2020年高中化学 第04章 电化学基础 11页

1 4-2 化学电源 【学习目标】 1．了解化学电源的分类方法。 2．了解几种常见化学电源的组成和工作原理。 3．了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。 【学习重难点】 学习重点：常见化学电源的组成和工作原理 学习难点：常见化学电源的组成和工作原理 【自主预习】 一、化学电源 （一）化学电源的分类 1．一次电池：电池中发生反应的物质大部分被消耗后就不能再使用。 2．二次电池：可多次的电池。 3．燃料电池：利用和间的氧化还原反应将能转化为能的化学电源。燃料电池能连续不断地 提供电能的原因 4．判断电池优劣或者是否合适某种需要，主要看这种电池或 以及电池的可存储时间的长 短。 O2 +4e- +2CO2=2CO3 2- 二、一次电池 （一）锌锰电池——分为酸性和碱性两种 1．普通锌锰电池：酸性电解质为 负极：材料，反应式： 正极：材料，反应式：2 ＋2 e ＋2MnO2＝2NH3↑＋Mn2O3＋H2O 总反应化学反应方程式：Zn +2MnO2 +2NH4Cl=Mn2O3+ZnCl 2+2NH3↑ 2 2． 碱性锌锰电池： 负极：材料，反应式： 正极：材料，反应式：2MnO2+2e +2H2O =2MnOOH+2OH 总反应化学反应方程式：Zn +2MnO2 +2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 （二）银锌电池 负极：材料，反应式： 。 正极：材料，反应式：。 总反应化学反应方程式：Zn +AgO2 +H2O= Zn(OH)2+2Ag 三、二次电池 （一）铅蓄电池——最常见的二次电池 总反应化学反应方程式： 放电时： 负极：材料，反应式： 。 正极：材料，反应式：。 充电时： 阳极(氧化反应)：材料，反应式： 3 阴极(还原反应)：材料，反应式： 小规律： 1、充电时，原电池的负极与外电源的负极相连，原电池的正极与外电源的正极相连。 2、充电的电极反应与放电的电极反应过程相反，即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。 （二）目前已经开发的新型二次电池有 [课堂练习]高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池长时间保持稳定 的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn＋2K2FeO4＋8H2O 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋ 4KOH，下列叙述不正确的是 A 放电时负极反应为：Zn－2ｅ－＋2OH－＝Zｎ(OH)2 B 充电时阳极反应为：Fe(OH)3－3e－＋5OH－＝FeO4 2－＋4H2O C 放电时每转移 3mol 电子，正极有 1mol K2FeO4 被氧化 D 放电时正极附近溶液的碱性增强 四、燃料电池 （一）氢氧燃料电池 总反应化学反应方程式：2H2 +O2 = 2H2O ，正、负极材料是： 1、使用中性电解质 负极反应式：； 正极反应式：。 2．使用酸性电解质 负极反应式：； 正极反应式：。 3．使用碱性电解质 负极反应式：； 正极反应式：。 小结：氢氧燃料电池的电解质适合选择性的电解质。 燃料电池与前几种电池的比较的优势：①氧化剂与还原剂在工作时不断补充； ②反应产物不断排出 ③能量转化率高(超过 80%)，普通的只有 30%，有利于节约能源。 ④氢燃料电池等的产物对环境是友好的。 4 （二）其它燃料电池 [课堂练习]某种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇 （Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体，在熔融状态下能传导 O2-。下列对该燃料说法正确的是 A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极 B．电池的总反应是：2C4H10 + 13O2 → 8CO2 + 10H2O C．通入空气的一极是正极，电极反应为：O2 + 4e- = 2O2- D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10 + 26e- + 13O2 = 4CO2 + 5H2O 五、熔融盐电池 熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐混合物作 电解质，CO 为阳极燃气，空气与 CO2 的混合气体为阴极助燃气，制得在 650℃下工作的 燃料电池。负极反应式：2CO+2CO3 2--4e- = 4CO2，正极反应式：， 电池总反应式：。 2、燃料电池：抓正极、看环境、得负极 ①先写正极：正极一般是 O2 得电子发生还原反应。 ②看环境：电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中产物中不能出现 的 H+，酸性介质中产物中不能出现的 OH-。 ③得负极：用总的离子反应式减去正极反应式即可得到负极反应式。 ④检查：质量守恒和电荷守恒。 【预习检测】 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 5 C．判断一种电池的优劣主要是看其负极材料的活泼性 D．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源 2．下列说法中，不正确的是( ) A．化学电池是将化学能转变成电能的装置 B．化学电池的种类包括一次电池、二次电池和燃料电池等 C．化学电池供能稳定可靠，使用方便，易于维护 D．废旧电池可以随意丢弃 合作探究 探究活动一：化学电池 化学电池是将 的装置。其种类很多，常分为以下三类。请你举出生活中常见 的电池，并将其分类填入下表： 种类 特点(分类依据) 实例 一次电池 二次电池 燃料电池 [归纳总结] 化学电池是一类应用范围广、实用性强的电源，分为一次电池、二次电池(可充电电池)、燃 料电池(连续电池)。使用后的废弃电池中含有 和酸、碱 等有害物质，随处丢弃会给 、 等造成严重的污染。所以废弃电池要进行回收利 用。 【学以致用】 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 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．铜锌原电池工作时，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 6 探究活动二：常见的化学电池 1．一次电池 （1）碱性锌锰干电池是一种常用的一次电池，其负极是 ，正极是 ，电解质溶液 是 溶液。 ①负极反应式：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O， ②正极反应式：MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－， ③总反应式：Zn＋MnO2＋H2O===Mn(OH)2＋ZnO。 （2）锌银电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。试根据总反应式 Zn＋Ag2O＋ H2O===Zn(OH)2＋2Ag 判断： ①负极是 ，其依据是 。 ②正极反应式是 ，反应类型是 。 2．二次电池 铅蓄电池是常见的二次电池，其负极是 ，正极是 ，电解质溶液是 。已 知铅蓄电池的放电反应和充电反应表示如下： Pb＋PbO2＋2H2SO4 放电 2PbSO4＋2H2O （1）请你分析并写出铅蓄电池放电时的电极反应式 负极： ； 正极： 。 （2）铅蓄电池充电时，发生氧化反应的物质是 ，其电极反应式 是 ；发生还原反应的物质 是 ，其电极反应式是 。 （3）放电过程中，电解质溶液的 pH 变化是 ，理由 是 。 3．燃料电池 （1）氢氧燃料电池用 Pt 作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反 应和还原反应，电池总反应式是 2H2＋O2===2H2O。 氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应 介质 负极反应式 正极反应式 酸性 中性 碱性 （2）燃料电池的燃料除氢气外，还有 、 、 、氨气、肼等气体或液体。若用导 线相连的两个铂电极插入 KOH 溶液中，然后向两极分别通入甲醇(CH3OH)和氧气，发生 原电池反应。在负极发生氧化反应的是 ，其产物最终是 ，负极 7 反应式是 ；正极反应式 是 ；总反应式 是 。 [归纳总结] 1．常见化学电池的比较 （1）一次电池：活泼金属作负极，参与电极反应，放电完成后，不能再使用。 （2）二次电池：两电极都参与电极反应，可充电、放电，循环使用。 （3）燃料电池：两电极都不参与电极反应，不断充入的物质分别在两极发生反应，可连续 使用。 2．书写化学电池中电极反应式注意的问题 （1）正确判断出化学电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。 （2）确认电极得失电子后的产物是否能与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解 质溶液反应后的电极反应式。 （3）在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，无论该离子是强电解质提供的，还 是弱电解质提供的，一律写离子符号。 （4）书写二次电池的电极反应式时，要注意判断充电方向与放电方向。放电时的电极反应 式倒过来即为充电时的电极反应式(注意电子的得失)。 【学以致用】 3．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，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 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－===2CO2－ 3 ＋12H2O、7H2O＋72O2＋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 8 D．电解质溶液中，CO 2－ 3 向正极移动 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 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．通甲烷极的电极反应式是 CH4＋10OH－－8e－===CO2－ 3 ＋7H2O 【学习小结】 【巩固练习】 1．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 钾溶液为电解质溶液，电池总反应式为 Zn(s)＋2MnO2(s)＋H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋ Mn2O3(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)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(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 0．2 mol 电子，锌的质量减少 6．5 g 2．铅蓄电池的两极分别为 Pb、PbO2，电解质溶液为 H2SO4，工作时的电池反应为 Pb＋PbO2 ＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是( ) A．Pb 为正极被氧化 B．溶液的 pH 不断减小 C．SO 2－ 4 只向 PbO2 处移动 D．电解质溶液 pH 不断增大 3．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 9 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 4．（1）今有反应 2H2＋O22H2O，要构成燃料电池，则负极通入的应是____________，正极通 入的应是_____________________________________________________， 电极反应式分别为__________________________________________________、 ________________________________________________________________________。 （2）如把 KOH 改为稀 H2SO4 作电解质溶液，则电极反应式分别为__________________、 ________________________________________________________________________。 （3）上述（1）和（2）的电解质溶液不同，反应进行后，（1）中溶液 pH 变________(填“大” 或“小”，下同)，（2）中溶液 pH 变________。 （4）如把 H2 改为甲烷，KOH 溶液作电解质溶液，则电极反应式分别为 ________________________________________________________________________、 ________________________________________________________________________。 【总结与反思】 通过自评、互评、师评相结合对本节学习过程进行反思感悟。 10 【参考答案】 【自主预习】略 【预习检测】1． C 2． D 【合作探究】 探究活动一： 化学能转化电能 种类 特点(分类依据) 实例 一次电池 放完电以后不能再使用 普通锌锰电池、 碱性锌锰电池 二次电池 充电、放电可循环进行 铅蓄电池、镍氢电池 燃料电池 可通过不断充入还 原剂、氧化剂，连续使用 氢氧燃料电池、 CH4 燃料电池 [归纳总结] 汞、镉、铬、铅等大量的重金属，土壤，水源 【学以致用】1． C 2． B 3． （1） 介质 负极反应式 正极反应式 酸性 2H2－4e－===4H＋ O2＋4H＋＋4e－===2H2O 中性 2H2－4e－===4H＋ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 碱性 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ （2）烃类、醇类、煤气、，CH3OH， H2O、CO2－ 3 ， 2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO2－ 3 ＋12H2O； 3O2＋6H2O＋12e－===12OH－； 2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO2－ 3 ＋6H2O。 【学以致用】 3． C 4． B 5． C 11 【巩固练习】