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文档介绍
2020版高中化学 专题2 第三单元 化学能与电能的转化 第2课时 化学电源学案 苏教版必修2
第2课时 化学电源 一、常见的化学电源 1.锌锰干电池 (1)结构 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作电解质。 (2)原理 锌锰电池是一次性电池,放电之后不能充电,内部的氧化还原反应是不可逆的。 (3)电极反应 负极发生的电极反应为Zn-2e-===Zn2+,正极发生的电极反应为2MnO2+2NH+2e-===Mn2O3 15 +2NH3↑+H2O。 (4)缺陷与改进措施 锌锰干电池电量小,而且在放电过程中容易发生气涨或漏液,会导致电器设备的腐蚀。 改进措施:①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池;②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH,并在构造上进行改进,制成碱性锌锰电池。 2.充电电池 (1)充电电池又称二次电池。其能量的转化关系是化学能电能。 (2)常见的充电电池 ①铅蓄电池 常作汽车电瓶,电压稳定,使用方便安全。负极材料是Pb,正极材料是PbO2,电解质溶液是硫酸溶液。 ②镍镉电池 以Cd为负极,NiO(OH)为正极,以KOH为电解质,寿命比铅蓄电池长,但镉是致癌物质,废弃的镍镉电池如不回收,会严重污染环境。 ③碱金属中的Li是最轻的金属,活动性极强,是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。 3.燃料电池 15 (1)燃料电池是通过燃料气体与氧气分别在两个电极上发生氧化、还原反应,将化学能直接转化为电能的装置。 (2)燃料电池与火力发电相比,其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部,而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。 (3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下: 负极:2H2+4OH--4e-===4H2O(氧化反应); 正极:O2+2H2O+4e-===4OH-(还原反应); 总反应:2H2+O2===2H2O。 从电极反应认识化学电池类型 (1)活泼金属作负极,被腐蚀或消耗,发生氧化反应,如锌锰干电池。 (2)两电极都参加反应,如铅蓄电池。 (3)两电极均为惰性电极,电极本身不发生反应,而是由引入到两极上的物质发生反应,如燃料电池。 例1 下列电池工作时,O2在正极得电子的是( ) A B C D 锌锰电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池 镍镉电池 考点 常见化学电源 题点 常见化学电源的分类 答案 C 例2 汽车的启动电源常用铅蓄电池,其放电时的原电池反应如下:PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,根据此反应判断,下列叙述中正确的是( ) A.Pb是正极 B.PbO2得电子,被氧化 C.负极反应是Pb+SO-2e-===PbSO4 D.电池放电时,溶液的酸性增强 考点 常见化学电源 题点 铅蓄电池 答案 C 15 解析 从铅蓄电池的放电反应可以看出:放电过程中Pb失去电子变为Pb2+,发生氧化反应,因而Pb是负极;PbO2得到电子发生还原反应,被还原;反应过程中消耗了H2SO4,使溶液的酸性减弱。 思维启迪 二次电池的放电、充电是相反的过程,如铅蓄电池放电时,Pb电极上发生氧化反应,充电时Pb电极上发生还原反应,PbO2电极亦是如此。 二、电池中电极反应式的书写 1.充电电池电极反应式的书写方法 (1)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。 (2)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)。 (3)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。 例3 铅蓄电池是化学电源,其电极材料分别是Pb和PbO2,电解液为稀硫酸。工作时该电池总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。根据上述情况判断: (1)工作时,电解质溶液的pH______(填“增大”“减小”或“不变”)。 (2)工作时,电解质溶液中的阴离子移向______极。 (3)电流方向从______极流向______极。 (4)写出负极的电极反应式:__________________________________________________。 (5)当铅蓄电池向外电路提供1 mol电子时,理论上负极板的质量增加______ g。 考点 常见化学电源 题点 铅蓄电池的相关综合 答案 (1)增大 (2)负 (3)正 负 (4)Pb+SO-2e-===PbSO4 (5)48 解析 本题解答时应从两方面入手:一是根据电池总反应式明确铅蓄电池的工作原理,二是抓住电极反应中各反应物和生成物之间量的关系。由铅蓄电池工作时总反应式可知Pb为负极,负极反应为Pb-2e-+SO===PbSO4,PbO2为正极,正极反应为PbO2+4H++SO+2e-===PbSO4+2H2O。由于电池工作时,不断消耗H2SO4且生成水,使H+的浓度减小,故pH增大;阴离子移向负极,电流方向与电子移动方向相反,由正极到负极;当外电路中通过1 mol电子时,根据PbPbSO4,则负极增重为SO的质量,即96 g·mol-1× mol=48 g。 2.燃料电池电极反应式的书写方法 (1)写出电池总反应式。燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加合后的反应。甲烷燃料电池(电解质溶液为NaOH溶液)的总反应为CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。 (2)写出电池的正极反应式。 15 根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质都是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应有所不同,其实,我们只要熟记以下两种情况: ①酸性电解质溶液环境下的电极反应式: O2+4H++4e-===2H2O。 ②碱性电解质溶液环境下的电极反应式: O2+2H2O+4e-===4OH-。 (3)根据电池总反应式和正极反应式写出电池的负极反应式。 例4 如图所示,可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式[当电解质溶液为NaOH(aq)或KOH(aq)时]两种。 试回答下列问题: (1)酸式电池的电极反应:负极:________________________________________________, 正极:________________________________________________________________________; 电池总反应:_______________________________________________________; 电解质溶液pH的变化为________(填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)碱式电池的电极反应:负极:____________________________________________________, 正极:______________;电池总反应:_______________________________________; 电解质溶液pH的变化为__________(填“变大”“变小”或“不变”)。 考点 常见化学电源 题点 电极反应式的书写 答案 (1)2H2-4e-===4H+ O2+4e-+4H+===2H2O 2H2+O2===2H2O 变大 (2)2H2-4e-+4OH-===4H2O O2+4e-+2H2O===4OH- 2H2+O2===2H2O 变小 解析 (1)正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,酸性条件下与H+结合成H2O。负极上,H2失电子变为H+,H+进入电解质溶液。电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应,由于有水生成,溶液将逐渐变稀,故pH变大。(2)正极上,O2得电子变为O2-,溶液中O2-不能单独存在,碱性条件下与H2O结合成OH-。负极上,H2失电子变为H+,碱性条件下H+不能大量存在,与OH-结合成H2O。电池总反应相当于H2在O2中燃烧的反应。同样,由于有水生成,c(OH-)变小,pH变小。 15 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 考点 常见化学电源 题点 常见电源的分类 答案 A 解析 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,石墨碳棒是正极材料 B.在外电路中电子从碳棒流向锌外壳 C.电流从锌流到碳棒上 D.在电池内部阳离子从碳棒向锌片移动 考点 常见化学电源 题点 锌锰干电池 答案 A 解析 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.(2017·北京101中学期中)LED产品的使用为城市增添色彩。下图是氢氧燃料电池驱动LED发光的一种装置示意图。下列有关叙述正确的是( ) 15 A.a处通入氧气,b处通入氢气 B.通入H2的电极发生反应:H2-2e-===2H+ C.通入O2的电极为电池的正极 D.该装置将化学能最终转化为电能 考点 常见化学电源 题点 氢氧燃料电池 答案 C 解析 A项,由电子流向可知a为负极,b为正极,负极上发生氧化反应,通入的是氢气,正极上发生还原反应,通入的是氧气,故错误;B项,a为正极,通入氢气,电解质溶液为碱性,因此发生的电极反应为H2-2e-+2OH-===2H2O,故错误;C项,氧气得电子,因此通入氧气的电极为电池的正极,故正确;D项,该装置的能量转换是化学能―→电能―→光能,故错误。 4.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铝合金是负极 ②海水是电解质溶液 ③铝合金电极发生还原反应 A.①② B.②③ C.①③ D.①②③ 考点 新型化学电源 题点 金属空气燃料电池 答案 A 5.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。其工作示意图如图所示。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 15 考点 常见化学电源 题点 常见化学电源的综合 答案 D 解析 反应中锌失去电子,Zn电极是负极,A正确;Ag2O得到电子,发生还原反应,B正确;电解质溶液显碱性,Zn电极的电极反应式:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2,C正确;根据方程式可知消耗水,且产生氢氧化锌,氢氧根浓度增大,放电后电解质溶液的pH升高,D错误。 6.有一种微型电池,其电极分别为Zn和Ag2O,电解质溶液是KOH溶液,试回答下列问题: (1)原电池是把________能转化成__________能的装置。 (2)该电池中Zn极为________极。 (3)当金属Zn消耗了16.25 g时,转移电子的物质的量为__________。 考点 常见化学电源 题点 常见化学电源的综合 答案 (1)化学 电 (2)负 (3)0.5 mol [对点训练] 题组一 常见化学电源 1.废电池处理不当不仅造成浪费,还会对环境造成严重污染,对人体健康也存在极大的危害。有同学想将其变废为宝,以下他的想法你认为不正确的是( ) A.把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气 B.碳棒取出洗净用作电极 C.把铜帽取下洗净回收利用 D.电池内部填有NH4Cl等化学物质,将废电池中的黑色糊状物作化肥用 考点 常见化学电源 题点 废旧电池的危害及回收利用 答案 D 解析 虽然氯化铵是一种化学肥料,但电池内部还有其他有害物质,如果用作化肥,会污染土壤,进入生物链后,影响人体健康。 2.最早使用的化学电池是锌锰电池,即大家熟悉的干电池,其结构如图所示。 15 尽管这种电池的历史悠久,但对于它的化学过程人们尚未完全了解。一般认为,放电时,电池中的反应如下: E极:2MnO2+2e-+2NH===Mn2O3+H2O+2NH3↑ F极:Zn-2e-===Zn2+ 总反应式:2MnO2+Zn+2NH===Mn2O3+Zn2++2NH3↑+H2O 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 考点 常见化学电源 题点 锌锰干电池 答案 B 解析 E极发生还原反应,应为电池的正极,F极发生氧化反应,为电池的负极。干电池中反应不可逆,故不属于可充电电池。 3.铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2,电解质溶液为H2SO4溶液,电池放电时的反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,下列对电池放电时的分析正确的是( ) A.Pb为正极被氧化 B.电子从PbO2流向外电路 C.SO向PbO2处移动 D.电解质溶液pH不断增大 考点 常见化学电源 题点 铅蓄电池 答案 D 15 解析 根据元素化合价变化知,铅失电子作还原剂而被氧化,则铅作负极,故A错误;该原电池中,铅失电子作负极,二氧化铅得电子作正极,导致电子从铅沿导线流向正极二氧化铅,故B错误;该原电池放电时,硫酸根离子向负极铅移动,氢离子向正极二氧化铅移动,故C错误;根据电池反应式知,硫酸参加反应,则溶液中氢离子浓度逐渐减小,溶液的pH逐渐增大,故D正确。 4.氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上,其反应原理示意图如下所示。下列有关氢氧燃料电池的说法,正确的是( ) A.该电池工作时电能转化为化学能 B.该电池中电极a是正极 C.外电路中电子由电极b通过导线流向电极a D.该电池的总反应:2H2+O2===2H2O 考点 常见化学电源 题点 氢氧燃料电池 答案 D 解析 燃料电池是将化学能转化为电能,A项不正确;a极通入H2发生氧化反应,是电池的负极,B项不正确;外电路中电子由负极流向正极,即由电极a通过导线流向电极b,C项不正确。 5.下列关于化学电源的说法正确的是( ) A.干电池放电之后还能再充电 B.充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能 C.充电电池可以无限制地反复放电、充电 D.氢氧燃料电池是一种环境友好型电池 考点 常见化学电源 题点 常见化学电源的综合判断 答案 D 解析 A项,干电池是一次性电池,放电之后不能再充电,错误;B项,充电电池在放电时化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,错误;C项,充电电池不能无限制地反复放电、充电,错误;D项,氢氧燃料电池的生成物是水,是一种环境友好型电池,正确。 题组二 新型化学电源 15 6.锂电池是一代新型高能电池,它以质量轻、能量高而受到了普遍重视,目前已研制成功多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li+MnO2===LiMnO2,下列说法正确的是( ) A.Li是正极,电极反应为Li-e-===Li+ B.Li是负极,电极反应为Li-e-===Li+ C.MnO2是负极,电极反应为MnO2+e-===MnO D.Li是负极,电极反应为Li-2e-===Li2+ 考点 新型化学电源 题点 用途广泛的锂电池 答案 B 解析 由总反应i+nO2===inO2可知,Li元素在反应后化合价升高(0→+1),Mn元素在反应后化合价降低(+4→+3)。Li被氧化,在电池中作负极,电极反应为Li-e-===Li+,MnO2在正极上反应,电极反应为MnO2+e-===MnO。 7.鱼雷采用Al—Ag2O动力电池,以溶有氢氧化钾的流动海水为电解液,电池反应为2Al+3Ag2O+2KOH===6Ag+2KAlO2+H2O,下列说法错误的是( ) A.Ag2O为电池的正极 B.Al在电池反应中被氧化 C.电子由Ag2O极经外电路流向Al极 D.溶液中的OH-向Al极迁移 考点 新型化学电源 题点 层出不穷的新型化学电源 答案 C 解析 A项,根据原电池工作原理,化合价升高,失电子的作负极,即铝单质作负极,则Ag2O作电池的正极,正确;B项,根据电池总反应,铝的化合价升高,被氧化,正确;C项,根据原电池工作原理,外电路电子从负极流向正极,由铝流向氧化银,错误;D项,根据原电池工作原理,阳离子移向正极,阴离子移向负极,即OH-移向铝极,正确。 8.(2017·永州高一检测)镍镉(Ni—Cd)可充电电池可以发生如下反应:Cd(OH)2+2Ni(OH)2Cd+2NiO(OH)+2H2O,由此可知,该电池的负极材料是( ) A.Cd B.NiO(OH) C.Cd(OH)2 D.Ni(OH)2 考点 新型化学电源 题点 常考常新的充电电池 答案 A 解析 放电时,元素化合价升高的物质为负极材料。 9.将铂电极放置在KOH溶液中,然后分别向两极通入CH4和O2 15 ,即产生电流,称为甲烷燃料电池。已知甲烷燃料电池两个电极上的反应分别为CH4-8e-+10OH-===CO+7H2O,2O2+8e-+4H2O===8OH-。下列有关说法中错误的是( ) A.CH4在负极上反应,O2在正极上反应 B.放电过程中电解质溶液的碱性减弱 C.此电池属于环境友好型电池 D.此电池中化学能100%转化为电能 考点 新型化学电源 题点 甲烷燃料电池 答案 D 解析 A项,CH4燃料电池中,燃料失电子发生氧化反应,所以CH4在负极上反应,氧气得电子发生还原反应,所以O2在正极上反应,正确;B项,根据电池总反应CH4+2O2+2OH-===CO+3H2O知,OH-参加反应,所以溶液中OH-浓度降低,溶液的碱性减弱,正确;C项,该电池放电时不产生对环境有污染的物质,所以属于环境友好型电池,正确;D项,此电池中化学能转化为电能和少量热能,错误。 10.如图是甲醇(CH3OH)燃料电池的化学原理示意图,下列判断不正确的是( ) A.电极A为电池负极 B.电极B表面上发生还原反应 C.工作一段时间溶液pH保持不变 D.燃料电池工作时不会出现火焰 考点 新型化学电源 题点 甲醇燃料电池 答案 C 解析 甲醇燃料电池中,甲醇在负极通入,氧气在正极通入,即A是负极,B是正极,O2在电极B表面发生还原反应,A、B正确;由于氧气和甲醇不直接接触,不可能产生火焰,D正确;因为反应后会生成碳酸钾,消耗氢氧化钾,因此溶液的碱性降低,C错误。 11.据报道,锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池,因为锌电池容量更大,而且没有铅污染。其电池反应为2Zn+O2===2ZnO,原料为锌粒、电解液和空气。则下列叙述正确的是( ) A.锌为正极,空气进入负极反应 B.负极反应为Zn-2e-===Zn2+ 15 C.正极发生氧化反应 D.电解液为强酸 考点 新型化学电源 题点 金属空气燃料电池 答案 B 解析 Zn与O2反应的电子转移情况为,所以Zn作负极,负极发生氧化反应:Zn-2e-===Zn2+。O2是正极反应物,发生还原反应。若电解液是强酸,电池的化学反应不是2Zn+O2===2ZnO,而是Zn+2H+===Zn2++H2↑。 12.一种微生物燃料电池的结构示意图如下,关于该电池的叙述正确的是( ) A.电池工作时,电子由a流向b B.微生物所在电极区放电时发生还原反应 C.放电过程中,H+从正极区移向负极区 D.正极反应式为MnO2+4H++2e-===Mn2++2H2O 考点 新型化学电源 题点 微生物燃料电池 答案 D 解析 因为右侧产生CO2,说明微生物所在的电极区Cm(H2O)n失电子生成CO2,电池工作时电子由b极经外电路流向a极,A错误;微生物所在电极区放电时发生氧化反应,B错误;放电时阳离子向正极移动,C错误;放电时正极发生还原反应,D正确。 [综合强化] 13.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以LiOH为电解质,使用时加入水即可放电。总反应为2Li+2H2O===2LiOH+H2↑。 (1)该电池的负极是________,负极反应式是________。 (2)正极现象是__________________________________________________________。 (3)放电时OH-向________(填“正极”或“负极”)移动。 考点 新型化学电源 题点 化学电源的相关综合 答案 (1)锂 Li-e-===Li+ (2)有无色气体产生 (3)负极 15 解析 金属锂比铁活泼,作原电池的负极,电极反应式为Li-e-===Li+,LiOH溶液中的阳离子有Li+和H+,由于氧化性:H+>Li+,所以正极反应是2H++2e-===H2↑,正极产生无色气体;在原电池的放电过程中,阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,所以OH-向负极移动。 14.目前汽车上使用的铅蓄电池如图所示,根据图示回答下列问题: 铅蓄电池的负极是__________,负极反应式是__________________________________,铅蓄电池的总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,则正极反应式为_______________。放电过程中溶液的密度________(填“增大”“减小”或“不变”)。 考点 常见化学电源 题点 铅蓄电池的相关综合 答案 铅 Pb-2e-+SO===PbSO4 PbO2+4H++SO+2e-===PbSO4+2H2O 减小 解析 正极反应式等于总反应式减去负极反应式,放电过程中消耗了硫酸,故电解液的密度减小。 15.如图为原电池装置示意图。 (1)将铝片和铜片用导线相连,一组插入浓硝酸中,一组插入烧碱溶液中,分别形成了原电池,在这两个原电池中,作负极的分别是________(填字母)。 A.铝片、铜片 B.铜片、铝片 C.铝片、铝片 D.铜片、铜片 写出插入烧碱溶液中形成的原电池的负极反应式:_____________________________ ________________________________________________________________________。 (2)若A为Pb,B为PbO2,电解质溶液为H2SO4溶液,工作时的总反应为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。写出B电极反应式:______________________________ ________________________________________________________________________; 15 该电池在工作时,A电极的质量将________(填“增加”“减小”或“不变”)。若该电池反应消耗了0.1 mol H2SO4,则转移电子的数目为________。 (3)若A、B均为铂片,电解质溶液为KOH溶液,分别从A、B两极通入H2和O2,该电池即为氢氧燃料电池,写出A电极反应式:_____________________________________; 该电池在工作一段时间后,溶液的碱性将________(填“增强”“减弱”或“不变”)。 考点 常见化学电源 题点 电极反应式的书写 答案 (1)B Al-3e-+4OH-===AlO+2H2O (2)PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O 增加 0.1NA (3)H2+2OH--2e-===2H2O 减弱 解析 (1)铝遇浓硝酸钝化,铜能与浓硝酸反应,故此时作负极的是铜片;铝能与烧碱溶液反应,铜不能,此时作负极的是铝片;铝在烧碱溶液中失去电子后结合OH-生成AlO。(2)B为PbO2,得到电子后结合溶液中的SO生成难溶的PbSO4:PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O;同样A极也生成PbSO4,故质量会增加;由总反应可知消耗2 mol H2SO4时,转移2 mol电子,故消耗0.1 mol H2SO4时转移电子的数目为0.1NA。(3)碱性条件下电极反应式中不能出现H+,只能出现OH-;因为电池反应最终生成了水,对KOH溶液有稀释作用,故溶液的碱性将减弱。 15查看更多