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第2课时发展中的化学电源目标导航预习引导1.了解化学电池的工作原理及研制新型电池的重要性。2.了解化学电源的分类、应用及发展前景。3.了解化学电池对环境的影响,提高环保及开发高效清洁燃料的意识。常见化学电池的分类、正负极的判断以及电极反应类型的判断。目标导航预习引导1.干电池:最早使用的化学电池是锌锰电池,它是一种一次性电池,在使用过程中锌会逐渐溶解Zn-2e-Zn2+。2.充电电池:充电电池又称为二次电池,它在放电时发生氧化还原反应,在充电时又可逆向进行,使电池恢复原状,如此充放电可循环进行至一定周期后终止。如铅蓄电池、镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂离子电池等。3.燃料电池是高效、环境友好的发电装置。燃料电池与普通电池的差别是用外加设备源源不断地提供燃料和氧化剂,使反应能够连续进行,如氢氧燃料电池。以上电池中最早使用的化学电池是锌锰电池,最早使用的充电电池是铅蓄电池,新一代可充电的绿色电池是锂离子电池。目标导航预习引导预习交流充电电池与一次电池在我们生活中都非常普遍,结合课前预习内容和生活实际,思考充电电池与一次电池相比有何优点?如何科学合理地使用充电电池?答案:充电电池比一次电池更持久耐用,更方便实惠,可以节约资源,减少废电池的处理量等。使用充电电池时需注意要合理充电,不能过充,使用不要亏电,不使用时要从用电器中取出,密封贮存于干燥处等。问题导学当堂检测一、干电池活动与探究如下图:锌锰电池在放电时总反应方程式可表示为Zn+2NH4+Zn2++2NH3↑+H2↑,此电池放电时,正极上发生反应的物质是什么?答案:原电池正极是电子流入的一极,氧化剂在此处得电子被还原。而总反应中NH4+得电子生成H2,正极上发生反应的物质是NH4+。问题导学当堂检测迁移与应用例1人们利用原电池原理,制作了多种电池,如电子计算机所用纽扣电池就是其中一种。它的两极材料为锌和氧化银,电解质溶液为KOH溶液,其电极反应是:Zn+2OH--2e-ZnO+H2OAg2O+H2O+2e-2Ag+2OH-下列判断正确的是()A.锌为正极,Ag2O为负极B.锌为负极,Ag2O为正极C.原电池工作时,正极区溶液碱性减弱D.原电池工作时,负极区溶液碱性增强问题导学当堂检测解析:原电池中发生失电子反应的电极为负极,所以锌为负极,Ag2O为正极,B项正确;因为负极反应为Zn+2OH--2e-ZnO+H2O,即负极区域溶液中OH-浓度不断减小,溶液碱性减弱,所以D项不正确;由正极反应式可知,正极区域有OH-生成,正极区域溶液碱性增强,C项错。答案:B问题导学当堂检测迁移训练1最早使用的化学电源(chemicalpowersource)是锌锰电池,即大家所熟悉的干电池,其结构如图所示,尽管这种电池的历史悠久,但对它的电化学过程尚未完全了解。一般认为,放电时,电池中的反应如下:E极:2MnO2+2H2O+2e-2MnO(OH)+2OH-F极:Zn+2NH4Cl-2e-Zn(NH3)2Cl2+2H+总反应式:2MnO2+Zn+2NH4Cl2MnO(OH)+Zn(NH3)2Cl2问题导学当堂检测下列说法正确的是()A.E极是电池的正极,发生的是氧化反应B.F极是电池的负极,发生的是氧化反应C.从结构上分析,锌锰电池应属于可充电电池D.锌锰电池内部发生的氧化还原反应是可逆的解析:E极发生还原反应,应为原电池的正极;F极发生氧化反应,为原电池的负极。干电池中反应不可逆,故也不能作充电电池用。答案:B问题导学当堂检测干电池是用锌制圆筒形外壳作负极,位于中央带铜帽的石墨作正极,在石墨周围填充NH4Cl和淀粉糊作电解质,还填有MnO2和炭黑(锌锰电池)。电极反应:负极(锌筒):Zn-2e-Zn2+正极(石墨):发生还原反应特别提醒:淀粉糊的作用是增大阴、阳离子在两个电极的迁移速率。MnO2的作用是吸收正极产生的气体。问题导学当堂检测二、充电电池活动与探究铅蓄电池的负极板上的物质是什么,正极板上的物质是什么?电解质溶液呢?答案:负极板物质:Pb正极板物质:PbO2电解质溶液:H2SO4(aq)问题导学当堂检测迁移与应用例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:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O根据此反应判断下列叙述的正误。①Pb是正极②PbO2得电子,被氧化③负极反应是Pb+SO42--2e-PbSO4④电池放电时,溶液的酸性增强问题导学当堂检测答案:放电时,发生的电极反应为:负极:Pb+SO42--2e-PbSO4正极:PbO2+4H++SO42-+2e-PbSO4+2H2O①不正确,③正确;PbO2得电子,被还原,②不正确;电池放电时,H+被消耗,生成H2O,溶液的酸性减弱,④不正确。问题导学当堂检测迁移训练2镍镉可充电电池在现实生活中应用广泛,它的充放电反应按下式进行:Cd(OH)2+2Ni(OH)2Cd+2NiO(OH)+2H2O,由此可知电池放电时的负极材料是()A.Cd(OH)2B.Ni(OH)2C.CdD.NiO(OH)解析:本题旨在考查通过氧化还原反应来判断原电池正负极。负极应该为失去电子,化合价升高,发生氧化反应,因此该原电池放电时的负极材料应该是Cd。答案:C问题导学当堂检测1.铅蓄电池铅蓄电池是用含锑5%~8%的铅锑合金铸成格板,在格板上分别填充PbO2和Pb,分别作正极和负极。二者交替排列而成,在电极之间注入密度为1.25~1.28g·cm-3的H2SO4溶液。问题导学当堂检测2.镍镉碱性蓄电池负极:Cd正极:NiO2或NiO(OH)电解质:KOH3.新一代绿色电池——锂离子电池特点:高能电池,工作效率高,电压高,贮存时间长等。用途:电脑、手表、心脏起搏器等。温馨提示:①多次使用,放完电后可再充电使用。内部氧化还原在放电、充电时“可逆”进行。②镍镉电池寿命较铅蓄电池长,但镉是致癌物,镍镉污染环境。③锂离子电池污染少,被称为绿色电池。问题导学当堂检测三、燃料电池活动与探究根据教材图215氢氧燃料电池构造示意图判断下列叙述的正误。①通氢气的电极是负极②通氧气的电极的电极反应式为4OH--4e-2H2O+O2↑③氢氧燃料电池是一种具有广泛应用前景的绿色电源④氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置答案:在氢氧燃料电池中,通H2的电极为负极,通O2的电极为正极,故①正确。正极的电极反应式应为2H2O+O2+4e-4OH-,②错误。③④正确。问题导学当堂检测迁移与应用例3如图所示是氢氧燃料电池的基本结构,将电极a、b分别与负载连接后,电池就能正常工作。下列有关该燃料电池工作时的叙述中,不正确的是()A.a电极一定是负极B.若X是H+,则H+将从a电极通过离子交换膜移向b电极C.若X是O2-,则生成的水将从d口流出D.溶液中的电流方向是从b流向a问题导学当堂检测解析:燃料电池中,燃料为负极,故A正确;在原电池中阳离子向正极流动、阴离子向负极流动,B、C正确;电流经过外电路由正极流向负极,而不是溶液中,D错误。答案:D规律总结:燃料电池是基于原电池原理设计的。其工作原理遵循原电池原理,如:负极发生氧化反应,正极发生还原反应,电子由负极经外电路流向正极,溶液中阳离子由负极移向正极等。问题导学当堂检测迁移训练3(2013江苏化学)燃料电池能有效提高能源利用率,具有广泛的应用前景。下列物质均可用作燃料电池的燃料,其中最环保的是()A.甲醇B.天然气C.液化石油气D.氢气解析:H2燃烧的产物为H2O,所以H2作燃料最环保。答案:D问题导学当堂检测氢氧燃料电池:氢氧燃料电池构造示意图负极:2H2-4e-4H+正极:O2+4H++4e-2H2O总反应:2H2+O22H2O优点:能量转化率高,对环境无污染。问题导学当堂检测12341.对化学电源的叙述正确的是()A.化学电源比火力发电对化学能的利用率高B.化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位C.化学电源均是安全、无污染的D.化学电源即为可充电电池解析:目前人类生活、生产的主要耗电仍然是火力发电;化学电源中常含有Cd、Hg、Pb、Ni等重金属离子,如果废旧电池随意丢弃会造成环境污染;化学电源包括可充电电池,也包括不能进行充电循环使用的一次性电池。答案:A问题导学当堂检测12342.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:A1234问题导学当堂检测3.在理论上不能用于设计成原电池的化学反应是()A.HCl+NaOHNaCl+H2OB.2CH3OH+3O22CO2+4H2OC.4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3D.3Cu+8HNO3(稀)3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O解析:用于设计原电池的化学反应必须是放出能量的氧化还原反应。在该题中,选项A不是氧化还原反应,故选A。答案:A1234问题导学当堂检测4.化学电池在通信、交通及日常生活中有着广泛的应用。(1)目前常用的镍镉(NiCd)电池,其电池总反应可以表示为:Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水但能溶于酸,以下说法正确的是(填字母序号)。①放电时Cd作正极②放电时Ni元素被还原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.②③1234问题导学当堂检测(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1m2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)另一种常用的电池——锂电池(锂是一种碱金属元素,其相对原子质量为7),由于它的比容量(单位质量电极材料所能转换的电能)特别大而广泛应用于心脏起搏器,一般使用时间可长达十年,它的负极由金属锂制成,电池总反应可表示为Li+MnO2LiMnO2。试回答锂电池比容量特别大的原因是。锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制,为什么这种电池不能使用电解质的水溶液?请用化学方程式表示其原因:。1234问题导学当堂检测解析:(1)根据电池总反应式可分析哪种元素发生氧化反应,哪种元素发生还原反应。(2)因为Ni(OH)2和Cd(OH)2溶于酸,产生大量的重金属离子,对土壤污染更严重。(3)锂的摩尔质量为7g·mol-1,较小,单位质量转移电子的物质的量多,放电量大。答案:(1)B(2)Cd(OH)2和Ni(OH)2能溶于酸性溶液生成有毒的重金属离子等(3)锂的摩尔质量小2Li+2H2O2LiOH+H2↑