1.2.2　化学电源 课件 (共52张PPT)2023-2024学年高二化学苏教版选择性必修1

(共52张PPT)
专题1
第二单元　第2课时　化学电源
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
目录索引
素养 目标 1.通过交流讨论了解一次电池、二次电池和燃料电池的基本构造,学会书写常见的电极反应式和电池反应。
2.通过相关的信息分析了解化学电源的工作原理,初步建立化学电源工作原理的认知模型,培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
3.通过学习各类电池的实际应用,感受化学给人类带来的进步和文明,通过了解废旧电池对环境的危害,树立环保意识,培养科学态度与社会责任的化学核心素养。
基础落实·必备知识全过关
一、一次电池和二次电池
1.化学电源的分类及特点
分类 特点
一次电池 只能　　电,不能　　电,消耗到一定程度,不能再使用
二次电池 可反复　　电和　　电
燃料电池 将　　　　能直接转化为　　能,能量利用率高,废弃物排放少
放
充
充
放
化学
电
2.一次电池
(1)碱性锌锰电池是一种常用的一次电池,总反应式为Zn+2MnO2+2H2O ══ 2MnOOH+Zn(OH)2。
①负极是　　　,正极是　　　,电解质溶液是　　　溶液;
②负极反应式是Zn+2OH--2e- ══ Zn(OH)2;
③正极反应式是2MnO2+2H2O+2e- ══ 2MnOOH+2OH-。
(2)银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点,总反应式为Zn+Ag2O+H2O ══ Zn(OH)2+2Ag。
①负极反应式是Zn+2OH--2e- ══ Zn(OH)2;
②正极反应式是Ag2O+H2O+2e- ══ 2Ag+2OH-。
Zn
MnO2
KOH
3.二次电池
(1)铅蓄电池是常见的二次电池,其负极是　　　,正极是　　　　,电解质是　　　　　　。已知铅蓄电池的放电反应和充电反应表示如下:
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
①请你分析并写出铅蓄电池放电时的电极反应式。
注意PbSO4为不溶物,所以负极不是生成Pb2+
负极:Pb+ -2e- ══ PbSO4;
正极:　 。
②放电过程中,电解质溶液的pH变　　　,理由是
　 。
Pb
PbO2
硫酸
PbO2+4H++ +2e- ══ PbSO4+2H2O
大
H2SO4不断被消耗,使c(H+)减小,pH增大
(2)锂离子电池正极材料采用　　　　　　或　　　　　等,负极材料大都是碳素材料,如　　　　　　、碳纤维、天然石墨等。
以钴酸锂-石墨锂电池为例,放电时电极反应式为:
负极:　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　 　　　　　　　　　　　;
电池反应:　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
磷酸铁锂
钴酸锂
人工石墨　
LixC6-xe- ══ 6C+xLi+
Li(1-x)CoO2+xLi++xe- ══ LiCoO2　
LixC6+Li(1-x)CoO2 ══ LiCoO2+6C
教材阅读想一想阅读教材“化学电源”中的“学以致用”
思考:对比普通锌锰电池和碱性锌锰电池,分析碱性锌锰电池的优点。
提示 碱性锌锰电池的优点:比能量大,能提供较大电流并连续放电。
易错辨析判一判
(1)化学电源都是将化学能直接转化为电能的装置。(　　)
(2)化学电源通常可分为一次电池、二次电池和燃料电池等几大类。(　　)
(3)放电后不能再使用的电池称为一次电池,如锌锰干电池等。(　　)
(4)可充电、放电循环进行的铅蓄电池、氢镍电池等是二次电池。(　　)
√
√
√
√
二、氢氧燃料电池
氢气、氧气分别在多孔金属电极上发生　　　反应、　　　　反应。当电解质为KOH时,其电极反应式表示如下:
负极:　　　　　　　　　　　　　;
正极:　　　　　　　　　　　　　;
　　 燃料电池中,氧气在正极反应
电池反应:2H2+O2 ══ 2H2O。
氧化
还原
2H2+4OH--4e- ══ 4H2O
O2+2H2O+4e- ══ 4OH-
教材阅读想一想阅读教材“化学电源”中燃料电池的相关内容
思考:酸性和碱性氢氧燃料电池中,反应进行一段时间后电解质溶液的pH分别如何变化
提示 碱性氢氧燃料电池中溶液的pH变小,酸性氢氧燃料电池中溶液的pH变大。
易错辨析判一判
(1)氢氧燃料电池可将热能直接转化为电能。(　　)
(2)通过不断充入燃料和氧化剂,连续使用的电池称为燃料电池。(　　)
(3)氢氧燃料电池的正极材料和负极材料本身都不参与电极反应。(　　)
(4)氢氧燃料电池工作时氧气在负极被氧化。(　　)
×
提示 氢氧燃料电池属于原电池,是将化学能转化为电能的装置,不能将热能直接转化为电能。
√
√
×
提示 氧气在正极被还原。
重难探究·能力素养全提升
探究一　二次电池
情境探究
铅蓄电池是常见的二次电池,它由两组平行的栅状铝合金极板交替排列而成,正极板上覆盖PbO2,负极板上覆盖Pb,电解质是硫酸。
(1)从理论上分析,铅蓄电池经过多次充电和放电使用后,需要给铅蓄电池补充硫酸吗
提示 不需要。铅蓄电池在充电和放电过程中发热,电解质溶液中的水分会不断损失,使硫酸浓度增大,需要补充蒸馏水。
(2)写出铅蓄电池放电时的电极反应式,分析放电过程中,负极质量的变化及电解质溶液pH的变化。
(3)写出铅蓄电池充电时的电极反应式;分析充电时,铅蓄电池的正、负极分别与直流电源的哪极相连
方法突破
1.二次电池的总结
(1)可充电电池电极类型和两极反应物的判断。
判断电池放电时电极类型和参加反应的物质,可先标出放电(原电池)总反应电子转移的方向,失去电子的一极为负极,失电子的物质即为负极参加反应的物质;得到电子的一极为正极,得电子的物质即为正极参加反应的物质。
(2)电极反应式的书写方法。
①分析价态变化确定正、负两极及其产物。
②先写出简单的电极反应式。
③用电池总反应方程式减去简单的电极反应式得到另一电极反应式。
(3)溶液中离子的移动方向判断。
放电时,阴离子移向负极,阳离子移向正极;充电时,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
(4)pH变化规律。
若电极反应消耗OH-(或H+),则电极周围溶液的pH减小(或增大),若电极反应生成H+(或OH-),则电极周围溶液的pH减小(或增大);若总反应的结果是消耗OH-(或H+),则溶液的pH减小(或增大),若总反应的结果是生成H+(或OH-),则溶液的pH减小(或增大);若两极消耗或生成的OH-(或H+)的物质的量相等,则溶液的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定,应具体分析。
2.二次电池充电、放电的原理
(1)二次电池是既能将化学能转化为电能(放电),又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为逆反应。
(2)充、放电时各电极上发生的反应。
(3)二次电池电极反应式的书写。
充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应刚好相反。例如,铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。
应用体验
视角1二次电池的认识
1.下列有关电池的叙述不正确的是(　　)
A.水果电池是方便实用的家用电池
B.铅蓄电池是一种常用的二次电池
C.氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置
D.锌锰干电池工作一段时间后,锌外壳逐渐变薄
A
解析 水果电池只能说明原电池原理,不能作为稳定的电源使用,不是方便实用的家用电池,A项错误;铅蓄电池可以反复多次充电、放电,是一种常用的二次电池,B项正确;燃料电池是一种高效的化学电源,氢氧燃料电池的产物为水,故是一种高效、无污染的原电池,C项正确;锌锰干电池是一次电池,工作一段时间后,锌失电子,不断溶解,外壳逐渐变薄,D项正确。
2.(2023河北任丘一中高二月考)我国科学家成功研制出CO2/Mg二次电池,在潮湿条件下的放电原理为
2Mg+3CO2+2H2O ══ 2MgCO3·H2O+C,模拟装置如图所示(已知放电时,Mg2+由负极向正极迁移)。下列说法正确的是(　　)
A.放电时,电流由镁极经外电路流向石墨极
B.放电时,正极的电极反应式为3CO2+2Mg2++2H2O+4e- ══ C+
2MgCO3·H2O
C.充电时,阴极上放出CO2,发生还原反应
D.充电时,当阳极质量净减12 g时,转移了4 mol电子
B
解析 根据放电原理,Mg的化合价升高,Mg电极为负极,石墨为正极,放电属于原电池,电流的方向是由正极经外电路流向负极,即电流由石墨经外电路流向镁极,故A错误;放电时,Mg2+由负极向正极迁移,根据在潮湿条件下的放电原理,正极反应式为3CO2+2Mg2++2H2O+4e- ══ 2MgCO3·H2O+C,故B正确;充电时,电池的正极接电源的正极,电池的负极接电源的负极,石墨为阳极,阳极电极反应式为2MgCO3·H2O+C-4e- ══ 3CO2↑+2Mg2++2H2O,故C错误;根据C选项分析,充电时,阳极上质量减少的是2MgCO3·H2O和C,即当阳极质量净减(2×102+12) g=216 g时,转移电子的物质的量为4 mol,故D错误。
视角2二次电池的分析
3.镍镉电池是一种可充电电池,使用寿命为10~15年。镍镉电池的总反应为Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2。下列说法不正确的是(　　)
A.放电时,负极发生氧化反应,电极反应式为Cd+2OH--2e- ══ Cd(OH)2
B.充电时,阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e- ══ NiOOH+H2O
C.电池工作时,负极区pH增大,正极区pH减小
D.该电池充电时将电能转化为化学能
C
解析 由电池反应可知,放电时负极的电极反应式为Cd+2OH--2e- ══ Cd(OH)2,负极区OH-浓度减小,pH减小;放电时正极反应式为NiOOH+H2O+e- ══ Ni(OH)2+OH-,正极区OH-浓度增大,pH增大,A项正确,C项错误。充电时阳极反应式为Ni(OH)2+OH--e- ══ NiOOH+H2O,B项正确。二次电池放电时将化学能转化为电能,充电时将电能转化为化学能,D项正确。
4.新型 LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的正极反应式为FePO4+ Li++e- ══ LiFePO4,负极反应式为Li-e- ══ Li+。下列说法正确的是(　　)
A.充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连
B.放电时电池总反应为FePO4+Li++e- ══ LiFePO4
C.放电时电池内部Li+向负极移动
D.放电时,在正极上Li+得电子被还原
A
解析 B项,放电时电池总反应为FePO4+ Li ══ LiFePO4;C项,放电时电池内部Li+向正极移动;D项,在正极上FePO4得电子被还原。
5.一种固定CO2的电化学装置如图所示,该电化学装置放电时可将CO2转化为Li2CO3和C,充电时选用合适催化剂,只有Li2CO3发生氧化反应,释放出CO2和O2。下列说法不正确的是(　　)
A.放电时,电极X是原电池负极
B.充电时,电极Y应与外接电源的
正极相连
C.充电时阳极发生氧化反应
D.放电时CO2在负极发生反应
D
解析 放电时,电极X上 Li失电子,则电极X是原电池负极,A项正确;放电时电极Y为正极,故充电时,电极Y应与外接电源的正极相连,B项正确;该电池充电时,阳极发生氧化反应,C项正确;放电时CO2生成C,则CO2在正极发生反应,D项错误。
6.铅蓄电池是典型的充电电池,电池总反应式为
Pb+PbO2+4H++2 2PbSO4+2H2O。
请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原):
(1)放电时:正极的电极反应式是　　　　　　　　　　　　　　　　　;电解液中H2SO4的浓度将变　　　　;当外电路通过
1 mol电子时,理论上负极板的质量增加　　 g。
(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时,若按图连接,充电一段时间后,则在A电极上生成　　　　　　　、充电过程中B电极的电极反应式为
　 。
解析 (1)放电相当于原电池。原电池中正极得到电子,发生还原反应,根据总反应式可知铅是负极,二氧化铅是正极,所以铅蓄电池中正极的电极反应式为PbO2+2e-+4H++ ══ PbSO4+2H2O。放电时消耗硫酸,因此硫酸浓度将减小。负极的电极反应式为Pb-2e-+ ══ PbSO4,所以通过1 mol电子时,负极质量增加为0.5 mol×96 g·mol-1=48 g。(2)根据装置图可知,充电时A和电源的负极相连,为阴极,得到电子发生还原反应,电极反应式为PbSO4+2e- ══ Pb+ 。B和电源的正极相连,为阳极,失去电子发生氧化反应,电极反应式为PbSO4-2e-+2H2O ══ PbO2+4H++ 。
探究二　燃料电池
情境探究
燃料电池是一种把燃料和氧化剂所具有的化学能直接转化成电能的化学装置。燃料电池用燃料和氧化剂作原料,排放出的有害气体极少,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是很有发展前景的发电装置。我国高度重视燃料电池技术的发展。氢能被誉为21世纪的“终极能源”,具有高效、环保等特点,氢能转化被视为新能源汽车的终极解决方案,2030年我国氢燃料电池汽车有望达百万辆。
(1)燃料电池与一次电池、二次电池相比有哪些优点
(2)以氢氧燃料电池为例,写出正、负极反应物并写出当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式。
(3)当氢氧燃料电池的电解质溶液为稀硫酸时,写出电极反应式。
提示 正、负极反应物分别是氧化剂和燃料,工作时将反应物不断地输入电池的两极,反应产物不断排出电池,能连续不断地提供电能,能量利用率高,污染小等。
提示 负极反应物是氢气,正极反应物是氧气。负极:2H2-4e-+4OH- ══ 4H2O;正极:O2+4e-+2H2O ══ 4OH-。
提示 负极:2H2-4e- ══ 4H+;正极:O2+4H++4e- ══ 2H2O。
方法突破
1.常见的四种典型燃料电池
名称 电解质溶液 电极反应和总反应
氢氧燃 料电池 KOH 溶液 正极:O2+4e-+2H2O══4OH-
负极:2H2-4e-+4OH-══4H2O
总反应:2H2+O2══2H2O
稀硫酸 正极:O2+4e-+4H+══2H2O
负极:2H2-4e-══4H+
总反应:2H2+O2══2H2O
名称 电解质溶液 电极反应和总反应
甲烷燃 料电池 KOH溶液 正极:2O2+4H2O+8e-══8OH-
负极:CH4+10OH--8e-══ +7H2O
总反应:CH4+2O2+2KOH══K2CO3+3H2O
甲醇燃 料电池 KOH溶液 正极:3O2+6H2O+12e-══12OH-
负极:2CH3OH+16OH--12e-══2 +12H2O
总反应:2CH3OH+3O2+4KOH══2K2CO3+6H2O
肼燃料 电池 KOH溶液 正极:O2+2H2O+4e-══4OH-
负极:N2H4+4OH--4e-══N2+4H2O
总反应:N2H4+O2══N2+2H2O
2.书写燃料电池电极反应式的三步骤
3.有机燃料电池电极反应式书写方法
电池的负极一定是可燃物,有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则,燃料失电子发生氧化反应,电池的正极多为氧气得电子,发生还原反应,特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如乙醇碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。
第一步:确定生成物。
乙醇燃烧生成CO2和H2O,其中CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和H2O,故生成物为 和H2O。
第二步:确定价态的变化及转移电子数。
乙醇(C2H6O)中碳元素的化合价为-2价, 中碳元素的化合价为+4价,故1 mol乙醇完全反应失去2×[4-(-2)] mol=12 mol 电子。
第三步:列出表达式。
第四步:确定电极反应式中各物质的化学计量数。
由碳原子守恒确定 的化学计量数为2,由电荷守恒确定OH-的化学计量数为16。
(注:失去12个电子,相当于带12个单位正电荷)
再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为11,故负极反应式为
应用体验
视角1燃料电池的认识
1.某氨气燃料电池的结构如图所示,下列说法错误的是(　　)
　　　　　　　　　　　　　
A.正极的电极反应式为O2+4e-+4H+ ══ 2H2O
B.电子流向:电极1→负载→电极2
C.Na+由左向右移动
D.NH3在电极1上发生氧化反应
A
解析 通入氧气的一极为正极,电解质溶液呈碱性,所以电极反应式为O2+4e-+2H2O ══ 4OH-,故A项错误;原电池中电子由负极经导线流向正极,根据分析可知电极1为负极,电极2为正极,所以电子的流向为电极1→负载→电极2,故B项正确;原电池中阳离子流向正极,所以钠离子自左向右移动,故C项正确;据题图可知NH3在电极1上转化为N2和H2O,失电子发生氧化反应,故D项正确。
归纳总结　电极反应式书写的两个注意点
(1)在电极反应式中,只有能溶于水的强电解质才能写成离子。
(2)在酸性溶液中,可发生消耗H+和产生H+的反应,不可能发生消耗OH-和产生OH-的反应;同理,在碱性溶液中,可发生消耗OH-和产生OH-的反应,不可能发生消耗H+和产生H+的反应。
2.由于具有超低耗电量、寿命长的特点,LED产品越来越受人欢迎。如图是氢氧燃料电池驱动LED发光的装置。下列说法正确的是(　　)
①a处通入的气体是氢气,b处通入的气体是氧气;
②该装置中只涉及两种形式的能量变化;
③电池正极的电极反应式为O2+2H2O+4e- ══ 4OH-;
④P型半导体连接的是电池负极。
A.①② B.①③ C.③④ D.②④
B
解析 ①由电子流向可知a为负极,b为正极,负极上发生氧化反应,a处应通入氢气,正极上发生还原反应,b处通入的是氧气,故①正确;②该装置的能量转换形式有化学能、电能和光能,故②错误;③a为负极,发生的电极反应为H2-2e-+2OH- ══ 2H2O,b为正极,发生的电极反应为O2+2H2O+4e- ══ 4OH-,故③正确;④P型半导体连接的是电池正极,故④错误。
3.某种熔融碳酸盐燃料电池以 Li2CO3、K2CO3为电解质,以C4H10为燃料,该电池工作原理如下图。下列说法正确的是(　　)
A.a为C4H10,b为混有CO2的空气
B.在熔融电解质中, 向b极移动
C.此电池在常温时也能工作
D.通入丁烷的一极是负极,电极反应式为
C4H10+26e-+13 ══ 17CO2↑+5H2O
A
解析 燃料电池中通入燃料的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极,根据电子流向知,左边电极是负极,右边电极是正极,所以a是C4H10,b为混有CO2的空气,A项正确;原电池放电时,碳酸根离子向负极移动,即向a极移动,B项错误;电解质为熔融碳酸盐,需要高温条件,C项错误;通入丁烷的一极是负极,负极失去电子,D项错误。
4.利用微生物燃料电池处理某废水的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作过程中有CO2放出
B.b为正极,放电时发生还原反应
C.a极上的电极反应为H2S+4H2O-8e- ══ +10H+
D.当电路中有0.8 mol e-转移时,通过质子交换膜的H+数目为NA
D
解析 硫酸盐还原菌将有机物中的硫元素还原,有机物被分解生成H2S和CO2,H2S被硫氧化菌氧化得到 ,电子从电极a流出,H+通过质子交换膜进入b极区。电池工作过程中有CO2放出,A正确;b为H+移向一极,则b为正极,放电时得电子,发生还原反应,B正确;a极上发生氧化反应,电极反应为H2S+4H2O-8e- ══ +10H+,C正确;根据氧化还原反应原理,得失电子总数相等,当电路中有0.8 mol e-转移时,通过质子交换膜的H+数目为0.8NA,D错误。
视角2燃料电池的分析及相关计算
5.甲醇燃料电池的结构示意图如下,甲醇在催化剂作用下提供质子(H+)和电子,电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应,电池总反应为2CH3OH+3O2 ══ 2CO2+4H2O。下列说法不正确的是(　　)
A.左电极为电池的负极,a处通入的物质是甲醇
B.正极反应式为O2+2H2O+4e- ══ 4OH-
C.负极反应式为CH3OH+H2O-6e- ══ CO2↑+6H+
D.该电池外电路中每转移1 mol e-时,消耗氧气0.25 mol
B
解析 负极反应式为CH3OH+H2O-6e- ══ CO2↑+6H+,正极反应式为O2+4H++4e- ══ 2H2O;根据电子流向,可以判断a处通入甲醇,b处通入O2;外电路中每转移1 mol e-时,消耗O2的物质的量为1× mol=0.25 mol。
6.一氧化氮-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时,实现了制硝酸、发电、环保三位一体,其工作原理如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.电极Ⅰ为负极,在工作时该电极上发生氧化反应
B.电极Ⅱ上发生的电极反应式为O2+4H++4e- ══ 2H2O
C.电池工作时H+穿过质子交换膜向右侧(电极Ⅱ)迁移
D.若过程中产生2 mol HNO3,则消耗O2的体积为33.6 L
D
解析 由图可知,燃料电池工作时氮元素价态升高失电子,电极Ⅰ为负极,电极反应式为NO-3e-+2H2O ══ HNO3+3H+,电极Ⅱ为正极,电极反应式为O2+4H++4e- ══ 2H2O。电极Ⅰ为负极,NO失电子发生氧化反应,故A正确;电极Ⅱ为正极,电极反应式为O2+4H++4e- ══ 2H2O,故B正确;原电池工作时,阳离子向右侧(电极Ⅱ)迁移,故C正确;题目未说明是标准状况,无法计算气体的体积,故D错误。
本 课 结 束