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【2019-2020】高中化学第1章化学反应与能量转化第3节化学能转化为电能__电池第2课时化学电源学案鲁科版选修

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【2019-2020】高中化学第 1 章化学反应与能量转化第 3 节化 学能转化为电能__电池第 2 课时化学电源学案鲁科版选修 4
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学*目标:1.了解化学电源的分类。2.了解常见的化学电源及其 工作原理。(难点)3.了解化学电源的广泛使用及对环境的影响。
[自 主 预 *·探 新 知] 1.化学电源的分类

2.常见电池

(1)锌锰干电池

项目

酸性锌锰干电池

碱性锌锰干电池

电极

锌筒作负极,石墨作正极

电解质



电极反 极







氯化铵和氯化锌 Zn-2e-===Zn2+ 2NH+4 +2e-===2NH3+H2

氢氧化钾 Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O MnO2+2H2O+2e-===Mn(OH)2+2OH


电池 反应

Zn+2NH4Cl===ZnCl2+2NH3+H Zn+MnO2+H2O===ZnO+Mn(OH)2
2

(2)铅蓄电池

①电极材料???负正极极::铅二氧化铅

②电解质溶液:30%H2SO4 溶液

③原理。

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④特点:性能优良,价格便宜,可多次充放电;单位重量的电极

材料释放的电能小。

(3)氢氧燃料电池

①原理(电极反应及电池反应)。

项目 电极

酸性燃料电池

碱性燃料电池

石墨电极材料

电解质

磷酸等酸性溶液

KOH溶液

负极 电极反应
正极

2H2-4e-===4H+ O2+4H++4e-===2H2O

2H2+4OH--4e-===4H2O O2+2H2O+4e-===4OH-

电池反应

2H2+O2===2H2O

②特点:能量利用效率高,可连续使用,排放污染物少。

微点拨:燃料电池的两电极不参与反应,而是燃料(还原性气体或液体)和氧气 分别在两极发生反应。
[基础自测]

1.判断对错(对的在括号内打“√”,错的在括号内打“×”。)

(1)手机、电脑使用的电池为一次电池。( )

(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时,负极反应相同。

()

(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。( )

(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。( )

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(5)氢氧燃料电池的负极反应为:H2-2e-===2H+。( )

[提示] (1)× 手机、电脑使用二次电池。

(2)× 酸性锌锰干电池负极反应为 Zn-2e-===Zn2+,碱性锌锰

干电池负极反应为 Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O。

(3)× 铅蓄电池放电时负极反应为充电时阴极反应的逆反应。

(4)√

(5)× 氢氧燃料电池在碱性环境中的负极反应为 H2+2OH--2e

-===2H2O。

2.下列电池属于一次电池的是( )

A.锌锰干电池

B.铅蓄电池

C.锂电池

D.氢氧燃料电池

A [铅蓄电池、锂电池属于二次电池;氢氧燃料电池属于燃料电

池。]

[合 作 探 究·攻 重 难]

二次电池

下图是一种铅酸蓄电池的剖面图,仔细观察该电池的结构,思考 下列问题:

[思考交流]

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1.该电池放电时的正极和负极材料分别是什么? [提示] 正极:PbO2;负极:Pb。 2.该电池放电时两极发生反应的物质是什么?分别属于什么反应 类型? [提示] 负极:Pb 失电子发生氧化反应;正极:PbO2 得电子发生 还原反应。 3.充电时两极应该如何与外接电源相连? [提示] 阳极连接外接电源的正极;阴极连接外接电源的负极。 [对点训练] [教师备选] 已知蓄电池在充电时作电解池,放电时作原电池。铅蓄电池上有 两个接线柱,一个接线柱旁标有“+”,另一个接线柱旁标有“-”。 关于标有“-”的接线柱,下列说法正确的是( ) A.充电时作阳极,放电时作正极 B.充电时作阳极,放电时作负极 C.充电时作阴极,放电时作负极 D.充电时作阴极,放电时作正极 C [“-”接线柱放电时为原电池的负极,失去电子发生氧化反 应,充电时与外接电源负极相连,作电解池的阴极,得到电子发生还 原反应,C 项正确。] 1.生产铅蓄电池时,在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状 的 PbSO4,干燥后再安装,充电后即可使用,发生的反应是 2PbSO4+ 2H2OPbO2+Pb+2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是( )
【导学号:41722044】
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A.需要定期补充硫酸 B.放电时 Pb 是负极,PbO2 是正极 C.放电时负极上发生的反应是 Pb-2e-+SO===PbSO4 D.放电时电解质溶液的密度减小 A [由电池反应式可知,不需要定期补充硫酸,A 项错误;铅蓄 电池放电时,相当于原电池,则发生氧化反应的电极是负极,发生还 原反应的电极是正极,所以 Pb 是负极,PbO2 是正极,B 项正确;放电 时,负极上铅失去电子生成 Pb2+,Pb2+与溶液中的 SO 结合生成 PbSO4,电极反应式为 Pb+SO-2e-===PbSO4,C 项正确;放电时, H2SO4 被消耗,溶液中 H2SO4 的物质的量浓度减小,所以溶液的密度 也减小,D 项正确。] 2.LiFePO4 电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点,可用 于电动汽车。电池反应为 FePO4+LiLiFePO4。下列有关 LiFePO4 电池 的说法正确的是( ) A.该电池可用 H2SO4 溶液作电解质溶液 B.该电池放电时,电池内部的 Li+向负极移动 C.该电池充电时,阳极的电极反应式为 LiFePO4-e-===FePO4+ Li+ D.在该电池的放电过程中,电池正极的质量逐渐减少 C [H2SO4 溶液作电解质溶液时,将会与 Li 发生反应,A 项错误; 该电池放电时,阳离子 Li+移向正极,B 项错误;该电池充电时,阳 极发生的是失去电子的氧化反应,C 项正确;在该电池的放电过程中, 正极上不断有 LiFePO4 生成,正极的质量逐渐增大,D 项错误。]
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可充电电池原理 (1)可充电电池电极反应
(2)可充电电池充电时的连接方法 充电时属于电解池,此时电池的负极与外接电源的负极相连,作 阴极发生还原反应,电池的正极与外接电源的正极相连,作阳极发生 氧化反应。
燃料电池电极反应式的书写
一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图
[思考交流]
1.电极 A 上的电极反应式如何书写? [提示] CO+H2+2CO-4e-===H2O+3CO2。 2.电极 B 上的电极反应式如何书写? [提示] O2+2CO2+4e-===2CO。
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3.电池总反应式如何书写? [提示] CO+H2+O2===CO2+H2O。 [对点训练] 1.某固体酸燃料电池以 CsHSO4 固体为电解质传递 H+,其基本结 构见如图,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 0.1 mol 电子,消耗 1.12 L 的 H2 D.H+由 a 极通过固体酸电解质传递到 b 极 D [由电池总反应方程式及原电池原理可知,充入 H2 的一极即 a 极是负极,充入 O2 的一极即 b 极是正极;电子由负极经外电路流向正 极;电池内部阳离子即 H+移向正极,正极即 b 极的电极反应式应为 O2+4H++4e-===2H2O,故 A、B 项错误,D 项正确。C 项没有指明标 准状况,故 C 项错误。] 2.甲烷燃料电池在不同环境下电极反应式的书写: (1)酸性条件 电池总反应式 CH4+2O2===CO2+2H2O① 正极反应式:O2+4H++4e-===2H2O②
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①-②×2,得燃料电池负极反应式:

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

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__。

(2)碱性条件

电池总反应式:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O



正极反应式:O2+2H2O+4e-===4OH-



①-②×2,得燃料电池负极反应式:

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__。

(3)固体电解质(高温下能传导 O2-)

电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O



正极反应式:O2+4e-===2O2-



①-②×2,得燃料电池负极反应式:

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_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__。

(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下

电池总反应式:CH4+2O2===CO2+2H2O



正极反应式:O2+2CO2+4e-===2CO



①-②×2,得燃料电池负极反应式:

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__

_________________________________________________________

__。

[答案] (1)CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+

(2)CH4+10OH--8e-===CO+7H2O

(3)CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O

(4)CH4+4CO-8e-===5CO2+2H2O

三步突破燃料电池电极反应式的书写 第一步:写出电池总反应式

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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

应则总反应为加和后的反应。

如甲烷燃料电池(电解质为 NaOH 溶液)的反应式为:

CH4+2O2===CO2+2H2O



CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O



①式+②式得燃料电池总反应式为:CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3

+3H2O。

第二步:写出电池的正极反应式

根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是 O2,

随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情

况:

(1)酸性电解质溶液环境下电极反应式:

O2+4H++4e-===2H2O

(2)碱性电解质溶液环境下电极反应式:

O2+2H2O+4e-===4OH-

(3)固体电解质(高温下能传导 O2-)环境下电极反应式:

O2+4e-===2O2-

(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境下电极反应式:

O2+2CO2+4e-===2CO。

第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式

电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为

O2 不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除 O2。

[当 堂 达 标·固 双 基]
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1.锌锰干电池在放电时,总反应方程式可以表示为 Zn(s)+ 2MnO2(s)+2NH(aq)===Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+2NH3(g)+H2O(l),在 如图所示装置中,电池放电时,正极(碳棒)上发生反应的物质是( )

A.Zn

B.碳

C.MnO2 和 NH

D.Zn2+和 NH3

C [Zn 在负极上被氧化得到 Zn2+;MnO2、NH 在正极上被还原得

到 Mn2O3、NH3。]

2.氢氧燃料电池是将 H2 和 O2 分别通到浸入 20%~40%(质量分数)

的 KOH 溶液的多孔石墨电极上,其电池总反应为 2H2+O2===2H2O,则

下列叙述正确的是( )

A.通入 H2 的一极是正极,通入 O2 的一极是负极

B.通入 O2 的一极是正极,通入 H2 的一极是负极

C.该电池工作一段时间后,电解质溶液的 pH 增大

D.该电池工作一段时间后,负极区附*溶液的 pH 增大

B [根据电池总反应可知,该电池工作时不断有 H2O 生成,则电

解质溶液的 pH 不断减小。通入 O2 的一极作正极,通入 H2 的一极作负

极,H2 在负极上发生氧化反应,其电极反应式为 2H2+4OH--4e-

===4H2O,负极区附*溶液中 OH-浓度降低,则 pH 减小。综上分析,

B 项正确。]

3.某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为:

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Fe+NiO2+2H2OFe(OH)2+Ni(OH)2,下列说法中正确的是 ()
【导学号:41722045】 A.放电时,负极上发生反应的物质是 Fe B.放电时,正极反应是 NiO2+2e-+2H+===Ni(OH)2 C.充电时,阴极反应是 Ni(OH)2-2e-+2OH-===NiO2+2H2O D.充电时,阳极附* c(OH-)增大 A [电池的负极发生氧化反应,该蓄电池的负极为 Fe,A 项正确; 该电池的正极为 NiO2,发生还原反应,电极反应为 NiO2+2e-+ 2H2O===Ni(OH)2+2OH-,B 项错误;充电时,阴极发生还原反应,电 极反应为 Fe(OH)2+2e-===Fe+2OH-,C 项错误;充电时阳极的电极 反应为 Ni(OH)2+2OH--2e-===NiO2+2H2O,c(OH-)减小,D 项错 误。] [教师备选] 铅蓄电池是化学电源,其电极材料分别是 Pb 和 PbO2,电解质溶液 为稀硫酸,工作时该电池的总反应式为 Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+ 2H2O。 试根据上述情况判断: (1)蓄电池的负极材料是________。 (2)工作时,正极反应式为 ____________________________________。 (3)工作时,电解质溶液的酸性________(填“增大”“减小”或 “不变”)。 (4)工作时,电解质溶液中阴离子移向________极。
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(5)外电路电流从________极流向________极。 [解析] 蓄电池工作(放电)时,起原电池作用。根据原电池原理, 负极失去电子发生氧化反应,元素化合价升高,所以 Pb 为负极;正极 得到电子发生还原反应,元素化合价降低,从总反应式可知,PbO2 是 氧化剂,即正极反应式为 PbO2+2e-+4H++SO===PbSO4+2H2O;从 正极反应或电池的总反应可知 H2SO4 参加了反应,H+转变成 H2O,所 以酸性减小;原电池工作时,溶液中阴离子移向负极,阳离子移向正 极;电流方向与电子移动方向相反,从正极沿导线流向负极。 [答案] (1)Pb (2)PbO2+2e-+4H++SO===PbSO4+2H2O (3) 减小 (4)负 (5)正 负 4.(1)直接以甲醇为燃料的燃料电池中,电解质溶液为酸性,
【导学号:41722046】 负极反应式为_______________________________、正极反应式为 ___________________________________________________________。 (2)熔融盐电池具有高的发电效率,因而受到重视,可用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐混合物作电解质,CO 为阳极燃气,空气与 CO2 的混 合气为阴极助燃气,制得在 650 ℃下工作的燃料电池,完成有关电池 反应式。阳极反应式:2CO+2CO-4e-===4CO2,阴极反应式: ________________________ _________________________________________________________ __, 电池总反应式: ____________________________________________。
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[解析] (1)负极上甲醇失电子,在酸性条件下与水反应生成氢离 子:CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+。 正极电极反应式为 O2+4e- +4H+===2H2O。
(2)本题中电池中的电解质是熔融物,而不是电解质溶液,但有自 由移动的离子 CO 存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电 子转移,燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极 CO 失去电子, 而阴极应为 O2 得到电子,再与阴极助燃气 CO2 反应生成电解质阴离子 CO。
[答案] (1)CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+ 32O2+6e-+6H+===3H2O (2)O2+2CO2+4e-===2CO 2CO+O2===2CO2
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