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

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2019-2020年新人教版高中化學選修4第四章第二節(jié) 化學電源一、化學電池的種類化學電池：借助于化學能直接轉變?yōu)殡娔艿难b置?；瘜W電池的主要部分是電解質溶液，和浸在溶液中的正極和負極，使用時將兩極用導線接通，就有電流產生，因而獲得電能?；瘜W電池放電到一定程度，電能減弱，有的經(jīng)充電復原又可使用，這樣的電池叫蓄電池，如鉛蓄電池、銀鋅電池等；有的不能充電復原，稱為原電池，如干電池、燃料電池等。下面介紹化學電池的種類：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、氯化銨和淀粉等調成糊狀作電解質溶液；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，還填有MnO2作去極化劑(吸收正極放出的H2，防止產生極化現(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。電極反應為：負極 Zn2 e-Zn2+ 正極 22 e-2NH3H2 H22MnO2Mn2O3H2O正極產生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2+4NH3Zn(NH3)42+ 干電池的總反應式：Zn2NH4Cl2MnO2Zn(NH3)2Cl2Mn2O3H2O或 2Zn4NH4Cl2MnO2Zn(NH3)2Cl2ZnCl2Mn2O3H2O正極生成的氨被電解質溶液吸收，生成的氫氣被二氧化錳氧化成水。干電池的電壓1.5 V1.6 V。在使用中鋅皮腐蝕，電壓逐漸下降，不能重新充電復原，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子導電性能更好的堿性，負極也由鋅片改為鋅粉，反應面積成倍增加，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1.251.28 g / cm3)中，且兩極間用微孔橡膠或微孔塑料隔開。放電的電極反應為：負極：Pb2e- PbSO4正極：PbO24H+2e- PbSO42H2O鉛蓄電池的電壓正常情況下保持2.0 V，當電壓下降到1.85 V時，即當放電進行到硫酸濃度降低，溶液密度達1.18 g / cm3時即停止放電，而需要將蓄電池進行充電，其電極反應為： 陽極：PbSO42H2O2e- PbO24H+ 陰極：PbSO42e- Pb當密度增加至1.28 g / cm3時，應停止充電。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式：PbO2Pb2H2SO4 2PbSO42H2O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，因此廣泛應用于國防、科研、交通、生產和生活中。3銀鋅蓄電池銀鋅電池是一種高能電池，它質量輕、體積小，是人造衛(wèi)星、宇宙火箭、空間電視轉播站等的電源。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極蓋組成的小圓盒，盒內靠正極盒一端充由Ag2O和少量石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金作負極活性材料，電解質溶液為KOH濃溶液，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極與電解質溶液隔開。負極：Zn2OH-2e- Zn(OH)2正極：Ag2OH2O2e- 2Ag2OH- 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：2Ag2OH-2e- Ag2OH2O 陰極：Zn(OH)22e- Zn2OH- 放電 充電 總反應式：ZnAg2OH2O Zn(OH)22Ag一粒鈕扣電池的電壓達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直接產生電流的一種原電池，所以燃料電池也是化學電源。它與其它電池不同，它不是把還原劑、氧化劑物質全部貯存在電池內，而是在工作時，不斷地從外界輸入，同時把電極反應產物不斷排出電池。因此，燃料電池是名符其實地把能源中燃料燃燒反應的化學能直接轉化為電能的“能量轉換器”。燃料電池的正極和負極都用多孔炭和多孔鎳、鉑、鐵等制成。從負極連續(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。化學反應的最終產物和燃燒時的產物相同。燃料電池的特點是能量利用率高，設備輕便，減輕污染，能量轉換率可達70%以上。當前廣泛應用于空間技術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，主要用于航天領域。它的電極材料一般為活化電極，碳電極上嵌有微細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。電解質溶液一般為40%的KOH溶液。電極反應式為：負極 H22H 2H2OH-2 e-2H2O 正極 22H2O4 e-4OH-電池總反應式為：2H222H2O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)。電極反應式為：負極：CH410OH8e- 7H2O；正極：4H2O2O28e- 8OH-。電池總反應式為：CH42O22KOHK2CO33H2O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。電解液是由四氯鋁化鋰(LiAlCl4)溶解于亞硫酰氯中組成。它的總反應是鋰與亞硫酰氯發(fā)生反應，生成氯化鋰、亞硫酸鋰和硫。8Li3SO2Cl26LiClLi2SO32S鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負極，跟用相同質量的其它金屬作負極相比較，能在較小的體積和質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216.3344.1K溫度范圍內工作，使用壽命大大延長。鋰電池是一種高能電池，它具有質量輕、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-56.771.1溫度范圍內正常工作。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，用作海水標志燈已研制成功。 該電池以取之不盡的海水為電解質溶液，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產生電流。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2050倍。負極材料是鋁，正極材料可以用石墨。電極反應式為：負極反應：Al3 e-Al3+， 正極反應：2H2OO24 e-4OH-。電池總反應式為：4Al3O26H2O4Al(OH)37溴鋅蓄電池國外新近研制的的基本構造是用碳棒作兩極，溴化鋅溶液作電解液。電極反應式為：負極反應：Zn2e-Zn2+ 正極反應：Br22e-2Br-電池總反應式為：ZnBr2ZnBr2二、相關考題和練習例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，CO為陽極燃氣，空氣與CO2的混合氣體為陰極助燃氣，制得在650下工作的燃料電池，完成有關的電池反應式：陽極反應式：2CO+2CO32-4e-= 4CO2陰極反應式：_，電池總反應式：_。解析：作為燃料電池，總的效果就是把燃料進行燃燒。本題中CO為還原劑，空氣中O2為氧化劑，電池總反應式為：2CO+O2=2CO2。用總反應式減去電池負極（即題目指的陽極）反應式，就可得到電池正極（即題目指的陰極）反應式：O2+2CO2+4e-= 2CO32- 。例2（1999年全國高考化學題）氫鎳電池是近年開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會產生污染的銅鎳電池。氫鎳電池的總反應式是：(1/2)H2+NiO(OH) Ni(OH)2根據(jù)此反應式判斷下列敘述中正確的是（ ）A電池放電時，電池負極周圍溶液的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，充電時是電解池反應。根據(jù)氫鎳電池放電時的總反應式可知，電解質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。這樣可寫出負極反應式：H2+2OH-2e- = 2H2O，H2為負極，附近的pH應下降。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有人設計出利用CH4和O2的反應，用鉑電極在KOH溶液中構成原電池。電池的總反應類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是（ ） 每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole-負極上CH4失去電子，電極反應式CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O負極上是O2獲得電子，電極反應式為 O2+2H2O+4e-=4OH-電池放電后，溶液PH不斷升高A. B. C. D.點撥：本題是考查原電池原理在燃料電池中的具體應用，首先要判斷出電池的正負極，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，若發(fā)生的是失電子反應是原電池的負極，反之是正極。CH4在鉑電極上發(fā)生類似于CH4在O2燃燒反應，即CH4 CO2嚴格講生成的CO2還與KOH反應生成K2CO3，化合價升高，失去電子，是電池的負極，電極反應式為CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，1molCH4參加反應有8mole-發(fā)生轉移，O2在正極上發(fā)生反應，獲得電子，電極反應式為O2+2H2O+4e-=4OH-。雖然正極產生OH-，負極消耗OH-，但從總反應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，故正確，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 ( )Aa電極是負極 Bb電極的電極反應為：4OH-4e-= 2H2O+O2C氫氧燃料電池是一種具有應用前景的綠色電源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極為負極，其電極反應為：2H2-4e-=4H+，b極為正極，其電極反應為：O2+2H2O+4e-=4OH-，電池總反應式為：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。故答案為B項。例5（2004年江蘇高考化學題）堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應用。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應式為： 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極 D外電路中每通過O.2mol電子，鋅的質量理論上減小6.5g解析： 該電池的電解液為KOH溶液，結合總反應式可寫出負極反應式：Zn(s)+2OH-(aq)-2e- = Zn(OH)2(s)，用總反應式減去負極反應式，可得到正極反應式：2MnO2(s)+H2O(1)+2e- = Mn2O3(s)+2OH-(aq)。Zn為負極，失去電子，電子由負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的質量理論上減小6.5g。故答案為C項。