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第2課時　化 學(xué) 電 源
1．了解常見化學(xué)電源的組成與反應(yīng)原理。
2．掌握燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法。
素材　問題導(dǎo)入——從鋅氫電池到鋅錳干電池有多遠？
1．將鋅氫電池改裝成干電池時，大量的酸液盛裝于作為負極的鋅筒中，容易漏液，不便于攜帶，怎么辦？加入淀粉，與電解質(zhì)溶液混合加熱，制成糊狀物。
2．倘若鋅筒中裝有硫酸，由于其體積較小，即使硫酸的濃度比較大，能提供的H＋的物質(zhì)的量也有限，這就使電池的電容量比較小。同時，較高濃度的硫酸與Zn接觸可以直接反應(yīng)，這將大大降低電池的能量轉(zhuǎn)化效率(工業(yè)上稱之為“自放電”現(xiàn)象)。如何改進？一是提高酸的濃度，并且將H＋“藏”起來，在干電池工作時再慢慢地“拿”出來。這就是將強酸變?yōu)槿跛?，例如醋酸等。實際上，鋅錳干電池中的電解質(zhì)使用的是NH4Cl，因為這是一種比醋酸酸性更弱的酸，它“收藏”H＋的能力比醋酸更強，在干電池工作時，可以提供較多的H＋，從而提高了干電池的電容量。同時NH4Cl的酸性較弱，與Zn接觸的“自放電”現(xiàn)象也可以在一定程度上被緩解。
3．當(dāng)干電池工作時，在一個封閉的鋅筒中能產(chǎn)生H2嗎？顯然是不可行的。
4．怎么才能不產(chǎn)生H2呢？干電池中使用了MnO2。干電池工作時的負極反應(yīng)是Zn－2e－===Zn2+。正極反應(yīng)雖不熟悉，但是可以推斷反應(yīng)過程，即NH NH3↑＋ H＋、2H＋＋2e－===H2↑、2MnO2＋H2===Mn2O3＋H2O。與其說MnO2氧化H2，阻止了H2的產(chǎn)生，不如說與正極導(dǎo)體石墨密切接觸的粉末狀的具有高度活性的MnO2氧化了剛剛產(chǎn)生的H原子。這樣正極的電極反應(yīng)式就變?yōu)?MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O，此時正極得電子的就不再是H原子，而是Mn原子，鋅氫電池也就自然地變成鋅錳干電池了(如下圖)。
問題　如何正確書寫燃料電池的電極反應(yīng)式？
1．正極反應(yīng)式的書寫：正極通入的氣體通常是O2，按電解質(zhì)不同通常有如下情況。
(1) 在酸性溶液中生成水：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
(2) 在堿性溶液中生成OH－：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
(3) 在固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)中生成O2－：O2＋4e－===2O2－。
2．負極反應(yīng)式的書寫：負極通入的是燃料，發(fā)生氧化反應(yīng)。
(1) 若負極通入的是H2，則
酸性溶液中：H2－2e－===2H＋。
堿性溶液中：H2－2e－＋2OH－===2H2O。
熔融氧化物中：H2－2e－＋O2－===H2O。
(2) 若負極通入的氣體燃料是含碳化合物，如CO、CH4、CH3OH等，C元素轉(zhuǎn)化為＋4價的碳的化合物，在酸性溶液中生成CO2，在堿性溶液中生成CO， H元素最終轉(zhuǎn)化為水。例如在CH4燃料電池中，當(dāng)電解質(zhì)溶液是酸性溶液時，負極的電極反應(yīng)式是CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋；當(dāng)電解質(zhì)溶液是堿性溶液時，負極的電極反應(yīng)式是CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。
　已知空氣—鋅電池的電極反應(yīng)式為鋅片：2Zn＋4OH－－4e－===2ZnO＋2H2O；碳棒：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。據(jù)此判斷鋅片是(　D　)
A．正極并被還原 B．正極并被氧化
C．負極并被還原 D．負極并被氧化
【解析】　原電池的負極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)，在發(fā)生氧化反應(yīng)的過程中反應(yīng)物會失去電子；原電池的正極上發(fā)生的是還原反應(yīng)，在發(fā)生還原反應(yīng)的過程中反應(yīng)物會得到電子。
【素養(yǎng)要求】　能分析常見電池的電池反應(yīng)原理。
　燃料電池是燃料(如CO、H2、CH4等)與氧氣(或空氣)發(fā)生反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。若電解質(zhì)溶液是強堿溶液(如KOH溶液)，下列關(guān)于甲烷(CH4)燃料電池的說法，正確的是(　D　)
A．負極的電極反應(yīng)式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．正極的電極反應(yīng)式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C．隨著放電的進行，溶液中OH－的濃度不變
D．放電時溶液中的陰離子向負極移動
【解析】　燃料電池是原電池的一種，負極上發(fā)生氧化反應(yīng)(失電子)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)(得電子)，所以正極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。由于電解質(zhì)溶液是堿性溶液(如KOH溶液)，所以CH4的氧化產(chǎn)物應(yīng)該是K2CO3，因此負極反應(yīng)為CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。隨著反應(yīng)CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O的進行，溶液中OH－的濃度減小。原電池中陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。
【素養(yǎng)要求】　能分析燃料電池的工作原理。
*選做強化題　常用干電池是用鋅板圍成的圓筒作負極，內(nèi)充糊狀的ZnCl2和NH4Cl。工作時某一陽離子在正極得到電子后產(chǎn)生兩種氣體，一種氣體可被MnO2氧化生成水，另一種氣體有刺激性氣味，能使酚酞變紅。試寫出干電池工作時的電極反應(yīng)，注明反應(yīng)類型。
(1) 負極：__Zn－2e－===Zn2+__，反應(yīng)類型：__氧化反應(yīng)__。
(2) 正極：__2NH＋2e－===2NH3↑＋H2↑__，反應(yīng)類型：__還原反應(yīng)__。
【解析】　鋅板作負極，所以負極反應(yīng)為Zn－2e－===Zn2+。在正極上反應(yīng)的物質(zhì)得到電子后產(chǎn)生兩種氣體，一種氣體分子可被MnO2氧化生成水，另一種氣體有刺激性氣味，能使酚酞變紅，可以判斷這兩種氣體分別為H2、NH3，所以正極的反應(yīng)為2NH＋2e－===2NH3↑＋H2↑。
【素養(yǎng)要求】　能分析原電池的工作原理。

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