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第2課時(shí)化學(xué)電源學(xué)業(yè)基礎(chǔ)核心素養(yǎng)當(dāng)堂評(píng)價(jià)核心微網(wǎng)絡(luò)素養(yǎng)新目標(biāo)1.了解常見(jiàn)的化學(xué)電源。2.了解常見(jiàn)化學(xué)電源的工作原理。學(xué)業(yè)基礎(chǔ)一、化學(xué)電源1.化學(xué)電源是將_____能轉(zhuǎn)化為_(kāi)___能的實(shí)用裝置。2.分類(lèi)化學(xué)電原電池電解池燃料氧化劑狀元隨筆項(xiàng)目一次電池二次電池(可充電電池)概念電池中的活性物質(zhì)(發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì))消耗到一定程度,就不能使用的電池放電后可以再充電而使活性物質(zhì)獲得再生的電池特點(diǎn)一次性使用,活性物質(zhì)由內(nèi)部提供多次重復(fù)使用,活性物質(zhì)由內(nèi)部提供種類(lèi)酸性鋅錳干電池、堿性鋅錳干電池鉛蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池二、常見(jiàn)的化學(xué)電源1.鋅錳干電池項(xiàng)目酸性鋅錳干電池堿性鋅錳干電池電極________作負(fù)極,________作正極電解質(zhì)氯化銨和氯化鋅氫氧化鉀電極反應(yīng)負(fù)極______________________________________正極_______________________________________________________________電池反應(yīng)2MnO2+Zn+2NH4Cl===ZnCl2+2NH3+H2O+Mn2O3Zn+2MnO2+H2O===ZnO+2MnOOH鋅筒石墨Zn-2e-===Zn2+Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-2.鉛蓄電池(1)電池構(gòu)造H2SO4(aq)PbO2Pb(2)放電時(shí)的反應(yīng)。項(xiàng)目反應(yīng)方程式負(fù)極__________________________正極_________________________________充、放電時(shí)的電池反應(yīng)Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O
3.燃料電池(1)原理(電極反應(yīng)及電池反應(yīng))項(xiàng)目酸性燃料電池堿性燃料電池電極石墨電極材料離子導(dǎo)體磷酸等酸性溶液________溶液電極反應(yīng)負(fù)極_____________________________________正極________________________________電池反應(yīng)______________________________(2)優(yōu)點(diǎn):能量利用效率高、污染輕、可連續(xù)使用。KOH2H2-4e-===4H+2H2+4OH--4e-===4H2OO2+4H++4e-===2H2OO2+2H2O+4e-===4OH-2H2+O2===2H2O狀元隨筆(1)燃料電池的工作原理燃料電池以燃料(如氫氣、甲烷、甲醇和乙醇等)為負(fù)極反應(yīng)物,以氧化劑(如O2)為正極反應(yīng)物,使用不同的離子導(dǎo)體(如KOH溶液、H3PO4溶液、熔融碳酸鹽、固體電解質(zhì)或質(zhì)子交換膜等)實(shí)現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)于燃燒反應(yīng)的電池反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(2)燃料電池的特點(diǎn)①電極材料本身不參與電極反應(yīng),電池的正、負(fù)極反應(yīng)物分別是氧化劑和燃料。②工作時(shí),將燃料和氧化劑分別不斷地輸入電池的兩極,在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng),在正極發(fā)生還原反應(yīng)。③通入燃料(如H2)的一極為負(fù)極,通入氧化劑(如O2)的一極為正極。④能量轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)高于普通燃燒過(guò)程。【即學(xué)即練】1.判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)燃料電池就是可燃性物質(zhì)在電極上燃燒。(
)(2)二次電池不可充電。(
)(3)鋅錳干電池是一次電池。(
)××√2.下列電池工作時(shí),氧氣在正極放電的是(
)答案:B解析:燃料電池中在正極放電的物質(zhì)都是氧氣。
答案:A
答案:BD
5.鋰-空氣電池放電時(shí)的工作原理如圖所示。下列敘述正確的是(
)A.放電時(shí)Li+由B極向A極移動(dòng)B.電池放電反應(yīng)為4Li+O2+2H2O===4LiOHC.B電極反應(yīng)式為O2+4H++4e-===2H2OD.電解液a可以為氯化鋰溶液答案:B解析:在鋰-空氣電池中,A(金屬鋰)為負(fù)極,其反應(yīng)式是Li-e-===Li+;B為正極,其反應(yīng)式是O2+4e-+2H2O===4OH-;總反應(yīng)式是4Li+O2+2H2O===4LiOH。原電池工作過(guò)程中,溶液中的Li+(陽(yáng)離子)移向B極(正極);金屬鋰能與水反應(yīng),電解質(zhì)中不能含有水,故不能用氯化鋰溶液作為電解液。6.(雙選)(教材習(xí)題改編)紐扣電池一般來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的有充電的和不充電的兩種,充電的包括3.6V可充鋰離子扣式電池和3V可充鋰離子扣式電池;不充電的包括3V鋰錳扣式電池及1.5V堿性鋅錳扣式電池。紐扣電池的兩極材料分別為鋅和氧化銀,離子導(dǎo)體為KOH溶液。放電時(shí)兩個(gè)電極反應(yīng)分別為Zn+2OH--2e-===ZnO+H2OAg2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-下列說(shuō)法中,正確的是(
)
A.鋅是負(fù)極,氧化銀是正極B.鋅發(fā)生還原反應(yīng),氧化銀發(fā)生氧化反應(yīng)C.當(dāng)電池中通過(guò)0.2mol電子時(shí),正極質(zhì)量減少6.5gD.在電池使用過(guò)程中,負(fù)極區(qū)溶液的堿性減弱答案:AD解析:根據(jù)放電時(shí)兩個(gè)電極的電極反應(yīng)式可知,Zn發(fā)生氧化反應(yīng)是負(fù)極,氧化銀發(fā)生還原反應(yīng)是正極,A正確,B不正確;當(dāng)原電池中通過(guò)0.2mol電子時(shí),正極Ag2O~2Ag,所以質(zhì)量減少1.6g,C不正確;根據(jù)負(fù)極反應(yīng):Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O可知,負(fù)極區(qū)反應(yīng)消耗OH-并生成H2O,溶液堿性減弱,D正確。核心素養(yǎng)例1(雙選)某單液電池如圖所示,其反應(yīng)原理為H2+2AgCl(s)
2Ag(s)+2HCl。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(
)
A.放電時(shí),左邊電極為負(fù)極B.放電時(shí),溶液中H+向右邊電極移動(dòng)C.充電時(shí),右邊電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式:
Ag-e-===Ag+D.充電時(shí),當(dāng)左邊電極生成1molH2時(shí),電解質(zhì)溶液減輕2g答案:CD解析:由圖示分析可知,放電時(shí)左邊電極發(fā)生氧化反應(yīng),為電池的負(fù)極,A項(xiàng)對(duì);由A項(xiàng)分析可知,放電時(shí)左邊為電池的負(fù)極,則右邊為電池的正極,工作時(shí)陽(yáng)離子向正極移動(dòng),即H+向右邊電極移動(dòng),B項(xiàng)對(duì);充電時(shí)左邊電極為陰極,發(fā)生還原反應(yīng),即2H++2e-===H2↑;右邊電極為陽(yáng)極,發(fā)生氧化反應(yīng),即Ag-e-+Cl-===AgCl,C項(xiàng)錯(cuò);由反應(yīng)2HCl+2Ag(s)
2AgCl(s)+H2↑可知,充電時(shí),當(dāng)左邊電極生成1molH2時(shí),電解質(zhì)溶液中會(huì)減少2molHCl,則減少的質(zhì)量為73g,D項(xiàng)錯(cuò)。狀元隨筆(1)由電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)電池反應(yīng)式時(shí),正、負(fù)極反應(yīng)式進(jìn)行相加,應(yīng)注意電子得失要相等。(2)利用總反應(yīng)式減去其中一極的反應(yīng)式得到另一極的反應(yīng)式時(shí),也要注意電子守恒。(3)電池反應(yīng)和電極反應(yīng)式中,弱電解質(zhì)、氣體或難溶物均以化學(xué)式表示,其余以離子符號(hào)表示。[提升1]按要求寫(xiě)出電極反應(yīng)式或總反應(yīng)方程式。(1)肼(N2H4)—空氣燃料電池是一種堿性電池,該電池放電時(shí),負(fù)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________________________。(2)K2FeO4-Zn可以組成堿性電池,K2FeO4在電池中作為正極材料,其電極反應(yīng)為_(kāi)______________________________,該電池總反應(yīng)的離子方程式為_(kāi)__________________________________________。N2H4-4e-+4OH-===N2↑+4H2O
(3)鋁電池性能優(yōu)越,Al-Ag2O電池可用作水下動(dòng)力電源,其原理如圖所示。該電池反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_____________________________________________________。2Al+3Ag2O+2NaOH+3H2O===2Na[Al(OH)4]+6Ag解析:Al作負(fù)極,Ag2O/Ag作正極,NaOH和Na[Al(OH)4]溶液是電解質(zhì)溶液,生成物是Na[Al(OH)4]、Ag。
關(guān)鍵能力1.一般電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)步驟2.給出總反應(yīng)式,寫(xiě)電極反應(yīng)式如果題目給出的是總反應(yīng)式,先分析此反應(yīng)中的氧化反應(yīng)或還原反應(yīng)(即分析有關(guān)元素的化合價(jià)變化情況),再寫(xiě)出較簡(jiǎn)單一極的電極反應(yīng)式,另一極的電極反應(yīng)式可通過(guò)總反應(yīng)式減去已寫(xiě)出的電極反應(yīng)式即可得出。特別需要指出的是對(duì)于可充電電池的反應(yīng),需要看清楚“充電、放電”的方向,放電的過(guò)程應(yīng)用原電池的工作原理,充電的過(guò)程則應(yīng)用電解池的工作原理。目標(biāo)二燃料電池例2甲烷燃料電池在不同環(huán)境下電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě):(1)酸性條件下負(fù)極反應(yīng)式:__________________________________。(2)堿性條件下負(fù)極反應(yīng)式:____________________________________。CH4-8e-+2H2O===CO2+8H+
(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)O2-)負(fù)極反應(yīng)式:___________________________________________。(4)熔融碳酸鹽(如熔融K2CO3)環(huán)境下負(fù)極反應(yīng)式:_____________________________________________。CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
狀元隨筆氫氧燃料電池在不同介質(zhì)中發(fā)生的電極反應(yīng)介質(zhì)電池反應(yīng):2H2+O2===2H2O酸性(H+)負(fù)極2H2-4e-===4H+正極O2+4H++4e-===2H2O中性(Na2SO4)負(fù)極2H2-4e-===4H+正極O2+2H2O+4e-===4OH-堿性(NaOH)負(fù)極2H2-4e-+4OH-===4H2O正極O2+2H2O+4e-===4OH-
[提升2]科學(xué)家設(shè)計(jì)出質(zhì)子膜H2S燃料電池,實(shí)現(xiàn)了利用H2S廢氣資源回收能量并得到單質(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(shuō)法錯(cuò)誤的是(
)A.電極a為電池的負(fù)極B.電極b上發(fā)生的電極反應(yīng):O2+4H++4e-===2H2OC.電路中每通過(guò)4mol電子,在正極消耗44.8LH2SD.每17gH2S參與反應(yīng),有1molH+經(jīng)質(zhì)子膜進(jìn)入正極區(qū)答案:C解析:根據(jù)題目可知,該電池為燃料電池,根據(jù)燃料電池的特點(diǎn),通氧氣的一極為正極,故電極b為正極,電極a為負(fù)極,A項(xiàng)對(duì);電極b為正極,氧氣得電子與H+反應(yīng)生成水,B項(xiàng)對(duì);從裝置圖可以看出,電池總反應(yīng)為2H2S+O2===S2+2H2O,電路中每通過(guò)4mol電子,正極消耗1molO2,負(fù)極有2molH2S反應(yīng),C項(xiàng)錯(cuò);17gH2S即0.5molH2S,每0.5molH2S參與反應(yīng)會(huì)消耗0.25molO2,根據(jù)正極反應(yīng)式O2+4H++4e-===2H2O可知,有1molH+經(jīng)質(zhì)子膜進(jìn)入正極區(qū),D項(xiàng)對(duì)。狀元隨筆(1)燃料電池的電極反應(yīng)中,酸性溶液中不能出現(xiàn)OH-,堿性溶液中不能出現(xiàn)H+,水溶液中不能出現(xiàn)O2-,而固體電解質(zhì)中O2被還原為O2-。(2)正負(fù)兩極的電極反應(yīng)在得失電子守恒的前提下相加,所得到的電池反應(yīng)相當(dāng)于燃料燃燒反應(yīng)和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的疊加。關(guān)鍵能力三步突破燃料電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)第一步:寫(xiě)出電池總反應(yīng)式燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)基本一致,若產(chǎn)物能和電解質(zhì)反應(yīng),則總反應(yīng)為加和后的反應(yīng)。如甲烷燃料電池(電解質(zhì)為NaOH溶液)的反應(yīng)式為CH4+2O2===CO2+2H2O①,CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O②,①+②得燃料電池總反應(yīng)式,為CH4+2O2+2NaOH===Na2CO3+3H2O。
當(dāng)堂評(píng)價(jià)1.鋅、鐵、鎂、鋁、鋰等金屬都可以用在金屬燃料電池中,電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。下列說(shuō)法正確的是(
)A.電池工作時(shí),電子沿M→電解液→電極流動(dòng)B.若M為鋁,溶液的pH將不斷變大C.若M為鎂,電池總的化學(xué)方程式為2Mg+O2===2MgOD.若M為鐵,則負(fù)極的電極反應(yīng)式為Fe-2e-===Fe2+答案:D
答案:D3.一種新型鎂硫二次電池的工作原理如圖所示。下列說(shuō)法正確的是(
)A.使用堿性電解質(zhì)水溶液B.放電時(shí),正極反應(yīng)包括3Mg2++MgS8-6e-===4MgS2C.使用的隔膜是陽(yáng)離子交換膜D.充電時(shí),電子從Mg電極流出答案:C
答案:BC5.
鋰錳電池的體積小,性能優(yōu)良,是常用的一次電池。該電池反應(yīng)原理如圖所示,其中離子導(dǎo)體LiClO4溶于混合有機(jī)溶劑中,Li+通過(guò)離子導(dǎo)體遷移入MnO2晶格中,生成LiMnO2?;卮鹣铝袉?wèn)題:(1)外電路的電流方向是由___極流向____極。(填字母)(2)電池正極反應(yīng)式為_(kāi)_____________________________。(3)是否可用水代替電池中的混合有機(jī)溶劑?____(填“是”或“否”),原因是_____________________________。baMnO2+e-+Li+==
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