高中化學(xué)第4章化學(xué)反應(yīng)與電能第1節(jié)原電池第2課時(shí)化學(xué)電源課件新人教版選修1

第2課時(shí)化學(xué)電源課前·基礎(chǔ)認(rèn)知課堂·重難突破隨堂訓(xùn)練課前·基礎(chǔ)認(rèn)知一、化學(xué)電源的分類(lèi)及其特點(diǎn)1.化學(xué)電源的分類(lèi)。化學(xué)電源包括

一次電池

、

二次電池

和

燃料電池

等,它們都是根據(jù)

原電池

原理制成的。

2.化學(xué)電源的優(yōu)點(diǎn)。(1)

能量轉(zhuǎn)化

效率較高,供能穩(wěn)定可靠。

(2)可以制成各種形狀、大小和

容量

不同的電池及電池組。

(3)方便攜帶,易于維護(hù)等。3.判斷一種電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)——“兩看”。(1)看電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少(

比能量

)或輸出功率的大小(

比功率

)。

(2)看電池

可儲(chǔ)存時(shí)間

的長(zhǎng)短。

二、一次電池1.一次電池的特點(diǎn)。放電后

不可再充電

。一次電池又叫干電池,其電解質(zhì)溶液為

膠

狀,不流動(dòng)。

2.一次電池的代表——堿性鋅錳電池。(1)組成。正極:

MnO2

;負(fù)極:

Zn

;電解質(zhì):KOH。

(2)工作原理。負(fù)極反應(yīng):

Zn+2OH--2e-====Zn(OH)2

;

正極反應(yīng):MnO2+H2O+e-══MnO(OH)+OH-

;

總反應(yīng):Zn+2MnO2+2H2O══2MnO(OH)+Zn(OH)2。(3)特點(diǎn):堿性鋅錳電池比普通鋅錳電池性能好,它的

比能量

和可儲(chǔ)存時(shí)間均有提高。

三、二次電池1.二次電池的特點(diǎn)。放電后可以再充電而反復(fù)使用的電池。二次電池又叫

可充電

電池或蓄電池。

2.鉛酸蓄電池。(1)負(fù)極板覆蓋

Pb

,正極板覆蓋

PbO2

,

稀硫酸

作電解質(zhì)溶液。

(2)電池放電時(shí)的電極反應(yīng)式如下。負(fù)極:

Pb+-2e-====PbSO4

;

正極:PbO2+4H+++2e-====PbSO4+2H2O;總反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4══2PbSO4

+2H2O。電池的充電過(guò)程與其放電過(guò)程相反。(3)鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)。①優(yōu)點(diǎn):可重復(fù)使用、

電壓

穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格

低廉

,應(yīng)用廣泛。

②缺點(diǎn):

比能量

低、笨重等。

3.新型蓄電池的特點(diǎn)。小型

化、供電方便、

工作壽命

長(zhǎng)、不需要維護(hù)等。

四、燃料電池1.燃料電池的特點(diǎn)。連續(xù)地將燃料和氧化劑的

化學(xué)

能直接轉(zhuǎn)化為

電

能。工作時(shí),燃料和氧化劑連續(xù)地由

外部

供給并在

電極

上進(jìn)行反應(yīng),生成物不斷地被排出,從而連續(xù)不斷地提供

電能

。

2.基本構(gòu)造及工作原理(以酸性氫氧燃料電池為例)。負(fù)極反應(yīng):

2H2-4e-====4H+

;

正極反應(yīng):

O2+4H++4e-====2H2O

;

總反應(yīng):2H2+O2══2H2O。3.燃料電池的優(yōu)點(diǎn)。(1)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率

高

,超過(guò)80%,遠(yuǎn)高于火力發(fā)電的轉(zhuǎn)化率。

(2)污染

小

。

微思考

燃料電池與燃燒有什么區(qū)別?燃料電池的兩個(gè)電極材料是否必須不同?提示:燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,燃燒是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。燃料電池的兩個(gè)電極材料一般相同,常用石墨作電極。微判斷

(1)廢舊電池中含汞、鎘、鉛、鎳等重金屬,隨意丟棄會(huì)污染環(huán)境,應(yīng)對(duì)廢舊電池分類(lèi)回收,集中處理。(

)(2)二次電池的充電反應(yīng)和放電反應(yīng)互為可逆反應(yīng)。(

)(3)燃料電池工作時(shí)負(fù)極應(yīng)不斷充入燃料,正極充入氧化劑,如O2。(

)(4)鉛酸蓄電池的負(fù)極反應(yīng)式為Pb-2e-══Pb2+。(

)√×√×微訓(xùn)練1.下列化學(xué)電源屬于綠色電池的是(

)。A.鉛酸蓄電池B.鎳鎘電池C.鋅錳電池D.氫氧燃料電池答案:D解析:鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鋅錳電池都含有一些毒性很強(qiáng)的重金屬元素,若處理不當(dāng)會(huì)造成土壤、水源的嚴(yán)重污染;氫氧燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)物是水,無(wú)污染。2.堿性電池具有容量大、放電電流大的特點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用。堿性鋅錳電池以氫氧化鉀為電解質(zhì),電池總反應(yīng)式為Zn+2MnO2+2H2O══2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)。A.電池工作時(shí),鋅失去電子B.電池正極的電極反應(yīng)式為MnO2+H2O+e-══MnO(OH)+OH-C.電池工作時(shí),電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極D.外電路中每通過(guò)0.2

mol電子,鋅的質(zhì)量理論上減小6.5

gC解析:由所給電池的總反應(yīng)式可知,電池工作時(shí),每有1

mol

Zn參加反應(yīng),失去2

mol電子,則會(huì)有2

mol電子從負(fù)極Zn經(jīng)過(guò)外電路流向正極,并在正極發(fā)生反應(yīng):2MnO2+2H2O+2e-══2MnO(OH)+2OH-,故外電路中每通過(guò)0.2

mol電子,鋅的質(zhì)量就減小6.5

g。3.電子表和電子計(jì)算器中所用的是紐扣式的微型鋅銀電池,其電極分別為Ag2O和Zn,電解質(zhì)為KOH。工作時(shí)電池總反應(yīng)式為Ag2O+Zn+H2O══2Ag+Zn(OH)2。(1)工作時(shí)電流從

(填“Ag2O”或“Zn”,下同)極流向

極。

(2)負(fù)極的電極反應(yīng)式為

。

答案:(1)Ag2O

Zn

(2)Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2解析:(1)在反應(yīng)Ag2O+Zn+H2O══2Ag+Zn(OH)2中,由化合價(jià)變化可知Zn被氧化,應(yīng)為原電池的負(fù)極,則正極為Ag2O,電子由負(fù)極流向正極,電流方向與電子流向相反。(2)負(fù)極的電極反應(yīng)式為Zn+2OH--2e-══Zn(OH)2。課堂·重難突破一、二次電池的工作原理重難歸納二次電池的充電過(guò)程與放電過(guò)程相反,放電時(shí)為原電池,充電時(shí)為電解池。充電時(shí),電池的正極外接直流電源的正極,作陽(yáng)極,電池的負(fù)極外接直流電源的負(fù)極,作陰極。同一電極上的電極反應(yīng)式,充電與放電時(shí)在形式上恰好相反;同一電極周?chē)娜芤?充電與放電時(shí)pH的變化趨勢(shì)也恰好相反。歸納為下圖:鉛酸蓄電池是一種常用的二次電池,廣泛應(yīng)用于汽車(chē)用電系統(tǒng)。書(shū)寫(xiě)鉛酸蓄電池的電極反應(yīng)式時(shí)要考慮哪些問(wèn)題?提示:(1)首先要明確電池和電極,放電時(shí)為原電池,充電時(shí)為電解池。(2)原電池的負(fù)極與電解池的陽(yáng)極均發(fā)生氧化反應(yīng),失電子,所含元素化合價(jià)升高。(3)原電池的正極與電解池的陰極均發(fā)生還原反應(yīng),得電子,所含元素化合價(jià)降低。(4)要考慮電解質(zhì)溶液中的離子參與電極反應(yīng)。例如放電時(shí)的電極反應(yīng)式:負(fù)極Pb+-2e-══PbSO4,正極PbO2+4H++

+2e-══PbSO4+2H2O。典例剖析鐵鎳蓄電池又稱(chēng)愛(ài)迪生電池,放電時(shí)的總反應(yīng)式為Fe+Ni2O3+3H2O══Fe(OH)2+2Ni(OH)2。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法不正確的是(

)。A.電池的電解質(zhì)溶液為堿性溶液,正極為Ni2O3,負(fù)極為FeB.電池放電時(shí),負(fù)極反應(yīng)式為Fe+2OH--2e-══Fe(OH)2C.電池充電過(guò)程中,陰極附近溶液的pH降低D.電池充電時(shí),陽(yáng)極反應(yīng)式為2Ni(OH)2+2OH--2e-══Ni2O3+3H2OC解析:因?yàn)榉烹姇r(shí)的反應(yīng)中有氫氧化物生成,故電解質(zhì)溶液是堿性溶液,因?yàn)殍F的化合價(jià)升高,鎳的化合價(jià)降低,故鐵是負(fù)極,氧化鎳是正極,故A和B均正確;充電時(shí)的陰極反應(yīng)式為Fe(OH)2+2e-══Fe+2OH-,故此時(shí)陰極附近溶液的pH增大,故C錯(cuò)誤;根據(jù)所給的放電時(shí)的電池反應(yīng)可推知D正確。學(xué)以致用1.關(guān)于鉛酸蓄電池的說(shuō)法正確的是(

)。A.放電時(shí),正極發(fā)生的反應(yīng)是Pb+-2e-══PbSO4B.放電時(shí),該電池的負(fù)極材料是鉛板C.充電時(shí),電池中硫酸的濃度不斷減小D.充電時(shí),陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)是PbSO4+2e-══Pb+答案:B解析:A項(xiàng)中電池放電時(shí)正極應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)為PbO2+4H+++2e-══PbSO4+2H2O;C項(xiàng)中電池充電時(shí)硫酸的濃度應(yīng)不斷增大;D項(xiàng)中電池充電時(shí)陽(yáng)極應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)。2.鎂及其化合物一般無(wú)毒(或低毒)、無(wú)污染,且鎂電池放電時(shí)電壓高而平穩(wěn),因而越來(lái)越成為人們研制綠色電池所關(guān)注的焦點(diǎn)。其中一種鎂電池的反應(yīng)為xMg+Mo3S4MgxMo3S4,則鎂電池放電時(shí),下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(

)。A.Mg2+向正極遷移B.正極反應(yīng)式為Mo3S4+2xe-══C.充電時(shí),該電池的正極與電源的負(fù)極相連D.負(fù)極反應(yīng)式為xMg-2xe-══xMg2+解析:充電時(shí),電池的正極應(yīng)與電源的正極相連。C二、燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)重難歸納以CH3OH為燃料的燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。1.酸性介質(zhì)。2.堿性介質(zhì)。

3.熔融碳酸鹽作介質(zhì)。

4.熔融金屬氧化物作介質(zhì)。

燃料電池種類(lèi)很多,可作燃料電池的燃料的有氫氣、烴類(lèi)(如甲烷)、肼(聯(lián)氨)、氨、CO、醇類(lèi)(如甲醇)等,可以是酸、堿、熔融碳酸鹽或氧化物等電解質(zhì)作離子導(dǎo)體,發(fā)展前景廣闊。書(shū)寫(xiě)燃料電池的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式要注意哪些問(wèn)題?提示:(1)在電池的負(fù)極反應(yīng)的物質(zhì)一定是可燃物,燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)。電池的正極多為氧氣或空氣,得電子,發(fā)生還原反應(yīng)。(2)電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng),只作電池反應(yīng)物的載體。(3)正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)式在得失電子守恒的前提下,相加后的電池反應(yīng)必然是燃料燃燒反應(yīng)和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的疊加。典例剖析科技工作者制造了一種甲烷燃料電池,一個(gè)電極通入空氣,另一個(gè)電極通入甲烷,通過(guò)摻雜了Y2O3的ZrO2晶體在高溫下傳導(dǎo)O2-。以下判斷錯(cuò)誤的是(

)。A.電池正極發(fā)生的反應(yīng):O2+4e-══2O2-B.電池負(fù)極發(fā)生的反應(yīng):CH4+4O2--8e-══CO2+2H2OC.固體電解質(zhì)里的O2-的移動(dòng)方向:由正極移向負(fù)極D.向外電路釋放電子的電極:正極(即電子由正極流向負(fù)極)答案:D解析:因?yàn)榉烹姇r(shí),電池正極發(fā)生還原反應(yīng)(元素化合價(jià)降低),負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)(元素化合價(jià)升高)。所以正極反應(yīng)式是O2+4e-══2O2-,負(fù)極反應(yīng)式是CH4+4O2--8e-══CO2+2H2O。由上述電池的正、負(fù)極反應(yīng)式可以看出,正極反應(yīng)“源源不斷”地產(chǎn)生O2-,負(fù)極反應(yīng)要持續(xù)進(jìn)行,則需要“持續(xù)不斷”地消耗O2-,故電池內(nèi)O2-的移動(dòng)方向是由正極移向負(fù)極。電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子,故外電路電子從負(fù)極流出,D項(xiàng)錯(cuò)誤?！就卣寡由臁?/p>

對(duì)于甲烷燃料電池,電解質(zhì)溶液如果是KOH溶液,則電極反應(yīng)式如何書(shū)寫(xiě)?答案:正極:2O2+4H2O+8e-══8OH-負(fù)極:CH4+10OH--8e-══

+7H2O總反應(yīng):CH4+2O2+2KOH══K2CO3+3H2O方法歸納燃料電池電極反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)關(guān)鍵。

(1)書(shū)寫(xiě)總反應(yīng)方程式時(shí),要注意燃料燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液是否發(fā)生反應(yīng),若能反應(yīng),電解質(zhì)溶液要寫(xiě)在總反應(yīng)方程式中。

(2)燃料電池正極反應(yīng)的本質(zhì)是氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng),即O2+4e-══2O2-,產(chǎn)生的O2-存在形式與電解質(zhì)溶液的酸堿性和電解質(zhì)的狀態(tài)有著密切的關(guān)系,在酸性溶液中轉(zhuǎn)化為H2O,在堿性溶液中轉(zhuǎn)化為OH-,在熔融的碳酸鹽中轉(zhuǎn)化為

。(3)書(shū)寫(xiě)燃料電池的電極反應(yīng)式,一定要注意電解質(zhì)溶液的酸堿性。堿性溶液電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)H+,酸性溶液電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH-。學(xué)以致用一種微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,關(guān)于該電池?cái)⑹稣_的是(

)。A.分子組成為Cm(H2O)n的物質(zhì)一定是糖類(lèi)B.微生物所在電極區(qū)放電時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)C.放電過(guò)程中,H+從正極區(qū)移向負(fù)極區(qū)D.正極反應(yīng)式為MnO2+4H++2e-══Mn2++2H2OD解析:A項(xiàng),分子組成為Cm(H2O)n的物質(zhì)不一定是糖類(lèi),例如乙酸(C2H4O2),錯(cuò)誤;B項(xiàng),微生物放電時(shí),Cm(H2O)n中碳元素化合價(jià)升高,發(fā)生氧化反應(yīng),微生物所在的區(qū)域?yàn)樨?fù)極區(qū),錯(cuò)誤;C項(xiàng),原電池中陰離子向負(fù)極移動(dòng),陽(yáng)離子向正極移動(dòng),錯(cuò)誤;D項(xiàng),正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng),則電極反應(yīng)式為MnO2+4H++2e-══Mn2++2H2O,正確。隨堂訓(xùn)練1.下列有關(guān)化學(xué)電源的敘述正確的是(

)。A.鉛酸蓄電池充電時(shí)的陽(yáng)極產(chǎn)物為PbO2B.鋅錳干電池中碳棒為負(fù)極C.燃料電池在工作時(shí)需要點(diǎn)燃引發(fā)反應(yīng)D.氧化還原反應(yīng)都可以設(shè)計(jì)成原電池答案:A解析:鉛酸蓄電池充電時(shí),陽(yáng)極上硫酸鉛失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為PbSO4+2H2O-2e-══PbO2++4H+,則鉛酸蓄電池充電時(shí)的陽(yáng)極產(chǎn)物為PbO2,A項(xiàng)正確;原電池中失電子的一極為負(fù)極,則鋅錳干電池中鋅為負(fù)極,碳棒為正極,B項(xiàng)錯(cuò)誤;燃料電池中燃料與氧氣分別在兩個(gè)電極上反應(yīng),燃料與氧氣不接觸,不發(fā)生燃燒反應(yīng),不需要點(diǎn)燃引發(fā)反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;自發(fā)的氧化還原反應(yīng)可以設(shè)計(jì)成原電池,非自發(fā)的氧化還原反應(yīng)不能設(shè)計(jì)成原電池,D項(xiàng)錯(cuò)誤。2.下列關(guān)于化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的四種裝置的說(shuō)法正確的是(

)。A.電池Ⅰ中鋅是正極B.電池Ⅱ是一次電池C.電池Ⅲ工作時(shí),氫氣發(fā)生還原反應(yīng)D.電池Ⅳ工作時(shí),電子由鋅通過(guò)導(dǎo)線流向石墨棒答案:D解析:電池Ⅰ中鋅是負(fù)極;電池Ⅱ是鉛酸蓄電池,屬于二次電池;電池Ⅲ工作時(shí),負(fù)極氫氣發(fā)生氧化反應(yīng);電池Ⅳ中,鋅作負(fù)極,工作時(shí)電子流出到石墨棒,D項(xiàng)正確。3.新型LiFePO4可充電鋰離子動(dòng)力電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為綠色能源的新寵。已知該電池放電時(shí)的電極反應(yīng)式:正極為FePO4+Li++e-══LiFePO4,負(fù)極為L(zhǎng)i-e-══Li+。下列說(shuō)法中正確的是(

)。A.充電時(shí)動(dòng)力電池上標(biāo)注“+”的電極應(yīng)與外接電源的正極相連B.充電時(shí)電池反應(yīng)為FePO4+Li++e-══LiFePO4C.放電時(shí)電池內(nèi)部Li+向負(fù)極移動(dòng)D.放電時(shí),在正極上Li+得電子被還原A解析:充電時(shí)動(dòng)力電池上標(biāo)注“+”的電極應(yīng)與外接電源的正極相連,發(fā)生氧化反應(yīng):LiFePO4-e-══FePO4+Li+,A項(xiàng)正確;放電時(shí)電池反應(yīng)式為FePO4+Li══LiFePO4,則充電時(shí)電池反應(yīng)式為L(zhǎng)iFePO4══FePO4+Li,B項(xiàng)錯(cuò)誤;放電時(shí)電池內(nèi)部Li+向正極移動(dòng),C項(xiàng)錯(cuò)誤;放電時(shí),在正極上FePO4得電子被還原,D項(xiàng)錯(cuò)誤。4.某燃料電池主要構(gòu)成要素如圖所示,下列說(shuō)法正確的是(

)。A.電池可用于乙醛的制備B.b電極為正極C.電池工作時(shí),a電極附近pH降低D.a電極的電極反應(yīng)式為O2+4e--4H+══2H2O答案:A解析:該電池將乙烯和水轉(zhuǎn)化為了乙醛,可用于乙醛的制備,A項(xiàng)正確;該燃料電池中,乙烯和水發(fā)生氧化反應(yīng),所以通入乙烯和水的電極是負(fù)極;氧氣易得電子發(fā)生還原反應(yīng),所以通入氧氣的電極是正極。由圖可知負(fù)極上乙烯和水生成乙醛和氫離子,氫離子移向正極,正極上氧氣和氫離子反應(yīng)生成水,X為水,a電極為正極,b電極為負(fù)極