2020-2021學(xué)年高中化學(xué)蘇教版選修4學(xué)案：專題一 第二單元 第2課時(shí)　化學(xué)電源 Word版含解析

1、第2課時(shí)化學(xué)電源一、化學(xué)電池1定義將化學(xué)能變成電能的裝置。2分類3優(yōu)點(diǎn)化學(xué)電池的能量轉(zhuǎn)換效率較高，供能穩(wěn)定可靠。4判斷電池優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn)(1)比能量即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。(2)比功率即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。(3)電池的可儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短。二、一次電池1鋅錳干電池(1)堿性鋅錳電池的構(gòu)造(2)工作原理負(fù)極：zn2oh2e=zn(oh)2；正極：2mno22h2o2e=2mnooh2oh；總反應(yīng)：zn2mno22h2o=2mnoohzn(oh)2。(3)特點(diǎn)：比能量和可儲(chǔ)存時(shí)間比普通鋅錳電池均有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電。2銀鋅電池(1)紐扣式銀鋅電池的構(gòu)造(2

2、)工作原理負(fù)極：zn2oh2e=znoh2o；正極：ag2oh2o2e=2ag2oh；總反應(yīng)：znag2oh2o=zn(oh)22ag。(3)特點(diǎn)：此種電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，適宜小電流連續(xù)放電。3鋰電池(1)電極材料：負(fù)極：li；正極：mno2、cuo、fes2等。(2)特點(diǎn)：比能量高、電壓高、工作溫度寬，可儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)。三、二次電池二次電池放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，又稱充電電池或蓄電池。1鉛蓄電池的構(gòu)造負(fù)極：pb，正極：pbo2，電解質(zhì)溶液：h2so4溶液。2工作原理(1)放電時(shí)負(fù)極：pb(s)so(aq)2e=pbso4(s)；正極：pbo2(s)4h(aq)so(a

3、q)2e=pbso4(s)2h2o(l)；總反應(yīng)：pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)=2pbso4(s)2h2o(l)。(2)充電時(shí)鉛蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆過(guò)程。陰極：pbso4(s)2e=pb(s)so(aq)；陽(yáng)極：pbso4(s)2h2o(l)2e=pbo2(s)4h(aq)so(aq)；總反應(yīng)：2pbso4(s)2h2o(l)=pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)。上述充放電反應(yīng)可寫成一個(gè)可逆反應(yīng)方程式：pb(s)pbo2(s)2h2so4(aq)2pbso4(s)2h2o(l)。3性能及應(yīng)用電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉、生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是比

4、能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境。四、燃料電池1燃料電池的工作原理(1)連續(xù)地將燃料(如氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體)和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。(2)電極材料本身不參與氧化還原反應(yīng)。(3)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。2燃料電池的優(yōu)點(diǎn)(1)能量轉(zhuǎn)化率高燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過(guò)80%，普通燃燒過(guò)程能量轉(zhuǎn)化率僅30%多。(2)污染小。3氫氧燃料電池(1)堿性電解質(zhì)電極反應(yīng)為：負(fù)極：2h24oh4e=4h2o；正極：o22h2o4e=4oh；總反應(yīng)：2h2o2=2h2o(2)酸性電解質(zhì)電極反應(yīng)為：負(fù)極：2h24e=4h；正極：o24

5、h4e=2h2o；總反應(yīng)：2h2o2=2h2o探究點(diǎn)一燃料電池電極反應(yīng)式的書寫1燃料電池的組成(1)電極：惰性電極。(2)燃料：包括h2、烴(如ch4)、醇(如c2h5oh)、肼(n2h4)等。(3)電解質(zhì)：酸性電解質(zhì)溶液，如h2so4溶液；堿性電解質(zhì)溶液，如naoh溶液；熔融氧化物，如y2o；熔融碳酸鹽，如k2co3等。2書寫燃料電池反應(yīng)式的基本步驟(1)第一步：寫出電池總反應(yīng)式。燃料電池的總反應(yīng)與燃料的燃燒反應(yīng)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)的反應(yīng)：ch42o2=co22h2oco22

6、naoh=na2co3h2o式得燃料電池總反應(yīng)為ch42o22naoh=na2co33h2o。(2)第二步：寫出電池的正極反應(yīng)式。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，隨著電解質(zhì)溶液的不同，其電極反應(yīng)有所不同，一般為以下四種情況：酸性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：o24h4e=2h2o。堿性電解質(zhì)溶液環(huán)境下電極反應(yīng)式：o22h2o4e=4oh。固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)o2)環(huán)境下電極反應(yīng)式：o24e=2o2。熔融碳酸鹽(如熔融k2co3)環(huán)境下電極反應(yīng)式：o22co24e=2co。(3)第三步：根據(jù)電池總反應(yīng)式和正極反應(yīng)式寫出電池的負(fù)極反應(yīng)式。電池的總反應(yīng)和正、負(fù)極反應(yīng)之間

7、有如下關(guān)系：電池的總反應(yīng)式電池正極反應(yīng)式電池負(fù)極反應(yīng)式(消去電子)。故根據(jù)第一、二步寫出的反應(yīng)：電池的總反應(yīng)式電池正極反應(yīng)式電池負(fù)極反應(yīng)式，注意在將兩個(gè)反應(yīng)式相減時(shí)，要約去正極的反應(yīng)物o2。3實(shí)例以甲烷燃料電池為例來(lái)分析在不同的環(huán)境下電極反應(yīng)式的書寫方法：(1)酸性條件燃料電池總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o燃料電池正極反應(yīng)：o24h4e=2h2o×2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：ch42h2o8e=co28h(2)堿性條件燃料電池總反應(yīng)：ch42o22naoh=na2co33h2o燃料電池正極反應(yīng)：o22h2o4e=4oh×2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：ch410oh8e=co7h

8、2o(3)固體電解質(zhì)(高溫下能傳導(dǎo)o2)燃料電池總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o燃料電池正極反應(yīng)：o24e=2o2×2，得燃料電池負(fù)極反應(yīng)：ch44o28e=co22h2o(4)熔融碳酸鹽(如熔融k2co3)環(huán)境電池總反應(yīng)：ch42o2=co22h2o。正極電極反應(yīng)式：o22co24e=2co。電池總反應(yīng)正極電極反應(yīng)式負(fù)極反應(yīng)式：ch44co8e=5co22h2o。注意事項(xiàng)：電池的負(fù)極通入可燃性氣體，失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。電池的正極通入氧氣或空氣，得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。書寫電極反應(yīng)式時(shí)，要分清電解質(zhì)溶液的酸堿性。在堿性電解質(zhì)溶液中

9、，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)h；在酸性電解質(zhì)溶液中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)oh。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)的疊加反應(yīng)式，如甲烷燃料電池。電極反應(yīng)式遵循質(zhì)量守恒、電荷守恒定律。1燃料電池與一般化學(xué)電池之間的區(qū)別是什么？提示：燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別：一般化學(xué)電池的活性物質(zhì)儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，受電池容量的限制；燃料電池的電極本身不包含活性物質(zhì)，只是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化元件。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)，反應(yīng)產(chǎn)物不斷地被排出，可以連續(xù)不斷地提供電能。2氫氧燃料電池的能量利用率是100%，產(chǎn)物為水，不污染環(huán)

10、境。正確嗎？提示：氫氧燃料電池中產(chǎn)物為水，不污染環(huán)境，但能量利用率達(dá)不到100%。3如果用稀硫酸作電解質(zhì)溶液，氫氧燃料電池在放電后溶液的ph將發(fā)生怎樣的變化？提示：反應(yīng)過(guò)程中電解質(zhì)不被消耗，但氫氣和氧氣反應(yīng)生成水，使溶液變稀，ph增大?！纠?】用兩根鉑絲作電極插入koh溶液中，再分別向兩極通入甲烷氣體和氧氣，可形成原電池燃料電池，該電池放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為ch42koh2o2=k2co33h2o，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是()a通甲烷的一極為負(fù)極，通氧氣的一極為正極b放電時(shí)，通入o2一極附近溶液的ph升高c放電一段時(shí)間后，koh的物質(zhì)的量不發(fā)生變化d通甲烷一極的電極反應(yīng)式是ch410oh8e=co7h2o

11、【思路分析】燃料電池的總反應(yīng)一般與燃燒反應(yīng)相同，在燃料電池中可燃物作負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，助燃物(一般是o2)作正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)?！窘馕觥吭姵氐呢?fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，由總反應(yīng)式知，此燃料電池的電極反應(yīng)式是：正極：2o24h2o8e=8oh；負(fù)極：ch410oh8e=co7h2o，由此可見選項(xiàng)a、b、d都正確。放電時(shí)koh的物質(zhì)的量減小?！敬鸢浮縞固體氧化物燃料電池是由美國(guó)西屋公司研制開發(fā)的，它以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(o2)在其間通過(guò)。該電池的工作原理如圖所示，其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。下列判斷正確的是(d)a有o2放電

12、的a極為電池的負(fù)極b有h2放電的b極為電池的正極ca極對(duì)應(yīng)的電極反應(yīng)為：o22h2o4e=4ohd該電池的總反應(yīng)方程式為2h2o22h2o解析：根據(jù)該電池的工作原理可知，被氧化的是h2：2h24e2o2=2h2o，b極為原電池的負(fù)極；被還原的是o2：o24e=2o2，a極為原電池的正極；總反應(yīng)式為2h2o22h2o。探究點(diǎn)二可充電電池1二次電池充電時(shí)與電源的連接二次電池在充電時(shí)，正、負(fù)電極上發(fā)生的反應(yīng)正好與放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)相反，因而充電時(shí)，二次電池的正極應(yīng)與充電電源的正極相連接，電池的負(fù)極應(yīng)與充電電源的負(fù)極相連接。2充電時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)和總反應(yīng)是放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)的逆過(guò)程3可充電電池復(fù)雜電極反應(yīng)

13、式的書寫方法第一步：先標(biāo)出放電(原電池)總反應(yīng)式中變價(jià)元素的化合價(jià)，確定電子轉(zhuǎn)移的方向與數(shù)目，指出參與負(fù)極和正極反應(yīng)的物質(zhì)。如鉛蓄電池中：第二步：寫出一個(gè)比較容易書寫的電極反應(yīng)式，書寫時(shí)一定要注意電極產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液共存。如鉛蓄電池的負(fù)極反應(yīng)式為pbso2e=pbso4。第三步：在電子守恒的基礎(chǔ)上，用總反應(yīng)式減去寫出的電極反應(yīng)式，即得另一極的反應(yīng)式。如鉛蓄電池的正極反應(yīng)式可用總反應(yīng)式負(fù)極反應(yīng)式得到，即pbpbo24h2so(pbso2e)=2pbso42h2opbso4，整理得：pbo24hso2e=pbso42h2o。4對(duì)可充電電池某電極是發(fā)生氧化還是還原反應(yīng)及某元素被氧化還是被還原的判

14、斷可根據(jù)電極反應(yīng)式進(jìn)行分析。放電(原電池)的負(fù)極及充電(電解池)的陽(yáng)極均失去電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，其變價(jià)元素被氧化；放電(原電池)的正極及充電(電解池)的陰極均得到電子，發(fā)生了還原反應(yīng)，其變價(jià)元素被還原。5對(duì)溶液中離子的移動(dòng)方向的判斷放電時(shí)，陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極；充電時(shí)，陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極。6可充電電池充電時(shí)與電源的連接可充電電池用完后充電時(shí)，原電池的負(fù)極與外電源的負(fù)極相連，原電池的正極與外電源的正極相連。1如何給可充電電池充放電？提示：可充電電池充放電時(shí)電池的接法：2可充電電池充放電過(guò)程的區(qū)別與聯(lián)系是什么？提示：【例2】鎳鎘(ni­cd)可充電電池在現(xiàn)代生活中

15、有廣泛應(yīng)用。已知某鎳鎘電池的電解質(zhì)溶液為koh溶液，其充、放電按下式進(jìn)行：cd2niooh2h2ocd(oh)22ni(oh)2有關(guān)該電池的說(shuō)法正確的是()a充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)：ni(oh)2eoh=nioohh2ob充電過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程c放電時(shí)負(fù)極附近溶液的堿性不變d放電時(shí)電解質(zhì)溶液中的oh向正極移動(dòng)【思路分析】二次電池放電時(shí)為原電池，其充電和放電時(shí)的電極反應(yīng)相反?！窘馕觥坑煽偡磻?yīng)可知，放電時(shí)，負(fù)極cd發(fā)生氧化反應(yīng)：cd2e2oh=cd(oh)2，負(fù)極堿性變?nèi)?，c項(xiàng)錯(cuò)誤；正極反應(yīng)為2niooh2e2h2o=2ni(oh)22oh，放電時(shí)，oh由正極向負(fù)極移動(dòng)(內(nèi)電路)，d項(xiàng)錯(cuò)誤；充電

16、時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，b項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，即為ni(oh)2ohe=nioohh2o，a項(xiàng)正確?！敬鸢浮縜liso2電池具有輸出功率高和低溫性能好等特點(diǎn)，其電解質(zhì)是libr，溶劑是碳酸丙烯酯和乙腈，電池反應(yīng)為li2s2o42li2so2。下列說(shuō)法正確的是(a)a充電時(shí)是電解池，放電時(shí)是原電池b放電時(shí)，陰極反應(yīng)為lie=lic充電時(shí)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)d充電時(shí)，每有0.1 mol電子轉(zhuǎn)移，有2.24 l so2生成解析：充電時(shí)是電解池，放電時(shí)是原電池，a項(xiàng)正確；放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為lie=li，b項(xiàng)錯(cuò)誤；充電時(shí)，陽(yáng)離子向陰極移動(dòng)，陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，c項(xiàng)錯(cuò)誤；沒(méi)有指明是

17、在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，d項(xiàng)錯(cuò)誤。1下列有關(guān)化學(xué)電池的說(shuō)法中正確的是(c)a化學(xué)電池只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能b燃料電池能將全部化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能c銀鋅電池比能量大，電壓穩(wěn)定，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)d一次電池包括干電池和蓄電池解析：蓄電池不但可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(放電)，也可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(充電)，燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率超過(guò)80%，但不可能100%轉(zhuǎn)化。蓄電池可重復(fù)使用，屬于二次電池。故正確答案為c。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。鋅錳堿性電池以氫氧化鉀溶液為電解液，電池總反應(yīng)式為：zn(s)2mno2(s)h2o(l)=zn(oh)2(s)mn2o3(s)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(c)a電池工

18、作時(shí)，鋅失去電子b電池正極的電極反應(yīng)式為：2mno2(s)h2o(l)2e=mn2o3(s)2oh(aq)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 g解析：由電池工作時(shí)鋅在負(fù)極失去電子，故a正確；只要能夠理解正極的反應(yīng)物是mno2，同時(shí)能夠應(yīng)用電子轉(zhuǎn)移數(shù)目、電荷守恒與元素守恒即可正確地書寫電極反應(yīng)式，而本題只要對(duì)其進(jìn)行正誤判斷，因此只要從上述三個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證即可，b選項(xiàng)正確；c中外電路的電子應(yīng)該由負(fù)極流出，流入正極，故c錯(cuò)誤；d中只要根據(jù)簡(jiǎn)單的計(jì)算，即理解每反應(yīng)1 mol zn，失去2 mol電子，因此d正確。3.紐扣電池可用于計(jì)算

19、器、電子表等的電源。有一種紐扣電池，其電極分別為zn和ag2o，以koh溶液為電解質(zhì)溶液，電池的總反應(yīng)為znag2oh2o=2agzn(oh)2。關(guān)于該電池的敘述不正確的是(b)a使用時(shí)電子由zn極經(jīng)外電路流向ag2o極，zn是負(fù)極b使用時(shí)電子由ag2o極經(jīng)外電路流向zn極，ag2o是負(fù)極c正極的電極反應(yīng)為ag2o2eh2o=2ag2ohdzn極發(fā)生氧化反應(yīng)，ag2o極發(fā)生還原反應(yīng)解析：由總方程式可以看出，負(fù)極為zn，正極為ag2o，使用時(shí)電子由負(fù)極流向正極，a項(xiàng)正確；b項(xiàng)錯(cuò)誤，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，c項(xiàng)正確，d項(xiàng)也正確。4有人設(shè)計(jì)出利用ch4和o2的反應(yīng)，用鉑電極在koh溶液中

20、構(gòu)成原電池。該電池的總反應(yīng)類似于ch4在o2中燃燒的反應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是(a)每消耗1 mol ch4可以向外電路提供8 mol e負(fù)極上ch4失去電子，電極反應(yīng)式為ch410oh8e=co7h2o負(fù)極上o2獲得電子，電極反應(yīng)式為o22h2o4e=4oh電池放電過(guò)程中，溶液的ph不斷升高abcd解析：該電池反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是甲烷與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，生成的二氧化碳與氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子。甲烷中碳元素為4價(jià)，碳酸根離子中碳元素為4價(jià)，則每消耗1 mol ch4可以向外電路提供8 mol e，正確。燃料甲烷在負(fù)極上失去電子，結(jié)合氫氧根離子生成碳酸根離子，正確。氧氣在正極上得到電子，結(jié)合

21、水生成氫氧根離子，錯(cuò)誤。由電池的總反應(yīng)式ch42o22oh=co3h2o可知，放電過(guò)程中消耗了氫氧根離子，因此溶液的ph不斷降低，錯(cuò)誤。綜上所述，a選項(xiàng)正確。5科學(xué)家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池，其效率更高。一個(gè)電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣，其中電池的電解質(zhì)是摻雜了y2o3(y為釔)的zro2(zr為鋯)晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)o2。若以丁烷(c4h10)代表汽油，總反應(yīng)為2c4h1013o2=8co210h2o。下列有關(guān)該電池的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是(c)a該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為c4h1013o226e=4co25h2obo2向負(fù)極移動(dòng)c該電池正極的電極反應(yīng)式為o24e2h2o=4ohd

22、丁烷在放電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)解析：丁烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為c4h1026e13o2=4co25h2o，故a正確；原電池中，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，即o2向負(fù)極移動(dòng)，故b正確；正極上通入空氣，氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，由電解質(zhì)的性質(zhì)知，o2得電子被還原為o2，故電極反應(yīng)式為o24e=2o2，故c錯(cuò)誤；丁烷在負(fù)極放電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，故d正確。6我國(guó)科學(xué)工作者研制出以鋁合金、ptfe合金網(wǎng)為電極材料的海水電池。在這種電池中(a)鋁合金作陽(yáng)極鋁合金作負(fù)極海水作電解質(zhì)溶液鋁合金電極發(fā)生還原反應(yīng)a bc d解析：由原電池的工作原理可知，鋁合金作負(fù)極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，ptfe合金網(wǎng)作正極，電解質(zhì)溶液是海水，故錯(cuò)誤，正確。7一種甲醇、氧氣和強(qiáng)堿溶液作電解質(zhì)的新型手機(jī)電池，可連續(xù)使用一個(gè)月，其電池反