专题6 第三单元 化学能与电能的转化 第二课时 讲义【新教材】2020-2021学年高一下学期化学（苏教版（2019）必修二）
展开专题6 化学反应与能量变化第三单元 化学能与电能的转化第2课时 化学电源学习导航1.了解常见的化学电源的种类及其工作原理，知道它们在生产、生活和国防中的实际应用。2.会写化学电源的电极反应式3.会设计简单的原电池4.理解并掌握常见化学电源的工作原理知识解读知识点一 化学电池概念:把化学能转化为电能的装置。分类: 一次电池；二次电池；燃料电池优点:能量转换效率较高，供能稳定，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组，使用方便，易于维护，并可再各种环境下工作。电池优劣的判断标准:比能量，比功率知识点二 设计原电池1．依据已知一个氧化还原反应，首先分析找出氧化剂、还原剂，一般还原剂为负极材料(或在负极上被氧化)，氧化剂(电解质溶液中的阳离子)在正极上被还原。2．设计思路(1)定：确定一个能够自发进行的氧化还原反应。(2)拆：将氧化还原反应拆分为氧化反应和还原反应两个半反应，分别作为负极和正极的电极反应。负极电极反应：还原剂－ne－===氧化产物；正极电极反应：氧化剂＋ne－===还原产物。(3)找：根据氧化还原反应中的还原剂和氧化剂确定原电池的负极和电解质溶液，正极一般选择比负极稳定的金属或能导电的非金属。(4)画：连接电路形成闭合回路，画出原电池示意图。3．实例(1)以Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu为例(2)实物原电池材料：铜片、锌片、导线、橙子重点归纳水果电池的电流效果与电极材料、水果的种类有关，另外还与两电极间距离以及电极插入水果的深度等因素有关。知识点三 常见的化学电源1、一次电池（1）锌锰干电池 酸性锌锰干电池ａ、电极材料（正极：石墨，负极：Zn）ｂ、电解质：NH4Cl、ZnCl2 c 、电极反应：正极：2NH4+ +2e =2NH3 + H2 负极：Zn－2e=Zn2+ ｄ、电池总反应：2NH4+ +Zn=Zn2++2NH3+ H2 。碱性锌锰干电池ａ、电极材料（正极：二氧化锰，负极Zn） ｂ、电解质 KOH c 、电极反应：正极：2MnO2 +2H2O +2e = 2MnOOH + OH-，负极：Zn +2OH-－2e=Zn(OH)2 ｄ、电池总反应：2MnO2 +2H2O +Zn =2MnOOH +Zn(OH)2 。（2）银锌电池a、电极材料（负极：锌，正极：氧化银）b、电解质：KOHc 、电极反应：正极：Ag2O + H2O +2e = 2Ag +2OH- 负极：Zn +2OH-－2e=Zn(OH)2 ｄ、电池总反应：Ag2O +2H2O +Zn =2Ag +Zn(OH)2 （3）锂电池ａ、电极材料（正极：二氧化锰、氧化铜等，负极：锂） ｂ、电解质：LiAlCl4溶解在SOCl2 c 、电极反应：正极：3SOCl2+8e =SO32-+2S+6Cl-，负极：Li －e= Li+ ｄ、电池总反应：8Li + 3SOCl2 =6LiCl +Li2SO3 + 2S 2、二次电池⑴．铅蓄电池：电极反应为：负极： Pb + SO42- －2e = PbSO4 正极： PbO2 + 4H+ 2 SO42- +2e = PbSO4 + 2H2O 铅蓄电池的电压正常情况下保持20 V，当电压下降到185 V时，即当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达118 g / cm3时即停止放电，而需要将蓄电池进行充电，其电极反应为： 阳极： PbSO4 + 2H2O －2e = PbO2 + 4H+ 2 SO42- 阴极： PbSO4 +2e = Pb + SO42- 当密度增加至128 g / cm3时，应停止充电。这种电池性能良好，价格低廉，缺点是比较笨重。蓄电池放电和充电的总反应式：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4↓＋2H2O(2) ．银锌蓄电池银锌电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。目前，有一种类似干电池的充电电池，它实际是一种银锌蓄电池，电解液为KOH溶液。常见的钮扣电池也是银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极盒一端充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。负极：Zn＋2OH－2e ＝ZnOH2正极：Ag2O＋H2O＋2e ＝2Ag＋2OH 银锌电池跟铅蓄电池一样，在使用放电一段时间后就要充电，充电过程表示如下：阳极：2Ag＋2OH－2e ＝Ag2O＋H2O 阴极：ZnOH2＋2e ＝Zn＋2OH 放电 充电 总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O ZnOH2＋2Ag重点归纳原电池中的注意事项：(1)通常能自发进行的氧化还原反应才能组成原电池。(2)形成闭合回路的方式有多种，可以用导线连接两个电极构成闭合回路，也可以让两个电极相接触构成闭合回路。(3)在原电池中，电子在导线中定向移动(由负极流出，流入正极)，离子在溶液中定向移动(阳离子移向正极，阴离子移向负极)，即“电子不下水，离子不上岸”或“电子走陆路，离子走水路”，它们共同组成了一个完整的闭合回路。随堂演练1.下列有关化学电源的叙述正确的是（ ） A. 普通锌锰干电池中碳棒为正极 B. 燃料电池的能量转化率可达100% C. 铅是重金属元素，应禁止铅蓄电池的生产和使用 D. 甲醇燃料电池工作时，甲醇在正极上发生还原反应2.以下生活中常见的三种化学电源 下列说法正确的是( )A. 以上三种电池都属于一次电池 B. 银锌纽扣电池正极的电极反应式为Ag2O+2e-+2H+=2Ag+H2O C. 锌锰干电池中放电时，电子从锌筒经外电路流向石墨棒 D. 铅蓄电池放电时，Pb为电源负极，发生氧化反应，电极质量不断减少3.化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法错误的是( ) A. Zn2+向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H+浓度增加 B. 正极的电极反应式为Ag2O＋2e−＋H2O 2Ag＋2OH− C. 锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄 D. 使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降4.氢氧燃料电池是一种常见化学电源，其工作示意图如图。下列说法正确的是（ ） A. 通H2的一极是正极，发生氧化反应 B. 电子由b电极经导向流向a电极 C. b电极上发生还原反应，电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O D. 电解质H2SO4溶液的作用是传导电子5.关于化学电源的叙述，错误的是（ ） A. 化学电源均是根据原电池的工作原理设计的 B. 在干电池中，碳棒只起导电作用，并不参加化学反应 C. 镍镉电池不能随意丢弃的原因是镍、镉的资源有限，价格昂贵 D. 燃料电池是一种高效、环保的新型化学电源6.如图是化学课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置示意图。下列有关该装置的说法正确的是（ ） A. 其能量转化的形式主要是“化学能→电能→光能” B. 如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向将改变 C. 铜片为负极，其附近的溶液变蓝，溶液中有Cu2+产生 D. 如果将稀硫酸换成醋酸，LED灯将不会发光7.维持pH的稳定对生命体的生理活动、化学电源的高效工作等具有重要意义。 （1）常温下，在不同试剂中加入酸或碱后体系pH的变化如下表所示。 ①a=________(忽略通入HCl气体前后体系的体积变化)。②结合化学用语解释试剂ii显酸性的原因：________。③试剂ii中微粒浓度关系正确的有________(填序号)。a. c(CH3COOH)>c(Na+)>c(CH3COO-)b. 2c(H+)=c(CH3COO-)-c(CH3COOH)+2c(OH-)c. c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=0.2 mol/L④由表中数据可知，试剂ii的pH受一定量的酸和碱的影响不大。溶液的这种能对抗外来少量强酸、强碱或适当稀释，而保持溶液的pH几乎不变的作用称为缓冲作用。下列溶液具有缓冲作用的是________(填序号)。a. HCl—NaCl b. Na2CO3—NaHCO3 c. NH3·H2O-NH4Cl d. KOH—KCl（2）缓冲溶液应用在某种液钒电池中能稳定电池的输出电流，该电池装置示意图如下图所示，电池的总反应如下： Zn+2VOSO4+2H2SO4 ⇌充电放电 ZnSO4+V2(SO4)3+2H2O已知：VOSO4和V2(SO4)3的电离方程式分别为VOSO4=VO2++SO42-；V2(SO4)3=2V3++3SO42-；①放电时，B室中c(H+)________(填“增大”“减小”或“不变”)，结合化学用语说明理由：________。②充电时，A室中的c(H+)变化缓慢的原因是________。8.Li-SOCl2电池采用LiAlCl4的SOCl2溶液为电解质溶液，是目前比能量最高的化学电源，具有电压高.储存寿命长.工作温度范围宽.成本低等优点。 （1）该电池的工作原理为：4Li+2SOCl2=4LiCl↓+SO2↑+S↓，该反应的还原产物为________，若生成标准状况下气体11.2L，则转移电子的数目为________； （2）SOCl2可用于AlCl3·6H2O制备无水AlCl3 ， 请结合离子方程式解释不采用直接加热晶体的方法除去结晶水的原因________； （3）解释Li-SOCl2电池组装必须在无水条件下的原因________； （4）工业制硫酸中，SO2的催化氧化采用常压而不是高压的原因________； （5）向NaOH溶液中缓慢通入SO2至过量，反应过程中某微粒X的物质的量浓度随着通入SO2体积的变化如图所示，该微粒X为________，SO2过量时溶液仍然存在微粒X的原因________。 电极反应式材料选择装置负极：Fe－2e－===Fe2＋正极：Cu2＋＋2e－===Cu负极：Fe正极：Cu或C等(活泼性比Fe差的金属或导电的石墨棒均可)电解质溶液：CuSO4溶液试剂pH初始通入0.01 mol HCl气体加入0.01 mol NaOH固体i.1 L H2O7a12ii.0.10 mol CH3COOH+0.10 mol CH3COONa配制成1 L的溶液4.764.674.85答案解析1.【答案】 A 【解析】【解答】A．普通锌锰干电池中锌为负极发生氧化反应，碳棒为正极，二氧化锰在正极上发生还原反应，A符合题意； B．燃料电池化学能不能完全转化为电能，故能量转化率达不到100%，B不符合题意； C．铅虽然为重金属元素，但铅蓄电池的电压稳定、使用方便、价格低廉，可以广泛的在生产、生活中使用，C不符合题意； D．甲醇燃料电池工作时，甲醇在负极失电子，发生氧化反应，D不符合题意； 故答案为：A。 2.【答案】 C 【解析】【解答】A.银锌纽扣电池、锌锰干电池为一次电池，铅蓄电池为可充电电池，属于二次电池，A不符合题意； B.银锌纽扣电池中所用电解质溶液为KOH，其正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O=2Ag＋2OH－ ， B不符合题意；C.锌锰干电池中，锌为负极，MnO2为正极，其放电过程为原电池，电子经导线由负极流向正极，因此电子从锌筒流向石墨棒，C符合题意；D.铅蓄电池放电时，负极由Pb发生失电子的氧化反应，形成Pb2＋ ， 与电解质溶液中的SO42－结合成PbSO4 ， 电极质量增加，D不符合题意；故答案为：C3.【答案】 A 【解析】【解答】A.Zn较Cu活泼，做负极，Zn失电子变Zn2+ ， 电子经导线转移到铜电极，铜电极负电荷变多，吸引了溶液中的阳离子，因而Zn2+和H+迁移至铜电极，H+氧化性较强，得电子变H2 ， 因而c(H+)减小，A项符合题意； B. Ag2O作正极，得到来自Zn失去的电子，被还原成Ag,结合KOH作电解液，故电极反应式为Ag2O＋2e−＋H2O 2Ag＋2OH− ， B项不符合题意；C.Zn为较活泼电极，做负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn-2e-=Zn2+ ， 锌溶解，因而锌筒会变薄，C项不符合题意；D.铅蓄电池总反应式为PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇌充电放电 2PbSO4 + 2H2O，可知放电一段时间后，H2SO4不断被消耗，因而电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，D项不符合题意。故答案为：A。 4.【答案】 C 【解析】【解答】A.氢氧燃料电池中氢气发生氧化反应，负极发生氧化反应，则通H2的一极是负极，A不符合题意； B.电子由负极经导线流向正极，a为负极，b为正极，则电子由a电极经导向流向b电极，B不符合题意； C.b为正极发生还原反应，电极反应式为O2+4H++4e-=2H2O，C符合题意； D.电子不能在电解液中传导，D不符合题意； 故答案为：C。 5.【答案】 C 【解析】【解答】镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉属于重金属,会对环境造成严重的污染。 【分析】镍铬是重金属，对环境有影响，结合原电池原理进行解答即可。6.【答案】 A 【解析】【解答】A. 原电池是将化学能转化成电能的装置，LED发光，电能转化成光能，A符合题意； B. 将锌片换成铁片，铁比铜活泼，铁片作负极，铜片仍做正极，电流方向不改变，仍然是由铜电极流出，B不符合题意；C. 铜片作正极，不参与反应，溶液中的氢离子在此极得电子，生成氢气，C不符合题意；D. 将稀硫酸换成醋酸，同样是电解质溶液，依然能构成原电池，LED还会发光，D不符合题意；故答案为：A。7.【答案】 （1）2；试剂ii中同时存在醋酸的电离平衡CH3COOH ⇌ CH3COO-+H+和醋酸根的水解平衡CH3COO-+H2O ⇌ CH3COOH+OH- ， 相同条件下，醋酸的电离平衡的限度大于醋酸根的水解平衡限度，当CH3COOH与CH3COO-的初始浓度相等时，溶液中c(H+)>c(OH-)；bc；bc （2）减小；放电时，B室发生正极反应：VO2++e-+2H+=V3++H2O；由电极反应可知，转移1 mol e-消耗2 mol H+ ， 同时有1 mol H+通过质子交换膜进入B室，因此总体c(H+)降低；充电时，H+通过质子膜从B室进入A室，A室溶液中的CH3COO-与H+结合成CH3COOH(或“CH3COOH-CH3COONa溶液有缓冲作用”)，从而使c(H+)的变化减缓 【解析】【解答】(1)①c(HCl)= 0.01mol1L =0.01 mol/L，则pH=-lgc(H+)=-lg10-2=2；②将0.10 mol CH3COOH和0.10 mol CH3COONa配制成1 L的溶液，得到0.10 mol/L和0.10 mol/L的混合溶液，在该混合溶液中同时存在醋酸的电离平衡CH3COOH ⇌ CH3COO-+H+和醋酸根的水解平衡CH3COO-+H2O ⇌ CH3COOH+OH-；在相同条件下，CH3COOH的电离程度大于CH3COO-的水解程度，所以当CH3COOH与CH3COO-的初始浓度相等时，溶液中c(H+)>c(OH-)；③a. 在该溶液中存在0.10 mol/L的CH3COOH、CH3COONa的混合溶液，c(Na+)=0.10 mol/L，由于醋酸的电离程度大于醋酸根的水解程度，所以c(CH3COO-)>0.1 mol/L，c(CH3COOH)c(Na+)>c(CH3COOH)，a不正确； b. 由物料守恒可得①c(CH3COO-)+c(CH3COOH)=2c(Na+)；由电荷守恒可②c(CH3COO-)-+c(OH-)=c(H+)+c(Na+)，将②×2-①，整理可得2c(H+)=c(CH3COO-)-c(CH3COOH)+2c(OH-)，b正确；c. 根据物料守恒可知c(CH3COOH)+c(CH3COO-)=2c(Na+)=0.2 mol/L，c正确；故合理选项是bc；④a. 向HCl—NaCl的混合溶液中加入酸，溶液中H+浓度增大，pH减小，当加入碱时，溶液中OH-增大，溶液pH增大，a不正确；b. 向Na2CO3—NaHCO3的混合溶液中加入酸，H+与CO32-反应产生HCO3- ， 溶液中H+浓度几乎不变，当加入碱溶液时，HCO3-与OH-反应产生CO32-和H2O，溶液pH也几乎不变，b正确；c. 向NH3·H2O-NH4Cl的混合溶液中加入酸，NH3·H2O与H+反应产生NH4+ ， 溶液中H+浓度几乎不变，当加入碱时，NH4+与OH-反应产生NH3·H2O，也使溶液中H+浓度几乎不变，因此溶液酸碱性对其pH几乎无影响，c正确；d. 向KOH—KCl混合溶液中加入酸，消耗OH- ， 溶液中OH-浓度降低，碱性减弱；当加入碱时，溶液中溶液中OH-浓度增大，溶液碱性增强，pH发生较大的变化，d不正确；故合理选项是bc；(2)①放电时该装置为原电池，Zn为负极，失去电子，发生氧化反应，VOSO4电离产生的VO2+得到电子，与溶液中的H+结合反应产生V3+和H2O，电极反应式为：VO2++e-+2H+=V3++H2O；反应消耗H+ ， 使c(H+)降低，由电极反应可知，转移1 mol e-消耗2 mol H+ ， 同时有1 mol H+通过质子交换膜进入B室，因此总体c(H+)降低；②在充电时，H+通过质子膜从B室进入A室，A室溶液中的CH3COO-与H+结合成CH3COOH(或“CH3COOH-CH3COONa溶液有缓冲作用”)，从而使c(H+)的变化减缓。8.【答案】 （1）S；2NA （2）存在Al3++3H2O⇌Al(OH)3+3H+平衡，受热后HCl挥发，水解平衡持续正向移动，使氯化铝转化为氢氧化铝 （3）Li(或SOCl2)会与水发生反应 （4）常压SO2的转化率已经很高，高压虽能使平衡正向移动，但会增加成本 （5）SO32-；溶液中HSO3-的电离 【解析】【解答】(1)该电池的工作原理为：4Li+2SOCl2=4LiCl↓+SO2↑+S↓，该反应中Li元素由0价变为+1价，失去电子，被氧化，S元素由+4价变为0价，得电子，被还原，还原产物为S；反应中4molLi参与反应生成1mol SO2 ， 转移4mol电子，生成标准状况下SO211.2L，即为SO2的物质的量为0.5mol，则转移电子的物质的量为0.5mol×4=2mol，则数目为2NA；(2) Al3+在溶液中会发生水解，存在Al3++3H2O⇌Al(OH)3+3H+平衡，受热后HCl挥发，水解平衡持续正向移动，使氯化铝转化为氢氧化铝，则SOCl2与水反应生成的盐酸可以抑制铝离子的水解，可以用于AlCl3·6H2O制备无水AlCl3；(3)金属锂是活泼金属，Li(或SOCl2)会与水发生反应，则电池组装必须在无水条件下进行；(4)根据反应2SO2+ O2 ⇌催化剂 2SO3 ， 常压下，SO2的转化率已经很高，高压虽能使平衡正向移动，但会增加成本；(5) NaOH和二氧化硫反应生成亚硫酸钠，二氧化硫过量可生成亚硫酸氢钠，则SO32-浓度先增大后减小，生成的HSO3-可发生微弱电离生成SO32- ， 则X为SO32-。
