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(gòu)造,學會書寫常見的電池反應方程式和電極反應。
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識模型。
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(huán)境的危害,樹立環(huán)保意識。
【合作探究】
【學習情境】
伏特是意大利帕維亞大學研究電學的物理學家,有一天,伏特看了一位名叫加伐尼的解剖學家的一篇論文,說動物肌肉里貯存著電,可以用金屬接觸肌肉把電引出來。看了這篇論文,伏特非常興奮,便決定親自來做這個實驗,他用許多只活青
蛙反復試驗,終于發(fā)現(xiàn),實際情況并不像加伐尼所說的那樣,而是兩種不同的金屬接觸產(chǎn)生的電流,才使蛙腿的肌肉充電而收縮。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)是正確的,伏特決定更深入地了解電的來源。為了紀念他的貢獻,人們把電壓的計量單位叫作伏特,簡稱伏,符號V。比如我們手電筒里電池的電壓是1.5 V,我們家里電燈的電壓是220 V。
任務1　一次電池
【新知生成】
1.化學電池的分類
(1)電池的分類
①一次電池:只能放電,不能充電,消耗到一定程度不能再使用的為一次電池,也稱為干電池,常見的一次電池有普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池等。
②二次電池:可反復放電和充電,充電時為電解池,放電時為原電池的叫二次電池,也稱為可充電電池或蓄電池,如鉛蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池等。
③燃料電池:燃料電池是將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學電池,能量利用率高,無污染。常見的燃料電池為氫氧燃料電池等。
(2)電池的優(yōu)點:能量轉(zhuǎn)換效率較高,供能穩(wěn)定可靠,可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池及電池組,使用方便,便于維護,并可在各種環(huán)境下工作。
(3)電池優(yōu)劣的判斷標準:主要看這種電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少(比能量,單位是W·h·kg-1,W·h·L-1),或者輸出功率的大小(比功率,單位是W·kg-1,W·L-1)以及電池的儲存時間的長短。一般地,質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池,更適合使用者的需要。
2.常見的一次電池
(1)普通鋅錳電池
①組成:正極為　　　　　,負極為　　　,電解質(zhì)溶液為NH4Cl和ZnCl2混合液。
②電極反應:負極:Zn-2e-Zn2+,正極:2MnO2+2N+2e-2NH3+H2O+Mn2O3。
③電池總反應:Zn+2MnO2+2NH4ClZnCl2+2NH3↑+H2O+Mn2O3
④特點:制作簡單,價格便宜,存放時間短,放電后電壓下降較快。
(2)堿性鋅錳電池
①堿性鋅錳電池的負極是　　　　　,正極是　　　　　　　　,電解質(zhì)是　　　　　　溶液。
②電極反應:
負極:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2;正極:2MnO2+2e-+2H2O2MnOOH+2OH-。
③電池總反應:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。
④優(yōu)點:比能量和儲存時間有所提高,適用于大電流和連續(xù)放電(電流穩(wěn)定,放電容量、時間增大幾倍,不會脹氣或漏液)。
【答案】2.(1)石墨電極　鋅筒　(2)Zn　MnO2　KOH
【核心突破】
典例1　有一種銀鋅電池,其電極分別為Ag2O和Zn,電解質(zhì)溶液為NaOH溶液,其中Ag2O極的電極反應為Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,根據(jù)上述反應式,下列說法正確的是(　　)
A.使用過程中,電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極
B.使用過程中,溶液中OH-向Ag2O電極移動
C.使用過程中,電極正極溶液的pH增大
D.使用過程中,Zn電極發(fā)生還原反應,Ag2O電極發(fā)生氧化反應
【解析】Ag2O極的電極反應為Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,Ag2O為正極,Zn為負極,電子由負極Zn極經(jīng)外電路流向正極Ag2O極,A項錯誤;電池工作時,陰離子向負極移動,則溶液中OH-向Zn電極移動,B項錯誤;由正極反應式可知,電池工作時,正極溶液生成OH-,溶液的pH增大,C項正確;Ag2O電極發(fā)生得到電子的還原反應,Zn極為負極,Zn電極發(fā)生失去電子的氧化反應,D項錯誤。
【答案】C
歸納總結(jié)：書寫化學電池電極反應式的一般方法
書寫電極反應式時,首先要根據(jù)原電池的工作原理準確判斷正、負極,然后結(jié)合電解質(zhì)溶液的環(huán)境確定電極產(chǎn)物,最后再根據(jù)質(zhì)量守恒和電荷守恒寫出反應式。電極反應式書寫的一般方法有:
(1)拆分法
①寫出總反應,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把總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(jù)質(zhì)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寫出總反應,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②寫出其中容易寫出的一個半反應(正極或負極),如Li-e-Li+(負極)。
③利用總反應式與上述的一極反應式相減,即得另一個電極的反應,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正極)。
訓練1　常見的鋅錳干電池工作時的反應為Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。下列說法正確的是(　　)
A.金屬Zn所在的電極為正極
B.MnO2在正極處得到電子
C.MnOOH中Mn元素的化合價為-1
D.電池放電時將電能轉(zhuǎn)化為化學能
【解析】Zn失去電子,化合價升高,則金屬Zn發(fā)生氧化反應,金屬Zn所在的電極為負極,A項錯誤;MnO2中Mn元素呈+4價,MnOOH中Mn元素呈+3價,則MnO2在正極處得到電子,發(fā)生還原反應,B項正確,C項錯誤;電池放電時,將化學能轉(zhuǎn)化為電能,D項錯誤。
【答案】B
任務2　二次電池
【新知生成】
1.鉛蓄電池
鉛蓄電池是最常見的二次電池,鉛蓄電池由兩組柵狀極板交替排列而成,正極板上覆蓋有PbO2,負極板上覆蓋有Pb,電解液是H2SO4溶液,如圖所示。
鉛蓄電池的構(gòu)造
(1)放電時的反應——原電池原理
①負極:　 。
②正極:　 。
③總反應:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
(2)充電時的反應——電解原理
①陰極:　 。
②陽極:　 。
鉛蓄電池的反應原理:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
(3)優(yōu)點:電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠和價格低廉;
缺點:比能量低、笨重。
2.鋰離子電池
負極材料為嵌鋰石墨,正極材料為LiCoO2(鈷酸鋰);電解質(zhì)溶液為LiPF6(六氟磷酸鋰)的碳酸酯溶液(無水)。
放電時,負極反應為LixCy-xe-xLi++Cy
正極反應為Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
總反應為LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy
優(yōu)點:質(zhì)量小、體積小、便于儲存和輸出能量大。
【答案】1.(1)①Pb+S-2e-PbSO4(氧化反應)　②PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O(還原反應)　(2)①PbSO4+2e-Pb+S(還原反應)
②PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S(氧化反應)
【核心突破】
典例2　用氟硼酸(HBF4屬于強酸)代替硫酸作鉛蓄電池的電解質(zhì)溶液,可使鉛蓄電池在低溫下工作時的性能更優(yōu)良,總反應為Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,Pb(BF4)2為可溶于水的強電解質(zhì)。下列說法正確的是(　　)
A.放電時,B向PbO2電極移動
B.充電時,陰、陽兩極增加的質(zhì)量相等
C.放電時,電子由Pb電極經(jīng)氟硼酸溶液流向PbO2電極
D.充電時,陽極的電極反應為Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+
【解析】電池的總反應為Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,又Pb(BF4)2為可溶于水的強電解質(zhì),則放電時負極反應為Pb-2e-Pb2+,Pb為負極;正極反應為PbO2+2e-+4H+Pb2++2H2O,PbO2為正極。放電時陰離子向負極移動,則B向Pb電極移動,A項錯誤;充電時,陽極反應為Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,陰極反應為Pb2++2e-Pb,陰、陽兩極增加的質(zhì)量不相等,B項錯誤;放電時,電子由Pb電極經(jīng)過外電路流向PbO2電極,不能經(jīng)過氟硼酸溶液,C項錯誤;充電時,陽極的電極反應為Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,D項正確。
【答案】D
歸納總結(jié)：可充電電池的反應規(guī)律
可充電電池有充電和放電兩個過程,放電發(fā)生的是原電池反應,充電發(fā)生的是電解池反應。充電的電極反應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。
充電:原電池負極電源負極,原電池正極電源正極。
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)極反應式變方向并將電子移項即可得出陰(陽)極反應式。放電總反應和充電總反應在形式上互逆(但不是可逆反應)。
訓練2　一種可充電鋰離子電池的示意圖如下,已知Li1-xCoO2中x<1,下列關于鋰離子電池的說法不正確的是(　　)
A.放電時電池總反應為Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6
B.放電時,Li+在電解質(zhì)中由負極通過A膜向正極遷移
C.充電時,若轉(zhuǎn)移1 mol e-,左側(cè)電極將增重7xg
D.充電時,陽極的電極反應為LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
【解析】該電池放電時LixC6失電子被氧化,為負極,電極反應為LixC6-xe-xLi++C6,正極上Li1-xCoO2得電子發(fā)生還原反應生成LiCoO2,為正極,電極反應為Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,則總反應為 Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6,A項正確;放電時,陽離子向正極移動,則Li+在電解質(zhì)中由負極通過A膜向正極遷移,B項正確;充電時,左側(cè)電極為陰極,發(fā)生還原反應,電極反應為C6+xLi++xe-LixC6,若轉(zhuǎn)移1 mol e-,電極增加的質(zhì)量為7g·mol-1×1 mol=7g,C項錯誤;充電時,右側(cè)電極為陽極,LiCoO2 失電子被氧化為Li1-xCoO2,電極反應為LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+,D項正確。
【答案】C
任務3　燃料電池
【新知生成】
1.概念
燃料電池是利用　　　和　　　　之間發(fā)生的　　　　　　　,將　　　　　　　　　　　的化學電池。燃料電池的氧化劑和還原劑　　　全部　　　　　　　,而是在工作時　　　　　　　,同時將電極反應產(chǎn)物　　　　　　,因此,燃料電池能連續(xù)不斷地提供電能。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率高(超過80%),普通的電池只有30%,有利于節(jié)約能源。
2.氫氧燃料電池
(1)結(jié)構(gòu)(如圖所示)
氫氧燃料電池工作原理示意圖
(2)工作原理
電解質(zhì)溶液為酸性時:
負極(Pt)電極反應:2H2-4e-4H+
正極(Pt)電極反應:O2+4e-+4H+2H2O
電池總反應:2H2+O22H2O
3.燃料電池的規(guī)律:燃料作負極,助燃劑氧氣作正極;電極材料一般不參與電極反應,起傳導電子的作用。
【答案】1.燃料　氧化劑　氧化還原反應　化學能直接轉(zhuǎn)化為電能　不是　儲藏在電池內(nèi)　不斷從外界輸入
不斷排出電池
【核心突破】
典例3　以甲烷為燃料的新型電池得到廣泛的研究,目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池的工作原理示意圖如下。下列說法錯誤的是(　　)
A.以甲烷為燃料,其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池
B.A電極為電池正極,發(fā)生還原反應
C.B電極反應為CH4+4O2--8e-CO2+2H2O
D.該電池的總反應:CH4+2O2CO2+2H2O
【解析】因為甲烷比氫氣易得到,成本低,所以以甲烷為燃料,其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池,A項正確;A電極通入氧氣,O2發(fā)生得電子的還原反應生成O2-,A電極為電池正極,B項正確;B電極通入甲烷,甲烷失去電子發(fā)生氧化反應生成二氧化碳和水,電極反應為CH4+4O2--8e-CO2+2H2O,C項正確;燃料電池的反應條件不是點燃,D項錯誤。
【答案】D
歸納總結(jié)：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(fā)生還原反應:O2+4e-2O2-,根據(jù)電解質(zhì)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(zhì)(高溫下能傳導O2-)中生成O2-:O2+4e-2O2-。
(2)負極反應的書寫
負極通入的是燃料,發(fā)生氧化反應,負極生成的離子一般與正極產(chǎn)物結(jié)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(zhuǎn)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,在熔融碳酸鹽中生成CO2,在熔融氧化物中生成C;
含有的氫元素最終生成水。根據(jù)碳元素化合價的改變寫出失去的電子數(shù),再根據(jù)電荷守恒和原子守恒即可寫出電極反應式。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。
訓練3　氫氧燃料電池已用于航天飛機。以30%KOH溶液為電解液的這種電池在使用時的總反應為2H2+O22H2O。某電極反應為2H2+4OH--4e-4H2O。下列說法不正確的是(　　)
A.氫氣通入負極,氧氣通入正極
B.氫氧燃料電池將氫氣和氧氣燃燒產(chǎn)生的熱能全部轉(zhuǎn)化為電能
C.供電時的正極反應為O2+2H2O+4e-4OH-
D.產(chǎn)物為無污染的水,屬于環(huán)境友好電池
【解析】氧氣中氧元素化合價降低,O2通入正極,氫氣中氫元素化合價升高,H2通入負極,A項正確;氫氧燃料電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,還會伴有熱能等能量的釋放,B項錯誤;正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應,堿性環(huán)境下電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-,C項正確;氫氧燃料電池產(chǎn)物是水,對環(huán)境無污染,屬于環(huán)境友好電池,D項正確。
【答案】B
課堂小結(jié)
【隨堂檢測】
1.下列電池不屬于化學電池的是(　　)
A.一次電池 B.二次電池 C.燃料電池 D.太陽能電池
【解析】一次電池、二次電池、燃料電池放電時將化學能轉(zhuǎn)化為電能,屬于化學電池;太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,不屬于化學電池。
【答案】D
2.一種新型鋰-氮電池的裝置圖如下,它以可傳遞Li+的醚類物質(zhì)作電解質(zhì),電池的總反應為6Li+N22Li3N。電池工作時,下列說法正確的是(　　)
A.X極發(fā)生還原反應
B.電流由X極經(jīng)用電器流入Y極
C.轉(zhuǎn)移1 mol電子時,有2 molLi+從左向右移動
D.Y極的電極反應為6Li++N2+6e-2Li3N
【解析】根據(jù)電池總反應,Li失電子發(fā)生氧化反應,鋰電極為負極,即X極為負極,A項錯誤;Y極為正極,電流由Y極經(jīng)用電器流入X極,B項錯誤;X極的電極反應為Li-e-Li+,Y極的電極反應為6Li++N2+6e-2Li3N,轉(zhuǎn)移1 mol電子時,有1 molLi+從左向右移動,C項錯誤,D項正確。
【答案】D
3.氫氧燃料電池以氫氣作還原劑,氧氣作氧化劑,電極為多孔鎳,電解質(zhì)溶液為30%的氫氧化鉀溶液。以下有數(shù)種說法:
①負極反應為O2+2H2O+4e-4OH-;②負極反應為2H2+4OH--4e-4H2O;③電池工作時正極區(qū)pH升高,負極區(qū)pH下降;④電池工作時溶液中的陰離子移向正極。正確的是(　　)
A.①③④ B.②③ C.②④ D.①④
【解析】①氫氧燃料電池中,堿性條件下,氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應生成OH-,電極反應為O2+2H2O+4e-4OH-,錯誤;②堿性條件下,氫氣在負極失去電子發(fā)生氧化反應生成水,電極反應為2H2+4OH--4e-4H2O,正確;③電池工作時,負極的電極反應為2H2+4OH--4e-4H2O,OH-被消耗,則負極區(qū)pH下降,正確;④電池工作時溶液中的陽離子移向正極,陰離子移向負極,錯誤。
【答案】B
4.科學家設計出質(zhì)子膜H2S燃料電池,實現(xiàn)了利用H2S廢氣資源回收還能獲得能源并得到單質(zhì)硫。質(zhì)子膜H2S燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。下列說法不正確的是(　　)
A.電極a為電池的負極
B.電極b上發(fā)生的電極反應為O2+4H++4e-2H2O
C.電路中每通過2 mol電子,在正極消耗22.4L H2S
D.每17g H2S參與反應,有1 mol H+經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū)
【解析】根據(jù)圖示,a極上硫化氫失電子生成S2和H+,發(fā)生氧化反應,則a為負極,A項正確;電極b是正極,電極反應為O2+4H++4e-2H2O,B項正確;氣體存在的溫度、壓強未知,不能確定氣體的物質(zhì)的量,C項錯誤;17g H2S的物質(zhì)的量為0.5 mol,負極電極反應為2H2S-4e-S2+4H+,正極反應為O2+4H++4e-2H2O,故每17g H2S參與反應,有1 mol H+經(jīng)質(zhì)子膜進入正極區(qū),D項正確。
【答案】C
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