新版高中化学22发展中的化学电源第2课时课时作业新人教版必修2.docx

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新版高中化学22发展中的化学电源第2课时课时作业新人教版必修2

第2课时发展中的化学电源

[目标导航]　1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。

2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。

一、常见的化学电源

1．锌锰干电池

（1）结构：

锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质。

（2）原理：

锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。

负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH

＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。

（3）缺陷与改进：

锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。

改进措施：

①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。

2．充电电池

（1）充电电池又称二次电池。

充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。

充电电池中能量的转化关系是：

化学能

电能。

（2）常见的充电电池

①铅蓄电池

负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。

②镍镉电池

以Cd为负极，NiO（OH）为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。

③碱金属中的Li是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。

锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。

3．燃料电池

（1）燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。

（2）燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。

与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。

（3）以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：

负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O（氧化反应）；

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－（还原反应）；

总反应：

2H2＋O2===2H2O。

【议一议】

1．判断正误

（1）锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。

（　　）

（2）氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。

（　　）

（3）氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。

（　　）

（4）太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）×

二、原电池电极反应式的书写方法

1．负极反应式的书写

先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。

（1）锌锰干电池（Zn—C—NH4Cl）的负极是Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2＋，Zn2＋与电解质溶液成分不反应，负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋。

（2）铅蓄电池（Pb—PbO2—H2SO4）的负极是Pb，其负极反应特点是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与电解质溶液中的SO

反应生成PbSO4，负极反应式是Pb－2e－＋SO

===PbSO4。

（3）氢氧燃料电池（Pt—Pt—KOH）的负极是Pt，其负极反应特点是燃料氢气在惰性电极（Pt）上失去电子生成H＋，H＋与电解质溶液中的OH－反应生成H2O，负极反应式是H2－2e－＋2OH－===2H2O。

2．正极反应式的书写

（1）首先判断在正极发生反应的物质

①当负极材料与电解质溶液能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；

②当负极材料与电解质溶液不能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。

（2）然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应要叠加在一起书写。

（3）甲烷燃料电池用铂作电极插入KOH溶液中，其正极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；铜锌原电池（Zn－Cu－H2SO4）的正极反应式是2H＋＋2e－===H2↑。

【议一议】

2．有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中有一定浓度的O2和H2O进行工作。

请讨论解答：

（1）负极材料是________，电极反应为___________________________________。

（2）正极材料是________，电极反应为__________________________________。

答案　

（1）锌　2Zn－4e－===2Zn2＋

（2）铂　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

解析　以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的O2得到电子被还原。

正极的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；负极的反应为2Zn－4e－===2Zn2＋。

一、原电池电极反应式的书写

【例1】　锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。

某种锂电池的总反应为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是（　　）

A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋

B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋

C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO

D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋

答案　B

解析　根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。

归纳总结

书写原电池电极反应式时注意的问题：

（1）正确判断原电池的负极和正极，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，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号（而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示）。

变式训练1　可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。

下列说法正确的是（　　）

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正极反应都为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：

Al＋3OH－－3e－===Al（OH）3↓

C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

答案　A

解析　当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，A项是正确的；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为Al＋4OH－－3e－===AlO

＋2H2O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为4Al＋3O2＋4OH－===4AlO

＋2H2O，溶液的碱性减弱，C项是错误的；电池工作时，电子从负极流出来经过外电路流向正极，D项是错误的。

二、燃料电池

【例2】　燃料电池是燃料（如CO、H2、CH4等）跟氧气（或空气）起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是（　　）

A．负极反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

B．负极反应式：

CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O

C．随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变

D．放电时溶液中的阴离子向负极移动

答案　D

解析　O2＋2H2O＋4e－===4OH－应为正极反应式。

燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根。

所以负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O。

由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c（OH－）将减小。

归纳总结

常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。

燃料电池的正极反应物一般为氧气。

电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电池以碱为电解质，其放电原理为：

负极（H2）反应式：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O（氧化反应）

正极（O2）反应式：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－（还原反应）

电池总反应式：

2H2＋O2===2H2O

氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为：

负极（H2）反应式：

2H2－4e－===4H＋（氧化反应）

正极（O2）反应式：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O（还原反应）

电池总反应式：

2H2＋O2===2H2O

变式训练2　燃料电池是目前电池研究的热点之一。

现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示a、b均为惰性电极。

下列叙述不正确的是（　　）

A．a极是负极，该电极上发生氧化反应

B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===2H2O

C．总反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

答案　B

解析　A项a极通H2为负极，电极反应为：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O发生氧化反应；B项，b极通O2为正极，电极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B项不正确；C项：

正负极电极反应式相加得总反应为2H2＋O2===2H2O；D项：

氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源。

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．化学电源即为可充电电池

答案　A

解析　由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中转环节，所以化学电源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位；化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严重的污染；有些化学电源是可充电电源（如镍镉电池），有些是不可充电的（如干电池）。

2．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。

有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是（　　）

A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气

B．碳棒取出洗净用作电极

C．把铜帽取下洗净回收利用

D．电池内部填有NH4Cl等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用

答案　D

解析　虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。

3.

右图为生活中常用的锌锰干电池的示意图，下列有关说法中不正确的是（　　）

A．电池内部含有电解质

B．锌是负极，石墨棒是正极

C．电池用完后可埋入土壤

D．锌锰干电池是一次性电池

答案　C

解析　锌锰干电池是一次性电池，负极材料是Zn，正极材料是石墨棒，电解质溶液是NH4Cl糊。

因为废电池中含有多种重金属、酸、碱等有害物质，随意丢弃对生态环境和公众健康危害很大，故应对废电池进行集中处理，不能埋入土壤。

4．汽车的启动电源常用铅蓄电池。

其结构如下图所示，放电时的电池反应如下：

PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O

根据此反应判断下列叙述中正确的是（　　）

A．PbO2是电池的负极

B．Pb是负极

C．PbO2得电子，被氧化

D．电池放电时，溶液酸性增强

答案　B

解析　根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb＋SO

－2e－===PbSO4，故B项正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。

5．

（1）高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。

高铁电池的总反应为：

3Zn＋2K2FeO4＋8H2O

3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH。

请回答下列问题：

①高铁电池的负极材料是________。

②放电时，正极发生________（填“氧化”或“还原”）

反应：

已知负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，则正极反应为_________。

③放电时，________（填“正”或“负”）极附近溶液的碱性增强。

（2）某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b均为惰性电极。

①使用时，空气从________口通入（填“A”或“B”）；

②假设使用的“燃料”是甲醇（CH3OH），a极的电极反应式为_______________________________；

答案　

（1）①Zn　②还原　FeO

＋3e－＋4H2O===Fe（OH）3＋5OH－　③正　

（2）①B　②CH3OH－6e－＋8OH－===CO

＋6H2O

解析　

（1）高铁电池放电时为原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。

总反应式减去负极反应式得正极反应式，正极生成OH－，故此极附近溶液碱性增强。

（2）由电子流动方向可知a为负极，b为正极，空气应从B口通入，容易写出总反应式和正极反应式，两者相减得出负极反应式。

[经典基础题]

题组1　电池及电极判断

1．下列化学电池不易造成环境污染的是（　　）

A．氢氧燃料电池B．锌锰电池

C．镍镉电池D．铅蓄电池

答案　A

2．下列说法正确的是（　　）

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应

D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2

答案　C

解析　碱性锌锰干电池是一次电池，燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池，铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。

3．已知空气－锌电池的电极反应为

锌片：

Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；

碳棒：

O2＋H2O＋2e－===2OH－，

据此判断，锌片是（　　）

A．正极并被还原B．正极并被氧化

C．负极并被还原D．负极并被氧化

答案　D

解析　Zn失电子作负极，被氧化。

4．据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。

其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解质溶液和空气。

则下列叙述正确的是（　　）

A．锌为正极，空气进入负极反应

B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

C．正极发生氧化反应

D．电解质溶液为强酸

答案　B

解析　Zn与O2反应的电子转移情况为

===2ZnO，所以Zn作负极，负极发生氧化反应，Zn－2e－===Zn2＋。

O2是正极反应物，发生还原反应。

若电解质溶液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。

题组2　各种燃料电池的突破

5．镁燃料电池具有比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。

研究的燃料电池可分为镁—空气燃料电池，镁—海水燃料电池，镁—过氧化氢燃料电池，镁—次氯酸盐燃料电池。

如图为镁—次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是（　　）

A．放电过程中OH－移向正极

B．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋H2O===Mg（OH）2↓＋Cl－

C．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应

D．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：

H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O

答案　A

解析　根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。

镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成Mg2＋，碱性溶液生成Mg（OH）2。

ClO－在正极反应，由图可知有Cl－和OH－生成，OH－向负极移动，生成Mg（OH）2。

6．右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。

下列说法不正确的是（　　）

A．该电池的负极反应式为：

CH3CH2OH＋3H2O－

12e－===2CO2↑＋12H＋

B．该电池的正极反应式为：

O2＋4e－＋4H＋===2H2O

C．电流由O2所在的铂电极经外电路流向另一电极

D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量

答案　A

解析　本题的关键是读图。

由图示可知，呼气时进去的是CH3CH2OH出来的是CH3COOH，负极的电极反应为：

CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋，A错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成H2O，B正确；电流由正极流向负极，C正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D正确。

7．2012年6月16日18时37分24秒，神舟九号成功发射。

飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。

该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。

已知该燃料电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋CO

－2e－===CO2↑＋H2O，则下列推断正确的是（　　）

A．电池工作时，CO

向负极移动

B．电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极

C．正极的电极反应为4OH－－2e－===O2↑＋2H2O

D．通氧气的电极为正极，发生氧化反应

答案　A

解析　原电池放电时，电子由负极经外电路流向正极，B错误；正极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，C错误；通氧气一极为正极，发生还原反应，D错误。

题组3　有关电池的计算

8．实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取Cl2，已知铅蓄电池放电时发生如下反应：

负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4

正极：

PbO2＋4H＋＋SO

＋2e－===PbSO4＋2H2O

今欲制得Cl20.050mol，这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是（　　）

A．0.025molB．0.050mol

C．0.10molD．0.20mol

答案　C

解析　要求得硫酸的量，需首先找出铅蓄电池的总反应。

将上述两个电极反应合并可得：

Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。

而在制取Cl2时，每生成1molCl2，电子转移2mol，现需要转移电子0.050mol×2＝0.100mol。

由铅蓄电池总反应可知，每转移0.100mol电子，将消耗0.100mol硫酸。

9．燃料电池是目前正在探索的一种新型电池。

它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用的氢氧燃料电池的基本反应是

x极：

O2（气）＋2H2O（液）＋4e－===4OH－

y极：

H2（气）＋2OH－－2e－===2H2O（液）

回答下列问题：

（1）x是________极，发生________反应。

（填“氧化”或“还原”，下同）

（2）y是________极，发生________反应。

总反应方程式为___________________________________________________。

（3）若反应后得到5.4g液态水，此时氢氧燃料电池转移的电子数为________。

答案　

（1）正　还原　

（2）负　氧化　2H2＋O2===2H2O　（3）0.6NA

解析　

（1）x极：

O2得电子发生还原反应，所以为正极。

（2）y极：

H2失电子发生氧化反应，所以为负极。

x极，y极得失电子应相同，故x极电极方程式与y极电极方程式乘以2相加得总反应方程式为2H2＋O2===2H2O。

（3）4mole－～2H2O

4mol2×18g

n（e－）5.4g

n（e－）＝0.6mol。

[能力提升题]

10．Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。

（1）该电池的负极材料是________。

电池工作时，电子流向________（填“正极”或“负极”）。

（2）若ZnCl2－NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2＋，会加速其电极的腐蚀，其主要原因是______________________________________________________。

欲除去Cu2＋，最好选用下列试剂中的________（填代号）。

A．NaOHB．ZnC．FeD．NH3·H2O

答案　

（1）Zn（或锌）　正极　

（2）锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀　B

解析　

（1）负极是失电子的一极，Zn失电子由负极经外电路流向正极。

（2）锌与还原出来的Cu构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。

除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn将Cu2＋置换为单质而除去。

11．如下图所示，可形成氢氧燃料电池。

通常氢氧燃料电池有酸式（当电解质溶液为硫酸时）和碱式〔当电解质溶液为NaOH（aq）或KOH（aq）时〕两种。

试回答下列问题：

（1）酸式电池的电极反应：

负极_______________________________，

正极__________；电池总反应：

_____________________________________；

电解质溶液pH的变化________（填“变大”“变小”或“不变”）。

（2）碱式电池的电极反应：

负极________________________________________，

正极____________；电池总反应：

_____________________________________；

电解质溶液pH的变化________（填“变大”“变小”或“不变”）。

答案　

（1）2H2－4e－===4H＋　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　2H2＋O2===2H2O　变大

（2）2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋4e－＋2H2O===4OH－　2H2＋O2===2H2O　变小

解析　

（1）正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，酸性条件下与H＋结合生成H2O；负极上，H2失电子变为H＋，H＋进入电解质溶液。

电池总反应为H2和O2生成水的反应，由于有水生成，溶液将逐渐变稀，故pH增大。

（2）正极上，O2得电子变为O2－，溶液中O2－不能单独存在，碱性条件下与H2O分子结合生成OH－；负极上，H2失去电子变为H＋，碱性条件下H＋不能大量存在，与OH－结合生成水。

电池总反应也是H2和O2生成水的反应。

同样，由于有水生成，c（OH－）变小，pH变小。

12．Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。

该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质溶液是LiAlCl4－SOCl2。

电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。

请回答下列问题：

（1）电池的负极材料为________，发生的电极反应为____________________；

（2）电池正极发生的电极反应为_______________________________________；

（3）SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收