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上一节电极反应式的书写下一节电解池的基本原理
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化学氧化还原与电化学基础常见化学电源

常见化学电源

手机充电、汽车启动、路灯储能……这些场景里都有一个核心角色：化学电源。化学电源的本质，是把化学反应中的化学能转变为电能，供外部电路使用。从19世纪初伏特发明第一个电堆，到今天驱动电动汽车的锂离子电池，化学电源的原理始终是氧化还原反应——只不过不同的电池，用的材料、电解质和工作方式各不相同。

化学电源的基本分类

化学电源按照是否可以反复充放电，分为两大类：一次电池和二次电池（蓄电池）。一次电池放完电就废弃，不可再生；二次电池放完电后可以通过充电恢复，循环使用。

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一次电池和二次电池在化学反应本质上相同，都是氧化还原反应。区别在于：一次电池放电后，产物无法通过外加电流再还原回去；二次电池的放电产物，在充电时可以被“逆向”还原，回到原来的状态。

锌锰干电池

超市货架上最常见的五号、七号电池，就是锌锰干电池。它的外壳是锌筒，中间是碳棒（石墨），两者之间填满了 MnO2\text{MnO}_2MnO2​（二氧化锰）与 NH4Cl\text{NH}_4\text{Cl}NH4​Cl（氯化铵）糊状混合物作为电解质。因为电解质不是液态而是糊状，所以称为“干电池”。

电池结构示意：

放电时的电极反应：

负极（锌筒）：锌失去电子，化合价从 000 升高到 +2+2+2：

Zn−2e−→Zn2+\text{Zn} - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}Zn−2e−→Zn2+

正极（碳棒周围的 MnO2\text{MnO}_2MnO2​）：MnO2\text{MnO}_2MnO2​ 得到电子，Mn 的化合价从 +4+4+4 降低到 +3+3+3：

2MnO2+2NH4++2e−→Mn2O3+2NH3+H2O2\text{MnO}_2 + 2\text{NH}_4^+ + 2e^- \rightarrow \text{Mn}_2\text{O}_3 + 2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}2MnO2​+2NH4+​+2e−→Mn2​O3​+2NH3​+H2​O

锌锰干电池使用一段时间后，Zn 筒越来越薄，一旦 Zn 被腐蚀穿孔，内部糊状 NH4Cl\text{NH}_4\text{Cl}NH4​Cl 电解质就会漏出，腐蚀设备。这就是“漏电液”的成因，长时间不用的设备应取出电池。

例题1： 锌锰干电池放电时，负极质量减少了 3.25 g3.25\text{ g}3.25 g（Zn 的相对原子质量为 65），求此过程中转移的电子的物质的量。

由负极反应式 Zn−2e−→Zn2+\text{Zn} - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}Zn−2e−→Zn2+，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol Zn，转移 2 mol2\text{ mol}2 mol 电子。

n(Zn)=3.25 g65 g/mol=0.05 moln(\text{Zn}) = \frac{3.25\text{ g}}{65\text{ g/mol}} = 0.05\text{ mol}n(Zn)=65 g/mol3.25 g​=0.05 mol

n(e−)=2×n(Zn)=2×0.05 mol=0.1 moln(e^-) = 2 \times n(\text{Zn}) = 2 \times 0.05\text{ mol} = 0.1\text{ mol}n(e−)=2×n(Zn)=2×0.05 mol=0.1 mol

答： 转移电子 0.1 mol0.1\text{ mol}0.1 mol。

铅蓄电池

汽车发动机的启动、路边路灯储能柜里，用的几乎都是铅蓄电池。铅蓄电池是最典型的二次电池——它既能放电（把化学能转为电能），又能充电（把电能转回化学能），而且可以反复循环数百次。

铅蓄电池的基本结构：

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放电时的电极反应：

负极（铅板）：Pb 失去 222 个电子，与 SO42−\text{SO}_4^{2-}SO42−​ 结合生成 PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​，附着在极板上：

Pb−2e−+SO42−→PbSO4↓\text{Pb} - 2e^- + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrowPb−2e−+SO42−​→PbSO4​↓

正极（PbO2\text{PbO}_2PbO2​ 板）：PbO2\text{PbO}_2PbO2​ 得到 222 个电子，Pb 化合价从 +4+4+4 降低到 +2+2+2，同样生成 PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​：

PbO2+2e−+SO42−+4H+→PbSO4↓+2H2O\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}PbO2​+2e−+SO42−​+4H+→PbSO4​↓+2H2​O

两极的总放电反应（叠加后）：

Pb+PbO2+2H2SO4→放电2PbSO4+2H2O\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \xrightarrow{\text{放电}} 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}Pb+PbO2​+2H2​SO4​放电​2PbSO4​+2H2​O

充电时的电极反应（放电的逆过程）：

充电时，铅蓄电池连接外部电源，外部电源强迫电流反向流动，使放电产物 PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​ 重新分解还原，正负极角色对应充电阳极（接外部电源正极）和阴极（接外部电源负极）。

铅蓄电池放电时，两极都生成 PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​，同时消耗 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​，导致电解质密度下降。因此，可以通过测量稀硫酸密度来判断蓄电池的剩余电量——密度越低，说明放电越多。充电后密度恢复，表示充电完成。

例题2： 铅蓄电池放电时，若负极板质量增加了 9.6 g9.6\text{ g}9.6 g（PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​ 的摩尔质量为 303 g/mol303\text{ g/mol}303 g/mol，Pb 的摩尔质量为 207 g/mol207\text{ g/mol}207 g/mol），计算此过程转移的电子物质的量，以及正极板质量的变化。

负极反应式：Pb−2e−+SO42−→PbSO4\text{Pb} - 2e^- + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4Pb−2e−+SO42−​→PbSO4​

负极板：每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol Pb（207 g207\text{ g}207 g），生成 1 mol1\text{ mol}1 mol PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​（303 g303\text{ g}303 g），极板增重 303−207=96 g303 - 207 = 96\text{ g}303−207=96 g。

n(Pb消耗)=9.6 g96 g/mol=0.1 moln(\text{Pb消耗}) = \frac{9.6\text{ g}}{96\text{ g/mol}} = 0.1\text{ mol}n(Pb消耗)=96 g/mol9.6 g​=0.1 mol

n(e−)=2×0.1 mol=0.2 moln(e^-) = 2 \times 0.1\text{ mol} = 0.2\text{ mol}n(e−)=2×0.1 mol=0.2 mol

正极反应式：PbO2+2e−+SO42−+4H+→PbSO4+2H2O\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}PbO2​+2e−+SO42−​+4H+→PbSO4​+2H2​O

正极板：每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol PbO2\text{PbO}_2PbO2​（239 g239\text{ g}239 g），生成 1 mol1\text{ mol}1 mol PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​（303 g303\text{ g}303 g），极板增重 303−239=64 g303 - 239 = 64\text{ g}303−239=64 g。

n(PbO2消耗)=0.2 mol2=0.1 moln(\text{PbO}_2消耗) = \frac{0.2\text{ mol}}{2} = 0.1\text{ mol}n(PbO2​消耗)=20.2 mol​=0.1 mol

正极板增重：0.1 mol×64 g/mol=6.4 g0.1\text{ mol} \times 64\text{ g/mol} = 6.4\text{ g}0.1 mol×64 g/mol=6.4 g

答： 转移电子 0.2 mol0.2\text{ mol}0.2 mol，正极板质量增加 6.4 g6.4\text{ g}6.4 g。

锂离子电池

手机、笔记本电脑、电动汽车——这些产品的动力来源，几乎都是锂离子电池。与铅蓄电池相比，锂离子电池能量密度高（同样重量能储更多电）、无记忆效应（随用随充不影响寿命）、自放电率低，已成为现代最主流的二次电池。

锂离子电池的工作原理：

锂离子电池的正负极都是能嵌入 Li+\text{Li}^+Li+ 的材料，放电时 Li+\text{Li}^+Li+ 从负极脱出，穿过电解质，嵌入正极；充电时过程反向。

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以磷酸铁锂电池为例，放电时的简化电极反应（以 LiFePO4\text{LiFePO}_4LiFePO4​ 和石墨为例）：

负极（石墨层中 Li 被氧化脱出）：

LixC6−xe−→xLi++C6\text{Li}_x\text{C}_6 - xe^- \rightarrow x\text{Li}^+ + \text{C}_6Lix​C6​−xe−→xLi++C6​

正极（Li+\text{Li}^+Li+ 嵌入，Fe 化合价降低，被还原）：

xLi++FePO4+xe−→LixFePO4x\text{Li}^+ + \text{FePO}_4 + xe^- \rightarrow \text{Li}_x\text{FePO}_4xLi++FePO4​+xe−→Lix​FePO4​

锂离子电池的电解质是有机溶剂，遇水会剧烈反应，因此锂电池绝对不能进水，也不能过充过放。电池鼓包是内部气体积聚的信号，此时应立刻停用，否则存在起火风险。

各类常见电池性能对比：

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氢氧燃料电池

燃料电池与普通电池最大的不同在于：它不储存能量，而是像“发电机”一样，只要持续向两极通入燃料（如 H2\text{H}_2H2​）和氧化剂（如 O2\text{O}_2O2​），就能持续输出电能，理论上只要燃料不断，就能一直放电。

氢氧燃料电池的总反应就是氢气燃烧：

2H2+O2→2H2O2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}2H2​+O2​→2H2​O

但与直接燃烧不同，电池中这个反应是通过电极分步进行的，化学能直接转变为电能，效率远高于先燃烧再发电的方式。

酸性介质（如稀硫酸）中的电极反应：

负极通入 H2\text{H}_2H2​，H2\text{H}_2H2​ 失去电子被氧化，H 化合价从 000 升高到 +1+1+1：

H2−2e−→2H+\text{H}_2 - 2e^- \rightarrow 2\text{H}^+H2​−2e−→2H+

正极通入 O2\text{O}_2O2​，O2\text{O}_2O2​ 得到电子被还原，酸性溶液中借助 H+\text{H}^+H+ 和 H2O\text{H}_2\text{O}H2​O：

O2+4H++4e−→2H2O\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}O2​+4H++4e−→2H2​O

碱性介质（如 KOH 溶液）中的电极反应：

负极（H2\text{H}_2H2​ 被氧化）：碱性溶液中，H2\text{H}_2H2​ 与 OH−\text{OH}^-OH− 结合生成 H2O\text{H}_2\text{O}H2​O：

H2−2e−+2OH−→2H2O\text{H}_2 - 2e^- + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}H2​−2e−+2OH−→2H2​O

正极（O2\text{O}_2O2​ 被还原）：碱性溶液中，O2\text{O}_2O2​ 与 H2O\text{H}_2\text{O}H2​O 结合生成 OH−\text{OH}^-OH−：

O2+2H2O+4e−→4OH−\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-O2​+2H2​O+4e−→4OH−

燃料电池将化学能直接转化为电能，理论效率可达 80%80\%80% 以上，远高于热机（内燃机约 30%∼40%30\%\sim40\%30%∼40%）。氢氧燃料电池的唯一产物是水，对环境无污染，是未来清洁能源的重要方向之一。

例题3： 氢氧燃料电池（碱性，KOH 溶液）工作时，若消耗了 0.4 mol0.4\text{ mol}0.4 mol H2\text{H}_2H2​，计算：（1）转移电子的物质的量；（2）正极消耗 O2\text{O}_2O2​ 的物质的量。

（1）由负极反应式 H2−2e−+2OH−→2H2O\text{H}_2 - 2e^- + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}H2​−2e−+2OH−→2H2​O，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol H2\text{H}_2H2​ 转移 2 mol2\text{ mol}2 mol 电子：

n(e−)=2×n(H2)=2×0.4 mol=0.8 moln(e^-) = 2 \times n(\text{H}_2) = 2 \times 0.4\text{ mol} = 0.8\text{ mol}n(e−)=2×n(H2​)=2×0.4 mol=0.8 mol

（2）由正极反应式 O2+2H2O+4e−→4OH−\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-O2​+2H2​O+4e−→4OH−，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol O2\text{O}_2O2​ 得到 4 mol4\text{ mol}4 mol 电子：

n(O2)=n(e−)4=0.8 mol4=0.2 moln(\text{O}_2) = \frac{n(e^-)}{4} = \frac{0.8\text{ mol}}{4} = 0.2\text{ mol}n(O2​)=4n(e−)​=40.8 mol​=0.2 mol

答： 转移电子 0.8 mol0.8\text{ mol}0.8 mol，消耗 O2\text{O}_2O2​ 共 0.2 mol0.2\text{ mol}0.2 mol。（也可用总反应 2H2+O2→2H2O2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}2H2​+O2​→2H2​O 直接得到 n(O2)=0.42=0.2 moln(\text{O}_2) = \frac{0.4}{2} = 0.2\text{ mol}n(O2​)=20.4​=0.2 mol，两种方法结果一致。）

电池使用与环保

化学电源在为生活提供便利的同时，废旧电池中含有重金属（铅、镉、汞等），若随意丢弃会污染土壤和地下水。一节普通干电池可以污染约 0.50.50.5 平方米的土壤长达 505050 年，铅蓄电池中的铅更是高毒性重金属。

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废旧电池中的重金属进入土壤后，会被植物吸收，进而通过食物链富集到人体内，危害健康。“随手分类投放废旧电池”是每个人都能做到的环保行动。

练习题

选择题

关于锌锰干电池的正负极判断与电极反应，以下说法正确的是

下列关于铅蓄电池放电过程的叙述，正确的是

下列关于氢氧燃料电池的说法，正确的是

下列关于常见化学电源的叙述，正确的是

计算题

第5题 铅蓄电池放电时，正极板质量增加了 19.2 g19.2\text{ g}19.2 g（PbO2\text{PbO}_2PbO2​ 摩尔质量 239 g/mol239\text{ g/mol}239 g/mol，PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​ 摩尔质量 303 g/mol303\text{ g/mol}303 g/mol）。

（1）写出放电时正极和负极的电极反应式。

（2）计算此过程中转移电子的物质的量，以及消耗稀硫酸中 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ 的物质的量。

解析：

（1）电极反应式：

负极（Pb）：Pb−2e−+SO42−→PbSO4↓\text{Pb} - 2e^- + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrowPb−2e−+SO42−​→PbSO4​↓

正极（PbO2\text{PbO}_2PbO2​）：PbO2+2e−+SO42−+4H+→PbSO4↓+2H2O\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}PbO2​+2e−+SO42−​+4H+→PbSO4​↓+2H2​O

（2）正极板质量增加分析：

每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol PbO2\text{PbO}_2PbO2​（239 g239\text{ g}239 g），生成 1 mol1\text{ mol}1 mol PbSO4\text{PbSO}_4PbSO4​（303 g303\text{ g}303 g），极板增重 303−239=64 g/mol303 - 239 = 64\text{ g/mol}303−239=64 g/mol。

n(PbO2)=19.2 g64 g/mol=0.3 moln(\text{PbO}_2) = \frac{19.2\text{ g}}{64\text{ g/mol}} = 0.3\text{ mol}n(PbO2​)=64 g/mol19.2 g​=0.3 mol

由正极反应式，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol PbO2\text{PbO}_2PbO2​ 转移 2 mol2\text{ mol}2 mol 电子：

n(e−)=2×0.3 mol=0.6 moln(e^-) = 2 \times 0.3\text{ mol} = 0.6\text{ mol}n(e−)=2×0.3 mol=0.6 mol

消耗 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ 的计算：由总反应式 Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}Pb+PbO2​+2H2​SO4​→2PbSO4​+2H2​O，每转移 2 mol2\text{ mol}2 mol 电子消耗 2 mol2\text{ mol}2 mol H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​，即两者物质的量之比为 1:11:11:1：

n(H2SO4)=n(e−)=0.6 moln(\text{H}_2\text{SO}_4) = n(e^-) = 0.6\text{ mol}n(H2​SO4​)=n(e−)=0.6 mol

答： 转移电子 0.6 mol0.6\text{ mol}0.6 mol，消耗 H2SO4\text{H}_2\text{SO}_4H2​SO4​ 共 0.6 mol0.6\text{ mol}0.6 mol。

第6题 氢氧燃料电池（酸性，电解质为稀硫酸），负极通入 H2\text{H}_2H2​，正极通入 O2\text{O}_2O2​。在某段时间内，负极消耗了 H2\text{H}_2H2​ 共 0.3 mol0.3\text{ mol}0.3 mol，回答下列问题：

（1）分别写出酸性介质下负极和正极的电极反应式。

（2）计算此过程转移的电子的物质的量，以及正极消耗 O2\text{O}_2O2​ 的物质的量和在标准状况下的体积。

解析：

（1）酸性介质下的电极反应式：

负极（H2\text{H}_2H2​ 被氧化）：H2−2e−→2H+\text{H}_2 - 2e^- \rightarrow 2\text{H}^+H2​−2e−→2H+

正极（O2\text{O}_2O2​ 被还原）：O2+4H++4e−→2H2O\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}O2​+4H++4e−→2H2​O

（2）由负极反应式，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol H2\text{H}_2H2​ 转移 2 mol2\text{ mol}2 mol 电子：

n(e−)=2×n(H2)=2×0.3 mol=0.6 moln(e^-) = 2 \times n(\text{H}_2) = 2 \times 0.3\text{ mol} = 0.6\text{ mol}n(e−)=2×n(H2​)=2×0.3 mol=0.6 mol

由正极反应式，每消耗 1 mol1\text{ mol}1 mol O2\text{O}_2O2​ 得到 4 mol4\text{ mol}4 mol 电子：

n(O2)=n(e−)4=0.6 mol4=0.15 moln(\text{O}_2) = \frac{n(e^-)}{4} = \frac{0.6\text{ mol}}{4} = 0.15\text{ mol}n(O2​)=4n(e−)​=40.6 mol​=0.15 mol

标准状况下 O2\text{O}_2O2​ 的体积：

V(O2)=n×22.4 L/mol=0.15 mol×22.4 L/mol=3.36 LV(\text{O}_2) = n \times 22.4\text{ L/mol} = 0.15\text{ mol} \times 22.4\text{ L/mol} = 3.36\text{ L}V(O2​)=n×22.4 L/mol=0.15 mol×22.4 L/mol=3.36 L

验证：总反应 2H2+O2→2H2O2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}2H2​+O2​→2H2​O，0.3 mol0.3\text{ mol}0.3 mol H2\text{H}_2H2​ 对应 0.15 mol0.15\text{ mol}0.15 mol O2\text{O}_2O2​，一致 ✓。

答： 转移电子 0.6 mol0.6\text{ mol}0.6 mol，消耗 O2\text{O}_2O2​ 共 0.15 mol0.15\text{ mol}0.15 mol，标准状况下体积为 3.36 L3.36\text{ L}3.36 L。

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