化学选择性必修1第四章 化学反应与电能第一节 原电池优秀达标测试

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第二课时 化学电源
【学习目标】
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。
了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，培养良好的环保意识。
【学习重难点】
重点：
（1）化学电池的工作原理；
（2）燃料电池电极反应式的书写
难点：掌握几种典型化学电池的电极反应
【课前预习】
旧知回顾
一、原电池的知识总结
1．定义：将 转化为 的装置叫做 _ 。
2．组成条件
（1）两个活泼性不同的电极
【注意】①其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，如：金属与金属、金属与非金属、非金属与非金
②燃料电池中两极可同选石墨或铂
（2）电解质溶液
（3）电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路
（4）自发的氧化还原反应
3．原电池中电子流向、电流的流向及离子的迁移方向
外电路中电子的流向：负极——导线——正极
外电路中电流的流向：正极——导线——负极
内电路中离子的迁移：阴离子移向负极，阳离子移向正极溶液。
【课中探究】
情境导入：
化学电源作为一种能量转换装置，在日常生活中具有广泛的应用。它可以为我们提供电力，如手机、笔记本电脑等电子设备都需要电池来供电。随着科技的发展，电池的性能和安全性也在不断提高。我们也可以进一步思考化学电源在电动汽车中的应用，它作为电动汽车的动力来源，能够将化学能转化为电能，为车辆提供动力。
随着电动汽车的普及和发展，它对环境的贡献不容忽视。电动汽车相较于传统燃油汽车，可以减少燃油排放和环境污染，符合环保意识和社会发展趋势。化学电源在电动汽车中的应用和推广具有重要意义，它可以促进环保意识的普及和可持续发展。

一、化学电源的分类及概念
活动一、生活中的化学电源
任务1：引导学生认识化学电源，且了解化学电源的分类。
【讨论1】
讨论生活中的化学电源有哪些？按照特点化学电源怎么分类？
【答题要点】
1.生活中有干电池，汽车的铅酸蓄电池，手机、电动汽车的锂电池等。
2.化学电源的分类：化学电源可以分为一次电池、二次电池和燃料电池等
①一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电
②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生
③燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源
【讨论2】
了解生活中的电池的工作特点，那么怎么判断电池的优劣指标呢？
【答题要点】
1.比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，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.电池的可储存时间的长短。
【讨论3】电池使用需要注意哪些？可以直接掩埋处理吗？
使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等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。废弃电池要进行回收利用。
【对应训练1】下列电池不属于化学电池的是( )
A．碱性干电池B．铅蓄电池C．燃料电池D．太阳能电池
【对应训练2】下列有关电池的说法错误的是( )
A．手机中用的锂离子电池属于二次电池
B．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
D．铅蓄电池使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
二、一次电池（锌锰电池）
活动一：引导学生分小组讨论锌锰干电池的使用场景及不足？
任务1：结合生活中的化学电源使用情况，分析锌锰干电池的电池类别。
【答题要点】
1.一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电。常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。
2. 锌锰干电池的结构：
常见的锌锰干电池的构造如图所示。其中，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液，锌筒作负极。这种电池放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行），属于一次电池。
3.生活中使用锌锰干电池时的弊端：酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀。
任务2：在已掌握的原电池原理，及电极反应式的书写知识基础上，引导学生书写锌锰干电池的两极反应式。
【答题要点】
负极：Zn﹣2e- === Zn2+
正极：2MnO2 + 2NH4+ + 2e- === 2MnO(OH) + 2NH3↑
总反应：Zn + 2MnO2 + 2NH4+ === Zn2+ + 2MnO(OH) + 2NH3↑
活动二、一次电池——碱性锌锰电池
任务1：分小组讨论碱性锌锰电池与普通锌锰干电池相比，结构区别在哪？碱性锌锰电池的使用功能有哪些提升？
【答题要点】
1.碱性锌锰电池用KOH电解质溶液代替NH4Cl做电解质；
2.电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高，更加耐用。
任务2：引导学生独立书写碱性锌锰电池的电极反应式。
【答题要点】
碱性锌锰电池电极反应式的书写：
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
【对应训练3】下列说法中正确的是( )
A. 镍氢电池、锂离子电池和锌锰干电池都是二次电池
B. 氢氧燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池
C. 铅酸蓄电池放电的时候正极材料是铅，负极材料是二氧化铅
D. 铅酸蓄电池充电时将化学能转化为电能
三、二次电池（铅酸蓄电池）
活动一、阅读课本，熟悉二次电池的概念，了解铅酸蓄电池的工作原理。。
任务1：阅读课本，总结二次电池的概念，并举例生活常见的二次电池。
【答题要点】
1.二次电池又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。
2.生活中可以手机电池，笔记本电池以及汽车发动机的使用电池均属于二次电池。
任务2：分小组讨论铅酸蓄电池的构成，并判断正负极。
【答题要点】
1.铅酸蓄电池的构成;
铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，深灰色所示的正极板，板上覆盖有二氧化铅。浅灰色所示的负极板上覆盖有铅单质。硫酸作为电解质溶液。
2.正负极分判断：铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。
任务3：老师引导学生思考铅酸蓄电池的工作原理的充放电规律。
【老师总结】
1.二次电池的充电规律
a.充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，是原电池的逆反应，因此负极应与电源的负极相连得电子，称阴极，正极接电源的正极后作阳极。
b.工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
2.图解二次电池的的工作原理
任务4：小组讨论铅酸蓄电池的电极反应式，并总结书写电极反应式的方法。
【答题要点】
1.电极反应式的书写
①放电时的反应
负极：Pb(s)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)－2e－===PbSO4(s)；
正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq \\al(2－,4)(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。
总反应式：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) ==2PbSO4(s)＋2H2O(l)
②充电时的反应
阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋ SO42-；
阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋ SO42-
总反应：2PbSO4 + 2H2O === Pb + PbO2 +4H+ + 2SO42-
【总结】铅酸蓄电池是二次可充电电池，引导学生熟悉铅酸蓄电池的整体工作原理的总反应式。
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)＋2H2O(l)
2. 二次电池电极反应式的书写方法
a.标：先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，找出参与负极和正极反应的物质。
b.写：写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)
c.减：在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
eq \a\vs4\al(注意：) 充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反。
【对应训练4】下列关于铅蓄电池的说法中正确的是( )
A．在放电时，正极发生的反应是Pb+SO42-=PbSO4+2e-
B．在放电时，该电池的负极材料是铅板
C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．在充电时，阳极发生的反应是PbSO4+2e-=Pb+ SO42-
活动二、锂电池半自主学习
任务1：生活中熟悉的手机电池，笔记本电池均属于锂电池，分小组展开讨论，并总结锂电池的优势及工作原理。
【答题要点】
老师投屏给出：转移1ml电子时，消耗金属的质量图
Li的摩尔质量是7g/ml,当转移1ml的电子时需要锂的质量7g,和其他金属比较，有着电池质量小、体积小、储存和运输能量大优点。
任务2：根据二次电池电极反应式的书写方法，让学生自主写出锂电池的放电的电极反应式。
【答题要点】
锂电池工作原理示意图（网络图片）
放电时，负极材料—嵌锂石墨；正极材料—钴酸锂；电解质溶液—六氟磷酸锂
电极反应式：
负极：LixCy﹣xe- === Cy + xLi+
正极：Li1-xCO2 + xLi+ + xe- === LiCO2
总反应：Li1-xCO2 + LixCy === LiCO2 + Cy
【对应练习5】我国科学家成功研制出二次电池，在潮湿条件下的放电反应：，模拟装置如图所示(已知放电时，由负极向正极迁移)。下列说法正确的是
A．放电时，电子由镁电极经电解质溶液流向石墨电极
B．放电时，正极的电极反应式为：
C．充电时，Mg电极接外电源的正极
D．充电时，每生成转移的电子的物质的量为0.2ml
四、燃料电池
活动一、讲解实现氢气与氧气反应将化学能转化为电能的过程
任务1：思考讨论氢氧燃料电池的构成条件
【答题要点】一般用酸溶液或碱溶液作电解质溶液，以Pt作电极，负极室通入氢气，正极室通入氧气，用导线外接用电器形成闭合回路，即可实现化学能转化为电能。
任务2：氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种，引导学生书写不同环境下的氢氧燃料电池的电极反应式。
【答题要点】
1.酸性条件：
负极： 2H2 - 4e- === 4H+ 正极：O2 + 4H+ + 4e- === 2H2O
总反应：2H2 + O2 === 2H2O
2.碱性条件：
负极：2H2 + 4OH- - 4e- === 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e- === 4OH-
总反应：2H2 + O2 === 2H2O
任务3：根据氢氧燃料电池的工作原理，书写甲烷燃料电池的电极反应式。
【答题要点】
1.酸性条件
负极：CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+
正极：O2+4e-+4H+=2H2O
总反应：CH4+2O2=CO2+2H2O
2.碱性条件
负极：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
正极：O2+4e-+2H2O=4OH-
总反应：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O
【对应训练6】燃料电池是利用燃料(如CO、H2、CH4等)与氧化剂反应，将反应物的化学能转化为电能的装置，通常用氢氧化钾作电解质。回答下列问题：
(1)已知某燃料电池的总反应为CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，电池中有一极的电极反应式为CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O，该电极是燃料电池的 (填“正”或“负”)极，另一个电极上的电极反应式为 。
(2)随着电池不断放电，电解质溶液的碱性逐渐 (填“增强”“减弱”或“不变”)
(3)通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率 (填“大于”“小于”或“等于”)甲烷燃烧的能量利用率。
课 后 作 业 练 习
【例1】 下列有关电池的说法错误的是( )
A．手机中用的锂离子电池属于二次电池
B．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极
D．铅蓄电池使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
【例2】下列有关装置的说法正确的是
A. 装置Ⅰ中Mg为原电池的负极
B. 装置Ⅱ为一次电池
C. 装置Ⅲ可构成原电池
D. 装置Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒
【例3】微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其总反应为Ag2O+Zn+H2O=Zn(OH)2+2Ag。下列叙述中正确的是( )。
A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH逐渐增大
B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn发生还原反应，Ag2O发生氧化反应
【例4】瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨-液氧燃料电池的工作原理如图所示，下列有关说法正确的是( )
A．电极2发生氧化反应
B．电池工作时，Na+向负极移动
C．电流由电极1经外电路流向电极2
D．电极1发生的电极反应为2NH3+6OH--6e-=N2↑+6H2O
【例5】新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的正极反应式为FePO4+Li++e-=LiFePO4，负极反应式为Li-e-=Li+。下列说法中正确的是( )
A．充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连
B．放电时电池总反应为FePO4+Li++e-=LiFePO4
C．放电时电池内部Li+向负极移动
D．放电时，在正极上Li+得电子被还原
【例6】氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是( )
A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用
B．负极反应式为H2－2e－＋COeq \\al(2－,3)===CO2＋H2O
C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放
D．电池工作时，外电路中流过0.2 ml电子，消耗3.2 g O2
【例7】.下列有关四个常用电化学装置的叙述中，正确的是
A. 图Ⅰ所示电池中，MnO2是正极，电极反应式是2H2O+2e−=H2↑+2OH−
B. 图Ⅱ所示电池放电过程中，当外电路通过1ml电子时，理论上负极板的质量增加96g
C. 图Ⅲ所示装置没有形成原电池
D. 图Ⅳ所示电池中，不管KOH溶液换成H2SO4溶液还是Na2SO4溶液，电池总反应式不变
【例8】甲醇(CH3OH)__空气燃料电池(DMFC)是一种高效能、轻污染的车载电池，其工作原理如下图：
(1)图中左侧电极为电源_______极，该电极的电极反应式为：______________________________。
(2)当电池消耗甲醇6.4g时，消耗的O2的体积为____________ L(标况下)。

图Ⅰ碱性锌锰电池
图Ⅱ铅蓄电池
图Ⅲ
图Ⅳ氢氧燃料电池