1.2 第2课时 化学电源 学案（含答案）2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

1.2 第2课时　化学电源
【学习目标】
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。
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。
【自主预习】
一、化学电源的分类
　　　　是各种化学电源的雏形,常分为以下三类:
1.一次电池:也叫作　　　　,放电后不可再充电。
2.二次电池:又称　　　　或蓄电池,放电后可以再充电而反复使用的电池。
3.燃料电池:连续地将　　　　和　　　　的化学能直接转化为电能的化学电源。
二、常见电池
1.锌锰干电池
项目 酸性锌锰干电池 碱性锌锰干电池
电极 　　　　作负极,　　　　作正极
电解质 氯化铵和氯化锌 氢氧化钾
电极 反应 负极 Zn-2e-Zn2+ Zn+2OH--2e-ZnO+H2O　
正极 2MnO2+2N+2e-Mn2O3+2NH3+H2O　　　　　　　　 MnO2+H2O+e-MnOOH+OH-
电池反应 Zn+2MnO2+2NH4Cl2NH3+ZnCl2+Mn2O3+H2O Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO
2.铅蓄电池
(1)电极材料
(2)电解质溶液:　　　　　　溶液。
(3)原理
(4)特点:性能优良,造价低,可多次充放电;主要缺点是单位质量电池释放的电能少。
3.氢氧燃料电池
(1)原理(电极反应及电池反应)
项目 酸性燃料电池 碱性燃料电池
电极材料 石墨
电解质 磷酸等酸性溶液 KOH溶液
电极 反应 负极 2H2-4e-4H+ 2H2+4OH--4e-4H2O
正极 O2+4H++4e-2H2O O2+2H2O+4e-4OH-
电池反应 2H2+O22H2O
(2)特点:能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。
【微点拨】
　　燃料电池的两电极材料不参与反应,而是燃料(还原性气体或液体)和氧化剂分别在两极发生反应。
【参考答案】一、原电池　1.干电池　2.可充电电池　3.燃料　氧化剂
二、1.锌　石墨　2.(1)铅　二氧化铅　(2)H2SO4
(3)Pb+S-2e-PbSO4
PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O
Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
PbSO4+2e-Pb+S
PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S
2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)手机、电脑使用的电池为一次电池。 (　　)
(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时,负极反应相同。 (　　)
(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。 (　　)
(4)氢氧燃料电池的电极材料一般不参与反应。 (　　)
(5)氢氧燃料电池的负极反应为H2-2e-2H+。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×
【解析】(1)手机、电脑使用的是二次电池。
(2)酸性锌锰干电池负极反应为Zn-2e-Zn2+,碱性锌锰干电池负极反应为Zn+2OH--2e-ZnO+H2O。
(3)铅蓄电池放电时负极反应为充电时阴极反应的逆反应。
(5)氢氧燃料电池在碱性环境中的负极反应为H2+2OH--2e-2H2O。
2.化学电池与其他能源相比有哪些优点
【答案】方便携带、易于维护,能量转化效率较高,供能稳定可靠,可以制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组等。
3.你能说出铅蓄电池的优缺点吗
【答案】①优点:可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,在生产、生活中应用广泛。②缺点:比能量低、笨重,废弃的电池污染环境。
【合作探究】
任务1：一次电池
情境导入　原电池是各种化学电源的雏形,我们现在使用的各种化学电源都是科技人员在原电池这一理论模型的基础之上,研制出的性能更好的各种实用电池。
根据原电池原理,人们设计了多种电池。如锌锰电池、铅蓄电池、小型燃料电池、锌银电池、锂离子电池。
这些电池广泛应用于通信、交通、文化、办公及家用电子产品,在高科技行业中也有着特殊的应用。在日常生活和学习中,你用过哪些电池呢
问题生成
1.指出上述电池中哪些是一次电池 哪些是二次电池
【答案】一次电池:锌锰电池、锌银电池;二次电池:铅蓄电池、锂离子电池。
2.一次电池和二次电池有什么区别
【答案】一次电池不可以充电;二次电池可以充电,可重复使用。
3.对比分析酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池,指出它们的电解质溶液,并分析碱性锌锰干电池的优点。
【答案】前者电解质溶液为氯化锌、氯化铵混合液,后者电解质溶液为氢氧化钾溶液。碱性锌锰干电池的优点:单位质量输出的电能多且储存时间长,能提供较大电流并连续放电。
4.碱性锌锰干电池是一种常用的一次电池,电池反应为Zn+2MnO2+H2O2MnOOH+ZnO。写出该电池的电极反应。
【答案】负极反应:Zn+2OH--2e-ZnO+H2O;正极反应:2MnO2+2H2O+2e-2MnOOH+2OH-。
【核心归纳】
书写化学电池电极反应的一般方法
书写电极反应时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负
极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后根据质量守恒和电荷守恒写出电极反应。电极反应书写的一般方法有:
(1)拆分法
①写出电池反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把电池反应按氧化反应和还原反应拆分为两个半反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及得失电子守恒配平两个半反应:
正极:2Fe3++2e-2Fe2+。
负极:Cu-2e-Cu2+。
(2)加减法
①写出电池反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中一个容易的半反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用电池反应与上述的一极反应相减,即得另一个电极的电极反应,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
【典型例题】
【例1】碱性锌锰干电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列关于该电池的说法中正确的是(　　)。
A.Zn为负极,MnO2为正极
B.工作时电子由MnO2经由外电路流向Zn
C.工作时OH-移向正极
D.电池放电过程中,溶液的酸碱性一定不变
【答案】A
【解析】由碱性锌锰电池的总反应Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2可知,正极是MnO2得电子被还原,负极是金属锌失电子被氧化,A项正确;工作时外电路电子由负极流向正极,即电子由Zn经由外电路流向MnO2,B项错误;电池工作时阴离子OH-向负极(锌电极)移动,C项错误;碱性锌锰电池中的电解质为KOH溶液,由碱性锌锰电池的总反应Zn+2MnO2+2H2O2MnO(OH)+Zn(OH)2可知,电池放电过程中,KOH物质的量不变,但反应消耗水,OH-的浓度增大,溶液的碱性增强,D项错误。
【例2】纽扣电池是一种携带方便的微型银锌电池,其结构如图所示,下列有关说法错误的是(　　)。
A.电池工作时,化学能转化成电能
B.电池工作一段时间后,电解质溶液的碱性减弱
C.锌作电池的负极
D.电池工作时,正极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-
【答案】B
【解析】由分析可知,该装置为化学能转化成电能的原电池,A项正确;由分析可知,电池总反应为Zn+Ag2O+H2OZn(OH)2+2Ag,则电池工作一段时间后,电解质溶液中水的量减小,氢氧化钾溶液的浓度增大,溶液的碱性增强,B项错误;由分析可知,锌为原电池的负极,C项正确;由分析可知,氧化银为正极,氧化银得到电子生成银和氢氧根离子,电极反应为Ag2O+2e—+H2O2Ag+2OH-,D项正确。
任务2：二次电池
情境导入　
铅蓄电池是典型的二次电池,其性能优良、价格低廉、安全可靠、可多次充放电,所以在生产、生活中使用广泛,如汽车、电动自行车等都使用这种电池。其充、放电时的电池反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。
问题生成
1.写出铅蓄电池放电时的电极反应,分析放电过程中,负极质量的变化及电解质溶液pH的变化。
【答案】负极:Pb(s)+S(aq)-2e-PbSO4(s);正极:PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq)+2e-PbSO4(s)+2H2O(l);放电过程中,负极的质量增大,电解质溶液的pH升高。
2.写出铅蓄电池充电时的电极反应;分析充电时,阴、阳极分别与直流电源的哪极相连。
【答案】阴极:PbSO4(s)+2e-Pb(s)+S(aq);阳极:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-PbO2(s)+4H+(aq)+S(aq);充电时,铅蓄电池的阳极与直流电源正极相连,阴极与直流电源负极相连。
3.对比分析充电、放电时电极反应的关系。
【答案】充电时阴极(或阳极)的电极反应与该电池放电时负极(或正极)的电极反应形式上互为逆反应。
【核心归纳】
二次电池的反应规律
二次电池有充电和放电两个过程,放电发生的是原电池反应,充电发生的是电解池反应。充电的电极反应过程与放电的电极反应过程相反,充电时的阳极反应为放电时正极反应的逆过程,充电时的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。
(1)充电:原电池负极电源负极,原电池正极电源正极。
(2)放电时的负极反应和充电时的阴极反应、放电时的正极反应和充电时的阳极反应在形式上互逆。将负(正)极反应变方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应。放电总反应和充电总反应在形式上互逆(但不是可逆反应)。
【典型例题】
【例3】镍镉电池是一种二次电池,使用寿命为10~15年。镍镉电池的总反应为Cd+2NiOOH+2H2O2Ni(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,电极反应为Cd+2OH--2e-Cd(OH)2
B.充电时,阳极反应为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
【答案】C
【解析】由电池反应可知,放电时负极反应为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;充电时阳极反应与放电时的正极反应形式上互为逆反应,即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。
【例4】我国科学家发明了一种“可固氮”的锂-氮二次电池,用可传递Li+的醚类作电解质,电池反应为6Li+N22Li3N。下列说法正确的是(　　)。
A.固氮时,锂电极上发生还原反应
B.脱氮时,钌复合电极的电极反应:2Li3N-6e-6Li++N2↑
C.固氮时,外电路中电子由钌复合电极流向锂电极
D.固氮时,钌复合电极作负极
【答案】B
【解析】根据电池反应6Li+N22Li3N可知,固氮时,锂电极作负极,发生氧化反应,负极反应为6Li-6e-6Li+,钌复合电极作正极,Li+移向正极,氮气在正极得电子,发生还原反应,电极反应为6Li++N2+6e-2Li3N。
方法技巧：认识二次电池时可记住如下规律
(1)正正负负——原电池的正极充电时要与外电源的正极相连,原电池的负极充电时要与外电源的负极相连。
(2)颠颠倒倒——原电池的正极反应左右两边颠倒过来,就是充电时电解池的阳极反应;原电池的负极反应左右两边颠倒过来,就是充电时电解池的阴极反应。
任务3：燃料电池
情境导入　中新网北京新闻2022年2月10日电:北京大力推动燃料电池汽车产业发展。截至2021年底,北京累计新能源汽车保有量已达50.7万辆。北京冬奥会、冬残奥会坚持绿色办奥理念,在京投入312辆燃料电池汽车,开展了大规模示范运营。
问题生成
1.你知道的燃料电池有哪些
【答案】氢氧燃料电池、甲醇燃料电池、肼燃料电池等。
2.哪些物质可以用作氢氧燃料电池的电解质溶液
【答案】KOH溶液、稀硫酸、磷酸溶液等。
3.燃料电池与一次电池、二次电池相比有哪些优点
【答案】燃料电池的正、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。
4.以氢氧燃料电池为例,写出正、负极反应物与当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应。
【答案】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-+2H2O4OH-。
5.当氢氧燃料电池的电解质溶液为稀硫酸时,写出电极反应。
【答案】负极:2H2-4e-4H+;正极:O2+4H++4e-2H2O。
6.电解质溶液的酸碱性对书写电极反应有何影响
【答案】碱性溶液中电极反应不出现H+,酸性溶液中电极反应不出现OH-。
7.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
【答案】酸性燃料电池中溶液的pH变大,碱性燃料电池中溶液的pH变小。
【核心归纳】
燃料电池电极反应的书写
(1)正极反应的书写
正极通入的气体一般是氧气,发生还原反应:O2+4e-2O2-。根据电解质的不同,分以下四种情况:
①在酸性溶液中生成水:O2+4H++4e-2H2O。
②在碱性溶液中生成OH-:O2+2H2O+4e-4OH-。
③在固体电解质(高温下能传导O2-)中生成O2-:O2+4e-2O2-。
④在熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)中生成C:O2+2CO2+4e-2C。
(2)负极反应的书写
负极通入的是燃料,发生氧化反应,负极生成的离子一般与正极产物结合,有以下几种情况:
①若负极通入的气体是氢气,则a.酸性溶液中:H2-2e-2H+。b.碱性溶液中:H2-2e-+2OH-2H2O。c.熔融氧化物中:H2-2e-+O2-H2O。
②若负极通入的气体为含碳的化合物,如CO、CH4、CH3OH等,碳元素均转化为正四价碳的化合物,在酸性溶液中生成CO2,在碱性溶液中生成C;含有的氢元素最终生成水。根据碳元素化合价的改变写出失去的电子数,再根据电荷守恒和原子守恒即可写出电极反应。如CH3OH燃料电池负极反应在酸性溶液中为CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+,在碱性溶液中为CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O。
【典型例题】
【例5】某液氨-液氧燃料电池的工作原理如图所示,下列有关说法正确的是(　　)。
A.电极2发生氧化反应
B.电池工作时,Na+向负极移动
C.电流由电极1经外电路流向电极2
D.电极1发生的电极反应为2NH3+6OH--6e-N2↑+6H2O
【答案】D
【解析】由图示可知,电极2为正极,发生还原反应,A项错误;电解质溶液中的阳离子向正极移动,B项错误;电流从正极
经外电路流向负极,应从电极2经外电路流向电极1,C项错误;负极NH3放电生成N2,D项正确。
【例6】锌-空气电池可用作电动车的动力电源,其工作原理如图所示。下列说法中错误的是(　　)。
A.隔膜应为阳离子交换膜
B.放电时,电解质溶液中c(OH-)逐渐减小
C.放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-
D.多孔炭可增大电极与电解质溶液的接触面积,也有利于O2扩散至电极表面
【答案】A
【解析】电子流出的一极为负极,则金属锌为原电池的负极,右侧为原电池的正极。放电时,负极反应为Zn+4OH--2e-[Zn(OH)4]2-,正极反应为O2+4e-+2H2O4OH-,即当有1 mol锌反应时,溶液中有4 mol氢氧根离子被消耗,通过隔膜从右侧移动过来的氢氧根离子为2 mol,故隔膜为阴离子变换膜且电解液中的氢氧根离子浓度减小,A项错误,B、C两项正确;多孔炭可增大电极与电解质溶液的接触面积,也有利于O2扩散至电极表面,D项正确。
灵犀一点：解答燃料电池题目的几个关键点
1.要注意介质是什么,是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。
2.通入负极的物质为燃料,通入正极的物质为氧气。
3.通过介质中离子的移动方向,可判断电池的正、负极,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
【随堂检测】
课堂基础
1.下列电池不属于化学电池的是(　　)。
A.碱性干电池　　　　　B.铅蓄电池
C.燃料电池 D.太阳能电池
【答案】D
【解析】常见的化学电池有碱性干电池、蓄电池、燃料电池,可以将化学能转化为电能,而太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置,不是化学电池,故选D项。
2.下列有关电池的说法错误的是(　　)。
A.手机中使用的锂离子电池属于二次电池
B.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
C.锌铜原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌电极
D.铅蓄电池使用一段时间后,电解质溶液的酸性减弱,导电能力下降
【答案】C
【解析】手机中使用的锂离子电池是一类放电后可以再充电而反复使用的电池,属于二次电池,A项正确;甲醇燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池,B项正确;锌铜原电池工作时,锌为负极,铜为正极,电子沿外电路从负极锌流向正极铜,C项错误;铅蓄电池使用一段时间后电解质硫酸被消耗,酸性减弱,导电能力下降,D项正确。
对接高考
3.(2022·湖南卷,8)海水电池在海洋能源领域备受关注,一种锂-海水电池构造示意图如下。下列说法错误的是(　　)。
A.海水起电解质溶液作用
B.N极仅发生的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
C.玻璃陶瓷具有传导离子和防水的功能
D.该锂-海水电池属于一次电池
【答案】B
【解析】海水中含有丰富的电解质,如氯化钠、氯化镁等,可作为电解质溶液,A项正确;N为正极,电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑、O2+4e-+2H2O4OH-,B项错误;Li为活泼金属,易与水反应,玻璃陶瓷的作用是防止水和Li反应,并能传导离子,C项正确;该电池不可充电,属于一次电池,D项正确。
4.(2021·辽宁卷,10)如图,某液态金属储能电池放电时产生金属化合物Li3Bi。下列说法正确的是(　　)。
A.放电时,M电极反应为Ni-2e-Ni2+
B.放电时,Li+由M电极向N电极移动
C.充电时,M电极的质量减小
D.充电时,N电极反应为Li3Bi+3e-3Li++Bi
【答案】B
【解析】由题干信息可知,放电时,由于M极上的Li比Ni更活泼,也比N极上的Sb、Bi、Sn活泼,故M极作负极,电极反应为Li-e-Li+,N极为正极,电极反应为3Li++3e-+BiLi3Bi。A项,放电时,M电极反应为Li-e-Li+,错误;B项,放电时,M极为负极,N极为正极,故Li+由M电极向N电极移动,正确;C项,由二次电池的原理可知,充电时和放电时同一电极上发生的反应互为逆过程,充电时M电极反应为Li++e-Li,故电极质量增大,错误;D项,充电时,N电极反应为Li3Bi-3e-3Li++Bi,错误。
5.(2021·福建卷,9)催化剂TAPP-Mn(Ⅱ)的应用,使Li-CO2电池的研究取得了新的进展。Li-CO2电池结构和该催化剂作用下正极反应可能的历程如图所示。
下列说法错误的是(　　)。
A.Li-CO2电池可使用有机电解液
B.充电时,Li+由正极向负极迁移
C.放电时,正极反应为3CO2+4Li++4e-2Li2CO3+C
D.*LiCO2、*CO、*LiC2O3和C都是正极反应的中间产物
【答案】D
【解析】A项,Li是活泼金属,能与水发生反应,因此不能采用水溶液作为电解质,可使用有机电解液,正确;B项,充电时原电池的负极与电源负极相连作阴极,原电池的正极与电源正极相连作阳极,阳离子由阳极向阴极移动,则Li+由正极向负极迁移,正确;C项,由装置可知,该原电池的正极为二氧化碳得电子生成C单质,电极反应为3CO2+4Li++4e-2Li2CO3+C,正确;D项,由正极的反应历程图可知,C为最终的产物,不是中间产物,错误。
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