高中化学 1.3.2化学电源 学案 鲁科版选修4

1 第第 2 2 课时课时 化学电源化学电源 目标要求 1 了解常见化学电源的种类 2 掌握常见化学电源的工作原理 一 化学电源 1 根据原电池的反应原理 人们设计和生产了多种化学电源 包括一次电池 可充电 电池和燃料电池等 可充电电池也称为二次电池 可充电电池放电时是一个原电池 充电 时是一个电解池 锂电池是一种高能电池 2 目前常见的一次锌锰干电池分为酸性和碱性两种 碱性锌锰电池比普通锌锰干电池 性能优越 它单位质量所输出的电能多 能提供较大电流并连续放电 碱性锌锰电池的负 极是锌粉 正极是二氧化锰和石墨 电解质溶液是 KOH 溶液 其电极反应为 负极 Zn 2OH ZnO H2O 2e 正极 MnO2 2H2O 2e Mn OH 2 2OH 总反应为 Zn MnO2 H2O ZnO Mn OH 2 3 铅蓄电池是常见的二次电池 它由两组栅状极板交替排列而成 正极板上覆盖有 PbO2 负极板上覆盖有 Pb 电解质溶液是 30 H2SO4溶液 放电时电极反应 负极 Pb SO PbSO4 2e 正极 PbO2 4H SO 2e PbSO4 2H2O 放电时总反应式 2 42 4 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 铅蓄电池充电时电极反应 阴极 PbSO4 2e Pb SO 阳极 PbSO4 2H2O PbO2 4H SO 2e 充电时总反 2 42 4 应式 2PbSO4 2H2O Pb PbO2 2H2SO4 可见充电过程和放电过程是可逆的 可用一个反 应表示为 Pb PbO2 2H2SO42PbSO4 2H2O 4 氢氧燃料电池正极通入 O2 负极通入 H2 其电极反应为负极 2H2 4OH 4H2O 4e 正极 O2 4e 2H2O 4OH 总反应 2H2 O2 2H2O 燃 料电池的能量转换效率远高于普通燃料的燃烧的能量转换效率 二 废旧电池的危害及处理 1 危害 废弃电池中的重金属和酸碱等有害物质会造成土壤和水污染 会对生态环境和人体健 康造成很大危害 2 回收利用 1 回收重金属 2 回收填充材料 3 对无用物质集中进行无害处理 知识点一 化学电池 1 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 MnO2 H2O ZnO Mn OH 2 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 MnO2 2H2O 2e Mn OH 2 2OH 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 锌的质量理论上减少 6 5 g 答案 C 解析 本题要求利用原电池的原理 分析碱性锌锰电池 锌为负极 在反应中失去电 子 故 A 正确 电池工作时 电流由正极通过外电路流向负极 而电子定向移动方向与电 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的原 理写出正极反应式知 B 正确 2 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 放电 充电 2 2PbSO4 2H2OPbO2 Pb 2H2SO4 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 Pb SO PbSO4 2e 2 4 D 工作时电解质的密度减小 答案 A 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 2 4 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 溶液中的 H2SO4的物质的量浓度减小 所以溶液的 密度也随之减小 3 某新型可充电电池 能长时间保持稳定的放电电压 该电池的总反应式为 3Zn 2K2FeO4 8H2O3Zn OH 2 2Fe OH 3 4KOH 以下说法不正确的是 A 放电时负极反应式为 Zn 2OH Zn OH 2 2e B 放电时正极反应式为 FeO 4H2O 3e Fe OH 3 5OH 2 4 C 放电时每转移 3 mol 电子 正极有 1 mol K2FeO4被氧化 D 充电时阳极附近溶液的碱性减弱 答案 C 解析 选项 A 放电时 在碱性条件下 Zn 失去电子为电池的负极 Zn 2OH Zn OH 2 2e 选项 B 根据放电时总电池反应式减去负极反应式 电子数需相等 可得放 电时正极反应式为 FeO 4H2O 3e Fe OH 3 5OH 选项 C 放电时 K2FeO4被还 2 4 原 选项 D 充电是放电的逆向反应 所以充电时 阳极消耗 OH 导致阳极附近溶液的 碱性减弱 知识点二 燃料电池 4 氢氧燃料电池用于航天飞机 电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水 其电极反应式如下 负极 2H2 4OH 4H2O 4e 正极 O2 2H2O 4e 4OH 当得到 1 8 L 饮用水时 电池内转移的电子数约为 A 1 8 mol B 3 6 mol C 100 mol D 200 mol 答案 D 解析 n H2O 100 mol 1 8 103 g 18 g mol 1 2H2 O4e 2 2H2O 即每生成 1 mol H2O 则转移 2 mol e 当生成 100 mol H2O 时 转移 200 mol e 5 将两个铂电极插入 KOH 溶液中 向两极分别通入 CH4和 O2 即可构成 CH4燃料电池 已知通入 CH4的一极 其电极反应式是 CH4 10OH CO 7H2O 8e 通入 O2 2 3 的另一极 其电极反应式是 O2 2H2O 4e 4OH 该电池放电时 下列有关叙述中 不正确的是 A 通入 CH4的电极为负极 B 正极发生氧化反应 C 燃料电池工作时溶液中的阴离子向负极移动 放电 充电 放电 充电 3 D 该电池使用一段时间后应补充 KOH 答案 B 解析 根据原电池的工作原理和题给电极反应式可知 CH4在负极上被氧化 O2在正极 上被还原 在内电路阴离子向负极移动 阳离子向正极移动 由于反应过程中消耗 KOH 生 成 K2CO3 故该燃料电池工作一段时间应补充 KOH 6 固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆 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下图所示 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 O2参加反应的 a 极为电池的负极 B b 极的电极反应式为 H2 O2 H2O 2e C a 极对应的电极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH D 该电池的总反应式为 2H2 O22H2O 高温 答案 D 解析 因为电子从 b 电极流向 a 电极 所以 b 电极为负极 H2在该极发生氧化反应 a 电极为正极 O2在该极发生还原反应 由此推断该原电池的负极反应式为 H2 2H 2e 正极电极反应式为 O2 2e O2 则电池总反应式为 2H2 O2 1 2 2H2O 高温 练基础落实 1 下列对碱性锌锰电池的叙述不正确的是 A Zn 是正极 MnO2是负极 B 电解质是 KOH 溶液 C Zn 发生氧化反应 MnO2发生还原反应 D 它的能量和储存时间比普通锌锰电池高 答案 A 解析 Zn 化合价升高 发生氧化反应 是负极 MnO2发生还原反应 是正极 2 铅蓄电池的两极分别为 Pb PbO2 电解质溶液为 H2SO4 工作时的电池反应式为 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O 下列结论正确的是 A Pb 为正极被氧化 B 溶液的 pH 不断减小 C SO只向 PbO2处移动 2 4 D 电解质溶液的 pH 不断增大 答案 D 解析 由题给电极反应式可以看出 H2SO4不断被消耗 故 pH 不断增大 所以 B 不正确 D 正确 由 Pb 元素化合价的变化 可以看出 Pb 是负极 所以 A 不正确 原电池工作时 整个电路中负电荷的流向是一致的 外电路中 电子由 Pb 极流向 PbO2极 内电路中 负 电荷 SO和 OH 移向 Pb 极 所以 C 不正确 2 4 3 据报道 锌电池可能取代目前广泛使用的铅蓄电池 因为锌电池容量更大 而且没 有铅污染 其电池反应为 2Zn O2 2ZnO 原料为锌粒 电解液和空气 则下列叙述正确 4 的是 A 锌为正极 空气进入负极反应 B 负极反应为 Zn 2OH ZnO H2O 2e C 正极发生氧化反应 D 电解液可以是强酸也可以是强碱 答案 B 解析 2Zn O2 2ZnO Zn 失电子 O2得电子 即 Zn 为原电池负极 O2在正极上反应 故 B 正确 若电解液为强酸 ZnO 则不能存在 故 D 不正确 4 一种燃料电池中发生的化学反应为 在酸性溶液中甲醇与氧气作用生成水和二氧化 碳 该电池负极发生的反应是 A CH3OH g O2 g H2O l CO2 g 2H aq 2e B O2 g 4H aq 4e 2H2O l C CH3OH g H2O l CO2 g 6H aq 6e D O2 g 2H2O l 4e 4OH aq 答案 C 解析 电能来源于化学能 CH3OH 与 O2的反应即为该电池的总反应 2CH3OH g 3O2 g 2CO2 g 4H2O l 酸性溶液中 正极上 O2发生还原反应 即 O2 g 4H aq 4e 2H2O l 电池总反应式减去正极反应式即得负极反应式为 CH3OH g H2O l CO2 g 6H aq 6e 5 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 答案 B 解析 锂离子电池可以充电后再次使用 属于二次电池 A 项正确 铜锌原电池中铜 为正极 故外电路中电流为铜流向锌 而电子是由锌流向铜 B 项错误 电池的实质是把 化学能转化成电能 C 项正确 Zn 失去电子生成 Zn2 故作为负极 D 项正确 练方法技巧 6 燃料电池是燃料 例如 CO H2 CH4等 跟氧气或空气反应 将此反应的化学能转化 为电能的装置 电解质通常是 KOH 溶液 则下列关于甲烷燃料电池的说法正确的是 A 负极反应式为 CH4 10OH CO 7H2O 8e 2 3 B 负极反应式为 O2 2H2O 4e 4OH C 随着反应进行 电解质溶液碱性不变 D 该电池的总反应与甲烷燃烧的反应方程式相同 反应式为 CH4 2O2 CO2 2H2O 答案 A 解析 本题考查燃料电池的反应原理 电极反应式的书写等知识 对于该燃料电池 负极 CH4失电子被氧化 其中产物之一应是 CO2 但在 KOH 溶液中 一定会变为 CO 故 2 3 电极反应为 CH4 10OH CO 7H2O 8e 正极 O2得电子被还原 生成物应与电池 2 3 中电解质溶液相关 电极反应为 O2 2H2O 4e 4OH 将两个电极反应式相加 即可 得到总反应式为 CH4 2OH 2O2 CO 3H2O 可见随着反应的进行 电解质溶液中 2 3 c OH 不断减小 7 一个完整的氧化还原反应方程式可以拆分 写成两个 半反应式 一个是 氧化 反应 式 一个是 还原反应 式 如 2Fe3 Cu 2Fe2 Cu2 可以写成 氧化反应 Cu Cu2 2e 还原反应 2Fe3 2e 2Fe2 1 根据以上信息将反应 3NO2 H2O 2H 2NO NO 拆分为两个 半反应式 氧 3 化反应式为 还原反应式为 2 已知某一反应的 半反应式 为 CH4 10OH CO 7H2O 8e O2 2H2O 4e 4OH 则总反应式为 2 3 5 答案 1 2NO2 2H2O 2NO 4H 2e 3 NO2 2H 2e NO H2O 2 CH4 2O2 2OH CO 3H2O 2 3 解析 1 根据题目提供的信息 还原剂失去电子作负极 发生氧化反应 氧化剂得到 电子作正极 发生还原反应 反应式为 氧化反应 2NO2 2H2O 2NO 4H 2e 还 3 原反应 NO2 2H 2e NO H2O 2 知道两个半反应 根据得失电子守恒 将两式相加 即可得总反应式 练综合拓展 8 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 一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂 在稀硫酸电解质中 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 2 此电池的正极发生的电极反应 负极发生的电极反应 3 电解液中 H 向 极移动 向外电路释放电子的电极是 4 使用该燃料电池的另一个好处是 答案 1 2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O 2 3O2 12H 12e 6H2O 2CH3OH 2H2O 2CO2 12H 12e 3 正 负极 4 对环境无污染 解析 1 燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应 在酸性条件下生成的 CO2不与 H2SO4反应 故电池总反应式为 2CH3OH 3O2 2CO2 4H2O 2 电池的正极 O2得电子 由于是酸性环境 所以会生成 H2O 用电池总反应式减去正 极反应式即可得出负极的电极反应式 3 H 移向正极 在正极生成水 4 产物是 CO2和 H2O 不会对环境造成污染 9 我国首创以铝 空气 海水电池作为能源的新型海水标志灯 以海水为电解质 靠 空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流 只要把灯放入海水中数分钟 就会发出耀眼的白 光 则该电源负极材料为 正极材料为 正 负极反应分别为 答案 铝 石墨 3O2 6H2O 12e 12OH 4Al 4Al3 12e 解析 根据原电池构成的条件 活泼金属做负极 失去电子 发生氧化反应 惰性材 料做正极 得到电子 发生还原反应 在题目中 发生的反应是 4Al 3O2 2Al2O3 所以 铝被氧化而做负极 在正极上氧气得到电子被还原 类似于钢铁的电化学腐蚀