2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第4章化學(xué)反應(yīng)與電能第1節(jié)第2課時(shí)化學(xué)電源教案新人教版選擇性必修第一冊(cè)

PAGE10-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)電源的分類方法。2.熟識(shí)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1．概念化學(xué)電源是將化學(xué)能變成電能的裝置。2．分類3．推斷電池優(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，單位(W·h)/kg或(W·h)/L。(2)比功率：即單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的多少，單位W/kg或W/L。(3)電池的可儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短。二、一次電池1．一次電池隨著運(yùn)用，一次電池中能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的物質(zhì)被消耗，當(dāng)這些物質(zhì)消耗到肯定程度時(shí)，電池就不能接著運(yùn)用了。一次電池中電解質(zhì)溶液制成膠狀，不流淌，也叫做干電池。2．堿性鋅錳電池(1)構(gòu)造：堿性鋅錳電池的構(gòu)造示意圖(2)組成：正極：MnO2；負(fù)極：Zn；電解質(zhì)：KOH。(3)工作原理：負(fù)極：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；正極：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－；總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)＋Zn(OH)2。堿性鋅錳電池比一般鋅錳電池有哪些優(yōu)良性能？[提示]比能量和可儲(chǔ)存時(shí)間均有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電。三、二次電池鉛蓄電池是常見(jiàn)的二次電池，其放電反應(yīng)和充電反應(yīng)表示如下：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)(1)負(fù)極是Pb，正極是PbO2，電解質(zhì)溶液是硫酸溶液。(2)放電反應(yīng)原理①負(fù)極反應(yīng)式是Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)；②正極反應(yīng)式是PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)；③放電過(guò)程中，負(fù)極質(zhì)量的改變是增大，電解質(zhì)溶液pH的改變是增大。(3)充電反應(yīng)原理①陰極(發(fā)生還原反應(yīng))反應(yīng)式是PbSO4(s)＋2e－=Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)；②陽(yáng)極(發(fā)生氧化反應(yīng))反應(yīng)式是PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－=PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)；③充電時(shí)，鉛蓄電池正極與直流電源正極相連，負(fù)極與直流電源負(fù)極相連。四、燃料電池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(yīng)和還原反應(yīng)，電池總反應(yīng)式是2H2＋O2=2H2O。2．氫氧燃料電池在不同介質(zhì)中的電極反應(yīng)介質(zhì)負(fù)極反應(yīng)式正極反應(yīng)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－3.燃料電池的燃料除氫氣外，還有烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體。若用導(dǎo)線相連的兩個(gè)鉑電極插入KOH溶液中，然后向兩極分別通入甲醇(CH3OH)和氧氣，發(fā)生原電池反應(yīng)。在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)的是CH3OH，其最終產(chǎn)物是H2O、COeq\o\al(2－,3)，負(fù)極反應(yīng)式是2CH3OH－12e－＋16OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋12H2O；正極反應(yīng)式是3O2＋6H2O＋12e－=12OH－；總反應(yīng)式是2CH3OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋6H2O。燃料電池的正、負(fù)兩極必需是兩種活潑性不同的金屬或一種金屬與一種導(dǎo)電的非金屬嗎？[提示]不肯定，如氫氧燃料電池的正負(fù)極均為Pt。1．推斷正誤(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．關(guān)于鉛蓄電池的說(shuō)法中正確的是()A．在放電時(shí)，正極發(fā)生的反應(yīng)是：Pb＋SOeq\o\al(2－,4)=PbSO4＋2e－B．在放電時(shí)，該電池的負(fù)極材料是鉛板C．在充電時(shí)，電池中硫酸的濃度不斷變小D．在充電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)是：PbSO4＋2e－=Pb＋SOeq\o\al(2－,4)B[A項(xiàng)中電池放電時(shí)正極應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2－,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O；C項(xiàng)中電池充電時(shí)硫酸的濃度應(yīng)不斷增大；D項(xiàng)中電池充電時(shí)陽(yáng)極應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)。]3．“神舟九號(hào)”飛船的電源系統(tǒng)共有3種，分別是太陽(yáng)能電池帆板、鎘鎳蓄電池和應(yīng)急電池。(1)飛船在光照區(qū)運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)能電池帆板將________能轉(zhuǎn)化為_(kāi)_______能，除供應(yīng)飛船運(yùn)用外，多余部分用鎘鎳蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)。其工作原理為Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2充電時(shí)，陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________；當(dāng)飛船運(yùn)行到陰影區(qū)時(shí)，鎘鎳蓄電池起先為飛船供電，此時(shí)負(fù)極旁邊溶液的堿性________(填“增大”“減小”或“不變”)。(2)緊急狀況下，應(yīng)急電池會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，工作原理為Zn＋Ag2O＋H2O2Ag＋Zn(OH)2，其負(fù)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________。[解析]陽(yáng)極是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的一極，Ni(OH)2為陽(yáng)極；放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Cd－2e－＋2OH－=Cd(OH)2，溶液的堿性減小。[答案](1)太陽(yáng)電Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2O減小(2)Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2二次電池的充放電分析(素養(yǎng)養(yǎng)成——宏觀辨識(shí)與微觀探析)高鐵電池是一種新型可充電電池，與一般高能電池相比，該電池可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應(yīng)為3Zn＋2K2FeO4＋8H2O3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。[問(wèn)題1]寫出該電池放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng)式。[提示]放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2。[問(wèn)題2]依據(jù)該電池的總反應(yīng)分析電池工作時(shí)，正極旁邊溶液的pH怎樣改變？[提示]放電時(shí)正極旁邊生成OH－，堿性增加，pH變大。[問(wèn)題3]給該電池充電時(shí)應(yīng)當(dāng)怎樣連接電極？[提示]充電時(shí)該電池的正極接外接電源正極，負(fù)極接外接電源負(fù)極。充電電池充電、放電的原理(1)充電電池是既能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能(放電)，又能將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(充電)的一類特殊電池。須要留意的是充電和放電的反應(yīng)不互為逆反應(yīng)。(2)充、放電時(shí)各電極上發(fā)生的反應(yīng)(3)充電電池電極反應(yīng)式的書寫充電時(shí)陰極(或陽(yáng)極)的電極反應(yīng)式與該電池放電時(shí)負(fù)極(或正極)的電極反應(yīng)剛好相反。例如，鉛蓄電池充電、放電的過(guò)程如圖所示。留意書寫鉛蓄電池電極反應(yīng)式時(shí)肯定要考慮電解質(zhì)溶液，放電時(shí)兩極生成的Pb2＋和電解質(zhì)溶液中的SOeq\o\al(2－,4)不能共存，Pb2＋與SOeq\o\al(2－,4)結(jié)合生成PbSO4沉淀，因此將負(fù)極反應(yīng)式寫成Pb－2e－=Pb2＋是錯(cuò)誤的，應(yīng)寫成Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4。1．愛(ài)迪生蓄電池在充電和放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2，下列對(duì)該蓄電池的推斷錯(cuò)誤的是()①放電時(shí)，F(xiàn)e參加負(fù)極反應(yīng)，NiO2參加正極反應(yīng)②放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中的陰離子向正極移動(dòng)③放電時(shí)，負(fù)極上的電極反應(yīng)式為Fe＋2H2O－2e－=Fe(OH)2＋2H＋④該蓄電池的電極必需浸入某種堿性電解質(zhì)溶液中A．①② B．②③C．①③ D．③④B[①Fe元素化合價(jià)由0價(jià)變?yōu)椋?價(jià)、Ni元素化合價(jià)由＋4價(jià)變?yōu)椋?價(jià)，則Fe參加負(fù)極反應(yīng)，NiO2參加正極反應(yīng)，正確；②放電時(shí)，電解質(zhì)溶液中的陰離子向負(fù)極方向移動(dòng)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，錯(cuò)誤；③放電時(shí)，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Fe－2e－＋2OH－=Fe(OH)2，錯(cuò)誤；④由方程式可知此電池為堿性電池，反應(yīng)方程式時(shí)不能出現(xiàn)H＋，只能浸在堿性電解質(zhì)溶液中，正確。]2．鎳-鎘電池是一種可充電的“干電池”，運(yùn)用壽命長(zhǎng)達(dá)10～15年。其總反應(yīng)為Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。下列說(shuō)法不正確的是()A．放電時(shí)，負(fù)極發(fā)生了氧化反應(yīng)，反應(yīng)為Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH)2B．充電時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)為Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2OC．電池工作時(shí)，負(fù)極區(qū)pH增大，正極區(qū)pH減小D．該電池充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能C[由電池總反應(yīng)可知：放電時(shí)負(fù)極反應(yīng)式為Cd＋2OH－－2e－=Cd(OH)2，負(fù)極區(qū)OH－濃度減小，pH減小；放電時(shí)正極反應(yīng)式為NiOOH(s)＋H2O＋e－=Ni(OH)2(s)＋OH－，正極區(qū)OH－濃度增大，pH增大；充電時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)式與放電時(shí)的正極反應(yīng)式相反，即Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2O；二次電池放電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，充電時(shí)電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。]燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法(素養(yǎng)養(yǎng)成——證據(jù)推理與模型認(rèn)知)一種新型熔融鹽燃料電池具有高發(fā)電效率?，F(xiàn)用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作電解質(zhì)，一極通CO氣體，另一極通O2和CO2混合氣體，其總反應(yīng)式為2CO＋O2=2CO2。[問(wèn)題1]推斷該電池的正極、負(fù)極狀況？[提示]由電池的總反應(yīng)式2CO＋O2=2CO2可知，通CO的一極為電池負(fù)極，通O2的一極為電池正極。[問(wèn)題2]你能寫出該電池的正極反應(yīng)式和負(fù)極反應(yīng)式嗎？[提示]負(fù)極的電極反應(yīng)式為2CO＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=4CO2，正極的電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。燃料電池電極反應(yīng)式的書寫方法電池的負(fù)極肯定是可燃物，有機(jī)燃料中各元素的化合價(jià)改變遵循一般化合價(jià)規(guī)則，燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電池的正極多為氧氣或空氣得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，特殊留意電解質(zhì)溶液酸堿性不同的區(qū)分。可依據(jù)電荷守恒來(lái)配平電極反應(yīng)式。如乙醇?jí)A性(KOH溶液)燃料電池負(fù)極反應(yīng)式的書寫方法。第一步：確定生成物。乙醇燃燒生成CO2和H2O，其中CO2與KOH溶液反應(yīng)生成K2CO3和H2O，故生成物為K2CO3和H2O。其次步：確定價(jià)態(tài)的改變及轉(zhuǎn)移電子數(shù)。乙醇(C2H6O)中碳元素的化合價(jià)為－2，COeq\o\al(2－,3)中碳元素的化合價(jià)為＋4，故1mol乙醇完全反應(yīng)失去2×[4－(－2)]＝12mol電子。第三步：列出表達(dá)式。C2H5OH＋eq\x()OH－－12e－→eq\x()COeq\o\al(2－,3)＋eq\x()H2O。第四步：確定電極反應(yīng)式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)。由碳原子守恒確定COeq\o\al(2－,3)的化學(xué)計(jì)量數(shù)為2，由電荷守恒確定OH－的化學(xué)計(jì)量數(shù)為16。(注：失去12個(gè)電子，相當(dāng)于帶12個(gè)單位正電荷)再由氫原子守恒確定H2O的化學(xué)計(jì)量數(shù)為11，故負(fù)極反應(yīng)式為C2H5OH＋16OH－－12e－=2COeq\o\al(2－,3)＋11H2O。3．如圖是甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖，甲醇在催化劑作用下供應(yīng)質(zhì)子(H＋)和電子，電子經(jīng)外電路、質(zhì)子經(jīng)內(nèi)電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng)，電池總反應(yīng)為2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。下列說(shuō)法不正確的是()A．左電極為電池的負(fù)極，a處通入的物質(zhì)是甲醇B．正極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－=4OH－C．負(fù)極反應(yīng)式為CH3OH＋H2O－6e－=CO2＋6H＋D．該電池供應(yīng)1mole－，消耗氧氣0.25molB[負(fù)極反應(yīng)式為2CH3OH－12e－＋2H2O=2CO2↑＋12H＋，正極反應(yīng)式為3O2＋12e－＋12H＋=6H2O；依據(jù)電子流向，可以推斷a處通甲醇，b處通O2；當(dāng)電池供應(yīng)1mol電子時(shí)，消耗O2為1×eq\f(3,12)mol＝0.25mol。]4．原電池是化學(xué)對(duì)人類的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。(1)如圖是甲烷燃料電池原理示意圖，回答下列問(wèn)題：①電池的負(fù)極是________(填“a”或“b”)電極，該極的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________________________________________。②電池工作一段時(shí)間后電解質(zhì)溶液的pH________(填“增大”“減小”或“不變”)。(2)熔融鹽燃料電池具有很高的發(fā)電效率，因而受到重視。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣為正極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池。請(qǐng)完成有關(guān)的電池反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)式：2CO＋2COeq\o\al(2－,3)－4e－=4CO2；正極反應(yīng)式：_________________________________________；總電池反應(yīng)式：________________________________________。[解析](1)CH4在反應(yīng)時(shí)失去電子，故a電極是電池的負(fù)極。由于電池工作過(guò)程中會(huì)消耗OH－，故一段時(shí)間后，電解質(zhì)溶液的pH會(huì)減小。(2)正極發(fā)生還原反應(yīng)，故正極電極反應(yīng)式為O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)。依據(jù)正極反應(yīng)式＋負(fù)極反應(yīng)式＝總電池反應(yīng)，可推知總電池反應(yīng)式應(yīng)為2CO＋O2=2CO2。[答案](1)①aCH4＋10OH－－8e－=COeq\o\al(2－,3)＋7H2O②減小(2)O2＋2CO2＋4e－=2COeq\o\al(2－,3)2CO＋O2=2CO2電池續(xù)航是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的主要因素，而借助科學(xué)家最新獨(dú)創(chuàng)的薄片式電池技術(shù)，這一難題有可能迎刃而解。外媒報(bào)道，德國(guó)工研院正在探討一種新電池，它可以讓電動(dòng)汽車充電一次續(xù)航620英里(大約1000公里)。探討人員的做法是，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)是正極，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)，猶如將一張張紙疊起來(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)的薄片封裝為大約為10平方英尺(1平方米)的電池，并與汽車電力系統(tǒng)連接。探討人員表示，這樣的做法能夠讓在相同的空間內(nèi)安放更多的電極，從而存儲(chǔ)更多的電能。這種新型電池系統(tǒng)預(yù)料在2024年之前進(jìn)入實(shí)際測(cè)試階段。[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]薄膜電池采納薄片式設(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]一種薄膜電池的設(shè)計(jì)原理如圖所示。該電池封裝的電解質(zhì)溶液為6mol·L－1的KOH溶液碳電極為吸附了氫氣的納米碳管。(素養(yǎng)角度——宏觀辨識(shí)與微觀探析)(1)寫出放電時(shí)的正、負(fù)極電極反應(yīng)式。[提示]負(fù)極：H2－2e－＋2OH－=2H2O；正極：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－=2Ni(OH)2＋2OH－。(2)寫出充電時(shí)的陰、陽(yáng)極電極反應(yīng)式。[提示]陰極：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－；陽(yáng)極：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－=2NiO(OH)＋2H2O。[問(wèn)題4]思索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)看法與社會(huì)責(zé)任)[提示]削減傳統(tǒng)能源的運(yùn)用，對(duì)可持續(xù)發(fā)展有利；削減有害物質(zhì)排放，對(duì)環(huán)境愛(ài)護(hù)有利。1．隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，廢電池必需進(jìn)行集中處理的問(wèn)題被提到議事日程，其首要緣由是()A．利用電池外殼的金屬材料B．防止電池中汞、鎘和鉛等重金屬離子對(duì)土壤和水源的污染C．不使電池中滲漏的電解液腐蝕其他物品D．回收其中石墨電極B[汞、鎘、鉛等重金屬離子會(huì)對(duì)土壤和水源造成污染。]2．在堿性鋅錳干電池中，已知?dú)溲趸洖殡娊赓|(zhì)，發(fā)生的電池總反應(yīng)式為：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)＋Zn(OH)2。下列關(guān)于該電池的電極反應(yīng)，正確的是()A．負(fù)極反應(yīng)為Zn－2e－=Zn2＋B．負(fù)極反應(yīng)為Zn＋2H2O－2e－=Zn(OH)2＋2H＋C．正極反應(yīng)為2MnO2＋2H＋＋2e－=2MnOOHD．正極反應(yīng)為2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－D[在書寫堿性電池的電極反應(yīng)式時(shí)，方程式中不得出現(xiàn)H＋。在堿性電池中，負(fù)極的Zn失去電子形成的Zn2＋應(yīng)當(dāng)與OH－結(jié)合為Zn(OH)2。]3．科學(xué)家近年來(lái)研制出一種新型細(xì)菌燃料電池，利用細(xì)菌將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫氣，氫氣進(jìn)入以磷酸為電解質(zhì)的燃料電池發(fā)電。電池正極反應(yīng)為(