化学人教版必修2学案2.2.2发展中的化学电源

第2课时发展中的化学电源一、干电池干电池是一种一次性电池，最早使用的是锌锰干电池，其负极是锌筒。为防止漏液，改良后的碱性锌锰电池将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH。二、充电电池充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。1．铅蓄电池正极材料为PbO2，负极材料为Pb，电解质为H2SO4溶液。2．镍镉电池正极材料为NiO(OH)，负极材料为Cd，电解质为KOH。3．锂离子电池新一代可充电的绿色电池，低功耗电器的主流电源。三、燃料电池1．原理利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能。2．与其他电池的区别反应物是由外设装备提供燃料和氧化剂。探究点一电极反应式、原电池反应式的书写1．电极反应式的书写(1)根据原电池的装置书写负极：①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的成分反应，此时的电极反应可表示为M－ne－=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的成分反应，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反应叠加在一起，如铅蓄电池的负极反应为：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4。②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中的反应叠加在一起书写，如H2－O2(KOH溶液)电池的负极反应为H2＋2OH－－2e－=2H2O。正极：首先判断在正极发生反应的物质。①当负极材料与电解质溶液能发生自发的化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；②当负极材料与电解质溶液不能发生自发的化学反应时，在正极上发生反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。然后再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，若反应也要书写叠加式。(2)根据原电池反应书写电极反应式①找出发生氧化反应和还原反应的物质，确定正负极产物。②利用电荷守恒分别写出电极反应式。也可先写出较易写的一极的电极反应，然后在电子守恒的基础上，用总反应减去该极反应，即得到另一极的电极反应。③验证：两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书写正确。2．电池总反应式的书写根据给出的两个电极反应式，写出总反应方程式时，首先要使两个电极反应式的得失电子相等，然后将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意：若反应式同侧出现不能共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SOeq\o\al(2－,4)，要写成反应后的物质H2O和PbSO4。[例1]汽车的启动电源常用铅蓄电池，其结构如图所示，其放电时的电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断下列叙述中正确的是()A．PbO2是负极B．Pb是负极C．PbO2得电子，被氧化D．电池放电时，电解质溶液的酸性增强[思路分析]解本题的关键是依据电池反应判断物质得失电子的情况，由此分析正、负极及电解质溶液的变化。[解析]根据电池反应知，放电过程中Pb失去电子，作负极，B项正确；PbO2得电子被还原，作正极，A、C项错误；由于原电池在放电过程中消耗硫酸，故电解质溶液的酸性减弱，D项错误。[答案]B芬兰Enfucell公司制造出一种纸质电池，其电池总反应式为Zn＋2MnO2＋H2O=2MnO(OH)＋ZnO。下列说法正确的是(D)A．该电池的正极为锌B．该电池反应中二氧化锰起催化作用C．当0.1molZn完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.204×1023D．电池正极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O=2MnO(OH)＋2OH－解析：A项，根据电池总反应式可知，Zn失去电子，为电池的负极。B项，MnO2得到电子，为电池的正极。C项，电子只能经外电路流动，而不能在电解液中流动，电解液内的电流是阴、阳离子定向移动形成的。D项，电池负极反应式为Zn－2e－＋2OH－=ZnO＋H2O，用总反应式减去负极反应式得正极反应式：2MnO2＋2e－＋2H2O=2MnO(OH)＋2OH－。探究点二燃料电池电极反应式的书写电极：惰性电极。燃料包含：H2、CO、烃(如CH4、C2H6)、醇(如C2H5OH)等。介质包含：①酸性电解质溶液，如硫酸；②碱性电解质溶液，如NaOH溶液；③熔融氧化物，如Y2O3；④熔融碳酸盐，如K2CO3等。第一步：写出电池的总反应。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。如氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2=2H2O；甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)中发生的反应为CH4＋2O2=CO2＋2H2OCO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O两式相加得燃料电池的总反应：CH4＋2O2＋2NaOH=Na2CO3＋3H2O第二步：写出电池的正极反应。根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是O2，根据电解质溶液的不同，其电极反应有所不同。其实，我们只要熟记以下四种情况即可。(1)酸性电解质溶液中的电极反应：O2＋4H＋＋4e－=2H2O。(2)碱性电解质溶液中的电极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－。(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境中的电极反应：O2＋4e－=2O2－。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境中的电极反应：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。第三步：根据电池的总反应和正极反应写出电池的负极反应。电池的总反应和正、负极反应之间存在关系：电池的总反应＝电池的正极反应＋电池的负极反应。故根据第一、二步写出的反应，电池的总反应－电池的正极反应＝电池的负极反应，注意在将两个反应相减时，要消去正极的反应物O2。燃料电池的反应与燃料燃烧的反应一样吗？提示：燃料燃烧是一种剧烈的化学反应，如果通过燃料燃烧后再将热能转化为电能，如火力发电的能量转化率很低。利用原电池的原理，将燃料和氧化剂设计制作成燃料电池后，其能量转化率会大幅提高，理论上可达到85%～90%，所以燃料电池是一种高效并与环境友好的发电装置。当然，燃料电池的关键技术就是使燃料与氧化剂的反应在温和条件下进行，避免了剧烈燃烧，所以我们在书写燃料电池的反应时切记不可写上燃烧的条件。[例2]某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构见下图，电池总反应可表示为2H2＋O2=2H2O，下列有关说法正确的是()A．电子通过外电路从b极流向a极B．b极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极[思路分析]解决该类习题的关键环节就是元素化合价的判断。要找出元素的确切化合价，然后依此推导其他元素的化合价变化；牢记原电池负极上发生氧化反应，元素化合价升高，正极上发生还原反应，元素化合价降低，同时还要注意电解质对电极反应式中离子的影响。[解析]由电极反应式可知，氢气通入的一极为负极，氧气通入的一极为正极，故a为负极、b为正极，电子应该是通过外电路由a极流向b极，A错；B项，b极上的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O，B错；C项，没有注明此时是否处于标准状况下，故无法计算气体的体积，C错。[答案]D以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境中电极反应的书写方法：(1)酸性条件下燃料电池的负极反应：CH4＋2H2O－8e－=CO2＋8H＋。(2)碱性条件下燃料电池的负极反应：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境中电池的负极反应：CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境中电池的负极反应：CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－=5CO2＋2H2O。解析：总的原则：正、负极反应得失电子数相等，电池总反应－正极反应＝负极反应。(1)酸性条件下，燃料电池的总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O，燃料电池的正极反应：O2＋4H＋＋4e－=2H2O，得燃料电池的负极反应：CH4＋2H2O－8e－=CO2＋8H＋。(2)碱性条件下，燃料电池的总反应：CH4＋2O2＋2NaOH=Na2CO3＋3H2O，燃料电池的正极反应：O2＋2H2O＋4e－=4OH－，得燃料电池的负极反应：CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O。(3)固体电解质(高温下能传导O2－)环境中，燃料电池的总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O，燃料电池的正极反应：O2＋4e－=2O2－，得燃料电池的负极反应：CH4＋4O2－－8e－=CO2＋2H2O。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境中，燃料电池的总反应：CH4＋2O2=CO2＋2H2O，燃料电池的正极反应：O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)，得燃料电池的负极反应：CH4＋4COeq\o\al(2－,3)－8e－=5CO2＋2H2O。探究点三常见的化学电源1．一次电池①普通锌锰电池“干电池”是用锌制圆筒形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作电解质，还填有MnO2作去极剂(吸收正极放出的H2，防止产生极化现象)。电极反应为eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(负极：Zn－2e－=Zn2＋,正极：2NH\o\al(＋,4)＋2e－=2NH3↑＋H2↑,H2＋2MnO2=Mn2O3＋H2O))正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2＋＋4NH3=[Zn(NH3)4]2＋，淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。电池总反应式：2Zn＋4NH4Cl＋4MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2＋ZnCl2＋2Mn2O3＋2H2O，“干电池”的电压通常约为1.5伏，不能充电再生。②纽扣式电池(也叫银锌电池)常见的纽扣式电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。电极反应为eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(负极：Zn＋2OH－－2e－=ZnO＋H2O,正极：Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－))电池总反应式为：Ag2O＋Zn=2Ag＋ZnO一粒纽扣式电池的电压达1.59伏，安装在电子表里可使用两年之久。③海水电池1991年，我国首创以铝—空气—海水为能源的新型电池，用作航海标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。电极反应式eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(负极：4Al－12e－=4Al3＋,正极：3O2＋6H2O＋12e－=12OH－))电池总反应式为：4Al＋3O2＋6H2O=4Al(OH)3这种海水电池的能量比“干电池”高20～50倍。④微型电池(锂电池)常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池叫锂电池，它是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。电池总反应式为：10Li＋4SOCl2=8LiCl＋Li2SO4＋3S这种电池容量大，电压稳定，能在－56.7～71.1℃2．二次电池①铅蓄电池铅蓄电池可放电亦可充电，具双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成的长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色PbO2，负极是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用微孔塑料隔开。蓄电池放电时的电极反应为负极：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达到1.18g·cm－3时即停止放电，而将蓄电池进行充电：阳极：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)阴极：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)当溶液密度增加至1.28g·cm－3时，应停止充电。蓄电池充电和放电的总反应式为：PbO2＋Pb＋2H2SO4eq\o(,\s\up17(放电),\s\do15(充电))2PbSO4＋2H2O目前，有一种形似于“干电池”的充电电池，它实际是一种银蓄电池(电解液为KOH)，电池反应为：Zn＋Ag2O＋H2Oeq\o(,\s\up17(放电),\s\do15(充电))Zn(OH)2＋2Ag。②银锌蓄电池银锌蓄电池是一种高能电池，它质轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的能源。一次电池中介绍的钮扣式电池(也叫银锌电池)就可以制成银锌蓄电池。它的放电过程可以参见一次电池，充电过程可以表示为，阳极：2Ag＋2OH－－2e－=Ag2O＋H2O；阴极：Zn(OH)2＋2e－=Zn＋2OH－；总反应式为：Ag2O＋Zn＋H2Oeq\o(,\s\up17(放电),\s\do15(充电))2Ag＋Zn(OH)2。③镍镉蓄电池负极材料：Cd；正极材料：NiO(OH)；电解质：KOH。总反应式为：2NiO(OH)＋Cd＋2H2Oeq\o(,\s\up17(放电),\s\do15(充电))2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。特点：比铅蓄电池耐用，可密封使用。3．燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的能量转换成电能的化学电池。燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化元件。它工作时，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，于是电池就连续不断地提供电能。①甲烷燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(负极：CH4＋10OH－－8e－=CO\o\al(2－,3)＋7H2O,正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－))电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH=K2CO3＋3H2O②氢氧燃料电池氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。在不同的介质中发生的电极反应归纳如下：③甲醇燃料电池电解质：KOH；正极：3O2＋6H2O＋12e－=12OH－；负极：2CH3OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋12H2O；总反应式为：2CH3OH＋3O2＋4KOH=2K2CO3＋6H2O。④肼燃料电池电解质：KOH；正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－；负极：N2H4＋4OH－－4e－=N2＋4H2O；总反应：N2H4＋O2=N2＋2H2O。⑤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的混合气体为正极燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，有关的电池反应为：负极反应2CO＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=4CO2；正极反应O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)；总反应2CO＋O2=2CO2。[例3]“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔Ni/NiCl2和金属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错误的是()A．电池反应中有NaCl生成B．电池的总反应是金属钠还原三价铝离子C．正极反应为：NiCl2＋2e－=Ni＋2Cl－D．钠离子通过钠离子导体在两电极间移动[思路分析]解决该题的关键是利用原电池工作原理分析该电池在工作时发生的反应。[解析]该电池的总反应为2Na＋NiCl2=2NaCl＋Ni，因此有NaCl生成，A项正确；由电池总反应可知，Na还原Ni2＋，B项错误；正极上NiCl2发生还原反应：NiCl2＋2e－=Ni＋2Cl－，C项正确；钠离子通过钠离子导体由负极向正极移动，D项正确。[答案]B某可充电的锂离子电池以LiMn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为：Li＋LiMn2O4=Li2Mn2O4下列说法正确的是(B)A．放电时，LiMn2O4发生氧化反应B．放电时，正极反应为：Li＋＋LiMn2O4＋e－=Li2Mn2O4C．充电时，LiMn2O4发生氧化反应D．充电时，Li发生氧化反应解析：在电池放电反应Li＋LiMn2O4=Li2Mn2O4中，LiMn2O4为正极，正极反应是还原反应，则A不正确。电池以LiMn2O4为正极，含Li＋导电固体为电解质，则电池的正极反应为Li＋＋LiMn2O4＋e－=Li2Mn2O4，B正确。该电池的充电反应为Li2Mn2O4=Li＋LiMn2O4。其中Li和LiMn2O4都是反应的生成物，则C和D均不正确。1．下列说法正确的是(C)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储存在电池内解析：碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池，燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是不断被输入。2．微型纽扣电池在现代生活中是广泛应用的一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应式分别为Zn＋2OH－－2e－=ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－，电池总反应式为Ag2O＋Zn=2Ag＋ZnO。根据上述反应式，下列叙述中正确的是(D)A．在使用过程中，电池负极区溶液pH增大B．在使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极C．在使用过程中，Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应D．外电路中每通过0.2mol电子，正极的质量理论上减少1.6g解析：氧化银变成银，失去1mol氧原子，转移2mol电子。3．镍镉(Ni－Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiO(OH)＋2H2Oeq\o(,\s\up17(放电),\s\do15(充电))Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有关该电池的说法正确的是(A)A．充电时Ni(OH)2被氧化B．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的碱性不变D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动解析：电池充电是电能转化为化学能，B错；充电时Ni(OH)2发生氧化反应(有元素化合价升高)，从总反应中易判断A是正确的(待学)；从总反应式分析放电时Cd→Cd(OH)2，故负极附近碱性变小，C错；从电子与离子形成的闭合回路易知OH－向负极(Cd)移动，D错。4．据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车在北京奥运会期间为运动员提供服务。某种氢氧燃料电池的电解质溶液为KOH溶液。下列有关该电池的叙述不正确的是(D)A．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－B．工作一段时间后，电解质溶液中KOH的物质的量不变C．该燃料电池的总反应方程式为2H2＋O2=2H2OD．该电池工作时，每消耗2.24LH2，转移0.2mol电子解析：碱性氢氧燃料电池总反应式是2H2＋O2=2H2O，不断消耗和生成KOH，O2为正极反应物，故A、B、C都正确，D项无标况，无法计算。5．如图所示，为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是(B)A．a电极是负极B．b电极的电极反应为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电池D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内的新型发电装置解析：本题考查燃料电池的原理及优点。由原电池原理知，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，两极转移的电子数相等，两电极反应式相加得总反应方程式。氢氧燃料电池的总反应方程式为2H2＋O2=2H2O，因此a电极上发生的电极反应为2H2－4e－=4H＋，a电极是负极；b电极上发生反应O2＋2H2O＋4e－=4OH－，b电极是正极。氢氧燃料电池的能量转化效率较高，且产物是H2O，是一种具有应用前景的绿色电池。氢氧燃料电池通入H2、O2就能工作，无需将H2、O2储存在电池内部。故选B。6．银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为2Ag＋Zn(OH)2eq\o(