新教材高中化學(xué)學(xué)案專(zhuān)題6第3單元第2課時(shí)化學(xué)電源

第2課時(shí)化學(xué)電源發(fā)展目標(biāo)體系構(gòu)建1.知道化學(xué)電源的分類(lèi)方法。2.熟悉幾種常見(jiàn)化學(xué)電源的組成和工作原理。3.了解化學(xué)電源廣泛的應(yīng)用及廢舊電池對(duì)環(huán)境的危害，設(shè)想其處理方法。一、化學(xué)電源的原理與分類(lèi)1．原理：原電池原理。2．優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)電源的能量轉(zhuǎn)化率比燃料燃燒高得多。3．分類(lèi)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(一次電池：用過(guò)之后不能復(fù)原，如鋅錳干電池等；,二次電池：充電后能繼續(xù)使用，如鉛蓄電池、鎳氫電池等；,燃料電池：燃料不貯存在電池內(nèi)部，可持續(xù)使用，能量利,用率高，如氫氧燃料電池、甲醇—空氣燃料電池。))一次電池和二次電池是否指分別只能使用一次和兩次的電池？[提示]一次電池是不可充電電池，電量一旦放完就無(wú)法再次使用；二次電池是可充電電池，電量放完后可進(jìn)行充電，可反復(fù)使用多次。二、常見(jiàn)化學(xué)電源的組成電池名稱(chēng)電極材料電解質(zhì)溶液負(fù)極正極鋅錳干電池鋅石墨棒氯化銨等銀鋅紐扣電池鋅氧化銀氫氧化鉀溶液鉛蓄電池鉛二氧化鉛硫酸鎳氫電池貯氫合金泡沫氧化鎳氫氧化鉀溶液氫氧燃料電池H2放電O2放電氫氧化鉀溶液甲醇－空氣燃料電池甲醇放電O2放電氫氧化鉀溶液什么是燃料電池？燃料電池中燃料需要燃燒嗎？[提示]燃料電池是通過(guò)燃料與氧化劑分別在兩個(gè)電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，燃料不需要燃燒。三、電解池1．電解池是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。2．實(shí)例：電解水制得氫氣和氧氣；電解飽和食鹽水制備燒堿、氯氣和氫氣。1．判斷正誤(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)太陽(yáng)能電池不屬于原電池。 (√)(2)二次電池充電時(shí)，充電器的正極接二次電池的正極。 (√)(3)鉛蓄電池放電時(shí)的負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)。 (×)(4)Zn具有還原性和導(dǎo)電性，可用作鋅錳干電池的負(fù)極材料。 (√)2．下列有關(guān)電池的說(shuō)法中不正確的是()A．上用的鋰離子電池屬于二次電池B．銅鋅原電池工作時(shí)，電子沿外電路從銅電極流向鋅電極C．甲醇燃料電池可把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能D．鋅錳干電池中，鋅電極是負(fù)極B[上用的鋰離子電池是可充電電池，A正確；銅鋅原電池中，Cu為正極，Zn為負(fù)極，外電路中電子由負(fù)極流向正極，B錯(cuò)誤；甲醇燃料電池是將甲醇內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，C正確；鋅錳干電池中，Zn為負(fù)極，D正確。]3．Zn－MnO2干電池應(yīng)用廣泛，其電解質(zhì)溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。該電池的負(fù)極材料是________。電池工作時(shí)，電子流向________(填“正極”或“負(fù)極”)。[答案]Zn(或鋅)正極認(rèn)識(shí)常見(jiàn)化學(xué)電源的工作原理(素養(yǎng)養(yǎng)成——宏觀辨識(shí)與微觀探析)下面是幾種常見(jiàn)的化學(xué)電源示意圖：[問(wèn)題1]觀察鋅錳干電池的構(gòu)造，分析鋅錳干電池中正、負(fù)極及電解質(zhì)溶液的情況是怎樣的？[提示]鋅錳干電池是以鋅筒為負(fù)極，石墨棒為正極，在石墨棒周?chē)畛浜隣畹腗nO2和NH4Cl溶液作電解質(zhì)。[問(wèn)題2]鉛蓄電池的正、負(fù)極材料是什么？電解質(zhì)溶液是什么？[提示]負(fù)極：Pb，正極：PbO2；電解質(zhì)溶液：稀H2SO4。[問(wèn)題3]氫氧燃料電池在酸性條件和堿性條件下的正極反應(yīng)式相同嗎？若不同，請(qǐng)分別寫(xiě)出電極反應(yīng)式。[提示]不相同；酸性條件下正極反應(yīng)式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O，堿性條件下正極反應(yīng)式：2H2O＋O2＋4e－=4OH－。1．常見(jiàn)化學(xué)電源的反應(yīng)原理(1)鋅錳干電池Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)(2)鉛蓄電池PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O(3)甲醇-空氣燃料電池2CH3OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋6H2O2．氫氧燃料電池電極材料鉑鉑電解質(zhì)溶液氫氧化鉀溶液鹽酸電池反應(yīng)原理電極反應(yīng)負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－=4H2O正極：O2＋2H2O＋4e－=4OH－負(fù)極：2H2－4e－=4H＋正極：O2＋4H＋＋4e－=2H2O總反應(yīng)2H2＋O2=2H2O微點(diǎn)撥：(1)燃料電池的本質(zhì)是燃料與氧化劑之間能夠發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，且能夠?qū)ν夥懦瞿芰俊?2)燃料電池在使用過(guò)程中并沒(méi)有發(fā)生燃料的燃燒，而是燃料和氧化劑分別在兩極放電，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。(3)燃料的燃燒是一種劇烈的氧化還原反應(yīng)，而燃料電池中發(fā)生的氧化還原反應(yīng)則是緩和平穩(wěn)的。(4)燃料燃燒時(shí)，大量的熱能釋放到空氣中，能量利用率低燃料電池工作時(shí)，能量轉(zhuǎn)化率較高，是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置。1．最早使用的化學(xué)電源是鋅錳電池，即大家所熟悉的干電池(drycell)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。盡管這種電池歷史悠久，但人們對(duì)它的電化學(xué)過(guò)程尚未完全了解。一般認(rèn)為，放電時(shí)，電池中的反應(yīng)如下：E極：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－F極：Zn＋2NH4Cl－2e－=Zn(NH3)2Cl2＋2H＋總反應(yīng)式：2MnO2＋Zn＋2NH4Cl=2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2下列說(shuō)法正確的是()A．E極是電池的正極，發(fā)生的是氧化反應(yīng)B．F極是電池的負(fù)極，發(fā)生的是氧化反應(yīng)C．從結(jié)構(gòu)上分析，鋅錳電池應(yīng)屬于可充電電池D．鋅錳電池內(nèi)部發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是可逆的B[E極是電池的正極，發(fā)生的是還原反應(yīng)，A錯(cuò)；F極是電池的負(fù)極，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，B對(duì)；從結(jié)構(gòu)上分析，鋅錳電池應(yīng)屬于一次電池，C錯(cuò)；鋅錳電池內(nèi)部發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是不可逆的，因?yàn)樗且淮坞姵兀珼錯(cuò)。]2．燃料電池是一種新型電池，它主要是利用燃料燃燒原理把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，氫氧燃料電池的基本反應(yīng)是：X極：eq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－Y極：H2＋2OH－－2e－=2H2O下列說(shuō)法正確的是()A．X是負(fù)極 B．Y是正極C．Y極上發(fā)生還原反應(yīng) D．Y極上發(fā)生氧化反應(yīng)D[由電極反應(yīng)式可知，X極上發(fā)生還原反應(yīng)，X是電池的正極，Y極上發(fā)生氧化反應(yīng)，Y是電池的負(fù)極。]電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)(素養(yǎng)養(yǎng)成——證據(jù)推理與模型認(rèn)知)1．電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)的一般步驟(類(lèi)似氧化還原反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě))2．利用總反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)步驟：①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－)。②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。③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3．鋰電池是一代新型高能電池，它以質(zhì)量輕、能量高而受到普遍重視，目前已成功研制多種鋰電池。某種鋰電池的總反應(yīng)為L(zhǎng)i＋MnO2=LiMnO2，下列說(shuō)法正確的是()A．Li是正極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i－e－=Li＋B．Li是負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i－e－=Li＋C．MnO2是負(fù)極，電極反應(yīng)為MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i－2e－=Li2＋B[根據(jù)原電池的反應(yīng)原理，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，再結(jié)合總反應(yīng)可知，Li失去電子生成Li＋被氧化，為負(fù)極；MnO2得到電子被還原，為正極。]4．有人設(shè)計(jì)以鉑和鋅為電極材料，植入人體做某種心臟病患者的心臟起搏器的能源，它依靠人體血液中一定濃度的O2和H2O進(jìn)行工作。請(qǐng)討論解答：(1)負(fù)極材料是________，電極反應(yīng)為_(kāi)______________________________________________________________________________________________。(2)正極材料是________，電極反應(yīng)為_(kāi)_____________________________________________________________________________________________。[解析]以鉑和鋅為電極材料，植入人體做某種心臟病人的心臟起搏器的能源，正極是鉑，負(fù)極是鋅，電解質(zhì)溶液是人體血液。工作時(shí)，負(fù)極鋅被氧化，血液中的O2得到電子被還原。正極的反應(yīng)為O2＋2H2O＋4e－=4OH－；負(fù)極的反應(yīng)為2Zn－4e－=2Zn2＋。[答案](1)鋅2Zn－4e－=2Zn2＋(2)鉑O2＋2H2O＋4e－=4OH－電池續(xù)航是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素，而借助科學(xué)家發(fā)明的薄片式電池技術(shù)，這一難題有可能迎刃而解。據(jù)外媒報(bào)道，德國(guó)工研院研究了一種新電池，它可以讓電動(dòng)汽車(chē)充電一次續(xù)航620英里(大約1000公里)。研究人員的做法是剔除封裝單個(gè)電池的外殼，用薄片式設(shè)計(jì)取代圓柱形設(shè)計(jì)。金屬片上涂有能源存儲(chǔ)材料，它是用粉末陶瓷和聚合物粘合劑制造的。金屬片的一側(cè)是正級(jí)，另一側(cè)是負(fù)極。然后將雙極性電極一個(gè)一個(gè)堆疊起來(lái)，如同將一張張紙疊起來(lái)一樣，電極之間用薄薄的電解液分開(kāi)，里面還有一種材料防止電荷短路。最終，科學(xué)家將疊起來(lái)的薄片封裝為大約10平方英尺(1平方米)的電池，并與汽車(chē)電力系統(tǒng)連接。研究人員表示，這樣的做法能夠在相同的空間內(nèi)安放更多的電極，從而存儲(chǔ)更多的電能。[問(wèn)題1]閱讀材料，分析薄膜電池增大電池容量的思路是怎樣的。(素養(yǎng)角度——宏觀辨識(shí)與微觀探析)[提示]薄膜電池采用薄片式設(shè)計(jì)，通過(guò)在相同的空間內(nèi)安放更多的電極，從而存儲(chǔ)更多的電能。[問(wèn)題2]薄膜電池屬于二次電池，分析其充電時(shí)電極與外接電源的正負(fù)極的連接方式。(素養(yǎng)角度——證據(jù)推理與模型認(rèn)知)[提示][問(wèn)題3]思考薄膜電池等新型電池的開(kāi)發(fā)對(duì)社會(huì)發(fā)展的意義。(素養(yǎng)角度——科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任)[提示]減少傳統(tǒng)能源的使用，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有利；減少有害物質(zhì)排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。1．下列幾種化學(xué)電池中，不屬于可充電電池的是()A．堿性鋅錳電池 B．用鋰電池C．汽車(chē)用鉛蓄電池 D．玩具用鎳氫電池A[A項(xiàng)，堿性鋅錳電池屬于一次電池，不屬于可充電電池，正確；B項(xiàng)，用鋰電池屬于可充電電池，錯(cuò)誤；C項(xiàng)，汽車(chē)用鉛蓄電池屬于可充電電池，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，玩具用鎳氫電池屬于可充電電池，錯(cuò)誤。]2．下列有關(guān)鋅錳干電池的說(shuō)法中正確的是()A．鋅外殼是負(fù)極，碳棒是正極B．在外電路中電子從碳棒流向鋅外殼C．電流從鋅外殼流到碳棒上D．在電池內(nèi)部陽(yáng)離子從碳棒向鋅外殼移動(dòng)A[A項(xiàng)，在鋅錳干電池中，鋅外殼是負(fù)極，石墨碳棒是正極，故正確；B項(xiàng)，在外電路中電子從鋅外殼流向碳棒，故錯(cuò)誤；C項(xiàng)，電流的方向與電子的流向相反，應(yīng)從碳棒流向鋅，故錯(cuò)誤；D項(xiàng)，電池內(nèi)部，陽(yáng)離子向正極碳棒移動(dòng)，故錯(cuò)誤。]3．汽車(chē)的啟動(dòng)電源常用鉛蓄電池。其結(jié)構(gòu)如圖所示，放電時(shí)的電池反應(yīng)如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O根據(jù)此反應(yīng)判斷下列敘述中正確的是()A．PbO2是電池的負(fù)極B．Pb是負(fù)極C．PbO2得電子，被氧化D．電池放電時(shí)，溶液酸性增強(qiáng)B[根據(jù)電池反應(yīng)知放電過(guò)程中鉛失去電子，因此它是原電池的負(fù)極，其電極反應(yīng)式為Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4，故B項(xiàng)正確；PbO2在放電過(guò)程中得到電子被還原，所以它是原電池的正極，因此A、C兩項(xiàng)錯(cuò)誤；由于原電池放電的過(guò)程中消耗硫酸，所以溶液的酸性減弱，故D項(xiàng)錯(cuò)誤。]4．下面是幾種常見(jiàn)的化學(xué)電源示意圖，有關(guān)說(shuō)法不正確的是()A．上述電池分別屬于一次電池、二次電池和燃料電池B．干電池在長(zhǎng)時(shí)間使用后，鋅筒被破壞C．鉛蓄電池工作過(guò)程中，每轉(zhuǎn)移2mol電子，負(fù)極質(zhì)量減小207gD．氫氧燃料電池是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色電源C[干電池是一次性電池，鉛蓄電池是可充電電池屬于二次電池，氫氧燃料電池屬于燃料電池，A正確；在干電池中，Zn作負(fù)極，被氧化，B正確；鉛蓄電池工作過(guò)程中，硫酸鉛在負(fù)極上析出，該極質(zhì)量應(yīng)該增加而非減小，C錯(cuò)誤；氫氧燃料電池不需要將還原劑和氧化劑全部?jī)?chǔ)藏在電池內(nèi)，且工作的最終產(chǎn)物是水，故氫氧燃料電池是一種具有應(yīng)用前景的綠色電源，D正確。]5．化學(xué)電池在通訊、交通及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。(1)鋅錳干電池是應(yīng)用最普遍的電池之一(如圖所示)，鋅錳干電池的負(fù)極材料是________，負(fù)極發(fā)生的電極反應(yīng)式為_(kāi)_____________。若反應(yīng)消耗16.25g負(fù)極材料，則電池中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為_(kāi)_______mol。(2)目前常用的鎳(Ni)鎘(Cd)電池其電池總反應(yīng)式可以表示為Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均難溶于水，但能溶于酸，以下說(shuō)法中正確的是________。A．NiO(OH)作負(fù)極B．Cd作負(fù)極C．此電池是一次電池D．放電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?3)如圖為氫氧燃料電池的構(gòu)造示意圖，根據(jù)電子運(yùn)動(dòng)方向可知，X極為電池的________(填“正”或“負(fù)”)極，Y極的電極反應(yīng)式為_(kāi)______________。[解析](1)鋅錳干電池中的負(fù)極是Zn，發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子生成鋅離子，電極反應(yīng)式為Zn－2e－=Zn2＋；16.25gZn的物質(zhì)的量是16.25g÷65g·mol－1＝0.25mol，1mo