2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第1章 化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化 第3節(jié) 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能——電池 第2課時(shí) 化學(xué)電源學(xué)案 魯科版選修4.doc

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第2課時(shí)　化學(xué)電源 學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解化學(xué)電源的分類。2.了解常見的化學(xué)電源及其工作原理。(難點(diǎn))3.了解化學(xué)電源的廣泛使用及對(duì)環(huán)境的影響。 [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] 1．化學(xué)電源的分類 2．常見電池 (1)鋅錳干電池 項(xiàng)目 酸性鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池 電極 鋅筒作負(fù)極，石墨作正極 電解質(zhì) 氯化銨和氯化鋅 氫氧化鉀 電極反應(yīng) 負(fù)極 Zn－2e－===Zn2＋ Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O 正極 2NH＋2e－===2NH3＋H2 MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－ 電池 反應(yīng) Zn＋2NH4Cl===ZnCl2＋2NH3＋H2 Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2 (2)鉛蓄電池 ①電極材料 ②電解質(zhì)溶液：30%H2SO4溶液 ③原理。 ④特點(diǎn)：性能優(yōu)良，價(jià)格便宜，可多次充放電；單位重量的電極材料釋放的電能小。 (3)氫氧燃料電池 ①原理(電極反應(yīng)及電池反應(yīng))。 項(xiàng)目 酸性燃料電池 堿性燃料電池 電極 石墨電極材料 電解質(zhì) 磷酸等酸性溶液 KOH溶液 電極反應(yīng) 負(fù)極 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正極 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 電池反應(yīng) 2H2＋O2===2H2O ②特點(diǎn)：能量利用效率高，可連續(xù)使用，排放污染物少。 微點(diǎn)撥：燃料電池的兩電極不參與反應(yīng)，而是燃料(還原性氣體或液體)和氧氣分別在兩極發(fā)生反應(yīng)。 [基礎(chǔ)自測] 1．判斷對(duì)錯(cuò)(對(duì)的在括號(hào)內(nèi)打“√”，錯(cuò)的在括號(hào)內(nèi)打“”。) (1)手機(jī)、電腦使用的電池為一次電池。(　　) (2)酸性鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池工作時(shí)，負(fù)極反應(yīng)相同。(　　) (3)鉛蓄電池放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)與充電時(shí)陰極反應(yīng)相同。(　　) (4)氫氧燃料電池的電極一般不參與反應(yīng)。(　　) (5)氫氧燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為：H2－2e－===2H＋。(　　) [提示]　(1)　手機(jī)、電腦使用二次電池。 (2)　酸性鋅錳干電池負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－===Zn2＋，堿性鋅錳干電池負(fù)極反應(yīng)為Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O。 (3)　鉛蓄電池放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為充電時(shí)陰極反應(yīng)的逆反應(yīng)。 (4)√ (5)　氫氧燃料電池在堿性環(huán)境中的負(fù)極反應(yīng)為H2＋2OH－－2e－===2H2O。 2．下列電池屬于一次電池的是(　　) A．鋅錳干電池　　　 B．鉛蓄電池 C．鋰電池 D．氫氧燃料電池 A　[鉛蓄電池、鋰電池屬于二次電池；氫氧燃料電池屬于燃料電池。] [合 作 探 究攻 重 難] 二次電池 下圖是一種鉛酸蓄電池的剖面圖，仔細(xì)觀察該電池的結(jié)構(gòu)，思考下列問題： [思考交流] 1．該電池放電時(shí)的正極和負(fù)極材料分別是什么？ [提示]　正極：PbO2；負(fù)極：Pb。 2．該電池放電時(shí)兩極發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是什么？分別屬于什么反應(yīng)類型？ [提示]　負(fù)極：Pb失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；正極：PbO2得電子發(fā)生還原反應(yīng)。 3．充電時(shí)兩極應(yīng)該如何與外接電源相連？ [提示]　陽極連接外接電源的正極；陰極連接外接電源的負(fù)極。 [對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練] [教師備選] 已知蓄電池在充電時(shí)作電解池，放電時(shí)作原電池。鉛蓄電池上有兩個(gè)接線柱，一個(gè)接線柱旁標(biāo)有“＋”，另一個(gè)接線柱旁標(biāo)有“－”。關(guān)于標(biāo)有“－”的接線柱，下列說法正確的是(　　) A．充電時(shí)作陽極，放電時(shí)作正極 B．充電時(shí)作陽極，放電時(shí)作負(fù)極 C．充電時(shí)作陰極，放電時(shí)作負(fù)極 D．充電時(shí)作陰極，放電時(shí)作正極 C　[“－”接線柱放電時(shí)為原電池的負(fù)極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，充電時(shí)與外接電源負(fù)極相連，作電解池的陰極，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，C項(xiàng)正確。] 1．生產(chǎn)鉛蓄電池時(shí)，在兩極板上的鉛銻合金柵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＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列對(duì)鉛蓄電池的說法錯(cuò)誤的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：41722044】 A．需要定期補(bǔ)充硫酸 B．放電時(shí)Pb是負(fù)極，PbO2是正極 C．放電時(shí)負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是Pb－2e－＋SO===PbSO4 D．放電時(shí)電解質(zhì)溶液的密度減小 A　[由電池反應(yīng)式可知，不需要定期補(bǔ)充硫酸，A項(xiàng)錯(cuò)誤；鉛蓄電池放電時(shí)，相當(dāng)于原電池，則發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極是正極，所以Pb是負(fù)極，PbO2是正極，B項(xiàng)正確；放電時(shí)，負(fù)極上鉛失去電子生成Pb2＋，Pb2＋與溶液中的SO結(jié)合生成PbSO4，電極反應(yīng)式為Pb＋SO－2e－===PbSO4，C項(xiàng)正確；放電時(shí)，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物質(zhì)的量濃度減小，所以溶液的密度也減小，D項(xiàng)正確。] 2．LiFePO4電池具有穩(wěn)定性高、安全、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可用于電動(dòng)汽車。電池反應(yīng)為FePO4＋LiLiFePO4。下列有關(guān)LiFePO4電池的說法正確的是(　　) A．該電池可用H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液 B．該電池放電時(shí)，電池內(nèi)部的Li＋向負(fù)極移動(dòng) C．該電池充電時(shí)，陽極的電極反應(yīng)式為LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋ D．在該電池的放電過程中，電池正極的質(zhì)量逐漸減少 C　[H2SO4溶液作電解質(zhì)溶液時(shí)，將會(huì)與Li發(fā)生反應(yīng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤；該電池放電時(shí)，陽離子Li＋移向正極，B項(xiàng)錯(cuò)誤；該電池充電時(shí)，陽極發(fā)生的是失去電子的氧化反應(yīng)，C項(xiàng)正確；在該電池的放電過程中，正極上不斷有LiFePO4生成，正極的質(zhì)量逐漸增大，D項(xiàng)錯(cuò)誤。] 可充電電池原理 (1)可充電電池電極反應(yīng) (2)可充電電池充電時(shí)的連接方法 充電時(shí)屬于電解池，此時(shí)電池的負(fù)極與外接電源的負(fù)極相連，作陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電池的正極與外接電源的正極相連，作陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。 燃料電池電極反應(yīng)式的書寫 一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意如圖 [思考交流] 1．電極A上的電極反應(yīng)式如何書寫？ [提示]　CO＋H2＋2CO－4e－===H2O＋3CO2。 2．電極B上的電極反應(yīng)式如何書寫？ [提示]　O2＋2CO2＋4e－===2CO。 3．電池總反應(yīng)式如何書寫？ [提示]　CO＋H2＋O2===CO2＋H2O。 [對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練] 1．某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H＋，其基本結(jié)構(gòu)見如圖，電池總反應(yīng)可表示為2H2＋O2===2H2O。下列有關(guān)說法正確的是(　　) A．電子通過外電路從b極流向a極 B．b極上的電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a極通過固體酸電解質(zhì)傳遞到b極 D　[由電池總反應(yīng)方程式及原電池原理可知，充入H2的一極即a極是負(fù)極，充入O2的一極即b極是正極；電子由負(fù)極經(jīng)外電路流向正極；電池內(nèi)部陽離子即H＋移向正極，正極即b極的電極反應(yīng)式應(yīng)為O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故A、B項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確。C項(xiàng)沒有指明標(biāo)準(zhǔn)狀況，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。] 2．甲烷燃料電池在不同環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫： (1)酸性條件 電池總反應(yīng)式 CH4＋2O2===CO2＋2H2O① 正極反應(yīng)式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O② ①－②2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)式： ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________。 (2)堿性條件 電池總反應(yīng)式：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O ① 正極反應(yīng)式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ② ①－②2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)式： ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________。 (3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－) 電池總反應(yīng)式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① 正極反應(yīng)式：O2＋4e－===2O2－ ② ①－②2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)式： ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________。 (4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下 電池總反應(yīng)式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① 正極反應(yīng)式：O2＋2CO2＋4e－===2CO ② ①－②2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)式： ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________。 [答案]　(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋ (2)CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O (3)CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O (4)CH4＋4CO－8e－===5CO2＋2H2O 三步突破燃料電池電極反應(yīng)式的書寫 第一步：寫出電池總反應(yīng)式 燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。 如甲烷燃料電池(電解質(zhì)為NaOH溶液)的反應(yīng)式為： CH4＋2O2===CO2＋2H2O ① CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O ② ①式＋②式得燃料電池總反應(yīng)式為：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O。 第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式 根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)是O2，隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)式有所不同，大致有以下四種情況： (1)酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式： O2＋4H＋＋4e－===2H2O (2)堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式： O2＋2H2O＋4e－===4OH－ (3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2－)環(huán)境下電極反應(yīng)式： O2＋4e－===2O2－ (4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下電極反應(yīng)式： O2＋2CO2＋4e－===2CO。 第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式，寫出負(fù)極反應(yīng)式 電池反應(yīng)的總反應(yīng)式－電池正極反應(yīng)式＝電池負(fù)極反應(yīng)式。因?yàn)镺2不是負(fù)極反應(yīng)物，因此兩個(gè)反應(yīng)式相減時(shí)要徹底消除O2。 [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 1．鋅錳干電池在放電時(shí)，總反應(yīng)方程式可以表示為Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如圖所示裝置中，電池放電時(shí)，正極(碳棒)上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是(　　) A．Zn　　　　　　 B．碳 C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3 C　[Zn在負(fù)極上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正極上被還原得到Mn2O3、NH3。] 2．氫氧燃料電池是將H2和O2分別通到浸入20%～40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的KOH溶液的多孔石墨電極上，其電池總反應(yīng)為2H2＋O2===2H2O，則下列敘述正確的是(　　) A．通入H2的一極是正極，通入O2的一極是負(fù)極 B．通入O2的一極是正極，通入H2的一極是負(fù)極 C．該電池工作一段時(shí)間后，電解質(zhì)溶液的pH增大 D．該電池工作一段時(shí)間后，負(fù)極區(qū)附近溶液的pH增大 B　[根據(jù)電池總反應(yīng)可知，該電池工作時(shí)不斷有H2O生成，則電解質(zhì)溶液的pH不斷減小。通入O2的一極作正極，通入H2的一極作負(fù)極，H2在負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為2H2＋4OH－－4e－===4H2O，負(fù)極區(qū)附近溶液中OH－濃度降低，則pH減小。綜上分析，B項(xiàng)正確。] 3．某堿性蓄電池在充電和放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為： Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2，下列說法中正確的是 (　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：41722045】 A．放電時(shí)，負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是Fe B．放電時(shí)，正極反應(yīng)是NiO2＋2e－＋2H＋===Ni(OH)2 C．充電時(shí)，陰極反應(yīng)是Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O D．充電時(shí)，陽極附近c(diǎn)(OH－)增大 A　[電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，該蓄電池的負(fù)極為Fe，A項(xiàng)正確；該電池的正極為NiO2，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，B項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，C項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)陽極的電極反應(yīng)為Ni(OH)2＋2OH－－2e－===NiO2＋2H2O，c(OH－)減小，D項(xiàng)錯(cuò)誤。] [教師備選] 鉛蓄電池是化學(xué)電源，其電極材料分別是Pb和PbO2，電解質(zhì)溶液為稀硫酸，工作時(shí)該電池的總反應(yīng)式為Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。 試根據(jù)上述情況判斷： (1)蓄電池的負(fù)極材料是________。 (2)工作時(shí)，正極反應(yīng)式為____________________________________。 (3)工作時(shí)，電解質(zhì)溶液的酸性________(填“增大”“減小”或“不變”)。 (4)工作時(shí)，電解質(zhì)溶液中陰離子移向________極。 (5)外電路電流從________極流向________極。 [解析]　蓄電池工作(放電)時(shí)，起原電池作用。根據(jù)原電池原理，負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，元素化合價(jià)升高，所以Pb為負(fù)極；正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，元素化合價(jià)降低，從總反應(yīng)式可知，PbO2是氧化劑，即正極反應(yīng)式為PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O；從正極反應(yīng)或電池的總反應(yīng)可知H2SO4參加了反應(yīng)，H＋轉(zhuǎn)變成H2O，所以酸性減?。辉姵毓ぷ鲿r(shí)，溶液中陰離子移向負(fù)極，陽離子移向正極；電流方向與電子移動(dòng)方向相反，從正極沿導(dǎo)線流向負(fù)極。 [答案]　(1)Pb　(2)PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O　(3)減小　(4)負(fù)　(5)正　負(fù) 4．(1)直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性， 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：41722046】 負(fù)極反應(yīng)式為_______________________________、正極反應(yīng)式為___________________________________________________________。 (2)熔融鹽電池具有高的發(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)猓諝馀cCO2的混合氣為陰極助燃?xì)?，制得?50 ℃下工作的燃料電池，完成有關(guān)電池反應(yīng)式。陽極反應(yīng)式：2CO＋2CO－4e－===4CO2，陰極反應(yīng)式：________________________ ___________________________________________________________， 電池總反應(yīng)式：____________________________________________。 [解析]　(1)負(fù)極上甲醇失電子，在酸性條件下與水反應(yīng)生成氫離子：CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋。 正極電極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O。 (2)本題中電池中的電解質(zhì)是熔融物，而不是電解質(zhì)溶液，但有自由移動(dòng)的離子CO存在。原電池的反應(yīng)原理實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)中的電子轉(zhuǎn)移，燃料電池總反應(yīng)實(shí)質(zhì)是一個(gè)燃燒反應(yīng)。故陽極CO失去電子，而陰極應(yīng)為O2得到電子，再與陰極助燃?xì)釩O2反應(yīng)生成電解質(zhì)陰離子CO。 [答案]　(1)CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋ O2＋6e－＋6H＋===3H2O (2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2