1、第2课时化学电源学习目标核心素养1了解常见化学电源的工作原理。2了解新型化学电源的工作原理。1通过对常见化学电池的分析，培养证据推理与模型认知的能力。2通过认识新型化学电源的作用及废旧电池对环境的危害，形成科学态度与社会责任意识。新课情境呈现 现在，各种各样的电池特别多，像手电筒上用的干电池，手机上用的锂电池，汽车上用的蓄电池，还有新型环保公交车上的燃料电池等，种类繁多。你知道化学电池是怎样分类的吗？电源是能够实际应用的原电池。作为化学电源的电池有一次电池、可充电电池和燃料电池等。一次电池只能放电不能充电，使用后即弃去，因此可能造成环境污染。可充电电池也称为二次电池，可以反复充电和放电，是电池
2、发展的一个重要方向。课前素能奠基 新知预习 一、化学电池化学电池是将_化学_能变成_电_能的装置。1化学电池的分类：2判断电池优劣的主要标准：3化学电池回收利用：废旧电池中含_重金属_和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。二、一次电池一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。一次电池不能充电，不能反复使用。碱性锌锰电池与银锌电池比较种类特点碱性锌锰电池银锌电池基本构造负极：_Zn_负极：_Zn_正极：_MnO2_正极：_Ag2O_电解质：KOH电解质：KOH工作原理负极反应_Zn2OH2e=Zn(OH)2_Zn2OH2e=Zn(OH)2_正极反应2MnO22H2O2e
3、=2MnOOH2OH_Ag2OH2O2e=2Ag2OH_总反应Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2Ag2OZnH2O=Zn(OH)22Ag性能与适用范围比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高，适用于大电流和连续放电比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电三、二次电池(铅蓄电池)1构造：2工作原理：铅蓄电池是最常见的二次电池，总反应为Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)2PbSO4(s)2H2O(l)3铅蓄电池的优缺点：(1)优点：性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电；生产生活中使用广泛。(2)缺点：比能量低，废弃电池污染环境。四、燃料电池1定义：把能源中
4、燃料燃烧反应的化学能直接转化为电能的“能量转换器”。2氢氧燃料电池的结构：3氢氧燃料电池的工作原理。负极：_H2_失电子；正极：_O2_得电子；电解质溶液：_氢氧化钾或稀硫酸_。种类酸性碱性负极反应式2H24e=4H_2H24OH4e=4H2O_正极反应式_O24e4H=2H2O_O22H2O4e=4OH电池总反应式2H2O2=2H2O4优点：(1)能量转化率高。(2)污染_小_。预习自测 1判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)碱性锌锰电池、铅酸蓄电池、锂离子电池都属于二次电池。()(2)二次电池充电时，化学能转化为电能。()(3)二次电池充电时发生的反应不能自发进行。()(4)某些
5、导电非金属单质、某些导电金属氧化物都可作原电池的电极。()(5)燃料电池工作时需要点燃条件才可发生。()(6)燃料电池的燃料可以是氢气、烃、甲醇、氨等物质。()(7)太阳能电池不属于原电池。()2铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解液为硫酸，工作时的反应为PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O，下面结论正确的是(D)APb为正极，被氧化B负极的质量逐渐减轻CSO只向PbO2处移动D电解液密度不断减小解析：A项，由总反应式可知Pb化合价升高，被氧化，应为原电池负极，错误；B项，负极电极反应PbSO2e=PbSO4可知，生成硫酸铅，质量增大，错误；C项，无论Pb还是PbO2最终都生成了
6、PbSO4，所以SO既向Pb也向PbO2处移动，错误；D项，正极电极反应式为PbO2SO2e4H=PbSO42H2O，生成水，密度减小，正确。3锌锰碱性干电池是依据原电池原理制成的化学电源。电池中负极与电解质溶液接触直接反应会降低电池的能量转化效率，称为自放电现象。下列关于原电池和干电池的说法不正确的是(B)A两者正极材料不同BMnO2的放电产物可能是KMnO4C两者负极反应式均为Zn失电子D原电池中Zn与稀硫酸存在自行消耗的现象解析：锌铜硫酸原电池的正极材料是金属铜，锌锰碱性干电池的正极材料是二氧化锰和碳粉，两者正极材料不同，故A正确；锌锰碱性干电池的正极材料是二氧化锰和碳粉，发生得电子的还
7、原反应，元素的化合价应该降低，故B错误；锌铜硫酸原电池负极材料是金属锌，锌锰碱性干电池的负极材料是金属锌，两者负极上都是发生金属锌失电子的氧化反应，故C正确；锌铜硫酸可以构成原电池装置，金属锌和硫酸之间发生反应，化学能转化为电能，Zn与稀硫酸存在自行消耗的现象，故D正确。4电动汽车在改善城市交通、保护环境等方面的作用至关重要。下列说法不正确的是(B)A电动汽车的使用有助于减少氮氧化物的排放B燃油汽车也可以悬挂该标志C电动汽车使用时涉及化学能与电能的转换D电动汽车充电、放电过程均有电子转移解析：推广使用电动汽车，能减少汽车尾气氮氧化物的排放，有利于保护环境，A项正确；此标志为电动汽车专用标志，B
8、项错误；电动汽车充电过程中电能转为化学能，使用时化学能转化为电能，C项正确；电动汽车充、放电过程，均属于氧化还原反应，存在电子转移，D项正确。课堂素能探究 知识点化学电源电极判断与电极反应式书写问题探究：1充电电池充电时的反应和放电时的反应是否为可逆反应？2铅蓄电池工作时，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重4.8 g。()3铅蓄电池工作时SO向哪个电极移动？探究提示：1提示：否，充电时和放电时反应条件不同。2提示：根据负极反应Pb2eSO=PbSO4，当电路中转移0.1 mol电子时，负极增重为0.05 mol SO的质量，即96 gmol10.05 mol4.8 g。3提示：向正极、
9、负极都移动。知识归纳总结：1二次电池充电时的电极连接：(1)充电时的连接方法正正负负，即：(2)充电电池电极反应式的关系负极颠倒得阴极，正极颠倒得阳极，即：2化学电源中电极反应式的书写：方法一：根据装置书写电极反应式。先分析装置图，确定原电池的正负极上的反应物质。书写电极反应式：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：PbSO2e=PbSO4阳离子得到电子生成单质(或低价离子)，或O2得到电子，若是O2发生电极反应，则写法有以下两种情况：a电解质是碱性或中性：O22H2O4e=4OHb电解质是酸性：O24H4e
10、=2H2O正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。方法二：根据电池总反应式，写电极反应式。标价态，定正负根据元素化合价的变化情况确定正负极。列物质判断电极的反应物、产物。标得失分析化合价的升降，找出得失电子数。看环境，配守恒配平电荷、配平原子。方法三：充电电池电极反应式的书写方法。先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质。写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反。典例1我国科研人员研制出一种室温“可呼吸”NaCO2
11、电池。放电时该电池“吸入”CO2，充电时“呼出”CO2。“吸入”CO2时，其工作原理如图所示。吸收的全部CO2中，有2/3转化为Na2CO3固体沉积在多壁碳纳米管(MWCNT)电极表面。下列说法正确的是(A)A“吸入”CO2时，钠箔为负极B“吸入”CO2时的正极反应：4Na3CO24e=2Na2CO3CC“呼出”CO2时，Na向多壁碳纳米管电极移动D每“呼出”22.4 L CO2，转移电子数为0.75解析：A项，活泼金属钠是负极，正确；B项，“吸入”CO2时是原电池装置，正极发生还原反应，电极反应式为4Na3CO24e=2Na2CO3C，错误；C项，“呼出”CO2时，是电解池，电解池中，阳离子
12、向阴极移动，Na向钠箔电极移动，错误；D项，标准状况下，22.4 L CO2的物质的量为1 mol，根据2Na2CO3C4e=4Na3CO2，每“呼出”1 mol CO2，转移电子数为mol，且题中没有给定标准状况下，无法计算，错误。规律方法指导：解答有关化学电源电极反应式书写试题的思维流程变式训练1铁镍蓄电池又称爱迪生电池；放电时的总反应为FeNi2O33H2O=Fe(OH)22Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是(C)A放电时，溶液中OH移向负极B放电时，负极反应为Fe2OH2e=Fe(OH)2C充电过程中，阴极附近溶液的pH降低D充电时，阳极反应为2Ni(OH)22OH2e=N
13、i2O33H2O解析：电池工作时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，溶液中OH移向负极，A项正确；放电时，Fe失电子再和OH反应生成氢氧化亚铁，电极反应为Fe2e2OH=Fe(OH)2，B项正确；充电过程中，阴极反应为：Fe(OH)22e=Fe2OH，有OH离子生成，溶液的pH增大，C项错误；充电时，阳极上失电子发生氧化反应，电极反应为2Ni(OH)22OH2e=N2O33H2O，D项正确。知识点形形色色的燃料电池问题探究：1氢氧燃料电池如果用稀硫酸作电解质溶液，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将如何变化？溶液的pH将如何变化？2已知氢气可以在氯气中燃烧，根据燃料电池的原理，能否以该反应设计
14、为燃料电池？探究提示：1提示：减小。增大。反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，使溶液变稀，pH增大。2提示：能。氢气可以在氯气中发生自发的氧化还原反应。知识归纳总结：1燃料电池的工作原理：一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。2有机燃料电池电极反应式书写方法：电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气得
15、电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。第二步：确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为2，CO中碳元素的化合价为4，故1 mol乙醇完全反应失去24(2)12 (mol)电子。第三步：列出表达式。C2H5OHOH12eCOH2O。第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH的化学计量数为16。
16、(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH16OH12e=2CO11H2O。3燃料电池的负极反应(1)列变化。负极上燃料转化为燃烧产物。若电解质为碱性溶液，含碳或含硫燃料的燃烧产物还发生与碱溶液的反应。(2)配守恒。用电解质溶液中的离子平衡电荷。阴离子(OH、O2、CO)在负极反应左侧，阳离子(H)在负极反应右侧。4常见的四种典型燃料电池：名称电解质电极反应和总反应氢氧燃料电池KOH正极：O24e2H2O=4OH负极：2H24e4OH=4H2O总反应：2H2O2=2H2OH2SO4正极：O24e4H=2H2O负极：2H
17、24e=4H总反应：2H2O2=2H2O甲烷燃料电 池KOH正极：2O24H2O8e=8OH负极：CH410OH8e=CO7H2O总反应：CH42O22KOH=K2CO33H2O甲醇燃料电 池KOH正极：3O26H2O12e=12OH负极：2CH3OH16OH12e=2CO12H2O总反应：2CH3OH3O24KOH=2K2CO36H2O肼燃料电池KOH正极：O22H2O4e=4OH负极：N2H44OH4e=N24H2O总反应：N2H4O2=N22H2O典例22017年2月19日在第十三届阿布扎比国际防务展上，采用先进的氢氧燃料电池系统的无人机，创造了该级别270分钟续航的新世界记录。下列有关
18、氢氧燃料电池的说法不正确的是(B)A通入氢气的电极发生氧化反应B碱性电解液中阳离子向通入氢气的方向移动C正极的电极反应式为O22H2O4e=4OHD放电过程中碱性电解液的OH的物质的量不变解析：A项，该电池工作时化学能转化为电能，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，正确；B项，阳离子向正极移动即通入氧气的一极移动，错误；C项，通入氧气的一极为原电池的正极，电极反应式为O22H2O4e=4OH，正确；D项，由图可知，氢氧燃料电池放电过程中，总反应为氢气和氧气反应生成水，则碱性电解液中氢氧根的物质的量不变，正确。变式训练2有一种瓦斯分析仪(图甲)能够在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时，通过传感
19、器显示出来，其装置如图乙所示，ab间充有固体电解质Y2ONa2O，允许O2自由移动。下列叙述正确的是(C)A瓦斯分析仪工作时，电池内电路中，O2由电极a流向电极bB电池外电路中电子由正极流向负极C电极a的反应式为CH44O28e=CO22H2OD当固体电解质中有1 mol O2通过时，电子转移4 mol解析：A项，该原电池中，正极上氧气得电子发生还原反应，所以通入空气的电极b是正极，内电路中阴离子向负极移动，所以O2由电极b流向电极a，错误；B项，电池外电路中电子从负极沿导线流向正极，错误；C项，a是负极，负极上甲烷失电子和O2反应生成二氧化碳和水：CH44O28e=CO22H2O，正确；D项
20、，每个O原子得到2个电子生成O2，所以当固体电解质中有1 mol O2通过时，电子转移2 mol，错误。名师博客呈现 氢氧燃料电池中的电极反应氢氧燃料电池的负极上发生的是氢气被氧化为H的反应，如果该反应是在碱性条件下进行的，生成的H瞬即与溶液中大量存在的OH结合生成水。因此，实际发生的电极反应为：H22OH2e=2H2O如果在酸性条件或中性条件下，电极反应为：H22e=2H类似地，在氢氧燃料电池的正极，氧气中氧元素被还原为2价。通常情况下，2价的氧原子在水溶液中不能独立存在，它只能存在于含氧化合物中。在氢氧燃料电池中，2价的氧原子则只能存在于水分子和OH中。如果是酸性条件，还原产生的2价的氧原子与周围的H结合生成水，电极反应为：O24H4e=2H2O如果反应条件为中性或碱性，2价的氧原子主要存在于OH中，因此电极反应为：O22H2O4e=4OH由此可见，书写电极反应式时，除了应该考虑反应前后有电子转移的元素的原子得失电子的情况外，还必须考虑这些元素形成的物质在溶液中的主要存在形式。