化學(xué)電池原理與應(yīng)用習(xí)題解析化學(xué)電池作為一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著不可或缺的角色。從日常生活中的便攜式電子設(shè)備到新能源汽車，再到規(guī)模宏大的儲(chǔ)能電站，其原理與應(yīng)用的重要性不言而喻。深入理解化學(xué)電池的工作機(jī)制、掌握其基本計(jì)算及應(yīng)用分析，是學(xué)習(xí)電化學(xué)的核心內(nèi)容。本文將通過對(duì)若干典型習(xí)題的解析，幫助讀者鞏固相關(guān)知識(shí)，提升分析與解決實(shí)際問題的能力。一、化學(xué)電池基本原理回顧在進(jìn)行習(xí)題解析之前，我們先簡(jiǎn)要回顧化學(xué)電池的基本原理?；瘜W(xué)電池主要由兩個(gè)電極（正極和負(fù)極）和電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)、固體電解質(zhì)）構(gòu)成。其工作基礎(chǔ)是氧化還原反應(yīng)，其中，還原劑在負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路流向正極，氧化劑在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，內(nèi)電路則通過離子的定向移動(dòng)形成閉合回路，從而產(chǎn)生電流。判斷電極、書寫電極反應(yīng)式及電池總反應(yīng)式是理解化學(xué)電池的關(guān)鍵。通常，活潑金屬（或電子流出的電極）為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；不活潑金屬、非金屬單質(zhì)或金屬氧化物（或電子流入的電極）為正極，發(fā)生還原反應(yīng)。電極反應(yīng)式的書寫需遵循電荷守恒和質(zhì)量守恒，并結(jié)合電解質(zhì)的酸堿性或其他性質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。二、典型習(xí)題解析（一）基礎(chǔ)概念辨析與電極判斷例題1：某化學(xué)電池的總反應(yīng)為：金屬鋅與硫酸銅溶液反應(yīng)生成硫酸鋅和銅單質(zhì)。請(qǐng)指出該電池的正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)溶液，并寫出正、負(fù)極的電極反應(yīng)式。解析：首先，我們需要明確該反應(yīng)的本質(zhì)是鋅與銅離子之間的置換反應(yīng)，屬于自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，具備構(gòu)成化學(xué)電池的前提。總反應(yīng)方程式為：Zn+Cu2?→Zn2?+Cu在此反應(yīng)中，鋅元素的化合價(jià)從0價(jià)升高到+2價(jià)，發(fā)生氧化反應(yīng)，因此鋅應(yīng)為電池的負(fù)極。銅離子的化合價(jià)從+2價(jià)降低到0價(jià)，發(fā)生還原反應(yīng)，銅離子所在的電極為正極。正極材料可以選擇不參與反應(yīng)的惰性電極（如石墨），或者活動(dòng)性比鋅弱的金屬（理論上，若用銅作正極，銅離子會(huì)在其表面析出）。電解質(zhì)溶液則是硫酸銅溶液，它提供了發(fā)生反應(yīng)所需的銅離子，并傳導(dǎo)離子。負(fù)極（鋅電極）反應(yīng)式：Zn-2e?→Zn2?(氧化反應(yīng))正極（如石墨或銅電極）反應(yīng)式：Cu2?+2e?→Cu(還原反應(yīng))要點(diǎn)總結(jié)：此類題目核心在于根據(jù)總反應(yīng)判斷氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的發(fā)生部位，進(jìn)而確定正負(fù)極。電極材料的選擇需考慮其是否參與反應(yīng)，以及導(dǎo)電性。（二）電極反應(yīng)式的書寫與配平例題2：寫出鉛酸蓄電池放電時(shí)的正、負(fù)極電極反應(yīng)式及總反應(yīng)式。已知其電解質(zhì)為硫酸溶液，放電時(shí)正極活性物質(zhì)為二氧化鉛（PbO?），負(fù)極活性物質(zhì)為鉛（Pb），產(chǎn)物均為硫酸鉛（PbSO?）。解析：鉛酸蓄電池是一種常見的二次電池，放電過程即為將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。首先分析負(fù)極：負(fù)極活性物質(zhì)為Pb，產(chǎn)物為PbSO?。Pb的化合價(jià)從0價(jià)升高到+2價(jià)（PbSO?中Pb為+2價(jià)），因此發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子。考慮到電解質(zhì)是硫酸，硫酸根離子（SO?2?）會(huì)參與反應(yīng)生成PbSO?沉淀。初步寫出負(fù)極反應(yīng)：Pb→PbSO?為平衡硫酸根，右側(cè)需加上SO?2?：Pb+SO?2?→PbSO?Pb失去2個(gè)電子，故左側(cè)減去2e?：Pb+SO?2?-2e?→PbSO?檢查電荷：左側(cè)為0+(-2)-2=-4，右側(cè)PbSO?為固體，電荷為0。似乎不平？哦，這里需要考慮電解質(zhì)溶液中的H?參與反應(yīng)，并生成水。PbO?在正極反應(yīng)會(huì)消耗H?，我們先看正極。正極活性物質(zhì)為PbO?，產(chǎn)物同樣為PbSO?。PbO?中Pb為+4價(jià)，反應(yīng)后變?yōu)?2價(jià)，得到2個(gè)電子，發(fā)生還原反應(yīng)。初步寫出正極反應(yīng)：PbO?→PbSO?同樣需要SO?2?參與：PbO?+SO?2?→PbSO?PbO?中的氧元素在酸性環(huán)境下通常會(huì)與H?結(jié)合生成水。左側(cè)添加H?，右側(cè)生成H?O：PbO?+SO?2?+H?→PbSO?+H?O配平O和H：PbO?中有2個(gè)O，故右側(cè)H?O配1，左側(cè)H?配4：PbO?+SO?2?+4H?→PbSO?+2H?O再配平電子：Pb從+4到+2，得到2e?，故左側(cè)加上2e?：PbO?+SO?2?+4H?+2e?→PbSO?+2H?O此時(shí)正極電荷：左側(cè)PbO?(固)+(-2)+4*(+1)+2*(-1)=0+(-2)+4-2=0，右側(cè)PbSO?(固)+2H?O(液)，電荷為0，電荷守恒。現(xiàn)在回到負(fù)極，我們之前的式子Pb+SO?2?-2e?→PbSO?，電荷確實(shí)不平衡。問題在于，我們只考慮了SO?2?，而忽略了PbSO?的生成是否需要H?環(huán)境的影響，或者說，是否有其他產(chǎn)物。實(shí)際上，負(fù)極反應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單，Pb失去電子變成Pb2?，Pb2?再與溶液中的SO?2?結(jié)合成PbSO?沉淀。因此，正確的負(fù)極反應(yīng)式應(yīng)為：Pb-2e?+SO?2?→PbSO?↓此時(shí)檢查電荷：Pb失去2e?為+2，加上SO?2?，總電荷為0，右側(cè)PbSO?為固體，電荷平衡。對(duì)，這樣更合理，直接體現(xiàn)了Pb2?與SO?2?的結(jié)合。總反應(yīng)式為正負(fù)極反應(yīng)式相加：負(fù)極：Pb+SO?2?-2e?→PbSO?正極：PbO?+SO?2?+4H?+2e?→PbSO?+2H?O---------------------------------------------------總反應(yīng)：Pb+PbO?+2SO?2?+4H?→2PbSO?+2H?O要點(diǎn)總結(jié)：書寫復(fù)雜電極反應(yīng)式時(shí)，應(yīng)先確定反應(yīng)物和產(chǎn)物，標(biāo)出元素化合價(jià)變化以確定電子得失數(shù)目，再結(jié)合電解質(zhì)的酸堿性（H?、OH?、H?O）來平衡電荷和原子個(gè)數(shù)。對(duì)于有難溶物生成的反應(yīng)，要將相應(yīng)的離子寫入反應(yīng)式。（三）簡(jiǎn)單電化學(xué)計(jì)算例題3：若上述例題1中的鋅銅原電池（電解質(zhì)為硫酸銅）工作一段時(shí)間后，測(cè)得鋅電極質(zhì)量減少了a克。假設(shè)電路中轉(zhuǎn)移的電子全部用于電極反應(yīng)，且無其他副反應(yīng)發(fā)生。試計(jì)算：（1）電路中轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量；（2）正極上析出銅的質(zhì)量。解析：由例題1可知，負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e?→Zn2?，正極反應(yīng)為Cu2?+2e?→Cu。（1）鋅電極質(zhì)量減少a克，即參加反應(yīng)的鋅的質(zhì)量為a克。鋅的摩爾質(zhì)量為65g/mol（此處采用近似值以便計(jì)算）。參加反應(yīng)的Zn的物質(zhì)的量n(Zn)=ag/65g/mol=a/65mol。根據(jù)負(fù)極反應(yīng)式，1molZn反應(yīng)失去2mol電子，因此轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量n(e?)=2×n(Zn)=2a/65mol。（2）根據(jù)正極反應(yīng)式，每轉(zhuǎn)移2mol電子，會(huì)析出1molCu。因此，析出Cu的物質(zhì)的量n(Cu)=n(e?)/2=(2a/65mol)/2=a/65mol。銅的摩爾質(zhì)量為64g/mol，析出銅的質(zhì)量m(Cu)=n(Cu)×64g/mol=(a/65mol)×64g/mol=(64a)/65g。要點(diǎn)總結(jié)：電化學(xué)計(jì)算的核心是基于電極反應(yīng)式中物質(zhì)的量與電子轉(zhuǎn)移量之間的關(guān)系。明確電極反應(yīng)的計(jì)量系數(shù)比是進(jìn)行計(jì)算的前提。（四）電池類型與應(yīng)用分析例題4：堿性鋅錳干電池是日常生活中常用的一次性電池，其結(jié)構(gòu)大致為：鋅筒作負(fù)極，石墨棒作正極，電解質(zhì)為氫氧化鉀（KOH）溶液，正極周圍填充二氧化錳（MnO?）和碳粉的混合物。放電時(shí)，負(fù)極鋅轉(zhuǎn)化為氫氧化鋅（Zn(OH)?），MnO?在正極被還原為MnO(OH)。請(qǐng)分析該電池的工作原理，并簡(jiǎn)述其作為一次性電池的原因。解析：首先，我們嘗試寫出該電池的電極反應(yīng)式。負(fù)極（鋅筒）：Zn為還原劑，在堿性環(huán)境（KOH）中被氧化為Zn(OH)?。Zn的化合價(jià)從0價(jià)升高到+2價(jià)，失去2個(gè)電子。反應(yīng)式：Zn+2OH?-2e?→Zn(OH)?(氧化反應(yīng))（OH?來自電解質(zhì)KOH，提供堿性環(huán)境并參與反應(yīng)生成Zn(OH)?）正極（石墨棒，MnO?為活性物質(zhì)）：MnO?被還原為MnO(OH)。Mn的化合價(jià)從+4價(jià)降低到+3價(jià)，得到1個(gè)電子。初步：MnO?→MnO(OH)為平衡O和H，在堿性條件下，可在左側(cè)加H?O，右側(cè)加OH?，或直接考慮H?O的解離。MnO?中O為-2價(jià)，MnO(OH)中O為-2價(jià)，H為+1價(jià)。Mn從+4到+3，得1e?。考慮到堿性環(huán)境，H?O可提供H?：MnO?+H?O+e?→MnO(OH)+OH?檢查：左側(cè)Mn(+4)+H?O+e?，右側(cè)Mn(+3)+OH?。O：左側(cè)2+1=3，右側(cè)1+1=2？不對(duì)。MnO(OH)中含有一個(gè)OH?結(jié)構(gòu)和一個(gè)O2?結(jié)構(gòu)，所以O(shè)的總數(shù)是2個(gè)。MnO?是2個(gè)O。H?O提供一個(gè)H給MnO(OH)中的OH?，同時(shí)生成一個(gè)OH?。正確的正極反應(yīng)式應(yīng)為：MnO?+H?O+e?→MnO(OH)+OH?檢查電荷：左側(cè)0+0+(-1)=-1，右側(cè)0+(-1)=-1，電荷守恒。O：左側(cè)2+1=3？MnO?是2個(gè)O，H?O是1個(gè)O，共3個(gè)O。右側(cè)MnO(OH)中，一個(gè)O2?和一個(gè)OH?中的O，共2個(gè)O，加上一個(gè)OH?中的O，共3個(gè)O。H：左側(cè)2個(gè)，右側(cè)MnO(OH)中1個(gè)，OH?中1個(gè)，共2個(gè)。正確。總反應(yīng)式可通過正負(fù)極反應(yīng)式相加得到（需注意電子得失守恒，此處負(fù)極失2e?，正極得1e?，故正極反應(yīng)式需乘以2）：負(fù)極：Zn+2OH?-2e?→Zn(OH)?正極×2：2MnO?+2H?O+2e?→2MnO(OH)+2OH?---------------------------------------------------總反應(yīng)：Zn+2MnO?+2H?O→Zn(OH)?+2MnO(OH)該電池作為一次性電池（原電池）的原因在于：其放電過程中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是不可逆的（或者說，在通常條件下難以通過簡(jiǎn)單的充電方式使反應(yīng)物復(fù)原）。負(fù)極的鋅不斷消耗，正極的二氧化錳也不斷被還原，當(dāng)活性物質(zhì)耗盡或反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，電池便無法繼續(xù)提供電能。要使其恢復(fù)，需要復(fù)雜的外界能量輸入和特定條件，因此它不屬于二次電池。要點(diǎn)總結(jié)：分析具體電池時(shí)，需結(jié)合其組成（電極材料、電解質(zhì)）和給出的反應(yīng)產(chǎn)物來推斷工作原理。理解原電池和二次電池的區(qū)別在于反應(yīng)的可逆性以及活性物質(zhì)能否通過充電再生。三、總結(jié)與展望通過對(duì)上述典型習(xí)題的解析，我們可以看出，掌握化學(xué)電池的原理與應(yīng)用，關(guān)鍵在于深刻理解氧化還原反應(yīng)與電現(xiàn)象的聯(lián)系，能夠準(zhǔn)確判斷電極、書寫電極