苏教版 (2019)必修 第二册第三单元 化学能与电能的转化学案

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1．分类
(1)一次电池：不能充电，用过之后不能复原。
(2)二次电池：充电后能继续使用。
(3)燃料电池：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。
2．常见化学电源的组成与反应
判断下列说法是否正确。(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)可充电电池，放电与充电都是自发进行氧化还原反应。(×)
(2)太阳能电池不属于原电池。(√)
(3)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移。(×)
燃料电池两电极反应有何特点？
提示：两个电极均为惰性电极，本身不参与反应。燃料电池常用的燃料有H2、CH4、C2H4、CH3OH等可燃性物质，在反应中燃料一般表现为失去电子，在电源负极通入。常用的氧化剂是氧气，在反应中表现为得到电子，在电源正极通入。
知识点二 电解在物质制备中的应用
1．电解熔融Al2O3制Al
总反应方程式：2Al2O3(熔融)eq \(=====,\s\up10(通电),\s\d10(冰晶石))4Al＋3O2↑。
电极反应：
阳极：6O2－－12e－===3O2↑；
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al。
冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。
2．电解熔融氯化钠得到钠
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：2Na＋＋2e－===2Na
总反应方程式：2NaCl(熔融)eq \(=====,\s\up10(通电),\s\d10( ))2Na＋Cl2↑。
写出电解熔融MgCl2的电极反应式和电解方程式。
提示：阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑；
阴极：Mg2＋＋2e－===Mg。
电解方程式：MgCl2(熔融)eq \(=====,\s\up10(通电),\s\d10( ))Mg＋Cl2↑。
下面是几种常见的化学电源示意图：
[问题1] 观察锌锰干电池的构造，分析锌锰干电池中正、负极及电解质溶液的情况是怎样的？
提示：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl溶液作电解质。
[问题2] 铅蓄电池的正、负极材料是什么？电解质溶液是什么？
提示：负极：Pb，正极：PbO2；电解质溶液：稀H2SO4。
[问题3] 氢氧燃料电池在酸性条件和碱性条件下的正极反应式相同吗？若不同，请分别写出电极反应式。
提示：不相同；酸性条件下正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，碱性条件下正极反应式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。
1．常见化学电源的反应原理
(1)锌锰干电池
Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
(2)铅蓄电池
PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(3)甲醇­空气燃料电池
2CH3OH＋3O2＋4OH－===2COeq \\al(2－,3)＋6H2O
2．氢氧燃料电池
微点拨：(1)燃料电池的本质是燃料与氧化剂之间能够发生自发的氧化还原反应，且能够对外放出能量。
(2)燃料电池在使用过程中并没有发生燃料的燃烧，而是燃料和氧化剂分别在两极放电，将化学能转化为电能。
(3)燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池中发生的氧化还原反应则是缓和平稳的。
(4)燃料燃烧时，大量的热能释放到空气中，能量利用率低；燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置。
【例题】 Mg­AgCl电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )
A．负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋
B．正极反应式为Ag＋＋e－===Ag
C．电池放电时Cl－由正极向负极迁移
D．负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑
【解题指南】 解答本题时应遵循以下思路
eq \x(\a\al(确认电,池原理))—eq \x(\a\al(判断,电极))—eq \x(\a\al(核实电子、离子移动方向,电极反应式是否正确))
B [根据题意，电池总反应式为Mg＋2AgCl===MgCl2＋2Ag，正极反应式为2AgCl＋2e－===2Cl－＋2Ag，负极反应式为Mg－2e－===Mg2＋，A正确，B错误；对原电池来说，在电解质溶液的内部，阴离子由正极移向负极，C正确；由于镁是活泼金属，则负极会发生副反应Mg＋2H2O===Mg(OH)2＋H2↑，D正确。]
[变式旁通] (1)该电池能否用KCl溶液激活？
(2)该电池能否用于海上应急照明供电？
提示：(1)能。Mg­AgCl电池能够被海水(主要是含大量的氯化钠)激活，改用KCl溶液作电解质溶液也能够激活电池。
(2)能。该电池相当于原电池。
(1)电极判断的方法：分析电池中发生氧化还原反应的方程式，化合价升高失电子的物质(如燃料电池中的可燃物)为负极反应物，化合价降低得电子的物质(如燃料电池中通的空气或氧气)为正极反应物。
(2)电极反应式的书写：
①规律：原电池的两电极反应式之和即为总反应式。
②介质环境：结合介质环境和电荷守恒，补充适当的微粒，如酸性为H＋和H2O、碱性为OH－和H2O。得氧时，酸性溶液反应物中加H2O，碱性或中性时加OH－；失氧时，反应物中酸性加H＋，碱性或中性加OH－。
③注意事项：一看电极材料；二看介质环境；三看附加条件与信息。
1．最早使用的化学电源是锌锰电池，即大家所熟悉的干电池，其结构如图所示。尽管这种电池历史悠久，但人们对它的电化学过程
尚未完全了解。一般认为，放电时，电池中的反应如下：
E极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
F极：Zn＋2NH4Cl －2e－=== Zn(NH3)2Cl2＋2H＋
总反应式：2MnO2＋Zn＋2NH4Cl===2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2
下列说法正确的是( )
A．E极是电池的正极，发生的是氧化反应
B．F极是电池的负极，发生的是氧化反应
C．从结构上分析，锌锰电池应属于可充电电池
D．锌锰电池内部发生的氧化还原反应是可逆的
B [E极是电池的正极，发生的是还原反应，A错； F极是电池的负极，发生的是氧化反应，B对；从结构上分析，锌锰电池应属于一次电池，C错；锌锰电池内部发生的氧化还原反应是不可逆的，因为它是一次电池，D错。]
2．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是
X极：eq \f(1,2)O2＋H2O＋2e－===2OH－
Y极：H2＋2OH－－2e－===2H2O
下列说法正确的是( )
A．X是负极 B．Y是正极
C．Y极上发生还原反应D．Y极上发生氧化反应
D [由电极反应式可知，X极上发生还原反应，X是电池的正极，Y极上发生氧化反应，Y是电池的负极。]
1．下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是( )
A．碱性锌锰电池 B．手机用锂电池
C．汽车用铅蓄电池D．玩具用镍氢电池
A [A项，碱性锌锰电池属于一次电池，不属于可充电电池，正确；B项，手机用锂电池属于可充电电池，错误；C项，汽车用铅蓄电池属于可充电电池，错误；D项，玩具用镍氢电池属于可充电电池，错误。]
2．下列有关锌锰干电池的说法中正确的是( )
A．锌外壳是负极，碳棒是正极
B．在外电路中电子从碳棒流向锌外壳
C．电流从锌外壳流到碳棒上
D．在电池内部阳离子从碳棒向锌外壳移动
A [A项，在锌锰干电池中，锌外壳是负极，石墨碳棒是正极，故正确；B项，在外电路中电子从锌外壳流向碳棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从碳棒流向锌，故错误；D项，电池内部，阳离子向正极碳棒移动，故错误。]
3.银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。其工作示意图如图所示。下列说法不正确的是( )
A．Zn电极是负极，K＋向Ag2O电极迁移
B．Ag2O电极发生还原反应
C．Zn电极的电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2
D．放电前后电解质溶液的pH保持不变
D [根据电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag可知，Zn电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，K＋向正极迁移，A、C项正确；Ag2O电极为正极，发生还原反应，B项正确；由于放电过程中不断消耗水，故放电后电解质溶液的pH增大，D项错误。]
4．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是( )
A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏
C．铅蓄电池工作过程中，每转移2 ml电子，负极质量减小207 g
D．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
C [干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，A正确；在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。]
5．化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。
(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极发生的电极反应式为______________。
若反应消耗16.25 g负极材料，则电池中转移电子的物质的量为________ ml。
(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池其电池总反应式可以表示为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法中正确的是________(填字母)。
A．NiO(OH)作负极
B．Cd作负极
C．此电池是一次电池
D．放电时化学能转变为电能
(3)如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向可知，X极为电池的________(填“正”或“负”)极，Y极的电极反应式为___________________________________________________________。
[解析] (1)锌锰干电池中的负极是 Zn，发生氧化反应，失去电子生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋；16.25 g Zn的物质的量是16.25 g÷65 g·ml－1＝0.25 ml，1 ml Zn失去2 ml电子，所以电池中转移电子的物质的量是0.5 ml。
(2)由电池总反应式可知，Cd元素化合价由0→＋2，化合价升高被氧化，Cd作电池负极，A错误，B正确；电池可以充放电，因此是二次电池，C错误；放电时化学能转变为电能，D正确。
(3)氢氧燃料电池中，电子从负极向正极移动，X是电子流出的一极，X是负极，发生氧化反应，Y是正极，发生还原反应，电解质溶液是KOH溶液，氧气得到电子生成氢氧根离子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
[答案] (1)锌 Zn－2e－===Zn2＋ 0.5 (2)BD (3)负 O2＋2H2O＋4e－===4OH－学 习
任 务
1.知道化学电源的分类方法。
2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。
3.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，提升科学态度和社会责任的核心素养。
电池名称
电池组成
电池反应
锌锰干电池
锌筒为负极，石墨棒为正极，NH4Cl作电解质
Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
银锌纽扣电池
负极是锌，正极是氧化银，电解质溶液是氢氧化钾溶液
Zn＋Ag2O＋H2O Zn(OH)2＋2Ag
铅蓄电池
负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
镍氢电池
负极是贮氢合金，正极是泡沫氧化镍，电解质溶液是KOH溶液
NiO(OH)＋MHNiO＋M＋H2O(MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢)
氢氧燃料电池
负极通氢气，正极通氧气，KOH溶液为电解质溶液
2H2＋O2===2H2O
甲醇空气燃料电池
负极通甲醇，正极通入空气，电解质溶液是KOH溶液
2CH3OH＋3O2＋4OH－===2COeq \\al(2－,3)＋6H2O
认识常见化学电源的工作原理
电极材料
铂
铂
电解质溶液
氢氧化钾溶液
盐酸
电池反应原理
电极反应
负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O
正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极：2H2－4e－===4H＋
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
总反应
2H2＋O2===2H2O