高中化学 第4章 化学反应与电能 第1节 第2课时 化学电源教案 新人教版选择性必修第一册-新人教版高中选择性必修第一册化学教案

第2课时　化学电源发展目标体系构建1.知道化学电源的分类方法。2.熟悉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。一、化学电源1．概念化学电源是将化学能变成电能的装置。2．分类3．判断电池优劣的主要(1)比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L。(2)比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的多少，单位W/kg或W/L。(3)电池的可储存时间的长短。二、一次电池1．一次电池随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质被消耗，当这些物质消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。2．碱性锌锰电池(1)构造：碱性锌锰电池的构造示意图(2)组成：正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。(3)工作原理：负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－；总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。　碱性锌锰电池比普通锌锰电池有哪些优良性能？[提示]　比能量和可储存时间均有所提高，适用于大电流和连续放电。三、二次电池铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。(2)放电反应原理①负极反应式是Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)；②正极反应式是PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；③放电过程中，负极质量的变化是增大，电解质溶液pH的变化是增大。(3)充电反应原理①阴极(发生还原反应)反应式是PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；②阳极(发生氧化反应)反应式是PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)；③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。四、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。2．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2H2－4e－===4H＋O2＋4H＋＋4e－===2H2O中性2H2－4e－===4H＋O2＋2H2O＋4e－===4OH－碱性2H2－4e－＋4OH－===4H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－3.燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体。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CH3OH，其最终产物是H2O、CO，负极反应式是2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O；正极反应式是3O2＋6H2O＋12e－===12OH－；总反应式是2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。　燃料电池的正、负两极必须是两种活泼性不同的金属或一种金属与一种导电的非金属吗？[提示]　不一定，如氢氧燃料电池的正负极均为Pt。1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1)太阳能电池不属于原电池。(√)(2)二次电池充电时，充电器的正极接二次电池的正极。(√)(3)铅蓄电池放电时的负极发生还原反应。(×)(4)Zn具有还原性和导电性，可用作锌锰干电池的负极材料。(√)2．关于铅蓄电池的说法中正确的是(　　)A．在放电时，正极发生的反应是：Pb＋SO===PbSO4＋2e－B．在放电时，该电池的负极材料是铅板C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小D．在充电时，阳极发生的反应是：PbSO4＋2e－===Pb＋SOB　[A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。]3．“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。(1)飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将________能转化为________能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2充电时，阳极的电极反应式为____________________；当飞船运行到阴影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性________(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O2Ag＋Zn(OH)2，其负极的电极反应式为____________。[解析]　阳极是失电子发生氧化反应的一极，Ni(OH)2为阳极；放电时负极反应为Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，溶液的碱性减小。[答案]　(1)太阳　电　Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O　减小(2)Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2二次电池的充放电分析(素养养成——宏观辨识与微观探析)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池可长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。[问题1]　写出该电池放电时的负极反应式。[提示]　放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2。[问题2]　根据该电池的总反应分析电池工作时，正极附近溶液的pH怎样变化？[提示]　放电时正极附近生成OH－，碱性增强，pH变大。[问题3]　给该电池充电时应该怎样连接电极？[提示]　充电时该电池的正极接外接电源正极，负极接外接电源负极。充电电池充电、放电的原理(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。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。(2)充、放电时各电极上发生的反应(3)充电电池电极反应式的书写充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如图所示。注意　书写铅蓄电池电极反应式时一定要考虑电解质溶液，放电时两极生成的Pb2＋和电解质溶液中的SO不能共存，Pb2＋与SO结合生成PbSO4沉淀，因此将负极反应式写成Pb－2e－===Pb2＋是错误的，应写成Pb＋SO－2e－===PbSO4。1．爱迪生蓄电池在充电和放电时发生的反应为Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2，下列对该蓄电池的推断错误的是(　　)①放电时，Fe参与负极反应，NiO2参与正极反应②放电时，电解质溶液中的阴离子向正极移动③放电时，负极上的电极反应式为Fe＋2H2O－2e－===Fe(OH)2＋2H＋④该蓄电池的电极必须浸入某种碱性电解质溶液中A．①②　　　B．②③C．①③D．③④B　[①Fe元素化合价由0价变为＋2价、Ni元素化合价由＋4价变为＋2价，则Fe参与负极反应，NiO2参与正极反应，正确；②放电时，电解质溶液中的阴离子向负极方向移动，阳离子向正极移动，错误；③放电时，负极上失电子发生氧化反应，电极反应式为Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，错误；④由方程式可知此电池为碱性电池，反应方程式时不能出现H＋，只能浸在碱性电解质溶液中，正确。]2．镍­镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。下列说法不正确的是(　　)A．放电时，负极发生了氧化反应，反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2B．充电时，阳极反应为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2OC．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小D．该电池充电时将电能转化为化学能C　[由电池总反应可知：放电时负极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，负极区OH－浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为NiOOH(s)＋H2O＋e－===Ni(OH)2(s)＋OH－，正极区OH－浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。]燃料电池电极反应式的书写方法(素养养成——证据推理与模型认知)一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2混合气体，其总反应式为2CO＋O2===2CO2。[问题1]　判断该电池的正极、负极情况？[提示]　由电池的总反应式2CO＋O2===2CO2可知，通CO的一极为电池负极，通O2的一极为电池正极。[问题2]　你能写出该电池的正极反应式和负极反应式吗？[提示]　负极的电极反应式为2CO＋2CO－4e－===4CO2，正极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。燃料电池电极反应式的书写方法电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气得电子，发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物。乙醇燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O，故生成物为K2CO3和H2O。第二步：确定价态的变化及转移电子数。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为－2，CO中碳元素的化合价为＋4，故1mol乙醇完全反应失去2×[4－(－2)]＝12mol电子。第三步：列出表达式。C2H5OH＋OH－－12e－―→CO＋H2O。第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数。由碳原子守恒确定CO的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH－的化学计量数为16。(注：失去12个电子，相当于带12个单位正电荷)再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH＋16OH－－12e－===2CO＋11H2O。3．如图是甲醇燃料电池的结构示意图，甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是(　　)A．左电极为电池的负极，a处通入的物质是甲醇B．正极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－C．负极反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋D．该电池提供1mole－，消耗氧气0.25molB　[负极反应式为2CH3OH－12e－＋2H2O===2CO2↑＋12H＋，正极反应式为3O2＋12e－＋12H＋===6H2O；根据电子流向，可以判断a处通甲醇，b处通O2；当电池提供1mol电子时，消耗O2为1×mol＝0.25mol。]4．原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为____________________________________________________。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO2的混合气为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。请完成有关的电池反应式：负极反应式：2CO＋2CO－4e－===4CO2；正极反应式：_________________________________________；总电池反应式：________________________________________。[解析]　(1)CH4在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH－，故一段时间后，电解质溶液的pH会减小。(2)正极发生还原反应，故正极电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO。根据正极反应式＋负极反应式＝总电池反应，可推知总电池反应式应为2CO＋O2===2CO2。[答案]　(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O　②减小　(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2电池续航是制约电动汽车发展的主要因素，而借助科学家最新发明的薄片式电池技术，这一难题有可能迎刃而解。外媒报道，德国工研院正在研究一种新电池，它可以让电动汽车充电一次续航620英里(大约1000公里)。研究人员的做法是，剔除封装单个电池的外壳，用薄片式设计取代圆柱形设计。金属片上涂有能源存储材料，它是用粉末陶瓷和聚合物粘合剂制造的。金属片的一侧是正极，另一侧是负极。然后将双极性电极一个一个堆叠起来，如同将一张张纸叠起来一样，电极之间用薄薄的电解液分开，里面还有一种材料防止电荷短路。最终，科学家将叠起来的薄片封装为大约为10平方英尺(1平方米)的电池，并与汽车电力系统连接。研究人员表示，这样的做法能够让在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。这种新型电池系统预计在2020年之前进入实际测试阶段。[问题1]　阅读材料分析薄膜电池增大电池容量的思路是怎样的？(素养角度——宏观辨识与微观探析)[提示]　薄膜电池采用薄片式设计，通过在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。[问题2]　薄膜电池属于二次电池，分析其充电时电极与外接电源的正负极的连接方式。(素养角度——证据推理与模型认知)[提示]　[问题3]　一种薄膜电池的设计原理如图所示。该电池封装的电解质溶液为6mol·L－1的KOH溶液碳电极为吸附了氢气的纳米碳管。(素养角度——宏观辨识与微观探析)(1)写出放电时的正、负极电极反应式。[提示]　负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O；正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－。(2)写出充电时的阴、阳极电极反应式。[提示]　阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O。[问题4]　思考薄膜电池等新型电池的开发对社会发展的意义。(素养角度——科学态度与社会责任)[提示]　减少传统能源的使用，对可持续发展有利；减少有害物质排放，对环境保护有利。1．随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是(　　)A．利用电池外壳的金属材料B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染C．不使电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品D．回收其中石墨电极B　[汞、镉、铅等重金属离子会对土壤和水源造成污染。]2．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应式为：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列关于该电池的电极反应，正确的是(　　)A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋B．负极反应为Zn＋2H2O－2e－===Zn(OH)2＋2H＋C．正极反应为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOHD．正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－D　[在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H＋。在碱性电池中，负极的Zn失去电子形成的Zn2＋应该与OH－结合为Zn(OH)2。]3．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为氢气，氢气进入以磷酸为电解质的燃料电池发电。电池正极反应为(　　)A．O2＋4H＋＋4e－===2H2OB．H2－2e－===2H＋C．O2＋2H2O＋4e－===4OH－D．H2－2e－＋2OH－===2H2OA　[该燃料酸性电池中，负极上氢气失电子生成氢离子，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，负极反应式为H2－2e－===2H＋，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O。]4．如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是(　　)A．a为电池的正极B．电池充电反应为LiMn2O4===Li1－xMn2O4＋xLiC．放电时，a极锂的化合价发生变化D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移C　[图示所给出的是原电池装置。A项，由图示分析，金属锂易失电子，由原电池原理可知，含有锂的一端为原电池的负极，即b为负极，a为正极，故正确；B项，电池充电时为电解池，反应式为原电池反应的逆反应，故正确；C项，放电时，a极为原电池的正极，发生还原反应的是Mn元素，锂元素的化合价没有变化，故不正确；D项，放电时为原电池，锂离子为阳离子，应向正极(a极)迁移，故正确。]5．某新型可充电电池能长时间保持稳定的放电电压，该电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。(1)充电时Fe(OH)3发生________反应。(2)放电时电子由________极流向________(填“正”或“负”)极。(3)放电时1molK2FeO4发生反应，转移电子数是________。[解析]　电子由负极流出，通过外电路流向正极，每1molK2FeO4发生反应，转移电子是3mol，数目是1.806×1024，充电时Fe(OH)3失去电子发生氧化反应。[答案]　(1)氧化　(2)负　正　(3)1.806×1024