第1章第3节第2课时语文.docx
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第1章第3节第2课时语文
第2课时 化学电源
[目标导航] 1.了解化学电源的分类。
2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理,会熟练书写电极反应式。
3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害及处理方法。
一、化学电池
1.概念:
是将化学能直接转化为电能的装置。
化学电池的主要部分是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极,使用时将两极用导线接通,就有电流产生,因而获得电能。
2.分类
二、常见的化学电池
1.一次电池
(1)酸性锌锰电池
①组成
正极:
石墨;负极:
锌筒;电解质:
氯化铵和氯化锌混合溶液。
②工作原理
负极反应:
Zn-2e-===Zn2+;
正极反应:
2NH
+2e-===2NH3+H2。
(2)碱性锌锰电池
①组成
正极:
MnO2;负极:
Zn;电解质:
KOH。
②工作原理
负极反应:
Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O;
正极反应:
MnO2+2e-+2H2O===Mn(OH)2+2OH-。
总反应:
Zn+MnO2+H2O===ZnO+Mn(OH)2。
2.二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)组成
正极:
PbO2;负极:
Pb;电解质:
H2SO4溶液。
(2)工作原理
铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应分为放电和充电两个过程。
①放电过程的电极反应、总反应
负极:
Pb-2e-+SO
===PbSO4;
正极:
PbO2+2e-+4H++SO
===PbSO4+2H2O;
总反应:
Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。
②充电过程的电极反应、总反应
阴极:
PbSO4+2e-===Pb+SO
(还原反应);
阳极:
PbSO4-2e-+2H2O===PbO2+4H++SO
(氧化反应)。
总反应:
2PbSO4+2H2O===Pb+PbO2+2H2SO4。
③铅蓄电池的充、放电过程
3.燃料电池
(1)氢氧燃料电池
下图为一种氢氧燃料电池结构示意图,电解质溶液为KOH溶液,电极材料为多孔石墨,氢气和氧气(或空气)源源不断地通到电极上。
则氢氧燃料电池的电极反应为
负极:
2H2+4OH--4e-===4H2O;
正极:
O2+2H2O+4e-===4OH-;
电池总反应为2H2+O2===2H2O。
(2)工作原理
燃料电池不同于一般的原电池和蓄电池,它的特点是电池的正负极反应物气体分别储存在电池之外的容器中。
两种气体分别不断地输入燃料电池的两极,通过燃料气体在负极发生的氧化反应和氧气在正极发生的还原反应,实现一个相当于燃烧反应的电池反应,将化学能转变为电能。
燃料电池的燃料除了氢气外,还有甲烷、甲醇和乙醇等。
(3)应用前景
燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点,已成为一种发展前景十分广阔的化学电源。
【练一练】
1.化学电池与其他能源相比有哪些优点?
答案 化学电池的优点是:
①能量转换效率高,供能稳定可靠。
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组,使用方便。
③易维护,可在各种环境下工作。
2.如何给可充电电池充放电?
其充放电过程的区别与联系是什么?
答案
(1)可充电电池充放电时电池的接法:
(2)区别:
放电时,电极正极:
还原反应负极:
氧化反应
充电时,电极阳极:
氧化反应阴极:
还原反应
联系:
电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。
3.如图是氢氧燃料电池示意图,请根据示意图判断正负极,并试写出在不同电解质中的电极反应。
氢氧燃料电池示意图
介质
电池反应:
2H2+O2===2H2O
酸性(H+)
负极
正极
中性(Na2SO4)
负极
正极
碱性(OH-)
负极
正极
答案 通H2的一极为负极,通O2的一极为正极。
介质
电池反应:
2H2+O2===2H2O
酸性(H+)
负极
2H2-4e-===4H+
正极
O2+4H++4e-===2H2O
中性(Na2SO4)
负极
2H2-4e-===4H+
正极
O2+2H2O+4e-===4OH-
碱性(OH-)
负极
2H2-4e-+4OH-===4H2O
正极
O2+2H2O+4e-===4OH-
一、“久考不衰”的二次电池
【例1】常见铅蓄电池是二次电池,其电极材料分别为Pb和PbO2,电解液为稀硫酸溶液,工作时的总反应式为Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O。
请依据上述情况判断:
(1)铅蓄电池的负极材料是______________________________________________。
(2)请依据两极材料和总反应,写出放电时正极反应式
_____________________________________________________________________。
(3)请依据总反应式和正极反应式,写出放电时负极反应式____________________________________________________________________。
(4)放电时,电解质溶液中阴离子移向________极;电流方向从________电极流向________电极。
(5)放电时,电解质溶液的酸性________(填“增强”“减弱”或“不变”)。
(6)充电时PbO2极发生________反应,电极反应式为________________;Pb极发生________________反应,电极反应式为____________________________________________________________________。
解析 此题考查常见电池的工作原理,结合各电极反应式及其总反应式解答。
依据原电池的反应原理、铅蓄电池的工作原理及其总反应式可得答案。
答案
(1)铅(Pb)
(2)PbO2+4H++SO
+2e-===PbSO4+2H2O (3)Pb+SO
-2e-===PbSO4 (4)负 氧化铅(PbO2) 铅(Pb) (5)减弱 (6)氧化 PbSO4+2H2O-2e-===PbO2+4H++SO
还原 PbSO4+2e-===Pb+SO
【归纳总结】
1.可充电电池电极极性和两极反应物的判断
判断电池放电时电极极性和参加反应的物质,可先标出放电(原电池)总反应电子转移的数目,失去电子的一极为负极,该物质即为负极参加反应的物质;得到电子的一极为正极,该物质即为正极参加反应的物质。
若判断电池充电时电极极性和参加反应的物质,可直接利用阳极反应为放电时的正极反应倒置,阴极反应为放电时的负极反应倒置,进行判断。
2.电极反应的书写方法
书写可充电电池电极反应,一般都是先书写放电的电极反应。
书写放电的电极反应时,一般分三步书写:
第一,先标出原电池总反应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(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,总反应减去写出的电极反应即得另一电极反应。
充电的电极反应与放电的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。
3.溶液中离子的移动方向判断
放电时,阴离子移向负极,阳离子移向正极;充电时,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
4.pH变化规律
若电极反应消耗OH-(H+),则电极周围溶液的pH减小(增大),若电极反应生成
H+(OH-),则电极周围溶液的pH减小(增大);若总反应的结果是消耗OH-(H+),则溶液的pH减小(增大),若总反应的结果是生成H+(OH-),则溶液的pH减小(增大);若两极消耗或生成的OH-(H+)的物质的量相等,则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定,应具体问题具体分析。
变式训练1 市场上经常见到的标记为Liion的电池称为“锂离子电池”。
它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料。
这种锂离子电池的电池反应式为Li+2Li0.35NiO2
2Li0.85NiO2。
下列说法不正确的是( )
A.放电时,负极的电极反应式:
Li-e-===Li+
B.充电时,Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应
C.该电池不能用水作为电解质溶液
D.放电过程中Li+向负极移动
解析 负极Li失去电子生成Li+移向正极。
答案 D
二、“一池多变”的燃料电池
例2
以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。
(1)酸性条件燃料电池总反应式:
____________________________________
________________________________________________________________。
正极反应式:
__________________________________________________。
负极反应式:
_________________________________________________。
(2)碱性条件燃料电池总反应式:
_________________________________________。
正极反应式:
______________________________________________________。
负极反应式:
______________________________________________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)燃料电池
总反应式:
________________________________________________________。
正极反应式:
________________________________________________________。
负极反应式:
__________________________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式:
____________________________________________________________________。
正极反应式:
__________________________________________________________。
负极反应式:
_________________________________________________________。
答案
(1)CH4+2O2===CO2+2H2O
2O2+8H++8e-===4H2O
CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
(2)CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O
2O2+4H2O+8e-===8OH-
CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O
(3)CH4+2O2===CO2+2H2O
2O2+8e-===4O2-
CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
(4)CH4+2O2===CO2+2H2O
2O2+4CO2+8e-===4CO
CH4+4CO
-8e-===5CO2+2H2O
【方法规律】燃料电池规律的总结
(1)总反应:
总反应是燃料的燃烧反应。
如2H2+O2===2H2O、CH4+2O2===CO2+2H2O(酸性)、CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O(碱性)等。
(2)正极反应:
燃料电池的正极上是氧化剂,发生还原反应。
通常是O2+4e-+2H2O===4OH-(碱性)、O2+4e-+4H+===2H2O(酸性)等。
(3)负极反应:
燃料电池的负极上是燃料发生氧化反应。
书写负极的电极反应式通常有两种方法(思路)。
方法一:
守恒分析法
首先确定还原剂、氧化产物及失去的电子数,然后依据介质(H+或OH-)来使电荷和原子个数守恒。
以甲烷燃料电池(NaOH溶液为电解质溶液)为例说明如下:
①CH4是还原剂,CO2是氧化产物,但碱溶液中CO2转化为CO
,由
H4―→
O
,升高8价,故有:
CH4-8e-―→CO
。
②平衡电荷:
左边失8个电子,右边有2个负电荷,故应在左边加上10个负电荷,即CH4-8e-+10OH-―→CO
。
③将H、O原子数配平得:
CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O。
若为酸性电池,则书写步骤为①
H4―→
O2,CH4-8e-―→CO2。
②平衡电荷:
左边失8个电子,不可能加OH-,应在右边加H+:
CH4-8e-―→CO2+8H+。
③左边加H2O并配平得:
CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+。
方法二:
反应式相减法
用电池总反应式减去正极的电极反应式可得出负极的电极反应式。
①总反应:
CH4+2O2+2OH-===CO
+3H2O(碱性电池)
-)正极反应:
2O2+8e-+4H2O===8OH-
负极反应:
CH4-8e-+10OH-===CO
+7H2O。
②总反应:
CH4+2O2===CO2+2H2O(酸性电池)
-)正极反应:
2O2+8e-+8H+===4H2O
负极反应:
CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+。
变式训练2 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本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,电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体,它在高温下能传导O2-。
回答如下问题:
(1)以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应的化学方程式是______________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
(2)这个电池的正极发生的反应是_______________________________________
____________________________________________________________________。
负极发生的反应是___________________________________________________
____________________________________________________________________。
固体电解质里的O2-的移动方向是______________________________________。
向外电路释放电子的电极是____________________________________________。
解析 由原电池原理知:
负极失电子后经导线转移到正极,根据电中性关系,内电路中,O2-向负极移动。
答案
(1)2C4H10+13O2===8CO2+10H2O
(2)13O2+52e-===26O2- 2C4H10+26O2--52e-===8CO2+10H2O 向负极移动 负极
1.下列说法错误的是( )
A.依据原电池的原理设计出了化学电源
B.原电池是化学电源的雏形
C.判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性
D.氧化还原反应所释放的化学能,是化学电源的能量来源
解析 判断电池的正、负极不仅与电极材料有关,还与电解质溶液有关。
答案 C
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1mol氧气理论上能生成标准状况下CO2气体
L
解析 微生物燃料电池只能在常温下工作,A错;放电过程为原电池反应,H+应向正极迁移,C错;由电池反应C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O知,每消耗1molO2理论上生成1molCO2,即标况下22.4L,D错。
答案 B
3.微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种锌银电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电极反应为Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O、Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-,总反应为Ag2O+Zn===ZnO+2Ag。
根据上述反应式,判断下列叙述中正确的是( )
A.在使用过程中,电池负极区溶液的pH增大
B.在使用过程中,电子由Ag2O经外电路流向Zn极
C.Zn是负极,Ag2O是正极
D.Zn极发生还原反应,Ag2O极发生氧化反应
解析 根据电极反应可知Zn失电子被氧化,Ag2O得电子被还原,故Zn是负极,Ag2O是正极,故C正确;负极(即Zn极)在反应时消耗OH-,则负极区溶液的pH应减小,故A错误;发生原电池反应时,电子由负极经外电路流向正极,即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极,故B错误;在原电池中,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,故D错误。
答案 C
4.一种新型燃料电池,它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中,然后分别向两极通入乙烷和氧气,其电极反应式为C2H6+18OH--14e-===2CO
+12H2O、7H2O+
O2+14e-===14OH-,有关此电池的推断正确的是( )
A.通氧气的电极为负极
B.参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为7∶2
C.放电一段时间后,KOH的物质的量浓度不变
D.电解质溶液中,CO
向正极移动
解析 燃料电池中,燃料为负极,氧气为正极,A不正确;由于KOH参与电极反应,所以KOH的物质的量浓度减小,C不正确;电解质溶液中,CO
向负极移动,D不正确。
答案 B
5.我国首创的海洋电池以铝板为负极,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,下列说法不正确的是( )
A.正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-
B.电池工作时,电流由铝电极沿导线流向铂电极
C.以网状的铂为正极,可增大与氧气的接触面积
D.该电池通常只需更换铝板就可继续使用
解析 该原电池负极反应为Al-3e-===Al3+,正极反应为O2+2H2O+4e-===
4OH-,工作时电子由负极流向正极,而电流由正极流向负极,答案为B。
答案 B
6.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液,电池总反应式为Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)===Zn(OH)2(s)+2MnOOH(s)。
下列说法中,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0.2mol电子,锌的质量减少6.5g
解析 本题要求利用原电池原理分析碱性锌锰电池:
锌为负极,在反应中失去电子;电池工作时,电流由正极通过外电路流向负极,而电子移动方向与电流方向相反,故C错误;由电子守恒知D项正确;由该电池反应的总反应式和原电池原理写出正极反应式知B正确。
答案 C
分层训练
[基础过关]
一、常见的化学电池
1.下列说法正确的是( )
A.碱性锌锰电池是二次电池
B.铅蓄电池是一次电池
C.二次电池又叫蓄电池,它放电后可以再充电使活性物质获得再生
D.燃料电池的活性物质大量储存在电池内部
解析 碱性锌锰电池是一次电池,铅蓄电池是二次电池。
答案 C
2.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.锌铜原电池工作时,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
解析 锌铜原电池中,电子从负极锌沿外电路流向正极铜。
答案 B
3.生产铅蓄电池时,在两极板上的铅、锑合金棚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+2H2O
PbO2+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.工作时铅是负极,PbO2是正极
C.工作时负极上发生的反应是Pb-2e-+SO
===PbSO4
D.工作时电解质的密度减小
解析 铅蓄电池放电时相当于原电池,Pb是负极,PbO2是正极,负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+,Pb2+与溶液中的SO
生成PbSO4沉淀;放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等,在电池制备时,PbSO4的量是一定的,制成膏状,干燥后再安装,说明H2SO4不用补充;放电时,H2SO4被消耗,溶液中H2SO4的物质的量浓度减小,所以溶液的密度也随之减小。
答案 A
4.目前常见的燃料电池主要有四种,下面是这四种燃料电池的工作原理示意图,其中正极的反应产物为水的是( )
解析 A中通空气的一极为正极,电极反应式为O2+4e-===2O2-。
B中通O2的一极为正极,电极反应式为2H2O+O2+4e-===4OH-。
C中通空气的一极为正极,电极反应式为4H++O2+4e-===2H2O。
D中通CO2和O2的一极为正极,电极反应式为2CO2+O2+4e-===2CO
。
答案 C
二、根据电极反应式或总反应式分析电池的有关变化
5.用两根铂丝作电极插入KOH溶液中,再分别向两极通入甲烷气体和氧气,可形成原电池——燃料电池,该电池放电时发生的反应为CH4+2KOH+2O2===K2CO3+3H2O。
下列说法错误的是( )
A.通甲烷的一极为负极,通氧气的一极为正极
B.放电时,通入O2的一极附近溶液的pH升高
C.放电一段时间后,KOH的物质的量不发生变化
D.通甲烷一极的电极反应式是CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O
解析 原电池的负极发生氧化反应,正极发生还原反应,
由总反应式知,此燃料电池的电极反应式是
正极:
2O2+4H2O+8e-===8OH-
负极:
CH4+10OH--8e-===CO
+7H2O
由此可见A、B、D正确,错误的为C。
答案 C
6.甲醇燃料电池(DMFC)可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等,它的一极通入甲醇,一极通入氧气;电解质是质子交换膜,它能传导氢离子(H+)。
电池工作时,甲醇被氧化为二氧化碳和水,氧气在电极上的反应是O2+4H++4e-===2H2O。
下列叙述中不正确的是( )
A.负极的反应式为CH3OH+H2O-6e-===CO2↑+6H+
B.电池的总反应式是2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O
C.电池工作时,H+由正极移向负极
D.电池工作时,电子从通入甲醇的一极流出,经外电路流入通氧气的一极
解析 首先判断出通入甲醇的一极失去电子作负极,通入氧气的一极得到电子作正极。
电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式,就得到了负极反应式,A项正确;电池工作时,H+移向正极而不是移向负极,C项错误。
答案 C
7.某原电池装置如图所示,电池总反应为2Ag+Cl2===2AgCl。
下列说法正确的是( )
A.正极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-
B.放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C.若用NaCl溶液代替盐
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