2022-2023学年鲁科版选择性必修1 第1章 第2节　第2课时　化学电源 学案

1、第2课时化学电源学习目标1.通过对常见化学电源的学习,了解常见类型的三种化学电源。2.通过新型电池分析训练,学会分析新型化学电源的工作原理并能书写其电极反应。学习任务1常见化学电源1.常见化学电源分类(1)一次电池:常见一次电池有锌锰干电池、纽扣式锌银电池等。(2)二次电池:常见二次电池有铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等。(3)燃料电池:常见燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。2.三类化学电源的工作特点(1)一次电池:内部还原剂、氧化剂反应完毕后不能再用,只能废弃,会造成环境污染。(2)二次电池:此类电池放电完毕(电池内的氧化剂、还原剂反应完毕)后,可以再充电。充电过程就是电池

2、内氧化剂、还原剂再生并“复位”(回到原来所处位置)过程。充电是电能转化为化学能的过程,充电原则是正连正负连负(充电电源正极连接二次电池正极、电源负极连接二次电池负极)。二次电池寿命较长,污染总体较小。(3)燃料电池:此类电池的氧化剂、还原剂不在电池内,而是在电池工作过程中不断输入电池内部。燃料电池寿命长,效率很高(转化率可高达90%以上),污染较小。3.常见三类化学电源的工作原理分析(1)常见一次电池。项目碱性锌锰干电池结构负极:Zn正极:MnO2电解质:KOH负极反应Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O正极反应2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-电池反应Zn+2MnO2+H2O

3、2MnOOH+ZnO (2)常见二次电池。铅蓄电池放电过程充电过程负极:Pb-2e-+SO42-PbSO4(氧化反应)阴极:PbSO4+2e-Pb+SO42-(还原反应)正极:PbO2+2e-+SO42-+4H+PbSO4+2H2O(还原反应)阳极:PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H+SO42-(氧化反应)铅蓄电池充、放电时的电池反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O(3)常见燃料电池。项目氢氧燃料电池酸性电解质(H2SO4)碱性电解质(KOH)负极反应2H2-4e-4H+2H2-4e-+4OH-4H2O正极反应O2+4e-+4H+2H2OO2+4e-+2H2O4OH

4、-总反应2H2+O22H2O微点拨:三类化学电源的电极特点(1)一次电池:负极一般是活性较高的金属,通常会被消耗掉。正极通常是“夹心雪糕模式”(里边是电极芯一般是导电性金属、合金或石墨材料,外边包覆氧化剂),极芯一般不会消耗,但外面包覆的氧化剂会消耗掉。(2)二次电池:正、负极一般均为“夹心雪糕模式”。极芯均起导电与支撑作用,不会消耗,但外面包覆的氧化剂、还原剂放电时会消耗,充电时会再生。(3)燃料电池:正、负极一般为多孔石墨、多孔金属陶瓷等材质。多孔结构有利于燃料及助燃剂(多为氧气)放电。探究1一次电池电极反应的书写技巧雾霾中含有氮的氧化物,利用反应NO2+NH3N2+H2O制作如图所示的电

5、池,用以消除氮氧化物的污染。问题1:先把电池反应的化学方程式配平,然后画出双线桥。提示:。问题2:根据“得电子线桥”写出正极反应。提示:12H2O+6NO2+24e-3N2+24OH-(可把系数约分为最简整数比)。问题3:用电池反应减去正极反应或根据“失电子线桥”写出负极反应。提示:24OH-+8NH3-24e-4N2+24H2O(可以把系数约分至最简整数比)。探究2二次电池电极“充电”反应的书写技巧液流式铅蓄电池以可溶性的甲基磺酸铅(CH3SO3)2Pb代替硫酸作为电解质,该电池充、放电的总反应为2Pb2+2H2OPb+PbO2+4H+。问题4:画出“放电”的双线桥。提示:。问题5:根据双线

6、桥写出放电的正、负极反应。提示:负极反应为Pb-2e-Pb2+,正极反应为PbO2+4H+2e-Pb2+2H2O。问题6:结合放电的正、负极反应写出充电的阴、阳极反应。提示:负极颠倒为阴极,Pb2+2e-Pb;正极颠倒为阳极,Pb2+2H2O-2e-PbO2+4H+。探究3燃料电池电极反应的书写技巧一种高温熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。问题7:根据电池结构图,结合电解质特点,写出电池正极反应。提示:从元素化合价角度分析,正极发生还原反应,因此应该是氧气得电子在正极反应,正极反应为O2+2CO2+4e-2CO32-。问题8:该电池燃料有两种,分别是CO和H2,写出两者与氧气发生燃烧反应的化学

7、方程式。提示:2CO+O22CO2、2H2+O22H2O。问题9:用总反应减去正极反应(注意把O2消去,因为氧气不可能在负极参与反应)写出负极反应。提示:CO+CO32-2e-2CO2、H2+CO32-2e-CO2+H2O。(1)一次电池电极反应书写技巧:根据电池反应,先画双线桥,然后写出负极(负极一般比较简单)反应,再用电池反应(改为离子方程式)“减去”负极反应即得正极反应。(2)二次电池电极反应书写技巧:先分析“放电”,后分析“充电”(放电仍然可以运用双线桥法);放电时一般先写负极,再用总反应减去负极反应得正极反应;“放电”的负极“颠倒”过来是充电的“阴极”,“放电”的正极“颠倒”过来是充

8、电的“阳极”。(3)燃料电池正、负极判断技巧:燃料电池一般两个电极材料相同,所以无法根据电极材料判断正、负极;燃料电池一般通入燃料的电极是负极,通入氧气(或其他氧化剂)的电极是正极。(4)燃料电池电极反应书写技巧:一般燃料电池先写正极反应,因为燃料电池负极燃料种类繁多,但正极一般都是O2,比较固定;根据燃料电池电解质特点,写出相应的正极反应,然后用电池反应(燃烧方程式)减去正极反应得负极反应。题点一一次电池1.(2021福建三明开学考)热激活电池(又称热电池)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,其中作为离子导体的无水LiCl-KCl混合物一旦受热熔融,电池即可瞬间输出

9、电能。该电池反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是(D)A.正极反应:Pb2+2e-PbB.每转移0.1 mol电子,理论上生成20.7 g PbC.放电过程中,Li+向负极移动D.常温时,在正、负极间接上电流表或检流计,指针不偏转解析:由电池反应PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb可知,PbSO4为原电池的正极,发生还原反应生成Pb,正极反应为PbSO4+2e-+2Li+Li2SO4+Pb,故A错误;由正极反应可知,每转移0.1 mol电子,生成Pb的物质的量为0.05 mol,其质量为10.35 g,故B错误;原电池中阳

10、离子向正极移动,即放电过程中,Li+向正极移动,故C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,故D正确。2.(2021福建泉州月考)如图是一种新型电池,其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动,在电池外部调节电解质溶液,以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定,电池反应为Cu+PbO2+2H2SO4CuSO4+PbSO4+2H2O。下列说法正确的是(D)A.a极为负极,发生还原反应B.b极的电极反应:PbO2+4H+2e-Pb2+2H2OC.当消耗64 g Cu时,溶液中传导的电子数目为2NAD.调节电解质溶液的方法是补充H2SO4解析:由电池

11、反应可知,a极为原电池的负极,铜失去电子发生氧化反应生成铜离子,b极为正极,在硫酸作用下,二氧化铅在正极得到电子发生还原反应生成硫酸铅和水。由分析可知,a极为原电池的负极,铜失去电子发生氧化反应生成铜离子,故A错误;由分析可知,b极的电极反应为PbO2+4H+SO42-+2e-PbSO4+2H2O,故B错误;当电池工作时,电子不能由电解质溶液传递,故C错误;由电池反应可知,电池工作时消耗硫酸,则调节电解质溶液的方法是补充硫酸,故D正确。题点二二次电池3.(2021山东济南期中)某蓄电池充、放电时反应为Fe+Ni2O3+3H2OFe(OH)2+2Ni(OH)2,下列推断错误的是(B)A.放电时,

12、负极的电极反应是Fe+2OH-2e-Fe(OH)2B.放电时,每转移2 mol电子,正极上有1 mol Ni2O3被氧化C.充电时,阳极的电极反应是2Ni(OH)2-2e-+2OH-Ni2O3+3H2OD.该蓄电池的电极可浸在某种碱性电解质溶液中解析:放电时,铁是负极,铁失电子发生氧化反应,生成的Fe2+与OH-结合生成Fe(OH)2,电极反应是Fe+2OH-2e-Fe(OH)2,A正确;放电时,Ni2O3在正极发生还原反应,每转移2 mol电子,正极上有 1 mol Ni2O3被还原,B错误;充电时,Ni(OH)2在阳极失电子发生氧化反应,电极反应是2Ni(OH)2-2e-+2OH-Ni2O

13、3+3H2O,C正确;根据总反应可知,放电时生成物是Fe(OH)2和Ni(OH)2,因此该蓄电池的电极可浸在某种碱性电解质溶液中,D正确。4.(2021安徽芜湖期末)我国科研人员研制出以钠箔和多壁碳纳米管为电极的可充电“Na-CO2”电池,工作过程中,Na2CO3与C均沉积在多壁碳纳米管电极上,其工作原理如图所示。下列叙述错误的是(D)A.充电时,电源电极a为正极,Na+向钠箔电极方向移动B.充电时,阳极反应为2Na2CO3+C-4e-3CO2+4Na+C.采用多壁碳纳米管作电极可以增强吸附CO2的能力D.放电时,电路中转移0.4 mol e-,多壁碳纳米管电极增重21.2 g解析:电源电极a

14、为正极,电极b为负极,放电时,钠箔为负极,多壁碳纳米管为正极。充电时,电源电极a为正极,Na+向阴极钠箔电极方向移动,故A正确;充电时,阳极碳失电子发生氧化反应,阳极反应为2Na2CO3+C-4e-3CO2+4Na+,故B正确;多壁碳纳米管表面积大,吸附能力强,作电极可以增强吸附CO2的能力,故C正确;放电时,Na2CO3与C均沉积在多壁碳纳米管电极上,电极反应为3CO2+4e-+4Na+2Na2CO3+C,电路中转移0.4 mol e-,多壁碳纳米管电极增重21.2 g+1.2 g=22.4 g,故D错误。题点三燃料电池5.(2021黑龙江哈尔滨月考)一种以液态肼(N2H4)为燃料、氧气为氧

15、化剂、某固体氧化物为电解质的新型燃料电池的工作原理如图所示。在700900 时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动。生成物为无毒无害的物质。下列说法正确的是(B)A.该装置将电能转化为化学能B.电极甲上N2H4失去电子C.电池内的O2-由电极甲移向电极乙D.电池反应为N2H4+2O22NO+2H2O解析:该燃料电池中,负极上燃料失电子发生氧化反应,产物为无毒无害物质,则电极反应为N2H4+2O2-4e-N2+2H2O,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应为O2+4e-2O2-,电池反应为N2H4+O2N2+2H2O,结合离子的移动方向、电流的方向分析解答。该装置为燃料电池,是将化学能转化

16、为电能,A错误;根据上述分析可知,B正确,D错误;根据上述分析,电池内的O2-由电极乙移向电极甲,C错误。6.(2021广东深圳期中)某HCOOH燃料电池的工作原理如图所示,其中,两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是(C)A.负极反应为HCOO-+2OH-2e-HCO3-+H2OB.电池工作时,需补充的物质A为H2SO4C.理论上,当有2 mol HCOO-参加反应时,消耗1 mol Fe3+D.该电池放电的本质是将HCOOH与O2反应的化学能转化为电能解析:据图可知左侧HCOO-被氧化为HCO3-,电解质溶液显碱性,所以负极反应为HCOO-+2OH-2e-HCO3-+

17、H2O,A正确;右侧储罐中Fe2+被氧气氧化为Fe3+,反应应在酸性环境下进行,同时生成硫酸钾,故A为H2SO4,B正确;根据负极反应可知2 mol HCOO-参加反应时转移4 mol电子,所以消耗4 mol Fe3+,C错误;该装置中Fe3+、Fe2+循环转化,本质上O2为氧化剂,所以该电池放电的本质是将HCOOH与O2反应的化学能转化为电能,D正确。实用化学电源题型,解题关键是对题目信息的提取与理解。题目所给信息包括:电池结构图、电池反应或某一电极反应等。要特别注意从元素化合价变化角度进行氧化还原的分析。学习任务2新型电池新型原电池类题通常把信息浓缩在一张电池结构图中。此类题型,首先是从图

18、中提炼信息。提炼信息有两类:(1)元素化合价变化信息,通过元素化合价变化就能搞清楚氧化还原反应的情况,根据氧化还原反应即可判断正、负极电极反应。(2)微粒变化及运动方向信息,此类题型经常会出现很多“箭头”,“箭头”一般有两种含义:表示转化;表示运动方向。科学家设计微生物原电池,用于处理废水(酸性)中的有机物及脱除硝态氮,该装置原理示意图如图。探究新型原电池中“箭头”与“价态”问题1:图中NO3-N2,N元素化合价如何变化?此半反应属于氧化反应还是还原反应?电极m 是正极还是负极?提示:N元素由+5价变为0价;此半反应属于还原反应;电极m是正极。问题2:根据元素化合价,写出正极反应。提示:2NO

19、3-+10e-N2,根据电荷守恒,电极反应左侧应该补H+(因为有质子交换膜,所以考虑补H+),所以进一步写出电极反应为2NO3-+12H+10e-N2,最后根据原子守恒写出最终电极反应为2NO3-+12H+10e-N2+6H2O。新型电池类题解题思路(1)根据反应或图示分析价态:分析两极各物质或微粒价态变化,要注意图中箭头意义。(2)写出正、负极电极反应:根据“得失电子、电荷、原子”三大守恒,结合电解质特点或膜特点写出正、负极电极反应。(3)做出判断或计算:根据电极反应即可判断反应、pH,得电子为还原反应,失电子为氧化反应,消耗H+或生成OH-,酸性减弱或碱性增强,则pH升高,消耗OH-或生成

20、H+,碱性减弱或酸性增强,则pH降低;原电池中离子移动方向是“正正负负”;原电池计算依据是正、负极得失电子守恒,电解质溶液电荷守恒。1.(2021福建泉州月考)全钒氧化还原液流电池是一种新型绿色的二次电池,具有容量和功率可调、大电流无损深度放电、使用寿命长、易操作和维护等优点,其放电时的工作原理如图所示,下列叙述正确的是(C)A.B极为该原电池的正极B.该电池放电时H+向B极室迁移,起到了导电作用C.A极的电极反应为VO2+2H+e-VO2+H2OD.反应过程中,每转移1 mol电子,正极区n(H+)的变化量为2 mol解析:由图可知,A极为电池的正极,酸性条件下,VO2+在正极得到电子发生还

21、原反应生成VO2+,电极反应为VO2+2H+e-VO2+H2O,B极为负极,V2+在负极失去电子发生氧化反应生成V3+,电极反应为V2+-e-V3+,放电的总反应为VO2+2H+V2+VO2+V3+H2O。由分析可知,A错误,C正确;电池放电时,H+透过质子交换膜向正极(A极室)迁移,起导电作用,B错误;由分析可知,反应过程中,每转移1 mol电子,正极消耗2 mol H+,同时有 1 mol H+通过质子交换膜进入正极区,则正极区n(H+)的变化量为1 mol,D错误。2.可以利用微生物电池除去废水中的乙酸钠和对氯酚(),其原理如图所示。下列有关说法不正确的是(B)A.B极是负极B.质子从A极移向B极C.B极的电极反应为CH3COO-8e-+4H2O2HCO3-+9H+D.处理后的废水pH降低解析:由图可知,B极上发生