1、第二节 化学电源学 习 目 标 思 维 脉 络 1.了解化学电源的分类。2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理,会熟练书写电极反应式。3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害及处理方法。自主阅读 自主检测 一、化学电池 1.定义 化学电池是将化学能变成电能的装置。2.化学电池的分类 化学电池 一次电池(普通锌锰电池、碱性锌锰电池)二次电池(铅蓄电池)燃料电池(氢氧燃料电池)自主阅读 自主检测 二、常见的化学电池 1.一次电池(1)碱性锌锰电池:组成:正极:MnO2;负极:Zn;电解质:KOH。工作原理:负极反应:Zn+2OH-2e-Zn(OH)2;正极反应:2MnO2+2e-+2H2
2、O2MnOOH+2OH-。总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。自主阅读 自主检测(2)银锌电池:组成:负极:Zn,正极:Ag2O,电解质:KOH。工作原理:负极反应:Zn+2OH-2e-Zn(OH)2;正极反应:Ag2O+2e-+H2O2Ag+2OH-。电池反应:Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag。自主阅读 自主检测 2.二次电池(以铅蓄电池为例)(1)组成:正极:PbO2;负极:Pb;电解质:H2SO4。(2)工作原理:铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应分为放电和充电两个过程。放电过程的电极反应、总反应:负极:Pb-2e-+SO42-PbSO4;正极
3、:PbO2+2e-+4H+SO42-PbSO4+2H2O;总反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。自主阅读 自主检测 充电过程的电极反应、总反应:阴极:PbSO4+2e-Pb+SO42-(还原反应);阳极:PbSO4-2e-+2H2OPbO2+4H+SO42-(氧化反应);总反应:2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2H2SO4。铅蓄电池的充、放电过程:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O自主阅读 自主检测 3.燃料电池(1)工作原理:连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应,只是一个催化转化元件。工作时,燃料和氧化剂
4、连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出。(2)氢氧燃料电池:氢氧燃料电池的构造:自主阅读 自主检测 酸性介质中的电极反应式如下:负极:2H2-4e-4H+,正极:O2+4H+4e-2H2O,总反应式:2H2+O22H2O。自主阅读 自主检测 1.下列有关化学电源的说法中正确的是()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.锌银电池的电解质是KOH,负极材料是Zn D.一次电池包括干电池和蓄电池 答案:C 2.据报道,锌电池可能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、
5、电解质和空气,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.电解质可能是强酸 答案:B 自主阅读 自主检测 3.燃料电池是一种新型电池,它利用燃料在反应过程中把化学能直接转化为电能。氢氧燃料电池的基本反应如下:X极,O2(g)+2H2O(l)+4e-4OH-;Y极,2H2(g)+4OH-4e-4H2O(l)。下列判断中,正确的是()A.X是负极 B.Y是正极 C.Y极发生还原反应 D.Y极发生氧化反应 答案:D 情景导入知识点拨典例引领重难点 常见的化学电源及其工作原理 各式各样的电池 讨论探究 (1)常见的化学电池有哪几类?
6、举例说明每一类化学电源有何优缺点?如何判断一种电池的优劣?(2)以甲烷燃料电池为例,说明如何根据总反应式(CH4+2O2+2KOH K2CO3+3H2O)书写电池的电极反应式?(3)给可充电电池充电时,如何对接外接电源?以铅蓄电池为例,说明充电过程和放电过程的区别与联系是什么?情景导入知识点拨典例引领重难点 探究提示:(1)常见的化学电池包括一次电池、二次电池和燃料电池。碱性锌锰干电池的优点是比能量高和可储存时间长,适用于大电流和连续放电,缺点是不能循环多次使用,废旧电池回收处理较困难;铅蓄电池是常用的二次电池,优点是电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,所以应用广泛,缺点是比能量低,笨重,
7、废弃电池污染环境;氢氧燃料电池是常用的燃料电池,燃料电池能量转化率高,有利于节约能源,绿色环保,但燃料的获取储存都存在一些困难。判断一种电池的优劣或是否适合某种需要,主要看这几种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(即比能量,单位是Whkg-1或WhL-1),或者输出功率的大小(比功率,单位是Wkg-1或WL-1)以及电池可储存时间的长短。除特殊情况外,质量轻、体积小而输出电能多、功率大、可储存时间长的电池,更适合使用的需要。情景导入知识点拨典例引领重难点(2)根据总反应式书写电极反应式一般遵循如下步骤:根据总反应式标变价元素的化合价,根据化合价的变化写出氧化反应或还原反应:CH4 被氧化
8、,氧化产物是 K2CO3,碳元素升高 8价,转移电子数为 8,所以氧化反应为 CH4-8e-CO32-(电极反应式写离子方程式)。根据电解质溶液的酸碱性,用 H+或 OH-或其他离子配平,使两边电荷总数相等:CH4+10OH-8e-CO32-。注意:电子带负电荷;在碱性溶液中,电极反应式不能出现 H+。利用 H2O 使两边的元素守恒:CH4+10OH-8e-CO32-+7H2O。将总反应式减去负极反应式,得到正极反应式:2O2+4H2O+8e-8OH-。情景导入知识点拨典例引领重难点(3)可充电电池充放电时的接法:区别:铅蓄电池放电时的电极反应式如下:负极:Pb-2e-+SO42-PbSO4(
9、氧化反应)正极:PbO2+2e-+4H+SO42-PbSO4+2H2O(还原反应)情景导入知识点拨典例引领重难点 铅蓄电池充电时的电极反应式如下:阴极:PbSO4+2e-Pb+SO42-(还原反应);阳极:PbSO4-2e-+2H2OPbO2+4H+SO42-(氧化反应)联系:电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。情景导入知识点拨典例引领重难点 1.燃料电池(1)燃料电池是将可燃物(如H2、甲醇、丁烷、甲烷等)燃烧时放出的热量以电能的形式展现出来的装置,具有高效能、低污染的特点。(2)氢氧燃料电池:情景导入知识点拨典例引领重难点 2.充电电池 可充电电池属于二次电池,是一种
10、可反复使用的电池。当电池放电时,是一种原电池;当电池充电时,是一种电解池。对于可充电电池,分析时应注意以下几个方面:(1)可充电电池的两极:可充电电池有放电和充电两个过程。分析可充电电池的两极,通常是借助于氧化还原反应中化合价的变化。如高铁电池,总反应方程式为3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。放电时反应方向是从左到右,锌的化合价升高,发生氧化反应,锌为负极;铁的化合价降低,发生还原反应,K2FeO4为正极反应物。充电时反应从右到左,Zn(OH)2中锌的化合价由+2价降为0价,发生还原反应,Zn(OH)2是阴极反应物,Fe(OH)3中铁的化合价由+3
11、价升高为+6价,发生氧化反应,Fe(OH)3为阳极反应物。情景导入知识点拨典例引领重难点(2)离子移动的方向:充电电池放电时,电池中阳离子移向正极,阴离子移向负极,电子按负极用电器正极方向流动,形成电流,对用电器做功;充电时,电池中阳离子移向阴极,阴离子移向阳极,电子按“外接电源的负极充电电池的阴极溶液中阳离子移向阴极,阴离子移向阳极充电电池的阳极外接电源的正极”方向流动,形成电流,给充电电池充电。情景导入知识点拨典例引领重难点 题型一 化学电源原理的应用 例题1微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是()A.正极反应中有CO
12、2生成 B.微生物促进了反应中电子的转移 C.质子通过交换膜从负极区移向正极区 D.电池总反应为C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O 情景导入知识点拨典例引领重难点 解析:C6H12O6中C的平均化合价为0价,二氧化碳中C的化合价为+4价,所以生成二氧化碳的反应为氧化反应,故CO2在负极生成,A选项错误;在微生物的作用下,该装置为原电池装置,反应速率加快,所以微生物促进了反应的发生,B项正确;质子交换膜只允许质子(即H+)通过,原电池中阳离子向正极移动,C项正确;电池的总反应实质是C6H12O6的氧化反应,D项正确。答案:A 情景导入知识点拨典例引领重难点 情景导入知识点拨典例引领重难点
13、 成功体验1 近年来AIST报告正在研制一种“高容量、低成本”锂-铜空气燃料电池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力,其中放电过程为2Li+Cu2O+H2O 2Cu+2Li+2OH-,下列说法不正确的是()A.放电时,Li+透过固体电解质向Cu极移动 B.放电时,负极的电极反应式为Cu2O+H2O+2e-Cu+2OH-C.通空气时,铜被腐蚀,表面产生Cu2O D.整个反应过程中,铜相当于催化剂 情景导入知识点拨典例引领重难点 解析:放电时,负极反应为:Li-e-Li+,Li+透过固体电解质向 Cu极移动,A 项正确;正极反应为:Cu2O+2e-+H2O2Cu+2OH-,B 项错误;通空
14、气时,铜被氧化为 Cu2O:4Cu+O22Cu2O,总反应为:4Li+O2+2H2O4LiOH,铜相当于催化剂,C、D 两项正确。答案:B情景导入知识点拨典例引领重难点 题型二 充电电池原理的应用例题 2 高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。下列叙述不正确的是()A.放电时负极反应:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2B.充电时阳极反应:Fe(OH)3-3e-+5OH-FeO42-+4H2OC.放电时每转移 3 mol 电子,正极有 1 mol K2F
15、eO4 被氧化D.放电时正极附近溶液的碱性增强解析:该电池放电时负极发生氧化反应:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2,正极发生还原反应:FeO42-+3e-+4H2OFe(OH)3+5OH-,电极附近溶液碱性增强,A、D 正确,C 不正确;充电时阳极发生氧化反应:Fe(OH)3-3e-+5OH-FeO42-+4H2O,B 正确。答案:C情景导入知识点拨典例引领重难点 情景导入知识点拨典例引领重难点 成功体验2 一种碳纳米管能够吸附氢气,可做充电电池(如图所示)的碳电极,该电池的电解质溶液为6 molL-1 KOH溶液,下列说法中正确的是()A.充电时将碳电极与电源的正极相连 B.充电时阴极发
16、生氧化反应 C.放电时镍电极反应为:NiO(OH)+H2O+e-Ni(OH)2+OH-D.放电时碳电极反应为:2H+-2e-H2情景导入知识点拨典例引领重难点 解析:A项,碳纳米管能够吸附氢气,可做充电电池的负极,放电时氢气发生氧化反应,故充电时该电极与外接电源的负极相连,错误;B项,充电时阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应,错误;C项,放电时镍电极为正极,得到电子,发生还原反应,其电极反应为:NiO(OH)+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,正确;D项,放电时碳电极反应为:H2-2e-+2OH-2H2O,错误。答案:C 情景导入知识点拨典例引领重难点 题型三 燃料电池原理的应用 例题3一种
17、熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是()A.该燃料电池 A 是正极,B 是负极B.电极 A 上 H2 参与的电极反应为:H2+2OH-2e-2H2OC.电池工作时,CO32-向电极 B 移动D.电极 B 上发生的电极反应为:O2+2CO2+4e-2CO32-情景导入知识点拨典例引领重难点 解析:A 项,燃料电池中燃料做负极,氧气做正极,因此电极 A 是负极,电极 B 是正极,A 项错误;该电池的传导介质为熔融的碳酸盐,所以 A 电极即负极上 H2 参与的电极反应为:H2-2e-+CO32-CO2+H2O,错误;C 项,原电池工作时,阴离子移向负极,而 B 极是正极,错误
18、;D 项,B 电极即正极上 O2 参与的电极反应为:O2+4e-+2CO22CO32-,正确。答案:D情景导入知识点拨典例引领重难点 情景导入知识点拨典例引领重难点 成功体验3 导学号27760075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:情景导入知识点拨典例引领重难点(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是 ,在导线中电子的流动方向为 (用a、b表示)。电池中的交换膜为阴离子交换膜,则溶液中OH-的移动方向为由 池移向 池(填“左”或“右”)。(2)负极反应式为 ,正极反应式为。解析:(1)原电池的
19、实质是把化学能转化为电能的装置;在原电池中,电子从负极经导线流向正极,溶液中OH-的移动方向为由右池移向左池,而氢氧燃料电池中通入H2的一极是负极,故电子由a流向b。(2)H2在负极上失电子,因为电解质溶液是KOH溶液,故正极反应式为O2+4e-+2H2O 4OH-,负极反应式为2H2+4OH-4e-4H2O。答案:(1)化学能转化为电能 ab 右 左(2)2H2+4OH-4e-4H2O O2+4e-+2H2O4OH-1 2 3 4 5 61.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
20、化为电能 D.锌锰干电池中,锌电极是负极 解析:二次电池,即可充电电池,所以A项对。B中,在原电池中,活泼金属Zn是负极,负极失电子发生氧化反应,因此电子的流向是由负极(锌电极)流向正极(铜电极),B项错。答案:B 1 2 3 4 5 62.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 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0.2 mol电子,锌的质量理论上减小6.5 g Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)Zn(OH)2(s)+
21、2MnOOH(s)。2MnO2(s)+2H2O(l)+2e-2MnOOH(s)+2OH-(aq)1 2 3 4 5 6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0.2 mol电子,消耗掉0.1 mol锌,质量为6.5 g。答案:C 1 2 3 4 5 63.一种新型燃料电池,它以多孔镍板为电极插
22、入KOH溶液中,然后分别向两极上通入乙烷(C2H6)和氧气,其电极反应式为 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72 C.放电一段时间后,KOH的物质的量浓度不变 D.电解质溶液中向正极移动 C2H6+18OH-14e-2CO32-+12H2O,7H2O+72O2+14e-14OH-,CO32-1 2 3 4 5 6解析:原电池中负极发生氧化反应,正极发生还原反应,通氧气的一极为正极,选项A不正确;根据电极反应式和电子守恒可知参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为72,选项B正确;C项,由电极反应式可知,放电一段时间后,KOH的物质
23、的量浓度减小,选项C不正确;负极周围的OH-参与电极反应,不断减少,水电离产生的H+就不断增加,向负极移动,选项D不正确。答案:B CO32-1 2 3 4 5 64.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D.工作时电解质溶液的密度减小 Pb-2e-+SO42-PbSO41 2 3 4 5 6解析:铅蓄电池在工作时相当于原电池,负极发生氧化反应,正极发
24、生还原反应,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+与溶液中的反应生成PbSO4沉淀。放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸等量。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 SO42-1 2 3 4 5 65.熔融盐燃料电池具有很高的发电效率,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的混合气为正极助燃气,制得在650 下工作的燃料电池。请完成有关
25、的电池反应式:负极反应式:正极反应式:;总电池反应式:。2CO+2CO32-4e-4CO2;解析:负极失去电子发生氧化反应;正极得到电子发生还原反应。依题意,总电池反应式应为 CO 的燃烧反应,即 2CO+O22CO2,根据正极反应式+负极反应式=总电池反应式,可推知正极反应式。答案:O2+2CO2+4e-2CO32-2CO+O22CO21 2 3 4 5 66.航天飞机常采用新型燃料电池作为电能来源,燃料电池一般指采用H2、CH4、CO、C2H5OH等可燃物质与O2一起构成的电池装置,它可直接将化学能转化为电能。我国发射的“神舟”九号载人飞船是采用先进的甲烷电池为电能来源的,该电池以KOH溶液为电解质溶液,其总反应的化学方程式为(1)写出正极反应式:。(2)消耗标准状况下的5.6 L O2时,有 mol电子发生转移。(3)开始放电时,正极附近溶液pH (填“增大”“减小”或“不变”)。CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O。解析:以 KOH 溶液为电解质溶液,正极反应为 O2+2H2O+4e-4OH-,故消耗标准状况下的 5.6 L O2(即 0.25 mol)时,有 0.25 mol4=1mol 电子发生转移,因正极生成 OH-,故溶液的 pH 增大。答案:(1)O2+2H2O+4e-4OH-(2)1(3)增大
