化学自习室移动版

我们常常将化学电源称之为电池，即能够实际 应用的原电池，它是一种能将化学能直接转变成电 能的装置，它在国民经济、科学技术、军事和日常生 活方面均有极为广泛的应用。

化学电源使用面广，品种繁多，即使是较为新型 的化学电源，其工作原理也较为基础，均为中学化学 所学过的原电池知识。近年来，各地高考，特别是新 课标下的高考试题，较注重以新颖的化学电源为背景材料考查考生的自学能力和思维的灵活变通能 力，为使大家更好的了解该知识点，下面我们重点列 举近年来的一些科研新成果——新型化学电源，供大家学习参考。

一、新型化学电源简介

1.新型燃料电池

燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电 能的装置。在该装置中，不是把还原剂(氢气、煤气、 天然气、甲醇等)、氧化剂(氧气、空气等)物质全部贮 藏在电池内，而是在工作时不断从外界输人氧化剂 和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。该电 池能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机 效率仅在30%~40%之间。

燃料电池具有节约燃料、能量利用率高、污染 小、可持续使用等特点，氢氧燃料电池目前已应用于 航天、军事通讯、电视中继站等领域，随着成本的下 降和技术的提高，有望得到进一步的商业化使用。

2. 微生物电池

微生物电池是可以将有机物中的化学能直接转 化为电能的反应装置。近年来，日、美等科学家以此 为基础，进一步研究出一种新型微生物电池一粪电池。粪电池的研制缘于人类太空垃圾的处理，在以 人类垃圾为原料的燃料电池中，一种特殊细菌—— 泥菌被安放到电池阳极棒表面处，泥菌会大肆吞食 它们，从那些有机灰浆中攫取电子并转移到电极阳 极棒上。就象所有的燃料电池那样，当电子向带有正 电荷的阴极移动时，电流就产生了。这种微生物燃料 电池的优势在于用有机混合物充当燃料，而不是使 用氢气。人类排泄的垃圾物成了直接发电的物质来 源。随着研究的深人，微生物燃料电池已可以利用各 种污水中所富含的有机物质进行电能的生产。其研发不仅可以缓解日益紧张的能源危机以及传统能源 所带来的温室效应，同时也可以处理生产和生活中 的各种污水。因此微生物燃料电池是一种无污染、清 洁的新型能源技术，其研究和开发必将受到越来越多的国家关注。

3. 生物热电池

生物热电池是一块植有数千个微型热电发生器 的芯片。它利用“热电偶效应”发电，即两种不同的材 料连接起来构成一个闭合回路时，如果两个连接点 的温度不一样，掺人了杂质，得一个富余的电子，另 一端则因为缺少电子而带正电，这样的制造方法使 热电偶的发电能力比同等规模的金属装置更高。由 于“生物热电池”能够持续工作30年，在医疗上具有 广泛的用途，如心脏起搏器的电源，这样它可以减少 因为更换电池而进行手术的次数，降低病人的压力 和健康风险。

4. 摇椅式电池

摇椅式电池就是我们常说的锂离子电池，当对 电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成 的锂离#经过电解液运动到负极。而作为负极的碳 呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌 人到碳层的微孔中，嵌人的锂离子越多，充电容量越 高。同样道理，当对电池进行放电时(即我们使用电 池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动 回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。 我们通常所说的电池容量F的就是放电容量。不难 看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从 正极—负极—正极的运动状态。如果我们把锂离子 电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的 两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端 来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱 的名字——摇椅式电池。

5. 海洋电池

海洋电池为我国首创，它是以铝－空气－海水为 主要原材料设计而成的一种新型电池，因主要应用 于航海领域，所以人们习惯称之为海洋电池。

海洋电池以铝合金为电池负极，金属(Pt、Fe)网 为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把 正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海 水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与 铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：

负极(Al):4Al－12e^-=4Al^3＋

正极(Pt 或 Fe 等)：3O₂＋6H₂O＋12e^－= 12OH^－

总反应式:4Al＋3O₂＋6H₂O=4Al(OH)₃

海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放人海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可 以长期储存。用时，把电池放人海水中，便可供电，其 能量比干电池高20~50倍。

电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常 交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块销版，铝 板的大小，可根据实际需要而定。

海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都 可以正常工作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不 存在污染，目前是海洋用电设施的能源新秀。

6. 太阳能电池

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直 接把光能转化成电能的装置。目前，许多国家正在制 订中长期太阳能开发计划，准备在21世纪大规模开 发太阳能，如美国能源部推出的国家光伏计划，日 本推出的阳光计划。我国对太阳能电池的研究开发 工作也高度重视，早在七五期间，非晶硅半导体的研 究工作已经列人国家重大课题；八五和九五期间，我 国把研究开发的重点放在大面积太阳能电池等方 面。2003年10月，国家发改委、科技部制定出未来5 年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资 100亿元用于推进太阳能发电技术的应用。

从长远来看，随着太阳能电池制造技术的进一 步改进，太阳能电池的应用可从军事领域、航天领域 进人工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施 等方面，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海 岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。

7. 菠菜电池

科学家参照太阳能电池原理，利用生物技术手 段发明了新型菠菜电池。科学家们首先从菠菜的叶 绿体中分离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与 一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形 成保护层，为其创造分子铺在一层金质薄膜上，而后 在其最上方再加一层有机导电材料，做成一个类似 “三明治”的装置，当光照射到这个“三明治”上时，装 置内会发生光合作用，最终产生电流。

髙考复习时，围绕该菠菜电池为知识背景的测 试，我们重点要注意关于蛋白质、氨基酸的结构与性 质，依据光合作用的化学反应方程式改写为原电池 的两极反应，如菠菜电池的正极反应为：，6CO₂＋ 24H^＋＋24e^－=C₆H₁₂O6＋6H_2O等等。

8. 高能电池

具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能 电池。所谓“比能量”和“比功率”是指控电池的单位 质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。

二、新型化学电源考点剖析

1. 判断化学电源的正、负极

从氧化还原反应的本质上分析：负极为失电子 物质，发生氧化反应，电极材料通常为较活泼的金 属；而正极为得到电子的物质，发生还原反应，电极 材料一般为不活泼的金属。

2. 推断化学电源中微粒的移动方向

在外电路中，电子从负极出发，沿外电路流向正 极，它与电流方向相反；电解质产生的离子，阳离子 向正极移动，阴离子向负极移动(注意:电解池中，阳 离子向阴极移动，阴离子向阳极移动)。

3. 书写电极反应式或化学反应方程式

书写电极反应式是近年高考的热点和难点，它重点考查了考生能否熟练运用氧化还原反应的本 质，即:能否将完整的氧化还原反应改变为单一的氧 化反应或还原反应。书写时，若是负极反应，关键是找出化合价升高的物质，即失去电子的物质；正极反应则反之。注意:近年来，在能力考査上，较注重燃料 电池、熔融盐电池等信息内容的考查，我们在学习原 电池知识时，一定要会举一反三。

4.判断两极产生的现象或结果

借助两极反应(分析出是氧化反应还是还原反 应)，根据化学反应方程式的结论，可以推理出应该 产生的现象或结果。如:正极反应如果不断消耗H^＋，则酸性减弱，pH变大，如果正极反应不断产生H^＋，则酸性增强，pH变小。

5. 与其它知识点相结合考查

在学科内综合考査时，常常可以以化学电源为 背景材料而设计，如近年来高考试题中多与化学计算相联系，在设计化学计算试题时，常常考查电子转 移等问题，一般利用电子守恒分析，当然，也有利用 电辑反应方程式，建立物质之间对应的关系式，从而 求解相关问题。

三、经典例题解析

例1：(2010安徽卷.11)某固体酸燃 料电池以CsHSO₄固体为电解质传递H^＋，其基本结构 见下图，电池总反应可表示为：2H₂＋O₂=2H₂O，下列 有关说法正确的是 ( )

A. 电子通过外电路从b极流向a极

B. b极上的电极反应式为：O₂＋2H₂O＋4e^-=4OH^－

C. 每转移0.1 mol 电子，消耗1.12L 的H₂

D. H^＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

解析：因为a极为氢气参与反应，失去电 子，所以为负极，这样电子应该是通过外电路由a极 流向b，A选项错；在固体酸燃料电池中，B选项反应 应该为O₂＋2H₂O＋4e^-=4OH^－；C选项缺少“标准状 况”，计算结果错误。

答案：D

例2：(2009江苏卷.12)以葡萄糖为燃料 的微生物燃料电池结构示意图如下图所示。关于该电 池的叙述正确的是 ( )

A. 该电池能够在高温下工作

B.电池的负极反应为：C₆H₁₂O6＋6H₂O－24e^-= 6CO₂ ＋24H^＋

C. 放电过程中，H^＋从正极区向负极区迁移

D. 在电池反应中，每消耗Lmol氧气，理论上能生成标准状况下CO₂气体

解析：由于是微生物燃料电池，则不可能 在高温下工作，所以A错误；B项，负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳，所以B对；放电过程中，H^＋从负 极区向正极区迁移，结合O^2－形成H₂O，所以C错 误；消耗1 mol 氧气则转移4 mol e-，由C₆H₁₂O6＋6H₂O－24e^-= 6CO₂ ＋24H^＋计算出：转移 4 mol e^-则生 成1 mol CO₂，即22.4 L，所以D错误。

答案：B

例3： (2009浙江卷• 12)市场上经常见到 的标记为Li－ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li^＋的高分子材料。这种锂离 子电池的电池反应为：

下列说法不正确的是 ( )

A. 放电时，负极的电极反应式:Li-e-=Li^＋

B. 充电时，Li_0.85NiO₂既发生氧化反应又发生还原反应

C. 该电池不能用水溶液作为电解质

D. 放电过程中Li^＋向负极移动

答案：D

例4： (2009上海理综卷.11)茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须 长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt－Fe 合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中:(1)铝 合金是阳极②铝合金是负极③海水是电解液 ④铝合金电极发生还原反应 ( )

A. ②③      B .②④         C.①②    D. ①④

答案：A

例5：(2010 浙江卷.9)Li－Al/FeS 电池是 一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应 式为:2Li^＋＋FeS＋2e^-=Li₂S＋Fe。有关该电池的下列说 法中，正确的是 ( )

A. Li－Al在电池中作为负极材料，该材料中Li的 化合价为＋1价

B. 该电池的电池反应式为:2L i＋FeS=Li₂S＋Fe

C. 负极的电极反应式为Al－3e^-=Al^3＋

D. 充电时，阴极发生的电极反应式为:Li₂S＋Fe－2e^-= 2Li⁺＋FeS

答案：B

例5：世博会中国馆、主题馆等建筑使用 光伏并网发电，总功率达4兆瓦，是历届世博会之最。 通过并网，上海市使用半导体照明(LED)。已知发出白 光的LED是由GaN芯片和钇铝石榴石(YAG，化学 式:Y₃Al₅O₁₂)芯片封装在一起做成的。下列有关叙述正 确的是 ( )

A.光伏电池是将太阳能直接转变为电能

B.图中N型半导体为正极，P型半导体为负极

B. 电流从a流向b

C. LED中的Ga和YAG中Y都显＋3价

解析：根据该示意图可知，通过太阳光子 作用，电子由N型半导体沿外电路从a流向b，电流 则从b流向a，所以B、C两选项错误，另外，借助化合价特点，GaN中Ga与Y₃Al₅O₁₂中Y均为＋3价，所 以答案为AD。

答案：AD