最后更新: 2025-10-28 22:01 查看: 51 次纠错评论(0) 课件开VIP

电池

化学能转化为电能，是能量转化的重要形式之一。电能是现代社会中应用广泛、使用方便的一种能源。化学电源是把化学能转变为电能的装置，是能够实际应用的原电池，习惯上叫做电池。现代生活离不开化学电源。本节将学习原电池的工作原理、电极半反应，以及一些常用的一次电池、二次电池（可充电电池）和燃料电池及其简单的工作原理

## 原电池的工作原理

**实验 锌与 $\mathrm{CuSO}_4$ 溶液反应中的能量变化**

1．如图 4．1，将温度传感器插入 $1 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ 的 $\mathrm{CuSO}_4$ 溶液中，再向其中加入少量锌粉，测量反应过程中溶液的温度，记录实验现象。

![图片](/uploads/2025-10/161ea0.jpg)

2．如图 4.2 所示，将锌片、铜片分别插入 $1 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ 的 $\mathrm{ZnSO}_4$ 溶液和 $1 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$ 的 $\mathrm{CuSO}_4$ 溶液中，两个溶液用盐桥进行连接，金属片之间用导线连接，导线中间接入灵敏电流计，记录实验现象。

![图片](/uploads/2025-10/0cae63.jpg)
 
 在上述第一个实验中，金属锌与 $\mathrm{CuSO}_4$ 之间发生了如下的氧化还原反应：

$$
\mathrm{Zn}+\mathrm{CuSO}_4=\mathrm{ZnSO}_4+\mathrm{Cu}
$$

反应中锌原子将电子传递给了 $\mathrm{Cu}^{2+}$ ，该反应将化学能转化为热能，溶液的温度升高。

而在第二个实验中，当导线接通后，灵敏电流计的指针发生了偏转，说明外电路有电流产生，该反应将化学能转化为电能。其中锌作负极失去电子，生成的 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 进人溶液中：

$$
\mathrm{Zn}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}^{2+}
$$

$\mathrm{Cu}^{2+}$ 在正极获得电子，生成的铜在电极上析出：

$$
\mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Cu}
$$

负极锌片上释放出来的电子经导线流向正极铜片，电流从正极流向负极。上述过程的总反应为：

$$
\mathrm{Zn}+\mathrm{CuSO}_4=\mathrm{Cu}+\mathrm{ZnSO}_4
$$

这个总反应叫做电池反应，上述这种装置就是原电池。原电池由两个半电池组成，半电池包括电极材料和电解质溶液，两个隔离的半电池通过盐桥连接导通。

原电池中还原性强的电极是负极，负极向外电路提供电子；氧化性强的电极是正极，正极从外电路得到电子。两极浸在电解质溶液中，用盐桥连通，通过正、负离子的迁移构成回路。

按照电极与表面半反应的关系，可以将构成原电池的电极分为金属电极、惰性电极、气体电极等类型。金属导电材料直接参与半反应的电极叫做金属电极，如上述铜锌原电池中的锌电极和铜电极。导电材料本身不发生氧化还原反应的电极叫做惰性电极，如铂、石墨等。吸附在电极表面的气体会参与半反应的电极叫做气体电极，如标准氢电极等（图 4.3 ）。在电极上进行的半反应称为电极反应。

![图片](/uploads/2025-10/fc12e0.jpg)
 
 #### 原电池是怎样产生电流的
在铜锌原电池中，锌片上和 $\mathrm{ZnSO}_4$ 溶液中都存在 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 。锌片上的 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 与接触面上的水分子结合形成水合锌离子，使部分 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 离开锌片进入 $\mathrm{ZnSO}_4$ 溶液中：

$$
\mathrm{Zn}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}^{2+}
$$

同时溶液中的 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 受到锌片表面电子吸引而沉积到锌片表面：

$$
\mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}
$$

最终，在锌片和溶液的接触面达到平衡，形成了一个带相反电荷的界面，由于界面两侧电荷不均等，便产生了电势差 （图 4.4 ）。

在铜片与溶液之间也存在着类似的平衡，但由于金属锌失去电子的趋势比铜大，所以锌片上有过剩的电子，铜片上则缺少电子，两者的电势差不相等。若用导线把锌片和铜片连接起来，电子从锌片移向铜片。锌片上电子的流出，破坏了它和溶液中 $\mathrm{Zn}^{2+}$ 间的平衡，平衡向溶解方向移动，而铜片上由于电子的流入，平衡向沉积方向移动。用盐桥连通两电解液时，整个电路构成回路，可以持续产生电流。

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 ## 化学电源——电池

根据原电池工作原理，人类发明了各种化学电源，化学电源可分为一次电池、二次电池和燃料电池等。一次电池只能放电不能充电，日常生活中锌锰干电池、锌银纽扣电池都属于一次电池。二次电池也称为可充电电池，可以反复使用，作为机动车电源的铅酸蓄电池、作为新能源汽车动力电源的锂离子电池都属于二次电池。燃料电池在放电过程中不断地输入化学物质，使放电可以连续不间断地进行。目前有氢气、甲烷、甲醇、乙醇等燃料电池。

**1．干电池**
日常生活中一次电池的品种比较多，经常用到的锌锰干电池有两种——普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池，两者的差别在于电解质溶液的不同。普通干电池的电解质溶液为氯化铵和氯化锌，碱性干电池的电解质溶液为氢氧化钾。碱性干电池比普通干电池性能好，单位质量所输出的电能多且储存时间长，适用于大电流和连续放电，是普通干电池的升级换代产品。

碱性干电池的负极是 Zn ，正极是 $\mathrm{MnO}_2$ ，电解质溶液是 KOH 溶液，构造如图4．5所示，电极反应为：

负极：

$$
\mathrm{Zn}+2 \mathrm{OH}^{-}-2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_2
$$

正极：

$$
\mathrm{MnO}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{e}^{-}=\mathrm{MnO}(\mathrm{OH})+\mathrm{OH}^{-}
$$

总反应：

$$
\mathrm{Zn}+2 \mathrm{MnO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}=2 \mathrm{MnO}(\mathrm{OH})+\mathrm{Zn}(\mathrm{OH})_2
$$

碱性锌锰干电池的电压为 1.5 V ，在生产、生活中应用非常广泛，如作为手电筒、遥控器、玩具汽车、电动剃须刀、钟表等的工作电源。但废弃电池中的化学品会污染环境，在垃圾分类中应作为＂有害垃圾＂处置。

![图片](/uploads/2025-10/b35dee.jpg){WIDTH=300PX}
 
 **2．铅酸蓄电池**
铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成（图4．6），正极上覆盖有 $\mathrm{PbO}_2$ ，负极上覆盖有 Pb ，电解质溶液是硫酸。

铅酸蓄电池的电极反应如下：
负极：

$$
\mathrm{Pb}+\mathrm{SO}_4^{2-}-2 \mathrm{e}^{-} \underset{\text { 充电 }}{\stackrel{\text { 放电 }}{\rightleftharpoons}} \mathrm{PbSO}_4
$$

正极：

$$
\mathrm{PbO}_2+4 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{SO}_4^{2-}+2 \mathrm{e}^{-} \frac{\text { 放电 }}{\underset{\text { 充电 }}{\rightleftharpoons}} \mathrm{PbSO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

总反应：

$$
\mathrm{Pb}+\mathrm{PbO}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4 \underset{\text { 充电 }}{\stackrel{\text { 放电 }}{2}} 2 \mathrm{PbSO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

![图片](/uploads/2025-10/a8584c.jpg){WIDTH=300PX}

铅酸蓄电池的电压稳定，单格电压为 2.0 V ，使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中广泛使用，如电动自行车、机动车的工作电源。铅酸蓄电池的缺点是比能量低  、笨重、保养要求严格，废弃后易污染环境。

#### 锂离子电池
锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间的来回移动而工作，如图4.7 所示。负极为层状石墨材料，正极为含锂的化合物。充电时，正极材料发生氧化反应，Li+从正极脱嵌，经过电解液，穿过隔膜，到达负极发生还原反应，插入层状石墨中，负极由贫锂状态到富锂状态。放电过程与充电过程相反。锂离子电池具有体积小、能量密度高、工作温度范围宽、使用寿命长等优点；但成本较高、耐高温性较差、需防止被过充放电、存在自燃的危险。以石墨烯材料替代层状石墨材料的石墨烯锂离子电池，具有导电性能高、充电快速、耐高温和低温性能好的特点。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。此外，开发新型的正极材料也是发展高性能锂离子电池的关键之一

![图片](/uploads/2025-10/2a0d7e.jpg)
 
 **3．氢燃料电池**
燃料电池是一种不经过燃烧，连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电源。与一般化学电源不同，燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是不断地从外部输入，分别在正、负极上发生还原反应、氧化反应，生成物不断被排出，从而使化学能不断地转化为电能。

我国的氢燃料电池汽车已进入了实用化阶段。这种新能源汽车的“心脏”是质子交换膜氢燃料电池。氢燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂金属做电极，质子交换膜（只允许H+通过的高聚物）做电解质，
提供离子通道。电池在工作时，从负极区通入的氢气，在铂电极表面被吸附，催化解离为氢原子并失去电子成为H+：

![图片](/uploads/2025-10/dbd0fa.jpg)
 
 负极区产生的 $\mathrm{H}^{+}$可通过质子交换膜，进人正极区，与此同时，产生的电子经过外电路流向正极。

从正极区通人的 $\mathrm{O}_2$（来自空气）在铂电极表面被吸附，催化解离为氧原子并得到电子和 $\mathrm{H}^{+}$反应生成 $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ ：

正极：$\frac{1}{2} \mathrm{O}_2+2 \mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$
总反应： $2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$
燃料电池除氢气外，甲烷、甲醇、乙醇、肼、氨等都可以作为燃料；除氧气以外，空气也可以作为氧化剂。燃料电池由于是将化学能直接转化成电能，能量转化效率 （可达到 $60 \% \sim 80 \%$ ）远高于内燃机（约 $30 \%$ ），是高效、环境友好的发电装置，因此具有广阔的发展前景。

上海市制定了《上海市燃料电池发展规划》，率先在嘉定、奉贤等地建成了氢燃料电池公交车线路，并在嘉定、金山等地建设了加氢站。氢燃料电池汽车加的是氢气，排放的是水，几乎可称为真正意义上的＂零排放、零污染＂的新能源车。

**实验 自制燃料电池**
用支管 U 形管、石墨碳棒（经表面预处理 ${ }^{(1)}$ ）、低压直流电源、 $2 \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{~L}^{-1}$硫酸、橡皮塞和导线按图 4.9 （a）连接装置，调整直流电源电压为 24 V ，通电 30 s 左右后停止通电。再按图 4.9 （b）将发光二极管两极分别连接到两个石墨电极上，发光二极管立即发光。

![图片](/uploads/2025-10/20c324.jpg)
 
 
 `例`甲醇燃料电池以甲醇为燃料。如图4.10所示，在有水的条件下，液态甲醇在负极上被氧化，产生二氧化碳和氢离子并流出电子；氢离子经过质子交换膜，在正极上与氧气和流入的电子反应生成水。讨论上述过程中电极上发生的半反应及总反应
 
 
  ![图片](/uploads/2025-10/822b97.jpg)
  
  
  
 解：负极上甲醇中的碳元素为 -2 价，二氧化碳中碳元素为 +4 价，因此， 1 mol 甲醇生成 1 mol 二氧化碳流出 6 mol 电子，半反应为：

$$
\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}-6 \mathrm{e}^{-}=\mathrm{CO}_2+6 \mathrm{H}^{+}
$$

正极上流入 6 mol 电子，而 1 mol 氧气生成 2 mol 水需要 4 mol 电子，因此， 1.5 mol 氧气参与反应，所以半反应为：

$$
\frac{3}{2} \mathrm{O}_2+6 \mathrm{H}^{+}+6 \mathrm{e}^{-}=3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

总反应： $2 \mathrm{CH}_3 \mathrm{OH}+3 \mathrm{O}_2=2 \mathrm{CO}_2+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$

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