化学电源教案.docx

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化学电源教案

化学电源

适用学科

高中化学

适用年级

高中一年级

适用区域

内蒙古

课时时长（分钟）

60

知识点

化学电池的分类与工作原理

教学目标

知识与技能：

了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池；了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围；正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。

。

情感态度与价值观：

培养学生的应用能力。

让学生关注有关的生活、生产问题，感受化学的发展对当代社会发展的重要意义。

教学重点

理解化学电池工作原理；正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式

教学难点

化学电池工作原理的应用

教学过程

一、复习预习

结合学过的原电池的概念，组成结构及工作原理，复习氧化还原反应的知识内容，并列举一些巩固氧化还原反应，分析反应中转移电子数的情况，判断金属性的强弱，氧化性和还原性的强弱。

二、知识讲解

考点1：

化学电池

1．电池的分类

2．一次电池与二次电池的不同点

（1）一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度就不能使用了，如普通的锌锰干电池、碱性锌锰干电池。

（2）二次电池又称充电电池或蓄电池。

放电后可以再充电使活性物质获得再生。

这类电池可以多次重复使用，如铅蓄电池等。

考点2：

一次电池

1．锌银电池

锌银电池负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH溶液，其电极反应如下：

负极：

Zn＋2OH－－2e－=Zn（OH）2；

正极：

Ag2O＋2e－＋H2O=2Ag＋2OH－；

电池总反应式：

Zn＋Ag2O＋H2O=Zn（OH）2＋2Ag。

2．碱性锌锰电池

碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH溶液，其电极反应为：

负极：

Zn－2e－＋2OH－=Zn（OH）2；

正极：

2MnO2＋2e－＋2H2O=2MnOOH＋2OH－；

电池总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn（OH）2。

考点3：

燃料电池

1．概念

燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。

燃料电池的氧化剂和还原剂不是全部储藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此，燃料电池能连续不断地提供电能。

2．氢氧燃料电池

（1）结构（如图所示）

氢氧燃料电池示意图

（2）工作原理

电解质溶液为KOH溶液时：

电池总反应式：

2H2＋O2===2H2O

考点4：

铅蓄电池

铅蓄电池是最常见的二次电池，铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是H2SO4溶液，如图所示。

铅蓄电池的构造

工作原理：

负极：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－=PbSO4（s）（氧化反应）；正极：

PbO2（s）＋SO

（aq）＋4H＋（aq）＋2e－=PbSO4（s）＋2H2O（l）（还原反应）；总反应：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）=2PbSO4（s）＋2H2O（l）。

铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：

阴极：

PbSO4（s）＋2e－=Pb（s）＋SO

（aq）（还原反应）；阳极：

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

（aq）（氧化反应）；总反应：

2PbSO4（s）＋2H2O（l）=Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。

可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

三、例题精析

【例题1】．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液，电池总反应式为Zn＋MnO2＋H2O=ZnO＋Mn（OH）2

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MnO2＋2H2O＋2e－===Mn（OH）2＋2OH－

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

【答案】C

【解析】　本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：

锌为负极，在反应中失去电子，故A正确；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向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的原理写出正极反应式知B正确。

【例题2】最近，科学家研制出一种纸质电池，这种“软电池”采用薄层纸片作为载体和传导体，在一边附着锌，在另一边附着二氧化锰。

电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O=ZnO＋2MnOOH。

下列说法不正确的是（　　）

A．该电池Zn为负极，MnO2为正极

B．该电池的正极反应为MnO2＋e－＋H2O===MnOOH＋OH－

C．导电时外电路电子由Zn流向MnO2，内电路电子由MnO2流向Zn

D．电池工作时水分子和OH－都能通过薄层纸片

【答案】C

【解析】原电池反应中Zn失电子、MnO2得电子，因此该电池负极为Zn，正极为MnO2。

由电池总反应式减去负极反应式：

Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O即得正极反应式：

MnO2＋e－＋H2O=MnOOH＋OH－。

电子只能由Zn经外电路流向MnO2，而不能通过内电路。

四、课堂运用

【基础】

1、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．工作时电解质的密度减小

2、某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。

该电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH，以下说法不正确的是（　　）

A．放电时负极反应式为Zn－2e－＋2OH－=Zn（OH）2

B．放电时正极反应式为FeO

＋4H2O＋3e－=Fe（OH）3＋5OH－

C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化

D．充电时阳极附近的溶液的碱性减弱

答案及解析：

1、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，溶液中的H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。

2、C

解析　选项A，放电时，在碱性条件下，Zn失去电子为电池的负极：

Zn－2e－＋2OH－=Zn（OH）2；选项B，根据放电时总电池反应式减去负极反应式（电子数需相等）可得放电时正极反应式为FeO

＋4H2O＋3e－=Fe（OH）3＋5OH－；选项C，放电时，K2FeO4被还原；选项D，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH－，导致阳极附近的溶液的碱性减弱。

【巩固】

1、固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—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下图所示，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O2参加反应的a极为电池的负极

B．b极的电极反应式为H2－2e－＋O2－=H2O

C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－

D．该电池的总反应式为2H2＋O2

2H2O

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，则有关此电池推断正确的是（　　）

A．通入乙烷的电极为正极

B．参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比为7∶2

C．放电一段时间后，KOH的物质的量浓度减少

D．负极反应式为C2H6＋6H2O－14e－=2CO

＋18H＋

答案及解析：

1、　D

解析　因为电子从b电极流向a电极，所以b电极为负极，H2在该极发生氧化反应；a电极为正极，O2在该极发生还原反应。

由此推断该原电池的负极反应式为H2－2e－=2H＋，正极电极反应式为

O2＋2e－=O2－，则电池总反应式为2H2＋O2

2H2O。

2、C

解析　乙烷燃烧的化学方程式为2C2H6＋7O2→4CO2＋6H2O，在该反应中氧气得电子，乙烷失电子，因此通入氧气的电极为正极，而通入乙烷的电极为负极，故A答案错误；反应中参加反应的乙烷与氧气的物质的量之比应为2∶7，故B答案错误；考虑到该电池是以KOH为电解质溶液的，生成的CO2会和KOH反应转化成K2CO3，反应中消耗KOH，KOH的物质的量浓度减少，故C答案正确；由于该电池是以KOH溶液为电解液的，D答案中负极生成的H＋显然在溶液中是不能存在的，故D答案错误。

考虑到电解质溶液的影响，此时该电池的总反应式应为2C2H6＋8KOH＋7O2→4K2CO3＋10H2O，正极反应式为14H2O＋7O2＋28e－=28OH－（正极氧气得电子，理论上形成O2－，但该粒子在水中不稳定，必须以OH－形式存在），负极反应式可用总反应式减去正极反应式得到：

2C2H6＋36OH－－28e－=4CO

＋24H2O。

【拔高】

1、.由于Fe（OH）2极易被氧化，所以实验室很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe（OH）2沉淀，应用右图电解实验可以制得白色的纯净的Fe（OH）2沉淀，两电极材料分别为石墨和铁。

（1）a电极材料应为，电极反应式为。

（2）电解液d可以是（填编号）。

A.纯水B.NaCl溶液C.NaOH溶液D.CuCl2

（3）c为苯，其作用是，在加入苯之前对d应作何简单处理。

（4）为了在较短时间内看到白色沉淀，可采取的措施是（填编号）。

A.改用稀硫酸作电解液B.适当增大电源电压

C.适当减小两电极间的距离D.适当降低电解液的温度

（5）若d中用Na2SO4溶液，当电解一段时间看到白色Fe（OH）2沉淀后，再反接电源电

解，除了电极上看到气泡外，混合物中另一明显现象为。

2、氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。

下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。

请回答：

（1）

氢氧燃料电池的能量转化主要形式是______________，在导线中电子流动方向为________（用a、b表示）。

（2）负极反应式为_________________________________________________________。

（3）电极表面镀铂粉的原因为_______________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。

因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H2

2LiH

Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是__________，反应Ⅱ中的氧化剂是________。

②已知LiH固体密度为0.82g·cm－3，用锂吸收224L（标准状况）H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

答案及解析：

1、

（1）化学能转变为电能　a到b　

（2）2H2＋4OH－－4e－=4H2O或H2＋2OH－－2e－=2H2O　（3）增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率

（4）①Li　H2O　②1/1148或8.71×10－4　③32

解析　

（1）电池是把化学能转变为电能的装置；在电池中，电子从负极经导线流向正极，而氢氧燃料电池中通入H2的一极是负极，故电子由a流动到b。

（2）H2在负极失电子，因为电解质溶液是KOH溶液，故负极反应式为

2H2＋4OH－－4e－=4H2O。

（3）电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，从而增大反应速率。

（4）LiH中Li为＋1价，H为－1价，故反应Ⅰ中还原剂是Li，反应Ⅱ中氧化剂是H2O。

由反应Ⅰ可知吸收标准状况下224LH2时生成160gLiH，则生成的LiH的体积是

，则生成的LiH的体积与被吸收的H2的体积之比为

＝

。

由②生成的20molLiH与H2O反应，由反应Ⅱ可知生成20molH2，H2～2e－，能量转化率为80%，则通过的电子的物质的量为20mol×2×80%＝32mol。

2、答案　

（1）铁Fe-2e-=Fe2+

（2）BC

（3）液封，防止Fe（OH）2被氧化加热煮沸

（4）BC

（5）白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色

解析

（1）a极应该用铁，电极反应：

Fe-2e-===Fe2+;在反应中提供Fe2+。

（2）要生成Fe（OH）2,必须使溶液显碱性，可以通过电解使溶液显碱性，所以可以选用NaCl溶液，也可直接选用NaOH作电解液。

（3）在液体表面加一层苯的目的是起液封的作用，防止生成的Fe（OH）2被氧化；而在加入苯之前，应该对溶液d进行加热煮沸，赶出其中溶解的空气。

（4）为了加快反应速率，可以增大电源电压和适当减小两极间的距离，即B、C项措施。

（5）若用Na2SO4溶液，则会产生氧气，将生成的Fe（OH）2氧化，会看到白色沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。

课程小结

1、本节内容从生活出发，培养学生学习兴趣，由简单到复杂建立学生的自信心和学习兴趣。

让学生爱学习，想学习。

2．通过练习，引导学生自己总结各概念应用时的注意事项；通过视频实验来仔细观察，归纳总结出实验过程中的注意事项及误差分析，培养学生谨慎、认真的习惯。

3．本讲内容重在应用，多引导学生进行一定量的练习，以熟悉并掌握相关应用。

课后作业

【基础】

1．电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。

下列有关电池的叙述正确的是（　　）

A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细

B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能

C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化

D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅

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

答案及解析：

1．C

解析　因为锌锰干电池中锌棒为负极，锌棒变细，碳棒不变，故A错；原电池是将化学能直接转变为电能，所以B错；氢氧燃料电池负极反应为H2－2e－=2H＋，所以C正确；太阳能电池采用硅材料制作，故D错。

故选A。

2．B

解析　锂离子电池可以充电后再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故外电路中电流为铜流向锌，而电子是由锌流向铜，B项错误；电池的实质是把化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。

【巩固】

1．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，其电极反应式如下：

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．1.8molB．3.6molC．100molD．200mol

2．如图是甲醇燃料电池的结构示意图。

甲醇在催化剂作用下提供质子（H＋）和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应式为2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。

下列说法正确的是（　　）

A．左电极为电池的正极，a处通入的物质是甲醇

B．右电极为电池的负极，b处通入的物质是空气

C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－=CO2↑＋6H＋

D．正极反应式O2＋2H2O＋4e－=4OH－

答案及解析：

1.D

解析　n（H2O）＝

＝100mol

即每生成1molH2O则转移2mole－，当生成100molH2O时，转移200mole－。

2.C

解析　据图知，在左电极有电子流出，应为电池的负极，被氧化的物质是甲醇，在酸性电解液中产生CO2，故A错误，C正确；右电极有电子流入，应为电池的正极，B错误；由于氢离子通过质子交换膜进入正极区，所以正极反应式得到OH－是错误的。

【拔高】

1．LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。

电池反应为FePO4＋Li

LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解质。

下列有关LiFePO4电池说法正确的是（　　）

A．可加入硫酸以提高电解质的导电性

B．放电时电池内部Li＋向负极移动

C．充电过程中，电池正极材料的质量增加

D．放电时电池正极反应为：

FePO4＋Li＋＋e－=LiFePO4

2．在下图装置中，通电后可观察到Cu极溶解，则下列说法中不正确的是（）

A.直流电源中，A是正极

B.两池内CuSO4溶液浓度均不改变

C.两铁极上最初析出物相同

D.P池内溶液的质量逐渐减小

答案及解析：

1．D

解析　由于Li能和稀H2SO4、H2O反应，因此电解质不能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动；充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电子，即LiFePO4－e－=Li＋＋FePO4，因此阳极材料（LiFePO4）质量会减少；将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正极反应。

综合上述分析可知D正确。

2.B

解析解:

通电后观察到Cu极溶解，则Cu极为阳极，Fe极为阴极，则B为负极，A为正极，Pt为阳极，Fe为阴极，

A、Cu极溶解，应为电解池的阳极，则A为正极，故A正确;

B、Q池为电镀池，硫酸铜溶液的浓度不变，P池中阴极析出铜，阳极氢氧根离子放电，所以P池中铜离子的浓度会减小，故B错误;

C、Q池中Fe为阴极析出铜，P池中Fe为阴极析出铜，故C正确;

D、P池中阴极析出铜，阳极氢氧根离子放电，则P池内溶液的质量逐渐减小，故D正确.

故选B.