高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第2节 化学能转化为电能——电池学案

课时2 化学电源

自主学习·必备知识

知识点 化学电源

一、化学电源的分类及特点

二、常见的化学电源

1.锌锰干电池

（1）构造

  (2)电极反应和电池反应

a.酸性锌锰干电池

b.碱性锌锰干电池

2.铅蓄电池

（1）构造

a.

.电解质溶液：⑯     溶液。

（2）工作原理

（3）铅蓄电池的优缺点

.优点：性能优良、造价低、可多次充放电。

.缺点：单位质量电池释放的电能少。

判一判

1.酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时,负极反应相同(   ×   )

2.铅蓄电池放电时负极附近氢离子浓度增大(   ×   )

3.铅蓄电池放电时负极质量减小,正极质量增加(   ×   )

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。

想一想  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、 合金网为电极材料的海水电池。

你能判断负极材料是什么并写出电极反应式吗？

答案：  铝合金作负极,电极反应为 。

互动探究·关键能力

探究点一 电极反应的书写

情境探究

银制器皿日久表面会逐渐变黑,这是生成了 的缘故,根据电化学原理可进行如下处理,在铝制容器中加入食盐溶液,再将变黑的银器浸入该溶液中,一段时间后发现黑色会褪去。

问题1：你能解释是什么电化学原理吗？

答案：提示  原电池原理。

问题2： 在电池中作什么电极？写出电极反应式。

答案：提示  正极。电极反应为 。

探究归纳

1.根据装置书写电极反应式

（1）先分析装置图,根据元素化合价的变化判断得、失电子的物质,再确定原电池的正、负极上的反应物质。

（2）书写电极反应式

①负极：活泼金属或 失去电子生成阳离子;若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存,则该阴离子应写入负极反应式,如铅蓄电池的负极反应式： 。

②正极：阳离子得到电子生成单质（或低价离子）或 得到电子。若是 发生电极反应,则有两种情况：

2.给出总反应式,写电极反应式

各类电极反应式的一般书写步骤：列出物质,标电子的得失;选离子,配电荷;配个数,巧用水;两式加,验总式。

以 为例,当电解质溶液为 溶液时的负极反应的书写步骤：

（1）根据总反应得出化合价升高的有关物质为 ： 。

（2）根据电解质溶液的酸碱性,用 或 或其他离子配平,使两边电荷总数相等： 。

注意：在碱性溶液中,电极反应式不出现 。

（3）利用原子守恒验证,即得 。

3.可充电电池电极反应式的书写

在书写可充电电池电极反应式时,要明确电池放电时为原电池;原电池的负极发生氧化反应,对应元素的化合价升高;原电池的正极发生还原反应,对应元素的化合价降低。

探究应用

例  天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的 ,充电时 中 被氧化, 迁移并以原子形式嵌入电池负极材料 中,以 表示。电池反应为 ，下列说法正确的是(     )

A.放电时,电池的正极反应为

B.放电时,电池的正极反应为

C.羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质

D.锂离子电池的比能量（单位质量释放的能量)低

答案： 

解析：电池正极反应为 ,故A项错误、B项正确;由于 为活泼金属,可与羧酸、醇等物质反应,故C项错误;由于 的摩尔质量较小,所以锂电池的比能量应较高,故D项错误。

解题感悟

一般电极反应式的书写步骤

迁移应用

1.被称为“软电池”的纸质电池,采用一个薄层纸片作为传导体,其一边镀锌,另一边镀二氧化锰。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。电池总反应为 。下列说法正确的是(     )

A.该电池的正极为锌

B.该电池反应中二氧化锰起催化剂作用

C.当 完全溶解时,流经电解液的电子数为

D.电池正极反应式为

答案： 

解析：根据总反应式, 化合价升高失去电子,所以锌为负极,二氧化锰在反应过程中作正极,A、B错误;电子不通过电解质溶液,电解质溶液产生的电流是由阴、阳离子定向移动形成的,故C错误。

2.（★）高铁酸钾 具有很强的氧化性,是一种新型的高效水处理剂。某电池以 和 为电极材料, 溶液为电解质溶液。下列说法正确的是(     )

高铁酸钾

A. 为电池的负极,发生还原反应

B.正极电极反应式为

C.该电池放电过程中电解质溶液浓度不变

D.电池工作时 向负极迁移

答案： 

解析： 在反应中化合价升高作负极,发生氧化反应,A错误; 为正极材料, 溶液为电解质溶液,则正极电极反应式为 错误;电池放电过程中正极生成 ,电解质溶液浓度增大,C错误;电池工作时阴离子 向负极迁移,D正确。

探究点二 常见的燃料电池

知识深化

1.燃料电池电极反应的书写

（1）明确燃料电池的正、负极均为惰性电极,一般具有很强的催化活性,但不参与反应。

（2）正极反应的书写

正极发生还原反应,通入的气体一般是氧气,氧气得到电子首先变为氧离子,即 ,根据电解质的不同,其正极反应的书写分以下几种情况：

①在酸性溶液中,生成的 与 结合生成水,其电极反应为

②在碱性及中性溶液中, 与 结合生成 其电极反应为

③在熔融碳酸盐中, 与 不能结合,只能与 结合生成 其电极反应为

（3）负极反应的书写

燃料电池的负极通入的一定是燃料。若负极通入含碳的化合物,如 等,碳元素均转化为正四价碳的化合物,其中在酸性溶液及熔融碳酸盐中生成二氧化碳,在碱性溶液中生成 ;若负极通入含有氢元素的化合物,则最终都有水生成。可根据电荷守恒来配平电极反应式。

如乙醇碱性( 溶液)燃料电池负极反应的书写。

第一步：确定生成物。

乙醇燃烧生成 和 ,其中 与 溶液反应生成 和 ,故生成物为 和 。

第二步：确定价态的变化及转移电子数。

乙醇 中碳元素的化合价为 中碳元素的化合价为+4,故 乙醇完全反应失去 电子。

第三步：列出表达式, 。

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 的化学计量数为2,由电荷守恒确定 的化学计量数为16,再由氢原子守恒确定 的化学计量数为11,故负极反应为 。

2.常见燃料电池的反应式

题组过关

1.（★）新型 燃料电池 的结构如图所示。该电池总反应方程式为 。下列有关说法正确的是(设 为阿伏加德罗常数的值)(     )

A.电池正极区的电极反应为

B.电极 为负极,纳米 层的作用是提高原电池的工作效率

C.放电过程中, 从正极区向负极区迁移

D.在电池反应中,每消耗 过电路中的电子数为

答案： 

解析：根据图示知, 电极上 得电子生成 ,所以 电极是正极,发生的反应为 故A、B错误;放电时,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以 从负极区向正极区迁移,故C错误;在电池反应中,每消耗 的物质的量为 ,根据 知,理论上流过电路中的电子数为 ,故D正确。

2.（★）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 代表汽油],电池的电解质是掺杂了 的 晶体,它在高温下能传导 。

（1）该电池放电时发生反应的化学方程式为  。

（2）该电池的正极反应为  。

（3）向外电路释放电子的电极为  极,固体电解质里的 向  极移动。

（4）若用 溶液代替固体电解质,则放电时负极电极反应式为  。

答案：（1）

（2）

（3）负;   负

（4）

解析：（1）该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：

（2）该电池的正极通入氧气,得电子,电极反应式是 。

（3）原电池中电子由负极流出,经外电路流向正极;原电池中阴离子 向负极移动。

（4）若用 溶液代替固体电解质,则 会与 反应生成 则负极反应为 。

评价检测·素养提升

课堂检测

1.下列有关电池的说法不正确的是(     )

A.手机上用的锂离子电池属于二次电池

B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌电极

C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能

D.锌锰干电池中,锌电极是负极

答案： 

解析：铜锌原电池中,电子从负极锌沿外电路流向正极铜。

2.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,每通过 电子,负极质量减轻

D.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

答案： 

解析：C项忽略了硫酸铅在负极上析出,负极质量应该增大而非减小。

3.在超市里经常会看到一种外壳为纸层包装的电池,印有如图所示的文字。下列有关说法错误的是(     )

A.该电池是一次电池

B.该电池工作时,电子由负极通过外电路流入正极

C.该电池含有的金属元素中毒性最大的是

D.该电池工作时,外电路中每通过 电子,锌的质量理论上减少

答案： 

解析：锌锰干电池工作时,锌失去电子,电极反应为 ,所以外电路中每通过 电子,锌的质量理论上应减少 项错误。

素养视角

1.（★）某蓄电池放电、充电时的反应为 。下列推断中正确的是(     )

①放电时, 为正极, 为负极

②放电时,负极反应为

③放电时, 在正极反应

④该蓄电池的电极必须浸在某种碱性电解质溶液中

A.①②③B.①②④

C.①③④D.②③④

答案： 

解析：放电时 被氧化, 被还原, 作负极, 作正极。放电时负极反应为 在正极上发生反应。由于放电时的产物均为碱性物质,故应用碱性电解质溶液。

解题关键  此类题目首先根据变化过程中元素的化合价变化判断两极材料及两极变化,然后进行相应的判断。