化学选择性必修1专题1 化学反应与能量第二单元化学能与电能的转化第2课时导学案

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这是一份化学选择性必修1专题1 化学反应与能量第二单元化学能与电能的转化第2课时导学案，共15页。

第2课时　一次电池和二次电池
[核心素养发展目标]　
1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池反应过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。
2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
一、化学电源及其分类
1．化学电源的分类
(1)化学电源按其反应原理常分为如下三类：
①一次电池：一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用。使用最广泛的一次电池是干电池。
②二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。
③燃料电池：是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。
(2)化学电源按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。
2．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量：电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位是(w·h)·kg－1或(w·h)·L－1。
(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
(3)电池可储存时间的长短。
3．化学电池的回收利用
使用后的废旧电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废旧电池要进行回收利用。
4．化学电源的发展方向
小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池，如镍氢电池、锂离子电池等。

(1)化学电池根据电解质的性质又可分为酸性电池、碱性电池和中性电池(　　)
(2)具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池(　　)
答案　(1)√　(2)√

1．化学电池与其他能源相比有何优点？
提示　与其他能源相比，化学电池的能量转换效率较高，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，并可在各种环境下工作。
2．若废旧电池不回收利用而随处丢弃会产生怎样的危害？
提示　使用后的废旧电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。

1．下列说法错误的是(　　)
A．依据原电池的工作原理设计出了化学电源
B．原电池是化学电源的雏形
C．判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活动性
D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源
答案　C
解析　判断电池的正、负极不仅与电极材料有关，还与电解质溶液有关。
2．随着人们生活质量的不断提高，废旧电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是(　　)
A．利用电池外壳的金属材料
B．防止电池中汞、镉和铅等重金属对土壤和水源造成污染
C．防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品
D．回收其中的石墨电极
答案　B
解析　汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。
二、常见的一次电池和二次电池
1．一次电池
(1)锌锰干电池

普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
示意图

电极
负极：锌筒，正极：石墨棒
负极反应物：锌粉，正极反应物：二氧化锰
电解质
溶液
氯化铵和氯化锌溶液
氢氧化钾溶液
电极
反应
碱性锌锰电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2
①负极反应式是Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
②正极反应式是2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－

(2)银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点

负极反应物：锌粉，正极反应物：Ag2O，电解质溶液：KOH溶液。
总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
①负极反应式是Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
②正极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。
2．二次电池
(Ⅰ)铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质是硫酸。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；
③放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。
(3)充电反应原理
①阴极(发生还原反应)反应式是PbSO4＋2e－===Pb＋SO；
②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO；
③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。
(Ⅱ)新型二次电池：镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等。

(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(　　)
(2)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电解质(　　)
(3)铅酸蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(　　)
(4)锂离子电池放电时，Li＋移向正极区(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√

关于铅蓄电池：
(1)充、放电时互为逆向过程，是可逆反应吗？
提示　二次电池的充电反应和放电反应是两个相反的过程，但反应条件不同，不是可逆反应。
(2)在充、放电过程中，溶液的pH分别如何变化？
提示　根据电池的总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O可作出判断。放电时，消耗硫酸，pH增大；充电时，生成硫酸，pH减小。
(3)如何判断铅蓄电池是否需要充电？
提示　由电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O可以看出，随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，因此根据硫酸密度的大小可以判断是否需要充电。
(4)放电完成时，正、负极的质量如何变化？
提示　由负极反应式：Pb＋SO－2e－===PbSO4
正极反应式：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
知：两极的质量均增加。

1．在碱性锌锰电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。下列有关该电池的电极反应式的书写正确的是(　　)
A．负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋
B．负极反应式为Zn＋2H2O－2e－===Zn(OH)2＋2H＋
C．正极反应式为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH
D．正极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
答案　D
解析　该电池中，Zn元素化合价由0变为＋2，所以Zn作负极，Mn元素化合价由＋4变为＋3，所以二氧化锰作正极，根据电池总反应知，负极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，正极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。
2．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。高铁电池的总反应式为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____________，放电时负极反应式为_______________________。
(2)放电时，正极发生______(填“氧化”或“还原”)反应，正极反应式为____________________________。放电时，____(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。
答案　(1)Zn　3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2
(2)还原　2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－　正
解析　放电时，电池的负极上发生氧化反应，负极反应式为3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，正极上发生还原反应，正极反应式为2FeO＋6e－＋8H2O===2Fe(OH)3＋10OH－，则正极附近生成了OH－，溶液的碱性增强。
3．锂空气电池放电时的工作原理如图所示。根据图示解答下列问题：

(1)放电时Li＋由________极向________极移动。
(2)电极反应式：负极：_________________________________________________________；
正极：________________________________________________________________________；
放电时电池总反应式为__________________________________________________________。
(3)电解液a能否是氯化锂溶液？________(填“能”或“否”)，原因：________________。
答案　(1)A　B　(2)4Li＋4OH－－4e－===4LiOH
O2＋2H2O＋4e－===4OH－　4Li＋O2＋2H2O===4LiOH
(3)否　金属锂能与水反应，电解质中不能含有水

化学电源电极反应式的书写
(1)根据电源总反应式或装置确定正、负极的反应物；原电池的正极大多数只起导电作用，而化学电源的正极材料得电子参与电极反应。
(2)根据电源总反应式的产物或装置中微粒的种类确定稳定的产物。特别注意溶液的酸碱性和离子共存问题。
(3)利用氧化还原配平方法配平电极反应式，运用原子守恒和电荷守恒进行检查。

题组一　化学电源及其分类
1．下列说法错误的是(　　)
A．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电池的能量来源
B．化学电池中的负极材料不一定参加电极反应
C．二次电池的充电和放电过程是可逆反应
D．丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是对资源的极大浪费
答案　C
解析　二次电池的充电和放电，是在不同条件下发生的过程，它们不是可逆反应。
2．下列电池中，是新型二次电池的是(　　)

答案　D
题组二　一次电池
3．电子表和电子计算器的电源通常用微型银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag。下列说法正确的是(　　)
A．Ag2O是正极，Zn是负极
B．Zn是正极，Ag2O是负极
C．工作时，电池负极区溶液pH增大
D．工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
答案　A
解析　根据总反应式可知，金属锌失去电子发生氧化反应，作该电池的负极，氧化银得到电子发生还原反应，作该电池的正极，A项正确、B项错误；负极区锌离子与氢氧根离子结合，溶液中氢氧根离子浓度减小，则其pH减小，C项错误；该电池工作时，电子由锌极经外电路流向氧化银极，D项错误。
4．日常所用干电池的电极分别为碳棒(上面有铜帽)和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质(其中加入MnO2吸收H2)，电极反应可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH＋2e－===2NH3↑＋H2↑{NH3与Zn2＋络合生成[Zn(NH3)4]2＋}。根据以上叙述判断下列结论不正确的是(　　)
A．Zn极失去电子，发生还原反应
B．Zn为负极，碳为正极
C．工作时电流由碳棒经外电路流向Zn极
D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出，从而腐蚀用电器
答案　A
解析　由电极反应可知，Zn发生氧化反应，为电池的负极，碳棒为电池的正极；电子由锌极流出通过外电路流向碳棒，电流方向和电子移动方向相反；长时间连续使用时，MnO2吸收较多H2而体积膨胀，糊状物可能流出，因电解质呈酸性，故会腐蚀用电器。

5．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH。下列说法中错误的是(　　)
A．电池工作时，锌失去电子
B．电池正极的电极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
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，锌的质量减少6.5 g
答案　C
解析　由电池总反应式可知，锌为负极，电子从负极流出经外电路流向正极。外电路中每通过0.2 mol电子，参加反应的锌理论上为0.1 mol，即质量减少6.5 g。
6.锂锰电池具有高倍率放电性能且电压稳定，是常用的贮存性能优良的一次电池。其工作原理如图所示，Li＋通过电解质迁移进入MnO2晶格中，生成LiMnO2，以下说法错误的是(　　)

A．a极为电池的负极
B．可以用水代替有机溶剂
C．外电路中电子由a极流向b极
D．b极的电极反应式为MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2
答案　B
解析　根据图示装置可确定Li电极为负极，A项正确；若用水代替有机溶剂，水能与金属Li直接发生化学反应，B项错误；原电池中电子从负极a流出经导线流向正极b，C项正确；MnO2在正极发生还原反应生成LiMnO2，其电极反应式为MnO2＋e－＋Li＋===LiMnO2，D项正确。
题组三　二次电池
7．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4溶液，工作时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。下列结论正确的是(　　)
A．Pb为正极被氧化
B．溶液的pH不断减小
C．SO只向PbO2处移动
D．电解质溶液的密度不断减小
答案　D
解析　由电池总反应方程式可知，铅是负极，二氧化铅是正极；原电池工作时，外电路中电子由负极流向正极；内电路中带负电荷的阴离子(SO和OH－)移向负极；硫酸不断被消耗， pH不断增大，硫酸浓度减小，溶液密度减小。
8．镍镉(Ni—Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2，有关该电池的说法正确的是(　　)
A．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
B．放电时负极上电极反应式：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2
C．放电时负极附近溶液的碱性增强
D．放电时正极上电极反应式：NiOOH＋H2O＋2e－===Ni(OH)2＋OH－
答案　B
解析　放电时，电解质溶液中的氢氧根离子向负极移动，故A项错误；放电时，负极上电极反应式为Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，故B项正确；由B可知，负极附近碱性减弱，故C项错误；放电时正极上电极反应式：NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，故D项错误。
9．氢镍电池是近年开发出的可充电电池，电池的总反应为H2＋NiOOHNi(OH)2，下列叙述正确的是(　　)
A．电池充电时，镍元素被还原
B．电池放电时，镍元素被氧化
C．电池充电时，只有氢元素被氧化
D．电池放电时，氢气中氢元素被氧化
答案　D
解析　电池充电时，镍元素的化合价升高，被氧化，A项错误；电池放电时，正极反应为NiOOH＋H2O＋e－===OH－＋Ni(OH)2，镍元素被还原，B项错误；电池充电时，氢元素的化合价降低，被还原，C项错误；电池放电时，氢元素的化合价升高，则氢气中氢元素被氧化，D项正确。
题组四　新型电池
10．MgAgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池反应的离子方程式为2AgCl＋Mg===Mg2＋＋2Ag＋2Cl－，有关该电池的说法正确的是(　　)
A．Mg为电池的正极
B．负极反应为AgCl＋e－===Ag＋Cl－
C．不能被KCl溶液激活
D．可用于海上应急照明供电
答案　D
解析　由电池反应式看出，Mg是还原剂，AgCl是氧化剂，故金属Mg作负极，故A项错误；金属Mg作负极，其电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，故B项错误；因为该电池能被海水激活，故KCl溶液也可以激活该电池，故C项错误；该电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池，电池工作时将化学能转化为电能，电能的产生可用于海上应急照明供电，故D项正确。
11．我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。

下列有关说法不正确的是(　　)
A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极
B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替
C．电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气
答案　B
解析　A项，锂电极为负极，石墨电极为正极，电子从负极流出，经导线流向正极，正确；B项，负极材料锂能与水反应，不可用水溶液代替有机电解质，错误；C项，电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，正确；D项，由电池总反应知，该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气，正确。
12．(2020·广州调研)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用Li＋交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS。下列有关该电池的说法中，正确的是(　　)
A．化合物LiAl具有强还原性，作负极材料
B．放电时，电子从LiAl极经过Li＋交换膜流向FeS极
C．放电时发生的总反应为2Li＋FeS===Li2S＋Fe
D．为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液
答案　C
解析　LiAl是合金，不是化合物，A不正确；放电时，电子从LiAl极经过外电路流向FeS极，B不正确；放电时发生的总反应为2Li＋FeS===Li2S＋Fe，C正确；负极材料易与水发生反应，故不能用含电解质的水溶液，D不正确。

13．“碳呼吸电池”是一种新型能源装置，其工作原理如图所示。

下列说法正确的是(　　)
A．该装置是将电能转变为化学能
B．正极的电极反应为C2O－2e－===2CO2↑
C．每得到1 mol草酸铝，电路中转移3 mol电子
D．利用该技术可捕捉大气中的二氧化碳
答案　D
解析　“碳呼吸电池”将化学能转变为电能。由图可知，二氧化碳在正极上得电子生成草酸根，电极反应式为2CO2＋2e－===C2O；由图可知，金属铝为负极，失电子生成草酸铝，每得到1 mol草酸铝，电路中转移3 mol×2＝6 mol电子； “碳呼吸电池”能消耗二氧化碳气体，利用该技术可捕捉大气中的二氧化碳。
14．液流式铅蓄电池以可溶性的甲基磺酸铅[(CH3SO3)2Pb]代替H2SO4作为电解质，该电池充、放电的总反应为2Pb2＋＋2H2OPb＋PbO2＋4H＋，下列说法不正确的是(　　)
A．放电时，电极质量均减小
B．放电时，正极反应是PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2＋＋2H2O
C．充电时，阴极反应为Pb2＋＋2e－===Pb
D．充电时，溶液中的pH增大
答案　D
解析　电池放电时，负极反应为Pb－2e－===Pb2＋，正极反应为PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2＋＋2H2O，则放电时，电极质量均减小，A、B项正确；充电时，阴极发生还原反应，电极反应式为Pb2＋＋2e－===Pb，C项正确；充电时，由总反应：2Pb2＋＋2H2O===PbO2＋Pb＋4H＋知溶液的pH减小，D项错误。

15.锂离子二次电池的负极材料为金属锂和石墨的复合材料(石墨作为金属锂的载体)，电池反应为FePO4(s)＋Li(s)LiFePO4(s)，装置如图：

(1)该电池不能用电解质水溶液，原因是__________________________________________
____________________________________________________________________________。
(2)放电时，b极的电极反应式是________________________________________________。
答案　(1)金属锂可与水发生反应(或2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑)　(2)FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4
解析　(2)根据锂离子电池的电池反应式可知，放电时，Li的化合价升高，被氧化，a为原电池的负极，负极的电极反应式：Li－e－===Li＋；b为正极，正极上发生还原反应，电极反应式为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。
16．镁—H2O2酸性电池采用海水作电解质溶液(加入一定量酸)。
(1)该电池负极反应式为______________________________________________________。
(2)电池工作时，正极周围海水的pH____________(填“增大”或“减小”)。
(3)溶液中的H＋向________(填“负极”或“正极”)移动。
(4)电池总反应为____________________________________________________________。
答案　(1)Mg－2e－===Mg2＋　(2)增大　(3)正极
(4)Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O
解析　(1)镁—H2O2酸性电池中，镁为活泼金属，应为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为Mg－2e－===Mg2＋。(2)原电池工作时，正极发生还原反应，电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，由于不断消耗H＋，使溶液中c(H＋)逐渐减小，正极周围海水的pH逐渐增大。(3)H＋是阳离子，在原电池中，溶液中的阳离子向正极移动。(4)由于在同一闭合回路中电子转移数目相等，将正极、负极的电极反应式相加，就可得到该原电池的总反应：Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O。
17．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SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴入SOCl2中，实验现象是________________________________________________，
反应的化学方程式为__________________________________________________________。
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是
________________________________________________________________________。
(5)熔融状态下，钠的单质和FeCl2能组成可充电电池(装置如图)，反应原理为2Na＋FeCl2===Fe＋2NaCl。

放电时，电池的正极反应为______________________________________________________；
该电池的电解质为________________。
答案　(1)Li　Li－e－===Li＋
(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑
(3)出现白雾，有刺激性气味气体生成　SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑
(4)构成电池的主要成分Li能与氧气、水反应，SOCl2也与水反应
(5)Fe2＋＋2e－===Fe　βAl2O3固体
解析　(1)分析反应中元素的化合价变化，可得Li为还原剂(作负极)，失电子：Li－e－===Li＋。
(2)SOCl2为氧化剂，得电子，从题给电池反应可推出产物为Cl－、S、SO2(或用总反应减去负极反应)。
(3)题中已给出信息：碱液吸收时的产物是Na2SO3和NaCl，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，进而推出现象。