化学电源教学设计.docx
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化学电源教学设计
化学电源教学设计
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化学电源教学设计
课 标 解 读
重 点 难 点
1.了解电池的分类、特点及适用范围。
2.了解几类化学电池的构造、原理。
3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池的危害。
1.一次、二次、燃料电池的构造及工作原理。
（重点）
2.原电池电极反应式的书写。
（重难点）
化学电源1.概念：
是将化学能直接转化为电能的装置。
化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。
2．类型
常见的几种化学电池
1.一次电池（碱性锌锰电池）
（1）构成：
负极Zn，正极MnO2，电解质KOH。
（2）电极反应：
负极：
Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2
正极：
2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
总反应：
Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2
2．二次电池（蓄电池）
（1）构成：
负极Pb、正极PbO2，电解质H2SO4溶液
（2）工作原理
①放电：
负极：
Pb（s）＋SO
（aq）－2e－===PbSO4（s）
正极：
PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO
（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）
总反应：
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）===2PbSO4（s）＋2H2O（l）
②充电时
铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。
阴极：
PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO
（aq）；
阳极：
PbSO4（s）＋2H2O（l）－2e－===PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO
（aq）；
总反应：
2PbSO4（s）＋2H2O（l）===Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。
上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：
Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）
2PbSO4（s）＋2H2O（l）。
3．燃料电池
（1）工作原理
①连续地将燃料（如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体）和氧化剂的化学能直接转换成电能。
②电极材料本身不发生氧化还原反应。
③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。
（2）氢氧燃料电池
①电极材料Pt，酸性电解质。
②电极反应：
负极：
H2－2e－===2H＋
正极：
O2＋2H＋＋2e－===H2O
总反应：
H2＋
O2===H2O
若把氢氧燃料电池中的酸性介质换成碱性介质，其电极反应式怎样写？
【提示】 负极：
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
总反应：
2H2＋O2===2H2O
1．根据装置书写电极反应式
（1）先分析题目给定的图示装置，确定原电池正、负极上的反应物，并标出相同数目电子的得失。
（2）电极反应式的书写。
负极：
活泼金属或H2失去电子生成阳离子，若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。
如铅蓄电池，负极：
Pb＋SO
－2e－===PbSO4。
正极：
阳离子得到电子生成单质，或O2得到电子。
若反应物是O2，则：
电解质是碱性或中性溶液：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
电解质是酸性溶液：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
（3）正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。
2．给出总反应式，写电极反应式
分析反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况）→选择一个简单的变化情况去写电极反应式→
另一极的电极反应直接写出或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果
以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤如下：
（1）根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定2molH2失掉4mol电子，初步确定负极反应式为2H2－4e－===4H＋。
（2）根据电解质溶液为碱性，与H＋不能共存，反应生成水，推出OH－应写入负极反应式中，故负极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O。
（3）用总反应式2H2＋O2===2H2O减去负极反应式得正极反应式：
2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
3．可充电电池电极反应式的书写
在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。
（1）原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高。
（2）原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。
书写电极反应式应注意电解质溶液的影响。
（1）中性溶液反应物中无H＋或OH－。
（2）酸性溶液反应物，生成物均无OH－。
（3）碱性溶液反应物，生成物中均无H＋。
（4）水溶液不能出现O2－。
例1．
（1）今有2H2＋O2KOH,2H2O反应，构成燃料电池，则负极通的应是________，正极通的应是______，电极反应式分别为______________、______________。
（2）如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液，则电极反应式为__________________、_____________________。
（1）和
（2）的电解液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？
_______________________________。
（3）如把H2改为甲烷、KOH作导电物质，则电极反应式为：
________________、__________________。
【解析】 根据电池反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，因此H2应在负极上反应，O2应在正极上反应。
又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有H＋参加或生成，故负极反应为：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O，正极反应为：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有OH－参加或生成，故负极：
2H2－4e－===4H＋，正极：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
由于前者在碱性条件下反应KOH量不变，但工作时H2O增多故溶液变稀碱性变小，pH将变小。
而后者为酸溶液，H2SO4量不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。
如把H2改为甲烷用KOH作导电物质，根据反应CH4＋2O2===CO2＋2H2O，则负极为发生氧化反应的CH4，正极为发生还原反应的O2，由于有KOH存在，此时不会有CO2放出。
【答案】
（1）H2 O2 负极：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
（2）负极：
2H2－4e－===4H＋ 正极：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
（1）变小，
（2）变大
（3）负极：
CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O
正极：
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
小结：
常见燃料电池的电极反应
在燃料电池中，电解质溶液参与电极反应，电解质酸碱性的改变，引起电极反应的变化，但不影响燃料及O2的性质。
电极反应在遵守质量守恒定律、电荷守恒、电子得失守恒的同时，还要特别考虑电解质溶液是否参与反应。
（1）甲烷燃料电池。
电解质：
KOH
正极（通O2）：
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－
负极（通CH4）：
CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O
总反应：
CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O
（2）甲醇燃料电池。
电解质：
KOH
正极：
3O2＋6H2O＋12e－===12OH－
负极：
2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO
＋12H2O
总反应：
2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O
（3）肼燃料电池。
电解质：
KOH
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：
N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O
总反应：
N2H4＋O2===N2＋2H2O
（4）熔融盐燃料电池。
熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视。
可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。
有关的电池反应式为：
正极：
O2＋2CO2＋4e－===2CO
负极：
2CO＋2CO
－4e－===4CO2
总反应：
2CO＋O2===2CO2
例2．固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。
它以固体氧化锆一氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过。
该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。
下列判断正确的是（ ）
A．有O2放电的a极为电池的负极
B．有H2放电的b极为电池的正极
C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．该电池的总反应方程式为2H2＋O2高温,2H2O
【解析】 固体介质允许O2－通过，说明为非水体系，因此C项中a极反应式不正确，这种表达是水溶液中进行的反应，a极反应式应该是：
O2＋2e－===O2－，b极反应：
H2－2e－===2H＋，总反应方程式是H2＋
O2高温,H2O。
【答案】 D
例3.碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，故得到广泛应用。
锌锰碱性电池以KOH溶液为电解液，电池总反应式为Zn（s）＋2MnO2（s）＋2H2O（l）===Zn（OH）2（s）＋2MnOOH（s）
下列说法错误的是（ ）
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为：
2MnO2（s）＋2H2O（l）＋2e－===2MnOOH（s）＋2OH－（aq）
C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g
【解析】 根据题意，该电池的负极材料是锌。
电池工作时，锌本身失去电子而发生氧化反应，失去的电子通过外电路移向另一极（正极）。
在该电极上，MnO2获得电子发生还原反应生成MnOOH：
2MnO2＋2e－―→2MnOOH。
从元素守恒的角度来看，右侧还多2个氢。
在碱性溶液中不出现H＋，故正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
反应中，失去0.2mol电子，消耗掉0.1mol锌，质量为6.5g。
【答案】 C
练习
1．下列有关电池的说法不正确的是（ ）
A．手机上用的锂离子电池属于二次电池
B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D．锌锰干电池中，锌电极是负极
【解析】 锂离子电池可以充电，再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故电流从铜电极流向锌电极，而电子是由锌电极流向铜电极，B项错；电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。
【答案】 B
2．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。
航标灯的电源必须长效、稳定。
我国科技工作者研制出以铝合金、Pt Fe合金网为电极材料的海水电池。
在这种电池中
（ ）
①铝合金是阳极 ②铝合金是负极 ③海水是电解液
④铝合金电极发生还原反应
A．②③ B．②④
C．①②D．①④
【解析】 较活泼的铝合金为负极（②对）。
Pt Fe合金网为正极，海水是电解液（③对）。
负极上发生氧化反应（④错）。
【
答案】 A
3．关于铅蓄电池的说法正确的是（ ）
A．在放电时，正极发生的反应是：
Pb（s）＋SO
（aq）===PbSO4（s）＋2e－
B．在放电时，该电池的负极材料是铅板
C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．在充电时，阳极发生的反应是：
PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO
（aq）
【解析】 A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为：
PbO2＋4H＋＋SO
＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
【答案】 B
4．锌锰干电池的两极分别为碳棒和锌皮，在放电时电池总反应方程式可以表示为：
Zn＋2MnO2＋2NH
A．放电时正极发生反应的物质为NH
B．Zn为负极，碳为正极
C．工作时，电子由碳极经外电路流向Zn极
D．长时间连续使用该电池时，内装糊状物不会流出
【解析】 在电池的正极上发生的是得电子的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。
由锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH
发生的反应为正极反应。
根据原电池的工作原理可知，相对活泼（指金属性）的一极为负极，相对不活泼的一极为正极，B项正确；在外电路，电子从负极流向正极，C项错误；长时间连续使用该电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，糊状物很可能流出而腐蚀用电器，D项错误。
【答案】 B
5．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。
一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨化为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。
回答下列问题：
（1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是
______________________________。
（2）此电池的正极发生的电极反应式是________，负极发生的电极反应式是__________________。
（3）电解液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。
（4）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：
首先是燃料电池的能量转化效率高，其次是________。
【解析】 甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。
CH3OH在负极发生氧化反应，电极反应式为2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋；氧气在正极反应：
3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，两反应式相加即得总反应式。
在电池中，负极释放出电子移动到正极上，故向外电路释放电子的电极为负极。
在原电池的内电路中，阳离子向正极移动，故H＋向正极移动。
甲醇反应产物为CO2和H2O，对环境无污染。
【答案】
（1）2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O
（2）3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋
（3）正 负极 （4）对环境无污染
知识整合
一、原电池设计的基本依据和关键
进行原电池设计的基本依据，是原电池的构成条件，关键是选择合适的电极材料和电解质溶液。
1．电极材料的选择
电池的电极必须导电。
一般电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料。
正极和负极之间只有产生电势差，电子才能定向移动，所以正极和负极一般不用同一种材料。
两个电极的构成分为4种情况：
（1）活动性不同的两种金属。
例如，锌铜原电池中，锌作电池的负极，铜作电池的正极。
（2）金属和非金属。
例如，锌锰干电池中，锌片作电池的负极，石墨棒作电池的正极。
（3）金属和化合物。
例如，铅蓄电池中，铅板作电池的负极，二氧化铅作电池的正极。
（4）惰性电极。
例如，氢氧燃料电池中，两根电极均可用Pt。
2．电解质溶液的选择
电解质是为负极提供放电的物质，因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应。
但若是两个半反应分别在两个烧杯中进行，应使用盐桥连接。
负极所在的电解质溶液阳离子应与电极材料是相同的阳离子。
例如：
在锌、铜和硫酸构成的原电池中，锌极置于ZnSO4、ZnCl2、Zn（NO3）2等溶液中；正极材料置于硫酸溶液中。
当然硫酸还可以换成盐酸，电极上发生的反应和电池总反应与电解质是硫酸是相同的。
但是如果电解质溶液是硫酸铜溶液，电极反应是
负极：
Zn－2e－===Zn2＋，正极：
Cu2＋＋2e－===Cu
电池总反应：
Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
例4.依据氧化还原反应：
Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2设计的原电池如图所示：
请回答下列问题：
（1）电极X的材料是_____，电解质溶液Y是______。
（2）Pt电极为电池的__________极，发生的电极反应为
____________________________________________；
X电极上发生的电极反应为___________________。
（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。
【解析】 将Zn＋2FeCl3===ZnCl2＋2FeCl2 拆分：
Zn－2e－===Zn2＋（氧化反应）和2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋（还原反应）两个反应。
结合原电池的电极反应特点分析可知，该电池的负极应用锌，则正极应用活动性比锌弱的材料，为保证Fe3＋在正极得电子，则电解质溶液为FeCl3等易溶的铁盐溶液。
【答案】
（1）Zn FeCl3溶液
（2）正 2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ Zn－2e－===Zn2＋
（3）Zn Pt
电极反应式和总反应式的书写方法
1．整体思路
（1）题目仅给出原电池的装置图
①首先找出原电池的正、负极，即分别找出氧化剂和还原剂。
②结合电解质判断出还原产物和氧化产物。
③写出电极反应式（注意两极得失电子数相等），将两电极反应式相加可得总反应式。
（2）题目仅给出原电池的总反应式
①分析原电池总反应式中各元素的化合价变化情况，找出氧化剂及其对应的还原产物，氧化剂参加的反应即为正极反应；找出还原剂及其对应的氧化产物，还原剂参加的反应即为负极反应。
②当氧化剂、还原剂、氧化产物、还原产物由多种元素组成时，还应注意电解质的反应。
③若有一个电极反应较难写出，可先写出较易写出的电极反应，然后再利用总反应式减去该电极反应即得到另一个电极反应。
2．负极与正极上的电极反应式的书写
（1）负极
①若负极材料本身被氧化，其电极反应式有两种情况：
一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液反应，此时的电极反应可表示为M－ne－===Mn＋；另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液反应，此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解质溶液的反应叠加在一起书写，如铅蓄电池的负极反应为Pb＋SO
－2e－===PbSO4。
②若负极材料本身不反应，如燃料电池，在书写负极反应式时，要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液的反应叠加在一起书写，如氢氧燃料电池（KOH溶液为电解质溶液）的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。
（2）正极
①首先，判断在正极发生反应的物质。
a．当负极材料与电解质溶液能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某些微粒；
b．当负极材料与电解质溶液不能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。
②然后，根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应也要书写叠加式。
3．书写电极反应式时应注意的问题
（1）两电极得失电子数目相等。
（2）电极反应式常用“===”而不用“―→”表示。
（3）电极反应式中若有气体生成，需要加“↑”；而弱电解质或难溶物均以分子式表示，其余以离子符号表示。
（4）书写电极反应式时要保证电荷守恒、元素守恒，可在电极反应式一端根据需要添加H＋或OH－或H2O。
（5）两电极反应式和电池总反应式中，若已知其中两个，可由方程式的加减得到第三个。
例5.高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。
高铁电池的总反应为：
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O
3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH，下列叙述不正确的是（ ）
A．放电时负极反应为：
Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2
B．充电时阳极上反应为：
Fe（OH）3－3e－＋5OH－===FeO
＋4H2O
C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
【解析】 放电时装置为原电池，Zn作负极，充电时，装置变为电解池，阳极发生氧化反应，所以A、B正确；放电时正极反应为：
FeO
＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3↓＋5OH－，故电极附近溶液的碱性增强，正极所发生的是还原反应而不是氧化反应，C错、D正确。
故正确答案为C。
【答案】 C
4．①②③④四种金属片两两相连浸入稀硫酸中都可组成原电池。
①②相连时，外电路电流从②流向①；①③相连时，③为正极；②④相连时，②上有气泡逸出；③④相连时，③的质量减少。
据此判断这四种金属活动性由大到小的顺序是（ ）
A．①③②④B．①③④②
C．③④②①D．③①②④
【解析】 利用原电池的形成和工作原理解决问题。
在外电路中，电流从正极流向负极，则①作原电池的负极，②作正极，故活动性①>②；活动性相对较差的金属作原电池的正极，故金属的活动性①>③；有气泡产生的电极发生的反应为2H＋＋2e－===H2↑，为原电池的正极，故活动性④>②；质量减少的电极发生氧化反应生成金属离子而溶解，为负极，故活动性③>④，由此可得金属活动性：
①>③>④>②。
【答案】 B
5．（2012·四川高考）一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为：
CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。
下列有关说法正确的是（ ）
A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动
B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气
C．电池反应的化学方程式为：
CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O
D．正极上发生的反应为：
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
【解析】 审题是关键，反应是在酸性电解质溶液中进行的。
在原电池中，阳离子要往正极移动，故A错；因电解质溶液为酸性的，不可能存在OH－，故正极的反应式为：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O，转移4mol电子时消耗1molO2，则转移0.4mol电子时消耗2.24LO2，故B、D错；电池反应式即正负极反应式的和，将两极的反应式相加可知C正确。
【答案】 C
1．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。
铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。
关于标有“＋”的接线柱，下列说法中正确的是（ ）
A．充电时作阳极，放电时作正极
B．充电时作阳极，放电时作负极
C．充电时作阴极，放电时作负极
D．充电时作阴极，放电时作正极
【解析】 “＋”接线柱放电时为原电池正极，充电时与外接电源正极相连，作阳极A正确。
【答案】 A
2．研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：
5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl
下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是（ ）
A．正极反应式：
Ag＋Cl－－e－===AgCl
B．每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子
C．Na＋不断向“水”电池的负极移动
D．AgCl是还原产物
【解析】 根据总反应中化合价的升降和正极、负极的反应原理，正极反应为5MnO2＋2e－===Mn5O
，负极反应为2Ag＋2Cl－－2e－===2AgCl，A项错误，B项正确；C项，阳离子向正极移动，错误；D项，AgCl是氧化产物，错误。
【答案】 B
3．不久前，美国一个
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