化学反应原理专题1第二单元第2课时

第2课时化学电源[目标导航]1.了解化学电源的分类。2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理，会熟练书写电极反应式。3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害及处理方法。一、化学电池1．概念是将化学能直接转化为电能的装置。化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。2．分类①一次电池如普通锌锰干电池②二次电池如铅蓄电池③燃料电池如氢氧燃料电池议一议1．化学电池与其他能源相比有哪些优点？答案化学电池的优点是①能量转换效率高，供能稳定可靠。②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。③易维护，可在各种环境下工作。2．判断电池优劣的主要标准是什么？答案(1)比能量：参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，单位“(W·h)/kg”或“(W·h)/L”。(2)比功率：即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)电池可储存时间的长短。二、常见的化学电池1．一次电池(1)碱性锌锰电池：①组成：正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。②工作原理：负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极反应：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－。电池反应方程式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。(2)银锌电池①组成：负极：Zn，正极：Ag2O，电解质：KOH。②工作原理：负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极反应：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－。电池反应方程式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。2．二次电池(以铅蓄电池为例)(1)组成：正极：PbO2；负极：Pb；电解质：硫酸。(2)工作原理：铅蓄电池是最常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程。①放电过程负极：Pb－2e－＋SO2－4===PbSO4；正极：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO2－4===PbSO4＋2H2O；电池反应方程式：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。②充电过程阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO2－4(还原反应)；阳极：PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO2－4(氧化反应)。电池反应方程式：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。③铅蓄电池的充、放电过程：Pb＋PbO2＋2H2SO4放电充电2PbSO4＋2H2O3．燃料电池(1)工作原理①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。②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。③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，生成物不断地被排出。(2)氢氧燃料电池①电池组成：氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极。②工作原理：如图所示，在负极室通入H2，它在Pt电极上被催化分解为H原子，再失去电子成为H＋进入电解质溶液，透过隔膜，进入正极室；在正极室通入O2，经过Pt电极的催化，O2、H＋在正极上放电生成H2O。议一议1．如何给可充电电池充放电？其充放电过程的区别与联系是什么？答案(1)可充电电池充放电时电池的接法：联系：电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。2．如图是氢氧燃料电池示意图，请根据示意图判断正负极，并试写出在不同电解质中的电极反应。氢氧燃料电池示意图介质电池反应：2H2＋O2===2H2O酸性(H＋)负极正极中性(Na2SO4)负极正极碱性(OH－)负极正极答案通H2的一极为负极，通O2的一极为正极。介质电池反应：2H2＋O2===2H2O酸性(H＋)负极2H2－4e－===4H＋正极O2＋4H＋＋4e－===2H2O中性(Na2SO4)负极2H2－4e－===4H＋正极O2＋2H2O＋4e－===4OH－碱性(OH－)负极2H2－4e－＋4OH－===4H2O正极O2＋2H2O＋4e－===4OH－一、“久考不衰”的二次电池例1铅蓄电池是化学电源，它工作时的电池总反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。试回答：(1)铅蓄电池负极的电极材料是________。(2)工作时该蓄电池正极的电极反应式是_______________________________________。(3)铅蓄电池工作时，电解质溶液的密度________，pH________(填“减小”、“增大”或“不变”)。解析(1)由电池总反应可知，Pb发生氧化反应，所以Pb是负极。(2)正极上的反应是PbO2―→PbSO4，则必然有H2SO4参加：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O(负极反应为Pb－2e－＋SO2－4===PbSO4，将正极、负极反应合并，与题给总反应相符)。(3)在铅蓄电池的工作过程中，Pb被氧化，H2SO4被消耗，所以溶液的密度减小，pH增大。答案(1)Pb(2)PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O(3)减小增大归纳总结二次电池的总结(1)可充电电池电极极性和两极反应物的判断判断电池放电时电极极性和参加反应的物质，可先标出放电(原电池)总反应电子转移的数目，失去电子的一极为负极，该物质即为负极参加反应的物质；得到电子的一极为正极，该物质即为正极参加反应的物质。若判断电池充电时电极极性和参加反应的物质，可直接利用阳极反应为放电时的正极反应倒置，阴极反应为放电时的负极反应倒置，进行判断。(2)电极反应的书写方法①分析价态变化确定正、负两极及其产物。②先写出简单的电极反应式。③用电池总反应方程式减去简单的电极反应式得到另一电极反应式。(3)溶液中离子的移动方向判断放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。(4)pH变化规律若电极反应消耗OH－(H＋)，则电极周围溶液的pH减小(增大)，若电极反应生成H＋(OH－)，则电极周围溶液的pH减小(增大)；若总反应的结果是消耗OH－(H＋)，则溶液的pH减小(增大)，若总反应的结果是生成H＋(OH－)，则溶液的pH减小(增大)；若两极消耗或生成的OH－(H＋)的物质的量相等，则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定，应具体分析。变式训练1市场上经常见到的标记为Li－ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应式为Li＋2Li0.35NiO2放电充电2Li0.85NiO2。下列说法不正确的是()A．放电时，负极的电极反应式：Li－e－===Li＋B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应C．该电池不能用水作为电解质溶液D．放电过程中Li＋向负极移动答案D解析负极Li失去电子生成Li＋移向正极。二、“一池多变”的燃料电池例2以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。(1)酸性条件燃料电池反应方程式：_________________________________________。正极反应式：__________________________________________。负极反应式：____________________________________________________________。(2)碱性条件燃料电池反应方程式：_______________________________________。正极反应式：_______________________________________________________。负极反应式：____________________________________________________________。(3)固体电解质(高温下能传导O2－)燃料电池电池反应方程式：______________________________________________________。正极反应式：________________________________________________________。负极反应式：____________________________________________________________。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池反应方程式：_______________________________。正极反应式：___________________________________________________。负极反应式：________________________________________________________。答案(1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O2O2＋8H＋＋8e－===4H2OCH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋(2)CH4＋2O2＋2OH－===CO2－3＋3H2O2O2＋4H2O＋8e－===8OH－CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O2O2＋8e－===4O2－CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O(4)CH4＋2O2===CO2＋2H2O2O2＋4CO2＋8e－===4CO2－3CH4＋4CO2－3－8e－===5CO2＋2H2O方法规律燃料电池规律的总结(1)书写燃料电池的总反应方程式时就相当于燃料燃烧，然后看一下产物与所用电解质是否能发生反应，若能发生反应，电解质溶液也参与反应，要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应物是氧气，正极反应的本质都是氧气得电子生成O2－，发生还原反应，故正极反应式的基础都是O2＋4e－===2O2－。(3)正极产生的O2－的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。变式训练2设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。回答如下问题：(1)以丁烷代表汽油，这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是________________________________________________________________________。(2)这个电池的正极发生的反应是_________________________________________。负极发生的反应是____________________________________________。固体电解质里的O2－的移动方向是__________________________________________。向外电路释放电子的电极是________。答案(1)2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O(2)O2＋4e－===2O2－C4H10＋13O2－－26e－===4CO2＋5H2O向负极移动负极解析由原电池原理知：负极失电子后经导线转移到正极，根据电中性关系，内电路中O2－向负极移动。1．下列说法错误的是()A．依据原电池的原理设计出了化学电源B．原电池是化学电源的雏形C．判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源答案C解析判断电池的正、负极不仅与电极材料有关，还与电解质溶液有关。2．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是()A．Pb为正极，被氧化B．溶液的pH不断减小C．SO2－4只向PbO2处移动D．电解质溶液pH不断增大答案D解析由题给电极反应可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，所以B错，D对；由Pb元素