新课程高考化学高中化学重难点复习教案化学反应与能量原电池化学电源之化学电源的种类及其工作原理.docx
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新课程高考化学高中化学重难点复习教案化学反应与能量原电池化学电源之化学电源的种类及其工作原理
化学反应与能量原电池化学电源之化学电源的种类及其工作原理
1.一次电池
只能使用一次,不能充电复原继续使用。
(1)干电池
总反应:
Zn+2MnO2+2NH4Cl===ZnCl2+2MnO(OH)+2NH3
负极:
Zn-2e-===Zn2+ 。
正极:
2NH
+2e-===2NH3+H2↑、2MnO2+H2===2MnO(OH)
(2)碱性锌锰干电池
负极(Zn),电极反应式:
Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2
正极(MnO2),电极反应式:
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-
总反应:
Zn+2MnO2+2H2O===__Zn(OH)2+2MnOOH__
2.二次电池(以铅蓄电池为例):
放电后能充电复原继续使用
(1)放电时的反应:
(原电池)
①负极反应:
Pb(s)+SO
(aq)-2e-===PbSO4(s)
②正极反应:
PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l)
③总反应:
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l)
(2)充电时的反应:
(电解池)
①阴极反应:
PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO
(aq)
②阳极反应:
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO
(aq)
③总反应:
2PbSO4(s)+2H2O(l)
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
放电时原电池的负极作充电时电解池的__阴__极。
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池是将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置,目前最成熟的燃料电池,可分为酸性和碱性两种。
酸性
碱性
负极反应式
2H2-4e-===4H+
2H2-4e-+4OH-===4H2O
正极反应式
O2+4e-+4H+===2H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
总反应式
2H2+O2===2H2O
(2)燃料电池的电极本身不参与反应,燃料和氧化剂连续地由__外部__供给。
对于燃料电池要注意燃料在负极反应,O2在正极反应,要注意电解质溶液或传导介质的影响,如碱性条件下,CO2以CO
形式存在。
特别提醒:
(1)熔融的金属氧化物作介质传导O2-
负极:
H2-2e-+O2-===H2O;
正极:
O2+4e-===2O2-。
(2)碳酸盐作介质
负极:
H2-2e-+CO
===H2O+CO2;
正极:
O2+4e-+2CO2===2CO
。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)太阳能电池不属于原电池( √ )
提示:
太阳能电池没有发生氧化还原反应。
不属于原电池。
(2)可充电电池中的放电反应和充电反应互为可逆反应( × )
提示:
可充电电池的充电与放电不是在相同条件下发生的,故不是可逆反应。
(3)铅蓄电池放电时的负极和充电时的阳极均发生氧化反应( √ )
(4)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.2mol电子时,消耗的H2SO4为0.1mol( × )
(5)铅蓄电池工作时,当电路中转移0.1mol电子时,负极增加4.8g( √ )
(6)在化学电源中,正极本身一定不参与电极反应,负极本身一定要发生氧化反应( × )
(7)二次电池充电时,充电器的正极接二次电源的正极( √ )
(8)多孔碳可用作氢氧燃料电池的电极材料( √ )
(9)根据反应4Li+FeS2===Fe+2Li2S设计的可充电电池是一种应用广泛的锂电池,可用水溶液作电解质溶液( × )
(10)原电池中的电解质溶液一定参与反应( × )
(11)一种基本酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+,正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-( × )
(12)锂离子电池的总反应为LixC+Li1-xCoO2
C+LiCoO2,放电时Li+向负极移动( × )
(13)碘可用作锂碘电池的材料,该电池反应为2Li(s)+I2(s)===2LiI(s),则碘电极作该电池的负极( × )
提示:
碘在反应中的化合价降低,发生还原反应,碘作正极。
(14)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池,放电过程中,H+从正极区向负极区迁移( × )
(15)固体酸燃料电池以Ca(HSO4)2固体为电解质传递H+,电池总反应可表示为2H2+O2===2H2O,则电池工作时电子从通O2的一极通过外电路流向通H2的一极( × )
2.
(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将__减小__(填“减小”“增大”或“不变”,下同),溶液的pH__减小__。
(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将__减小__,溶液的pH__增大__。
3.化学电源中电极反应式的书写
(1)甲烷—氧气燃料电池(需写出负极反应式即可)
① CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O (碱性介质)
② CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+ (酸性介质)
③ CH4-8e-+4CO
===5CO2+2H2O (碳酸盐作介质)
④ CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O (熔融的金属氧化物作介质高温下能传导O2-)
(2)铝-空气海水电池:
以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流。
电池总反应为:
4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3
负极:
4Al-12e-+12OH-===4Al(OH)3
正极:
3O2+6H2O+12e-===12OH-
(3)Li-SOCl2电池可用于心脏起搏器。
该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4-SOCl2。
电池的总反应可表示为:
4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。
请回答下列问题:
①电池的负极材料为__锂__,发生的电极反应为 4Li-4e-===4Li+ 。
②电池正极发生的电极反应为 2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑ 。
提示:
分析反应的化合价变化,可知Li失电子,被氧化,为还原剂,SOCl2得电子,被还原,为氧化剂。
①负极材料为Li(还原剂),4Li-4e-===4Li+。
②正极反应式可由总反应式减去负极反应式得到:
2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑。
1.(2019·河南八市测评)近年来有多个品牌的手机电池曾发生爆炸事故,公众对电池安全性的重视程度越来越高,燃料电池作为安全性能较好的一类化学电源得到了更快的发展。
一种以联氨(N2H4)为燃料的环保电池工作原理如图所示,工作时产生稳定无污染的物质。
下列说法不正确的是( D )
A.M极生成氮气且电极附近溶液pH降低
B.负极上每消耗1molN2H4,会有4molH+通过质子交换膜
C.正极的电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O
D.d口流出的液体是蒸馏水
[解析] 根据氢离子的移动方向,电极N为正极,电极M为负极。
燃料电池的负极为联氨发生氧化反应,电极反应式为N2H4-4e-===N2↑+4H+,正极是氧气发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O。
电极M为负极,N2H4-4e-===N2↑+4H+,电极附近溶液pH降低,故A项正确;负极为联氨发生氧化反应,电极反应式为N2H4-4e-===N2↑+4H+,则每消耗1molN2H4,转移4mol电子,会有4molH+通过质子交换膜,故B项正确;正极是氧气发生还原反应,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,故C项正确;根据题意该燃料电池的电解质为酸性溶液,因此从d口流出的液体是酸性溶液,故D项错误。
2.(2019·新题预选)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图。
下列有关该电池的说法正确的是( D )
A.反应CH4+H2O
3H2+CO,每消耗1molCH4转移12mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO
向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO
[解析] 根据化学反应方程式,每有1mol甲烷参与反应转移电子为6mol,A项错误;因为电解质为熔融态的碳酸盐,所以电极A上H2参与的电极反应式为H2-2e-+CO
===H2O+CO2,B项错误;根据原电池工作原理,电极A是负极,电极B是正极,阴离子向负极移动,碳酸根离子向负极(A电极)移动,C项错误;电极B上氧气得电子与二氧化碳结合生成碳酸根离子,因此电极反应式为O2+4e-+2CO2===2CO
,D项正确。
萃取精华:
书写燃料电池电极反应式的三大步骤
1.先写出燃料电池总反应式:
一般都是可燃物在氧气中的燃烧反应方程式。
但由于燃烧产物还可能与电解质溶液反应,燃烧产物与电解质溶液反应的方程式与其相加得总反应方程式。
2.再写出燃料电池正极的电极反应式:
由于燃料电池正极都是O2得到电子发生还原反应,基础反应式为O2+4e-===2O2-。
(1)电解质为固体时,O2-可自由通过,正极的电极反应式为O2+4e-===2O2-。
(2)电解质为熔融的碳酸盐时,正极的电极反应式为O2+2CO2+4e-===2CO
。
(3)当电解质为中性或碱性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-。
(4)当电解质为酸性环境时,正极的电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O。
3.最后写出燃料电池负极的电极反应式:
燃料电池负极的电极反应式=燃料电池总反应式-燃料电池正极的电极反应式。
在利用此法时,一要注意消去反应中的O2,二要注意两极反应式和总反应式电子转移数目相等。
素养升华:
模型认知——燃料电池的解题模板
3.(2016·四川)
某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池,放电时电池总反应为:
Li1-xCoO2+LixC6===LiCoO2+C6(x<1)。
下列关于该电池的说法不正确的是( C )
A.放电时,Li+在电解质中由负极向正极迁移
B.放电时,负极的电极反应式为LixC6-xe-===xLi++C6
C.充电时,若转移1mole-,石墨(C6)电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应式为LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+
[解析] 电池放电时,阳离子由负极移向正极,A项正确;由放电时的总反应看出,LixC6在负极发生失电子的氧化反应,B项正确;充电反应是放电反应的逆反应,充电时阳极发生失电子的氧化反应:
LiCoO2-xe-===Li1-xCoO2+xLi+,D项正确;充电时,阴极发生得电子的还原反应:
C6+xe-+xLi+===LixC6,当转移1mol电子时,阴极(C6电极)析出1molLi,增重7g,C项错误。
4.(2018·安徽巢湖柘皋中学月考)全钒氧化还原液流电池是一种新型电能储存及高效转化装置,该电池是将含有不同价态钒离子的溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的酸性电解液储罐中。
其结构原理如图所示,该电池放电时,右槽中的电极反应式为V2+-e-===V3+,下列说法正确的是( B )
A.放电时,右槽发生还原反应
B.放电时,左槽电解液pH升高
C.充电时,阴极的电极反应式:
VO
+2H++e-===VO2++H2O
D.充电时,每转移1mol电子,n(H+)的变化量为1mol
[解析] 从图示分析,右槽电极上发生失去电子的氧化反应,A项错误;放电时,左槽中发生还原反应,电极反应为VO
+e-+2H+===VO2++H2O,溶液的pH升高,B项正确;充电时,右槽为阴极,电极反应为V3++e-===V2+,C项错误;充电时,根据电极反应VO2++H2O-e-===VO
+2H+,每转移1摩尔电子,氢离子的物质的量的变化为2mol,D项错误。
萃取精华:
解答可充电电池的解题思路
(1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。
需要注意的是充电、放电的反应不能理解为可逆反应。
(2)充电时的电解反应与放电时的电池反应相反,充电时的阳极反应恰与放电时的正极反应相反,充电时的阴极反应恰与放电时的负极反应相反。
根据正确书写的电极反应式,可顺利判断各电极周围溶液pH的变化。
(3)可充电电池电极反应式的书写技巧
书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电的电极反应式。
书写放电时的电极反应式时,一般要遵守三个步骤:
第一,先标出原电池反应中电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质;
第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极反应产物是否与电解质溶液反应);
第三,在电子守恒的基础上,电池反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。
5.(2018·课标Ⅱ,12)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。
将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液,钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料,电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C。
下列说法错误的是( D )
A.放电时,ClO
向负极移动
B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2
C.放电时,正极反应为3CO2+4e-===2CO
+C
D.充电时,正极反应为Na++e-===Na
[解析] 根据电池的总反应知,放电时负极反应:
4Na-4e-===4Na+
正极反应:
3CO2+4e-===2CO
+C
充电时,阴(负)极:
4Na++4e-===4Na
阳(正)极:
2CO
+C-4e-===3CO2↑
放电时,ClO
向负极移动。
根据充电和放电时的电极反应式知,充电时释放CO2,放电时吸收CO2。
[规律总结] 二次电池充、放电的电极判断
二次电池充电时,“正接正、负接负”;放电时的正极为充电时的阳极;放电时的负极为充电时的阴极。
6.(2018·课标Ⅲ,11)一种可充电锂—空气电池如图所示。
当电池放电时,O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x(x=0或1)。
下列说法正确的是( D )
A.放电时,多孔碳材料电极为负极
B.放电时,外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极
C.充电时,电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移
D.充电时,电池总反应为Li2O2-x===2Li+(1-
)O2↑
[解析] 由题意知,放电时负极反应为Li-e-===Li+,正极反应为(2-x)O2+4Li++4e-===2Li2O2-x(x=0或1),电池总反应为(1-
)O2+2Li===Li2O2-x。
D对:
充电时的电池总反应与放电时的电池总反应互为逆反应,故充电时电池总反应为Li2O2-x===2Li+(1-
)O2。
A错:
该电池放电时,金属锂为负极,多孔碳材料为正极。
B错:
该电池放电时,外电路电子由锂电极流向多孔碳材料电极。
C错:
该电池放电时,电解质溶液中的Li+向多孔碳材料区迁移,充电时电解质溶液中的Li+向锂材料区迁移。
[方法技巧] 可充电电池的工作原理
①可充电电池中,放电过程用原电池原理分析,充电过程用电解原理分析;②分析电化学问题时,先判断出电极,然后根据工作原理分析。
7.(2019·山东滨州高三检测)根据下列叙述写出对应的电极反应式。
(1)LiFePO4是一种新型动力锂电池的电极材料。
下图为某LiFePO4电池充、放电时正极局部放大示意图,则电池放电时正极反应式为 Li++FePO4+e-===LiFePO4 。
(2)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如图,在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y,则该电极反应式为 NO2+NO
-e-===N2O5 。
(3)Al-Ag2O2电池可用作水下动力电源,其原理如下图所示。
该电池的负极反应式为 Al-3e-+4OH-===AlO
+2H2O 。
[解析]
(1)原电池放电时,正极上FePO4得电子生成LiFePO4,电极反应式为Li++FePO4+e-===LiFePO4。
(2)因为石墨Ⅱ电极上通入的O2得电子,故在石墨Ⅰ电极上NO2失电子,与迁移过来的NO
结合生成+5价氮的氧化物N2O5,电极反应式为NO2+NO
-e-===N2O5。
(3)该电池中铝为负极,失去电子,结合溶液中的OH-,最终生成AlO
。
要点速记:
1.原电池、化学电源
2.原电池中的能量转化及本质
(1)能量转化:
化学能转化为电能。
(2)反应本质:
自发进行的氧化还原反应。
3.原电池中的四个“方向”
(1)外电路中电子移动方向:
负极→正极。
(2)外电路中电流方向:
正极→负极。
(3)电池内部离子移动方向:
阴离子→负极,阳离子→正极。
(4)盐桥中(含饱和KCl溶液)离子移动方向:
K+→正极,Cl-→负极。
4.判断原电池正负极的六种方法
电极材料、电极现象、电子移动方向、离子移动方向、得失电子、电解质溶液。
5.书写电极反应式的三个原则
(1)共存原则
因为物质得失电子后在不同介质中的存在形式不同,所以电极反应式的书写必须考虑介质环境。
当电解质溶液呈酸性时,不可能有OH-参加反应;碱性溶液中CO2不可能存在,也不可能有H+参加反应。
(2)得氧失氧原则
得氧时,在反应物中加H2O(电解质溶液为酸性时)或OH-(电解质溶液为碱性或中性时);失氧时,在反应中加H2O(电解质溶液为碱性或中性时)或H+(电解质溶液为酸性时)。
(3)中性吸氧反应成碱原则
在中性电解质溶液中,通过金属吸氧所建立起来的原电池反应,其反应的产物是碱。
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