第四章

第一節(jié)第2課時化學電源素養(yǎng)目標學習要點1.了解常見的化學電源,能運用原電池思維模型分析其工作原理,能用電極反應(yīng)表示其中發(fā)生的化學反應(yīng),體會變化與守恒思想,發(fā)展變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)。2.了解化學電源的發(fā)展史,能列舉常見的化學電源;能從物質(zhì)變化和能量變化的角度分析新型電池的研究和利用,培養(yǎng)責任意識和創(chuàng)新精神,發(fā)展科學態(tài)度與社會責任核心素養(yǎng)。一個模型:原電池的思維模型。兩種依據(jù):判斷電池優(yōu)劣的依據(jù)(比能量或比功率、儲存時間)。三類電池:一次電池、二次電池和燃料電池。兩種方法:分析二次電池和燃料電池的方法。知識點一一次電池和二次電池基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)一、化學電源概述1.化學電源的分類原電池是各種化學電源的雛形

干電池

蓄電池燃料氧化劑2.判斷電池優(yōu)劣的依據(jù)

電能功率二、常見化學電源1.一次電池只能放電,不能充電

類型普通鋅錳電池堿性鋅錳電池裝置圖示類型普通鋅錳電池堿性鋅錳電池工作原理負極:正極:

總反應(yīng):Zn+2NH4Cl+2MnO2===Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)負極:

正極:2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-總反應(yīng):Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2特點堿性鋅錳電池比普通鋅錳電池性能好,它的比能量和可儲存時間均有所提高,是普通鋅錳干電池的升級換代產(chǎn)品2MnO2+2H++2e-===2MnO(OH)Zn+2OH--2e-===Zn(OH)22.二次電池(1)鉛酸蓄電池①結(jié)構(gòu):鉛酸蓄電池是由兩組柵狀極板交替排列而成,正極板上覆蓋有

,負極板上覆蓋有

,

作電解質(zhì)溶液。

可以反復(fù)放電和充電

PbO2Pb稀硫酸

②工作原理鉛酸蓄電池放電時的電極反應(yīng)如下:負極:

;

正極:

;

總反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。【注意】鉛酸蓄電池的充電過程與其放電過程相反。(2)鋰離子電池①特點:鋰離子電池具有

、

、儲存和輸出能量大等特點。

②示例:一種鋰離子電池如下:負極嵌鋰石墨(

):LixCy-xe-===xLi++Cy

正極鈷酸鋰(

):Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2

總反應(yīng)LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy質(zhì)量小

體積小LixCyLiCoO2名師點撥化學電源的優(yōu)點化學電源是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的電池,其優(yōu)點如下:教材拓展鋅銀電池及工作原理(1)鋅銀電池(一次電池)的負極是Zn,正極是Ag2O,電解質(zhì)是KOH,紐扣式鋅銀電池的結(jié)構(gòu)如圖所示:(2)工作原理負極反應(yīng):Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2(氧化反應(yīng))正極反應(yīng):Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-(還原反應(yīng))電池總反應(yīng):Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag深度思考在鉛酸蓄電池放電過程中,電路中通過2

mol電子,正極質(zhì)量發(fā)生怎樣的變化?變化多少克?消耗H2SO4的物質(zhì)的量是多少?提示

正極質(zhì)量增加64

g,消耗H2SO4的物質(zhì)的量為2

mol。

溫馨提示二次電池的充電過程(1)二次電池的充電遵循電解原理(第2節(jié)學習)。(2)充電時,負極連接直流電源負極,電極(陰極)反應(yīng)(還原反應(yīng))是放電時的逆反應(yīng);正極連接直流電源正極,電極(陽極)反應(yīng)(氧化反應(yīng))是放電時的逆反應(yīng)。正誤判斷(1)堿性鋅錳電池的性能更好,不易發(fā)生漏液現(xiàn)象。(

)(2)鉛酸蓄電池放電時,正極反應(yīng)式為PbO2++2e-===PbSO4。(

)(3)燃料電池中能量轉(zhuǎn)化方式:化學能→熱能→電能。(

)(4)廢舊電池中常含有重金屬、酸或堿等,要回收利用,既能節(jié)約資源,又能減少環(huán)境污染。(

)√××√重難突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度1一次電池及分析例1一種熱激活電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示,其中作為電解質(zhì)的無水LiCl-KCl混合物一旦受熱熔融,電池瞬間即可輸出電能,該電池總反應(yīng)為PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb。下列關(guān)于該電池的說法正確的是(

)A.負極為鈣電極,發(fā)生還原反應(yīng)B.放電過程中,Li+向鈣電極移動C.常溫時,在正負極之間連上電流計,指針不偏轉(zhuǎn)D.正極反應(yīng)物為LiClC解析

鈣電極為熱激活電池的負極,鈣在負極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),A錯誤;鈣電極為熱激活電池的負極,硫酸鉛電極為正極,則陽離子鋰離子向硫酸鉛電極移動,B錯誤;常溫下,電解質(zhì)不是熔融態(tài),不能電離出自由移動的離子,不能形成原電池,不能產(chǎn)生電流,故在正負極之間連接電流計,指針不偏轉(zhuǎn),C正確;硫酸鉛電極為正極,鋰離子作用下,硫酸鉛在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成鉛和硫酸鋰,則正極反應(yīng)物為Li+,不是LiCl,D錯誤。[對點訓(xùn)練1](2024·河北保定六校聯(lián)考)鋅錳干電池是生活中常用的電池,普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)分別如圖所示。下列說法錯誤的是(

)A.鋅錳干電池屬于一次電池,用完不可隨意丟棄B.普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池放電過程中鋅均發(fā)生氧化反應(yīng)C.放電時,普通鋅錳干電池的石墨電極上發(fā)生的電極反應(yīng)為

+2e-===N2↑+4H2↑D.放電時,堿性鋅錳干電池正極反應(yīng)式為2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-C解析

鋅錳干電池屬于一次電池,含有重金屬離子,用完不可隨意丟棄,A正確;普通鋅錳干電池和堿性鋅錳干電池都是鋅作負極,放電過程中鋅均發(fā)生氧化反應(yīng),B正確;放電時,普通鋅錳干電池的石墨電極上MnO2得電子發(fā)生還原反應(yīng),不會生成N2,C錯誤;放電時,堿性鋅錳干電池正極反應(yīng)式為2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-,D正確。探究角度2二次電池及分析例2(2023·全國乙卷,12題改編)室溫鈉-硫電池被認為是一種成本低、比能量高的能源存儲系統(tǒng)。一種室溫鈉-硫電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。將鈉箔置于聚苯并咪唑膜上作為一個電極,表面噴涂有硫黃粉末的炭化纖維素紙作為另一電極。工作時,在硫電極發(fā)生反應(yīng):下列敘述錯誤的是(

)A.放電時,Na+從硫電極向鈉電極遷移B.放電時,外電路電子流動的方向是a→bD.炭化纖維素紙的作用是增強硫電極導(dǎo)電性能

A解析

該鈉-硫電池的負極為Na,正極為S。放電時,陽離子向正極移動,故Na+從鈉電極向硫電極遷移,A錯誤;放電時,外電路中電子由負極移向正極(a→b),B正確;放電時,正極為硫放電,電極反應(yīng)式為2Na+++2e-===Na2Sx,C正確;利用炭化纖維素紙易導(dǎo)電的性質(zhì),可增強電極的導(dǎo)電性能,D正確?！咀兪皆O(shè)問】該鈉-硫電池能否利用Na2SO4等鹽的水溶液作電解質(zhì)溶液?為什么?提示

不能;鈉是非?；顫姷慕饘?與水劇烈反應(yīng)生成NaOH和H2。

[對點訓(xùn)練2](2024·安徽宿州十三校聯(lián)考)我國科學家研發(fā)了一種水系可逆Zn-CO2電池,電極材料為金屬鋅和選擇性催化材料,電池工作時,雙極膜(由陰、陽膜復(fù)合而成)層間的H2O解離成H+和OH-,在外加電場中可透過相應(yīng)的離子膜定向移動,電池工作原理如圖所示。下列說法正確的是(

)A.放電時,電池負極反應(yīng)為Zn+4OH-+2e-===[Zn(OH)4]2-B.放電時,電池正極反應(yīng)為CO2+2H++2e-===HCOOHC.放電時,電解質(zhì)溶液1中陰離子向雙極膜移動D.電解質(zhì)溶液2可以是堿性溶液答案

B解析

放電時,鋅為原電池負極,堿性條件下失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),生成[Zn(OH)4]2-,電極反應(yīng)式為Zn+4OH--2e-===[Zn(OH)4]2-,A錯誤;放電時,右側(cè)電極為正極,酸性條件下二氧化碳在正極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成甲酸,電極反應(yīng)式為CO2+2H++2e-===HCOOH,B正確;放電時,金屬鋅是負極,電解質(zhì)溶液1中陰離子向鋅電極移動,C錯誤;電解質(zhì)溶液1是堿性溶液,電解質(zhì)溶液2是酸性溶液,D錯誤。知識點二燃料電池基礎(chǔ)落實?必備知識全過關(guān)1.燃料電池燃料電池在工作時,燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給并在電極上進行反應(yīng),

不斷地被排出,可以連續(xù)地提供

。

2.氫氧燃料電池(1)氫氧燃料電池以

為燃料,

為氧化劑,鉑作電極材料,電解質(zhì)溶液可以是酸性的,也可以是堿性的。

生成物

電能氫氣氧氣(2)氫氧燃料的工作原理

電解質(zhì)類型酸性電解質(zhì)(H2SO4溶液)堿性電解質(zhì)(KOH溶液)負極反應(yīng)____________________________________________________正極反應(yīng)____________________________________________________總反應(yīng)2H2+O2===2H2O2H2-4e-===4H+2H2-4e-+4OH-===4H2OO2+4e-+4H+===2H2OO2+4e-+2H2O===4OH-名師點撥燃料電池的構(gòu)成(1)燃料電池由燃料極、空氣極和離子導(dǎo)體構(gòu)成。(2)電極材料不參與氧化還原反應(yīng),大多具有較強的催化活性,多采用多孔碳、多孔鎳(鈀、鉑等)。(3)離子導(dǎo)體可以是電解質(zhì)溶液(酸性、中性或堿性),也可以是熔融鹽(氧化物)或固體電解質(zhì)。重難突破?能力素養(yǎng)全提升探究角度燃料電池及分析例題(2024·湖南部分重點校聯(lián)考)NO-空氣質(zhì)子交換膜燃料電池將化學能轉(zhuǎn)化成電能的同時,實現(xiàn)了制硝酸、發(fā)電、環(huán)保三位一體的結(jié)合,其原理如圖所示。下列說法錯誤的是(

)A.Pt2電極的電勢高于Pt1電極的電勢B.燃料電池總反應(yīng)為4NO+3O2+2H2O===4HNO3C.Pt1電極附近發(fā)生的反應(yīng)為NO+2H2O+3e-===+4H+D.該電池放電時H+從Pt1電極通過質(zhì)子交換膜向Pt2電極移動C解析

根據(jù)NO+水→硝酸可知,N元素的化合價升高,說明Pt1電極為負極,故Pt2電極的電勢高于Pt1電極的電勢,A正確;根據(jù)正負極反應(yīng)物和產(chǎn)物得到燃料電池總反應(yīng)為4NO+3O2+2H2O===4HNO3,B正確;Pt1電極NO變?yōu)橄跛?則負極附近發(fā)生的反應(yīng)為NO+2H2O-3e-===+4H+,C錯誤;原電池中陽離子向正極移動,則該電池放電時H+從Pt1電極通過質(zhì)子交換膜向Pt2電極移動,D正確。圖解要點

NO-空氣質(zhì)子交換膜燃料電池中物質(zhì)變化分析如下:思維建模

分析燃料電池類題的思維模型

[對點訓(xùn)練](2024·福建莆田五校聯(lián)盟聯(lián)考)如圖是甲烷燃料電池的工作原理模擬示意圖。下列說法不正確的是(

)A.電極B為正極B.CH4在電極A上發(fā)生氧化反應(yīng)C.電極A區(qū)發(fā)生反應(yīng):CH4+10OH--8e-===+7H2OD.當有8mole-通過外電路時,有10molOH-通過陰離子交換膜D解析

CH4通入電極A,O2通入電極B,則電極A是負極,電極B是正極,A正確;電解質(zhì)溶液是KOH溶液,電極A上CH4發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為CH4+10OH--8e-===+7H2O,B、C正確;正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-,當有8

mol

e-通過外電路時,正極上生成8

mol

OH-,為維持右側(cè)正極區(qū)溶液呈電中性,有8

mol

OH-通過陰離子交換膜,D錯誤。學以致用·隨堂檢測全達標1234題組1一次電池和二次電池1.(2024·河南開封五縣聯(lián)考)有關(guān)下列裝置的說法不正確的是(

)A.圖1所示不能構(gòu)成原電池B.圖2鋅錳干電池屬于一次電池,鋅作負極C.圖3是“紙電池”,Zn片失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng)D.圖4電池Al電極反應(yīng)式為Al+3H2O-3e-===Al(OH)3+3H+D1234解析

圖1所示裝置沒有形成閉合回路,不能構(gòu)成原電池,A正確;鋅錳干電池中,鋅作負極,發(fā)生氧化反應(yīng)被消耗,B正確;“紙電池”中由于Zn比Cu活潑,鋅片作負極,鋅片失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),C正確;由Mg、Al、NaOH溶液組成原電池,鋁與NaOH溶液反應(yīng)而失去電子,則Al作負極,電極反應(yīng)式為Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-,D錯誤。12342.(2024·湖北武漢常青聯(lián)合體聯(lián)考)堿性電池具有容量大、放電電流大的特點,因而得到廣泛應(yīng)用。堿性鋅錳電池以KOH溶液為電解液,電池總反應(yīng)為Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnO(OH)。下列說法不正確的是(

)A.電池工作時,鋅為負極B.電池正極的電極反應(yīng)式為2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-C.電池工作時,電解液中的OH-移向正極D.外電路中每通過0.2mol電子,鋅的質(zhì)量理論上減少6.5gC1234解析

由電池總反應(yīng)可知,Zn被氧化生成Zn(OH)2,故鋅為負極,A正確;MnO2作正極,發(fā)生還原反應(yīng)生成MnO(OH),電極反應(yīng)式為2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-,B正確;電池工作時,陰離子向負極移動,則電解液中的OH-移向負極,C錯誤;Zn電極反應(yīng)式為Zn-2e-===Zn2+,則外電路中通過0.2

mol

電子時,理論上消耗0.1

mol

Zn,其質(zhì)量為6.5

g,D正確。1234題組2燃料電池3.(2024·福建福州六校期中)肼(N2H4)暴露在空氣中容易爆炸,但利用其制作的燃料電池是一種理想的電池,具有容量大、能量轉(zhuǎn)化效率高、產(chǎn)物無污染等特點,其工作原理如圖所示。下列敘述正確的是(

)(提示:陽離子交換膜只允許陽離子通過)A.負極反應(yīng)為4OH-+N2H4-4e-===N2↑+4H2OB.當消耗1molO2時,有2molNa+由甲槽向乙槽遷移C.電池工作時,正極附近的pH降低D.若去掉離子交換膜,電池也能正常工作A1234解析

燃料電池中負極發(fā)生氧化反應(yīng),則負極的電極反應(yīng)式應(yīng)為N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O,A正確;消耗1

mol