6.1.3化学电源-高一化学精讲讲义（人教版2019）

化学电源【学习目标】1、知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点、组成和工作原理2、会正确书写燃料电池的电极反应【主干知识梳理】一、常见的化学电源1、化学电源的概念：将化学能转化为电能的装置2、化学电源的分类：一次电池、二次电池、燃料电池(1)一次电池：一次电池的特点是活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗一定程度后，就不能再重复使用。即：放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。常见的一次电池有锌锰干电池、锌银电池①酸性锌锰干电池结构酸性锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质电极反应负极Zn－2e－=Zn2＋正极2MnO2＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2e－=Mn2O3＋2NH3↑＋H2O总反应Zn＋2MnO2＋2NH4Cl=ZnCl2＋Mn2O3＋2NH3↑＋H2O缺陷酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀改进措施a.在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池b.将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池=2\*GB3②碱性锌锰干电池结构碱性锌锰电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液电极反应负极Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正极2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－总反应Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2特点比能量较高，储存时间较长，可适用于大电流和连续放电=3\*GB3③锌银电池电极反应负极Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正极Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－总反应Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag特点比能量大、电压稳定、储存时间长(2)二次电池：充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：化学能电能，常见的二次电池有铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等蓄电池等①铅酸蓄电池结构铅蓄电池是用橡胶或微孔塑料制成的长方形外壳，正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用橡胶或微孔塑料隔开电极反应总反应Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)负极Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)正极PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)特点常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全②镍镉电池结构以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质电极反应总反应Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2负极Cd+2OH－－2e－=Cd(OH)2正极2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－特点寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池(3)发展中的燃料电池燃料电池的构成燃料电池是一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)与氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。燃料气可以是氢气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性气体，电解质通常有四种情况：=1\*GB3①稀硫酸②KOH溶液=3\*GB3③Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，其导电粒子是CO32－=4\*GB3④固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，高温下能传导O2－离子燃料电池装置示意图特点=1\*GB3①清洁、安全、高效②料的利用率高、能量转化率高，能量转化率达到80%以上=3\*GB3③与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低=4\*GB3④与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用=5\*GB3⑤供电量易于调节，能适应于电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领域有广阔的应用情景①氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2=2H2O。氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应：介质负极反应式正极反应式酸性2H2－4e－=4H＋O2＋4H＋＋4e－=2H2O中性2H2－4e－=4H＋O2＋2H2O＋4e－=4OH－碱性2H2－4e－＋4OH－=4H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－②有机物燃料电池负极失电子数目判断：燃料电池的燃料以有机物居多，其燃烧后的产物通常为CO2和H2O(酸性介质)或CO32和H2O(碱性介质)。但无论上述哪种情况，产物中C、H、O的化合价均为+4、+1、2，如果把原有机物CxHyOz中所以元素都看成0价，可知整个反应中失去的电子数为:4x+y2z,即“碳四氢一氧减二”③水溶液中不能出现O2－；碱性溶液反应物、生成物中均无H+；酸性溶液反应物、生成物中均无OH－，中性溶液反应物中无H+和OH－例题以“甲醇——氧气——KOH溶液”为例第一步：得失电子守恒，负极的甲醇在碱性环境中变成CO32－失去6个电子，写成－6e－；正极的O2到底是变成了OH－还是H2O，一定是得到4个电子，写成＋4e－，此步称之为得、失电子守恒负极反应：CH3OH—6e－—CO32－；正极反应：O2＋4e－—第二步：电荷守恒此时负极反应左边的电荷数为＋6，右边的电荷数为－2，电荷显然不守恒，为了使左、右两边电荷守恒必需在左边配8个OH－；正极反应的左边电荷数为－4，右边的电荷数为0，为了使左、右两边电荷守恒必需在右边配4个OH－，此步称之为电荷守恒负极反应：CH3OH—6e—＋8OH－—CO32－；正极反应：O2＋4e－—4OH－第三步：原子守恒观察负极反应左、右两边的原子个数，C守恒，H、O不守恒，需在右边配6个H2O；而正极反应H、O不守恒，需在左边配2个H2O，此步称之为原子守恒负极反应：CH3OH—6e－＋8OH－＋6H2O=CO32－；正极反应：O2＋4e－＋2H2O=4OH－课堂练习、甲烷(CH4)燃料电池电池类型导电介质反应式酸性燃料电池H＋总反应负极反应正极反应碱性燃料电池OH－总反应负极反应正极反应熔融碳酸盐燃料电池COeq\o\al(2－,3)总反应负极反应正极反应固态氧化物燃料电池O2－总反应负极反应正极反应3、电池的优点和应用(1)优点：能量转化率较高，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，易于维护，并可在各种环境下工作(2)应用：在现代生活、生产、国防和科学技术的发展中，电池发挥着越来越重要的作用，大至火箭、人造卫星、空间电视转播站、飞机、轮船，小至电脑、收音机、照相机、、助电器、电子手表、心脏起搏器等，都离不开各式各样的电池4、电池优劣的判断标准：判断一种电池的优劣或是否适合某种需要，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位：(W·h)/kg或(W·h)/L(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位：W/kg或W/L(3)电池的可储存时间的长短【微点拨】一般的，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，更适合使用者的需要5、废旧电池为什么要集中处理？废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，1节1号干电池会使1m2的耕地失去使用价值，并通过食物链给人体健康造成危害。另一方面，废弃电池中的有色金属是宝贵的资源，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约【对点训练1】1、判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细()(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能()(3)充电电池可以无限制地反复充电、放电()(4)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高()2、下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是()A．碱性锌锰电池B．用锂电池C．汽车用铅蓄电池 D．玩具用镍氢电池3、1800年伏打用锌片与铜片夹以盐水浸湿的纸片叠成电堆产生了电流，这个装置后来称为伏打电池(也叫伏打电堆)，如下图所示。观察示意图，思考回答下列问题：(1)负极是：________，电极反应____________________(2)正极是：_________(3)猜测得电子发生还原反应的物质可能是________3、铅酸电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总的方程式为：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，按要求回答下列问题：(1)负极材料是________，正极材料是________，电解质溶液是________。(2)工作时，电解质溶液中的H＋移向________极(3)工作时，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)(4)当铅蓄电池向外电路提供2mole－时，理论上负极板的质量增加________g4、某电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO2)电池，其工作原理如图所示，且电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池反应式为LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2，放电时，电解质溶液中的Li＋离子向 极方向移动，两电极反应为：负极 ，正极 二、水果简易电池的制作1、探究制作水果电池对电极材料的要求(按如图连接)(已知电流表的指针偏向电子流入的电极)电极材料水果电流表偏转方向电极名称铁片、铜片苹果偏向铜片铁：负极铜：正极铁片、镁条苹果偏向铁片铁：正极镁：负极铁片、碳棒柠檬偏向碳棒铁：负极碳棒：正极铁片、铁片柠檬不偏转铜片、碳棒柠檬几乎不偏转(1)水果的作用是作：电解质溶液(2)构成原电池的要素有：①自发的氧化还原反应②两个活泼性不同的电极，电解质溶液，形成闭合回路③根据电极材料判断电极：较活泼金属作负极，不活泼的金属或惰性电极作正极2、探究影响电流效果的因素【实验1】探究电极材料对电流效果的影响电极材料电极间距/cm水果电流表/μA，偏转角度(填“大”或“小”)铁、铜1苹果小镁、铜1苹果大实验结论：在其他条件相同时，电极材料活泼性差别越大，电流效果越好【实验2】探究不同水果对电流效果的影响电极材料电极间距/cm水果电流表/μA，偏转角度锌、铜1苹果小锌、铜1柠檬大实验结论：在其他条件相同时，不同的电解质溶液，电流效果不同【实验3】探究电极间距对电流效果的影响电极材料电极间距/cm水果电流表/μA，偏转角度锌、铜1柠檬大锌、铜2柠檬小实验结论：在其他条件相同时，两电极间距越小，电流效果越好【对点训练2】1、下列有关电池的叙述不正确的是()A．水果电池是方便实用的家用电池B．铅蓄电池是一种常用的二次电池C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置D．锌锰干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄2、下图为番茄制作的水果电池，下列说法正确的是()A．一段时间后，铜片质量减小B．锌电极发生氧化反应C．电流由锌通过导线流向铜D．铜电极是该电池的负极【课后作业】1、下列有关锌锰干电池的说法中正确的是()A．锌外壳是负极，石墨碳棒是正极材料B．在外电路中电子从碳棒流向锌外壳C．电流从锌流到碳棒上D．在电池内部阳离子从碳棒向锌片移动2、汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是()A．Pb是正极B．PbO2得电子，被氧化C．负极反应是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4D．电池放电时，溶液的酸性增强3、汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如图所示，放电时的电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。根据此反应判断下列叙述中正确的是()A．PbO2是电池的负极B．Pb是负极，反应式为Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4C．PbO2得电子，被氧化D．电池放电时，溶液酸性增强4、锌－空气电池(如图所示)适宜用作城市电动车的动力电源，该电池放电时Zn转化为ZnO。则该电池工作时，下列说法正确的是()A．Zn电极是该电池的正极B．Zn电极的电极反应式为Zn＋H2O－2e－=ZnO＋2H＋C．OH－向石墨电极移动D．氧气在石墨电极上发生还原反应5、下列电池工作时，O2在正极得电子的是()ABCD锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池镍镉电池6、(双选)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，则下列叙述正确的是()A．锌为正极，空气进入负极反应B．负极反应为Zn－2e－=Zn2＋C．正极发生还原反应D．电解液肯定为强酸7、氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，电极是多孔镍电极，电解质溶液为质量分数30%的KOH溶液，有关叙述正确的是()①负极反应为2H2－4e－=4H＋②负极反应为2H2＋4OH－－4e－=4H2O③工作时正极pH增大，而负极pH减小④工作时负极pH增大，而正极pH减小⑤工作时溶液中阴离子移向正极⑥使用一段时间，KOH溶液质量分数仍为30%A．①②③B．②③C．②③⑥D．④⑤8、有四种燃料电池，下面是工作原理示意图，其中正极反应生成水的是()A．固体氧化物燃料电池 B．碱性氢氧化物燃料电池C．质子交换膜燃料电池 D．熔融盐燃料电池9、质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H＋。下列对该燃料电池的描述中正确的是()①正极反应为：O2＋4H＋＋4e－=2H2O②负极反应为：2H2－4e－=4H＋③总的化学反应为：2H2＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2H2O④氢离子通过电解质向正极移动A．①②③B．②③④C．①②④D．①②③④10、(双选)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中正极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．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11、将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是()①通入CH4的电极为正极②正极的电极反应是O2＋2H2O＋4e－＝4OH－③通入CH4的电极反应式是CH4＋2O2＋4e－＝CO2＋2H2O④负极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－＝COeq\o\al(2－,3)＋7H2O⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动A．①③⑤B．②④⑥C．④⑤⑥D．①②③12、一种燃料电池中发生的化学反应为在酸性溶液中甲醇(CH3OH)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＋O2－2e－=H2O＋CO2＋2H＋B．O2＋4H＋＋4e－=2H2OC．CH3OH＋H2O－6e－=CO2＋6H＋D．O2＋2H2O＋4e－=4OH－13、(双选)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()A．每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole－B．负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2OC．负极上是O2获得电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－D．电池放电后，溶液pH不断升高14、(双选)如图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是()A．该电池的负极反应式为：CH3CH2OH＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋B．该电池的正极反应式为：O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量15、如图所示是某公司批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的构造示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路流向另一电极、质子经内电路到达另一极与氧气反应，该电池总反应式为2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。下列有关该电池的说法错误的是()A．右边的电极为电池的负极，b处通入的是空气B．左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇C．电池负极的反应式为2CH3OH＋2H2O－12e－=2CO2＋12H＋D．电池正极的反应式为3O2＋12H＋＋12e－=6H2O16、镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁—空气燃料电池、镁—海水燃料电池、镁—过氧化氢燃料电池、镁—次氯酸盐燃料电池。如图为镁—次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是()A．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋H2O=Mg(OH)2↓＋Cl－B．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应C．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：H2O2＋2H＋＋2e－=2H2OD．放电过程中OH－移向正极17、Ⅰ.中国科学院长春应用化学研究所在甲醇(CH3OH)燃料电池技术方面获得新突破，组装出了自呼吸电池及主动式电池。甲醇燃料电池的工作原理如图1所示(电池总反应为2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H