高中化学第1章第3节第2课时化学电源学案含解析鲁科版选修.docx

第2课时化学电源核心素养发展目标1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。一、化学电池及其分类1化学电池的分类(1)化学电池按其使用性质常分为如下三类：一次电池：又叫干电池，活性物质消耗到一定程度就不能再使用。二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。(2)化学电池按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。2化学电池的回收利用使用后的废弃电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。例1随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是()A利用电池外壳的金属材料B防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染C防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品D回收其中石墨电极答案B解析汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。考点初步认识化学电池题点废旧化学电池的回收利用二、常见的化学电池1锌锰干电池目前常见的一次锌锰干电池分为酸性和碱性两种。(1)酸性锌锰干电池构造锌皮制成的锌筒做负极，中央插一根碳棒做正极，氯化锌、氯化铵和淀粉等糊状物做电解质溶液。电极反应负极反应式：Zn2e=Zn2，正极反应式：2NH2e=2NH3H2。(2)碱性锌锰干电池构造相对于酸性锌锰干电池，用氢氧化钾代替氯化铵做电解质。电极反应已知该电池总反应式：ZnMnO2H2O=Mn(OH)2ZnO，则负极反应式：Zn2OH2e=ZnOH2O，正极反应式：MnO22H2O2e=Mn(OH)22OH。2铅蓄电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。(2)放电反应原理负极反应式是PbSO2e=PbSO4；正极反应式是PbO24HSO2e=PbSO42H2O；放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。(3)充电反应原理阴极(发生还原反应)反应式是：PbSO42e=PbSO；阳极(发生氧化反应)反应式是：PbSO42H2O2e=PbO24HSO；充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。3氢氧燃料电池氢氧燃料电池用多孔石墨做电极，不断充入的氢气和氧气，分别在两极发生氧化反应和还原反应。(1)氢氧燃料电池的总反应式是：2H2O2=2H2O。(2)写出氢氧燃料电池(介质不同)的电极反应：介质负极反应式正极反应式酸性2H24e=4HO24H4e=2H2O碱性2H24e4OH=4H2OO22H2O4e=4OH常见化学电源的比较(1)一次电池：活泼金属做负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。(2)二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。(3)燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。例2锂空气电池放电时的工作原理如图所示。下列叙述正确的是()A放电时Li由B极向A极移动B电池放电反应为：4LiO22H2O=4LiOHCB电极反应式为：O24H4e=2H2OD电解液a可以为氯化锂溶液答案B解析在锂空气电池中，A(金属锂)为负极，其反应式是：4Li4OH4e=4LiOH；B为正极，其反应式是：O24e2H2O=4OH；总反应式是：4LiO22H2O=4LiOH。原电池工作过程中，溶液中的Li(阳离子)移向B极(正极)；金属锂能与水反应，电解质中不能含有水。考点一次电池和二次电池题点一次电池思维启迪根据原电池装置书写电极反应式(1)由装置图确定原电池的正极、负极及各极反应物。(2)若电解质溶液中的阴离子与负极产生的阳离子不共存，该阴离子写入负极反应式。(3)正极反应是溶液中的阳离子或氧化剂得到电子被还原。例3镍镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达1015年。镍镉电池的总反应为：Cd2NiOOH2H2O2Ni(OH)2Cd(OH)2。下列说法不正确的是()A放电时，负极发生了氧化反应，反应式为：Cd2OH2e=Cd(OH)2B充电时，阳极反应式为：Ni(OH)2eOH=NiOOHH2OC电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小D该电池充电时将电能转化为化学能答案C解析由电池总反应可知：放电时负极反应式为：Cd2OH2e=Cd(OH)2，负极区OH浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为：NiOOHH2Oe=Ni(OH)2OH，正极区OH浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2eOH=NiOOHH2O；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。考点一次电池和二次电池题点二次电池思维启迪由二次电池的总反应式书写电极反应式方法(1)放电时为原电池，由总反应式中元素化合价的变化，确定负极、正极的反应物、主要产物和转移电子数目，再结合电解质溶液性质和守恒关系写出电极反应式。(2)充电时的电极反应是放电时电极反应的逆过程，即充电的阳极反应为放电的正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电的负极反应的逆过程。相关链接充电电池充电、放电的原理(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。(2)充、放电时各电极上发生的反应(3)充电电池电极反应式的书写充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应式刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。注意书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb2e=Pb2是错误的，应写成PbSO2e=PbSO4。例4写出下列燃料电池的电极反应式和总反应式。(1)酸性条件下的甲烷燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。(2)碱性条件下的甲烷燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。(3)碱性条件下的甲醇(CH3OH)燃料电池总反应式：_；正极反应式：_；负极反应式：_。答案(1)CH42O2=CO22H2O2O28H8e=4H2OCH48e2H2O=CO28H(2)CH42O22OH=CO3H2O2O24H2O8e=8OHCH410OH8e=CO7H2O(3)2CH3OH3O24OH=2CO6H2O3O26H2O12e=12OH2CH3OH16OH12e=2CO12H2O考点燃料电池题点有机物燃料电池思维启迪燃料电池电极反应与电池总反应式的书写(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O24e=2O2，产生的O2存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H；酸性溶液电极反应式不能出现OH。(4)负极燃料CxHy或CxHyOz氧化后，在酸溶液中生成CO2，在碱溶液中生成CO。相关链接有机燃料电池电极反应式书写方法电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价变化规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。第二步：确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为2，CO中碳元素的化合价为4，故1mol乙醇完全反应失去24(2)12mol电子。第三步：列出表达式。C2H5OHOH12eCOH2O。第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH的化学计量数为16。(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH16OH12e=2CO11H2O。1下列电池工作时，氧气在正极放电的是()答案B解析燃料电池中在正极放电的物质都是氧气。考点化学电源的综合题点化学电源及其类别2某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是()A锌为电池的负极B正极反应式为：2FeO10H6e=Fe2O35H2OC该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D电池工作时OH向负极迁移答案B解析以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn6e6OH=3Zn(OH)2；K2FeO4为正极，发生反应：2FeO8H2O6e=2Fe(OH)310OH；放电过程中有OH生成，则电解质溶液的浓度增大，OH向负极迁移。考点一次电池和二次电池题点一次电池3(2018广东省清远质检)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用Li交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为：Li2SFe2e=2LiFeS。下列有关该电池的说法中，正确的是()A化合物LiAl具有强还原性，做负极材料B放电时，电子从LiAl极经过Li交换膜流向FeS极C放电时发生的总反应式为：2LiFeS=Li2SFeD为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液答案C解析LiAl是合金，不是化合物，A不正确；放电时，电子从LiAl极经过外电路流向FeS极，B不正确；放电时发生的总反应式为：2LiFeS=Li2SFe，C正确；负极材料易与水发生反应，故不能用电解质的水溶液，D不正确。考点一次电池和二次电池题点二次电池4.瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨液氧燃料电池示意图如右图，有关说法正确的是()A电池工作时，Na向负极移动B电子由电极2经外电路流向电极1C电池总反应为：4NH33O2=2N26H2OD电极2发生的电极反应为：O24H4e=2H2O答案C解析先分析进出电极物质的化合价判断电池正、负极，NH3N2，N元素化合价升高，故电极1为原电池负极，电极2为原电池正极，电池工作时，Na向正极移动，电子由电极1经外电路流向电极2，电极2电极反应式为：O22H2O4e=4OH，电极1电极反应式为：2NH36OH6e=N26H2O。考点燃料电池题点燃料电池(碱性电解质)5原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：电池的负极是_(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为：_。电池工作一段时间后电解质溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物做电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650下工作的燃料电池，其负极反应式为：2CO2CO4e=4CO2。正极反应式是：_；总电池反应式是：_。答案(1)aCH410OH8e=CO7H2O减小(2) O22CO24e=2CO2COO2=2CO2解析(1)甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原发应，故正极电极反应式为：O22CO24e=2CO，根据正极反应式负极反应式总电池反应式，可推知总电池反应式应为：2COO2=2CO2。考点燃料电池题点燃料电池的综合题组一一次电池1电子表和电子计算器的电源通常用微型银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为：Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag。下列说法正确的是()AAg2O是正极，Zn是负极BZn是正极，Ag2O是负极C工作时，电池负极区溶液pH增大D工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极答案A解析根据总反应式可知，金属锌失去电子发生氧化反应，做该电池的负极，氧化银得到电子发生还原反应，做该电池的正极，A项正确，B项错误；负极区锌离子与氢氧根离子结合，溶液中氢氧根离子浓度减小，则其pH减小，C项错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D项错误。考点一次电池和二次电池题点一次电池2碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn2MnO22H2O=Zn(OH)22MnOOH。下列说法中错误的是()A电池工作时，锌失去电子B电池正极的电极反应式为：2MnO22H2O2e=2MnOOH2OHC电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量减少6.5g答案C解析由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2mol电子，参加反应的锌理论上为0.1mol，即质量减少6.5g。考点一次电池和二次电池题点一次电池3锌空气电池(原理如图)适宜用做城市电动车的动力电源。该电池放电时Zn转化为ZnO。该电池工作时的下列说法正确的是()A氧气在石墨电极上发生氧化反应B该电池的负极反应为：ZnH2O2e=ZnO2HC该电池放电时OH向石墨电极移动D该电池充电时应将Zn电极与电源负极相连答案D解析氧气得电子发生还原反应，A错误；锌做负极，碱性条件下，负极反应为：Zn2OH2e=ZnOH2O，B错误；原电池工作时，溶液中的阴离子向负极移动，即OH向Zn电极移动，C错误；充电时，电池的负极与外接电源的负极相连，D正确。考点一次电池和二次电池题点一次电池题组二二次电池4铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。下列结论正确的是()APb为正极被氧化B溶液的pH不断减小CSO只向PbO2处移动D电解质溶液的密度不断减小答案D解析由电池总反应方程式可知，铅是负极，二氧化铅是正极；原电池工作时，外电路中电子由负极流向正极；内电路中带负电荷的阴离子(SO和OH)移向负极；硫酸不断被消耗，pH不断增大，硫酸浓度减小，溶液密度减小。考点一次电池和二次电池题点二次电池5(2018资阳第二次诊断)锂铜空气燃料电池(如图)容量高、成本低，该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为：2LiCu2OH2O=2Cu2Li2OH，下列说法错误的是()A整个反应过程中，氧化剂为O2B放电时，正极的电极反应式为：Cu2OH2O2e=2Cu2OHC放电时，当电路中通过0.1mol电子的电量时，有0.1molLi透过固体电解质向Cu极移动，有标准状况下1.12L氧气参与反应D通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O答案C解析该电池工作过程中，通入空气将Cu腐蚀生成Cu2O，Cu2O在正极放电又被还原成Cu，整个过程中，氧化剂为O2，A、D项正确；放电时正极的电极反应式为：Cu2O2eH2O=2Cu2OH，B项正确；放电时负极反应式为：Lie=Li，电路中通过0.1mol电子生成0.1molLi，Li透过固体电解质向Cu极移动，反应中消耗O2的物质的量为0.025mol，在标准状况下O2的体积为0.025mol22.4Lmol10.56L，C项错误。考点一次电池和二次电池题点二次电池6高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池可长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH，下列叙述不正确的是()A放电时负极反应为：Zn2e2OH=Zn(OH)2B充电时阳极反应为：Fe(OH)33e5OH=FeO4H2OC放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强答案C解析根据题给总反应式，高铁电池放电时必定是锌为负极失去电子，被氧化；高铁酸钾在正极得到电子，被还原。充电时，阳极上氢氧化铁被氧化成高铁酸钾。放电时正极附近生成OH，碱性增强。考点一次电池和二次电池题点二次电池题组三燃料电池7一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH4eH2O=CH3COOH4H。下列有关说法正确的是()A检测时，电解质溶液中的H向负极移动B若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C电池反应的化学方程式为：CH3CH2OHO2=CH3COOHH2OD正极上发生的反应为：O24e2H2O=4OH答案C解析在原电池中，电解质溶液中的阳离子应向正极移动，A项错误；每消耗1molO2，转移4mol电子，若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗2.24LO2，B项错误；根据题意，电解质溶液呈酸性，正极的电极反应为：O24H4e=2H2O，D项错误。考点燃料电池题点有机物燃料电池(酸性电解质)8将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是()通入CO的电极为正极；正极的电极反应式是：O22H2O4e=4OH；通入CO的电极反应式是：2COO24e=2CO2；负极的电极反应式是：CO4OH2e=CO2H2O；放电时溶液中的阳离子向负极移动；放电时溶液中的阴离子向负极移动。ABCD答案B解析据题意知，发生的反应为：2COO2=2CO2，反应产生的CO2处于KOH溶液中，又会转化为CO，正确，错误；O2得e被还原，在正极反应，错误，正确；阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，错误，正确。考点燃料电池题点无机物燃料电池(碱性电解质)9下图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为：2CH3OH3O2=2CO24H2O。下列说法不正确的是()A左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇B正极反应式为：O22H2O4e=4OHC负极反应式为：CH3OHH2O6e=CO26HD该电池提供1mole，消耗氧气0.25mol答案B解析负极反应式为：2CH3OH12e2H2O=2CO212H，正极反应式为：3O212e12H=6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1mol电子时，消耗O2为1mol0.25mol。考点燃料电池题点有机物燃料电池(隔膜、酸性电解质)10一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是()A反应CH4H2O3H2CO，每消耗1molCH4转移12mol电子B电极A上H2参与的电极反应为H22OH2e=2H2OC电池工作时，CO向电极B移动D电极B上发生的电极反应为：O22CO24e=2CO答案D解析A项，由化合价变化可知，每消耗1molCH4转移6mol电子；B项，电极A为负极，电极反应为：H2CO2CO4e=H2O3CO2；C项，电池工作时，CO向电极A移动；D项，电极B是正极，电极反应为：O22CO24e=2CO。考点燃料电池题点有机物燃料电池(熔融电解质)题组四新型电池11研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：5MnO22Ag2NaCl=Na2Mn5O102AgCl，下列“水”电池的海水中放电时的有关说法正确的是()A正极反应式为：AgCle=AgClB每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子CNa不断向“水”电池的负极移动DAgCl是还原产物答案B解析根据总反应中化合价的升降和正、负极的反应原理，正极反应为：5MnO22e=Mn5O，负极反应为：2Ag2Cl2e=2AgCl，A项错误，B项正确；C项，阳离子向正极移动，错误；D项，AgCl是氧化产物，错误。考点化学电池的综合题点新型电池原理分析12以氨气代替氢气来研发氨燃料电池是当前科研的一个热点，氨燃料电池使用的电解质溶液是KOH溶液，电池反应为：4NH33O22N26H2O。下列有关说法错误的是()A氨燃料电池在充电时，N2在阴极得电子被氧化B氨燃料电池在放电时，负极反应为：2NH36e6OH=N26H2OC以氨气代替氢气的主要原因是氨气易液化、易储存D燃料电池的能量转化率一般比普通的电池高答案A解析充电时N2在阴极得电子被还原，A错误；氨燃料电池在放电时，负极反应为：4NH312e12OH=2N212H2O，正极反应为：3O212e6H2O=12OH，B正确；燃料电池的能量转化率超过80%，比普通的电池高，D正确。考点化学电池的综合题点新型电池原理分析13.最近科学家研制的一种新型“微生物电池”可以将污水中的有机物转化为H2O和CO2，同时产生电能，其原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是()A氧化银电极上的反应为：Ag2O2e=2AgO2B石墨电极上的反应为：C6H12O66H2O24e=6CO224HC每转移4mol电子，氧化银电极产生22.4LCO2气体(标准状况)D30gC6H12O6参与反应，有4molH经质子交换膜进入正极区答案D解析C6H12O6在微生物作用下转化为CO2和H2O，C6H12O6被氧化，即石墨电极为负极，氧化银电极为正极，Ag2O发生得电子的还原反应，电极反应式为：Ag2O2H2e=2AgH2O，故A错误；石墨电极为负极，C6H12O6在负极发生失电子的氧化反应：C6H12O66H2O24e=6CO224H，故B错误；根据负极的电极反应式可知，每转移4mol电子，石墨电极产生22.4LCO2(标准状况)，故C错误；30gC6H12O6的物质的量为mol，根据负极的电极反应式可知，有4molH经质子交换膜进入正极区，故D正确。考点化学电池的综合题点新型电池原理分析14“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。(1)飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将_能转化为_能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为：Cd2NiOOH2H2OCd(OH)22Ni(OH)2充电时，阳极的电极反应式为：_；当飞船运行到阴影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性_(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为：ZnAg2OH2O2AgZn(OH)2，其负极的电极反应式为：_。答案(1)太阳电Ni(OH)2eOH=NiOOHH2O减小(2)Zn2e2OH=Zn(OH)2解析镉镍蓄电池中，阳极是失电子发生氧化反应的一极，Ni(OH)2为阳极；放电时负极反应为：Cd2e2OH=Cd(OH)2，溶液的碱性减小。考点一次电池和二次电池题点二次电池15燃料电池是利用燃料与氧气反