2021学年第一节 原电池导学案及答案

这是一份2021学年第一节 原电池导学案及答案，共11页。学案主要包含了化学电源，一次电池，二次电池，燃料电池等内容，欢迎下载使用。

一、化学电源
1．概念
化学电源是将化学能变成电能的装置。
2．分类
3．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。
(2)比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。
(3)电池的可储存时间的长短。
下列说法中错误的是( )
A．化学电源是将化学能转变成电能的装置
B．化学电源的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等
C．化学电源供能稳定可靠，使用方便，易于维护
D．废旧电池可以随意丢弃
[答案] D
二、一次电池
1．一次电池
随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
2．碱性锌锰电池
(1)构造
(2)组成
正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。
(3)工作原理
负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极反应式：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－；
总反应反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。
碱性锌锰电池比普通锌锰电池有哪些优良性能？
[提示] 比能量和可储存时间均有所提高，适用于大电流和连续放电。
(2021·北京丰台区期中)碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，其结构示意图如图所示，电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnO(OH)。下列说法中不正确的是( )
A．电池工作时，电子转移方向是由Zn经外电路流向MnO2
B．电池正极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
C．电池工作时，KOH不参与反应，没有发挥作用
D．电池工作时，Zn发生氧化反应，MnO2发生还原反应
C [失电子的一极是负极，电子从负极流向正极，负极是金属锌失电子，电子转移方向是由Zn经外电路流向MnO2,A正确；正极上得电子，发生还原反应，所以正极的电极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－，B正确；电池工作时，KOH电离出离子，增大溶液的导电性，KOH不参与反应，但是能提高溶液的导电性，C错误；负极上锌失电子，Zn发生氧化反应，正极得电子，发生还原反应，则MnO2发生还原反应，D正确。]
三、二次电池
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，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，电解质溶液是稀硫酸。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)＋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＋SOeq \\al(2－,4)；
②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SOeq \\al(2－,4)；
③充电时，铅酸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。
(2021·北京丰台区期中)铅蓄电池的结构示意图如图所示，其充、放电时的电池反应为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。下列说法正确的是( )
A．放电时Pb为负极，电极反应式：Pb－2e－===Pb2＋
B．放电时H＋向正极移动，正极区域酸性增强
C．充电时PbO2与外电源的负极相连
D．充电时阳极反应式：PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋
D [放电时，Pb作负极，电极反应式为Pb－2e－＋SOeq \\al(2－,4)===PbSO4,A错误；放电时H＋向正极移动，正极的电极反应式为PbO2＋2e－＋4H＋＋2SOeq \\al(2－,4)===PbSO4＋2H2O，消耗氢离子，正极区域酸性减弱，B错误；充电时PbO2与外电源的正极相连，C错误；充电时，阳极上PbSO4失电子生成PbO2，阳极的电极反应式：PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋，D正确。]
四、燃料电池
1．氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是2H2＋O2===2H2O。
2．氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应
3．燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。若用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入甲醇(CH3OH)和氧气，发生原电池反应。在负极发生氧化反应的是CH3OH，其最终产物是H2O、COeq \\al(2－,3)，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2COeq \\al(2－,3)＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2COeq \\al(2－,3)＋6H2O。
燃料电池的正、负两极必须是两种活泼性不同的金属或一种金属与一种导电的非金属吗？
[提示] 不一定，如氢氧燃料电池的正、负极均为Pt。
原电池是化学对人类的一项重大贡献。
(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为__________________________________________________________________。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)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的混合气体为正极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池。请完成有关的电池反应式：
负极反应式：2CO＋2COeq \\al(2－,3)－4e－===4CO2；
正极反应式：_____________________________________________________；
总电池反应式：_____________________________________________。
[解析] (1)CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原反应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)，根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。
[答案] (1)①a CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O ②减小 (2)O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3) 2CO＋O2===2CO2
高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池可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。
[问题1] 写出该电池放电时的负极反应式。
[提示] 放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。
[问题2] 根据该电池的总反应分析电池工作时，正极附近溶液的pH怎样变化？
[提示] 放电时正极附近生成OH－，碱性增强，pH变大。
[问题3] 给该电池充电时应该怎样连接电极？
[提示] 充电时该电池的正极接外接电源正极，负极接外接电源负极。
充电电池充电、放电的原理
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应
(3)充、放电电池电极反应式的书写
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅酸蓄电池充电、放电的过程如图所示。
注意：书写铅酸蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2＋和电解质溶液中的SOeq \\al(2－,4)不能共存，Pb2＋与SOeq \\al(2－,4)结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb－2e－===Pb2＋是错误的，应写成Pb＋SOeq \\al(2－,4)－2e－===PbSO4。
1．镍­镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应式为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。下列说法不正确的是( )
A．放电时，负极发生了氧化反应，反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2
B．充电时，阳极反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O
C．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小
D．该电池充电时将电能转化为化学能
C [由电池总反应可知：放电时负极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，负极区OH－浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，正极区OH－浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。]
2． (2021·浙江十校高二月考)氟离子电池是一种前景广阔的新型电池，其能量密度是目前锂电池的十倍以上且不会因为过热而造成安全风险。如图是氟离子电池工作示意图，其中充电时F－从乙电极流向甲电极，已知BiF3和MgF2均难溶于水，下列关于该电池的说法正确的是( )
A．放电时，甲电极的电极反应式为Bi－3e－＋3F－===BiF3
B．充电时，外加电源的负极与甲电极相连
C．充电时，导线上每通过0.5 ml e－，乙电极质量减小9.5 g
D．放电时，电子由乙电极经外电路流向甲电极，再经电解质溶液流向乙电极
C [放电时，甲为正极，正极上发生得电子的氧化反应，则正极的电极反应式为BiF3＋3e－===Bi＋3F－，A错误；充电时，乙电极为阴极，与外接电源的负极相连，即外加电源的负极与乙电极相连，B错误；充电时，乙电极为阴极，反应式为MgF2＋2e－===Mg＋2F－，所以导线上每通过0.5 ml e－，乙电极减少0.5 ml F－，则乙电极质量减小0.5 ml×19 g/ml＝9.5 g,C正确；电子不能通过电解质溶液，放电时，电子由乙电极经外电路流向甲电极，D错误。]
一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2混合气体，其总反应式为2CO＋O2===2CO2。
[问题1] 判断该电池的正极、负极情况？A、B为何种物质？
[提示] 电极a为负极，电极b为正极，A为CO，B为O2。
[问题2] 你能写出该电池的正极反应式和负极反应式吗？
[提示] 负极的电极反应式为2CO＋2COeq \\al(2－,3)－4e－===4CO2，正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)。
有机燃料电池电极反应式的书写方法
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或空气得电子，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K2CO3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，COeq \\al(2－,3)中碳元素的化合价为＋4，故1 ml乙醇完全反应失去2 ml×[4－(－2)]＝12 ml电子。
第三步：列出表达式。
C2H5OH＋eq \x( )OH－－12e－―→eq \x( )COeq \\al(2－,3)＋eq \x( )H2O。
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COeq \\al(2－,3)的化学计量数为2，
由电荷守恒确定OH－的化学计量数为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C2H5OH＋16OH－－12e－===2COeq \\al(2－,3)＋11H2O。
1．如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是( )
A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇
B．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋
D．该电池提供1 ml e－，消耗氧气0.25 ml
B [负极反应式为2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋，正极反应式为3O2＋12e－＋12H＋===6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1 ml电子时，消耗O2为1×eq \f(3,12) ml＝0.25 ml。]
2．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。
(1)酸性条件
总反应式：__________________________________________；
正极反应式：________________________________________；
负极反应式：_______________________________________。
(2)碱性条件
总反应式：__________________________________________；
正极反应式：________________________________________；
负极反应式：_________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
总反应式：__________________________________________；
正极反应式：________________________________________；
负极反应式：________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下
总反应式：__________________________________________；
正极反应式：________________________________________；
负极反应式：________________________________________。
[答案] (1)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8H＋＋8e－===4H2O CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
(2)CH4＋2O2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋3H2O
2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ CH4＋10OH－－8e－===COeq \\al(2－,3)＋7H2O
(3)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋8e－===4O2－ CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(4)CH4＋2O2===CO2＋2H2O
2O2＋4CO2＋8e－===4COeq \\al(2－,3) CH4＋4COeq \\al(2－,3)－8e－===5CO2＋2H2O
1．下列电池工作时，O2在正极放电的是( )
A．锌锰电池 B．氢氧燃料电池
C．铅酸蓄电池 D．镍镉电池
B [A项，锌锰电池，Zn是负极，MnO2为正极，所以正极放电的物质是MnO2；B项，氢氧燃料电池中，通入氢气的一极为电源的负极，发生氧化反应，通入氧气的一极为原电池的正极；C项，铅酸蓄电池负极为Pb，正极为PbO2放电；D项，镍镉电池负极为Cd，正极为NiO(OH)放电。]
2．(2021·福建厦门一中高二月考)下列有关化学电源的叙述正确的是( )
A．铅酸蓄电池充电时的阳极产物为PbO2
B．锌锰电池中碳棒为负极
C．燃料电池在工作时需要点燃引发反应
D．氧化还原反应都可以设计成原电池
A [铅酸蓄电池充电时，阳极上硫酸铅失电子发生氧化反应，电极反应式为PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋SOeq \\al(2－,4)＋4H＋，则铅酸蓄电池充电时的阳极产物PbO2，A正确；原电池中失电子的一极为负极，则锌锰电池中锌为负极，碳棒为正极，B错误；燃料电池中燃料与氧气分别在两个电极上反应，燃料与氧气不接触，不发生燃烧反应，不需要点燃引发反应，C错误；自发的氧化还原反应可以设计成原电池，非自发的氧化还原反应不能设计成原电池，D错误。]
3．在碱性锌锰电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列关于该电池的电极反应，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－===2MnO(OH)
D．正极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
D [在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H＋。在碱性电池中，负极的Zn失去电子形成的Zn2＋应该与OH－结合为Zn(OH)2。]
4．某燃料电池主要构成要素如图所示，下列说法正确的是( )
A．电池可用于乙醛的制备
B．b电极为正极
C．电池工作时，a电极附近pH降低
D．a电极的反应式为O2＋4e－－4H＋===2H2O
A [该电池将乙烯和水转化为乙醛，可用于乙醛的制备，A正确；该燃料电池中，乙烯和水发生氧化反应，所以通入乙烯和水的电极是负极，氧气易得电子发生还原反应，所以通入氧气的电极是正极，由图可知负极上乙烯和水生成乙醛和氢离子，氢离子移向正极，正极上氧气和氢离子反应生成水，X为水，a电极为正极，b电极为负极，B错误；电池工作时，氢离子移向正极，a电极的反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，a电极附近pH升高，C错误；根据分析，a电极为正极，正极发生还原反应，a电极的反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O,D错误。]
5．“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。
(1)飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将________能转化为________能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为
Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2
放电时，正极的电极反应式为___________________________________
_____________________________________________________________；
当飞船运行到阴影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O2Ag＋Zn(OH)2，其负极的电极反应式为____________________
_____________________________________________________________。
[解析] 正极是得电子发生还原反应的一极，NiO(OH)为正极；放电时负极的电极反应式为Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，溶液的碱性减小。
[答案] (1)太阳 电 NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ 减小
(2)Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
学 习 任 务
1．知道化学电源的分类方法，熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。
2．了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
介质
负极反应式
正极反应式
酸性
2H2－4e－===4H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性
2H2－4e－===4H＋
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
二次电池的充、放电分析
有机燃料电池电极反应式书写方法