；正极(Pt)：O2 + 2H2O + 4e－ ＝ 4OH－2.
电池的表示方法：(－) Pt│H2│OH－│O2│Pt (+)

2. 以碱性（KOH）溶液为电解质溶液构成的甲烷燃料电池

电池的反应原理：CH4 + 2O2 +2KOH ＝ K2CO3 + 3H2O

负极(Pt)：CH4 + 10OH－－ 8e－＝ CO32－ + 7H2O

正极(Pt)： 2O2 + 4H2O + 4e－ ＝ 8OH－

电池的表示方法：(－) Pt│CH4│KOH│O2│Pt (+)

燃料电池：燃料做负极，助燃剂（如氧气）为正极。电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。它特点是：氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出；优点是：能量转化率高、清洁、对环境好，有利于节约能源。缺点：体积较大、附属设备较多。

四、书写电极反应式应注意以下几点：

1．电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的所有规则（如“拆”、“平”）；

2．将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；

3．负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关(如＋4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32－形式存在)；

4．溶液中不存在O2－：在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH－。

五、例题分析

【例题1】对化学电源的叙述正确的是
A. 化学电源比火力发电对化学能的利用率高
B. 化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位
C. 化学电源均是安全、无污染的
D. 化学电源即为可充电电池

解析：目前人类生活、生产的主要耗电仍然是火力发电；化学电源中常含有Cd、Hg、Pb、Ni等重金属离子，如果废旧电池随意丢放会造成环境污染；化学电源包括可充电电池，也包括不能进行充电循环使用的一次性电池。
答案：A

【例题2】下列化学电池不易造成环境污染的是                                   
A. 氢氧燃料电池     B. 锌锰电池     C. 镍镉电池       D. 铅蓄电池
答案：A

【例题3】在理论上不能用于设计原电池的化学反应是
A. HCl + NaOH === NaCl + H2O
B. 2CH3OH + 3O2  2CO2 + 4H2O
C. 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 === 4Fe(OH)3
D. 3Cu + 8HNO3(稀)=== 3Cu(NO3)2 + 2NO↑+ 4H2O

解析：用于设计原电池的化学反应必须是放出能量的氧化还原反应。在该题中，选项A不是氧化还原反应，故选A。

答案：A

【例题4】氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上,其反应原理示意图如图所示。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是

A.该电池工作时电能转化为化学能
B.该电池中电极a是正极
C.外电路中电子由电极b通过导线流向电极a
D.该电池的总反应为： 2H2 + O2 ＝ 2H2O

解析：原电池是将化学能转变为电能的装置;氢氧燃料电池总的反应方程式为2H2 + O2 ＝ 2H2O；通H2的一极为负极,通O2的一极为正极。
答案：D

【例题5】如图，锌锰干电池在放电时总反应方程式可表示为：Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl ＝ Mn2O3 + ZnCl2 + 2NH3↑+ H2O，在此电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是
A. Zn                B. 碳
C. MnO2和NH4+      D. Zn2+和NH3

解析：由反应方程式看出，Zn作负极，失去电子被氧化，正极上MnO2得电子被还原转化成Mn2O3，同时NH4+和MnO2反应生成NH3和H2O。
答案：C
【例题6】设计新型燃料电池是本世纪最富有挑战性的课题之一。有人设计了一种燃料电池，一个电极通入O2（含有少量CO2），另一电极通入CH4，电池的电解质是熔融的K2CO3。该电池的负极反应式为___________________________________，电池工作时，电解质里的CO32－向______极移动（填“正”或“负”）。
解析：CH4在负极放电，生成CO2和H2O，电极反应式为CH4 + 4CO32－－ 8e－＝ 5CO2 + 2H2O；熔融电解质中的阴离子向负极移动。

答案：CH4 + 4CO32－－ 8e－＝ 5CO2 + 2H2O   负

六、链接高考
1.（2011新课标全国）铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：Fe + Ni2O3 + 3H2O === Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2，下列有关该电池的说法不正确的是
A. 电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe
B. 电池放电时，负极反应为Fe + 2OH－－2e－=== Fe(OH)2
C. 电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低
D. 电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2+2OH－－2e－ === Ni2O3+3H2O

解析：由放电时的反应可以得出铁做还原剂失去电子，Ni2O3做氧化剂得到电子，因此选项AB均正确；充电可以看作是放电的逆过程，即阴极为原来的负极，所以电池放电时，负极反应为：Fe + 2OH－－2e－===  Fe(OH)2，所以电池充电过程时阴极反应为Fe(OH)2 + 2e－=== Fe + 2OH－，因此电池充电过程中，阴极附近溶液的pH会升高，C不正确；同理分析选项D正确。
答案：C

2.（2011安徽高考）研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：5MnO2 + 2Ag + 2NaCl === Na2Mn5O10 + 2AgCl，下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是：
A. 正极反应式：Ag + Cl－－e－ ＝AgCl    B. 每生成1 mol Na2Mn5O10转移2 mol电子
C. Na+ 不断向“水”电池的负极移动     D. AgCl是还原产物

解析：由电池总反应可知银失去电子被氧化得氧化产物，即银做负极，产物AgCl是氧化产物，A、D都不正确；在原电池中阳离子在正极得电子发生还原反应，所以阳离子向电池的正极移动，C错误；化合物Na2Mn5O10中Mn元素的化合价是+18/5价，所以每生成1 mol Na2Mn5O10转移电子的物质的量为(4－18/5)×5＝2mol，因此选项B正确。
答案：B

3.（2011福建高考）研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是
A. 水既是氧化剂又是溶剂          B. 放电时正极上有氢气生成
C. 放电时OH－向正极移动          D. 总反应为：2Li + 2H2O ===  2LiOH + H2↑
解析：因为原电池放电时阴离子是向负极移动的。根据题意可推测锂水电池总反应为：2Li + 2H2O===  2LiOH＋H2↑。再写出其电极反应如下：负极为2Li－2e－＝2Li+；正极为2H2O + 2e－＝2OH－+ H2↑，结合选项分析A、B、D都是正确的。此题情景是取材于新的化学电源，知识落脚点是原电池原理。
答案：C

4. (2011海南高考)一种充电电池放电时的电极反应为：H2 + 2OH－－2e－ === 2H2O；     NiO(OH) + H2O + e－ === Ni(OH)2 + OH－，当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是
A. H2O的还原    B. NiO(OH)的还原    C. H2的氧化    D. NiO(OH)2的氧化

解析：由题中给出的电极反应可判断出做原电池时，H2是还原剂被氧化、NiO(OH)是氧化剂被还原，则充电时H2是还原产物、NiO(OH)是氧化产物，与正极相连的是阳极发生氧化反应，所以“NiO(OH)2的氧化”正确。

答案：D

点拨：关于充电电池的氧化还原问题是常考点，这类题有规律。原电池时，先要分析氧化剂与还原剂，氧化剂被还原、还原剂被氧化；充电时（电解池），原电池负极反应反着写为还原过程，发生在阴极，原电池中的正极反应反着写为氧化过程，发生在阳极。