人教版高中化学选修4导学案42化学电源 含答案.docx

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人教版高中化学选修4导学案42化学电源含答案

第二节　化学电源

　1.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

　2.熟练书写常见化学电源的电极反应式和总方程式。

3．知道废弃电池对环境的危害，设想处理废旧电池的办法。

　化学电源

一、化学电池

1．定义：

将化学能转化为电能的装置。

2．分类

3．优点

能量转化效率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组，使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。

4．判断电池优劣的主要标准

（1）比能量：

即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位（W·h）/kg或（W·h）/L。

（2）比功率：

即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。

（3）电池可储存时间的长短。

二、几种常见的化学电池

1．一次电池

（1）碱性锌锰电池

①构造

②组成

正极：

MnO2；负极：

Zn；电解质：

KOH。

③工作原理

负极反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO（OH）＋2OH－；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO（OH）＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池

①构造

②组成

正极：

Ag2O；负极：

Zn；电解质：

KOH。

③工作原理

负极反应：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．二次电池（以铅蓄电池为例）

（1）构造

（2）组成

正极：

PbO2；负极：

Pb；电解质：

H2SO4。

（3）工作原理

铅蓄电池是最常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程。

①放电过程

负极：

Pb－2e－＋SO

===PbSO4（氧化反应）；

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O（还原反应）；

总反应：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

②充电过程

电化学上常把发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。

阴极：

PbSO4＋2e－===Pb＋SO

（还原反应）；

阳极：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

（氧化反应）；

总反应：

2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。

③铅蓄电池的充、放电过程

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）化学电池是将电能转变成化学能的装置。

（　　）

（2）化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等。

（　　）

（3）化学电池供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小的电池，使用方便，易于维护。

（　　）

（4）废旧电池可以随意丢弃。

（　　）

（5）Zn具有还原性和导电性，可用作锌锰干电池的负极材料。

（　　）

（6）铅蓄电池在放电过程中，负极质量减小，正极质量增加。

（　　）

（7）可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应。

（　　）

（8）锂碘电池的电池反应为2Li（s）＋I2（s）===2LiI（s），则碘电极作该电池的负极。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）√　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）×

2．人造卫星用到的一种高能电池——锌银电池，其电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

根据反应式判断氧化银是（　　）

A．负极　被氧化B．正极　被还原

C．负极　被还原D．正极　被氧化

解析：

选B。

锌银电池放电时，Ag2O得到电子被还原为Ag，故Ag2O作电池的正极。

化学电源电极反应式的书写

1．一般电极反应式的书写

2．复杂电极反应式的书写

＝

－

3．给出电极反应式，书写总反应式

根据给出的两个电极反应式，写出总反应式时，首先要使两个电极反应式的得失电子相等，然后将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。

若原电池正、负两极产生的阴、阳离子能与电解质溶液中的离子发生反应时，要把后续反应一并写入电极反应式中。

若反应式同侧出现不能共存的离子，如H＋和OH－、Pb2＋和SO

，要写成反应后的物质，如H2O、PbSO4。

　铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应：

Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe（OH）2＋2Ni（OH）2。

下列有关该电池的说法不正确的是（　　）

A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3、负极为Fe

B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe（OH）2　

C．电池充电过程中，阴极附近溶液pH降低

D．电池充电时，阳极反应为2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O

[解析]　因为放电时的反应中有氢氧化物生成，故电解质溶液是碱性溶液，因为铁的化合价升高，镍的化合价降低，故铁是负极，氧化镍是正极，故A和B均正确；充电时的阴极反应为Fe（OH）2＋2e－===Fe＋2OH－，故此时阴极附近的pH增大，故C错误；根据所给的放电时的电池反应可推知D正确。

[答案]　C

以上述例题分析，怎样判断电极附近溶液pH的变化？

答案：

判断电极附近溶液pH的变化，主要应看电极反应式，如该电池放电时的负极反应：

Fe－2e－＋2OH－===Fe（OH）2，OH－被消耗，故负极附近pH减小，正极反应为Ni2O3＋2e－＋3H2O===2Ni（OH）2＋2OH－，生成OH－，故正极附近pH变大；充电时同理分析，阳极反应：

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O，阳极附近pH减小，阴极附近pH增大。

电极反应式和总方程式书写时的注意事项

（1）正、负两极的电极反应式在得失电子相等时相加，即得总反应式。

（2）写电极反应式时，一定要注意电解质是什么，其中阴、阳离子要和电极反应式中出现的离子相对应。

在碱性电解质中，电极反应式中不能出现H＋；在酸性电解质中，电极反应式中不能出现OH－。

　化学电源的综合考查

1．MgH2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。

该电池以海水为电解质溶液，示意图如图所示。

该电池工作时，下列说法正确的是（　　）

A．Mg电极是该电池的正极

B．H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C．石墨电极附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正极移动

解析：

选C。

在原电池中活泼金属作负极，即Mg为负极，A错误；通入H2O2的一极为正极，在反应过程中发生还原反应，B错误；石墨电极的电极反应式为H2O2＋2e－＋2H＋===2H2O，溶液pH增大，C正确；原电池中，电解质溶液中的阴离子向负极移动，D错误。

2．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是（　　）

A．Pb为正极被氧化

B．电解质溶液的pH不断减小

C．SO

向PbO2处移动

D．电解质溶液的pH不断增大

解析：

选D。

由题给电池反应式可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，所以B不正确，D正确；由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极，所以A不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb极流向PbO2极；内电路中，阴离子（SO

）移向Pb极，所以C不正确。

3．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO（OH）＋Zn（OH）2。

下列有关该电池的电极反应，正确的是（　　）

A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．负极反应为Zn＋2H2O－2e－===Zn（OH）2＋2H＋

C．正极反应为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO（OH）

D．正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO（OH）＋2OH－

解析：

选D。

在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H＋。

在碱性电池中，负极的Zn失去电子形成的Zn2＋应该与OH－结合为Zn（OH）2。

　燃料电池

1．基本构造（以氢氧燃料电池为例）

2．工作原理

酸性电解质（H2SO4）

碱性电解质（KOH）

负极反应

2H2－4e－===4H＋

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

正极反应

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

2H2＋O2===2H2O

3.燃料电池的特点

（1）连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。

（2）电极材料本身不参与氧化还原反应。

（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。

4．燃料电池的优点

（1）能量转换率高（超过80%）。

（2）排放废弃物少，运行时噪音低。

1．燃料电池的正、负两极必须是两种活泼性不同的金属或一种金属与一种能导电的非金属吗？

答案：

不一定，如氢氧燃料电池的正、负极均为Pt。

2．除氢氧燃料电池外，其他燃料电池的负极反应物通常还有哪些？

正极放电的是什么物质？

答案：

负极还可以是烃（如甲烷、乙烷等）、醇（如甲醇、乙醇等）、氨、煤气等可燃性气体或液体。

正极放电的是氧气。

3．燃料电池是一种新型电池，它利用燃料在氧化过程中把化学能直接转化为电能。

氢氧燃料电池的基本反应如下：

X极：

O2（g）＋H2O（l）＋2e－===2OH－；Y极：

H2（g）＋2OH－－2e－===2H2O（l）。

下列判断中，正确的是（　　）

A．X是负极　　　　　　　B．Y是正极

C．Y极发生还原反应D．Y极发生氧化反应

解析：

选D。

从电极反应式中可以看出，X极得电子发生还原反应，作正极；Y极失去电子发生氧化反应，作负极。

常见燃料电池的电极反应和电池反应

1．乙醇燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）

负极：

C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO

＋11H2O；

正极：

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；

总反应式：

C2H5OH＋3O2＋4OH－===2CO

＋5H2O。

2．甲烷燃料电池（固体电解质）

一个电极通入空气，另一电极通入甲烷，电池的电解质为掺杂了Y2O3（三氧化二钇）的ZrO2（二氧化锆）晶体，它在高温下能传导O2－。

该电池的电极反应式为

负极：

CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O；

正极：

2O2＋8e－===4O2－；

总反应式：

CH4＋2O2===CO2＋2H2O。

3．甲醇燃料电池（电解质溶液为H2SO4溶液）

负极：

2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋；

正极：

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O；

总反应式：

2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。

　（2017·锦州高二检测）燃料电池是燃料（如CO、H2、CH4等）跟氧气或空气发生反应，将此反应的化学能转化为电能的装置，电解质溶液通常是KOH溶液。

下列关于甲烷燃料电池的说法中不正确的是（　　）

A．负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

B．正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

C．随着不断放电，电解质溶液碱性不变

D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率高

[解析]　甲烷燃料电池中，CH4作负极，发生氧化反应，电解质溶液为KOH溶液，故负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O，A正确；O2作正极，发生还原反应，正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，B正确；总反应式为CH4＋2O2＋2OH－===CO

＋3H2O，随反应的进行，不断消耗OH－，故c（OH－）减小，pH减小，C错误；燃料电池的能量转换率高，D正确。

[答案]　C

若将KOH溶液改为稀硫酸，写出负极的电极反应式：

______________________________________________________________________。

答案：

CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋

　水溶液中的燃料电池

1．将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是（　　）

①通入CO的电极为正极；

②正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；

③通入CO的电极反应式是2CO＋O2＋4e－===2CO2；

④负极的电极反应式是CO＋4OH－－2e－===CO

＋2H2O；

⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动；

⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动。

A．①③⑤B．②④⑥

C．④⑤⑥D．①②③

解析：

选B。

据题意知，发生的反应为2CO＋O2===2CO2，反应产生的CO2处于KOH溶液中，又会转化为CO

，④正确，③错误。

O2得e－被还原，作正极，①错误，②正确。

溶液中离子移动情况受溶液（原电池内电路）中电流方向影响，内电路电流方向是由负极流向正极，阳离子的移动方向与电流方向相同，故在溶液（原电池内电路）中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，⑤错误，⑥正确。

2．一种燃料电池中发生的化学反应为在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。

该电池负极发生的反应是（　　）

A．CH3OH（g）＋O2（g）===H2O（l）＋CO2（g）＋2H＋（aq）＋2e－

B．O2（g）＋4H＋（aq）＋4e－===2H2O（l）

C．CH3OH（g）＋H2O（l）－6e－===CO2（g）＋6H＋（aq）

D．O2（g）＋2H2O（l）＋4e－===4OH－

解析：

选C。

燃料电池中，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应，即负极反应中不可能有氧气参与。

　以熔融态固体为电解质的燃料电池

3．一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。

现用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2混合气体，其总反应为2CO＋O2===2CO2。

则下列说法中正确的是（　　）

A．通CO的一极是电池的正极

B．负极发生的电极反应是O2＋2CO2＋4e－===2CO

C．负极发生的电极反应是CO＋CO

－2e－===2CO2

D．正极发生氧化反应

解析：

选C。

由电池反应2CO＋O2===2CO2可知，通CO的一极为电池负极，通O2的一极为电池正极，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，负极的电极反应为2CO＋2CO

－4e－===4CO2，正极的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2CO

。

4．固体氧化物燃料电池是由美国西屋公司研制开发的。

它以固体氧化锆氧化钇为电解质，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：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．该电池的总反应：

2H2＋O2

2H2O

解析：

选D。

根据该电池的工作原理图可知，被氧化的是H2，2H2－4e－＋2O2－===2H2O，b极为原电池的负极；被还原的是O2，O2＋4e－===2O2－，a极为原电池的正极；该电池的总反应为2H2＋O2

2H2O。

重难易错提炼

1.二次电池的充电过程就是下一节要学习的电解过程，要记住充电时“正接正、负接负”。

二次电池放电时负极反应与充电时阴极反应互为逆反应；正极反应与充电时阳极反应互为逆反应。

2.燃料电池的电极材料为铂等惰性电极，正极反应一般是氧气发生的还原反应。

3.原电池的正极材料本身一般不参与反应，但铅蓄电池正极材料二氧化铅参与了正极反应。

4.原电池的电解质溶液不一定是水溶液，如LiI2电池的电解质溶液是惰性非水有机溶剂（Li可与H2O发生反应）。

5.书写燃料电池的电极反应式时，要注意电解质溶液的酸碱性。

在碱性溶液中，电极反应式中不能出现H＋；在酸性溶液中，电极反应式中不能出现OH－。

课后达标检测

[基础巩固]

1．对化学电源的叙述正确的是（　　）

A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高

B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位

C．化学电源均是安全、无污染的

D．化学电源即为充电电池

解析：

选A。

化学电源比火力发电对化学能的利用率高，故A正确；火力发电居于人类社会现阶段总耗电量的首位，故B错误；部分废旧化学电源会引起重金属污染，故C错误；化学电源包括一次电池、充电电池、燃料电池等，故D错误。

2．下列电池工作时，O2在正极放电的是（　　）

A.锌锰电池

B.氢燃料电池

C.铅蓄电池

D.镍镉电池

解析：

选B。

氢燃料电池负极H2发生氧化反应，正极O2发生还原反应。

3．废电池必须进行集中处理的首要原因是（　　）

A．为了利用电池外壳的金属材料

B．防止汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C．不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品

D．回收其中的石墨电极

解析：

选B。

废电池中汞、镉和铅等重金属离子能对土壤和水源造成污染，必须进行集中处理。

4．下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是（　　）

A．电池Ⅰ中锌是正极

B．电池Ⅱ是一次电池

C．电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应

D．电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒

解析：

选D。

电池Ⅰ中锌是负极，铜是正极，A错误；电池Ⅱ为铅蓄电池，属于二次电池，B错误；电池Ⅲ为氢氧燃料电池，H2在负极失去电子发生氧化反应，C错误；电池Ⅳ为锌锰干电池，锌为负极，碳棒为正极，电子由负极沿导线流向正极，D正确。

5．燃料电池的基本组成为电极、电解质溶液、燃料和氧化剂。

此种电池的能量转化率超过80%，产物污染小。

下列有关燃料电池的说法错误的是（　　）

A．燃料电池的负极反应物是氢气、甲烷、乙醇等物质

B．氢氧燃料电池常用于航天飞行器，原因之一是该电池的产物为水，经过处理之后可供宇航员使用

C．乙醇燃料电池的电解质常用KOH，该电池的负极反应为C2H5OH－12e－＋12OH－===2CO2↑＋9H2O

D．碱性甲烷燃料电池的正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

解析：

选C。

C项，电解质为KOH，因此不可能生成二氧化碳，应该生成CO

，即负极反应为C2H5OH－12e－＋16OH－===2CO

＋11H2O，故C项错误。

6．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn（s）＋2MnO2＋2NH

===Zn2＋＋Mn2O3（s）＋2NH3↑＋H2O，在此电池放电时正极（碳棒）上发生反应的物质是（　　）

A．ZnB．碳

C．MnO2和NH

D．Zn2＋和NH3

解析：

选C。

Zn在负极上被氧化，剩余的物质将在正极上反应得到Mn2O3、NH3和H2O。

要注意题中问的是正极上发生反应的物质，不要考虑成被还原的物质。

7．如图是一种新型锂电池原理图，有关叙述正确的是（　　）

A．a为电池正极

B．外电路中电流从a流向b

C．离子交换膜为阳离子交换膜

D．b电极处，O2失电子生成OH－

解析：

选C。

Li失电子，为电源负极，A项错误；电流方向与电子流动方向相反，故外电路中电流从b流向a，B项错误；由图示可知，Li＋可穿过离子交换膜，故为阳离子交换膜，C项正确；由图示可知，O2得电子生成OH－，D项错误。

8．某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O，下列有关说法正确的是（　　）

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．每转移0.1mol电子，消耗1.12L的H2

D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

解析：

选D。

a极通H2，H2失电子应在负极反应，所以a为负极，电子通过外电路由a极流向b极，A项错误；因为电解质显酸性，所以b极上的电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B项错误；C项没有告知是标准状况，转移0.1mol电子消耗H2的物质的量是0.05mol，但体积不一定是1.12L，C项错误；阳离子向正极移动，所以H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极，D项正确。

9．（2017·湖北重点中学联考）流动电池是一种新型电池，其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动，在电池外部调节电解质溶液，以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。

北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应为Cu＋PbO2＋2H2SO4===CuSO4＋PbSO4＋2H2O。

下列说法不正确的是（　　）

A．a为负极，b为正极

B．该电池工作时，PbO2电极附近溶液的pH增大

C．a极的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋

D．调节电解质溶液的方法是补充CuSO4

解析：

选D。

A项，根据电池总反应可得铜为负极，PbO2为正极，正确；B项，该电池工作时，PbO2电极上发生的反应为PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O，消耗了溶液中的H＋，故溶液的pH增大，正确；C项，铜电极的电极反应为Cu－2e－===Cu2＋，正确；D项，反应生成了CuSO4，消耗了H2SO4，故应补充H2SO4，错误。

10．（2017·秦皇岛高二测试）根据氧化还原反应2H2＋O2===2H2O，设计成燃料电池。

（1）负极通的气体应是____，正极通的气体应是____。

（2）根据选择电解质溶液的不同，填写下表：

电解质溶液

H2SO4溶液

KOH溶液

负极反应式

正极反应式

溶液的pH变化

（3）若把H2改为CH4，KOH溶液作电解质溶液，则正极反应式为____________________。

解析：

（1）氢氧燃料电池中通可燃性气体（H2）的一极为负极，通O2的一极为正极。

（2）若以H2SO4作电解质溶液，其电极反应式为负极：

2H2－4e－===4H＋；正极：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O。

反应过程中生成水，溶液中c（H＋）减小，pH增大。

若以KOH溶液作电解质溶液，其电极反应式为负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O；正极：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

反应过程中生成水，溶液中c（OH－）减小，pH减小。

（3）若把H2改为CH4，KOH溶液作电解质溶液时其正极反应式不变。

答案：

（1）H2　O2

（2）

电解质溶液

H2SO4溶液

KOH溶液

负极反应式

2H2－4e－===4H＋

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应式

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

溶液的pH变化

变大

变小

（3）2H2O＋O2＋4e－===4OH－

11．镉镍可充电电池在现代生活中有着广泛的应用，它的充、放电反应如下：

Cd＋2NiO（OH）＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2

请回答下列问题：

（1）上述反应式中左边物质的总能量_____（填“大于”“小于”或“等于”）右边物质的总能量。

（2）放电时负极发生反应的物质是____，放电时正极的反应式为____________________。

解析：

（1）原电池放电过程中将化学能转化为电能，即反应物总能量大于生成物总能量。

（2）根据总反应式可