6.1.3化學電源-高一化學精講講義（人教版2019）

化學電源【學習目標】1、知道干電池、充電電池、燃料電池等發(fā)展中的化學電源的特點、組成和工作原理2、會正確書寫燃料電池的電極反應【主干知識梳理】一、常見的化學電源1、化學電源的概念：將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置2、化學電源的分類：一次電池、二次電池、燃料電池(1)一次電池：一次電池的特點是活性物質(zhì)(發(fā)生氧化還原反應的物質(zhì))消耗一定程度后，就不能再重復使用。即：放電之后不能充電，內(nèi)部的氧化還原反應是不可逆的。常見的一次電池有鋅錳干電池、鋅銀電池①酸性鋅錳干電池結(jié)構(gòu)酸性鋅錳干電池是以鋅筒為負極，石墨棒為正極，在石墨棒周圍填充糊狀的MnO2和NH4Cl作電解質(zhì)電極反應負極Zn－2e－=Zn2＋正極2MnO2＋2NHeq\o\al(＋,4)＋2e－=Mn2O3＋2NH3↑＋H2O總反應Zn＋2MnO2＋2NH4Cl=ZnCl2＋Mn2O3＋2NH3↑＋H2O缺陷酸性鋅錳干電池即使不用，放置過久，鋅筒也會因酸性的NH4Cl溶液腐蝕，造成漏液而失效，還會導致電器設備的腐蝕改進措施a.在外殼套上防腐金屬筒或塑料筒制成防漏電池b.將電池內(nèi)的電解質(zhì)NH4Cl換成濕的KOH，并在構(gòu)造上進行改進，制成堿性鋅錳電池=2\*GB3②堿性鋅錳干電池結(jié)構(gòu)堿性鋅錳電池是一種常用的一次電池，其負極是Zn，正極是MnO2，電解質(zhì)溶液是KOH溶液電極反應負極Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正極2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－總反應Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2特點比能量較高，儲存時間較長，可適用于大電流和連續(xù)放電=3\*GB3③鋅銀電池電極反應負極Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2正極Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－總反應Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag特點比能量大、電壓穩(wěn)定、儲存時間長(2)二次電池：充電電池又稱二次電池。充電電池在放電時所進行的氧化還原反應，在充電時又可以逆向進行，生成物重新轉(zhuǎn)化為反應物，使充電、放電可在一定時期內(nèi)循環(huán)進行。充電電池中能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系是：化學能電能，常見的二次電池有鉛蓄電池、鎘鎳電池、鋰離子電池等蓄電池等①鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)鉛蓄電池是用橡膠或微孔塑料制成的長方形外殼，正極板上有一層棕褐色的PbO2，負極板是海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液中，且兩極間用橡膠或微孔塑料隔開電極反應總反應Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)負極Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)正極PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)特點常作汽車電瓶，電壓穩(wěn)定，使用方便安全②鎳鎘電池結(jié)構(gòu)以Cd為負極，NiO(OH)為正極，以KOH為電解質(zhì)電極反應總反應Cd+2NiO(OH)+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2負極Cd+2OH－－2e－=Cd(OH)2正極2NiO(OH)+2H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－特點壽命比鉛蓄電池長，但鎘是致癌物質(zhì)，廢棄鎳鎘電池如不回收，會嚴重污染環(huán)境③堿金屬中的Li是最輕的金屬，活動性極強，是制造電池的理想物質(zhì)。鋰離子電池是新一代可充電的綠色電池(3)發(fā)展中的燃料電池燃料電池的構(gòu)成燃料電池是一種將燃料(如氫氣、甲烷、乙醇)與氧化劑(如氧氣)的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學反應裝置。燃料氣可以是氫氣、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、葡萄糖、肼等可燃性氣體，電解質(zhì)通常有四種情況：=1\*GB3①稀硫酸②KOH溶液=3\*GB3③Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，其導電粒子是CO32－=4\*GB3④固體電解質(zhì)是摻雜了Y2O3的ZrO2固體，高溫下能傳導O2－離子燃料電池裝置示意圖特點=1\*GB3①清潔、安全、高效②料的利用率高、能量轉(zhuǎn)化率高，能量轉(zhuǎn)化率達到80%以上=3\*GB3③與常規(guī)發(fā)電廠相比，其二氧化碳排放量明顯降低=4\*GB3④與干電池或者蓄電池的主要差別在于反應物不是儲存在電池內(nèi)部，而是從外部提供，這時電池起著類似試管、燒杯等反應器的作用=5\*GB3⑤供電量易于調(diào)節(jié)，能適應于電器負載的變化，而且不需要很長的充電時間，在航天、軍事和交通等領(lǐng)域有廣闊的應用情景①氫氧燃料電池用Pt作電極，不斷充入燃料(H2)和氧化劑(O2)，分別在兩極發(fā)生氧化反應和還原反應，電池總反應式是2H2＋O2=2H2O。氫氧燃料電池在不同介質(zhì)中的電極反應：介質(zhì)負極反應式正極反應式酸性2H2－4e－=4H＋O2＋4H＋＋4e－=2H2O中性2H2－4e－=4H＋O2＋2H2O＋4e－=4OH－堿性2H2－4e－＋4OH－=4H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－②有機物燃料電池負極失電子數(shù)目判斷：燃料電池的燃料以有機物居多，其燃燒后的產(chǎn)物通常為CO2和H2O(酸性介質(zhì))或CO32和H2O(堿性介質(zhì))。但無論上述哪種情況，產(chǎn)物中C、H、O的化合價均為+4、+1、2，如果把原有機物CxHyOz中所以元素都看成0價，可知整個反應中失去的電子數(shù)為:4x+y2z,即“碳四氫一氧減二”③水溶液中不能出現(xiàn)O2－；堿性溶液反應物、生成物中均無H+；酸性溶液反應物、生成物中均無OH－，中性溶液反應物中無H+和OH－例題以“甲醇——氧氣——KOH溶液”為例第一步：得失電子守恒，負極的甲醇在堿性環(huán)境中變成CO32－失去6個電子，寫成－6e－；正極的O2到底是變成了OH－還是H2O，一定是得到4個電子，寫成＋4e－，此步稱之為得、失電子守恒負極反應：CH3OH—6e－—CO32－；正極反應：O2＋4e－—第二步：電荷守恒此時負極反應左邊的電荷數(shù)為＋6，右邊的電荷數(shù)為－2，電荷顯然不守恒，為了使左、右兩邊電荷守恒必需在左邊配8個OH－；正極反應的左邊電荷數(shù)為－4，右邊的電荷數(shù)為0，為了使左、右兩邊電荷守恒必需在右邊配4個OH－，此步稱之為電荷守恒負極反應：CH3OH—6e—＋8OH－—CO32－；正極反應：O2＋4e－—4OH－第三步：原子守恒觀察負極反應左、右兩邊的原子個數(shù)，C守恒，H、O不守恒，需在右邊配6個H2O；而正極反應H、O不守恒，需在左邊配2個H2O，此步稱之為原子守恒負極反應：CH3OH—6e－＋8OH－＋6H2O=CO32－；正極反應：O2＋4e－＋2H2O=4OH－課堂練習、甲烷(CH4)燃料電池電池類型導電介質(zhì)反應式酸性燃料電池H＋總反應負極反應正極反應堿性燃料電池OH－總反應負極反應正極反應熔融碳酸鹽燃料電池COeq\o\al(2－,3)總反應負極反應正極反應固態(tài)氧化物燃料電池O2－總反應負極反應正極反應3、電池的優(yōu)點和應用(1)優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)化率較高，供能穩(wěn)定可靠，可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便，易于維護，并可在各種環(huán)境下工作(2)應用：在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)、國防和科學技術(shù)的發(fā)展中，電池發(fā)揮著越來越重要的作用，大至火箭、人造衛(wèi)星、空間電視轉(zhuǎn)播站、飛機、輪船，小至電腦、收音機、照相機、、助電器、電子手表、心臟起搏器等，都離不開各式各樣的電池4、電池優(yōu)劣的判斷標準：判斷一種電池的優(yōu)劣或是否適合某種需要，主要看這種電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少(1)比能量：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少，單位：(W·h)/kg或(W·h)/L(2)比功率：單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小，單位：W/kg或W/L(3)電池的可儲存時間的長短【微點撥】一般的，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，更適合使用者的需要5、廢舊電池為什么要集中處理？廢舊電池中含有汞、鎘、鉻、鉛等大量的重金屬和酸堿等有害物質(zhì)，隨處丟棄會給土壤、水源等造成嚴重的污染，1節(jié)1號干電池會使1m2的耕地失去使用價值，并通過食物鏈給人體健康造成危害。另一方面，廢棄電池中的有色金屬是寶貴的資源，如果能回收再利用這些廢舊電池，不僅可以減少對我們生存環(huán)境的破壞，而且也是對資源的節(jié)約【對點訓練1】1、判斷正誤，正確的劃“√”，錯誤的劃“×”(1)鋅錳干電池工作一段時間后碳棒變細()(2)氫氧燃料電池是將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?)(3)充電電池可以無限制地反復充電、放電()(4)氫氧燃料電池比氫氣直接燃燒發(fā)電能量利用率高()2、下列幾種化學電池中，不屬于可充電電池的是()A．堿性鋅錳電池B．用鋰電池C．汽車用鉛蓄電池 D．玩具用鎳氫電池3、1800年伏打用鋅片與銅片夾以鹽水浸濕的紙片疊成電堆產(chǎn)生了電流，這個裝置后來稱為伏打電池(也叫伏打電堆)，如下圖所示。觀察示意圖，思考回答下列問題：(1)負極是：________，電極反應____________________(2)正極是：_________(3)猜測得電子發(fā)生還原反應的物質(zhì)可能是________3、鉛酸電池常用作汽車電瓶，其構(gòu)造如圖所示，工作時該電池總的方程式為：Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，按要求回答下列問題：(1)負極材料是________，正極材料是________，電解質(zhì)溶液是________。(2)工作時，電解質(zhì)溶液中的H＋移向________極(3)工作時，電解質(zhì)溶液中硫酸的濃度________(填“增大”“減小”或“不變”)(4)當鉛蓄電池向外電路提供2mole－時，理論上負極板的質(zhì)量增加________g4、某電動汽車使用的是鈷酸鋰(LiCoO2)電池，其工作原理如圖所示，且電解質(zhì)為一種能傳導Li＋的高分子材料，隔膜只允許Li＋通過，電池反應式為LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2，放電時，電解質(zhì)溶液中的Li＋離子向 極方向移動，兩電極反應為：負極 ，正極 二、水果簡易電池的制作1、探究制作水果電池對電極材料的要求(按如圖連接)(已知電流表的指針偏向電子流入的電極)電極材料水果電流表偏轉(zhuǎn)方向電極名稱鐵片、銅片蘋果偏向銅片鐵：負極銅：正極鐵片、鎂條蘋果偏向鐵片鐵：正極鎂：負極鐵片、碳棒檸檬偏向碳棒鐵：負極碳棒：正極鐵片、鐵片檸檬不偏轉(zhuǎn)銅片、碳棒檸檬幾乎不偏轉(zhuǎn)(1)水果的作用是作：電解質(zhì)溶液(2)構(gòu)成原電池的要素有：①自發(fā)的氧化還原反應②兩個活潑性不同的電極，電解質(zhì)溶液，形成閉合回路③根據(jù)電極材料判斷電極：較活潑金屬作負極，不活潑的金屬或惰性電極作正極2、探究影響電流效果的因素【實驗1】探究電極材料對電流效果的影響電極材料電極間距/cm水果電流表/μA，偏轉(zhuǎn)角度(填“大”或“小”)鐵、銅1蘋果小鎂、銅1蘋果大實驗結(jié)論：在其他條件相同時，電極材料活潑性差別越大，電流效果越好【實驗2】探究不同水果對電流效果的影響電極材料電極間距/cm水果電流表/μA，偏轉(zhuǎn)角度鋅、銅1蘋果小鋅、銅1檸檬大實驗結(jié)論：在其他條件相同時，不同的電解質(zhì)溶液，電流效果不同【實驗3】探究電極間距對電流效果的影響電極材料電極間距/cm水果電流表/μA，偏轉(zhuǎn)角度鋅、銅1檸檬大鋅、銅2檸檬小實驗結(jié)論：在其他條件相同時，兩電極間距越小，電流效果越好【對點訓練2】1、下列有關(guān)電池的敘述不正確的是()A．水果電池是方便實用的家用電池B．鉛蓄電池是一種常用的二次電池C．氫氧燃料電池是一種高效、無污染的發(fā)電裝置D．鋅錳干電池工作一段時間后，鋅外殼逐漸變薄2、下圖為番茄制作的水果電池，下列說法正確的是()A．一段時間后，銅片質(zhì)量減小B．鋅電極發(fā)生氧化反應C．電流由鋅通過導線流向銅D．銅電極是該電池的負極【課后作業(yè)】1、下列有關(guān)鋅錳干電池的說法中正確的是()A．鋅外殼是負極，石墨碳棒是正極材料B．在外電路中電子從碳棒流向鋅外殼C．電流從鋅流到碳棒上D．在電池內(nèi)部陽離子從碳棒向鋅片移動2、汽車的啟動電源常用鉛蓄電池，其放電時的原電池反應如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，根據(jù)此反應判斷，下列敘述中正確的是()A．Pb是正極B．PbO2得電子，被氧化C．負極反應是Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4D．電池放電時，溶液的酸性增強3、汽車的啟動電源常用鉛蓄電池。其結(jié)構(gòu)如圖所示，放電時的電池反應如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O。根據(jù)此反應判斷下列敘述中正確的是()A．PbO2是電池的負極B．Pb是負極，反應式為Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4C．PbO2得電子，被氧化D．電池放電時，溶液酸性增強4、鋅－空氣電池(如圖所示)適宜用作城市電動車的動力電源，該電池放電時Zn轉(zhuǎn)化為ZnO。則該電池工作時，下列說法正確的是()A．Zn電極是該電池的正極B．Zn電極的電極反應式為Zn＋H2O－2e－=ZnO＋2H＋C．OH－向石墨電極移動D．氧氣在石墨電極上發(fā)生還原反應5、下列電池工作時，O2在正極得電子的是()ABCD鋅錳電池鉛蓄電池氫氧燃料電池鎳鎘電池6、(雙選)據(jù)報道，鋅電池可能取代目前廣泛使用的鉛蓄電池，因為鋅電池容量大，而且沒有鉛污染。其電池反應為2Zn＋O2=2ZnO，原料為鋅粒、電解液和空氣，則下列敘述正確的是()A．鋅為正極，空氣進入負極反應B．負極反應為Zn－2e－=Zn2＋C．正極發(fā)生還原反應D．電解液肯定為強酸7、氫氧燃料電池以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，電極是多孔鎳電極，電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分數(shù)30%的KOH溶液，有關(guān)敘述正確的是()①負極反應為2H2－4e－=4H＋②負極反應為2H2＋4OH－－4e－=4H2O③工作時正極pH增大，而負極pH減?、芄ぷ鲿r負極pH增大，而正極pH減?、莨ぷ鲿r溶液中陰離子移向正極⑥使用一段時間，KOH溶液質(zhì)量分數(shù)仍為30%A．①②③B．②③C．②③⑥D(zhuǎn)．④⑤8、有四種燃料電池，下面是工作原理示意圖，其中正極反應生成水的是()A．固體氧化物燃料電池 B．堿性氫氧化物燃料電池C．質(zhì)子交換膜燃料電池 D．熔融鹽燃料電池9、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)常作為電動汽車的動力源。該燃料電池以氫氣為燃料，空氣為氧化劑，鉑作催化劑，導電離子是H＋。下列對該燃料電池的描述中正確的是()①正極反應為：O2＋4H＋＋4e－=2H2O②負極反應為：2H2－4e－=4H＋③總的化學反應為：2H2＋O2eq\o(=,\s\up7(點燃))2H2O④氫離子通過電解質(zhì)向正極移動A．①②③B．②③④C．①②④D．①②③④10、(雙選)如圖是一種航天器能量儲存系統(tǒng)原理示意圖。下列說法正確的是()A．該系統(tǒng)中只存在3種形式的能量轉(zhuǎn)化B．裝置Y中正極的電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．裝置X能實現(xiàn)燃料電池的燃料和氧化劑再生D．裝置X、Y形成的子系統(tǒng)能實現(xiàn)物質(zhì)的零排放，并能實現(xiàn)化學能與電能間的完全轉(zhuǎn)化11、將兩個鉑電極放置在KOH溶液中，然后分別向兩極通入CH4和O2，即可產(chǎn)生電流，稱為燃料電池，下列敘述正確的是()①通入CH4的電極為正極②正極的電極反應是O2＋2H2O＋4e－＝4OH－③通入CH4的電極反應式是CH4＋2O2＋4e－＝CO2＋2H2O④負極的電極反應式是CH4＋10OH－－8e－＝COeq\o\al(2－,3)＋7H2O⑤放電時溶液中的陽離子向負極移動⑥放電時溶液中的陰離子向負極移動A．①③⑤B．②④⑥C．④⑤⑥D(zhuǎn)．①②③12、一種燃料電池中發(fā)生的化學反應為在酸性溶液中甲醇(CH3OH)與氧氣作用生成水和二氧化碳。該電池負極發(fā)生的反應是()A．CH3OH＋O2－2e－=H2O＋CO2＋2H＋B．O2＋4H＋＋4e－=2H2OC．CH3OH＋H2O－6e－=CO2＋6H＋D．O2＋2H2O＋4e－=4OH－13、(雙選)有人設計出利用CH4和O2的反應，用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應類似于CH4在O2中燃燒，則下列說法正確的是()A．每消耗1molCH4可以向外電路提供8mole－B．負極上CH4失去電子，電極反應式為CH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2OC．負極上是O2獲得電子，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－D．電池放電后，溶液pH不斷升高14、(雙選)如圖所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，非常適合進行現(xiàn)場酒精檢測。下列說法不正確的是()A．該電池的負極反應式為：CH3CH2OH＋3H2O－12e－=2CO2↑＋12H＋B．該電池的正極反應式為：O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．電流由O2所在的鉑電極經(jīng)外電路流向另一電極D．微處理器通過檢測電流大小而計算出被測氣體中酒精的含量15、如圖所示是某公司批量生產(chǎn)的筆記本電腦所用的甲醇燃料電池的構(gòu)造示意圖。甲醇在催化劑作用下提供質(zhì)子(H＋)和電子，電子經(jīng)外電路流向另一電極、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達另一極與氧氣反應，該電池總反應式為2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。下列有關(guān)該電池的說法錯誤的是()A．右邊的電極為電池的負極，b處通入的是空氣B．左邊的電極為電池的負極，a處通入的是甲醇C．電池負極的反應式為2CH3OH＋2H2O－12e－=2CO2＋12H＋D．電池正極的反應式為3O2＋12H＋＋12e－=6H2O16、鎂燃料電池具有比能量高、使用安全方便、原材料來源豐富、成本低、燃料易于貯運等特點。研究的燃料電池可分為鎂—空氣燃料電池、鎂—海水燃料電池、鎂—過氧化氫燃料電池、鎂—次氯酸鹽燃料電池。如圖為鎂—次氯酸鹽燃料電池的工作原理圖，下列有關(guān)說法不正確的是()A．電池的總反應式為Mg＋ClO－＋H2O=Mg(OH)2↓＋Cl－B．鎂電池中鎂均為負極，發(fā)生氧化反應C．鎂—過氧化氫燃料電池，酸性電解質(zhì)中正極反應為：H2O2＋2H＋＋2e－=2H2OD．放電過程中OH－移向正極17、Ⅰ.中國科學院長春應用化學研究所在甲醇(CH3OH)燃料電池技術(shù)方面獲得新突破，組裝出了自呼吸電池及主動式電池。甲醇燃料電池的工作原理如圖1所示(電池總反應為2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H