2020高中化学 第四章 电化学基础 第二节 化学电源教案 新人教版选修4

-1-EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.第二节化学电源[明确学习目标]1.了解和学习电池的分类、优点及适用范围。2.了解几类化学电池的构造、原理。3.掌握原电池电极反应式及总反应方程式的书写。一、化学电池一次电池1．化学电池(1)概念：化学电池是将□01化学能变成□02电能的装置。(2)化学电池的分类化学电池□03一次电池普通锌锰电池、碱性锌锰电池□04二次电池□05铅蓄电池□06燃料电池□07氢氧燃料电池2．常见的一次电池——碱性锌锰电池(1)组成：碱性锌锰电池的负极是□08Zn，正极是□09MnO2，电解质是□10KOH。(2)工作原理负极：□11Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2正极：□122MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－总反应：□13Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2二、二次电池燃料电池1．二次电池——铅蓄电池(1)铅蓄电池的构造(2)铅蓄电池的工作原理放电和充电是不同条件下的正、逆反应过程：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)□062PbSO4(s)＋2H2O(l)铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：□07Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)(□08氧化反应)正极：□09PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO2－4(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)(□10还原反应)(3)铅蓄电池的优缺点①优点：可□11重复使用、电压□12稳定、使用方便、安全可靠、价格□13低廉，在生产生活-2-中应用广泛。②缺点：□14比能量低、笨重，废弃的电池□15污染环境。2．氢氧燃料电池(1)组成：电极材料为Pt，负极通入□16H2，正极通入□17O2，电解质是H2SO4。(2)工作原理负极：□182H2－4e－===4H＋正极：□19O2＋4H＋＋4e－===2H2O总反应：□202H2＋O2===2H2O(3)优点：①能量□21转换率超过80%，远高于普通燃烧过程。②污染□22小，被誉为“□23绿色”发电站。1．能做化学电池的原电池具有的条件是什么？提示：只有能持续地提供稳定电流的原电池才能做化学电池。这就要求原电池工作时，原电池反应的速率几乎不变，即电解质溶液中离子的浓度几乎不变，如碱性锌锰电池工作时c(OH－)变化不大。2．氢氧燃料电池的电解质改为KOH时的两极反应式怎么写？提示：若改为碱性环境时，两极反应式书写时要注意没有H＋生成和消耗，而有OH－生成和消耗，其两极反应式为：正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O。-3-一、化学电池一次电池1．化学电池(1)分类种类特点(分类依据)实例一次电池活性物质消耗到一定程度就不能再使用普通锌锰电池、碱性锌锰电池二次电池可以再充电使活性物质获得再生，可多次重复使用铅蓄电池燃料电池可通过不断充入还原剂、氧化剂连续使用氢氧燃料电池、甲烷燃料电池(2)优点①化学电池的能量转换效率较高，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及电池组。③使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。2．一次电池一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。(1)特点一次电池不能充电，不能反复使用。(2)常见的一次电池种类特点碱性锌锰电池银锌电池基本构造负极：Zn正极：MnO2电解质：KOH负极：Zn正极：Ag2O电解质：KOH工作原理负极反应Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2正极反应2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－总反应Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2Ag2O＋Zn＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag性能与适用范围比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高，适用于大电流和连续放电电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电-4-[即时练]1．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．为了利用电池外壳的金属材料B．防止汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染C．不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品D．回收其中的石墨电极答案B解析废电池中汞、镉和铅等重金属离子能对土壤和水源造成污染，必须进行集中处理。2．被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片作为传导体，在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰。纸内的离子“流过”水与氯化锌组成的电解液。电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。下列说法正确的是()A．该电池的正极为锌B．该电池反应中二氧化锰起催化作用C．当0.1molZn完全溶解时，流经电解液的电子个数为1.204×1023D．电池正极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－答案D解析由总反应式可知，二氧化锰为氧化剂而不是催化剂，锌为还原剂，应为原电池的负极，A、B两项错误；电子只能经外电路流动，C项错误；电池负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，用总反应式减去负极反应式得正极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－。规律方法电极反应式的书写方法-5-二、二次电池燃料电池1．化学电源中电极反应式的书写(1)先标出放电(原电池)总反应式中变价元素的化合价，确定电子转移的方向与数目，指出参与负极和正极反应的物质。即负极：还原剂－ne－===氧化产物正极：氧化剂＋ne－===还原产物根据原子守恒和电解质溶液的组成找出参加反应或生成的电解质溶液的成分。如铅蓄电池中：负极：Pb(还原剂)－2e－＋SO2－4(电解质溶液中的离子)===PbSO4(氧化产物)(2)写出一个比较容易书写的电极反应式，书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存。如铅蓄电池的负极反应式为Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4。(3)在得失电子守恒的基础上，用总反应式减去写出的电极反应式，即得另一极的反应式。如铅蓄电池的正极反应式可用总反应式减去负极反应式得到，即Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO2－4－(Pb＋SO2－4－2e－)===2PbSO4＋2H2O－PbSO4，整理得：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O。2．燃料电池(1)燃料电池电极反应式的书写要求①在电池的负极反应的物质一定是可燃物，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，特别注意电解质酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平。②电极材料一般不参加化学反应，只作电池反应物的载体。③正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加。(2)常见的四种典型燃料电池名称电解质电极反应和总反应-6-氢氧燃料电池KOH正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O总反应：2H2＋O2===2H2OH2SO4正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O负极：2H2－4e－===4H＋总反应：2H2＋O2===2H2O甲烷燃料电池KOH正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－负极：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O甲醇燃料电池KOH正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO2－3＋12H2O总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O肼燃料电池KOH正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O[即时练]3．关于铅蓄电池的说法正确的是()A．在放电时，正极发生的反应是Pb(s)＋SO2－4(aq)－2e－===PbSO4(s)B．在放电时，该电池的负极材料是铅板C．在放电时，负极质量不断变小D．在放电时，SO2－4移向正极答案B解析A项，正极发生还原反应，元素的化合价降低，因此正极反应式为PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O，错误；B项，铅蓄电池中，铅板是负极材料，正确；C项，放电时，负极由Pb逐渐生成PbSO4，故负极质量不断增大，错误；D项，放电时阴离子移向负极。4．(1)现有反应2H2＋O2=====KOH2H2O，要构成燃料电池，则负极通入的应是________，正极通入的应是________，电极反应式分别为_____________________、______________________。(2)如把KOH改为稀H2SO4作电解液，则电极反应式分别为_______________、_____________。(3)上述(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，(1)中溶液pH变________(填“大”或“小”，下同)，(2)中溶液pH变________。(4)如把H2改为甲烷，KOH溶液作电解液，则电极反应式分别为___________、_________。答案(1)H2O2负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－(2)负极：2H2－4e－===4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O-7-(3)小大(4)负极：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－解析(3)由于(1)是在碱性条件下反应，KOH量不变，但工作时H2O增多，故溶液变稀，pH将变小；而(2)中为酸性溶液，H2SO4量不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。本章归纳总结1．纽扣电池可用于计算器、电子表等的电源。有一种纽扣电池，其电极分别为Zn和Ag2O，以KOH溶液为电解质溶液，电池的总反应为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。关于该电池的叙述不正确的是()A．使用时电子由Zn极经外电路流向Ag2O极，Zn是负极B．使用时电子由Ag2O极经外电路流向Zn极，Ag2O是负极C．正极的电极反应为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－D．Zn极发生氧化反应，Ag2O极发生还原反应答案B解析由总方程式可以看出，负极为Zn，正极为Ag2O，使用时电子由负极流向正极，A正确，B错误；负极发生氧化反应，正极发生还原反应，C、D正确。2．质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H＋。下列对该燃料电池的描述中正确的是()①正极反应为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O②负极反应为：2H2－4e－===4H＋③总的化学反应为：2H2＋O2=====点燃2H2O④氢离子通过电解质向正极移动A．①②③B．②③④-8-C．①②④D．①②③④答案C解析燃料电池中的反应不是在点燃的条件下进行的，故③错误。因为导电离子是H＋，且向正极移动，所以正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，电子由负极通过外电路流向正极。3．有四种燃料电池：A．固体氧化物燃料电池B．碱性氢氧化物燃料电池C．质子交换膜燃料电池D．熔融盐燃料电池下面是工作原理示意图，其中正极反应生成水的是()答案C解析A项，正极反应生成O2－；B项，正极反应生成OH－；C项，正极反应生成H2O；D项，正极反应生成CO2－3。4．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是()A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C．电池反应的化学方程式为：CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2OD．正极上发生的反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－答案C解析结合题意