学年高中化学同步讲练132 化学电源2鲁科版选修4.docx

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学年高中化学同步讲练132化学电源2鲁科版选修4

第2课时　化学电源

[学习目标定位]　1.知道化学电源的分类方法。

2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。

3.知道化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。

1．原电池的设计与判断

（1）依据Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑设计原电池，可选用铁片作负极，铜片（或石墨）作正极，用导线连接后，置于电解质溶液稀硫酸中。

（2）若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，能否构成原电池？

能。

若能，请写出电极反应式，负极为Cu－2e－===Cu2＋；正极为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋。

（若不能，后两空不填）

（3）若

（2）题中电极材料选铜和铁，则负极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，正极反应式为2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋，其电池总反应的离子方程式为Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。

2．回答下列问题：

（1）电工操作上规定：

不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。

请说明原因：

当Cu、Al导线连接时，接触到潮湿的空气就易形成原电池而被腐蚀。

（2）实验室用锌与稀硫酸反应制取氢气时，常加入少量的硫酸铜溶液的原因是锌与稀硫酸反应时，加入少量CuSO4，Cu2＋被锌置换出来，生成的单质Cu附着在锌的表面，此时会发生原电池反应，锌为负极，使反应速率加快。

（3）有三种金属片a、b、c，用导线将a、b连接浸泡在硫酸铜溶液中，a质量减小，b质量增加；用导线将a、c连接浸泡在稀硫酸中，c不断溶解，a有气泡产生。

由此判断三种金属的活动性顺序是c>a>b。

探究点一　化学电池

化学电池是将化学能变成电能的装置。

其种类很多，常分为以下三类。

请你举出生活中常见的电池，并将其分类填入下表：

种类

特点（分类依据）

实例

一次电池

放完电以后不能再使用

普通锌锰电池、

碱性锌锰电池

二次电池

充电、放电可循环进行

铅蓄电池、镍氢电池

燃料电池

可通过不断充入还

原剂、氧化剂，连续使用

氢氧燃料电池、

CH4燃料电池

[归纳总结]

化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池（可充电电池）、燃料电池（连续电池）。

使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸、碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。

所以废弃电池要进行回收利用。

[活学活用]

1．下列说法错误的是（　　）

A．依据原电池的原理设计出了化学电源

B．原电池是化学电源的雏形

C．判断一种电池的优劣主要是看其负极材料的活泼性

D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源

答案　C

解析　判断一种电池的优劣主要是看这种电池的比能量或比功率的大小，以及可储存时间的长短。

2．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，使用方便，易于维护

D．废旧电池可以随意丢弃

答案　D

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利用。

探究点二　常见的化学电池

1．一次电池

（1）碱性锌锰干电池是一种常用的一次电池，其负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液。

①负极反应式：

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，

②正极反应式：

MnO2＋2H2O＋2e－===Mn（OH）2＋2OH－，

③总反应式：

Zn＋MnO2＋H2O===Mn（OH）2＋ZnO。

（2）锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。

试根据总反应式Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag判断：

①负极是Zn，其依据是在总反应式中锌元素化合价升高，失去电子，锌为负极。

②正极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，反应类型是还原反应。

2．二次电池

铅蓄电池是常见的二次电池，其负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。

已知铅蓄电池的放电反应和充电反应表示如下：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O

（1）请你分析并写出铅蓄电池放电时的电极反应式

负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4；

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

（2）铅蓄电池充电时，发生氧化反应的物质是PbSO4，其电极反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

；发生还原反应的物质是PbSO4，其电极反应式是PbSO4＋2e－===Pb＋SO

。

（3）放电过程中，电解质溶液的pH变化是变大，理由是H2SO4不断被消耗，使[H＋]减小，pH增大。

3．燃料电池

（1）氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料（H2）和氧化剂（O2），分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。

氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应

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－

（2）燃料电池的燃料除氢气外，还有烃类、醇类、煤气、氨气、肼等气体或液体。

若用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入甲醇（CH3OH）和氧气，发生原电池反应。

在负极发生氧化反应的是CH3OH，其产物最终是H2O、CO

，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO

＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO

＋6H2O。

[归纳总结]

1．常见化学电池的比较

（1）一次电池：

活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。

（2）二次电池：

两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。

（3）燃料电池：

两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续使用。

2．书写化学电池中电极反应式注意的问题

（1）正确判断出化学电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

（2）确认电极得失电子后的产物是否能与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

（3）在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，无论该离子是强电解质提供的，还是弱电解质提供的，一律写离子符号。

（4）书写二次电池的电极反应式时，要注意判断充电方向与放电方向。

放电时的电极反应式倒过来即为充电时的电极反应式（注意电子的得失）。

[活学活用]

3．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）。

下列说法中，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，锌的质量减少6.5g

答案　C

解析　本题要求利用原电池原理分析碱性锌锰电池：

锌为负极，在反应中失去电子；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子移动方向与电流方向相反，故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池原理写出正极反应式知B正确。

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

A．Pb为正极被氧化B．溶液的pH不断减小

C．SO

只向PbO2处移动D．电解质溶液pH不断增大

答案　D

解析　由题给电池反应可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，所以B错，D对；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，负电荷（SO

和OH－）移向Pb极，所以C不正确。

5．用两根铂丝作电极插入KOH溶液中，再分别向两极通入甲烷气体和氧气，可形成原电池——燃料电池，该电池放电时发生的反应为CH4＋2KOH＋2O2===K2CO3＋3H2O，下列说法错误的是（　　）

A．通甲烷的一极为负极，通氧气的一极为正极

B．放电时，通入O2一极附近溶液的pH升高

C．放电一段时间后，KOH的物质的量不发生变化

D．通甲烷极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

答案　C

解析　原电池的负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由总反应式知，此燃料电池的电极反应式是

正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

由此可见A、B、D正确，错误的为C。

1．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应为

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

总反应为Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag

根据上述反应式，判断下列叙述中正确的是（　　）

A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大

B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn极

C．Zn是负极，Ag2O是正极

D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应

答案　C

解析　根据电极反应可知Zn失电子被氧化而溶解，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，所以C正确；负极（即Zn极）在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；发生原电池反应时，电子由负极经外电路流向正极，即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极，故B错误；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。

2．一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，其电极反应式为C2H6＋18OH－－14e－===2CO

＋12H2O、7H2O＋

O2＋14e－===14OH－，有关此电池的推断正确的是（　　）

A．通氧气的电极为负极

B．参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为7∶2

C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度不变

D．电解质溶液中，CO

向正极移动

答案　B

解析　燃料电池中，燃料为负极，氧气为正极，A不正确；由于KOH参与电极反应，所以KOH的物质的量浓度减小，C不正确；电解质溶液中，CO

几乎不移动，D不正确。

3．我国首创的海洋电池以铝板为负极，铂网为正极，海水为电解质溶液，空气中的氧气与铝反应产生电流。

电池总反应为4Al＋3O2＋6H2O===4Al（OH）3，下列说法不正确的是（　　）

A．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．电池工作时，电流由铝电极沿导线流向铂电极

C．以网状的铂为正极，可增大与氧气的接触面积

D．该电池通常只需更换铝板就可继续使用

答案　B

解析　该原电池负极反应为Al－3e－===Al3＋，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，工作时电子由负极流向正极，而电流由正极流向负极，答案为B。

4．

（1）今有反应2H2＋O2

2H2O，要构成燃料电池，则负极通入的应是____________，正极通入的应是_____________________________________________________，

电极反应式分别为__________________________________________________、

________________________________________________________________________。

（2）如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液，则电极反应式分别为__________________、

________________________________________________________________________。

（3）上述

（1）和

（2）的电解质溶液不同，反应进行后，

（1）中溶液pH变________（填“大”或“小”，下同），

（2）中溶液pH变________。

（4）如把H2改为甲烷，KOH溶液作电解质溶液，则电极反应式分别为

________________________________________________________________________、

________________________________________________________________________。

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　（3）小　大　（4）负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O　正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

解析　解答此题的关键是弄清原电池的有关概念。

（1）根据总反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，H2应在负极上反应，O2应在正极上反应，又因为是碱性溶液不可能有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－。

（2）若将电解质溶液换成酸性溶液，此时应考虑不可能有OH－参加反应，也不可能有OH－生成，负极：

2H2－4e－===4H＋，正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（3）由于

（1）是在碱性条件下反应，KOH量不变，但工作时H2O增多，故溶液变稀，pH将变小；而

（2）中为酸溶液，H2SO4不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。

（4）如把H2改为甲烷，用KOH溶液作电解质溶液，则负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O，正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，此时不会有CO2放出。

[基础过关]

一、常见的化学电池

1．下列说法正确的是（　　）

A．碱性锌锰电池是二次电池

B．铅蓄电池是一次电池

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D．燃料电池的活性物质大量储存在电池内部

答案　C

解析　碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池。

2．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

答案　B

解析　原电池中，电子从负极锌沿外电路流向正极铜。

3．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2O

PbO2＋Pb＋2H2SO4

下列对铅蓄电池的说法错误的是（　　）

A．需要定期补充硫酸

B．工作时铅是负极，PbO2是正极

C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO

===PbSO4

D．工作时电解质溶液的密度减小

答案　A

解析　铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO

生成PbSO4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

4．氢氧燃料电池已用于航天飞机，它以铂作电极，KOH溶液作电解质，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，负极反应为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，下列叙述不正确的是（　　）

A．H2在负极发生氧化反应

B．燃料电池的能量转化率可达100%

C．是一种高效、环保的发电装置

D．供电时的总反应为2H2＋O2===2H2O

答案　B

解析　该燃料电池中，通H2的电极作负极，发生氧化反应；通O2的电极为正极，发生还原反应，总反应式为2H2＋O2===2H2O，是一种高效、环保的发电装置，燃料电池的能量转化率虽然比燃料直接燃烧时高，但也达不到100%。

二、根据电极反应式或总反应式分析电池的有关变化

5．市场上经常见到的标记为Liion的电池称为“锂离子电池”。

它的负极材料是金属锂和碳的复合材料（碳作为金属锂的载体），电解质为一种能传导Li＋的高分子材料。

这种锂离子电池的电池反应式为Li＋2Li0.35NiO2

2Li0.85NiO2，下列说法不正确的是（　　）

A．放电时，负极的电极反应式：

Li－e－===Li＋

B．充电时，Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应

C．该电池不能用水溶液作为电解质溶液

D．放电过程中Li＋向负极移动

答案　D

解析　A项，Li从零价升至正价，失去电子，作负极，正确；B项，反应逆向进行，反应物只有一种，化合价既有升，又有降，所以既发生氧化反应又发生还原反应，正确；C项，由于Li可以与水反应，故不能用水溶液作为电解质溶液，正确；D项，原电池中阳离子应迁移至正极得电子，故错。

6．甲醇燃料电池（DMFC）可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；电解质是质子交换膜，它能传导氢离子（H＋）。

电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

下列叙述中不正确的是（　　）

A．负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

B．电池的总反应式是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．电池工作时，H＋由正极移向负极

D．电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路再从通入氧气的一极流入

答案　C

解析　首先判断出通入甲醇的一极失去电子作负极，通入氧气的一极得到电子作正极。

根据所学相关知识可知，B项电池的总反应式是正确的；电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式，就得到了负极反应式，A项也正确；电池工作时，H＋移向正极而不是移向负极，所以C项错误。

7．LiAl/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe

有关该电池的下列说法中，正确的是（　　）

A．LiAl在电池中作为负极材料，该材料中Li的化合价为＋1价

B．该电池的电池反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应式为Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

答案　B

解析　由正极的电极反应式知，在负极上Li失去电子被氧化，所以LiAl在电池中作为负极材料。

该材料中Li的化合价为0价，故A项错误；负极的电极反应式为2Li－2e－===2Li＋，故C项错误；该电池的电池反应式为正、负极的电极反应式之和：

2Li＋FeS===Li2S＋Fe，故B项正确；由于充电时阴极发生还原反应，所以阴极的电极反应式为2Li＋＋2e－===2Li，故D项错误。

三、新型电池的开发利用

8．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。

电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。

下列对该燃料电池的说法不正确的是（　　）

A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极

B．该电池的总反应是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O

C．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙　烷被完全氧化

D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O

答案　A

解析　该燃料电池的化学原理是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O，B正确；放电过程中通入丙烷的电极为负极：

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O，D正确；通入O2的电极为正极：

O2＋4e－===2O2－，产生的O2－将向负极移动，A项错。

9．美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁过氧化氢燃料电池系统。

其工作原理如图所示。

以下说法中错误的是（　　）

A．电池的负极反应为Mg－2e－===Mg2＋

B．电池工作时，H＋向负极移动

C．电池工作一段时间后，溶液的pH增大

D．电池总反应式是Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

答案　B

解析　MgH2O2燃料电池中Mg作负极：

Mg－2e－===Mg2＋，Pt作正极：

H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，总反应式为Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，消耗H＋，使[H＋]减小，pH增大，且H＋移向正极。

10．如图是一种航天器能量储存系统原理示意图。

下列说法正确的是（　　）

A．该系统中只存在3种形式的能量转化

B．装置Y中负极的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

答案　C

解析　A项，该系统有太阳能转化为电能，电能转化为化学能，化学能转化为电能，电能转化为机械能，太阳能转化为机械能多种能量转化形式，A项错；B项，装置Y为原电池，负极发生氧化反应，应是H2反应，B项错；C项，装置X为电解池，其作用是将水转化为燃料（氢气）和氧化剂（氧气），C项正确；D项，化学能与电能间不可能完全转化，D项错。

[能力提升]

11．某原电池中，电解质溶液为KOH（aq），向负极通入C2H4或Al（g），向正极通入O2或Cl2。

试完成下列问题：

（1）当分别通入C2H4和O2时：

①正极反应：

________________________________________________；

②负极反应：

________________________________________________；

③电池总反应：

______________________________________________。

（2）当分别通入少量Al（g）和Cl2时：

①正极反应：

____________________________________________________；

②负极反应：

____________________________________________________；

③电池总反应：

_________________________________________________。

答案　

（1）①3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

②C2H4＋16OH－－12e－===2CO

＋10H2O

③C2H4＋3O2＋4OH－===2CO

＋4H2O

（2）①3Cl2＋6e－===6Cl－

②2Al（g）－6e－＋8OH－===2[Al（OH）4]－

③2Al（g）＋3Cl2＋8OH－===2[Al（OH）4]－＋6Cl－

12．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电能的