鲁科版 (2019)选择性必修1第2节 化学反应的限度第2课时学案设计

第2课时　化学电源

1．化学电源的分类

2．常见电池

(1)锌锰干电池

(2)铅蓄电池

①电极材料

②电解质溶液：H2SO4溶液。

③原理

④特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量储存的电能少。

(3)氢氧燃料电池

①原理(电极反应及电池反应)。

②特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。

微点拨：燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)手机、电脑使用的电池为一次电池。(　　)

(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。(　　)

(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。(　　)

(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。(　　)

(5)氢氧燃料电池的负极反应为H2－2e－===2H＋。(　　)

提示：(1)×　手机、电脑使用的是二次电池。

(2)×　酸性锌锰干电池负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，碱性锌锰干电池负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O。

(3)×　铅蓄电池放电时负极反应为充电时阴极反应的逆反应。

(4)√

(5)×　氢氧燃料电池在碱性环境中的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。

2．茫茫黑夜中，航标灯为航海员指明了方向。航标灯的电源必须长效、稳定。我国科技工作者研制出以铝合金、Pt－Fe合金网为电极材料的海水电池。在这种电池中(　　)

①铝合金是阳极　②铝合金是负极　③海水是电解液　④铝合金电极发生还原反应

A．②③　　　 B．②④　　　

C．①③　 D．①④

A　[电池电极只称为正、负极，故①错。其中活泼的一极为负极，即为铝合金，②对。电极在海水中，故海水为电解质溶液，③对。铝合金为负极，发生氧化反应，故④错。]

3．Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。

(1)该电池的负极材料是________。电池工作时，电子流向________(填“正极”或“负极”)。

(2)若ZnCl2－NH4Cl混合溶液中含有杂质Cu2＋，会加速某电极的腐蚀，其主要原因是_____________________________________________________________

____________________________________________________________________。

欲除去Cu2＋，最好选用下列试剂中的________(填代号)。

A．NaOH   B．Zn

C．Fe D．NH3·H2O

[解析]　(1)原电池的负极是发生氧化反应的一极：Zn－2e－===Zn2＋；电池工作时，电子是从负极流向正极。

(2)Zn与Cu2＋发生氧化还原反应，生成的Cu附着在Zn的表面构成铜锌原电池，加快反应速率，从而加快了Zn的腐蚀。

[答案]　(1)Zn(或锌)　正极

(2)锌与还原出的铜构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀　B

二次电池的工作原理

(素养养成——证据推理与模型认知)

一种充电电池的原料为H2，其电池反应为H2＋2NiOOH2Ni(OH)2，它具有比能量多等优点，常作为电动汽车、卫星等的电源。

1．该电池内电解质溶液呈酸性还是碱性？

提示：由H2→OH－知呈碱性。

2．放电时的电极反应式如何书写？

提示：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O

正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－

3．充电时的电极反应式如何书写？

提示：阴极：2H2O＋2e－===H2＋2OH－

阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O

4．电池充电时，外电源的负极连接二次电池的哪个电极？

提示：负极或阴极。

1．二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。

2．当蓄电池充电时就是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。可简单记忆：负接负，正接正。

3．充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。

【例题】　LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　)

A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液

B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动

C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋

D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐减少

C　[H2SO4溶液作电解质溶液时，将会与Li发生反应，A项错误；该电池放电时，阳离子Li＋移向正极，B项错误；该电池充电时，阳极发生的是失去电子的氧化反应，C项正确；在该电池的放电过程中，正极上不断有LiFePO4生成，正极的质量逐渐增大，D项错误。]

[借题发挥]

(1)写出该电池放电时的正、负极反应式。

(2)该电池能用水作电解质溶液吗？为什么？

[答案]　(1)负极：Li－e－===Li＋；正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。

(2)不能。因为锂是活泼金属，可与水发生反应，故不能用水作电解质溶液，电解质可以为导电固体。

可充电电池电极反应式的书写方法

已知电池总反应式书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，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)；第三，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。

1．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“－”的接线柱，下列说法正确的是(　　)

A．充电时作阳极，放电时作正极

B．充电时作阳极，放电时作负极

C．充电时作阴极，放电时作负极

D．充电时作阴极，放电时作正极

C　[“－”接线柱放电时为原电池的负极，失去电子发生氧化反应，充电时与外接电源负极相连，作电解池的阴极，得到电子发生还原反应，C项正确。]

2．(双选)生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　)

A．需要定期补充硫酸

B．放电时Pb是负极，PbO2是正极

C．放电时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4

D．放电时电解质溶液的密度增大

AD　[由电池反应式可知，不需要定期补充硫酸，A项错误；铅蓄电池放电时，相当于原电池，则发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极，B项正确；放电时，负极上铅失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO结合生成PbSO4，电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，C项正确；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也减小，D项错误。]

3．有一种电池，它的一个电极材料是NiO2(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是＋2价的镍的化合物)，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是(　　)

A．此电池不用密封

B．铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2＋，负极反应是Fe－2e－===Fe2＋

C．放电时，正极反应为NiO2＋2e－===Ni2＋＋2O2－

D．放电时的总反应为Fe＋NiO2＋2H2O===Fe(OH)2＋Ni(OH)2

D　[因该电池的电解质溶液是KOH溶液，应防止与空气接触，否则KOH会与空气中的CO2发生反应生成K2CO3，所以A选项错误；在KOH溶液中，负极反应的产物是Fe(OH)2：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，正极反应为NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，因此B、C选项均错误。]

常见燃料电池的比较

(素养养成——证据推理与模型认知)

设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。

1．该电池放电时发生的化学方程式如何书写？

提示：该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。

2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？

提示：该电池的正极是氧气，得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2－。负极失去电子发生氧化反应。

3．固体电解质里的O2－的移动方向是怎样的？

提示：原电池中阴离子O2－向负极移动。

4．向外电路释放电子的电极为哪一极？

提示：负极。原电池中电子由负极流出，经外电路流向正极。

5．若用KOH溶液代替固体电解质，则放电时负极电极反应式如何书写？

提示：C9H20＋74OH－－56e－===9CO＋47H2O。

1．常见的四种典型燃料电池

2．燃料电池的工作原理

一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。

3．书写燃料电池电极反应式的三步骤

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1．氢氧燃料电池是一种能在航天飞机上使用的特殊电池，其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法中不正确的是(　　)

A．由于A、B两电极没有活动性差别，不能构成原电池

B．A电极是负极，电极上发生氧化反应

C．产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池

D．外电路中电流由B电极通过导线流向A电极

A　[A项，燃料电池中电极的活泼性可以是相同的，通入氢气的电极为负极，通入氧气的电极为正极，错误；B项，A电极通入的是氢气，H2为负极反应物，电极上发生氧化反应，正确；C项，氢氧燃料电池反应产物为无污染的水，属于环境友好的绿色电池，正确；D项，B电极是正极，则外电路中电流由B电极通过导线流向A电极，正确。]

2．燃料电池是一种利用能源物质的新形式，比如我们可用熔融的K2CO3作电解质，惰性材料作电极，一极通CH2===CH2，另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　)

A．电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O

B．正极发生的电极反应为3O2＋6CO2＋12e－===6CO

C．负极发生的电极反应为CH2===CH2＋6CO－12e－===8CO2＋2H2O

D．通入乙烯的一极为正极

D　[燃料电池中可燃性气体作负极，D项错误；该燃料电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O，产物CO2、H2O均不与熔融的K2CO3反应，A项正确；正极O2得到电子生成O2－、O2－与CO2反应生成CO，B项

正确；总反应式减去正极反应式即为负极反应式，C项正确。]

3．用CH3OH气体代替H2作燃料，则得到甲醇燃料电池。

写出下列燃料电池的电极反应式和总反应方程式。

(1)CH3OH－NaOH溶液－O2构成的燃料电池：

负极反应式：____________________________________________________，

正极反应式：____________________________________________________，

总反应式：______________________________________________________。

(2)CH3OH－H2SO4溶液－O2构成的燃料电池：

负极反应式：____________________________________________________，

正极反应式：____________________________________________________，

总反应式：_____________________________________________________。

[答案]　(1)2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－　2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O

(2)2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

(1)酸溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。

(2)碱溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。

1．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　)

A．Zn　　　 B．碳

C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3

C　[Zn在负极上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正极上被还原得到Mn2O3、NH3。]

2．(双选)电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(　　)

A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细

B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能

C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化

D．太阳能电池的主要材料是高纯度的单晶硅

CD　[选项A中Zn－Mn干电池中作负极的是Zn，石墨作电池的正极，只起导电的作用，被腐蚀的是Zn；选项B中氢氧燃料电池是把化学能直接转化为电能。]

3．可以将反应Zn＋Br2===ZnBr2设计成可充电电池，下列4个电极反应：

①Br2＋2e－===2Br－　 ②2Br－－2e－===Br2

③Zn－2e－===Zn2＋　 ④Zn2＋＋2e－===Zn

其中表示充电时的阳极反应和放电时的负极反应的分别是(　　)

A．②和③　　 B．②和① 

C．③和① D．④和①

A　[充电时的阳极和放电时的负极均发生氧化反应。]

4．(素养题)某固体酸燃料电池以CsHSO4固体为电解质传递H＋，其基本结构如图，电池总反应可表示为2H2＋O2===2H2O。下列有关说法正确的是(　　)

A．电子通过外电路从b极流向a极

B．b极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．每转移0.1 mol电子，消耗1.12 L的H2

D．H＋由a极通过固体酸电解质传递到b极

D　[由电池总反应方程式及原电池原理可知，充入H2的一极即a极是负极，充入O2的一极即b极是正极；电子由负极经外电路流向正极；电池内部阳离子即H＋移向正极，正极即b极的电极反应式应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故A、B项错误，D项正确；C项没有指明标准状况，故C项错误。]

5．(1)直接以甲烷为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极反应式为___________________________________________________________________；

正极反应式为_______________________________________________________。

(2)熔融盐电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关电池反应式。

阳极反应式：2CO＋2CO－4e－===4CO2；

阴极反应式：____________________________________________________

_______________________________________________________________；

电池总反应式：_________________________________________________。

[解析]　(2)本题中电池中的电解质是熔融物，而不是电解质溶液，但有自由移动的离子CO存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电子转移，燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极CO失去电子，而阴极应为O2得到电子，再与阴极助燃气CO2反应生成电解质阴离子CO。

[答案]　(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋　2O2＋8e－＋8H＋===4H2O　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2