1.2 第2课时 化学电源 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册
文档属性
| 名称 | 1.2 第2课时 化学电源 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册 |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 209.0KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 苏教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-04-09 20:05:06 | ||
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文档简介
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,学会书写常见的电池反应方程式和电极反应。
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识模型。
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。
【合作探究】
【学习情境】
伏特是意大利帕维亚大学研究电学的物理学家,有一天,伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文,说动物肌肉里贮存着电,可以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文,伏特非常兴奋,便决定亲自来做这个实验,他用许多只活青
蛙反复试验,终于发现,实际情况并不像加伐尼所说的那样,而是两种不同的金属接触产生的电流,才使蛙腿的肌肉充电而收缩。为了证明自己的发现是正确的,伏特决定更深入地了解电的来源。为了纪念他的贡献,人们把电压的计量单位叫作伏特,简称伏,符号V。比如我们手电筒里电池的电压是1.5 V,我们家里电灯的电压是220 V。
任务1 一次电池
【新知生成】
1.化学电池的分类
(1)电池的分类
①一次电池:只能放电,不能充电,消耗到一定程度不能再使用的为一次电池,也称为干电池,常见的一次电池有普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等。
②二次电池:可反复放电和充电,充电时为电解池,放电时为原电池的叫二次电池,也称为可充电电池或蓄电池,如铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。
③燃料电池:燃料电池是将化学能直接转化为电能的化学电池,能量利用率高,无污染。常见的燃料电池为氢氧燃料电池等。
(2)电池的优点:能量转换效率较高,供能稳定可靠,可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组,使用方便,便于维护,并可在各种环境下工作。
(3)电池优劣的判断标准:主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量,单位是W·h·kg-1,W·h·L-1),或者输出功率的大小(比功率,单位是W·kg-1,W·L-1)以及电池的储存时间的长短。一般地,质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池,更适合使用者的需要。
2.常见的一次电池
(1)普通锌锰电池
①组成:正极为 ,负极为 ,电解质溶液为NH4Cl和ZnCl2混合液。
②电极反应:负极:Zn-2e-Zn2+,正极:2MnO2+2N+2e-2NH3+H2O+Mn2O3。
③电池总反应:Zn+2MnO2+2NH4ClZnCl2+2NH3↑+H2O+Mn2O3
④特点:制作简单,价格便宜,存放时间短,放电后电压下降较快。
(2)碱性锌锰电池
①碱性锌锰电池的负极是 ,正极是 ,电解质是 溶液。
②电极反应:
负极:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2;正极:2MnO2+2e-+2H2O2MnOOH+2OH-。
③电池总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。
④优点:比能量和储存时间有所提高,适用于大电流和连续放电(电流稳定,放电容量、时间增大几倍,不会胀气或漏液)。
【答案】2.(1)石墨电极 锌筒 (2)Zn MnO2 KOH
【核心突破】
典例1 有一种银锌电池,其电极分别为Ag2O和Zn,电解质溶液为NaOH溶液,其中Ag2O极的电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,根据上述反应式,下列说法正确的是( )
A.使用过程中,电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
B.使用过程中,溶液中OH-向Ag2O电极移动
C.使用过程中,电极正极溶液的pH增大
D.使用过程中,Zn电极发生还原反应,Ag2O电极发生氧化反应
【解析】Ag2O极的电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,Ag2O为正极,Zn为负极,电子由负极Zn极经外电路流向正极Ag2O极,A项错误;电池工作时,阴离子向负极移动,则溶液中OH-向Zn电极移动,B项错误;由正极反应式可知,电池工作时,正极溶液生成OH-,溶液的pH增大,C项正确;Ag2O电极发生得到电子的还原反应,Zn极为负极,Zn电极发生失去电子的氧化反应,D项错误。
【答案】C
归纳总结：书写化学电池电极反应式的一般方法
书写电极反应式时,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,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有:
(1)拆分法
①写出总反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把总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写出总反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
训练1 常见的锌锰干电池工作时的反应为Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。下列说法正确的是( )
A.金属Zn所在的电极为正极
B.MnO2在正极处得到电子
C.MnOOH中Mn元素的化合价为-1
D.电池放电时将电能转化为化学能
【解析】Zn失去电子,化合价升高,则金属Zn发生氧化反应,金属Zn所在的电极为负极,A项错误;MnO2中Mn元素呈+4价,MnOOH中Mn元素呈+3价,则MnO2在正极处得到电子,发生还原反应,B项正确,C项错误;电池放电时,将化学能转化为电能,D项错误。
【答案】B
任务2 二次电池
【新知生成】
1.铅蓄电池
铅蓄电池是最常见的二次电池,铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,电解液是H2SO4溶液,如图所示。
铅蓄电池的构造
(1)放电时的反应——原电池原理
①负极: 。
②正极: 。
③总反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
(2)充电时的反应——电解原理
①阴极: 。
②阳极: 。
铅蓄电池的反应原理:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
(3)优点:电压稳定、使用方便、安全可靠和价格低廉;
缺点:比能量低、笨重。
2.锂离子电池
负极材料为嵌锂石墨,正极材料为LiCoO2(钴酸锂);电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)。
放电时,负极反应为LixCy-xe-xLi++Cy
正极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
总反应为LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy
优点:质量小、体积小、便于储存和输出能量大。
【答案】1.(1)①Pb+S-2e-PbSO4(氧化反应) ②PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O(还原反应) (2)①PbSO4+2e-Pb+S(还原反应)
②PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S(氧化反应)
【核心突破】
典例2 用氟硼酸(HBF4属于强酸)代替硫酸作铅蓄电池的电解质溶液,可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良,总反应为Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质。下列说法正确的是( )
A.放电时,B向PbO2电极移动
B.充电时,阴、阳两极增加的质量相等
C.放电时,电子由Pb电极经氟硼酸溶液流向PbO2电极
D.充电时,阳极的电极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+
【解析】电池的总反应为Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,又Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质,则放电时负极反应为Pb-2e-Pb2+,Pb为负极;正极反应为PbO2+2e-+4H+Pb2++2H2O,PbO2为正极。放电时阴离子向负极移动,则B向Pb电极移动,A项错误;充电时,阳极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,阴极反应为Pb2++2e-Pb,阴、阳两极增加的质量不相等,B项错误;放电时,电子由Pb电极经过外电路流向PbO2电极,不能经过氟硼酸溶液,C项错误;充电时,阳极的电极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,D项正确。
【答案】D
归纳总结：可充电电池的反应规律
可充电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。
充电:原电池负极电源负极,原电池正极电源正极。
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)极反应式变方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。放电总反应和充电总反应在形式上互逆(但不是可逆反应)。
训练2 一种可充电锂离子电池的示意图如下,已知Li1-xCoO2中x<1,下列关于锂离子电池的说法不正确的是( )
A.放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6
B.放电时,Li+在电解质中由负极通过A膜向正极迁移
C.充电时,若转移1 mol e-,左侧电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
【解析】该电池放电时LixC6失电子被氧化,为负极,电极反应为LixC6-xe-xLi++C6,正极上Li1-xCoO2得电子发生还原反应生成LiCoO2,为正极,电极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,则总反应为 Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6,A项正确;放电时,阳离子向正极移动,则Li+在电解质中由负极通过A膜向正极迁移,B项正确;充电时,左侧电极为阴极,发生还原反应,电极反应为C6+xLi++xe-LixC6,若转移1 mol e-,电极增加的质量为7g·mol-1×1 mol=7g,C项错误;充电时,右侧电极为阳极,LiCoO2 失电子被氧化为Li1-xCoO2,电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
【答案】C
任务3 燃料电池
【新知生成】
1.概念
燃料电池是利用 和 之间发生的 ,将 的化学电池。燃料电池的氧化剂和还原剂 全部 ,而是在工作时 ,同时将电极反应产物 ,因此,燃料电池能连续不断地提供电能。燃料电池的能量转化率高(超过80%),普通的电池只有30%,有利于节约能源。
2.氢氧燃料电池
(1)结构(如图所示)
氢氧燃料电池工作原理示意图
(2)工作原理
电解质溶液为酸性时:
负极(Pt)电极反应:2H2-4e-4H+
正极(Pt)电极反应:O2+4e-+4H+2H2O
电池总反应:2H2+O22H2O
3.燃料电池的规律:燃料作负极,助燃剂氧气作正极;电极材料一般不参与电极反应,起传导电子的作用。
【答案】1.燃料 氧化剂 氧化还原反应 化学能直接转化为电能 不是 储藏在电池内 不断从外界输入
不断排出电池
【核心突破】
典例3 以甲烷为燃料的新型电池得到广泛的研究,目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池的工作原理示意图如下。下列说法错误的是( )
A.以甲烷为燃料,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池
B.A电极为电池正极,发生还原反应
C.B电极反应为CH4+4O2--8e-CO2+2H2O
D.该电池的总反应:CH4+2O2CO2+2H2O
【解析】因为甲烷比氢气易得到,成本低,所以以甲烷为燃料,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池,A项正确;A电极通入氧气,O2发生得电子的还原反应生成O2-,A电极为电池正极,B项正确;B电极通入甲烷,甲烷失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和水,电极反应为CH4+4O2--8e-CO2+2H2O,C项正确;燃料电池的反应条件不是点燃,D项错误。
【答案】D
归纳总结：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-。
(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,在熔融碳酸盐中生成CO2,在熔融氧化物中生成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式。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。
训练3 氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30%KOH溶液为电解液的这种电池在使用时的总反应为2H2+O22H2O。某电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O。下列说法不正确的是( )
A.氢气通入负极,氧气通入正极
B.氢氧燃料电池将氢气和氧气燃烧产生的热能全部转化为电能
C.供电时的正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
D.产物为无污染的水,属于环境友好电池
【解析】氧气中氧元素化合价降低,O2通入正极,氢气中氢元素化合价升高,H2通入负极,A项正确;氢氧燃料电池是将化学能转化为电能的装置,还会伴有热能等能量的释放,B项错误;正极上氧气得电子发生还原反应,碱性环境下电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C项正确;氢氧燃料电池产物是水,对环境无污染,属于环境友好电池,D项正确。
【答案】B
课堂小结
【随堂检测】
1.下列电池不属于化学电池的是( )
A.一次电池 B.二次电池 C.燃料电池 D.太阳能电池
【解析】一次电池、二次电池、燃料电池放电时将化学能转化为电能,属于化学电池;太阳能电池将太阳能转化为电能,不属于化学电池。
【答案】D
2.一种新型锂-氮电池的装置图如下,它以可传递Li+的醚类物质作电解质,电池的总反应为6Li+N22Li3N。电池工作时,下列说法正确的是( )
A.X极发生还原反应
B.电流由X极经用电器流入Y极
C.转移1 mol电子时,有2 molLi+从左向右移动
D.Y极的电极反应为6Li++N2+6e-2Li3N
【解析】根据电池总反应,Li失电子发生氧化反应,锂电极为负极,即X极为负极,A项错误;Y极为正极,电流由Y极经用电器流入X极,B项错误;X极的电极反应为Li-e-Li+,Y极的电极反应为6Li++N2+6e-2Li3N,转移1 mol电子时,有1 molLi+从左向右移动,C项错误,D项正确。
【答案】D
3.氢氧燃料电池以氢气作还原剂,氧气作氧化剂,电极为多孔镍,电解质溶液为30%的氢氧化钾溶液。以下有数种说法:
①负极反应为O2+2H2O+4e-4OH-;②负极反应为2H2+4OH--4e-4H2O;③电池工作时正极区pH升高,负极区pH下降;④电池工作时溶液中的阴离子移向正极。正确的是( )
A.①③④ B.②③ C.②④ D.①④
【解析】①氢氧燃料电池中,碱性条件下,氧气在正极得到电子发生还原反应生成OH-,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,错误;②碱性条件下,氢气在负极失去电子发生氧化反应生成水,电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O,正确;③电池工作时,负极的电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O,OH-被消耗,则负极区pH下降,正确;④电池工作时溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,错误。
【答案】B
4.科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收还能获得能源并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应为O2+4H++4e-2H2O
C.电路中每通过2 mol电子,在正极消耗22.4L H2S
D.每17g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区
【解析】根据图示,a极上硫化氢失电子生成S2和H+,发生氧化反应,则a为负极,A项正确;电极b是正极,电极反应为O2+4H++4e-2H2O,B项正确;气体存在的温度、压强未知,不能确定气体的物质的量,C项错误;17g H2S的物质的量为0.5 mol,负极电极反应为2H2S-4e-S2+4H+,正极反应为O2+4H++4e-2H2O,故每17g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区,D项正确。
【答案】C
2
【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,学会书写常见的电池反应方程式和电极反应。
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识模型。
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。
【合作探究】
【学习情境】
伏特是意大利帕维亚大学研究电学的物理学家,有一天,伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文,说动物肌肉里贮存着电,可以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文,伏特非常兴奋,便决定亲自来做这个实验,他用许多只活青
蛙反复试验,终于发现,实际情况并不像加伐尼所说的那样,而是两种不同的金属接触产生的电流,才使蛙腿的肌肉充电而收缩。为了证明自己的发现是正确的,伏特决定更深入地了解电的来源。为了纪念他的贡献,人们把电压的计量单位叫作伏特,简称伏,符号V。比如我们手电筒里电池的电压是1.5 V,我们家里电灯的电压是220 V。
任务1 一次电池
【新知生成】
1.化学电池的分类
(1)电池的分类
①一次电池:只能放电,不能充电,消耗到一定程度不能再使用的为一次电池,也称为干电池,常见的一次电池有普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池等。
②二次电池:可反复放电和充电,充电时为电解池,放电时为原电池的叫二次电池,也称为可充电电池或蓄电池,如铅蓄电池、锂离子电池、镍氢电池等。
③燃料电池:燃料电池是将化学能直接转化为电能的化学电池,能量利用率高,无污染。常见的燃料电池为氢氧燃料电池等。
(2)电池的优点:能量转换效率较高,供能稳定可靠,可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组,使用方便,便于维护,并可在各种环境下工作。
(3)电池优劣的判断标准:主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量,单位是W·h·kg-1,W·h·L-1),或者输出功率的大小(比功率,单位是W·kg-1,W·L-1)以及电池的储存时间的长短。一般地,质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池,更适合使用者的需要。
2.常见的一次电池
(1)普通锌锰电池
①组成:正极为 ,负极为 ,电解质溶液为NH4Cl和ZnCl2混合液。
②电极反应:负极:Zn-2e-Zn2+,正极:2MnO2+2N+2e-2NH3+H2O+Mn2O3。
③电池总反应:Zn+2MnO2+2NH4ClZnCl2+2NH3↑+H2O+Mn2O3
④特点:制作简单,价格便宜,存放时间短,放电后电压下降较快。
(2)碱性锌锰电池
①碱性锌锰电池的负极是 ,正极是 ,电解质是 溶液。
②电极反应:
负极:Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2;正极:2MnO2+2e-+2H2O2MnOOH+2OH-。
③电池总反应:Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。
④优点:比能量和储存时间有所提高,适用于大电流和连续放电(电流稳定,放电容量、时间增大几倍,不会胀气或漏液)。
【答案】2.(1)石墨电极 锌筒 (2)Zn MnO2 KOH
【核心突破】
典例1 有一种银锌电池,其电极分别为Ag2O和Zn,电解质溶液为NaOH溶液,其中Ag2O极的电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,根据上述反应式,下列说法正确的是( )
A.使用过程中,电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
B.使用过程中,溶液中OH-向Ag2O电极移动
C.使用过程中,电极正极溶液的pH增大
D.使用过程中,Zn电极发生还原反应,Ag2O电极发生氧化反应
【解析】Ag2O极的电极反应为Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-,Ag2O为正极,Zn为负极,电子由负极Zn极经外电路流向正极Ag2O极,A项错误;电池工作时,阴离子向负极移动,则溶液中OH-向Zn电极移动,B项错误;由正极反应式可知,电池工作时,正极溶液生成OH-,溶液的pH增大,C项正确;Ag2O电极发生得到电子的还原反应,Zn极为负极,Zn电极发生失去电子的氧化反应,D项错误。
【答案】C
归纳总结：书写化学电池电极反应式的一般方法
书写电极反应式时,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,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有:
(1)拆分法
①写出总反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把总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写出总反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个半反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
训练1 常见的锌锰干电池工作时的反应为Zn+2MnO2+2H2O2MnOOH+Zn(OH)2。下列说法正确的是( )
A.金属Zn所在的电极为正极
B.MnO2在正极处得到电子
C.MnOOH中Mn元素的化合价为-1
D.电池放电时将电能转化为化学能
【解析】Zn失去电子,化合价升高,则金属Zn发生氧化反应,金属Zn所在的电极为负极,A项错误;MnO2中Mn元素呈+4价,MnOOH中Mn元素呈+3价,则MnO2在正极处得到电子,发生还原反应,B项正确,C项错误;电池放电时,将化学能转化为电能,D项错误。
【答案】B
任务2 二次电池
【新知生成】
1.铅蓄电池
铅蓄电池是最常见的二次电池,铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb,电解液是H2SO4溶液,如图所示。
铅蓄电池的构造
(1)放电时的反应——原电池原理
①负极: 。
②正极: 。
③总反应:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
(2)充电时的反应——电解原理
①阴极: 。
②阳极: 。
铅蓄电池的反应原理:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。
(3)优点:电压稳定、使用方便、安全可靠和价格低廉;
缺点:比能量低、笨重。
2.锂离子电池
负极材料为嵌锂石墨,正极材料为LiCoO2(钴酸锂);电解质溶液为LiPF6(六氟磷酸锂)的碳酸酯溶液(无水)。
放电时,负极反应为LixCy-xe-xLi++Cy
正极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-LiCoO2
总反应为LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy
优点:质量小、体积小、便于储存和输出能量大。
【答案】1.(1)①Pb+S-2e-PbSO4(氧化反应) ②PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O(还原反应) (2)①PbSO4+2e-Pb+S(还原反应)
②PbSO4+2H2O-2e-PbO2+4H++S(氧化反应)
【核心突破】
典例2 用氟硼酸(HBF4属于强酸)代替硫酸作铅蓄电池的电解质溶液,可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良,总反应为Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质。下列说法正确的是( )
A.放电时,B向PbO2电极移动
B.充电时,阴、阳两极增加的质量相等
C.放电时,电子由Pb电极经氟硼酸溶液流向PbO2电极
D.充电时,阳极的电极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+
【解析】电池的总反应为Pb+PbO2+4HBF42Pb(BF4)2+2H2O,又Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质,则放电时负极反应为Pb-2e-Pb2+,Pb为负极;正极反应为PbO2+2e-+4H+Pb2++2H2O,PbO2为正极。放电时阴离子向负极移动,则B向Pb电极移动,A项错误;充电时,阳极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,阴极反应为Pb2++2e-Pb,阴、阳两极增加的质量不相等,B项错误;放电时,电子由Pb电极经过外电路流向PbO2电极,不能经过氟硼酸溶液,C项错误;充电时,阳极的电极反应为Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+,D项正确。
【答案】D
归纳总结：可充电电池的反应规律
可充电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。
充电:原电池负极电源负极,原电池正极电源正极。
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)极反应式变方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。放电总反应和充电总反应在形式上互逆(但不是可逆反应)。
训练2 一种可充电锂离子电池的示意图如下,已知Li1-xCoO2中x<1,下列关于锂离子电池的说法不正确的是( )
A.放电时电池总反应为Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6
B.放电时,Li+在电解质中由负极通过A膜向正极迁移
C.充电时,若转移1 mol e-,左侧电极将增重7xg
D.充电时,阳极的电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+
【解析】该电池放电时LixC6失电子被氧化,为负极,电极反应为LixC6-xe-xLi++C6,正极上Li1-xCoO2得电子发生还原反应生成LiCoO2,为正极,电极反应为Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2,则总反应为 Li1-xCoO2+LixC6LiCoO2+C6,A项正确;放电时,阳离子向正极移动,则Li+在电解质中由负极通过A膜向正极迁移,B项正确;充电时,左侧电极为阴极,发生还原反应,电极反应为C6+xLi++xe-LixC6,若转移1 mol e-,电极增加的质量为7g·mol-1×1 mol=7g,C项错误;充电时,右侧电极为阳极,LiCoO2 失电子被氧化为Li1-xCoO2,电极反应为LiCoO2-xe-Li1-xCoO2+xLi+,D项正确。
【答案】C
任务3 燃料电池
【新知生成】
1.概念
燃料电池是利用 和 之间发生的 ,将 的化学电池。燃料电池的氧化剂和还原剂 全部 ,而是在工作时 ,同时将电极反应产物 ,因此,燃料电池能连续不断地提供电能。燃料电池的能量转化率高(超过80%),普通的电池只有30%,有利于节约能源。
2.氢氧燃料电池
(1)结构(如图所示)
氢氧燃料电池工作原理示意图
(2)工作原理
电解质溶液为酸性时:
负极(Pt)电极反应:2H2-4e-4H+
正极(Pt)电极反应:O2+4e-+4H+2H2O
电池总反应:2H2+O22H2O
3.燃料电池的规律:燃料作负极,助燃剂氧气作正极;电极材料一般不参与电极反应,起传导电子的作用。
【答案】1.燃料 氧化剂 氧化还原反应 化学能直接转化为电能 不是 储藏在电池内 不断从外界输入
不断排出电池
【核心突破】
典例3 以甲烷为燃料的新型电池得到广泛的研究,目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池的工作原理示意图如下。下列说法错误的是( )
A.以甲烷为燃料,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池
B.A电极为电池正极,发生还原反应
C.B电极反应为CH4+4O2--8e-CO2+2H2O
D.该电池的总反应:CH4+2O2CO2+2H2O
【解析】因为甲烷比氢气易得到,成本低,所以以甲烷为燃料,其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池,A项正确;A电极通入氧气,O2发生得电子的还原反应生成O2-,A电极为电池正极,B项正确;B电极通入甲烷,甲烷失去电子发生氧化反应生成二氧化碳和水,电极反应为CH4+4O2--8e-CO2+2H2O,C项正确;燃料电池的反应条件不是点燃,D项错误。
【答案】D
归纳总结：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-。
(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,在熔融碳酸盐中生成CO2,在熔融氧化物中生成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式。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。
训练3 氢氧燃料电池已用于航天飞机。以30%KOH溶液为电解液的这种电池在使用时的总反应为2H2+O22H2O。某电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O。下列说法不正确的是( )
A.氢气通入负极,氧气通入正极
B.氢氧燃料电池将氢气和氧气燃烧产生的热能全部转化为电能
C.供电时的正极反应为O2+2H2O+4e-4OH-
D.产物为无污染的水,属于环境友好电池
【解析】氧气中氧元素化合价降低,O2通入正极,氢气中氢元素化合价升高,H2通入负极,A项正确;氢氧燃料电池是将化学能转化为电能的装置,还会伴有热能等能量的释放,B项错误;正极上氧气得电子发生还原反应,碱性环境下电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C项正确;氢氧燃料电池产物是水,对环境无污染,属于环境友好电池,D项正确。
【答案】B
课堂小结
【随堂检测】
1.下列电池不属于化学电池的是( )
A.一次电池 B.二次电池 C.燃料电池 D.太阳能电池
【解析】一次电池、二次电池、燃料电池放电时将化学能转化为电能,属于化学电池;太阳能电池将太阳能转化为电能,不属于化学电池。
【答案】D
2.一种新型锂-氮电池的装置图如下,它以可传递Li+的醚类物质作电解质,电池的总反应为6Li+N22Li3N。电池工作时,下列说法正确的是( )
A.X极发生还原反应
B.电流由X极经用电器流入Y极
C.转移1 mol电子时,有2 molLi+从左向右移动
D.Y极的电极反应为6Li++N2+6e-2Li3N
【解析】根据电池总反应,Li失电子发生氧化反应,锂电极为负极,即X极为负极,A项错误;Y极为正极,电流由Y极经用电器流入X极,B项错误;X极的电极反应为Li-e-Li+,Y极的电极反应为6Li++N2+6e-2Li3N,转移1 mol电子时,有1 molLi+从左向右移动,C项错误,D项正确。
【答案】D
3.氢氧燃料电池以氢气作还原剂,氧气作氧化剂,电极为多孔镍,电解质溶液为30%的氢氧化钾溶液。以下有数种说法:
①负极反应为O2+2H2O+4e-4OH-;②负极反应为2H2+4OH--4e-4H2O;③电池工作时正极区pH升高,负极区pH下降;④电池工作时溶液中的阴离子移向正极。正确的是( )
A.①③④ B.②③ C.②④ D.①④
【解析】①氢氧燃料电池中,碱性条件下,氧气在正极得到电子发生还原反应生成OH-,电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,错误;②碱性条件下,氢气在负极失去电子发生氧化反应生成水,电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O,正确;③电池工作时,负极的电极反应为2H2+4OH--4e-4H2O,OH-被消耗,则负极区pH下降,正确;④电池工作时溶液中的阳离子移向正极,阴离子移向负极,错误。
【答案】B
4.科学家设计出质子膜H2S燃料电池,实现了利用H2S废气资源回收还能获得能源并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法不正确的是( )
A.电极a为电池的负极
B.电极b上发生的电极反应为O2+4H++4e-2H2O
C.电路中每通过2 mol电子,在正极消耗22.4L H2S
D.每17g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区
【解析】根据图示,a极上硫化氢失电子生成S2和H+,发生氧化反应,则a为负极,A项正确;电极b是正极,电极反应为O2+4H++4e-2H2O,B项正确;气体存在的温度、压强未知,不能确定气体的物质的量,C项错误;17g H2S的物质的量为0.5 mol,负极电极反应为2H2S-4e-S2+4H+,正极反应为O2+4H++4e-2H2O,故每17g H2S参与反应,有1 mol H+经质子膜进入正极区,D项正确。
【答案】C
2