2020化学鲁教选修：化学电源含解析.doc

教学资料范本2020化学鲁教选修：化学电源含解析编 辑：_时 间：_第2课时化学电源学业要求素养对接能列举常见的化学电源、并能利用相关信息分析化学电源的工作原理。1.科学探究：了解不同化学电源的工作原理。2.社会责任：了解各类电池的生产工艺和回收价值、新型电池的开发。知 识 梳 理知识点一、化学电池1.概念：是将化学能直接转化为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极、使用时将两极用导线接通、就有电流产生、因而获得电能。2.分类知识点二、常见的化学电池1.一次电池(1)酸性锌锰电池组成正极：石墨；负极：锌筒；电解质：氯化铵和氯化锌混合溶液。工作原理负极反应：Zn2e=Zn2；正极反应：2NH2e=2NH3H2。(2)碱性锌锰电池组成正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。工作原理负极反应：Zn2OH2e=ZnOH2O；正极反应：MnO22e2H2O=Mn(OH)22OH。总反应：ZnMnO2H2O=ZnOMn(OH)2。2.二次电池(以铅蓄电池为例)(1)组成正极：PbO2；负极：Pb；电解质：H2SO4溶液。(2)工作原理铅蓄电池是最常见的二次电池、其电极反应分为放电和充电两个过程。放电过程的电极反应、总反应负极：Pb2eSO=PbSO4；正极：PbO22e4HSO=PbSO42H2O；总反应：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。充电过程的电极反应、总反应阴极：PbSO42e=PbSO(还原反应)；阳极：PbSO42e2H2O=PbO24HSO(氧化反应)。总反应：2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4。铅蓄电池的充、放电过程PbPbO22H2SO42PbSO42H2O。3.燃料电池(1)氢氧燃料电池下图为一种氢氧燃料电池结构示意图、电解质溶液为KOH溶液、电极材料为多孔石墨、氢气和氧气(或空气)源源不断地通到电极上。则氢氧燃料电池的电极反应为负极：2H24OH4e=4H2O；正极：O22H2O4e=4OH；电池总反应为2H2O2=2H2O。(2)工作原理燃料电池不同于一般的原电池和蓄电池、它的特点是电池的正负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。两种气体分别不断地输入燃料电池的两极、通过燃料气体在负极发生的氧化反应和氧气在正极发生的还原反应、实现一个相当于燃烧反应的电池反应、将化学能转变为电能。燃料电池的燃料除了氢气外、还有甲烷、甲醇和乙醇等。(3)应用前景燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点、已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。自 我 检 测1.化学电池与其他能源相比有哪些优点？答案化学电池的优点是：能量转换效率高、供能稳定可靠。可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组、使用方便。易维护、可在各种环境下工作。2.如何给可充电电池充放电？其充放电过程的区别与联系是什么？答案(1)可充电电池充放电时电池的接法：联系：电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。3.如图是氢氧燃料电池示意图、请根据示意图判断正负极、并试写出在不同电解质中的电极反应。氢氧燃料电池示意图介质电池反应：2H2O2=2H2O酸性(H)负极正极中性(Na2SO4)负极正极碱性(OH)负极正极答案通H2的一极为负极、通O2的一极为正极。介质电池反应：2H2O2=2H2O酸性(H)负极2H24e=4H正极O24H4e=2H2O中性(Na2SO4)负极2H24e=4H正极O22H2O4e=4OH碱性(OH)负极2H24e4OH=4H2O正极O22H2O4e=4OH学习任务一、二次电池【交流思考】图1是可充放电的铅蓄电池、图2 是银锌纽扣电池、你了解它们的工作原理吗？它们的电池反应分别是什么？提示PbPbO22H2SO42PbSO42H2O；Ag2OZn=ZnO2Ag。【名师点拨】1.可充电电池电极极性和两极反应物的判断判断电池放电时电极极性和参加反应的物质、可先标出放电(原电池)总反应电子转移的数目、失去电子的一极为负极、该物质即为负极参加反应的物质；得到电子的一极为正极、该物质即为正极参加反应的物质。若判断电池充电时电极极性和参加反应的物质、可直接利用阳极反应为放电时的正极反应的逆反应、阴极反应为放电时的负极反应的逆反应、进行判断。2.电极反应的书写方法书写可充电电池电极反应、一般都是先书写放电的电极反应。书写放电的电极反应时、一般分三步书写：第一、先标出原电池总反应电子转移的方向和数目、指出参与负极和正极反应的物质；第二、写出一个比较容易书写的电极反应(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三、在电子守恒的基础上、总反应减去写出的电极反应即得另一电极反应。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反、充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程、充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。3.溶液中离子的移动方向判断放电时、阴离子移向负极、阳离子移向正极；充电时、阴离子移向阳极、阳离子移向阴极。4.pH变化规律若电极反应消耗OH(H)、则电极周围溶液的pH减小(增大)、若电极反应生成H(OH)、则电极周围溶液的pH减小(增大)；若总反应的结果是消耗OH(H)、则溶液的pH减小(增大)、若总反应的结果是生成H(OH)、则溶液的pH减小(增大)；若两极消耗或生成的OH(H)的物质的量相等、则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定、应具体问题具体分析。【典例1】常见铅蓄电池是二次电池、其电极材料分别为Pb和PbO2、电解液为稀硫酸溶液、工作时的总反应式为PbPbO22H2SO42PbSO42H2O。请依据上述情况判断：(1)铅蓄电池的负极材料是_。(2)请依据两极材料和总反应、写出放电时正极反应式_。(3)请依据总反应式和正极反应式、写出放电时负极反应式_。(4)放电时、电解质溶液中阴离子移向_极；电流方向从_电极流向_电极。(5)放电时、电解质溶液的酸性_(填“增强”“减弱”或“不变”)。(6)充电时PbO2极发生_反应、电极反应式为_；Pb极发生_反应、电极反应式为_。解析此题考查常见电池的工作原理、结合各电极反应式及其总反应式解答。依据原电池的反应原理、铅蓄电池的工作原理及其总反应式可得答案。答案(1)铅(Pb)(2)PbO24HSO2e=PbSO42H2O(3)PbSO2e=PbSO4(4)负氧化铅(PbO2)铅(Pb)(5)减弱(6)氧化PbSO42H2O2e=PbO24HSO还原PbSO42e=PbSO变式训练1市场上经常见到的标记为Liion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式为Li2Li0.35 NiO22Li0.85NiO2。下列说法不正确的是()A.放电时、负极的电极反应式：Lie=LiB.充电时、Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C.该电池不能用水作为电解质溶液D.放电过程中Li向负极移动解析负极Li失去电子生成Li移向正极。答案D学习任务二、燃料电池【观图助学】燃料电池被人们誉为”绿色”发电站、除了氢气以外、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体、均可作为燃料电池的燃料。试述燃料电池的优越性、设想它的发展前景。【名师点拨】燃料电池规律的总结(1)总反应：总反应是燃料的燃烧反应。如2H2O2=2H2O、CH42O2=CO22H2O(酸性)、CH42O22NaOH=Na2CO33H2O(碱性)等。(2)正极反应：燃料电池的正极上是氧化剂、发生还原反应。通常是O24e2H2O=4OH(碱性)、O24e4H=2H2O(酸性)等。(3)负极反应：燃料电池的负极上是燃料发生氧化反应。书写负极的电极反应式通常有两种方法(思路)。方法一：守恒分析法首先确定还原剂、氧化产物及失去的电子数、然后依据介质(H或OH)来使电荷和原子个数守恒。以甲烷燃料电池(NaOH溶液为电解质溶液)为例说明如下：CH4是还原剂、CO2是氧化产物、但碱溶液中CO2转化为CO、由、升高8价、故有：CH48eCO。平衡电荷：左边失8个电子、右边有2个负电荷、故应在左边加上10个负电荷、即CH48e10OHCO。将H、O原子数配平得：CH48e10OH=CO7H2O。若为酸性电池、则书写步骤为 CH48eCO2。平衡电荷：左边失8个电子、不可能加OH、应在右边加H：CH48eCO28H。左边加H2O并配平得：CH48e2H2O=CO28H。方法二：反应式相减法用电池总反应式减去正极的电极反应式可得出负极的电极反应式。总反应：CH42O22OH=CO3H2O(碱性电池)正极反应：2O28e4H2O=8OH负极反应：CH48e10OH=CO7H2O。总反应：CH42O2=CO22H2O(酸性电池)正极反应：2O28e8H=4H2O负极反应：CH48e2H2O=CO28H。【典例2】以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。(1)酸性条件燃料电池总反应式：_。正极反应式：_。负极反应式：_。(2)碱性条件燃料电池总反应式：_。正极反应式：_。负极反应式：_。(3)固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应式：_。正极反应式：_。负极反应式：_。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式：_。正极反应式：_。负极反应式：_。答案(1)CH42O2=CO22H2O2O28H8e=4H2OCH48e2H2O=CO28H(2)CH42O22OH=CO3H2O2O24H2O8e=8OHCH410OH8e=CO7H2O(3)CH42O2=CO22H2O2O28e=4O2CH44O28e=CO22H2O(4)CH42O2=CO22H2O2O24CO28e=4COCH44CO8e=5CO22H2O变式训练2以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。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：C6H12O66H2O24e=6CO224HC.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1 mol氧气理论上能生成标准状况下CO2气体 L解析微生物燃料电池只能在常温下工作、A错；放电过程为原电池反应、H应向正极迁移、C错；由电池反应C6H12O66O2=6CO26H2O知、每消耗1 mol O2理论上生成1 mol CO2、即标况下22.4 L、D错。答案B1.下列说法错误的是()A.依据原电池的原理设计出了化学电源B.原电池是化学电源的雏形C.判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性D.氧化还原反应所释放的化学能、是化学电源的能量来源解析判断电池的正、负极不仅与电极材料有关、还与电解质溶液有关。答案C2.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用、有一种锌银电池、其电极分别是Ag2O和Zn、电解质溶液为KOH溶液、电极反应为Zn2OH2e=ZnOH2O、Ag2OH2O2e=2Ag2OH、总反应为Ag2OZn=ZnO2Ag。根据上述反应式、判断下列叙述中正确的是()A.在使用过程中、电池负极区溶液的pH增大B.在使用过程中、电子由Ag2O经外电路流向Zn极C.Zn是负极、Ag2O是正极D.Zn极发生还原反应、Ag2O极发生氧化反应解析根据电极反应可知Zn失电子被氧化、Ag2O得电子被还原、故Zn是负极、Ag2O是正极、故C正确；负极(即Zn极)在反应时消耗OH、则负极区溶液的pH应减小、故A错误；发生原电池反应时、电子由负极经外电路流向正极、即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极、故B错误；在原电池中、负极发生氧化反应、正极发生还原反应、故D错误。答案C3.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Zn(s)2MnO2(s)2H2O(l)=Zn(OH)2(s)2MnOOH(s)。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2MnO2(s)2H2O(l)2e=2MnOOH(s)2OH(aq)C.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0.2 mol电子、锌的质量减少6.5 g解析本题要求利用原电池原理分析碱性锌锰电池：锌为负极、在反应中失去电子；电池工作时、电流由正极通过外电路流向负极、而电子移动方向与电流方向相反、故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池原理写出正极反应式知B正确。答案C4.一种新型燃料电池、它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中、然后分别向两极通入乙烷和氧气、其电极反应式为C2H618OH14e=2CO12H2O、7H2OO214e=14OH、有关此电池的推断正确的是()A.通氧气的电极为负极B.参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为72C.放电一段时间后、KOH的物质的量浓度不变D.电解质溶液中、CO向正极移动解析燃料电池中、燃料为负极、氧气为正极、A不正确；由于KOH参与电极反应、所以KOH的物质的量浓度减小、C不正确；电解质溶液中、CO向负极移动、D不正确。答案B5.我国首创的海洋电池以铝板为负极、铂网为正极、海水为电解质溶液、空气中的氧气与铝反应产生电流。电池总反应为4Al3O26H2O=4Al(OH)3、下列说法不正确的是()A.正极反应式为O22H2O4e=4OHB.电池工作时、电流由铝电极沿导线流向铂电极C.以网状的铂为正极、可增大与氧气的接触面积D.该电池通常只需更换铝板就可继续使用解析该原电池负极反应为Al3e=Al3、正极反应为O22H2O4e=4OH、工作时电子由负极流向正极、而电流由正极流向负极、答案为B。答案B课时作业基 础 练1.下列说法正确的是()A.碱性锌锰电池是二次电池B.铅蓄电池是一次电池C.二次电池又叫蓄电池、它放电后可以再充电使活性物质获得再生D.燃料电池的活性物质大量储存在电池内部解析碱性锌锰电池是一次电池、铅蓄电池是二次电池。答案C2.下列有关电池的说法不正确的是()A.手机上用的锂离子电池属于二次电池B.锌铜原电池工作时、电子沿外电路从铜电极流向锌电极C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D.锌锰干电池中、锌电极是负极解析锌铜原电池中、电子从负极锌沿外电路流向正极铜。答案B3.生产铅蓄电池时、在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4、干燥后再安装、充电后即可使用、发生的反应是 2PbSO42H2OPbO2Pb2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是()A.需要定期补充硫酸B.工作时铅是负极、PbO2是正极C.工作时负极上发生的反应是Pb2eSO=PbSO4D.工作时电解质的密度减小解析铅蓄电池放电时相当于原电池、Pb是负极、PbO2是正极、负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2、Pb2与溶液中的SO生成PbSO4沉淀；放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等、在电池制备时、PbSO4的量是一定的、制成膏状、干燥后再安装、说明H2SO4不用补充；放电时、H2SO4被消耗、溶液中H2SO4的物质的量浓度减小、所以溶液的密度也随之减小。答案A4.目前常见的燃料电池主要有四种、下面是这四种燃料电池的工作原理示意图、其中正极的反应产物为水的是()解析A中通空气的一极为正极、电极反应式为O24e=2O2。B中通O2的一极为正极、电极反应式为2H2OO24e=4OH。C中通空气的一极为正极、电极反应式为4HO24e=2H2O。D中通CO2和O2的一极为正极、电极反应式为2CO2O24e=2CO。答案C5.MgAgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是()A.负极反应式为Mg2e=Mg2B.正极反应式为Age=AgC.电池放电时Cl由正极向负极迁移D.负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2解析根据题意、Mg海水AgCl电池总反应式为Mg2AgCl=MgCl22Ag。A项、负极反应式为Mg2e=Mg2、正确；B项、正极反应式为2AgCl2e=2Cl2Ag、错误；C项、对原电池来说、阴离子由正极移向负极、正确；D项、由于镁是活泼金属、则负极会发生副反应Mg2H2O=Mg(OH)2H2、正确。答案B6.甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等、它的一极通入甲醇、一极通入氧气；电解质是质子交换膜、它能传导氢离子(H)。电池工作时、甲醇被氧化为二氧化碳和水、氧气在电极上的反应是O24H4e=2H2O。下列叙述中不正确的是()A.负极的反应式为CH3OHH2O6e=CO26HB.电池的总反应式是2CH3OH3O2=2CO24H2OC.电池工作时、H由正极移向负极D.电池工作时、电子从通入甲醇的一极流出、经外电路流入通氧气的一极解析首先判断出通入甲醇的一极失去电子作负极、通入氧气的一极得到电子作正极。电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式、就得到了负极反应式、A项正确；电池工作时、H移向正极而不是移向负极、C项错误。答案C7.锌空气燃料电池可用作电动车动力电源、电池的电解质溶液为KOH溶液、反应为2ZnO24OH2H2O=2Zn(OH)42。下列说法正确的是()A.充电时、电解质溶液中K向阳极移动B.充电时、电解质溶液中OH逐渐减小C.放电时、负极反应为：Zn4OH2e=Zn(OH)42D.放电时、电路中通过2 mol电子、消耗氧气22.4 L(标准状况)解析A项、充电时、电解质溶液中K向阴极移动、错误；B项、充电时、总反应方程式为2Zn(OH)422ZnO24OH2H2O、所以电解质溶液中OH逐渐增大、错误；C项、在碱性环境中负极Zn失电子生成的Zn2将与OH结合生成Zn(OH)42、正确；D项、O24e、故电路中通过2mol电子、消耗氧气0.5mol、在标准状况体积为11.2 L、错误。答案C8.热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示、其中作为电解质的无水LiClKCl混合物受热熔融后、电池即可瞬间输出电能。该电池总反应为：PbSO42LiClCa=CaCl2Li2SO4Pb。下列有关说法正确的是()A.正极反应式：Ca2Cl2e=CaCl2B.放电过程中、Li向负极移动C.每转移0.1 mol电子、理论上生成20.7 g PbD.常温时、在正负极间接上电流表或检流计、指针不偏转解析正极上发生还原反应、A项错误；放电过程中Li向正极移动、B项错误；由电池总反应式可知、每转移0.1 mol电子、理论上生成0.05 mol Pb、质量为10.35 g、C项错误；常温下、电解质不是熔融态、离子不能移动、不能产生电流、因此连接电流表或检流计、指针不偏转、D项正确。答案D9.镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染、且镁电池放电时电压高而平稳、因而越来越成为人们研制绿色原电池所关注的焦点。其中一种镁电池的反应为xMgMo3S4MgxMo3S4、则镁电池放电时、下列说法错误的是()A.Mg2向正极迁移B.正极反应式为Mo3S42xe=Mo3SC.Mo3S4发生氧化反应D.负极反应式为xMg2xe=xMg2解析放电时、该电池作原电池、镁是还原剂、作原电池的负极、失去电子、电极反应式是xMg2xe=xMg2、D选项正确。Mo3S4在反应中是氧化剂、得到电子、发生还原反应、电极反应式是Mo3S42xe=Mo3S、B选项正确、C选项错误。原电池中阳离子向正极移动、阴离子向负极移动、A选项正确。答案C10.如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是()A.该系统中只存在3种形式的能量转化B.装置Y中负极的电极反应式为O22H2O4e=4OHC.装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生D.装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放、并能实现化学能与电能间的完全转化解析A项、该系统有太阳能转化为电能、电能转化为化学能、化学能转化为电能、电能转化为机械能多种能量转化形式、A项错；B项、装置Y为原电池、负极发生氧化反应、应是H2发生氧化反应、B项错；C项、装置X为电解池、其作用是将水转化为燃料(氢气)和氧化剂(氧气)、C项正确；D项、化学能与电能间不可能完全转化、D项错。答案C11.某新型可充电电池能长时间保持稳定的放电电压、该电池的总反应3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。(1)放电时负极反应为_。(2)充电时Fe(OH)3发生_反应。(3)放电时电子由_极流向_极。(4)放电时1 mol K2FeO4发生反应、转移电子数是_。解析放电时锌在负极发生氧化反应、因为电解质是碱、故负极反应是Zn2e2OH=Zn(OH)2、电子由负极流出、通过外电路流向正极、每1 mol K2FeO4发生反应、转移电子是3 mol、数目是1.8061024、充电时Fe(OH)3失去电子发生氧化反应。答案(1)Zn2e2OH=Zn(OH)2(2)氧化(3)负正(4)1.806102412.熔融盐燃料电池具有高的放电效率、因而受到重视、可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质、CO为负极燃气、空气与CO2的混合气体为正极助燃气、制得在650 下工作的燃料电池、完成有关的反应式：负极反应式：2CO2CO4e=4CO2。正极反应式：_。电池的总反应式：_。解析解本题必须弄清原电池的正负极、同时注意审题判断产物。原电池负极上参加反应的物质通常是还原剂、因为它要失去电子、而原电池的正极往往是氧化剂、本题中CO2气体参与正极上的反应、题目中已明确表示。原电池的负极、在该极上CO失去电子、该极的反应式还可写成：2CO2CO4e=4CO2。在原电池的正极、助燃气体O2在该极上得到电子、再与CO2气体反应生成带负电荷的阴离子、根据题意、应是CO、反应式O22CO24e