2020版化学鲁科版选修4学案:第1章 第3节 第2课时 化学电源 .docx
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1、第2课时化学电源核心素养发展目标1.证据推理与模型认知:通过对常见化学电源的分析,建立对原电池过程系统认识的思维模型,提高对原电池本质的认识。2.科学态度与社会责任:增强科技意识,不断研发新型电池,满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池,减少其对环境的污染。一、化学电池及其分类1化学电池的分类(1)化学电池按其使用性质常分为如下三类:一次电池:又叫干电池,活性物质消耗到一定程度就不能再使用。二次电池:又称充电电池或蓄电池,放电后可以再充电使活性物质获得再生。燃料电池:一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池。(2)化学电池按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。2
2、化学电池的回收利用使用后的废弃电池中含有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。废弃电池要进行回收利用。例1随着人们生活质量的不断提高,废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程,其首要原因是()A利用电池外壳的金属材料B防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染C防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品D回收其中石墨电极答案B解析汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。考点初步认识化学电池题点废旧化学电池的回收利用二、常见的化学电池1锌锰干电池目前常见的一次锌锰干电池分为酸性和碱性两种。(1)酸性锌锰干电池构造锌皮制成的锌筒做负极,中央插一根碳棒做正极,
3、氯化锌、氯化铵和淀粉等糊状物做电解质溶液。电极反应负极反应式:Zn2e=Zn2,正极反应式:2NH2e=2NH3H2。(2)碱性锌锰干电池构造相对于酸性锌锰干电池,用氢氧化钾代替氯化铵做电解质。电极反应已知该电池总反应式:ZnMnO2H2O=Mn(OH)2ZnO,则负极反应式:Zn2OH2e=ZnOH2O,正极反应式:MnO22H2O2e=Mn(OH)22OH。2铅蓄电池铅蓄电池是常见的二次电池,其放电反应和充电反应表示如下:PbPbO22H2SO42PbSO42H2O(1)负极是Pb,正极是PbO2,电解质溶液是H2SO4溶液。(2)放电反应原理负极反应式是PbSO2e=PbSO4 ;正极反
4、应式是PbO24HSO2e=PbSO42H2O ;放电过程中,负极质量的变化是增大,电解质溶液pH的变化是增大。(3)充电反应原理阴极(发生还原反应)反应式是: PbSO42e=PbSO ;阳极(发生氧化反应)反应式是:PbSO42H2O2e=PbO24HSO ;充电时,铅蓄电池正极与直流电源正极相连,负极与直流电源负极相连。3氢氧燃料电池氢氧燃料电池用多孔石墨做电极,不断充入的氢气和氧气,分别在两极发生氧化反应和还原反应。(1)氢氧燃料电池的总反应式是:2H2O2=2H2O。(2)写出氢氧燃料电池(介质不同)的电极反应:介质负极反应式正极反应式酸性2H24e=4HO24H4e=2H2O碱性2
5、H24e4OH=4H2OO22H2O4e=4OH常见化学电源的比较(1)一次电池:活泼金属做负极,参与电极反应,放电完成后,不能再使用。(2)二次电池:两电极都参与电极反应,可充电、放电,循环使用。(3)燃料电池:两电极都不参与电极反应,不断充入的物质分别在两极发生反应,可连续使用。例2锂空气电池放电时的工作原理如图所示。下列叙述正确的是()A放电时Li由B极向A极移动B电池放电反应为:4LiO22H2O=4LiOHCB电极反应式为:O24H4e=2H2OD电解液a可以为氯化锂溶液答案B解析在锂空气电池中,A(金属锂)为负极,其反应式是:4Li4OH4e=4LiOH;B为正极,其反应式是:O2
6、4e2H2O=4OH;总反应式是:4LiO22H2O=4LiOH。原电池工作过程中,溶液中的Li(阳离子)移向B极(正极);金属锂能与水反应,电解质中不能含有水。考点一次电池和二次电池题点一次电池思维启迪根据原电池装置书写电极反应式(1)由装置图确定原电池的正极、负极及各极反应物。(2)若电解质溶液中的阴离子与负极产生的阳离子不共存,该阴离子写入负极反应式。(3)正极反应是溶液中的阳离子或氧化剂得到电子被还原。例3镍镉电池是一种可充电的“干电池”,使用寿命长达1015年。镍镉电池的总反应为:Cd2NiOOH2H2O2Ni(OH)2Cd(OH)2。下列说法不正确的是()A放电时,负极发生了氧化反
7、应,反应式为:Cd2OH2e=Cd(OH)2B充电时,阳极反应式为:Ni(OH)2eOH=NiOOHH2OC电池工作时,负极区pH增大,正极区pH减小D该电池充电时将电能转化为化学能答案C解析由电池总反应可知:放电时负极反应式为:Cd2OH2e=Cd(OH)2,负极区OH浓度减小,pH减小;放电时正极反应式为:NiOOHH2Oe=Ni(OH)2OH,正极区OH浓度增大,pH增大;充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反,即Ni(OH)2eOH=NiOOHH2O;二次电池放电时化学能转化为电能,充电时电能转化为化学能。考点一次电池和二次电池题点二次电池思维启迪由二次电池的总反应式书写电极反应式方
8、法(1)放电时为原电池,由总反应式中元素化合价的变化,确定负极、正极的反应物、主要产物和转移电子数目,再结合电解质溶液性质和守恒关系写出电极反应式。(2)充电时的电极反应是放电时电极反应的逆过程,即充电的阳极反应为放电的正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电的负极反应的逆过程。相关链接充电电池充电、放电的原理(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。(2)充、放电时各电极上发生的反应(3)充电电池电极反应式的书写充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应式刚好相反。例如,铅
9、蓄电池充电、放电的过程如下图所示。注意书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液,放电时两极生成的Pb2和电解质溶液中的SO不能共存,Pb2与SO结合生成PbSO4沉淀,因此将负极反应式写成Pb2e=Pb2是错误的,应写成PbSO2e=PbSO4。例4写出下列燃料电池的电极反应式和总反应式。(1)酸性条件下的甲烷燃料电池总反应式:_;正极反应式:_;负极反应式:_。(2)碱性条件下的甲烷燃料电池总反应式:_;正极反应式:_;负极反应式:_。(3)碱性条件下的甲醇(CH3OH)燃料电池总反应式:_;正极反应式:_;负极反应式:_。答案(1)CH42O2=CO22H2O2O28H8e=4H2OC
10、H48e2H2O=CO28H(2)CH42O22OH=CO3H2O2O24H2O8e=8OHCH410OH8e=CO7H2O(3)2CH3OH3O24OH=2CO6H2O3O26H2O12e=12OH2CH3OH16OH12e=2CO12H2O考点燃料电池题点有机物燃料电池思维启迪燃料电池电极反应与电池总反应式的书写(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧,书写总反应方程式时,要注意产物与电解质溶液是否发生反应,若能反应,电解质溶液要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应,即O24e=2O2,产生的O2存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。(
11、3)书写燃料电池的电极反应式,一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H;酸性溶液电极反应式不能出现OH。(4)负极燃料CxHy或CxHyOz氧化后,在酸溶液中生成CO2,在碱溶液中生成CO。相关链接有机燃料电池电极反应式书写方法电池的负极一定是可燃物,有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价变化规则,燃料失电子发生氧化反应,电池的正极多为氧气或空气得电子,发生还原反应,特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步:确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O,其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和
12、H2O,故生成物为CO和H2O。第二步:确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为2,CO中碳元素的化合价为4,故1 mol乙醇完全反应失去24(2)12 mol电子。第三步:列出表达式。C2H5OHOH12eCOH2O。第四步:确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2,由电荷守恒确定OH的化学计量数为16。(注:失去12个电子,相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11,故负极反应式为C2H5OH16OH12e=2CO11H2O。1下列电池工作时,氧气在正极放电的是()答案B解析燃料电池中在正极放电的物质都是氧气
13、。考点化学电源的综合题点化学电源及其类别2某电池以K2FeO4和锌为电极材料,氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是()A锌为电池的负极B正极反应式为:2FeO10H6e=Fe2O35H2OC该电池放电过程中电解质溶液浓度增大D电池工作时OH向负极迁移答案B解析以K2FeO4和锌为电极材料,氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中,锌为负极,发生反应:3Zn6e6OH=3Zn(OH)2;K2FeO4为正极,发生反应:2FeO8H2O6e=2Fe(OH)310OH;放电过程中有OH生成,则电解质溶液的浓度增大,OH向负极迁移。考点一次电池和二次电池题点一次电池3(2018广东省清远质检)已知LiA
14、l/FeS电池是一种新型的车载可充电电池,该电池采用Li交换膜。对该电池充电时,阳极的电极反应式为:Li2SFe2e=2LiFeS。下列有关该电池的说法中,正确的是()A化合物LiAl具有强还原性,做负极材料B放电时,电子从LiAl极经过Li交换膜流向FeS极C放电时发生的总反应式为:2LiFeS=Li2SFeD为了延长电池的使用寿命,可以隔一段时间添加含电解质的水溶液答案C解析LiAl是合金,不是化合物,A不正确;放电时,电子从LiAl极经过外电路流向FeS极,B不正确;放电时发生的总反应式为:2LiFeS=Li2SFe,C正确;负极材料易与水发生反应,故不能用电解质的水溶液,D不正确。考点
15、一次电池和二次电池题点二次电池4.瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨液氧燃料电池示意图如右图,有关说法正确的是()A电池工作时,Na向负极移动B电子由电极2经外电路流向电极1C电池总反应为:4NH33O2=2N26H2OD电极2发生的电极反应为:O24H4e=2H2O答案C解析先分析进出电极物质的化合价判断电池正、负极,NH3N2,N元素化合价升高,故电极1为原电池负极,电极2为原电池正极,电池工作时,Na向正极移动,电子由电极1经外电路流向电极2,电极2电极反应式为:O22H2O4e=4OH,电极1电极反应式为:2NH36OH6e=N26H2O。考点燃料电池题点燃料电池(碱性电解质)
16、5原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图,回答下列问题:电池的负极是_(填“a”或“b”)电极,该极的电极反应式为:_。电池工作一段时间后电解质溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率,因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物做电解质,一氧化碳为负极燃气,空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气,制得在650 下工作的燃料电池,其负极反应式为:2CO2CO4e=4CO2。正极反应式是:_;总电池反应式是:_。答案(1)aCH410OH8e=CO7H2O减小(2) O22CO24e=2CO2COO2=2CO2解析(1)甲烷
17、在反应时失去电子,故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH,故一段时间后,电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原发应,故正极电极反应式为:O22CO24e=2CO,根据正极反应式负极反应式总电池反应式,可推知总电池反应式应为:2COO2=2CO2。考点燃料电池题点燃料电池的综合题组一一次电池1电子表和电子计算器的电源通常用微型银锌电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,总反应式为:Ag2OH2OZn=Zn(OH)22Ag。下列说法正确的是()AAg2O是正极,Zn是负极BZn是正极,Ag2O是负极C工作时,电池负极区溶液pH增大D工作时,电子由Ag2O极经外电路
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