学年人教版选修4 第4章第2节 化学电源 学案.docx

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学年人教版选修4第4章第2节化学电源学案

第二节　化学电源

学习目标：

1.利用化学反应中的能量转化观点，了解化学能和电能相互转化的实际意义及其重要作用。

（重点）2.从物质的氧化还原反应角度，理解化学电源的种类及其工作原理，会书写电极反应式。

（难点）3.以可持续发展意识，了解各类化学电源的优缺点和化学电源的发展趋势。

[自主预习·探新知]

一、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＋2OH－－2e－===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

负极：

Zn；正极：

Ag2O；电解质：

KOH。

（3）工作原理

负极反应：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

二、二次电池（以铅蓄电池为例）

1．构造

2．组成

负极：

Pb；正极：

PbO2；电解质：

H2SO4溶液。

3．工作原理

（1）放电过程：

负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）（氧化反应）；

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）。

（3）铅蓄电池的充、放电过程：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

三、氢氧燃料电池

1．构造

2．电池总反应：

2H2＋O2===2H2O。

3．氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应式

介质

负极反应式

正极反应式

酸性

2H2－4e－===4H＋

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

中性

2H2－4e－===4H＋

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

碱性

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

[基础自测]

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）燃料电池工作时的能量转化形式与火力发电时的能量转化形式相同。

（　　）

（2）燃料电池工作时，还原剂通过燃烧将化学能转化为电能。

（　　）

（3）铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生还原反应。

（　　）

（4）燃料电池工作时，化学能可以全部转化为电能。

（　　）

（5）手机、电脑中使用的锂电池属于一次电池。

（　　）

（6）碱性锌锰干电池比普通锌锰干电池的比能量高、可储存时间长。

（　　）

（7）锌银二次电池充电时，锌电极接电池的正极。

（　　）

【答案】　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√　（7）×

2．一种充电电池放电时的电极反应为：

H2＋2OH－－2e－===2H2O；

NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－。

当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是（　　）

A．H2O的还原B．NiO（OH）的还原

C．H2的氧化D．Ni（OH）2的氧化

D　[放电时为原电池反应，负极上失去电子，正极上得到电子；充电时为电解反应，与外电源正极连接的电极为阳极，由放电时的电极反应式知，阳极上发生的是Ni（OH）2的氧化反应，D正确。

]

[合作探究·攻重难]

二次电池工作原理

[思考交流]（教师备选）

H2是一种优质燃料，热值高。

一种充电电池的原料为H2，其电池反应为H2＋2NiO（OH）

2Ni（OH）2，它具有比能量高等优点，常作为卫星的电源。

（1）该电池属于一次电池还是二次电池？

【提示】　二次电池。

（2）该电池内电解质溶液呈酸性还是碱性？

【提示】　由H2→OH－知呈碱性。

（3）放电时的电极反应式如何书写？

【提示】　负极：

H2＋2OH－－2e－===2H2O

正极：

2NiO（OH）＋2H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－

（4）充电时的电极反应式如何书写？

【提示】　阴极：

2H2O＋2e－===H2＋2OH－

阳极：

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===2NiO（OH）＋2H2O

（5）电池充电时，外电源的负极连接二次电池的哪个电极？

【提示】　负极或阴极。

1．二次电池在充电时，正、负电极上发生的反应正好与放电时发生的反应相反，因而充电时，二次电池的正极应与充电电源的正极相连接，电池的负极应与充电电源的负极相连接。

2．充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生的反应的逆过程。

3．可充电电池复杂电极反应式的书写方法

第一步：

先标出放电（原电池）总反应式中变价元素的化合价，确定电子转移的方向与数目，指出参与负极和正极反应的物质。

如铅蓄电池中：

第二步：

写出一个比较容易书写的电极反应式，书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存。

如铅蓄电池的负极反应式为Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

第三步：

在电子守恒的基础上，用总反应式减去写出的电极反应式，即得另一极的反应式。

如铅蓄电池的正极反应式可用总反应式－负极反应式得到，即Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO

－（Pb＋SO

－2e－）===2PbSO4＋2H2O－PbSO4，

整理得：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

[对点训练]

1．镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，且镁电池放电时电压高而平稳，因而越来越成为人们研制绿色原电池所关注的焦点。

其中一种镁电池的反应为xMg＋Mo3S4

MgxMo3S4，则镁电池放电时，下列说法错误的是（　　）

A．Mg2＋向正极迁移

B．正极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S

C．Mo3S4发生氧化反应

D．负极反应式为xMg－2xe－===xMg2＋

C　[放电时，该电池作原电池，镁是还原剂，作原电池的负极，失去电子，电极反应式是xMg－2xe－===xMg2＋，D选项正确。

Mo3S4在反应中是氧化剂，得到电子，发生还原反应，电极反应式是Mo3S4＋2xe－===Mo3S

，B选项正确，C选项错误。

原电池中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，A选项正确。

]

2．铅蓄电池是化学电源，其电极材料分别是Pb和PbO2，电解质为稀硫酸，工作时该电池的总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

试根据上述情况判断：

（1）蓄电池的负极材料是________。

（2）工作时，正极反应为___________________________________________。

（3）工作时，电解质溶液的pH________（填“增大”“减小”或“不变”）。

（4）工作时，电解质溶液中阴离子移向________极。

（5）电流方向从________极流向________极。

（6）充电时，铅蓄电池的负极与电源的________极相连接。

【解析】　蓄电池工作（放电）时，起原电池作用。

根据原电池原理，负极发生氧化反应元素化合价升高，所以Pb为负极；正极发生还原反应元素化合价降低，从总反应式可知，PbO2是氧化剂，即正极反应为：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O；从正极反应或电池的总反应可知H2SO4参加了反应，H＋转变成H2O，所以pH增大；原电池工作时溶液中阴离子移向负极，阳离子移向正极；电流方向与电子移动方向相反，从正极沿导线流向负极。

【答案】　

（1）Pb　

（2）PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O　（3）增大　（4）负　（5）正　负　（6）负

化学电源电极反应的书写

1.根据装置书写电极反应式

（1）确定原电池的正、负极及放电的物质。

首先根据题目给出的装置图的特点，结合原电池正、负极的判断方法，确定原电池的正、负极及放电的物质。

（2）书写电极反应式。

①负极反应。

规律：

活泼金属或H2（或其他还原剂）失去电子生成金属阳离子或H＋（或其他氧化产物）。

若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H＋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。

②正极反应。

规律：

阳离子得到电子生成单质（或低价离子），或O2得电子。

如果是O2得电子，则有以下两种写法：

电解质是碱性或中性：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

电解质是酸性：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O

（3）写出电池总反应式。

结合得失电子守恒，将正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

2．根据原电池总反应式，写电极反应式

（1）一般书写步骤为

①列物质，标得失。

②选离子，配电荷。

③配个数，巧用水。

④两式加，验总式。

（2）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：

①负极反应式的书写：

根据总反应方程式，列出总式两边化合价升高的有关物质为H2，转移电子为4e－：

2H2－4e－===4H＋。

②根据电解质溶液的酸碱性，用H＋或OH－或其他离子配平，使两边电荷总数相等即2H2＋4OH－－4e－===4H2O。

③利用H2O使两边的元素守恒，即2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

同理，正极反应式的书写：

O2＋4e－===2O2－，O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

注意：

在碱性溶液中提供H＋使O2－变为OH－的是水，要写成化学式的形式。

将正、负极反应式相加，即得到总反应式。

3．有机燃料电池电极反应式书写方法

电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。

可根据电荷守恒来配平电极反应式。

如乙醇碱性（KOH溶液）燃料电池负极反应式的书写方法。

第一步：

确定生成物。

乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO

和H2O。

第二步：

确定价态的变化及转移电子数。

乙醇（C2H6O）中碳元素的化合价为－2，CO

中碳元素的化合价为＋4，故1mol乙醇完全反应失去2×[4－（－2）]＝12mol电子。

第三步：

列出表达式。

C2H5OH＋□OH－－12e－―→□CO

＋□H2O。

第四步：

确定电极反应式中各物质的化学计量数。

由碳原子守恒确定CO

的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。

（注：

失去12个电子，相当于带12个单位正电荷）

再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，

故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO

＋11H2O。

[对点训练]

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

下列该电池的电极反应，正确的是（　　）

A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．负极反应为Zn－2e－＋2H2O===Zn（OH）2＋2H＋

C．正极反应为2MnO2＋2e－＋2H＋===2MnO（OH）

D．正极反应为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO（OH）＋2OH－

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。

]

4．某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质，以CH4为燃料时，该电池工作原理如图。

下列说法正确的是（　　）

A．a为CH4，b为CO2

B．CO

向正极移动

C．此电池在常温时也能工作

D．正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

D　[依据图中电子流向和有关电极产物，可确定a处通入的为CH4，负极反应式为CH4－8e－＋4CO

===5CO2＋2H2O；b处通入的为空气，正极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

，故A错、D正确。

CO

应向负极移动，B错；该电池工作时，必须达到Li2CO3、K2CO3熔融的温度，C错。

]

[当堂达标·固双基]

1．下列有关化学电池的说法中正确的是（　　）

A．化学电池只能将化学能转化为电能

B．燃料电池能将全部化学能转化为电能

C．锌银电池比能量大，电压稳定，储存时间长

D．一次电池包括干电池和蓄电池

C　[蓄电池不但可以将化学能转化为电能（放电），也可以将电能转化为化学能（充电）；燃料电池的能量转换率超过80%，但不可能100%转换，蓄电池可重复使用，属于二次电池。

]

2．科学工作者为心脏病患者设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体体液中含有的一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作的。

该电池工作时，正极的电极反应式为（　　）

A．Zn－2e－===Zn2＋

B．2H＋＋2e－===H2↑

C．4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

D．O2＋4H＋＋4e－===2H2O

D　[正极得电子，体液中溶解的氧气得电子而发生还原反应：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O，D项正确。

]

3．熔融碳酸盐燃料电池，是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐。

下图是用熔融碳酸盐作电解质，氢气和氧气形成的燃料电池。

下列说法不正确的是（　　）

A．该电池放电时，负极的反应式为H2－2e－＋CO

===H2O＋CO2

B．该电池中的CO

由左边移向右边

C．该电池放电时，正极的反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO

D．该电池放电时，当转移4mol电子时正极消耗1molO2和2molCO2

B　[A项，发生氧化反应的一极为负极，H2作还原剂，负极反应式：

H2－2e－＋CO

===H2O＋CO2，正确；B项，电解质中阴离子移向负极，即CO

从右边移向左边，阳离子从负极移向正极，错误；C项，O2在正极上得到电子，根据电池示意图，O2＋4e－＋2CO2===2CO

，正确；D项，根据C项分析，正确。

]

[题后反思]　燃料电池的正极反应本质都是O2＋4e－===2O2－，在不同电解质环境中，其正极反应的书写形式有所不同。

因此在书写正极反应时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。

4．

（1）依据原电池的构成，下列化学反应在理论上可以设计成原电池的是________（填序号）。

A．C（s）＋CO2（g）===2CO（g）

B．NaOH（aq）＋HCl（aq）===NaCl（aq）＋H2O（l）

C．2H2O（l）===2H2（g）＋O2（g）

D．2CO（g）＋O2（g）===2CO2（g）

若以熔融的K2CO3与CO2为反应的环境，依据所选反应设计成一个原电池，请写出该原电池的负极反应式：

_____________________________________________________________。

（2）有人设想寻求合适的催化剂和电极材料，以N2、H2为电极反应物，以HCl－NH4Cl为电解质溶液制造新型燃料电池，放电过程中，溶液中铵根离子浓度逐渐增大。

请写出该电池的正极反应式：

_____________________________。

【解析】　

（1）自发的氧化还原反应可以设计成原电池，故选D；负极失电子发生氧化反应，负极反应式为CO－2e－＋CO

===2CO2。

（2）氮气—氢气燃料电池中，氢气在负极放电，氮气在正极放电，溶液中铵根离子浓度逐渐增大，所以正极反应式为N2＋6e－＋8H＋===2NH

。

【答案】　

（1）D　CO－2e－＋CO

===2CO2　

（2）N2＋6e－＋8H＋===2NH