第二节化学能与电能

第二章化学反应与能量第二节化学能与电能第2课时发展中的化学电源课前新知初探课堂深化探究课前新知初探基础梳理自主落实目标导学1.了解生活中常用的化学电源和新型化学电池的工作原理及应用。2．能够正确书写电极反应式。3．了解化学电源的发展前景。课前自主学习一、干电池1．最早使用的化学电池最早使用的化学电池是，负极是，正极是，糊状填充物是。此类锰电池是一次性电池的原因是。锌锰电池锌石墨棒MnO2和NH4Cl糊内部的氧化还原反应不可逆2．碱性锌锰电池：为了延长电池寿命和提高其性能，人们将电池内的电解质换成湿的KOH，并在构造上作了改造，制成了碱性锌锰电池。NH4Cl二、充电电池充电电池又称，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以进行，使电池恢复到放电前的状态。1．铅蓄电池：负极Pb正极PbO2电解质硫酸2．镍镉电池：负极Cd正极NiOOH电解质KOH二次电池逆向3．锂离子电池：新一代电池，低功耗电器的主流电源。可充电的绿色三、燃料电池1．原理：利用原电池的工作原理将反应所放出的直接转化为。2．与其他电池的区别：反应物不是贮存在电池内部，而是由外设装备提供等。燃料和氧化剂化学能电能燃料和氧化剂思考与交流根据电极材料是否参加反应，可将化学电池分成哪些基本类型？提示1.活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应，如：Cu－Zn原电池。2．两极都参加反应，如铅蓄电池。3．两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如燃料电池，燃料电池的电解质溶液常是碱性试剂，如KOH溶液。课堂深化探究解疑释难重点突破一、充电电池的种类及工作原理1．铅蓄电池——蓄电池铅蓄电池是用硬胶或透明塑料制成方形外壳，在正极板上有一层棕褐色的PbO2，负极板是海绵状的金属铅，两极均浸入H2SO4溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。此种电池可放电也可充电，又称二次电池，二次电池由于可以多次的充电和放电(在充电时可逆向进行)。能量转化形式：①放电时，化学能转化为电能；②充电时，电能转化为化学能。电极反应放电时：负极Pb：Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4正极PbO2：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O电解质溶液：H2SO4溶液电极反应(充电时)：阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO2－4阳极：PbSO4＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－电池总反应式：Pb＋PbO2＋2H2SO4放电充电2PbSO4＋2H2O2．镍镉电池(1)组成负极材料：Cd正极材料：NiOOH电解质溶液：KOHaq(2)电极反应：负极：Cd－2e－＋2OH－===CdOH2↓正极：2NiOOH＋2e－＋2H2O===2NiOH2↓＋2OH－电池总反应式：Cd＋2NiO(OH)＋2H2O放电充电Cd(OH)2↓＋2Ni(OH)2↓3．镍氢电池：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2NiOH2＋2OH－电池总反应式：2NiO(OH)＋H2放电充电2Ni(OH)24．锂电池：锂电池是新一代可充电的绿色电池。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。负极：8Li－8e－===8Li＋正极：3SOCl2＋8e－===SO2－3＋2S＋6Cl－电池总反应式：8Li＋3SOCl2放电充电6LiCl＋Li2SO3＋2S二、燃料电池工作原理燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，燃料电池正是利用了原电池工作原理将燃料和氧化剂(如O2)反应所放出的化学能直接转化为电能。燃料电池是一种高效，对环境友好的发电装置。常见的有氢氧燃料电池、甲烷氧气燃料电池等。1．氢氧燃料电池氢氧燃料电池的电池总反应：2H2＋O2===2H2O(1)电解质溶液为盐酸时：负极：2H2－4e－===4H＋pH变小正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2OpH变大总的溶液被稀释，pH变大。(2)电解质溶液为KOH溶液时：负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2OpH变小正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－pH变大总的溶液被稀释，pH变小。2．甲烷燃料电池该电池用金属铂插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通入甲烷和氧气，电极反应为：负极：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－总反应式为：CH4＋2O2＋2OH－===CO2－3＋3H2O若为酸性介质(电解质为稀H2SO4)电极反应为：负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋正极：2O2＋8H＋＋8e－===4H2O总反应式为：CH4＋2O2===CO2＋2H2O特别提示①燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断地提供燃料和氧化剂等，使反应能连续进行。②燃料电池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，两电极材料相同，差别在于两电极所通入的气体的性质：一种是还原性气体，一种是氧化性气体；还原性气体使电极的电势降低。③在不同的电解质溶液中，同一电极上发生反应的电极方程式不同。在碱性环境中，不能存在大量H＋；在酸性溶液中，不能存在大量OH－，这是书写电极反应式时应注意的。典例剖析一二次电池【例1】化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。(1)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池，其电池总反应可以表示为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O放电充电2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确的是()①放电时NiO(OH)作负极②充电时Cd(OH)2发生还原反应③充电时化学能转变为电能④放电时化学能转变为电能A．①③B．②④C．①④D．②③(2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重，这是因为__________________。(3)下面是废弃镍镉电池中的重金属渗入水体后，进入人体的一条途径：A―→B―→C―→D―→人生物体D中重金属浓度________(填“＞”“＝”或“＜”)生物体A中重金属浓度，这是通过食物链富集作用所引起的。除上述途径外，被污染水体中的重金属还可以直接通过________(填途径)进入人体。[解析](1)放电时Cd作负极，发生氧化反应生成Cd(OH)2；而充电时Cd(OH)2发生还原反应重新生成Cd。(2)物质以离子的形式存在时，最容易被植物吸收。从镍镉所对应化合物的水溶性这一角度去分析，因为在酸性土壤中Ni(OH)2和Cd(OH)2溶解变成Ni2＋和Cd2＋，易被植物吸收，造成污染。[答案](1)B(2)Ni(OH)2和Cd(OH)2能溶于酸性溶液产生有毒的Ni2＋和Cd2＋(3)＞饮水互动训练1下列有关电池的说法不正确的是()A．手机上用的锂离子电池属于二次电池B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D．锌锰干电池中，锌电极是负极答案B解析电池中电子由负极流向正极，B项电子应从Zn流向Cu电极。二燃料电池【例2】如图所示为氢氧燃料电池的结构图，电解质溶液为氢氧化钾溶液，惰性电极材料由多孔碳制成。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可以在闭合回路中不断地产生电流。试回答下列问题：(1)指出图中通过负载的电流方向：________(填“向左”或“向右”)。(2)写出氢氧燃料电池工作时电极反应式和总反应的化学方程式。正极：___________________________________________。负极：____________________________________________。电池总反应式：___________________________________。(3)若需要氢氧燃料电池提供较大的功率，关键是氢氧燃料的制备。有一种氢氧燃料电池可利用甲醇、天然气等物质作为原料，通过多孔铂电极使燃料离子化。①CH4和H2O反应生成H2和CO的化学方程式为：________________________________________________。②CO和H2O反应生成H2的化学方程式为：___________。[解析]由题意可知，氢氧燃料电池的反应产物是[答案](1)向左(2)2H2O＋O2＋4e－===4OH－2H2＋4OH－－4e－===4H2O2H2＋O2===2H2O(3)①CH4＋H2O=====催化剂高温CO＋3H2②CO＋H2O=====催化剂高温CO2＋H2[点评]解燃料电池习题的一般分析步骤是：①要根据化学方程式分析化合价的升高和降低，找出被氧化的物质和被还原的物质；②根据原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应，对应找出负极反应物和正极反应物；③根据化合价升高和降低分析失电子数目和得电子数目，写出电极反应。在书写电极反应式时必须考虑电解质溶液的成分。互动训练2氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法，正确的是()A．该电池工作时电能转化为化学能B．该电池中电极a是正极C．外电路中电子由电极b通过导线流向电极aD．该电池的总反应：2H2＋O2===2H2O答案D解析燃料电池是将化学能转化为电能，A项不正确；a极通入H2发生氧化反应，是电池的负极，B项不正确；外电路中电子由负极流向正极，即由电极a通过导线流向电极b，C项不正确。课内针对性训练1.下列化学电池不易造成环境污染的是()A．氢氧燃料电池B．锌锰电池C．镍镉电池D．铅蓄电池答案A解析氢氧燃料电池以酸或碱溶液为电解质溶液，产物为水，不易造成环境污染，锌锰电池、镍镉电池、铅蓄电池易造成重金属污染。2．Ni—Cd可充电电池，可以发生如下反应：Cd(OH)2＋2Ni(OH)2充电放电Cd＋2NiO(OH)＋2H2O，由此可知，该电池的负极材料是()A．CdB．NiO(OH)C．Cd(OH)2D．Ni(OH)2答案A解析电池放电时发生的是原电池反应，较活泼的金属作负极，发生氧化反应，故Cd作负极。3．汽车的启动电源常用铅蓄电池，放电时的电池反应：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，则下列叙述中正确的是()A．PbO2是电池的负极B．负极的电极反应：Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4C．PbO2得电子被氧化D．电池放电时，溶液的酸性增强答案B解析铅蓄电池放电时，Pb为负极，电极反应：Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4，A错误，B正确；PbO2为正极，得电子发生还原反应，C错误；因放电过程中消耗H＋，故溶液的酸性减弱，D错误。4．燃料电池是目前正在探索的一种新型电池，它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用的氢氧燃料电池的基本反应是：x极：O2(气)＋2H2O(液)＋4e－===4OH－y极：H2(气)＋2OH－===2H2O(液)＋2e－回答下列问题：(1)x是________，发生________反应(填“氧化”或“还原”)。(2)y是负极，发生______反应，总反应方程式为________。(3)若反应后得到5.4g液态水，此时氢氧燃料电池转移的电子数为________mol。答案(1)正极还原(2)氧化2H2＋O2===2H2O(3)0.6解析(1)x极：O2得电子发生还原反应，所以为正极。(2)y极：H2失电子发生氧化反应，所以为负极。x极、y极得失电子应相同，故x极电极方程式与y极电极方程式乘以2相加得总方程式为2H2＋O2===2H2O。(3)4mole－～2H2O4mol2×18gn(e－)5.4gn(e－)＝0.6mol。