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。

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 $\text{MnO}_2$（二氧化锰）与 $\text{NH}_4\text{Cl}$（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 $0$ 升高到 $+2$：

$\text{Zn} - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}$

正极（碳棒周围的 $\text{MnO}_2$）：$\text{MnO}_2$ 得到电子，Mn 的化合价从 $+4$ 降低到 $+3$：

$2\text{MnO}_2 + 2\text{NH}_4^+ + 2e^- \rightarrow \text{Mn}_2\text{O}_3 + 2\text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O}$

例题1： 锌锰干电池放电时，负极质量减少了 $3.25\text{ g}$（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 $\text{Zn} - 2e^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}$，每消耗 $1\text{ mol}$ Zn，转移 $2\text{ mol}$ 电子。

$n(\text{Zn}) = \frac{3.25\text{ g}}{65\text{ g/mol}} = 0.05\text{ mol}$

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

答： 转移电子 $0.1\text{ mol}$。

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：

放电时的电极反应：

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

$\text{Pb} - 2e^- + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrow$

正极（$\text{PbO}_2$ 板）：$\text{PbO}_2$ 得到 $2$ 个电子，Pb 化合价从 $+4$ 降低到 $+2$，同样生成 ：

$\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$

两极的总放电反应（叠加后）：

$\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \xrightarrow{\text{放电}} 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$

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 $\text{PbSO}_4$ 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）。

例题2： 铅蓄电池放电时，若负极板质量增加了 $9.6\text{ g}$（$\text{PbSO}_4$ 的摩尔质量为 $303\text{ g/mol}$，Pb 的摩尔质量为 $207\text{ g/mol}$），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：$\text{Pb} - 2e^- + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{PbSO}_4$

负极板：每消耗 $1\text{ mol}$ Pb（$207\text{ g}$），生成 $1\text{ mol}$ $\text{PbSO}_4$（$303\text{ g}$），极板增重 $303-207$。

$n(\text{Pb消耗}) = \frac{9.6\text{ g}}{96\text{ g/mol}} = 0.1\text{ mol}$

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

正极反应式：$\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$

正极板：每消耗 $1\text{ mol}$ $\text{PbO}_2$（$239\text{ g}$），生成 $1\text{ mol}$ $\text{PbSO}_4$（），极板增重 。

$n(\text{PbO}_2消耗) = \frac{0.2\text{ mol}}{2} = 0.1\text{ mol}$

正极板增重：$0.1\text{ mol} \times 64\text{ g/mol} = 6.4\text{ g}$

答： 转移电子 $0.2\text{ mol}$，正极板质量增加 $6.4\text{ g}$。

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 $\text{Li}^+$ 的材料，放电时 $\text{Li}^+$ 从负极脱出，穿过电解质，嵌入正极；充电时过程反向。

以磷酸铁锂电池为例，放电时的简化电极反应（以 $\text{LiFePO}_4$ 和石墨为例）：

负极（石墨层中 Li 被氧化脱出）：

$\text{Li}_x\text{C}_6 - xe^- \rightarrow x\text{Li}^+ + \text{C}_6$

正极（$\text{Li}^+$ 嵌入，Fe 化合价降低，被还原）：

$x\text{Li}^+ + \text{FePO}_4 + xe^- \rightarrow \text{Li}_x\text{FePO}_4$

各类常见电池性能对比：

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 $\text{H}_2$）和氧化剂（如 $\text{O}_2$），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：

$2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

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 $\text{H}_2$，$\text{H}_2$ 失去电子被氧化，H 化合价从 $0$ 升高到 $+1$：

$\text{H}_2 - 2e^- \rightarrow 2\text{H}^+$

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

$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

碱性介质（如 KOH 溶液）中的电极反应：

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

$\text{H}_2 - 2e^- + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

正极（$\text{O}_2$ 被还原）：碱性溶液中，$\text{O}_2$ 与 $\text{H}_2\text{O}$ 结合生成 $$：

$\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$

例题3： 氢氧燃料电池（碱性，KOH 溶液）工作时，若消耗了 $0.4\text{ mol}$ $\text{H}_2$，计算：（1）转移电子的物质的量；（2）正极消耗 $\text{O}_2$ 的物质的量。

（1）由负极反应式 $\text{H}_2 - 2e^- + 2\text{OH}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$，每消耗 转移 电子：

$n(e^-) = 2 \times n(\text{H}_2) = 2 \times 0.4\text{ mol} = 0.8\text{ mol}$

（2）由正极反应式 $\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$，每消耗 得到 电子：

$n(\text{O}_2) = \frac{n(e^-)}{4} = \frac{0.8\text{ mol}}{4} = 0.2\text{ mol}$

答： 转移电子 $0.8\text{ mol}$，消耗 $\text{O}_2$ 共 $0.2\text{ mol}$。（也可用总反应 $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$ 直接得到 ，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 $0.5$ 平方米的土壤长达 $50$ 年，铅蓄电池中的铅更是高毒性重金属。

练习题

选择题

计算题

第5题 铅蓄电池放电时，正极板质量增加了 $19.2\text{ g}$（$\text{PbO}_2$ 摩尔质量 $239\text{ g/mol}$，$\text{PbSO}_4$ 摩尔质量 $$）。

（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 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 的物质的量。

第6题 氢氧燃料电池（酸性，电解质为稀硫酸），负极通入 $\text{H}_2$，正极通入 $\text{O}_2$。在某段时间内，负极消耗了 $\text{H}_2$ 共 $0.3\text{ mol}$，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 $\text{O}_2$ 的物质的量和在标准状况下的体积。

正极（$\text{PbO}_2$）：$\text{PbO}_2 + 2e^- + \text{SO}_4^{2-} + 4\text{H}^+ \rightarrow \text{PbSO}_4\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$

（2）正极板质量增加分析：

每消耗 $1\text{ mol}$ $\text{PbO}_2$（$239\text{ g}$），生成 $1\text{ mol}$ $\text{PbSO}_4$（$303\text{ g}$），极板增重 $303 - 239 = 64\text{ g/mol}$。

$n(\text{PbO}_2) = \frac{19.2\text{ g}}{64\text{ g/mol}} = 0.3\text{ mol}$

由正极反应式，每消耗 $1\text{ mol}$ $\text{PbO}_2$ 转移 $2\text{ mol}$ 电子：

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

消耗 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 的计算：由总反应式 $\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$，每转移 $2\text{ mol}$ 电子消耗 $2\text{ mol}$ $\text{H}_2\text{SO}_4$，即两者物质的量之比为 $1:1$：

$n(\text{H}_2\text{SO}_4) = n(e^-) = 0.6\text{ mol}$

答： 转移电子 $0.6\text{ mol}$，消耗 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 共 $0.6\text{ mol}$。

正极（$\text{O}_2$ 被还原）：$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4e^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$

（2）由负极反应式，每消耗 $1\text{ mol}$ $\text{H}_2$ 转移 $2\text{ mol}$ 电子：

$n(e^-) = 2 \times n(\text{H}_2) = 2 \times 0.3\text{ mol} = 0.6\text{ mol}$

由正极反应式，每消耗 $1\text{ mol}$ $\text{O}_2$ 得到 $4\text{ mol}$ 电子：

$n(\text{O}_2) = \frac{n(e^-)}{4} = \frac{0.6\text{ mol}}{4} = 0.15\text{ mol}$

标准状况下 $\text{O}_2$ 的体积：

$V(\text{O}_2) = n \times 22.4\text{ L/mol} = 0.15\text{ mol} \times 22.4\text{ L/mol} = 3.36\text{ L}$

验证：总反应 $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$，$0.3\text{ mol}$ $\text{H}_2$ 对应 $0.15\text{ mol}$ $\text{O}_2$，一致 ✓。

答： 转移电子 $0.6\text{ mol}$，消耗 $\text{O}_2$ 共 $0.15\text{ mol}$，标准状况下体积为 $3.36\text{ L}$。