2019-2020年新人教版高中化學(xué)選修4第四章第二節(jié) 化學(xué)電源.doc

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2019-2020年新人教版高中化學(xué)選修4第四章第二節(jié) 化學(xué)電源 一、化學(xué)電池的種類 化學(xué)電池：借助于化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。化學(xué)電池的主要部分是電解質(zhì)溶液，和浸在溶液中的正極和負(fù)極，使用時將兩極用導(dǎo)線接通，就有電流產(chǎn)生，因而獲得電能?；瘜W(xué)電池放電到一定程度，電能減弱，有的經(jīng)充電復(fù)原又可使用，這樣的電池叫蓄電池，如鉛蓄電池、銀鋅電池等；有的不能充電復(fù)原，稱為原電池，如干電池、燃料電池等。 下面介紹化學(xué)電池的種類： 1．干電池：普通鋅錳干電池的簡稱，在一般手電筒中使用鋅錳干電池，是用鋅皮制成的鋅筒作負(fù)極兼做容器，中央插一根碳棒作正極，碳棒頂端加一銅帽。在石墨碳棒周圍填滿二氧化錳和炭黑的混合物，并用離子可以通過的長纖維紙包裹作隔膜，隔膜外是用氯化鋅、氯化銨和淀粉等調(diào)成糊狀作電解質(zhì)溶液；電池頂端用蠟和火漆封口。在石墨周圍填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉糊作電解質(zhì)，還填有MnO2作去極化劑(吸收正極放出的H2，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象，即作去極劑)，淀粉糊的作用是提高陰、陽離子在兩個電極的遷移速率。 電極反應(yīng)為：負(fù)極 Zn－2 e-＝Zn2+ 正極 2＋2 e-＝2NH3＋H2 H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O 正極產(chǎn)生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+＋4NH3＝[Zn(NH3)4]2+ 干電池的總反應(yīng)式：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2＋Mn2O3＋H2O 或 2Zn＋4NH4Cl＋2MnO2＝[Zn(NH3)2]Cl2＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O 正極生成的氨被電解質(zhì)溶液吸收，生成的氫氣被二氧化錳氧化成水。干電池的電壓1.5 V—1.6 V。在使用中鋅皮腐蝕，電壓逐漸下降，不能重新充電復(fù)原，因而不宜長時間連續(xù)使用。這種電池的電量小，在放電過程中容易發(fā)生氣漲或漏液。而今體積小，性能好的堿性鋅—錳干電池是電解液由原來的中性變?yōu)殡x子導(dǎo)電性能更好的堿性，負(fù)極也由鋅片改為鋅粉，反應(yīng)面積成倍增加，使放電電流大加幅度提高。堿性干電池的容量和放電時間比普通干電池增加幾倍。 2．鉛蓄電池：鉛蓄電池可放電亦可充電，具有雙重功能。它是用硬橡膠或透明塑料制成長方形外殼，用含銻5%～8%的鉛銻合金鑄成格板，在正極格板上附著一層PbO2，負(fù)極格板上附著海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液(密度為1.25—1.28 g / cm3)中，且兩極間用微孔橡膠或微孔塑料隔開。放電的電極反應(yīng)為： 負(fù)極：Pb＋－2e- ＝PbSO4↓ 正極：PbO2＋4H+＋＋2e- ＝PbSO4↓＋2H2O 鉛蓄電池的電壓正常情況下保持2.0 V，當(dāng)電壓下降到1.85 V時，即當(dāng)放電進(jìn)行到硫酸濃度降低，溶液密度達(dá)1.18 g / cm3時即停止放電，而需要將蓄電池進(jìn)行充電，其電極反應(yīng)為： 陽極：PbSO4＋2H2O－2e- ＝PbO2＋4H+＋ 陰極：PbSO4＋2e- ＝Pb＋ 當(dāng)密度增加至1.28 g / cm3時，應(yīng)停止充電。這種電池性能良好，價格低廉，缺點是比較笨重。 放電 充電 蓄電池放電和充電的總反應(yīng)式：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O 目前汽車上使用的電池，有很多是鉛蓄電池。由于它的電壓穩(wěn)定，使用方便、安全、可靠，又可以循環(huán)使用，因此廣泛應(yīng)用于國防、科研、交通、生產(chǎn)和生活中。 3．銀鋅蓄電池 銀鋅電池是一種高能電池，它質(zhì)量輕、體積小，是人造衛(wèi)星、宇宙火箭、空間電視轉(zhuǎn)播站等的電源。目前，有一種類似干電池的充電電池，它實際是一種銀鋅蓄電池，電解液為KOH溶液。 常見的鈕扣電池也是銀鋅電池，它用不銹鋼制成一個由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒，盒內(nèi)靠正極盒一端充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料，負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料，電解質(zhì)溶液為KOH濃溶液，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極與電解質(zhì)溶液隔開。 負(fù)極：Zn＋2OH-－2e- ＝Zn(OH)2 正極：Ag2O＋H2O＋2e- ＝2Ag＋2OH- 銀鋅電池跟鉛蓄電池一樣，在使用(放電)一段時間后就要充電，充電過程表示如下： 陽極：2Ag＋2OH-－2e- ＝Ag2O＋H2O 陰極：Zn(OH)2＋2e- ＝Zn＋2OH- 放電 充電 總反應(yīng)式：Zn＋Ag2O＋H2O Zn(OH)2＋2Ag 一粒鈕扣電池的電壓達(dá)1.59 V，安裝在電子表里可使用兩年之久。 4．燃料電池：燃料電池是使燃料與氧化劑反應(yīng)直接產(chǎn)生電流的一種原電池，所以燃料電池也是化學(xué)電源。它與其它電池不同，它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯存在電池內(nèi)，而是在工作時，不斷地從外界輸入，同時把電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。因此，燃料電池是名符其實地把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換器”。燃料電池的正極和負(fù)極都用多孔炭和多孔鎳、鉑、鐵等制成。從負(fù)極連續(xù)通入氫氣、煤氣、發(fā)生爐煤氣、水煤氣、甲烷等氣體；從正極連續(xù)通入氧氣或空氣。電解液可以用堿(如氫氧化鈉或氫氧化鉀等)把兩個電極隔開?；瘜W(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物和燃燒時的產(chǎn)物相同。燃料電池的特點是能量利用率高，設(shè)備輕便，減輕污染，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)70%以上。 當(dāng)前廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)的一種典型燃料電池就是氫氧燃料電池，它是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領(lǐng)域。它的電極材料一般為活化電極，碳電極上嵌有微細(xì)分散的鉑等金屬作催化劑，如鉑電極、活性炭電極等，具有很強的催化活性。電解質(zhì)溶液一般為40%的KOH溶液。 電極反應(yīng)式為：負(fù)極 H22H 2H＋2OH-－2 e-＝2H2O 正極 Ｏ2＋2H2O＋4 e-＝4OH- 電池總反應(yīng)式為：2H2＋Ｏ2＝2H2O 另一種燃料電池是用金屬鉑片插入KOH溶液作電極，又在兩極上分別通甲烷(燃料)和氧氣(氧化劑)。電極反應(yīng)式為： 負(fù)極：CH4＋10OH－－8e- ＝＋7H2O； 正極：4H2O＋2O2＋8e- ＝8OH-。 電池總反應(yīng)式為：CH4＋2O2＋2KOH＝K2CO3＋3H2O 目前已研制成功的鋁—空氣燃料電池，它的優(yōu)點是：體積小、能量大、使用方便、不污染環(huán)境、耗能少。這種電池可代替汽油作為汽車的動力，還能用于收音機、照明電源、野營炊具、野外作業(yè)工具等。 5．鋰電池：鋰電池是金屬鋰作負(fù)極，石墨作正極，無機溶劑亞硫酰氯(SO2Cl2)在炭極上發(fā)生還原反應(yīng)。電解液是由四氯鋁化鋰(LiAlCl4)溶解于亞硫酰氯中組成。它的總反應(yīng)是鋰與亞硫酰氯發(fā)生反應(yīng)，生成氯化鋰、亞硫酸鋰和硫。 8Li＋3SO2Cl2＝6LiCl＋Li2SO3＋2S 鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其它金屬作負(fù)極相比較，能在較小的體積和質(zhì)量下能放出較多的電能，放電時電壓十分穩(wěn)定，貯存時間長，能在216.3—344.1K溫度范圍內(nèi)工作，使用壽命大大延長。鋰電池是一種高能電池，它具有質(zhì)量輕、電壓高、工作效率高和貯存壽命長的優(yōu)點，因而已用于電腦、照相機、手表、心臟起博器上，以及作為火箭、導(dǎo)彈等的動力資源。 微型電池：常用于心臟起搏器和火箭的一種微型電池是鋰電池。這種電池容量大，電壓穩(wěn)定，能在-56.7℃—71.1℃溫度范圍內(nèi)正常工作。 6．海水電池 1991年，我國首創(chuàng)以鋁─空氣─海水電池為能源的新型電池，用作海水標(biāo)志燈已研制成功。 該電池以取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。只要把燈放入海水中數(shù)分鐘，就會發(fā)出耀眼的白光，其能量比干電池高20─50倍。負(fù)極材料是鋁，正極材料可以用石墨。 電極反應(yīng)式為：負(fù)極反應(yīng)：Al－3 e-＝Al3+， 正極反應(yīng)：2H2O＋O2＋4 e-＝4OH-。 電池總反應(yīng)式為：4Al＋3O26H2O＝4Al(OH)3 7．溴—鋅蓄電池 國外新近研制的的基本構(gòu)造是用碳棒作兩極，溴化鋅溶液作電解液。 電極反應(yīng)式為：負(fù)極反應(yīng)：Zn－2e-＝Zn2+ 正極反應(yīng)：Br2＋2e-＝2Br- 電池總反應(yīng)式為：Zn＋Br2＝ZnBr2 二、相關(guān)考題和練習(xí) 例1．（2000年全國高考理綜題）熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽 混合物作電解質(zhì)，CO為陽極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣體為陰極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式： 陽極反應(yīng)式：2CO+2CO32--4e-== 4CO2 陰極反應(yīng)式：_________________， 電池總反應(yīng)式：_______________。 解析：作為燃料電池，總的效果就是把燃料進(jìn)行燃燒。本題中CO為還原劑，空氣中O2為氧化劑，電池總反應(yīng)式為：2CO+O2==2CO2。用總反應(yīng)式減去電池負(fù)極（即題目指的陽極）反應(yīng)式，就可得到電池正極（即題目指的陰極）反應(yīng)式：O2+2CO2+4e-== 2CO32- 。 例2．（1999年全國高考化學(xué)題）氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會產(chǎn)生污染的銅鎳電池。氫鎳電池的總反應(yīng)式是： (1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2 根據(jù)此反應(yīng)式判斷下列敘述中正確的是（ ） A．電池放電時，電池負(fù)極周圍溶液的pH不斷增大 　B．電池放電時，鎳元素被氧化 C．電池充電時，氫元素被還原　　　　　　　　　 D．電池放電時，H2是負(fù)極 解析：電池的充、放電互為相反的過程，放電時是原電池反應(yīng)，充電時是電解池反應(yīng)。根據(jù)氫鎳電池放電時的總反應(yīng)式可知，電解質(zhì)溶液只能是強堿性溶液，不能是強酸性溶液，因為在強酸性溶液中NiO(OH)和Ni(OH)2都會溶解。這樣可寫出負(fù)極反應(yīng)式：H2+2OH--2e- == 2H2O，H2為負(fù)極，附近的pH應(yīng)下降。放電時鎳元素由+3價變?yōu)?2價，被還原，充電時氫元素由+1價變?yōu)?價，被還原。故答案為C、D項。 例3．有人設(shè)計出利用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1molCH4可以向外電路提供8mole- ②負(fù)極上CH4失去電子，電極反應(yīng)式CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O ③負(fù)極上是O2獲得電子，電極反應(yīng)式為 O2+2H2O+4e-=4OH- ④電池放電后，溶液PH不斷升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ [點撥]：本題是考查原電池原理在燃料電池中的具體應(yīng)用，首先要判斷出電池的正負(fù)極，其方法是確定在該電極上發(fā)生的是失電子還是得電子反應(yīng)，若發(fā)生的是失電子反應(yīng)是原電池的負(fù)極，反之是正極。CH4在鉑電極上發(fā)生類似于CH4在O2燃燒反應(yīng)，即CH4 →CO2嚴(yán)格講生成的CO2還與KOH反應(yīng)生成K2CO3，化合價升高，失去電子，是電池的負(fù)極，電極反應(yīng)式為CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4參加反應(yīng)有8mole-發(fā)生轉(zhuǎn)移，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)CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH，所以電池放電時溶液的PH值不斷下降，故①②正確，③④錯誤。 答案：A 例4．（2004年天津高考理綜題）下圖為氫氧燃料電池原理示意圖，按照此圖的提示，下列敘述不正確的是 ( ) A．a(chǎn)電極是負(fù)極 B．b電極的電極反應(yīng)為：4OH--4e-== 2H2O+O2↑ C．氫氧燃料電池是一種具有應(yīng)用前景的綠色電源 D．氫氧燃料電池是一種不需要將還原劑和氧化劑全部儲藏在電池內(nèi)的新型發(fā)電裝置 解析：分析氫氧燃料電池原理示意圖，可知a極為負(fù)極，其電極反應(yīng)為：2H2-4e-==4H+，b極為正極，其電極反應(yīng)為：O2+2H2O+4e-==4OH-，電池總反應(yīng)式為：2H2+O2==2H2O。H2為還原劑，O2為氧化劑，H2、O2不需全部儲藏在電池內(nèi)。故答案為B項。 例5．（2004年江蘇高考化學(xué)題）堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應(yīng)用。鋅—錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為： Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) == Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s) 下列說法錯誤的是（ ） A．電池工作時，鋅失去電子 B．電池正極的電極反應(yīng)式為：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq) C．電池工作時，電子由正極通過外電路流向負(fù)極 D．外電路中每通過O.2mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減小6.5g 解析： 該電池的電解液為KOH溶液，結(jié)合總反應(yīng)式可寫出負(fù)極反應(yīng)式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- == Zn(OH)2(s)，用總反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)式，可得到正極反應(yīng)式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- == Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn為負(fù)極，失去電子，電子由負(fù)極通過外電路流向正極。1molZn失去2mol電子，外電路中每通過O.2mol電子，Zn的質(zhì)量理論上減小6.5g。故答案為C項。