高中化学第四章电化学基础第二节《化学电源》知识点归纳及例题解析新人教版选修4.docx

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高中化学第四章电化学基础第二节《化学电源》知识点归纳及例题解析新人教版选修4

第二节化学电源

1．碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH。

2．铅蓄电池是最常见的二次电池，正极是PbO2，负极是Pb，电解质溶液是H2SO4溶液。

3．氢氧燃料电池两类型：

（1）酸性电解质时：

负极反应式：

2H2－4e－===4H＋；

正极反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（2）碱性电解质时：

负极反应式：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O；

正极反应式：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

化学电池

[自学教材·填要点]

1．概念

将化学能变成电能的装置。

2．分类

3．电池优劣的判断标准

（1）单位质量或单位体积所输出的电能的大小（比能量），或者输出的功率的大小（比功率）。

（2）电池储存时间长短。

[师生互动·解疑难]

（1）化学电池能量转化率高，供能稳定可靠。

（2）可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。

（3）电池中的镍、镉、锰、铅等金属离子会对土壤、水源造成污染，应集中回收处理。

1．下列说法中，不正确的是（　　）

A．化学电池是将化学能转变成电能的装置

B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等

C．化学电池供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小，使用方便，易于维护

D．废旧电池可以随意丢弃

解析：

本题考查的是有关化学电池的概念、分类及性能等方面的知识。

废旧电池中含有重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康危害很大，所以废旧电池应回收处理。

答案：

D

一次电池——碱性锌锰电池

[自学教材·填要点]

1．构造

2．组成

正极材料：

MnO2；负极材料：

Zn；电解质：

KOH。

3．工作原理

负极：

Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

[师生互动·解疑难]

（1）碱性锌锰干电池克服了普通锌锰干电池的缺点，单位质量所输出的电能多且储存时间长，适用于大电流和连续放电。

（2）纽扣式锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。

（3）锂电池的负极是Li，正极是MnO2、CuO、FeS2等，锂电池的比能量高，电压高，可储存时间长。

2．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。

碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应式为Zn（s）＋2MnO2（s）＋H2O（l）===Zn（OH）2（s）＋Mn2O3（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）＋H2O（l）＋2e－===Mn2O3（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，锌的质量理论上减少6.5g

解析：

由所给的电池总反应式可知，电池工作时，每有1molZn参加反应，则会有2mol电子从负极Zn经外电路流向正极，并在正极发生反应：

2MnO2（s）＋H2O（l）＋2e－===Mn2O3（s）＋2OH－（aq）。

外电路每通过0.2mol电子，Zn的质量就减少6.5g。

答案：

C

二次电池

[自学教材·填要点]

1．铅蓄电池的构造

2.铅蓄电池的工作原理

（1）放电时：

负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）；

正极：

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）；

总反应式：

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），发生还原反应。

阳极：

2PbSO4（s）＋2H2O（l）－2e－===PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq），发生氧化反应。

总反应式：

2PbSO4（s）＋2H2O（l）

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。

上述充放电反应可写成一个可逆的反应方程式：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）。

[师生互动·解疑难]

（1）二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，能重复使用。

（2）铅蓄电池的优缺点：

①铅蓄电池具有电压稳定，性能良好，价格低廉，使用方便，安全可靠，循环使用的优点。

②铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃的电池污染环境。

（3）放电时是原电池原理，而充电时是电解池原理；二次电池的充放电过程相反。

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

氢氧燃料电池

[自学教材·填要点]

电池

负极反应

正极反应

总反应式

氢氧燃料电池酸性电解质

2H2－4e－===4H＋

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

2H2＋O2===2H2O

氢氧燃料电池碱性电解质

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

2H2＋O2===2H2O

[师生互动·解疑难]

（1）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。

（2）燃料电池的优点：

①能量转化率高，燃料电池的能量转换率超过80%，远高于普通燃烧过程。

②污染小。

（3）通可燃物的一极为电池的负极，通O2的一极为燃料电池的正极。

（4）燃料电池的正极反应式：

①若为酸性介质：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O；

②若为碱性（或中性）介质：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

4．氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水，经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应如下：

负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O；

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－；

当得到1.8L饮用水时，电池内转移的电子数约为（　　）

A．1.8mol　　　　　　　B．3.6mol

C．100molD．200mol

解析：

n（H2O）＝

＝100mol，

由总反应方程式：

2H2＋O2===2H2O，

知每生成2molH2O转移电子4mol，

现得到100molH2O转移电子200mol。

答案：

D

主题1：

废旧电池为什么要集中统一处理？

甲

废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等重金属和酸碱等有害物质，随意丢弃会造成土壤、水源的污染

乙

废旧电池中的有色金属是宝贵的资源，可以回收再利用

主题2：

以镍镉（Ni－Cd）可充电电池为例，探讨电池充、放电时电极发生反应的类型及书写电极反应式。

Cd＋2NiO（OH）＋2H2O

Cd（OH）2＋2Ni（OH）2（电解质溶液为KOH溶液）。

甲

放电时为原电池原理，负极发生氧化反应，电极反应式为：

Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2，正极发生还原反应，电极反应式为：

2NiO（OH）＋2H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－

乙

充电时为电解池原理，阴极发生还原反应：

电极反应式为：

Cd（OH）2＋2e－===Cd＋2OH－，阳极发生氧化反应：

电极反应式为：

2Ni（OH）2＋2OH－－2e－===2NiO（OH）＋2H2O

二次电池的工作原理

[例1]　铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：

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，阴极附近溶液的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

（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。

①放电时，

②充电时，

　你能写出镍电池

放电时的正极反应式吗？

提示：

放电时，正极发生还原反应，

其电极反应式为：

Ni2O3＋3H2O＋2e－===2Ni（OH）2＋2OH－

。

化学电源电极反应式的书写

[例2]　科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。

（甲醇的燃烧热为726.5kJ·mol－1）

在直接以甲醇为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为________________________________________________________________________，

正极的反应式为______________________________。

理想状态下，该燃料电池消耗1mol甲醇所能产生的最大电能为702.1kJ，则该燃料电池的理论效率为________（燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比）。

[解析]　在燃料电池中，通入氧气的一极是正极，通入甲醇的一极是负极，根据甲醇中碳元素的化合价变化可推知1mol甲醇转移6mol电子，故写出负极反应为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋；正极反应为

O2＋6H＋＋6e－===3H2O。

因为甲醇的燃烧热是726.5kJ·mol－1，故可求得该燃料电池的理论效率＝702.1kJ÷726.5kJ×100%＝96.6%。

[答案]　CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋

O2＋6H＋＋6e－===3H2O　96.6%

（1）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－。

（2）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。

某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如下图，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：

本题考查原电池知识，意在考查考生的分析能力。

该原电池的化学原理是H2被氧化，在负极（a极）发生反应：

H2－2e－===2H＋，H＋由a极转移到b极，D项正确；O2发生还原反应，在正极（b极）发生反应：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O，则电子从a极流向b极，A、B两项不正确；C项因未指明气体所处的温度和压强，不正确。

答案：

D