2020_2021學(xué)年新教材高中化學(xué)第六章化學(xué)反應(yīng)與能量1.3發(fā)展中的化學(xué)電源教案新人教版必修2

1、第3課時(shí)發(fā)展中的化學(xué)電源 課前自主預(yù)習(xí) 一、干電池干電池是一種一次性電池，最早使用的是鋅錳干電池，其負(fù)極是鋅筒。為防止漏液，改良后的堿性鋅錳電池將電池內(nèi)的電解質(zhì)nh4cl換成濕的koh。二、充電電池充電電池又稱二次電池，它在放電時(shí)所進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，在充電時(shí)可以逆向進(jìn)行，使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。1鉛蓄電池正極材料為pbo2，負(fù)極材料為pb，電解質(zhì)為h2so4溶液。2鎳鎘電池正極材料為nio(oh)，負(fù)極材料為cd，電解質(zhì)為koh。3鋰離子電池新一代可充電的綠色電池，低功耗電器的主流電源。三、燃料電池1原理利用原電池的工作原理將燃料和氧化劑反應(yīng)所放出的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。2與其他電池的區(qū)別

2、反應(yīng)物是由外設(shè)裝備提供燃料和氧化劑。 課堂互動(dòng)探究 電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)1電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)(1)根據(jù)原電池的裝置書(shū)寫(xiě)負(fù)極：若負(fù)極材料本身被氧化，其電極反應(yīng)式有兩種情況：一種是負(fù)極金屬失電子后生成的金屬陽(yáng)離子不與電解質(zhì)溶液的成分反應(yīng)，此時(shí)的電極反應(yīng)可表示為mne=mn。另一種是負(fù)極金屬失電子后生成的金屬陽(yáng)離子與電解質(zhì)溶液的成分反應(yīng)，此時(shí)的電極反應(yīng)要將金屬失電子的反應(yīng)、金屬陽(yáng)離子與電解質(zhì)溶液反應(yīng)疊加在一起，如鉛蓄電池的負(fù)極反應(yīng)為：pbso2e=pbso4。若負(fù)極材料本身不反應(yīng)，如燃料電池，在書(shū)寫(xiě)負(fù)極反應(yīng)式時(shí)，要將燃料失電子的反應(yīng)及其產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液中的反應(yīng)疊加在一起書(shū)寫(xiě)，如h2o2(koh溶液)電池的

3、負(fù)極反應(yīng)為h22oh2e=2h2o。正極：首先判斷在正極發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)。當(dāng)負(fù)極材料與電解質(zhì)溶液能發(fā)生自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在正極上發(fā)生電極反應(yīng)的物質(zhì)是電解質(zhì)溶液中的某種微粒；當(dāng)負(fù)極材料與電解質(zhì)溶液不能發(fā)生自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，在正極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是溶解在電解質(zhì)溶液中的o2。然后再根據(jù)具體情況寫(xiě)出正極反應(yīng)式，在書(shū)寫(xiě)時(shí)也要考慮正極反應(yīng)產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的問(wèn)題，若反應(yīng)也要書(shū)寫(xiě)疊加式，如酸性溶液中，o2在正極的反應(yīng)為o24e4h=2h2o。(2)根據(jù)原電池反應(yīng)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式找出發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)，確定正負(fù)極產(chǎn)物。利用電荷守恒分別寫(xiě)出電極反應(yīng)式。也可先寫(xiě)出較易寫(xiě)的一極的電極反應(yīng)，然后在電子守恒

4、的基礎(chǔ)上，用總反應(yīng)減去該極反應(yīng)，即得到另一極的電極反應(yīng)。驗(yàn)證：兩電極反應(yīng)式相加所得式子和原化學(xué)方程式相同，則書(shū)寫(xiě)正確。2電池總反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)根據(jù)給出的兩個(gè)電極反應(yīng)式，寫(xiě)出總反應(yīng)方程式時(shí)，首先要使兩個(gè)電極反應(yīng)式的得失電子相等，然后將兩式相加，消去反應(yīng)物和生成物中相同的物質(zhì)即可。注意：若反應(yīng)式同側(cè)出現(xiàn)不能共存的離子，如h和oh、pb2和so，要寫(xiě)成反應(yīng)后的物質(zhì)h2o和pbso4。 燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)電極：惰性電極。燃料包含：h2、co、烴(如ch4、c2h6)、醇(如c2h5oh)等。介質(zhì)包含：酸性電解質(zhì)溶液，如硫酸；堿性電解質(zhì)溶液，如naoh溶液；熔融氧化物，如y2o3；熔融碳酸鹽，如k2c

5、o3等。第一步：寫(xiě)出電池的總反應(yīng)。燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)一致，若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng)，則總反應(yīng)為加合后的反應(yīng)。如氫氧燃料電池的總反應(yīng)為2h2o2=2h2o；甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為naoh溶液)中發(fā)生的反應(yīng)為ch42o2=co22h2oco22naoh=na2co3h2o兩式相加得燃料電池的總反應(yīng)：ch42o22naoh=na2co33h2o第二步：寫(xiě)出電池的正極反應(yīng)。根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)，一般在正極上發(fā)生還原反應(yīng)的物質(zhì)都是o2，根據(jù)電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)有所不同。其實(shí)，我們只要熟記以下四種情況即可。(1)酸性電解質(zhì)溶液中的電極反應(yīng)：o24h4e=2h2o。(2)堿性電解質(zhì)溶液中

6、的電極反應(yīng)：o22h2o4e=4oh。(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)o2)環(huán)境中的電極反應(yīng)：o24e=2o2。(4)熔融碳酸鹽(如熔融k2co3)環(huán)境中的電極反應(yīng)：o22co24e=2co。第三步：根據(jù)電池的總反應(yīng)和正極反應(yīng)寫(xiě)出電池的負(fù)極反應(yīng)。電池的總反應(yīng)和正、負(fù)極反應(yīng)之間存在關(guān)系：電池的總反應(yīng)電池的正極反應(yīng)電池的負(fù)極反應(yīng)。故根據(jù)第一、二步寫(xiě)出的反應(yīng)，電池的總反應(yīng)電池的正極反應(yīng)電池的負(fù)極反應(yīng)，注意在將兩個(gè)反應(yīng)相減時(shí)，要消去正極的反應(yīng)物o2。 常見(jiàn)的化學(xué)電源1一次電池普通鋅錳電池“干電池”是用鋅制圓筒形外殼作負(fù)極，位于中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極，周?chē)畛鋤ncl2、nh4cl和淀粉糊作電解質(zhì)，

7、還填有mno2作去極劑(吸收正極放出的h2，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象)。電極反應(yīng)為正極產(chǎn)生的nh3又和zncl2作用：zn24nh3=zn(nh3)42，淀粉糊的作用是提高陰、陽(yáng)離子在兩個(gè)電極的遷移速率。電池總反應(yīng)式：2zn4nh4cl4mno2=zn(nh3)4cl2zncl22mn2o32h2o，“干電池”的電壓通常約為1.5伏，不能充電再生。紐扣式電池(也叫銀鋅電池)常見(jiàn)的紐扣式電池為銀鋅電池，它用不銹鋼制成一個(gè)由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒，盒內(nèi)靠正極殼一端填充由ag2o和少量石墨組成的正極活性材料，負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金作負(fù)極活性材料，電解質(zhì)溶液為濃koh，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極

8、與電解質(zhì)溶液隔開(kāi)。電極反應(yīng)為電池總反應(yīng)式為：ag2ozn=2agzno一粒紐扣式電池的電壓達(dá)1.59伏，安裝在電子表里可使用兩年之久。海水電池1991年，我國(guó)首創(chuàng)以鋁空氣海水為能源的新型電池，用作航海標(biāo)志燈已研制成功。該電池以取之不盡的海水為電解液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。電極反應(yīng)式電池總反應(yīng)式為：4al3o26h2o= 4al(oh)3這種海水電池的能量比“干電池”高2050倍。微型電池(鋰電池)常用于心臟起搏器和火箭的一種微型電池叫鋰電池，它是用金屬鋰作負(fù)極，石墨作正極，電解質(zhì)溶液由四氯化鋁鋰(lialcl4)溶解在亞硫酰氯(socl2)中組成。電池總反應(yīng)式為：10li4soc

9、l2=8liclli2so43s這種電池容量大，電壓穩(wěn)定，能在56.771.1 溫度范圍內(nèi)正常工作。2二次電池鉛蓄電池鉛蓄電池可放電亦可充電，具雙重功能。它是用硬橡膠或透明塑料制成的長(zhǎng)方形外殼，在正極板上有一層棕褐色pbo2，負(fù)極是海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液中，且兩極間用微孔塑料隔開(kāi)。蓄電池放電時(shí)的電極反應(yīng)為負(fù)極：pbso2e=pbso4正極：pbo24hso2e=pbso42h2o當(dāng)放電進(jìn)行到硫酸濃度降低，溶液密度達(dá)到1.18 gcm3時(shí)即停止放電，而將蓄電池進(jìn)行充電：陽(yáng)極：pbso42h2o2e=pbo24hso陰極：pbso42e=pbso當(dāng)溶液密度增加至1.28 gcm

10、3時(shí)，應(yīng)停止充電。蓄電池充電和放電的總反應(yīng)式為：pbo2pb2h2so42pbso42h2o。銀鋅蓄電池目前，有一種形似于“干電池”的充電電池，它實(shí)際是一種銀蓄電池(電解液為koh)。銀鋅蓄電池是一種高能電池，它質(zhì)輕、體積小，是人造衛(wèi)星、宇宙火箭、空間電視轉(zhuǎn)播站等的能源。一次電池中介紹的鈕扣式電池(也叫銀鋅電池)就可以制成銀鋅蓄電池。它的放電過(guò)程可以參見(jiàn)一次電池，充電過(guò)程可以表示為，陽(yáng)極：2ag2oh2e=ag2oh2o；陰極：zn(oh)22e=zn2oh；總反應(yīng)式為：ag2oznh2o2agzn(oh)2。鎳鎘蓄電池負(fù)極材料：cd；正極材料：nio(oh)；電解質(zhì)：koh。總反應(yīng)式為：2n

11、io(oh)cd2h2o2ni(oh)2cd(oh)2。特點(diǎn)：比鉛蓄電池耐用，可密封使用。3燃料電池燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的能量轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。燃料電池的電極本身不參與氧化還原反應(yīng)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。它工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能。甲烷燃料電池該電池用金屬鉑片插入koh溶液中作電極，又在兩極上分別通甲烷和氧氣。電極反應(yīng)式為電池總反應(yīng)式為：ch42o22koh=k2co33h2o氫氧燃料電池氫氧燃料電池是一種高效低污染的新型電池，主要用于航天領(lǐng)域。它的電極材料一般為活化電極，具有很強(qiáng)的催化活性

12、，如鉑電極、活性炭電極等。電解質(zhì)溶液一般為40%的koh溶液。在不同的介質(zhì)中發(fā)生的電極反應(yīng)歸納如下：甲醇燃料電池電解質(zhì)：koh；正極：3o26h2o12e=12oh；負(fù)極：2ch3oh16oh12e=2co12h2o；總反應(yīng)式為：2ch3oh3o24koh=2k2co36h2o。肼燃料電池電解質(zhì)：koh；正極：o22h2o4e=4oh；負(fù)極：n2h44oh4e=n24h2o；總反應(yīng)：n2h4o2=n22h2o。熔融鹽燃料電池熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用li2co3和na2co3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，co為負(fù)極燃?xì)?，空氣與co2的混合氣體為正極燃?xì)猓频迷?50 下工作

13、的燃料電池，有關(guān)的電池反應(yīng)為：負(fù)極反應(yīng)2co2co4e=4co2；正極反應(yīng)o22co24e=2co；總反應(yīng)2coo2=2co2。 典例題組訓(xùn)練 題組一原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)1(雙選)汽車(chē)的啟動(dòng)電源常用鉛蓄電池，其結(jié)構(gòu)如圖所示，其放電時(shí)的電池反應(yīng)為pbo2pb2h2so4=2pbso42h2o，根據(jù)此反應(yīng)判斷下列敘述中正確的是(bc)apbo2是負(fù)極bpb是負(fù)極cpbo2得電子，被還原d電池放電時(shí)，電解質(zhì)溶液的酸性增強(qiáng)解析：根據(jù)電池反應(yīng)知，放電過(guò)程中pb失去電子，作負(fù)極，b項(xiàng)正確；pbo2得電子被還原，作正極，a項(xiàng)錯(cuò)誤，c項(xiàng)正確；由于原電池在放電過(guò)程中消耗硫酸，故電解質(zhì)溶液的酸性減弱，d項(xiàng)錯(cuò)誤。

14、2芬蘭enfucell公司制造出一種紙質(zhì)電池，其電池總反應(yīng)式為zn2mno2h2o=2mno(oh)zno。下列說(shuō)法正確的是(d)a該電池的正極為鋅b該電池反應(yīng)中二氧化錳起催化作用c當(dāng)0.1 mol zn完全溶解時(shí)，流經(jīng)電解液的電子個(gè)數(shù)為1.2041023d電池正極反應(yīng)式為2mno22e2h2o=2mno(oh)2oh解析：a項(xiàng)，根據(jù)電池總反應(yīng)式可知，zn失去電子，為電池的負(fù)極。b項(xiàng)，mno2得到電子，為電池的正極。c項(xiàng)，電子只能經(jīng)外電路流動(dòng)，而不能在電解液中流動(dòng)，電解液內(nèi)的電流是陰、陽(yáng)離子定向移動(dòng)形成的。d項(xiàng)，電池負(fù)極反應(yīng)式為zn2e2oh=znoh2o，用總反應(yīng)式減去負(fù)極反應(yīng)式得正極反應(yīng)式

15、：2mno22e2h2o=2mno(oh)2oh。書(shū)寫(xiě)原電池電極反應(yīng)式時(shí)注意的問(wèn)題(1)正確判斷原電池的負(fù)極和正極，確定兩極上分別發(fā)生的具體反應(yīng)。(2)確認(rèn)電極得失電子后的產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液繼續(xù)反應(yīng)，若能反應(yīng)，則應(yīng)將前后兩個(gè)反應(yīng)式疊加。(3)在得失電子數(shù)相等情況下，正負(fù)極的電極反應(yīng)式相加應(yīng)等于電池總反應(yīng)方程。題組二燃料電池3某固體酸燃料電池以cshso4固體為電解質(zhì)傳遞h，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖，電池總反應(yīng)可表示為2h2o2=2h2o，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(d)a電子通過(guò)外電路從b極流向a極bb極上的電極反應(yīng)式為：o22h2o4e=4ohc每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，消耗1.12 l的h2dh由a極

16、通過(guò)固體酸電解質(zhì)傳遞到b極解析：由電極反應(yīng)式可知，氫氣通入的一極為負(fù)極，氧氣通入的一極為正極，故a為負(fù)極、b為正極，電子應(yīng)該是通過(guò)外電路由a極流向b極，a錯(cuò)；b項(xiàng)，b極上的電極反應(yīng)式為o24e4h=2h2o，b錯(cuò)；c項(xiàng)，沒(méi)有注明此時(shí)是否處于標(biāo)準(zhǔn)狀況下，故無(wú)法計(jì)算氣體的體積，c錯(cuò)。4以甲烷燃料電池為例來(lái)分析在不同的環(huán)境中電極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)方法：(1)酸性條件下的負(fù)極反應(yīng)：ch42h2o8e=co28h。(2)堿性條件下的負(fù)極反應(yīng)：ch410oh8e=co7h2o。(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)o2)環(huán)境中電池的負(fù)極反應(yīng)：ch44o28e=co22h2o。(4)熔融碳酸鹽(如熔融k2co3)環(huán)境中電池

17、的負(fù)極反應(yīng)：ch44co8e=5co22h2o。解析：總的原則：正、負(fù)極反應(yīng)得失電子數(shù)相等，電池總反應(yīng)正極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng)。(1)酸性條件下，燃料電池的總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o，燃料電池的正極反應(yīng)：o24h4e=2h2o，得燃料電池的負(fù)極反應(yīng)：ch42h2o8e=co28h。(2)堿性條件下，燃料電池的總反應(yīng)：ch42o22naoh=na2co33h2o，燃料電池的正極反應(yīng)：o22h2o4e=4oh，得燃料電池的負(fù)極反應(yīng)：ch410oh8e=co7h2o。(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)o2)環(huán)境中，燃料電池的總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o，燃料電池的正極反應(yīng)：o24e=2o2，得

18、燃料電池的負(fù)極反應(yīng)：ch44o28e=co22h2o。(4)熔融碳酸鹽(如熔融k2co3)環(huán)境中，燃料電池的總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o，燃料電池的正極反應(yīng)：o22co24e=2co，得燃料電池的負(fù)極反應(yīng)：ch44co8e=5co22h2o。(1)誰(shuí)是燃料誰(shuí)作負(fù)極，通入o2或空氣的一極為正極。,(2)燃料電池正極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)：酸性環(huán)境：o24h4e=2h2o中性或堿性環(huán)境：o22h2o4e=4oh固體電解質(zhì)：o24e=2o2熔融鹽：o22co24e=題組三常用的化學(xué)電源5“zebra”蓄電池的結(jié)構(gòu)如圖所示，電極材料多孔ni/nicl2和金屬鈉之間由鈉離子導(dǎo)體制作的陶瓷管相隔。下列關(guān)于該電

19、池的敘述錯(cuò)誤的是(b)a電池反應(yīng)中有nacl生成b電池的總反應(yīng)是金屬鈉還原三價(jià)鋁離子c正極反應(yīng)為：nicl22e=ni2cld鈉離子通過(guò)鈉離子導(dǎo)體在兩電極間移動(dòng)解析：該電池的總反應(yīng)為2nanicl2=2naclni，因此有nacl生成，a項(xiàng)正確；由電池總反應(yīng)可知，na還原ni2，b項(xiàng)錯(cuò)誤；正極上nicl2發(fā)生還原反應(yīng)：nicl22e=ni2cl，c項(xiàng)正確；鈉離子通過(guò)鈉離子導(dǎo)體由負(fù)極向正極移動(dòng)，d項(xiàng)正確。6(雙選)某可充電的鋰離子電池以limn2o4為正極，嵌入鋰的碳材料為負(fù)極，含li導(dǎo)電固體為電解質(zhì)。放電時(shí)的電池反應(yīng)為：lilimn2o4=li2mn2o4下列說(shuō)法正確的是(ab)a放電時(shí)，li

20、mn2o4發(fā)生還原反應(yīng)b放電時(shí)，正極反應(yīng)為：lilimn2o4e=li2mn2o4c充電時(shí)，limn2o4發(fā)生氧化反應(yīng)d充電時(shí)，li發(fā)生氧化反應(yīng)解析：在電池放電反應(yīng)lilimn2o4=li2mn2o4中，limn2o4為正極，正極反應(yīng)是還原反應(yīng)，則a正確。電池以limn2o4為正極，含li導(dǎo)電固體為電解質(zhì)，則電池的正極反應(yīng)為lilimn2o4e=li2mn2o4，b正確。該電池的充電反應(yīng)為li2mn2o4=lilimn2o4。其中l(wèi)i和limn2o4都是反應(yīng)的生成物，則c和d均不正確?；瘜W(xué)電池的基本類型(1)活潑金屬作負(fù)極，被腐蝕或消耗，發(fā)生氧化反應(yīng)，如鋅錳干電池。(2)兩電極都參加反應(yīng)，如鉛

21、蓄電池。(3)兩電極均為惰性電極，電極本身不發(fā)生反應(yīng)，而是由引入到兩極上的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，如燃料電池。 核心素養(yǎng) 1電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)的一般步驟(類似氧化還原反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě))2已知總方程式，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式(1)書(shū)寫(xiě)步驟步驟一：寫(xiě)出電池總反應(yīng)式，標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目(ne)。步驟二：找出正、負(fù)極，失電子的電極為負(fù)極；確定溶液的酸堿性。步驟三：寫(xiě)電極反應(yīng)式。負(fù)極反應(yīng)：還原劑ne=氧化產(chǎn)物正極反應(yīng)：氧化劑ne=還原產(chǎn)物(2)書(shū)寫(xiě)技巧若某電極反應(yīng)式較難寫(xiě)時(shí)，可先寫(xiě)出較易的電極反應(yīng)式，用總反應(yīng)式減去較易寫(xiě)的電極反應(yīng)式，即可得出較難寫(xiě)的電極反應(yīng)式。如：ch3och3(二甲醚)酸性燃料電池中：總反應(yīng)式：ch3och33o2=2co23h2o正極：3o212h12e=6h2o負(fù)極：ch3och33h2o12e=2co212h簡(jiǎn)單電極反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，必須與總方程式中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相同。3氫氧燃料電池在四種常見(jiàn)介質(zhì)中的電極反應(yīng)總結(jié)【例1】十九大報(bào)告中提出要“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，意味著對(duì)大氣污染防治比過(guò)去要求更高。二氧化硫空氣質(zhì)