人教版化学选修四第四章第二节化学电源作业1.doc

第二节 化 学 电 源教学目标1.了解电池的分类、特点及适用范围。2.了解几类化学电池的构造、原理。3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池的危害。重难点1.一次、二次、燃料电池的构造及工作原理。(重点) 2.原电池电极反应式的书写。(重难点)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类型二 几种常见化学电池1.一次电池(碱性锌锰电池)(1)构成：负极zn，正极mno2，电解质koh。(2)电极反应：负极：zn2oh2e=zn(oh)2正极：2mno22h2o2e=2mnooh2oh总反应：zn2mno22h2o=2mnoohzn(oh)22二次电池(蓄电池)(1)构成：负极pb、正极pbo2，电解质h2so4溶液(2)工作原理放电：负极：pb(s)so(aq)2e=pbso4(s)正极：pbo2(s)4h(aq)so(aq)2e=pbso4(s)2h2o(l)总反应：pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)=2pbso4(s)2h2o(l)充电时铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。阴极：pbso4(s)2e=pb(s)so(aq)；阳极：pbso4(s)2h2o(l)2e=pbo2(s)4h(aq)so(aq)；总反应：2pbso4(s)2h2o(l)=pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)。上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)2pbso4(s)2h2o(l)。3燃料电池(1)工作原理连续地将燃料(如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体)和氧化剂的化学能直接转换成电能。电极材料本身不发生氧化还原反应。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。(2)氢氧燃料电池电极材料pt，酸性电解质。电极反应：负极：h22e=2h正极：o22h2e=h2o总反应：h2o2=h2o思考与交流若把氢氧燃料电池中的酸性介质换成碱性介质，其电极反应式怎样写？【提示】负极：2h24e4oh=4h2o正极：o22h2o4e=4oh总反应：2h2o2=2h2o三 化学电源中电极反应式的书写【问题导思】化学电源中正、负极是什么物质得、失电子？【提示】正极：阳离子得到电子生成单质或o2得电子。负极：活泼金属或h2失去电子。氢氧燃料电池在酸性电解质和碱性电解质中的总反应实质相同吗？【提示】相同，都为2h2o2=2h2o1根据装置书写电极反应式(1)先分析题目给定的图示装置，确定原电池正、负极上的反应物，并标出相同数目电子的得失。(2)电极反应式的书写。负极：活泼金属或h2失去电子生成阳离子，若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：pbso2e=pbso4。正极：阳离子得到电子生成单质，或o2得到电子。若反应物是o2，则：电解质是碱性或中性溶液：o22h2o4e=4oh。电解质是酸性溶液：o24h4e=2h2o。(3)正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。2给出总反应式，写电极反应式分析反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)选择一个简单的变化情况去写电极反应式另一极的电极反应直接写出或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果以2h2o2=2h2o为例，当电解质溶液为koh溶液时的电极反应式的书写步骤如下：(1)根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定2 mol h2失掉4 mol电子，初步确定负极反应式为2h24e=4h。(2)根据电解质溶液为碱性，与h不能共存，反应生成水，推出oh应写入负极反应式中，故负极反应式为2h24oh4e=4h2o。(3)用总反应式2h2o2=2h2o减去负极反应式得正极反应式：2h2oo24e=4oh。3可充电电池电极反应式的书写在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。(1)原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高。(2)原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。 温馨提醒书写电极反应式应注意电解质溶液的影响。(1)中性溶液反应物中无h或oh。(2)酸性溶液反应物，生成物均无oh。(3)碱性溶液反应物，生成物中均无h。(4)水溶液不能出现o2。例(1)今有2h2o2koh,2h2o反应，构成燃料电池，则负极通的应是_，正极通的应是_，电极反应式分别为_、_。(2)如把koh改为稀h2so4作电解质溶液，则电极反应式为_、_。(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，其溶液的ph各有何变化？ _。(3)如把h2改为甲烷、koh作导电物质，则电极反应式为：_、_。【解析】根据电池反应式可知h2在反应中被氧化，o2被还原，因此h2应在负极上反应，o2应在正极上反应。又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有h参加或生成，故负极反应为：2h24oh4e=4h2o，正极反应为：o22h2o4e=4oh。若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有oh参加或生成，故负极：2h24e=4h，正极：o24h4e=2h2o。由于前者在碱性条件下反应koh量不变，但工作时h2o增多故溶液变稀碱性变小，ph将变小。而后者为酸溶液，h2so4量不变，水增多，溶液酸性变小，故ph将变大。如把h2改为甲烷用koh作导电物质，根据反应ch42o2=co22h2o，则负极为发生氧化反应的ch4，正极为发生还原反应的o2，由于有koh存在，此时不会有co2放出。【答案】(1)h2o2负极：2h24oh4e=4h2o正极：o22h2o4e=4oh(2)负极：2h24e=4h正极：o24h4e=2h2o(1)变小，(2)变大(3)负极：ch410oh8e=co7h2o正极：2o24h2o8e=8oh四 规律方法常见燃料电池的电极反应在燃料电池中，电解质溶液参与电极反应，电解质酸碱性的改变，引起电极反应的变化，但不影响燃料及o2的性质。电极反应在遵守质量守恒定律、电荷守恒、电子得失守恒的同时，还要特别考虑电解质溶液是否参与反应。(1)甲烷燃料电池。电解质：koh正极(通o2)：2o24h2o8e=8oh负极(通ch4)：ch410oh8e=co7h2o总反应：ch42o22koh=k2co33h2o(2)甲醇燃料电池。电解质：koh正极：3o26h2o12e=12oh负极：2ch3oh16oh12e=2co12h2o总反应：2ch3oh3o24koh=2k2co36h2o(3)肼燃料电池。电解质：koh正极：o22h2o4e=4oh负极：n2h44oh4e=n24h2o总反应：n2h4o2=n22h2o(4)熔融盐燃料电池。熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，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的混合气为正极燃气，制得在650 下工作的燃料电池。有关的电池反应式为：正极：o22co24e=2co负极：2co2co4e=4co2总反应：2coo2=2co2 变式训练 固体氧化物燃料电池是由美国西屋(westinghouse)公司研制开发的。它以固体氧化锆一氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(o2)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是()a有o2放电的a极为电池的负极b有h2放电的b极为电池的正极ca极对应的电极反应式为o22h2o4e=4ohd该电池的总反应方程式为2h2o2高温,2h2o例碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，故得到广泛应用。锌锰碱性电池以koh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，锌的质量理论上减小6.5 g【解析】根据题意，该电池的负极材料是锌。电池工作时，锌本身失去电子而发生氧化反应，失去的电子通过外电路移向另一极(正极)。在该电极上，mno2获得电子发生还原反应生成mnooh：2mno22e2mnooh。从元素守恒的角度来看，右侧还多2个氢。在碱性溶液中不出现h，故正极反应为2mno22h2o2e=2mnooh2oh。反应中，失去0.2 mol电子，消耗掉0.1 mol锌，质量为6.5 g。【答案】c 五 习题1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铜锌原电池工作时，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2茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、ptfe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中 铝合金是阳极铝合金是负极海水是电解液铝合金电极发生还原反应ab c d 3关于铅蓄电池的说法正确的是()a在放电时，正极发生的反应是：pb(s)so(aq)=pbso4(s)2eb在放电时，该电池的负极材料是铅板c在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小d在充电时，阳极发生的反应是：pbso4(s)2e=pb(s)so(aq) 4锌锰干电池的两极分别为碳棒和锌皮，在放电时电池总反应方程式可以表示为：zn2mno22nhzn2mn2o32nh3h2o。根据上述信息，下列结论正确的是()a放电时正极发生反应的物质为nhbzn为负极，碳为正极c工作时，电子由碳极经外电路流向zn极d长时间连续使用该电池时，内装糊状物不会流出 5科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨化为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式是_。(2)此电池的正极发生的电极反应式是_，负极发生的电极反应式是_。(3)电解液中的h向_极移动，向外电路释放电子的电极是_。(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化效率高，其次是_。 1下列有关化学电池的说法中正确的是()a化学电池只能将化学能转化为电能b燃料电池能将全部化学能转化为电能c锌银电池比能量大，电压稳定，储存时间长d一次电池包括干电池和蓄电池 2已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“”，另一个接线柱旁标有“”。关于标有“”的接线柱，下列说法中正确的是()a充电时作阳极，放电时作正极b充电时作阳极，放电时作负极c充电时作阴极，放电时作负极d充电时作阴极，放电时作正极 3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”电池在海水中放电时的有关说法正确的是()a正极反应式：agcle=agclb每生成1 mol na2mn5o10转移2 mol电子cna不断向“水”电池的负极移动dagcl是还原产物 4电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是()a锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细b氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能c氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化d太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 5不久前，美国一个海军航空站安装了一台250 kw的mcfc型燃料电池。该电池可同时供应电和蒸气，其燃料为h2，电解质为熔融的k2co3，工作温度为600800 。已知该电池的总反应为2h2o2=2h2o，负极反应为h2co2e=h2oco2。下列推断正确的是()a正极反应为4oh4e=o22h2ob放电时，co向负极移动c电池供应1 mol水蒸气，转移的电子的物质的量4 mold放电时，co向正极移动 6生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金栅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中错误的是()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工作时电解质溶液的密度减小 7常见镍氢电池的某极是储氢合金lani5h6(lani5h6中各元素化合价均为0)，电池反应通常表示为lani5h66nio(oh)lani56ni(oh)2。下列说法不正确的是()a放电时储氢合金作负极b充电时储氢合金作阴极c充电时阴极周围c(oh)减小d放电时负极反应：lani5h66oh6e=lani56h2o 8一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池，可连续使用一个月，其电池反应为：2ch3oh3o24oh2co6h2o，则有关说法正确的是()a放电时ch3oh参与反应的电极为正极b放电时负极的电极反应为ch3oh8oh6e=co6h2oc标准状况下，通入5.6 l o2并完全反应后，有0.5 mol电子转移d放电一段时间后，通入氧气的电极附近溶液的ph降低 9目前人们正在研究开发一种高能电池钠硫电池，它是以熔融的钠、硫为两极，以na导电的al2o3陶瓷为固体电解质，反应式如下：2naxsna2sx。以下说法中正确的是()a放电时，钠作负极，发生还原反应b放电时，钠作正极，硫极发生还原反应c若用此电池电解水，当产生标准状况下的o2 1.12 l时，消耗金属钠为4.6 gd放电时，正极发生的反应为s2e=xs 10有人设计出利用ch4和o2的反应，用铂电极在koh溶液中构成原电池。电池的总反应类似于ch4在o2中燃烧，则下列说法正确的是()每消耗1 mol ch4可以向外电路提供8 mol e负极上ch4失去电子，电极反应式为ch410oh8e=co7h2o负极上是o2获得电子，电极反应式为o22h2o4e=4oh电池放电后，溶液ph不断升高ab c d 11铅蓄电池是化学电源，其电极材料分别是pb和pbo2，电解质为稀硫酸，工作(放电)时该电池的总反应：pbpbo22h2so4=2pbso42h2o。试根据上述情况判断：(1)蓄电池的负极材料是_。(2)工作时，正极反应为_。(3)工作时，电解质溶液的ph_(填“增大”、“减小”或“不变”)。(4)工作时，电解质溶液中阴离子移向_极。(5)电流方向从_极流向_极。 12lisocl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质是lialcl4socl2。电池的总反应可表示为：4li2socl2=4liclsso2。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为_，发生的电极反应为_。(2)电池正极发生的电极反应为_；(3)socl2易挥发，实验室中常用naoh溶液吸收socl2，有na2so3和nacl生成。如果把少量水滴到socl2中，实验现象是_，反应的化学方程式为_；(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_。 13微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是ag2o和zn，电解质溶液为koh溶液，电极反应为：zn2oh2e=zn(oh)2，ag2oh2o2e=2ag2oh。根据上述反应式，完成下列题目。(1)判断下列叙述中正确的是_。a在使用过程中，电解质koh被不断消耗b使用过程中，电子由ag2o极经外电路流向zn极czn是负极，ag2o是正极dzn电极发生还原反应，ag2o电极发生氧化反应(2)写出电池的总反应式：_。(3)使用时，负极区的ph_(填“增大”、“减小”或“不变”，下同)，正极区的ph_，电解质溶液ph_。 14.氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是_，在导线中电子流动方向为_(用a、b表示)。(2)负极反应式为_。(3)电极表面镀铂粉的原因为_。(4)该电池工作时，h2和o2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一，金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：.2lih22lih.lihh2o=liohh2反应中的还原剂是_，反应中的氧化剂是_。已知lih固体密度为0.82 g/cm3。用锂吸收224 l(标准状况)h2，生成的lih体积与被吸收的h2体积比为_。由生成的lih与h2o作用放出的h2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为_mol。 知 识 整 合一、原电池设计的基本依据和关键进行原电池设计的基本依据，是原电池的构成条件，关键是选择合适的电极材料和电解质溶液。1电极材料的选择电池的电极必须导电。一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极一般不用同一种材料。两个电极的构成分为4种情况：(1)活动性不同的两种金属。例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。(2)金属和非金属。例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。(3)金属和化合物。例如，铅蓄电池中，铅板作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。(4)惰性电极。例如，氢氧燃料电池中，两根电极均可用pt。2电解质溶液的选择电解质是为负极提供放电的物质，因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，应使用盐桥连接。负极所在的电解质溶液阳离子应与电极材料是相同的阳离子。例如：在锌、铜和硫酸构成的原电池中，锌极置于znso4、zncl2、zn(no3)2等溶液中；正极材料置于硫酸溶液中。当然硫酸还可以换成盐酸，电极上发生的反应和电池总反应与电解质是硫酸是相同的。但是如果电解质溶液是硫酸铜溶液，电极反应是负极：zn2e=zn2，正极：cu22e=cu电池总反应：zncu2=zn2cu3原电池设计思路图示：依据氧化还原反应：zn2fecl3=zncl22fecl2设计的原电池如图所示：请回答下列问题：(1)电极x的材料是_，电解质溶液y是_。(2)pt电极为电池的_极，发生的电极反应为_；x电极上发生的电极反应为_。(3)外电路中的电子是从_电极流向_电极。【解析】将zn2fecl3=zncl22fecl2拆分：zn2e=zn2(氧化反应)和2fe32e=2fe2(还原反应)两个反应。结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用锌，则正极应用活动性比锌弱的材料，为保证fe3在正极得电子，则电解质溶液为fecl3等易溶的铁盐溶液。【答案】(1)znfecl3溶液(2)正2fe32e=2fe2zn2e=zn2(3)znpt二、电极反应式和总反应式的书写方法1整体思路(1)题目仅给出原电池的装置图首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。结合电解质判断出还原产物和氧化产物。写出电极反应式(注意两极得失电子数相等)，将两电极反应式相加可得总反应式。(2)题目仅给出原电池的总反应式分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂参加的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂参加的反应即为负极反应。当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意电解质的反应。若有一个电极反应较难写出，可先写出较易写出的电极反应，然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一个电极反应。2负极与正极上的电极反应式的书写(1)负极若负极材料本身被氧化，其电极反应式有两种情况：一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液反应，此时的电极反应可表示为mne=mn；另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液反应，此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液的反应叠加在一起书写，如铅蓄电池的负极反应为pbso2e=pbso4。若负极材料本身不反应，如燃料电池，在书写负极反应式时，要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加在一起书写，如氢氧燃料电池(koh溶液为电解质溶液)的负极反应为h22oh2e=2h2o。(2)正极首先，判断在正极发生反应的物质。a当负极材料与电解质溶液能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某些微粒；b当负极材料与电解质溶液不能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的o2。然后，根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应也要书写叠加式。3书写电极反应式时应注意的问题(1)两电极得失电子数目相等。(2)电极反应式常用“=”而不用“”表示。(3)电极反应式中若有气体生成，需要加“”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示。(4)书写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加h或oh或h2o。(5)两电极反应式和电池总反应式中，若已知其中两个，可由方程式的加减得到第三个。高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能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充电时阳极上反应为：fe(oh)33e5oh=feo4h2oc放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol k2feo4被氧化d放电时正极附近溶液的碱性增强【解析】放电时装置为原电池，zn作负极，充电时，装置变为电解池，阳极发生氧化反应，所以a、b正确；放电时正极反应为：feo4h2o3e=fe(oh)35oh，故电极附近溶液的碱性增强，正极所发生的是还原反应而不是氧化反应，c错、d正确。故正确答案为c。【答案】c1如图为某原电池的装置图，下列有关说法中不正确的是()a将zn换成fe，电池总反应不变b将cu换成fe，电池总反应不变c将cu换成fe，电压表的读数减小d将zn换成fe，电压表的读数减小【解析】a项中将zn换成fe，则负极反应由zn2e=zn2变成fe2e=fe2，而cu电极改换为比zn活泼性差的导电电极，所有反应不变，a项错误，b项正确；两电极活泼性差距越大形成的原电池的电压越高，c、d两项正确。【答案】a2锌锰干电池在放电时总反应方程式可以表示为：zn(s)2mno22nh=zn2mn2o3(s)2nh3h2o，在此电池放电时正极(碳棒)上发生反应的物质是()azn b碳cmno2和nh dzn2和nh3【解析】根据方程式可知：zn为原电池的负极，碳棒为原电池的正极，负极失电子变成zn2，失去的电子被mno2和nh得到，生成了低价态的mn2o3和不带电的nh3。所以在正极上nh和mno2为反应物。【答案】c3下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】该系统中存在太阳能、电能、机械能、化学能4种形式的能量转化，故a错；装置y中负极的电极反应式为：h22e=2h，通过x装置产生o2和h2，故c正确；x，y子系统理论上可以实现物质的零排放，但不能实现化学能与电能间的完全转