資源簡介

1.2 第2課時　化學電源
【學習目標】
1.通過交流討論了解一次電池、二次電池和燃料電池的基本構造,學會書寫常見的電極反應式和電池反應。
2.通過相關的信息分析了解化學電源的工作原理,初步建立化學電源工作原理的認知模型。
3.通過學習各類電池的實際應用,感受化學給人類帶來的進步和文明,通過了解廢舊電池對環境的危害,樹立環保意識。
【自主預習】
一、化學電源的分類
　　　　是各種化學電源的雛形,常分為以下三類:
1.一次電池:也叫作　　　　,放電后不可再充電。
2.二次電池:又稱　　　　或蓄電池,放電后可以再充電而反復使用的電池。
3.燃料電池:連續地將　　　　和　　　　的化學能直接轉化為電能的化學電源。
二、常見電池
1.鋅錳干電池
項目 酸性鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池
電極 　　　　作負極,　　　　作正極
電解質 氯化銨和氯化鋅 氫氧化鉀
電極 反應 負極 Zn-2e-Zn2+ Zn+2OH--2e-ZnO+H2O　
正極 2MnO2+2N+2e-Mn2O3+2NH3+H2O　　　　　　　　 MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-
電池反應 Zn+2MnO2+2NH4Cl2NH3+ZnCl2+Mn2O3+H2O Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO
2.鉛蓄電池
(1)電極材料
(2)電解質溶液:　　　　　　溶液。
(3)原理
(4)特點:性能優良,造價低,可多次充放電;主要缺點是單位質量電池釋放的電能少。
3.氫氧燃料電池
(1)原理(電極反應及電池反應)
項目 酸性燃料電池 堿性燃料電池
電極材料 石墨
電解質 磷酸等酸性溶液 KOH溶液
電極 反應 負極 2H2-4e-4H+ 2H2+4OH--4e-4H2O
正極 O2+4H++4e-2H2O O2+2H2O+4e-4OH-
電池反應 2H2+O22H2O
(2)特點:能量利用效率高、可連續使用和污染輕等。
【微點撥】
　　燃料電池的兩電極材料不參與反應,而是燃料(還原性氣體或液體)和氧化劑分別在兩極發生反應。
【參考答案】一、原電池　1.干電池　2.可充電電池　3.燃料　氧化劑
二、1.鋅　石墨　2.(1)鉛　二氧化鉛　(2)H2SO4
(3)Pb+S-2e-PbSO4
PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O
Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
PbSO4+2e-Pb+S
PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S
2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)手機、電腦使用的電池為一次電池。 (　　)
(2)酸性鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池工作時,負極反應相同。 (　　)
(3)鉛蓄電池放電時負極反應與充電時陰極反應相同。 (　　)
(4)氫氧燃料電池的電極材料一般不參與反應。 (　　)
(5)氫氧燃料電池的負極反應為H2-2e-2H+。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
【解析】(1)手機、電腦使用的是二次電池。
(2)酸性鋅錳干電池負極反應為Zn-2e-Zn2+,堿性鋅錳干電池負極反應為Zn+2OH--2e-ZnO+H2O。
(3)鉛蓄電池放電時負極反應為充電時陰極反應的逆反應。
(5)氫氧燃料電池在堿性環境中的負極反應為H2+2OH--2e-2H2O。
2.化學電池與其他能源相比有哪些優點
【答案】方便攜帶、易于維護,能量轉化效率較高,供能穩定可靠,可以制成各種形狀、大小和容量不同的電池及電池組等。
3.你能說出鉛蓄電池的優缺點嗎
【答案】①優點:可重復使用、電壓穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉,在生產、生活中應用廣泛。②缺點:比能量低、笨重,廢棄的電池污染環境。
【合作探究】
任務1：一次電池
情境導入　原電池是各種化學電源的雛形,我們現在使用的各種化學電源都是科技人員在原電池這一理論模型的基礎之上,研制出的性能更好的各種實用電池。
根據原電池原理,人們設計了多種電池。如鋅錳電池、鉛蓄電池、小型燃料電池、鋅銀電池、鋰離子電池。
這些電池廣泛應用于通信、交通、文化、辦公及家用電子產品,在高科技行業中也有著特殊的應用。在日常生活和學習中,你用過哪些電池呢
問題生成
1.指出上述電池中哪些是一次電池 哪些是二次電池
【答案】一次電池:鋅錳電池、鋅銀電池;二次電池:鉛蓄電池、鋰離子電池。
2.一次電池和二次電池有什么區別
【答案】一次電池不可以充電;二次電池可以充電,可重復使用。
3.對比分析酸性鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池,指出它們的電解質溶液,并分析堿性鋅錳干電池的優點。
【答案】前者電解質溶液為氯化鋅、氯化銨混合液,后者電解質溶液為氫氧化鉀溶液。堿性鋅錳干電池的優點:單位質量輸出的電能多且儲存時間長,能提供較大電流并連續放電。
4.堿性鋅錳干電池是一種常用的一次電池,電池反應為Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO。寫出該電池的電極反應。
【答案】負極反應:Zn+2OH--2e-ZnO+H2O;正極反應:2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-。
【核心歸納】
書寫化學電池電極反應的一般方法
書寫電極反應時,首先要根據原電池的工作原理準確判斷正、負
極,然后結合電解質溶液的環境確定電極產物,最后根據質量守恒和電荷守恒寫出電極反應。電極反應書寫的一般方法有:
(1)拆分法
①寫出電池反應,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把電池反應按氧化反應和還原反應拆分為兩個半反應,注明正、負極,并依據質量守恒、電荷守恒及得失電子守恒配平兩個半反應:
正極:2Fe3++2e-2Fe2+。
負極:Cu-2e-Cu2+。
(2)加減法
①寫出電池反應,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②寫出其中一個容易的半反應(正極或負極),如Li-e-Li+(負極)。
③利用電池反應與上述的一極反應相減,即得另一個電極的電極反應,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正極)。
【典型例題】
【例1】堿性鋅錳干電池的總反應為Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列關于該電池的說法中正確的是(　　)。
A.Zn為負極,MnO2為正極
B.工作時電子由MnO2經由外電路流向Zn
C.工作時OH-移向正極
D.電池放電過程中,溶液的酸堿性一定不變
【答案】A
【解析】由堿性鋅錳電池的總反應Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2可知,正極是MnO2得電子被還原,負極是金屬鋅失電子被氧化,A項正確;工作時外電路電子由負極流向正極,即電子由Zn經由外電路流向MnO2,B項錯誤;電池工作時陰離子OH-向負極(鋅電極)移動,C項錯誤;堿性鋅錳電池中的電解質為KOH溶液,由堿性鋅錳電池的總反應Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2可知,電池放電過程中,KOH物質的量不變,但反應消耗水,OH-的濃度增大,溶液的堿性增強,D項錯誤。
【例2】紐扣電池是一種攜帶方便的微型銀鋅電池,其結構如圖所示,下列有關說法錯誤的是(　　)。
A.電池工作時,化學能轉化成電能
B.電池工作一段時間后,電解質溶液的堿性減弱
C.鋅作電池的負極
D.電池工作時,正極反應為Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-
【答案】B
【解析】由分析可知,該裝置為化學能轉化成電能的原電池,A項正確;由分析可知,電池總反應為Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag,則電池工作一段時間后,電解質溶液中水的量減小,氫氧化鉀溶液的濃度增大,溶液的堿性增強,B項錯誤;由分析可知,鋅為原電池的負極,C項正確;由分析可知,氧化銀為正極,氧化銀得到電子生成銀和氫氧根離子,電極反應為Ag2O+2e—+H2O2Ag+2OH-,D項正確。
任務2：二次電池
情境導入　
鉛蓄電池是典型的二次電池,其性能優良、價格低廉、安全可靠、可多次充放電,所以在生產、生活中使用廣泛,如汽車、電動自行車等都使用這種電池。其充、放電時的電池反應為Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
問題生成
1.寫出鉛蓄電池放電時的電極反應,分析放電過程中,負極質量的變化及電解質溶液pH的變化。
【答案】負極:Pb(s)+S(aq)-2e-PbSO4(s);正極:PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)+2e-PbSO4(s)+2H2O(l);放電過程中,負極的質量增大,電解質溶液的pH升高。
2.寫出鉛蓄電池充電時的電極反應;分析充電時,陰、陽極分別與直流電源的哪極相連。
【答案】陰極:PbSO4(s)+2e-Pb(s)+S(aq);陽極:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq);充電時,鉛蓄電池的陽極與直流電源正極相連,陰極與直流電源負極相連。
3.對比分析充電、放電時電極反應的關系。
【答案】充電時陰極(或陽極)的電極反應與該電池放電時負極(或正極)的電極反應形式上互為逆反應。
【核心歸納】
二次電池的反應規律
二次電池有充電和放電兩個過程,放電發生的是原電池反應,充電發生的是電解池反應。充電的電極反應過程與放電的電極反應過程相反,充電時的陽極反應為放電時正極反應的逆過程,充電時的陰極反應為放電時負極反應的逆過程。
(1)充電:原電池負極電源負極,原電池正極電源正極。
(2)放電時的負極反應和充電時的陰極反應、放電時的正極反應和充電時的陽極反應在形式上互逆。將負(正)極反應變方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應。放電總反應和充電總反應在形式上互逆(但不是可逆反應)。
【典型例題】
【例3】鎳鎘電池是一種二次電池,使用壽命為10~15年。鎳鎘電池的總反應為Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2。下列說法不正確的是(　　)。
A.放電時,負極發生氧化反應,電極反應為Cd+2OH--2e-Cd(OH)2
B.充電時,陽極反應為Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O
C.電池工作時,負極區pH增大,正極區pH減小
D.該電池充電時將電能轉化為化學能
【答案】C
【解析】由電池反應可知,放電時負極反應為Cd+2OH--2e-Cd(OH)2,負極區OH-濃度減小,pH減小;放電時正極反應為NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,正極區OH-濃度增大,pH增大,A項正確,C項錯誤;充電時陽極反應與放電時的正極反應形式上互為逆反應,即Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O,B項正確;二次電池放電時將化學能轉化為電能,充電時將電能轉化為化學能,D項正確。
【例4】我國科學家發明了一種“可固氮”的鋰-氮二次電池,用可傳遞Li+的醚類作電解質,電池反應為6Li+N22Li3N。下列說法正確的是(　　)。
A.固氮時,鋰電極上發生還原反應
B.脫氮時,釕復合電極的電極反應:2Li3N-6e-6Li++N2↑
C.固氮時,外電路中電子由釕復合電極流向鋰電極
D.固氮時,釕復合電極作負極
【答案】B
【解析】根據電池反應6Li+N22Li3N可知,固氮時,鋰電極作負極,發生氧化反應,負極反應為6Li-6e-6Li+,釕復合電極作正極,Li+移向正極,氮氣在正極得電子,發生還原反應,電極反應為6Li++N2+6e-2Li3N。
方法技巧：認識二次電池時可記住如下規律
(1)正正負負——原電池的正極充電時要與外電源的正極相連,原電池的負極充電時要與外電源的負極相連。
(2)顛顛倒倒——原電池的正極反應左右兩邊顛倒過來,就是充電時電解池的陽極反應;原電池的負極反應左右兩邊顛倒過來,就是充電時電解池的陰極反應。
任務3：燃料電池
情境導入　中新網北京新聞2022年2月10日電:北京大力推動燃料電池汽車產業發展。截至2021年底,北京累計新能源汽車保有量已達50.7萬輛。北京冬奧會、冬殘奧會堅持綠色辦奧理念,在京投入312輛燃料電池汽車,開展了大規模示范運營。
問題生成
1.你知道的燃料電池有哪些
【答案】氫氧燃料電池、甲醇燃料電池、肼燃料電池等。
2.哪些物質可以用作氫氧燃料電池的電解質溶液
【答案】KOH溶液、稀硫酸、磷酸溶液等。
3.燃料電池與一次電池、二次電池相比有哪些優點
【答案】燃料電池的正、負極反應物分別是氧化劑和燃料,工作時將反應物不斷地輸入電池的兩極,反應產物不斷排出電池,能連續不斷地提供電能,能量利用率高,污染小等。
4.以氫氧燃料電池為例,寫出正、負極反應物與當電解質溶液為KOH溶液時的電極反應。
【答案】負極反應物是氫氣,正極反應物是氧氣。負極:2H2-4e-+4OH-4H2O;正極:O2+4e-+2H2O4OH-。
5.當氫氧燃料電池的電解質溶液為稀硫酸時,寫出電極反應。
【答案】負極:2H2-4e-4H+;正極:O2+4H++4e-2H2O。
6.電解質溶液的酸堿性對書寫電極反應有何影響
【答案】堿性溶液中電極反應不出現H+,酸性溶液中電極反應不出現OH-。
7.酸性和堿性氫氧燃料電池中,反應進行一段時間后電解質溶液的pH分別如何變化
【答案】酸性燃料電池中溶液的pH變大,堿性燃料電池中溶液的pH變小。
【核心歸納】
燃料電池電極反應的書寫
(1)正極反應的書寫
正極通入的氣體一般是氧氣,發生還原反應:O2+4e-2O2-。根據電解質的不同,分以下四種情況:
①在酸性溶液中生成水:O2+4H++4e-2H2O。
②在堿性溶液中生成OH-:O2+2H2O+4e-4OH-。
③在固體電解質(高溫下能傳導O2-)中生成O2-:O2+4e-2O2-。
④在熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)中生成C:O2+2CO2+4e-2C。
(2)負極反應的書寫
負極通入的是燃料,發生氧化反應,負極生成的離子一般與正極產物結合,有以下幾種情況:
①若負極通入的氣體是氫氣,則a.酸性溶液中:H2-2e-2H+。b.堿性溶液中:H2-2e-+2OH-2H2O。c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2-H2O。
②若負極通入的氣體為含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均轉化為正四價碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在堿性溶液中生成C;含有的氫元素最終生成水。根據碳元素化合價的改變寫出失去的電子數,再根據電荷守恒和原子守恒即可寫出電極反應。如CH3OH燃料電池負極反應在酸性溶液中為CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+,在堿性溶液中為CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O。
【典型例題】
【例5】某液氨-液氧燃料電池的工作原理如圖所示,下列有關說法正確的是(　　)。
A.電極2發生氧化反應
B.電池工作時,Na+向負極移動
C.電流由電極1經外電路流向電極2
D.電極1發生的電極反應為2NH3+6OH--6e-N2↑+6H2O
【答案】D
【解析】由圖示可知,電極2為正極,發生還原反應,A項錯誤;電解質溶液中的陽離子向正極移動,B項錯誤;電流從正極
經外電路流向負極,應從電極2經外電路流向電極1,C項錯誤;負極NH3放電生成N2,D項正確。
【例6】鋅-空氣電池可用作電動車的動力電源,其工作原理如圖所示。下列說法中錯誤的是(　　)。
A.隔膜應為陽離子交換膜
B.放電時,電解質溶液中c(OH-)逐漸減小
C.放電時,負極反應為Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-
D.多孔炭可增大電極與電解質溶液的接觸面積,也有利于O2擴散至電極表面
【答案】A
【解析】電子流出的一極為負極,則金屬鋅為原電池的負極,右側為原電池的正極。放電時,負極反應為Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,正極反應為O2+4e-+2H2O4OH-,即當有1 mol鋅反應時,溶液中有4 mol氫氧根離子被消耗,通過隔膜從右側移動過來的氫氧根離子為2 mol,故隔膜為陰離子變換膜且電解液中的氫氧根離子濃度減小,A項錯誤,B、C兩項正確;多孔炭可增大電極與電解質溶液的接觸面積,也有利于O2擴散至電極表面,D項正確。
靈犀一點：解答燃料電池題目的幾個關鍵點
1.要注意介質是什么,是電解質溶液還是熔融鹽或氧化物。
2.通入負極的物質為燃料,通入正極的物質為氧氣。
3.通過介質中離子的移動方向,可判斷電池的正、負極,同時考慮該離子參與靠近一極的電極反應。
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.下列電池不屬于化學電池的是(　　)。
A.堿性干電池　　　　　B.鉛蓄電池
C.燃料電池 D.太陽能電池
【答案】D
【解析】常見的化學電池有堿性干電池、蓄電池、燃料電池,可以將化學能轉化為電能,而太陽能電池是將太陽能轉化為電能的裝置,不是化學電池,故選D項。
2.下列有關電池的說法錯誤的是(　　)。
A.手機中使用的鋰離子電池屬于二次電池
B.甲醇燃料電池可把化學能轉化為電能
C.鋅銅原電池工作時,電子沿外電路從銅電極流向鋅電極
D.鉛蓄電池使用一段時間后,電解質溶液的酸性減弱,導電能力下降
【答案】C
【解析】手機中使用的鋰離子電池是一類放電后可以再充電而反復使用的電池,屬于二次電池,A項正確;甲醇燃料電池是一種連續的將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的化學電池,B項正確;鋅銅原電池工作時,鋅為負極,銅為正極,電子沿外電路從負極鋅流向正極銅,C項錯誤;鉛蓄電池使用一段時間后電解質硫酸被消耗,酸性減弱,導電能力下降,D項正確。
對接高考
3.(2022·湖南卷,8)海水電池在海洋能源領域備受關注,一種鋰-海水電池構造示意圖如下。下列說法錯誤的是(　　)。
A.海水起電解質溶液作用
B.N極僅發生的電極反應:2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有傳導離子和防水的功能
D.該鋰-海水電池屬于一次電池
【答案】B
【解析】海水中含有豐富的電解質,如氯化鈉、氯化鎂等,可作為電解質溶液,A項正確;N為正極,電極反應為2H2O+2e-2OH-+H2↑、O2+4e-+2H2O4OH-,B項錯誤;Li為活潑金屬,易與水反應,玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反應,并能傳導離子,C項正確;該電池不可充電,屬于一次電池,D項正確。
4.(2021·遼寧卷,10)如圖,某液態金屬儲能電池放電時產生金屬化合物Li3Bi。下列說法正確的是(　　)。
A.放電時,M電極反應為Ni-2e-Ni2+
B.放電時,Li+由M電極向N電極移動
C.充電時,M電極的質量減小
D.充電時,N電極反應為Li3Bi+3e-3Li++Bi
【答案】B
【解析】由題干信息可知,放電時,由于M極上的Li比Ni更活潑,也比N極上的Sb、Bi、Sn活潑,故M極作負極,電極反應為Li-e-Li+,N極為正極,電極反應為3Li++3e-+BiLi3Bi。A項,放電時,M電極反應為Li-e-Li+,錯誤;B項,放電時,M極為負極,N極為正極,故Li+由M電極向N電極移動,正確;C項,由二次電池的原理可知,充電時和放電時同一電極上發生的反應互為逆過程,充電時M電極反應為Li++e-Li,故電極質量增大,錯誤;D項,充電時,N電極反應為Li3Bi-3e-3Li++Bi,錯誤。
5.(2021·福建卷,9)催化劑TAPP-Mn(Ⅱ)的應用,使Li-CO2電池的研究取得了新的進展。Li-CO2電池結構和該催化劑作用下正極反應可能的歷程如圖所示。
下列說法錯誤的是(　　)。
A.Li-CO2電池可使用有機電解液
B.充電時,Li+由正極向負極遷移
C.放電時,正極反應為3CO2+4Li++4e-2Li2CO3+C
D.*LiCO2、*CO、*LiC2O3和C都是正極反應的中間產物
【答案】D
【解析】A項,Li是活潑金屬,能與水發生反應,因此不能采用水溶液作為電解質,可使用有機電解液,正確;B項,充電時原電池的負極與電源負極相連作陰極,原電池的正極與電源正極相連作陽極,陽離子由陽極向陰極移動,則Li+由正極向負極遷移,正確;C項,由裝置可知,該原電池的正極為二氧化碳得電子生成C單質,電極反應為3CO2+4Li++4e-2Li2CO3+C,正確;D項,由正極的反應歷程圖可知,C為最終的產物,不是中間產物,錯誤。
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