高中化学 42 化学电源教案 新人教版选修4.docx

高中化学 42 化学电源教案 新人教版选修4.docx

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高中化学42化学电源教案新人教版选修4

第二节化学电源

●课标要求

通过查阅资料了解常见化学电源的种类及其工作原理，认识化学能与电能转化的实际意义及其应用。

●课标解读

1.了解几种常见化学电源，一次、二次、燃料电池的工作原理。

2．正确书写有关电池的电极反应和电池反应。

●教学地位

化学电池是依据原电池原理开发的具有很强的实用性和广阔的应用范围的技术产品。

本节的教学是理论知识在实践中的延伸和拓展，将抽象的理论和学生在日常生活中积累的感性体验联系起来，帮助学生进一步的深入认识化学电池。

简介了三种电池的基本构造，工作原理，性能和适用范围。

同时向学生渗透绿色环保的意识。

●新课导入建议

当一个人的心脏跳动过慢时，医生会建议他安装一个心脏起搏器，借助化学反应产生的电流来延长生命。

该用什么材料制作这样的电池呢？

经过科学家的长期研究，发明的这种电池叫做锂电池。

那除了这种电池外，还有其他的一些电池。

让我们一起来了解化学电源的多样性吧！

●教学流程设计

课前预习安排：

（1）看教材P74页，填写【课前自主导学】中的“知识1，化学电池”。

（2）看教材P75～77页，填写【课前自主导学】中的“知识2，几种常见的化学电池”，并完成【思考交流】。

⇒步骤1：

导入新课、本课时的教材地位分析。

⇒步骤2：

建议对【思考交流】多提问几个学生，使80%以上的学生都能掌握该内容，以利于下一步对该重点知识的探究。

步骤6：

先让学生自主总结本课时学习的主要知识，然后对照【课堂小结】以明确掌握已学的内容、安排学生课下完成【课后知能检测】。

⇐步骤5：

在老师指导下完成【变式训练】和【当堂双基达标】中的题目，验证学生对探究点的理解掌握情况。

⇐步骤4：

教师通过【例题】和教材P55～57页讲解研析对“探究”中的电极反应进行总结。

⇐步骤3：

师生互动完成探究点“化学电源中电极反应式的书写”可利用【问题导思】设置的问题由浅入深地进行。

建议教师除【例1】外，使用【教师备课资源】中例题，以拓展学生的思路。

课　标　解　读

重　点　难　点

1.了解电池的分类、特点及适用范围。

2.了解几类化学电池的构造、原理。

3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池的危害。

1.一次、二次、燃料电池的构造及工作原理。

（重点）

2.原电池电极反应式的书写。

（重难点）

化学电池

1.概念：

是将化学能直接转化为电能的装置。

化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极，使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。

2．类型

几种常见化学电池

1.一次电池（碱性锌锰电池）

（1）构成：

负极Zn，正极MnO2，电解质KOH。

（2）电极反应：

负极：

Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

正极：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

总反应：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2

2．二次电池（蓄电池）

（1）构成：

负极Pb、正极PbO2，电解质H2SO4溶液

（2）工作原理

①放电：

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：

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）；

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）。

上述充放电反应可写成一个可逆反应方程式：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）。

3．燃料电池

（1）工作原理

①连续地将燃料（如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体）和氧化剂的化学能直接转换成电能。

②电极材料本身不发生氧化还原反应。

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）氢氧燃料电池

①电极材料Pt，酸性电解质。

②电极反应：

负极：

H2－2e－===2H＋

正极：

O2＋2H＋＋2e－===H2O

总反应：

H2＋

O2===H2O

若把氢氧燃料电池中的酸性介质换成碱性介质，其电极反应式怎样写？

【提示】　负极：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

总反应：

2H2＋O2===2H2O

化学电源中电极反应式的书写

【问题导思】　

①化学电源中正、负极是什么物质得、失电子？

【提示】　正极：

阳离子得到电子生成单质或O2得电子。

负极：

活泼金属或H2失去电子。

②氢氧燃料电池在酸性电解质和碱性电解质中的总反应实质相同吗？

【提示】　相同，都为2H2＋O2===2H2O

1．根据装置书写电极反应式

（1）先分析题目给定的图示装置，确定原电池正、负极上的反应物，并标出相同数目电子的得失。

（2）电极反应式的书写。

负极：

活泼金属或H2失去电子生成阳离子，若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。

如铅蓄电池，负极：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

正极：

阳离子得到电子生成单质，或O2得到电子。

若反应物是O2，则：

电解质是碱性或中性溶液：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

电解质是酸性溶液：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（3）正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。

2．给出总反应式，写电极反应式

分析反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况）→选择一个简单的变化情况去写电极反应式→

另一极的电极反应直接写出或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果

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如下：

（1）根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定2molH2失掉4mol电子，初步确定负极反应式为2H2－4e－===4H＋。

（2）根据电解质溶液为碱性，与H＋不能共存，反应生成水，推出OH－应写入负极反应式中，故负极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O。

（3）用总反应式2H2＋O2===2H2O减去负极反应式得正极反应式：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

3．可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。

（1）原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高。

（2）原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。

书写电极反应式应注意电解质溶液的影响。

（1）中性溶液反应物中无H＋或OH－。

（2）酸性溶液反应物，生成物均无OH－。

（3）碱性溶液反应物，生成物中均无H＋。

（4）水溶液不能出现O2－。

（1）今有2H2＋O2KOH,2H2O反应，构成燃料电池，则负极通的应是________，正极通的应是______，电极反应式分别为______________、______________。

（2）如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液，则电极反应式为__________________、_____________________。

（1）和

（2）的电解液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？

_______________________________。

（3）如把H2改为甲烷、KOH作导电物质，则电极反应式为：

________________、__________________。

【解析】　根据电池反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，因此H2应在负极上反应，O2应在正极上反应。

又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有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－。

若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有OH－参加或生成，故负极：

2H2－4e－===4H＋，正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

由于前者在碱性条件下反应KOH量不变，但工作时H2O增多故溶液变稀碱性变小，pH将变小。

而后者为酸溶液，H2SO4量不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。

如把H2改为甲烷用KOH作导电物质，根据反应CH4＋2O2===CO2＋2H2O，则负极为发生氧化反应的CH4，正极为发生还原反应的O2，由于有KOH存在，此时不会有CO2放出。

【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　

（1）变小，

（2）变大

（3）负极：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

正极：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

常见燃料电池的电极反应

在燃料电池中，电解质溶液参与电极反应，电解质酸碱性的改变，引起电极反应的变化，但不影响燃料及O2的性质。

电极反应在遵守质量守恒定律、电荷守恒、电子得失守恒的同时，还要特别考虑电解质溶液是否参与反应。

（1）甲烷燃料电池。

电解质：

KOH

正极（通O2）：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

负极（通CH4）：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

总反应：

CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O

（2）甲醇燃料电池。

电解质：

KOH

正极：

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

负极：

2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO

＋12H2O

总反应：

2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O

（3）肼燃料电池。

电解质：

KOH

正极：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

负极：

N2H4＋4OH－－4e－===N2↑＋4H2O

总反应：

N2H4＋O2===N2＋2H2O

（4）熔融盐燃料电池。

熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视。

可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。

有关的电池反应式为：

正极：

O2＋2CO2＋4e－===2CO

负极：

2CO＋2CO

－4e－===4CO2

总反应：

2CO＋O2===2CO2

固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。

它以固体氧化锆一氧化钇为电解质，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放电的a极为电池的负极

B．有H2放电的b极为电池的正极

C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

D．该电池的总反应方程式为2H2＋O2高温,2H2O

【解析】　固体介质允许O2－通过，说明为非水体系，因此C项中a极反应式不正确，这种表达是水溶液中进行的反应，a极反应式应该是：

O2＋2e－===O2－，b极反应：

H2－2e－===2H＋，总反应方程式是H2＋

O2高温,H2O。

【答案】　D

【教师备课资源】

　碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，故得到广泛应用。

锌锰碱性电池以KOH溶液为电解液，电池总反应式为Zn（s）＋2MnO2（s）＋2H2O（l）===Zn（OH）2（s）＋2MnOOH（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）＋2H2O（l）＋2e－===2MnOOH（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，锌的质量理论上减小6.5g

【解析】　根据题意，该电池的负极材料是锌。

电池工作时，锌本身失去电子而发生氧化反应，失去的电子通过外电路移向另一极（正极）。

在该电极上，MnO2获得电子发生还原反应生成MnOOH：

2MnO2＋2e－―→2MnOOH。

从元素守恒的角度来看，右侧还多2个氢。

在碱性溶液中不出现H＋，故正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

反应中，失去0.2mol电子，消耗掉0.1mol锌，质量为6.5g。

【答案】　C

化学电池一次电池二次电池燃料电池电极材料电解质电极反应主要特点

1．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

【解析】　锂离子电池可以充电，再次使用，属于二次电池，A项正确；铜锌原电池中铜为正极，故电流从铜电极流向锌电极，而电子是由锌电极流向铜电极，B项错；电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。

【答案】　B

2．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。

航标灯的电源必须长效、稳定。

我国科技工作者研制出以铝合金、PtFe合金网为电极材料的海水电池。

在这种电池中

（　　）

①铝合金是阳极　②铝合金是负极　③海水是电解液

④铝合金电极发生还原反应

A．②③　　　　　　　　B．②④

C．①②D．①④

【解析】　较活泼的铝合金为负极（②对）。

PtFe合金网为正极，海水是电解液（③对）。

负极上发生氧化反应（④错）。

【答案】　A

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

4．锌锰干电池的两极分别为碳棒和锌皮，在放电时电池总反应方程式可以表示为：

Zn＋2MnO2＋2NH

Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O。

根据上述信息，下列结论正确的是（　　）

A．放电时正极发生反应的物质为NH

B．Zn为负极，碳为正极

C．工作时，电子由碳极经外电路流向Zn极

D．长时间连续使用该电池时，内装糊状物不会流出

【解析】　在电池的正极上发生的是得电子的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。

由锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH

发生的反应为正极反应。

根据原电池的工作原理可知，相对活泼（指金属性）的一极为负极，相对不活泼的一极为正极，B项正确；在外电路，电子从负极流向正极，C项错误；长时间连续使用该电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，糊状物很可能流出而腐蚀用电器，D项错误。

【答案】　B

5．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事目的。

一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨化为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

回答下列问题：

（1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是

______________________________。

（2）此电池的正极发生的电极反应式是________，负极发生的电极反应式是__________________。

（3）电解液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

（4）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：

首先是燃料电池的能量转化效率高，其次是________。

【解析】　甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。

CH3OH在负极发生氧化反应，电极反应式为2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋；氧气在正极反应：

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，两反应式相加即得总反应式。

在电池中，负极释放出电子移动到正极上，故向外电路释放电子的电极为负极。

在原电池的内电路中，阳离子向正极移动，故H＋向正极移动。

甲醇反应产物为CO2和H2O，对环境无污染。

【答案】　

（1）2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

（2）3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋

（3）正　负极　（4）对环境无污染

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

【解析】　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。

【答案】　C

2．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。

铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。

关于标有“＋”的接线柱，下列说法中正确的是（　　）

A．充电时作阳极，放电时作正极

B．充电时作阳极，放电时作负极

C．充电时作阴极，放电时作负极

D．充电时作阴极，放电时作正极

【解析】　“＋”接线柱放电时为原电池正极，充电时与外接电源正极相连，作阳极A正确。

【答案】　A

3．研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为：

5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl

下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是（　　）

A．正极反应式：

Ag＋Cl－－e－===AgCl

B．每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子

C．Na＋不断向“水”电池的负极移动

D．AgCl是还原产物

【解析】　根据总反应中化合价的升降和正极、负极的反应原理，正极反应为5MnO2＋2e－===Mn5O

，负极反应为2Ag＋2Cl－－2e－===2AgCl，A项错误，B项正确；C项，阳离子向正极移动，错误；D项，AgCl是氧化产物，错误。

【答案】　B

4．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

【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；太阳能电池的主要材料是硅，D错。

【答案】　C

5．不久前，美国一个海军航空站安装了一台250kW的MCFC型燃料电池。

该电池可同时供应电和蒸气，其燃料为H2，电解质为熔融的K2CO3，工作温度为600～800℃。

已知该电池的总反应为2H2＋O2===2H2O，负极反应为H2＋CO

－2e－===H2O＋CO2。

下列推断正确的是（　　）

A．正极反应为4OH－－4e－===O2＋2H2O

B．放电时，CO

向负极移动

C．电池供应1mol水蒸气，转移的电子的物质的量4mol

D．放电时，CO

向正极移动

【解析】　正极反应是氧化剂得电子的反应，A项错；原电池中，阴离子向负极移动，B项正确，D项错；电池提供1mol水蒸气，转移的电子的物质的量为2mol，C项错。

【答案】　B

6．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金栅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中错误的是（　　）

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

【解析】　铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是铅失去电子生成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，制成膏状的PbSO4干燥后安装，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。

【答案】　A

7．常见镍氢电池的某极是储氢合金LaNi5H6（LaNi5H6中各元素化合价均为0），电池反应通常表示为LaNi5H6＋6NiO（OH）

LaNi5＋6Ni（OH）2。

下列说法不正确的是（　　）

A．放电时储氢合金作负极

B．充电时储氢合金作阴极

C．充电时阴极周围c（OH－）减小

D．放电时负极反应：

LaNi5H6＋6OH－－6e－===LaNi5＋6H2O

【解析】　A选项，镍氢电池放电时作原电池，发生反应：

LaNi5H6＋6NiO（OH）===LaNi5＋6Ni（OH）2，储氢合金是还原剂，作原电池的负极。

B选项，充电时，外电源的负极接在原电池的负极上，所以充电时储氢合金作阴极。

C选项，充电时阴极：

LaNi5＋6H2O＋6e－===LaNi5H6＋6OH－，所以充电时阴极周围c（OH－）应该增大，C选项错误。

D选项正确。

【答案】　C

8．一种甲醇、氧气和强碱溶液作电解质的新型手机电池，可连续使用一个月，其电池反应为：

2CH3OH＋3O2＋4OH－2CO

＋6H2O，则有关说法正确的是（　　）

A．放电时CH3OH参与反应的电极为正极

B．放电时负极的电极反应为CH3OH＋8OH－－6e－===CO

＋6H2O

C．标准状况下，通入5.6LO2并完全反应后，有0.5mol电子转移

D．放电一段时间后，通入氧气的电极附近溶液的pH降低

【解析】　从电池反应可知，CH3OH为原电池的负极，A选项错误；正极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，标准状况下，5.6LO2为0.25mol，转移电子为

1mol，C选项错误；从正极反应可以看出，正极附近溶液OH－浓度增大，pH升高，D选项错误。

【答案】　B

9．目前人们正在研究开发一种高能电池——钠硫电池，它是以熔融的钠、硫为两极，以Na＋导电的βAl2O3陶瓷为固体电解质，反应式如下：

2Na＋xS

Na2Sx。

以下说法中正确的是（　　）

A．放电时，钠作负极，发生还原反应

B．放电时，钠作正极，硫极发生还原反应

C．若用此电池电解水，当产生标准状况下的O21.12L时，消耗金属钠为4.6g

D．放电时，正极发生的反应为S

－2e－===xS

【解析】　放电时为原电池装置，钠作负极，发生氧化反应，硫极作正极，发生还原反应，A、B、D均不正确。

若用此电池电解水，当阳极产生标准状况下的气体为1.12LO2时，则转移的电子的物质的量为n（e－）＝4n（O2）＝4×0.05mol＝0.2mol，则消耗金属钠的质量为m（Na）＝0.2mol×