高中化学人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第二节 化学电源教案及反思

 [课标要求]

1．了解化学电源的种类及其工作原理，知道化学电源在生产、生活和国防中的实际应用。

2．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用。

3．掌握一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理，会书写电极反应式。

1．碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH。

2．铅蓄电池是最常见的二次电池，正极是PbO2，负极是Pb，电解质溶液是H2SO4溶液。

3．氢氧燃料电池两类型：

(1)酸性电解质时：

负极反应式：2H2－4e－===4H＋；

正极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

(2)碱性电解质时：

负极反应式：2H2＋4OH－－4e－===4H2O；

正极反应式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

化学电池是将化学能变成电能的装置。

1．化学电池的分类

化学电池

2．判断电池优劣的主要标准

(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)电池可储存时间的长短。

3．化学电池回收利用

废旧电池中含重金属和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。

1．下列说法中，不正确的是(　　)

A．化学电池是将化学能转变成电能的装置

B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等

C．化学电池供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小，使用方便，易于维护

D．废旧电池可以随意丢弃

解析：选D　废旧电池中含有重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃，对生态环境和人体健康危害很大，所以废旧电池应回收处理。

2．废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．为了利用电池外壳的金属材料

B．防止汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染

C．不使电池中渗泄的电解液腐蚀其他物品

D．回收其中的石墨电极

解析：选B　废电池中汞、镉和铅等重金属离子能对土壤和水源造成污染，必须进行集中处理。

1．碱性锌锰电池

(1)基本构造：

(2)工作原理：

负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；

正极反应：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

(3)性能优点：

碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的比能量和可储存时间均有提高，适用于大电流和连续放电。

2．锌银电池

(1)基本构造：

(2)工作原理：

负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；

正极反应：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；

总反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。

(3)电池特点：

比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。

3．锂电池

(1)基本组成：

负极：锂，正极：MnO2、CuO、FeS2等，电解质：非水溶剂。

(2)特点：比能量高、电压高、工作温度宽，可储存时间长。

[特别提醒]　判断某电极发生反应的物质时，除考虑在该电极上得(或失)电子的物质外，还要考虑得(或失)电子后形成的新物质是否会和电解质溶液中的离子发生反应。

1．普通锌锰干电池在放电时电池总反应方程式可以表示为Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O。在此电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　)

A．MnO2和NH　　　 B．Zn2＋和NH

C．Zn  D．碳棒

解析：选A　在电池的正极上发生的是得电子的还原反应，是电池总反应中氧化剂发生反应的电极。由普通锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH发生的反应为正极反应。

2．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质溶液，电池总反应式为Zn (s)＋2MnO2 (s)＋2H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋2MnOOH(s)，下列说法错误的是(　　)

A．电池工作时，锌失去电子

B．电池正极的电极反应式为2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(s)＋2OH－(aq)

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，锌的质量理论上减少6.5 g

解析：选C　由所给的电池总反应式可知，电池工作时，每有1 mol Zn参加反应，则会有2 mol 电子从负极Zn经外电路流向正极，并在正极发生反应：2MnO2(s)＋2H2O(l)＋2e－===2MnOOH(s)＋2OH－(aq)。外电路每通过0.2 mol电子，Zn的质量减少6.5 g。

3.银锌电池是一种常见化学电源，其反应原理：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。其工作示意图如右。下列说法不正确的是(　　)

A．Zn电极是负极

B．Ag2O电极发生还原反应

C．Zn电极的电极反应式：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2

D．放电前后电解质溶液的pH保持不变

解析：选D　该电池的电解质溶液为KOH，电池工作时负极发生反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，正极发生反应为Ag2O＋2e－＋H2O===2OH－＋2Ag，OH－数目不变，但水被消耗，溶液pH升高。

1．基本构造

2．组成

负极：Pb，正极：PbO2，电解质：H2SO4溶液。

3．工作原理

(1)放电过程(原电池原理)：

负极：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；

正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；

总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。

(2)充电过程：

阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)(发生还原反应)；

阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)(发生氧化反应)；

总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。

4．铅蓄电池的优缺点

(1)优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。

(2)缺点：比能量低、笨重，废弃电池污染环境。

已知铅蓄电池的充、放电过程：

Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。

(1)铅蓄电池放电时，正极区域溶液的pH是如何变化的？

提示：铅蓄电池放电时，正极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，反应消耗H＋，故c(H＋)下降，pH升高。

(2)铅蓄电池放电时，两极发生什么反应？充电时两极发生什么反应？据此，在充电时，怎样连接电源的两极？

提示：放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应；铅蓄电池在充电时，负极接电源负极，正极接电源正极。

1．二次电池在充电时，正、负电极上发生的反应正好与放电时发生的反应相反，因而充电时，二次电池的正极应与充电电源的正极相连接，电池的负极应与充电电源的负极相连接。

2．充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生的反应的逆过程。

(1)放电时，

(2)充电时，

3．可充电电池复杂电极反应式的书写方法

第一步：先标出放电(原电池)总反应式中变价元素的化合价，确定电子转移的方向与数目，指出参与负极和正极反应的物质。

如铅蓄电池中：

＋bO2得到2e－，发生还原反应＋2H2SO42bSO4＋2H2O

第二步：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。如铅蓄电池的负极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4。

第三步：在电子守恒的基础上，用总反应式减去写出的电极反应式，即得另一极的反应式。如铅蓄电池的正极反应式可用总反应式－负极反应式得到，

即Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO－(Pb＋SO－2e－)===2PbSO4＋2H2O－PbSO4，

整理得：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O。

1．镍镉(Ni­Cd)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．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O

B．充电过程是化学能转化为电能的过程

C．放电时负极附近溶液的碱性不变

D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动

解析：选A　由总反应可知，放电时，负极Cd发生氧化反应：Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极碱性变弱，C项错误；正极反应为2NiOOH＋2e－＋2H2O===2Ni(OH)2＋2OH－，放电时，OH－由正极向负极移动，D项错误；充电时，电能转化为化学能，B项错误；充电时阳极发生氧化反应，即为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O，A项正确。

2．氢镍电池的总反应式是H2＋2NiO(OH)2Ni(OH)2。根据此反应判断，下列叙述中不正确的是(　　)

A．电池放电时，镍元素被氧化

B．电池充电时，氢元素被还原

C．电池放电时，镍元素被还原

D．电池放电时，H2在负极被氧化

解析：选A　电池放电时，Ni元素化合价降低被还原，A错误，C正确；充电时，H元素化合价从＋1→0，化合价降低，被还原，B正确；放电时，H元素化合价升高，在负极被氧化，D正确。

3.如图所示的水溶液锂离子电池体系。

下列叙述错误的是(　　)

A．a为电池的正极

B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLi

C．放电时，a极锂的化合价发生变化

D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移

解析：选C　锂离子电池中，b电极为Li，放电时，Li失电子为负极，LiMn2O4得电子为正极，所以a为电池的正极，A正确；充电时，Li＋在阴极得电子，LiMn2O4在阳极失电子，电池充电反应为LiMn2O4===Li1－x Mn2O4＋xLi，B正确；放电时，a为正极，正极上Li1－x Mn2O4中锰元素得电子，所以锂的化合价不变，C错误；放电时，溶液中阳离子向正极移动，即溶液中Li＋从b向a迁移，D正确。

4．联合国开发计划署在中国的首个“氢经济示范城市”在江苏如皋落户。用吸附了H2的碳纳米管等材料制作的二次电池的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．放电时，甲电极为正极，OH－移向乙电极

B．放电时，乙电极反应式为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－

C．充电时，电池的碳电极与直流电源的正极相连

D．放电时，化学能完全转化为电能

解析：选B　用吸附了H2的碳纳米管等材料制作的二次电池，碳纳米管作负极，乙电极为正极。放电时，乙电极为正极，OH－移向甲电极(负极)，故A错误；放电时，乙电极是正极，发生还原反应，电极反应式为NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－，故B正确；充电时，充电器的负极与电池的负极相连，即电池的碳电极与直流电源的负极相连，故C错误；原电池能够提高能量的利用率，但化学能不能完全转化为电能，一般会伴有热能放出等，故D错误。

1．基本构造

2．工作原理：通入可燃物(H2)的一极为电池的负极，通入O2的一极为电池的正极。

(1)酸性氢氧燃料电池(电解质为H2SO4)

负极反应：2H2－4e－===4H＋，

正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，

总反应：2H2＋O2===2H2O。

(2)碱性氢氧燃料电池(电解质为KOH)

负极反应：2H2＋4OH－－4e－===4H2O，

正极反应：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，

总反应：2H2＋O2===2H2O。

3．电池特点

(1)能量转换率高，污染小。

(2)工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，连续不断地提供电能。

[特别提醒]　

(1)燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。

(2)酸性介质中的燃料电池(氧化剂为O2)的正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；

碱性介质中的燃料电池(氧化剂为O2)的正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

1．用稀H2SO4作电解质溶液时，甲烷燃料电池的正、负极反应式如何书写？并写出总反应式。

提示：总反应式是甲烷燃烧的化学方程式CH4＋2O2===CO2＋2H2O，其中正极反应式为2O2＋8H＋＋8e－===4H2O，负极反应式为CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋。

2．用KOH作电解质溶液时，甲烷燃料电池的总反应式与“1”中相同吗？试分别写出两极的电极反应式。

提示：不相同；因为CO2与KOH溶液反应生成K2CO3，故总反应式为CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O，其中正极反应式为2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。

有机燃料电池电极反应式书写方法

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CO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，CO中碳元素的化合价为＋4，故1 mol乙醇完全反应失去2×[4－(－2)]＝12 mol电子。

第三步：列出表达式。

C2H5OH＋OH－－12e－―→CO＋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CO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－===2CO＋11H2O。

1．肼(N2H4)­空气燃料电池是一种环保型碱性燃料电池，电解质为20%～30%的KOH溶液，电池总反应式为N2H4＋O2===N2＋2H2O。下列关于该电池工作时说法中正确的是(　　)

A．溶液的pH保持不变

B．溶液中的阴离子向正极移动

C．正极的电极反应式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O

D．负极的电极反应式：N2H4＋4OH－－4e－===4H2O＋N2

解析：选D　A项，因为有水生成，溶液的pH会减小，A项错误；B项，原电池中，溶液中的阴离子总是移向电池的负极，B项错误；C项，溶液介质为碱性，正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C项错误。

2．以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是(　　)

A．该电池能够在高温下工作

B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋

C．放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移

D．在电池反应中， 每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体 L

解析：选B　A项，高温条件下微生物会变性，错误；B项，负极是葡萄糖失电子生成二氧化碳，正确；C项，原电池内部阳离子应向正极移动，错误；D项，消耗1 mol氧气生成1 mol二氧化碳，标准状况下体积是22.4 L，错误。

3．科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高。一个电极通入空气，另一电极通入汽油蒸气，其中电池的电解质是掺杂了Y2O3(Y为钇)的ZrO2(Zr为锆)晶体，它在高温下能传导O2－。若以丁烷(C4H10)代表汽油，总反应为2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O。有关该电池的说法错误的是(　　)

A．该电池负极的电极反应式为C4H10＋13O2－－26e－===4CO2＋5H2O

B．O2－向负极移动

C．该电池正极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

D．丁烷在放电时发生氧化反应

解析：选C　丁烷失电子发生氧化反应，电极反应式为C4H10－26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O，故A正确；原电池中，阴离子向负极移动，即O2－向负极移动，故B正确；正极上通入空气，氧气得电子发生还原反应，由电解质的性质知，O2得电子被还原为O2－，故电极反应式为O2＋4e－===2O2－，故C错误；丁烷在负极放电时发生氧化反应，故D正确。

4.Mg­H2O2燃料电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，原理如图。该电池工作时，下列说法正确的是(　　)

A．Mg电极是该电池的正极

B．H2O2在Pt电极上发生氧化反应

C．Pt电极附近溶液的pH增大

D．溶液中Cl－向正极移动

解析：选C　Mg易失电子发生氧化反应，作负极，故A错误；H2O2在Pt电极上得电子发生还原反应，故B错误；Pt电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，H＋浓度减小，则溶液pH增大，故C正确；放电时，Cl－向负极移动，故D错误。