2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 專題1 化學(xué)反應(yīng)與能量變化 第二單元 化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化 第2課時(shí) 化學(xué)電源學(xué)案 蘇教版選修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)電源的種類及其工作原理，知道化學(xué)電源在生產(chǎn)、生活和國(guó)防中的實(shí)際應(yīng)用。2.掌握一次電池、二次電池的反應(yīng)原理，會(huì)書寫電極反應(yīng)式。(重點(diǎn)) [自 主 預(yù) 習(xí)探 新 知] 1．化學(xué)電源的分類及特點(diǎn) 2．銀鋅鈕扣電池(一次電池) (1)組成 (2)電極反應(yīng)和電池反應(yīng) 負(fù)極：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。 正極：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。 電池反應(yīng)：Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。 3．鋅錳干電池(一次電池) (1)組成：分為酸性鋅錳電池(普通鋅錳干電池)和堿性鋅錳電池，其正極為石墨棒，負(fù)極為鋅筒，前者電解質(zhì)溶液為NH4Cl和ZnCl2混合液，后者電解質(zhì)為KOH。 (2)電極反應(yīng)和電池反應(yīng) 對(duì)于堿性鋅錳干電池： 負(fù)極：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正極：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。 電池反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH。 (3)特點(diǎn)：比能量大，能提供較大電流并連續(xù)放電。 4．燃料電池 以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，寫出氫氧燃料電池的電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)。 電極反應(yīng)(堿性環(huán)境)： 負(fù)極：H2＋2OH－－2e－===2H2O； 正極：O2＋H2O＋2e－===2OH－； 電池反應(yīng)：H2＋O2===H2O。 特點(diǎn)：連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，能量利用率高，排放廢棄物少。 5．鉛蓄電池(二次電池) (1)組成 (2)電極反應(yīng)和電池反應(yīng) ①放電時(shí) 負(fù)極：Pb＋SO－2e－===PbSO4(氧化反應(yīng)) 正極：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O(還原反應(yīng)) 電池反應(yīng)：Pb＋PbO2＋4H＋＋SO===2PbSO4＋2H2O。 ②充電時(shí) 鉛蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。 陰極：PbSO4＋2e－===Pb＋SO(還原反應(yīng)) 陽(yáng)極：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO(氧化反應(yīng)) 總反應(yīng)：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO。 上述充、放電反應(yīng)可寫成如下化學(xué)方程式： (3)特點(diǎn) 可重復(fù)使用，電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉、生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。 [基礎(chǔ)自測(cè)] 1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“”)。 (1)二次電池又叫蓄電池，放電后可充電使活性物質(zhì)再生。(　　) (2)Zn具有還原性和導(dǎo)電性，可作鋅錳干電池的負(fù)極材料。(　　) (3)鉛蓄電池電路中轉(zhuǎn)移2 mol電子時(shí)，要消耗1 mol硫酸。(　　) (4)氫氧燃料電池中負(fù)極氫氣失去電子，正極氧氣得到電子。(　　) 【答案】　(1)√　(2)√ (3)　鉛蓄電池的負(fù)極和正極均要消耗硫酸，故當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移2 mol電子時(shí)，需消耗2 mol硫酸。 (4)√ 2．下列有關(guān)電池的說(shuō)法不正確的是(　　) A．手機(jī)上用的鋰離子電池屬于二次電池 B．銅鋅原電池工作時(shí)，電子沿外電路從銅電極流向鋅電極 C．甲醇燃料電池可把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 D．鋅錳干電池中，鋅電極是負(fù)極 B　[二次電池，即可充電電池，所以A項(xiàng)對(duì)。在原電池中，活潑金屬Zn是負(fù)極，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，因此電子的流向是由負(fù)極(鋅電極)流向正極(銅電極)，所以B項(xiàng)錯(cuò)。] 3．下列有關(guān)化學(xué)電池的說(shuō)法中正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702040】 A．化學(xué)電池只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 B．燃料電池能將全部化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 C．鋅銀電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng) D．一次電池包括干電池和蓄電池 C　[蓄電池不但可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(放電)，也可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(充電)；燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率超過(guò)80%，但不可能100%轉(zhuǎn)換；蓄電池可重復(fù)使用，屬于二次電池。] [合 作 探 究攻 重 難] 新型電池中電極反應(yīng)式的書寫與判斷 一種基于酸性燃料電池原理設(shè)計(jì)的酒精檢測(cè)儀，其電池反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH3CH2OH＋O2―→CH3COOH＋H2O。 [思考交流] 1．該反應(yīng)的正極反應(yīng)寫為O2＋4e－＋2H2O===4OH－正確嗎？為什么？如果不正確，請(qǐng)寫出正確的正極反應(yīng)式。 【提示】　不正確。因?yàn)樵撾姵貫樗嵝匀剂想姵兀谒嵝原h(huán)境中其電極產(chǎn)物不應(yīng)寫成OH－。正確的電極反應(yīng)式為O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 2．根據(jù)(1)中寫出的正極反應(yīng)式，推出其負(fù)極的電極反應(yīng)式。 【提示】　利用電池反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可推知負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。 (1)一般電極反應(yīng)式的書寫 (2)復(fù)雜電極反應(yīng)式的書寫 ＝－ (3)給出電極反應(yīng)式書寫總反應(yīng)式 根據(jù)給出的兩個(gè)電極反應(yīng)式，寫出總反應(yīng)式時(shí)，首先要使兩個(gè)電極反應(yīng)式的得失電子相等，然后將兩式相加，消去反應(yīng)物和生成物中相同的物質(zhì)即可。 注意：若反應(yīng)式同側(cè)出現(xiàn)不能共存的離子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO，要寫成反應(yīng)后的物質(zhì)，如H2O、PbSO4。 (4)根據(jù)裝置書寫電極反應(yīng)式 ①確定原電池的正負(fù)極及放電的物質(zhì)。 首先根據(jù)題目給定的圖示裝置特點(diǎn)，結(jié)合原電池正負(fù)極的判斷方法，確定原電池的正負(fù)極及放電的物質(zhì)。 ②書寫電極反應(yīng)式。 a．負(fù)極反應(yīng)： 規(guī)律：活潑金屬或H2(或其他還原劑)失去電子生成金屬陽(yáng)離子或H＋(或其他氧化產(chǎn)物)。 特例：若電解質(zhì)溶液中的陰離子與生成的金屬陽(yáng)離子或H＋能反應(yīng)，則該陰離子應(yīng)寫入電極反應(yīng)式，如鉛蓄電池的負(fù)極反應(yīng)是Pb＋SO－2e－===PbSO4。 b．正極反應(yīng)： 規(guī)律：陽(yáng)離子得電子生成單質(zhì)或氧氣得電子。 特例：若是氧氣得電子，要考慮電解質(zhì)溶液的情況。 中性或堿性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 ③寫出電池總反應(yīng)方程式。 結(jié)合電子守恒將正負(fù)極電極反應(yīng)式相加即得到電池總反應(yīng)方程式。 [當(dāng) 堂 達(dá) 標(biāo)固 雙 基] 題組1　一次電池 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。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＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702041】 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： 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ C．電池工作時(shí)，電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極 D．外電路中每通過(guò)0.2 mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g C　[從電池總反應(yīng)式Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH可以確定Zn為負(fù)極，電子從負(fù)極流出經(jīng)外電路流向正極。當(dāng)外電路中每通過(guò)0.2 mol電子，參加反應(yīng)的鋅理論上為0.1 mol，即質(zhì)量減少6.5 g。] 2．鈕扣電池可作計(jì)算器、電子表等的電源。有一種鈕扣電池，其電極分別為Zn和Ag2O，以KOH溶液為電解質(zhì)溶液，電池的總反應(yīng)為Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2。關(guān)于該電池的敘述不正確的是(　　) A．使用時(shí)電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極，Zn是負(fù)極 B．使用時(shí)電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極，Ag2O是負(fù)極 C．正極的電極反應(yīng)為Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－ D．Zn極發(fā)生氧化反應(yīng)，Ag2O極發(fā)生還原反應(yīng) B　[由總方程式可以看出，負(fù)極為Zn，正極為Ag2O，使用時(shí)電子由負(fù)極流向正極，A項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，C項(xiàng)正確，D項(xiàng)也正確。] 題組2　二次電池 3．關(guān)于鉛蓄電池的說(shuō)法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702042】 A．在放電時(shí)，正極發(fā)生的反應(yīng)是Pb(s)＋SO(aq)===PbSO4(s)＋2e－ B．在放電時(shí)，該電池的負(fù)極材料是鉛板 C．在充電時(shí)，電池中硫酸的濃度不斷變小 D．在充電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)是PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq) B　[鉛蓄電池的充放電反應(yīng)為：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)，放電時(shí)Pb作負(fù)極：Pb(s)－2e－＋SO(aq)===PbSO4(s)，在正極上：PbO2(s)＋2e－＋4H＋(aq)＋SO(aq)===PbSO4(s)＋2H2O(l)；充電時(shí)，H2SO4的濃度不斷增大；陽(yáng)極上發(fā)生的是氧化反應(yīng)，是失去電子而不是得到電子。] 4．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(shuō)法中正確的是(　　) 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(yáng)極附近pH增大 A　[原電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，該原電池的負(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(yáng)極的電極反應(yīng)為Ni(OH)2＋2OH－－2e－===NiO2＋2H2O，pH減小，D項(xiàng)錯(cuò)誤。] 題組3　燃料電池 5．科學(xué)家近年來(lái)研制出一種新型細(xì)菌燃料電池，利用細(xì)菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷，然后將甲烷通入以KOH為電解質(zhì)的燃料電池發(fā)電。電池負(fù)極反應(yīng)為(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702043】 A．CH4－8e－＋8OH－===CO2＋6H2O B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O C．CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C　[甲烷燃料電池的總反應(yīng)：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，根據(jù)負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，判斷出負(fù)極通入甲烷，正極通入氧氣，故B、D錯(cuò)。然后根據(jù)甲烷中碳元素的化合價(jià)變化：H4―→O，寫出1 mol甲烷轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，最后根據(jù)電荷守恒、原子守恒，配平即可得負(fù)極反應(yīng)：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，故A錯(cuò)，所以正確答案為C。] 6．燃料電池是利用燃料(如H2、CO、CH4等)跟氧氣反應(yīng)從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。下列關(guān)于CO燃料電池(NaOH作電解質(zhì))的說(shuō)法中正確的是(　　) A．負(fù)極反應(yīng)為：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ B．負(fù)極反應(yīng)為：CO－2e－＋4OH－===CO＋2H2O C．放電時(shí)正極發(fā)生氧化反應(yīng)，外電路中電子從正極流向負(fù)極 D．隨著放電的進(jìn)行，溶液的pH保持不變 B　[A項(xiàng)所給是正極反應(yīng)式，錯(cuò)誤；C項(xiàng)外電路中電子從負(fù)極流向正極，錯(cuò)誤；D項(xiàng)由電池總反應(yīng)：O2＋2CO＋4OH－===2CO＋2H2O可知，反應(yīng)消耗NaOH，故pH要減小，錯(cuò)誤。] 題組4　電極反應(yīng)式的書寫 7．一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率?，F(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，一極通CO氣體，另一極通O2和CO2混合氣體，其總反應(yīng)為2CO＋O2===2CO2。則下列說(shuō)法正確的是(　　) 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702044】 A．通CO的一極是電池的正極 B．負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是O2＋2CO2＋4e－===2CO C．負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)是CO＋CO－2e－===2CO2 D．正極發(fā)生氧化反應(yīng) C　[據(jù)題意知通入CO的一極為電源的負(fù)極，CO失去電子轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，故A、B、D項(xiàng)錯(cuò)誤，C項(xiàng)正確。] 8．(1)現(xiàn)有反應(yīng)2H2＋O22H2O，要構(gòu)成燃料電池，則負(fù)極通入的應(yīng)是________，正極通入的應(yīng)是________，電極反應(yīng)式分別為________________、________________。 (2)如把KOH改為稀硫酸作導(dǎo)電物質(zhì)，則電極反應(yīng)式分別為____________________、____________________。 (3)上述(1)和(2)的電解液不同，反應(yīng)進(jìn)行后，(1)中溶液pH變________(填“大”或“小”，下同)，(2)中溶液pH變________。 (4)如把H2改為甲烷，KOH作導(dǎo)電物質(zhì)，則電極反應(yīng)式分別為__________________、____________________。 【導(dǎo)學(xué)號(hào)：73702045】 【解析】　解答此題的關(guān)鍵是弄清原電池的有關(guān)概念。(1)根據(jù)總反應(yīng)式可知H2在反應(yīng)中被氧化，O2被還原，H2應(yīng)在負(fù)極上反應(yīng)，O2應(yīng)在正極上反應(yīng)，又因?yàn)槭菈A性溶液不可能有H＋參加或生成，故負(fù)極反應(yīng)為2H2＋4OH－－4e－===4H2O，正極反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－===4OH－。(2)若將導(dǎo)電物質(zhì)換成酸性溶液，此時(shí)應(yīng)考慮不可能有OH－參加反應(yīng)，也不可能有OH－生成，負(fù)極：2H2－4e－===4H＋，正極：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (3)由于(1)是在堿性條件下反應(yīng)，KOH量不變，但工作時(shí)H2O增多，故溶液變稀，pH將變?。欢?2)中為酸溶液，H2SO4不變，水增多，溶液酸性變小，故pH將變大。(4)如把H2改為甲烷，用KOH作導(dǎo)電物質(zhì)，則負(fù)極：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O，正極：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，此時(shí)不會(huì)有CO2放出。 【答案】　(1)H2　O2 負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ (2)負(fù)極：2H2－4e－===4H＋ 正極：O2＋4H＋＋4e－===2H2O (3)小　大 (4)負(fù)極：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O 正極：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ (1)寫電極反應(yīng)時(shí)除考慮電極自身的反應(yīng)，還要注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。 (2)判斷溶液pH變化時(shí)，不能只看某電極上H＋或OH－的生成或消耗。