6.3 课题2 化学电源 燃料电池 同步学案（含答案）2024-2025学年高一化学苏教版（2019）必修2

课题2　化学电源　燃料电池
1. 能利用原电池原理分析常见的化学电源、新型化学电池。
2. 能根据原电池、电解池的构成条件识别原电池、电解池。
3. 体会研制新型电池的重要性，了解人类电池的基本原理。
根据原电池的构成要素，动手制作简易水果电池。
利用铜片、锌片(可从废旧干电池中拆取)或铝片、纯碱溶液、白醋(或橙子、芦柑)等日常生活中的材料即可制作简易电池。如右图所示。利用橙子、金属片以及导线制作的简易电池能使检流计指针偏转。
写出用锌、铜、白醋设计的原电池的正、负极，以及在正、负极上发生的电极反应式。
1. 阅读教材，了解化学电源与简易电池或原电池相比有什么优点？
2. 电池的种类很多，常见有以下两类。请你列举出生活中的常见电池，并将其填入下表。
种类 特点 实例
一次电池 放完电以后不能再使用
二次电池 充电、放电可循环进行
3. 阅读下表，了解常见化学电源的组成与反应原理。
电池名称 电池组成 电池反应 特点与应用
锌锰 干电池 锌、石墨棒、二氧化锰、氯化锌、氯化铵 Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=== Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) 电压1.5 V，用途广泛
银锌 纽扣电池 锌、氧化银、氢氧化钾溶液 Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag 电压1.6 V，放电平稳
铅蓄电池 铅、二氧化铅、硫酸 PbO2＋Pb＋2H2SO42H2O＋ 2PbSO4 电压2.0 V，广泛用于机动车辆
镍氢电池 贮氢合金、泡沫氧化镍、氢氧化钾溶液 NiO(OH)＋MHNiO＋M＋H2O(MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢) 电压1.2 V，寿命长，性能好
氢氧 燃料电池 铂碳/氢气、铂碳/氧气、氢氧化钾溶液 2H2＋O2===2H2O 用于航天飞机、牵引车等
甲醇 空气 燃料电池 钯碳/甲醇、铂 烧结镍/空气、氢氧化钾溶液 2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O 能量转化率高
4. 根据下列化学电源的反应原理，判断参加电极反应的物质(未得失电子的物质不填)。
化学电源 电池反应原理 负极反应物 正极反应物
(1) 碱性锌锰干电池 Zn＋2H2O＋2MnO2===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
(2) 铅蓄电池 PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO 2PbSO4＋2H2O
(3) 锌银纽扣电池 Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag
(4) 空气铝电池 4Al＋3O2＋6H2O===4Al(OH)3
(5) 甲醇燃料电池 2CH3OH＋3O2―→2CO2＋4H2O
燃料电池是一种将燃料(如H2、CH4、乙醇等)和氧化剂(如O2)的化学能直接转化为电能的装置。
燃料电池中，燃料(还原性气体等)作负极反应物，发生氧化反应，氧化剂(通常为O2)为正极反应物，发生还原反应，燃料电池在使用过程中，并没有发生燃料与氧化剂之间的直接燃烧，而是在两极之间发生放电反应，将化学能转化为电能。
观察右图的燃料电池。
1. 分析该电池和普通的化学电源有什么不同？
2. H2、O2分别在电极上发生什么反应？写出相应的电极反应式。
3. 若将电解质溶液换成稀硫酸，写出相应的电极反应式。
4. 燃料电池与常见一次电池和二次电池的不同点是什么？
【归纳总结】 电极反应式的书写思路
如CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中：总反应式为CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
负极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
1. 什么是电解池(电解池能量如何转化)
2. 电解在物质制备中有哪些应用？
1. 利用下列化学反应能设计成原电池的是(　　)
A. CH4＋2O2CO2＋2H2O
B. CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
C. Na2O＋H2O===2NaOH
D. Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4]
2. 下列电池工作时，O2在正极得电子的是(　　)
A. 锌锰电池 B. 铅蓄电池
C. 氢氧燃料电池 D. 镍镉电池
3. (教材习题)下列说法正确的是(　　)
图1 图2
A. 图1所示装置能将化学能转化为电能
B. 图2所示反应为吸热反应
C. 锌锰干电池中，锌筒作正极
D. 铅蓄电池充电时也发生了氧化还原反应
4. (2023徐州期末)氢氧燃料电池被誉为氢能源汽车的“心脏”，某种氢氧燃料电池的内部结构如图。下列说法正确的是(　　)
A. 左侧为电池正极
B. 右侧的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C. a处通入的气体为H2，若每消耗5.6 L H2，外电路转移电子数为0.5 mol
D. 电池工作一段时间后，电解质溶液的浓度增大
5. 已知空气锌电池的电极反应如下：
锌电极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
石墨电极：O2＋H2O＋2e－===2OH－。
可以判断石墨电极是(　　)
A. 负极，发生还原反应 B. 正极，发生氧化反应
C. 负极，发生氧化反应 D. 正极，发生还原反应
6. (2023盐城新丰中学、龙岗中学等五校期中联考)某铁空气电池放电时，其原理如图所示。电池总反应为2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2。下列说法正确的是(　　)
A. 该装置放电时将电能转变为化学能
B. 电极a质量不变
C. 电子从电极a经负载流向电极b
D. 电极b发生反应：O2－4e－＋2H2O===4OH－
7. 利用金属Al、石墨、海水及其中的溶解氧可组成电池，如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. b极为电池正极
B. 电池工作时，海水中的Na＋向a极移动
C. 电池工作时，紧邻a极区域的海水呈强碱性
D. 每消耗1 kg Al，电池最多向外提供37 mol电子的电量
8. (2024北京昌平期末)化学电源是人类生产生活的重要能量来源之一。
(1) 下列反应可通过原电池装置实现化学能直接转化为电能的是________(填字母，下同)。
a. 铁与稀硫酸反应
b. Ba(OH)2·8H2O晶体与NH4Cl晶体反应
c. 甲烷与氧气反应
(2) 某研究小组利用氢氧燃料电池做动力驱动小车，图1为简易实验装置示意图。从构成原电池的基本要素来看，氢气的作用是________(填字母，下同)，石墨电极b的作用是________，导线的作用是________，稀硫酸的作用是________。
a. 负极反应物
b. 正极反应物
c. 负极材料
d. 正极材料
e. 离子导体
f. 电子导体
(3) 图2为另一种简易原电池装置。 图1
①证实化学能转化为电能的实验现象：电流表指针偏转、__________________。
②锌片上发生________(填“氧化”或“还原”)反应。
③正极反应式是____________________________。
④下列说法不正确的是________(填字母)。
a. 将铜片换为石墨，仍可产生电流
b. 将稀硫酸换为CuSO4溶液，两电极反应不变
c. 将稀硫酸换为稀盐酸，两极电极反应不变
d. 电子经导线从锌片流向铜片后，再经溶液从铜片流回锌片
(4) 利用反应Fe＋2Fe3+===3Fe2+设计一个简易原电池，请在图3上标明试剂。
图2 图3
　　　
9. 可燃冰(mCH4·nH2O)、氢气既是高效洁净的能源，又是重要的化工原料。
(1) 已知25 ℃、101 kPa时，1 g甲烷完全燃烧生成液态水放出55.64 kJ热量，则该条件下CH4完全燃烧的热化学方程式为________________________________。
(2) 甲烷高温分解生成氢气和碳。在密闭容器中进行此反应时要通入适量空气使部分甲烷燃烧，其目的是________________________________。
(3) 某种氢燃料电池使用固体金属氧化物陶瓷作电解质，两极上发生的电极反应如下：
A极：H2＋O2-－2e－===H2O；B极：O2＋4e－===2O2-。
该燃料电池工作时能量转化关系为________________________________，A极是电池的________极。
(4) 已知某甲烷燃料电池的总反应式为 CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O，则电池负极的电极反应式为_____________________________________________，随着电池不断放电，负极附近溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
课题2　化学电源　燃料电池
【活动方案】
活动一：
锌为负极，电极反应式：Zn－2e－===Zn2+
铜为正极，电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
活动二：
1. 简易电池无法长久稳定地使用，于是人们发明并制造了多种多样的能够较长时间稳定持续供电的化学电源。化学电源的能量转化率比燃料燃烧高得多。
2. 干电池、纽扣电池等　铅蓄电池、锂电池等
4. (1) Zn　MnO2　(2) Pb　PbO2
(3) Zn　Ag2O　(4) Al　O2　(5) CH3OH　O2
活动三：
1. 该电池中的反应物从电池的外部提供，并且需持续通入。而普通的化学电源的反应物均密封在电池内部。
2. H2发生氧化反应，O2发生还原反应。
负极：H2－2e－＋2OH－===2H2O，
正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
3. 负极：H2－2e－===2H＋，
正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。
4. 燃料电池反应的氧化剂和还原剂是从外界通入的，常见一次电池和二次电池的反应物均密封在电池内部。
活动四：
1. 电解池是将电能转化为化学能的装置。
2. 电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气。电解熔融氯化镁、氧化铝可制得金属镁、金属铝。
【课堂反馈】
1. A　CH4＋2O2CO2＋2H2O的反应属于放热的氧化还原反应，能设计成原电池，A正确；B、C、D均为非氧化还原反应，不能设计成原电池，B、C、D错误。
2. C　氢氧燃料电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，因而正极上是O2得电子发生还原反应。
3. D　图1装置没有构成闭合回路，不能构成原电池，故不能将化学能转化为电能，A错误；图2所示反应为放热反应，B错误；锌锰干电池中，锌是活泼金属，故锌筒作负极，C错误；铅蓄电池充电时，涉及电子的得失，发生了氧化还原反应，D正确。
4. B　左侧电极失去电子，为电极负极，右侧电极为电池正极。气体a为H2，气体b为O2，A错误；酸性条件下，正极上O2发生得电子的反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，B正确；气体所处的状态未知，不能依据22.4 L/mol计算5.6 L H2的物质的量，C错误；电池总反应中有水生成，电解质溶液的浓度减小，D错误。
5. D　空气锌电池中，失去电子的一极是负极，发生氧化反应，得到电子的一极是正极，发生还原反应，由此可知，石墨电极是正极，发生还原反应。
6. C　该装置放电时为原电池装置，将化学能转化为电能，A错误；电极a上铁失去电子发生氧化反应生成Fe(OH)2，质量增大，B错误；电子由负极沿着导线流向正极，即电子从电极a经负载流向电极b，C正确；电极b上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，D错误。
7. A　Al(a极)为活泼金属，为负极，石墨(b极)为正极，A正确；原电池工作时，海水中的阳离子(Na＋)向正极(b极)移动，B错误；电池工作时，b极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，故紧邻b极区域的海水呈强碱性，C错误；每消耗1 kg(即 mol)Al，电池最多向外提供mol×3＝ mol电子的电量，D错误。
8. (1) ac　(2) a　d(或f)　f　e
(3) ①铜电极上产生气泡　②氧化　
③2H＋＋2e－===H2↑　④bd
(4) (答案合理即可)
9. (1) CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)
ΔH＝－890.24 kJ/mol
(2) 为甲烷分解提供高温(能量)条件
(3) 化学能转化为电能　负
(4) CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O　减小