2022年高中化學(xué) 第四章 電化學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 化學(xué)電源學(xué)案 新人教版選修4

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1、2022年高中化學(xué) 第四章 電化學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié) 化學(xué)電源學(xué)案 新人教版選修4 [目標(biāo)要求]　1.了解依據(jù)原電池原理開發(fā)的技術(shù)產(chǎn)品——化學(xué)電池。2.了解一次電池、二次電池、燃料電池的基本構(gòu)造、工作原理、性能和適用范圍。3.正確書寫原電池的電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。 一、化學(xué)電池 化學(xué)電池是利用原電池原理，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 二、常用電池 1．一次電池 堿性鋅錳電池 鋅銀電池 電池結(jié)構(gòu) 負(fù)極：Zn 正極：MnO2 電解質(zhì)溶液：KOH溶液 負(fù)極：Zn 正極：Ag2O 電解質(zhì)溶液：KOH溶液 電極反應(yīng) 正極 2MnO2＋2e－＋2H2O===2M

2、nOOH＋2OH－ Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－ 負(fù)極 Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 總反應(yīng)式 Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag 2.二次電池 鉛蓄電池 氫氧燃料電池 電池結(jié)構(gòu) 負(fù)極：Pb 正極：PbO2 電解質(zhì)溶液：H2SO4溶液 負(fù)極：H2 正極：O2 電解質(zhì)：酸性電解質(zhì) 電極反應(yīng) 正極 PbO2(s)＋SO(aq)＋4H＋(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l) O2＋4H＋

3、＋4e－===2H2O 負(fù)極 Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s) 2H2－4e－===4H＋ 總反應(yīng)式 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l) 2H2＋O2===2H2O 知識點(diǎn)一　化學(xué)電池 1．堿性電池具有容量大、放電電流大的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。堿性鋅錳電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2 下列說法中，錯(cuò)誤的是(　　) A．電池工作時(shí)，鋅失去電子 B．電池正極的電極反應(yīng)式為 MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－

4、 C．電池工作時(shí)，電子由正極通過外電路流向負(fù)極 D．外電路中每通過0.2 mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g 答案　C 解析　本題要求利用原電池的原理，分析堿性鋅錳電池：鋅為負(fù)極，在反應(yīng)中失去電子，故A正確；電池工作時(shí)，電流由正極通過外電路流向負(fù)極，而電子定向移動(dòng)方向與電流方向相反，故C錯(cuò)誤；由電子守恒知D項(xiàng)正確；由該電池反應(yīng)的總反應(yīng)式和原電池的原理寫出正極反應(yīng)式知B正確。 2．某新型可充電電池，能長時(shí)間保持穩(wěn)定的放電電壓。該電池的總反應(yīng)式為3Zn＋2K2FeO4＋8H2O放電 充電 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，以下說法不正確的是(　　) A．放電

5、時(shí)負(fù)極反應(yīng)式為Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 B．放電時(shí)正極反應(yīng)式為FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－ C．放電時(shí)每轉(zhuǎn)移3 mol電子，正極有1 mol K2FeO4被氧化 D．充電時(shí)陽極附近的溶液的堿性減弱 答案　C 解析　選項(xiàng)A，放電時(shí)，在堿性條件下，Zn失去電子為電池的負(fù)極：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；選項(xiàng)B，根據(jù)放電時(shí)總電池反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)式(電子數(shù)需相等)可得放電時(shí)正極反應(yīng)式為FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－；選項(xiàng)C，放電時(shí)，K2FeO4被還原；選項(xiàng)D，充電是放電的逆向反應(yīng)，所以充電時(shí)，陽極消耗OH－，

6、導(dǎo)致陽極附近的溶液的堿性減弱。 3．生產(chǎn)鉛蓄電池時(shí)，在兩極板上的鉛、銻合金棚架上均勻涂上膏狀的PbSO4，干燥后再安裝，充電后即可使用，發(fā)生的反應(yīng)是2PbSO4＋2H2O放電 充電 PbO2＋Pb＋2H2SO4 下列對鉛蓄電池的說法錯(cuò)誤的是(　　) A．需要定期補(bǔ)充硫酸 B．工作時(shí)鉛是負(fù)極，PbO2是正極 C．工作時(shí)負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是Pb－2e－＋SO===PbSO4 D．工作時(shí)電解質(zhì)的密度減小 答案　A 解析　鉛蓄電池放電時(shí)相當(dāng)于原電池，Pb是負(fù)極，PbO2是正極，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是Pb失去電子生成Pb2＋，Pb2＋與溶液中的SO生成PbSO4沉淀，放電時(shí)消耗的硫酸

7、與充電時(shí)生成的硫酸相等，在電池制備時(shí)，PbSO4的量是一定的，制成膏狀，干燥后再安裝，說明H2SO4不用補(bǔ)充；放電時(shí)，H2SO4被消耗，溶液中的H2SO4的物質(zhì)的量濃度減小，所以溶液的密度也隨之減小。 知識點(diǎn)二　燃料電池 4．固體氧化物燃料電池是以固體氧化鋯—氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2－)在其間通過。該電池的工作原理如下圖所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。 下列判斷正確的是(　　) A．有O2參加反應(yīng)的a極為電池的負(fù)極 B．b極的電極反應(yīng)式為H2－2e－＋O2－===H2O C．a(chǎn)極對應(yīng)的電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D

8、．該電池的總反應(yīng)式為2H2＋O22H2O 答案　D 解析　因?yàn)殡娮訌腷電極流向a電極，所以b電極為負(fù)極，H2在該極發(fā)生氧化反應(yīng)；a電極為正極，O2在該極發(fā)生還原反應(yīng)。由此推斷該原電池的負(fù)極反應(yīng)式為H2－2e－===2H＋，正極電極反應(yīng)式為O2＋2e－===O2－，則電池總反應(yīng)式為2H2＋O22H2O。 5．有位科學(xué)家說：“甲烷是21世紀(jì)的新燃料?！奔淄樽鳛槿剂系挠猛局痪褪怯糜谥谱魅剂想姵亍Ｓ锌萍脊ぷ髡咧圃炝艘环N甲烷燃料電池，一個(gè)電極通入空氣，另一個(gè)電極通入甲烷，電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O2－。以下判斷錯(cuò)誤的是(　　) A．電池正極發(fā)生的反應(yīng)：O2＋4e－

9、===2O2－ B．電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O C．固體電解質(zhì)里的O2－的移動(dòng)方向：由正極流向負(fù)極 D．向外電路釋放電子的電極：正極(即電子由正極流向負(fù)極) 答案　D 解析　因?yàn)榉烹姇r(shí)，電池正極發(fā)生還原反應(yīng)(元素化合價(jià)降低)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)(元素化合價(jià)升高)。所以正極反應(yīng)式是O2＋4e－===2O2－，負(fù)極反應(yīng)式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。由上述電池的正、負(fù)極反應(yīng)式可以看出：正極反應(yīng)“源源不斷”地產(chǎn)生O2－，負(fù)極反應(yīng)要持續(xù)進(jìn)行，則需要“持續(xù)不斷”的O2－供應(yīng)，故電池內(nèi)O2－的移動(dòng)方向是由正極流向負(fù)極。電池的負(fù)極發(fā)生氧化反

10、應(yīng)，失去電子，故外電路電子從負(fù)極流出，所以D錯(cuò)誤。 練基礎(chǔ)落實(shí) 1．鉛蓄電池的兩極分別為Pb、PbO2，電解質(zhì)溶液為H2SO4，工作時(shí)的電池反應(yīng)式為Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列結(jié)論正確的是(　　) A．Pb為正極被氧化 B．溶液的pH不斷減小 C．SO只向PbO2處移動(dòng) D．電解質(zhì)溶液的pH不斷增大 答案　D 解析　由題給電極反應(yīng)式可以看出H2SO4不斷被消耗，故pH不斷增大，所以B不正確，D正確；由Pb元素化合價(jià)的變化，可以看出Pb是負(fù)極，所以A不正確；原電池工作時(shí)，整個(gè)電路中負(fù)電

11、荷的流向是一致的，外電路中，電子由Pb極流向PbO2極；內(nèi)電路中，負(fù)電荷(SO和OH－)移向Pb極，所以C不正確。 2．微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用，有一種銀鋅電池，其電極分別是Ag2O和Zn，電解質(zhì)溶液為KOH溶液，電極反應(yīng)式為 Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－ 總反應(yīng)式為Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag 根據(jù)上述反應(yīng)式，判斷下列敘述中正確的是(　　) A．在使用過程中，電池負(fù)極區(qū)溶液的pH增大 B．在使用過程中，電子由Ag2O經(jīng)外電路流向Zn極 C．Zn是負(fù)極，Ag2O是正極 D．Zn極發(fā)生還原反應(yīng)，Ag2

12、O極發(fā)生氧化反應(yīng) 答案　C 解析　(1)根據(jù)電極反應(yīng)式可知Zn失電子被氧化而溶解，Ag2O得電子被還原，故Zn是負(fù)極，Ag2O是正極，所以C正確；(2)負(fù)極(即Zn極)在反應(yīng)時(shí)消耗OH－，則負(fù)極區(qū)溶液的pH應(yīng)減小，故A錯(cuò)誤；(3)發(fā)生原電池反應(yīng)時(shí)，電子由負(fù)極經(jīng)外電路到正極，即電子從Zn極經(jīng)外電路到Ag2O極，故B錯(cuò)誤；(4)在原電池中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，故D錯(cuò)誤。 3．有人設(shè)計(jì)出利用CH4和O2的反應(yīng)，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應(yīng)類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是(　　) ①每消耗1 mol CH4可以向外電路提供8 mol e－?、谪?fù)極上

13、CH4失去電子，電極反應(yīng)式為CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O?、圬?fù)極上是O2獲得電子，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－?、茈姵胤烹姾?，溶液的pH不斷升高　　　　　　　　　　　　 A．①② B．①③ C．①④ D．③④ 答案　A 解析　CH4在鉑電極上發(fā)生類似于CH4在O2中燃燒的反應(yīng)，即CH4→CO2，嚴(yán)格地講生成的CO2還與KOH反應(yīng)生成K2CO3，化合價(jià)升高，失去電子，是電池的負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O,1 mol CH4參加反應(yīng)有8 mol e－發(fā)生轉(zhuǎn)移

14、，O2在正極上發(fā)生反應(yīng)，獲得電子，電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。雖然正極產(chǎn)生OH－，負(fù)極消耗OH－，但從總反應(yīng)式CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O可看出是消耗了KOH，所以電池放電時(shí)溶液的pH值不斷下降，故①②正確，③④錯(cuò)誤。 練方法技巧 4．鋅錳干電池在放電時(shí)，電池總反應(yīng)方程式可以表示為Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O，此電池放電時(shí)，在正極(碳棒)上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是(　　) A．Zn B．碳 C．MnO2和N

15、H D．Zn2＋和NH3 答案　C 解析　根據(jù)原電池原理，鋅為負(fù)極，碳棒為正極，鋅應(yīng)參加負(fù)極反應(yīng)，而MnO2在反應(yīng)中得到電子，應(yīng)當(dāng)在正極區(qū)發(fā)生反應(yīng)，又由于NH移向正極，在正極發(fā)生反應(yīng)生成NH3。本題考查原電池電極反應(yīng)式的書寫，陽離子移動(dòng)的方向。 5．氫氧燃料電池用于航天飛機(jī)，電極反應(yīng)產(chǎn)生的水經(jīng)冷凝后可作為航天員的飲用水，其電極反應(yīng)式如下： 負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 當(dāng)?shù)玫?.8 L飲用水時(shí)，電池內(nèi)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)約為(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　 A．1.8 mol B．3.6 mol

16、 C．100 mol D．200 mol 答案　D 解析　n(H2O)＝＝100 mol 2H2＋O4e－2===2H2O 即每生成1 mol H2O則轉(zhuǎn)移2 mol e－，當(dāng)生成100 mol H2O時(shí)，轉(zhuǎn)移200 mol e－。 6．乙醇燃料電池中采用磺酸類質(zhì)子溶劑，在200℃左右時(shí)供電，電池總反應(yīng)式為C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，電池示意圖，下列說法中正確的是(　　) A．電池工作時(shí)，質(zhì)子向電池的負(fù)極遷移 B．電池工作時(shí)，電流由b極沿導(dǎo)線流向a極 C．a(chǎn)極上發(fā)生的電

17、極反應(yīng)是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋ D．b極上發(fā)生的電極反應(yīng)是2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 答案　B 解析　通入乙醇的一極(a極)為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；通入氧氣的一極(b極)為正極，發(fā)生還原反應(yīng)。電池工作時(shí)，陽離子(質(zhì)子)向電池的正極遷移，A項(xiàng)不正確；電流方向與電子流向相反，電流由b極沿導(dǎo)線流向a極，B項(xiàng)正確；a極上乙醇應(yīng)該失電子被氧化，所以C項(xiàng)不正確；因?yàn)殡姵刂惺褂玫氖腔撬犷愘|(zhì)子溶劑，所以電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH－，D項(xiàng)不正確。 練綜合拓展 7．科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是21世紀(jì)獲得電力的重要途徑，美國已計(jì)劃將甲醇燃料電池用于軍事。一種甲醇燃料電

18、池是采用鉑或碳化鎢作為電極催化劑，在稀硫酸電解質(zhì)中直接加入純化后的甲醇，同時(shí)向一個(gè)電極通入空氣?；卮鹣铝袉栴}： (1)這種電池放電時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (1) 此電池的正極發(fā)生的電極反應(yīng)： ___________________________________________________

19、_____________________， 負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)：_____________________________________________________。 (3)電解液中H＋向________極移動(dòng)，向外電路釋放電子的電極是________。 (4)使用該燃料電池的另一個(gè)好處是________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O (

20、2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋ (3)正　負(fù)極　(4)對環(huán)境無污染 解析　(1)燃料電池的電池反應(yīng)為燃料的氧化反應(yīng)，在酸性條件下生成的CO2不與H2SO4反應(yīng)，故電池總反應(yīng)式為2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。 (2)電池的正極O2得電子，由于是酸性環(huán)境，所以會(huì)生成H2O，用電池總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式即可得出負(fù)極的電極反應(yīng)式。 (3)H＋移向正極，在正極生成水。 (4)產(chǎn)物是CO2和H2O，不會(huì)對環(huán)境造成污染。 8．氫氧燃料電池是符合綠色化學(xué)理念的新型發(fā)電裝置。下圖為電池示意圖，該電池電極表面鍍了

21、一層細(xì)小的鉑粉，鉑吸附氣體的能力強(qiáng)，性質(zhì)穩(wěn)定。請回答： (1) 氫氧燃料電池的能量轉(zhuǎn)化主要形式是________________，在導(dǎo)線中電子流動(dòng)方向?yàn)開_______(用a、b表示)。 (2)負(fù)極反應(yīng)式為_________________________________________________________。 (3)電極表面鍍鉑粉的原因?yàn)開_____________________________________________ ____________________________________________________

22、____________________。 (4)該電池工作時(shí)，H2和O2連續(xù)由外部供給，電池可連續(xù)不斷地提供電能。因此，大量安全儲氫是關(guān)鍵技術(shù)之一。 金屬鋰是一種重要的儲氫材料，吸氫和放氫原理如下： Ⅰ.2Li＋H22LiH Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑ ①反應(yīng)Ⅰ中的還原劑是__________，反應(yīng)Ⅱ中的氧化劑是________。 ②已知LiH固體密度為0.82 g·cm－3，用鋰吸收224 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)H2，生成的LiH體積與被吸收的H2體積比為________。 ③由②生成的LiH與H2O作用，放出的H2用作電池燃料，若能量轉(zhuǎn)化率為80%，則導(dǎo)線中通過電子的

23、物質(zhì)的量為________mol。 答案　(1)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋到b　(2)2H2＋4OH－－4e－===4H2O或H2＋2OH－－2e－ ===2H2O　(3)增大電極單位面積吸附H2、O2的分子數(shù)，加快電極反應(yīng)速率(4)①Li　H2O?、?/1 148或8.71×10－4　③32 解析　(1)電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置；在電池中，電子從負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，而氫氧燃料電池中通入H2的一極是負(fù)極，故電子由a流動(dòng)到b。 (2)H2在負(fù)極失電子，因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液是KOH溶液，故負(fù)極反應(yīng)式為2H2＋4OH－－4e－===4H2O。 (3)電極表面鍍鉑粉可以增大電極單位面積吸附H2、O2的分子數(shù)，從而增大反應(yīng)速率。 (4)LiH中Li為＋1價(jià)，H為－1價(jià)，故反應(yīng)Ⅰ中還原劑是Li，反應(yīng)Ⅱ中氧化劑是H2O。由反應(yīng)Ⅰ可知吸收標(biāo)準(zhǔn)狀況下224 L H2時(shí)生成160 g LiH，則生成的LiH的體積是，則生成的LiH的體積與被吸收的H2的體積之比為＝。由②生成的20 mol LiH與H2O反應(yīng)，由反應(yīng)Ⅱ可知生成20 mol H2，H2～2e－，能量轉(zhuǎn)化率為80%，則通過的電子的物質(zhì)的量為20 mol×2×80%＝32 mol。