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第二节 化学能与电能
第2课时 发展中的化学电源
学习目标 核心素养建构
1.记住干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。
2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。
3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。
[知 识 梳 理]
1.干电池
干电池是一种一次性电池,放电后_____再充电。
不能
2.充电电池
充电电池又称为二次电池,它在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以_____进行,使电池恢复到放电前的状态。
逆向
3.燃料电池
(1)原理:利用原电池工作原理将_____和________反应所放出的_______直接转化为_____。
(2)与其他电池的区别:反应物不是储存在电池内部,由外设装备提供_____和_______。
燃料
氧化剂
化学能
电能
燃料
氧化剂
【自主思考】
铅蓄电池在充电、放电过程中发生的氧化还原反应是可逆反应吗?
提示 不是,因为充电和放电过程中氧化还原反应发生的条件不相同。
[效 果 自 测]
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细( )
(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能( )
(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化( )
(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅( )
答案 (1)× (2) × (3)√ (4) ×
2.下列几种化学电池中,不属于可充电电池的是( )
A.碱性锌锰电池 B.手机用锂电池
C.汽车用铅蓄电池 D.玩具用镍氢电池
答案 A
3.下列有关电池的说法不正确的是( )
A.手机上用的锂离子电池属于二次电池
B.铜锌原电池工作时,电子沿外电路从铜电极流向锌电
极
C.甲醇燃料电池可把化学能转化为电能
D.锌锰干电池中,锌电极是负极
答案 B
探究一、常见化学电源的特点
【合作交流】
1.一次电池和二次电池是否指分别只能使用一次和两次的电池?
提示 一次电池是不可充电电池,电量一旦放完就无法再次使用;二次电池是可充电电池,电量放完后可进行充电,可反复使用多次。
2.结合所学知识判断:干电池与充电电池的本质区别,燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别。
提示 干电池是一次性电池,放电之后不能充电,即内部的氧化还原反应是不可逆的;充电电池又称二次电池,它在放电时所进行的氧化还原反应,在充电时可以逆向进行,使电池恢复到放电前的状态。
燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部,而是由外设装备提供燃料和氧化剂等,这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。
【点拨提升】
几种电池的特点
名称 干电池
(一次电池) 充电电池
(二次电池) 燃料电池
特点 ①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后,不能再使用
②电解质溶液为胶状,不流动 ①放电后可再充电使活性物质获得再生
②可以多次充电,重复使用 ①电极本身不包含活性物质,只是一个催化转换元件
②工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出
举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等 铅蓄电池、锂电池、镍镉电池等 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等
【典题例证1】 下列说法正确的是( )
A.镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池
B.燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池
C.化学电池的反应基础是氧化还原反应
D.铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb,负极材料是PbO2
解析 碱性锌锰干电池是一次电池;燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池;铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2,负极材料是Pb。
答案 C
【学以致用1】 下面是几种常见的化学电源示意图,有关说法不正确的是( )
A.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池
B.干电池在长时间使用后,锌筒被破坏
C.铅蓄电池工作过程中,每转移2 mol电子,负极质量减小207 g
D.氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源
解析 干电池是一次电池,铅蓄电池是可充电电池,属于二次电池,氢氧燃料电池属于燃料电池,故A正确;干电池长期使用后,锌会参与电极反应,使锌筒被破坏,故B正确;铅蓄电池工作过程中,硫酸铅在负极上析出,负极质量应该增加而非减小,故C错误;氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内,且工作的最终产物是水,故氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源。D正确。
答案 C
探究二、常见化学电源电极反应式的书写
【合作交流】
氢气被看作是理想的“绿色能源”。用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式(装置如图所示)。请写出氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的电极反应式。
负极________________________________________________;
正极________________________________________________。
提示 2H2-4e-+4OH-===4H2O
O2+4e-+2H2O===4OH-
【点拨提升】
1.电极反应方程式的书写方法
(1)负极反应式的书写
①活泼金属作负极(电极材料本身反应)
生成的阳离子与电解质溶液不反应时:M-ne-===Mn+。
若生成的阳离子与电解质溶液反应,应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解质溶液反应的反应式”叠加写出。
②燃料电池(电极材料本身不反应)
H2—O2(H2SO4)燃料电池负极反应式:
H2-2e-===2H+。
H2—O2(KOH)燃料电池负极反应式:
H2-2e-+2OH-===2H2O。
(2)正极反应式的书写
①首先判断在正极反应的物质
当负极材料与电解质溶液能反应时,在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。
当负极材料与电解质溶液不反应时,在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2。
燃料电池中正极反应的物质是作氧化剂的物质。
②根据具体情况书写正极反应式(也要考虑是否与电解液反应)
H2—O2(H2SO4)的正极反应式:O2+4e-+4H+===2H2O。
H2—O2(KOH)的正极反应式:O2+4e-+2H2O===4OH-。
2.书写原电池电极反应式时注意的问题
(1)正确判断原电池的负极和正极,确定两极上分别发生的具体反应。
(2)确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应,若能反应,则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。
(3)在正极上,若是电解质溶液中的某种离子被还原,提供该离子的电解质无论电离难易如何,一律写离子符号(而在原电池反应中,要遵循离子方程式的书写规则,只有易溶的强电解质用离子符号表示)。
【典题例证2】 Li?SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳,电解液是LiAlCl4?SOCl2。电池的总反应可表示为4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。
请回答下列问题:
(1)电池的负极材料为__________,发生的电极反应为___________________________________________________
_________________________________________________;
(2)电池正极发生的电极反应为_______________________________________;
(3)SOCl2易挥发,实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中,实验现象是_________________________________,
反应的化学方程式为_______________________________
_______________________________________________;
(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行,原因是__________________________________________。
解析 分析反应的化合价变化,可得Li为还原剂 ,SOCl2为氧化剂。 (1)负极材料为Li(还原剂),发生反应:Li-e-===Li+。 (2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到:2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑。 (3)题中给出有碱液吸收时的产物,则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl,所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。 (4)因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应,且SOCl2也与水反应。
答案 (1)Li Li-e-===Li+ (2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑ (3)出现白雾,有刺激性气味的气体生成
SOCl2+H2O===SO2 ↑+ 2HCl↑ (4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应,且SOCl2也与水反应
【学以致用2】 据媒体报道,以氢氧燃料电池为动力的公交车在北京试运行。质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料,空气为氧化剂,铂作催化剂,导电离子是H+。下列对该燃料电池的描述中正确的是( )
①正极反应为O2+4H++4e-===2H2O
②负极反应为2H2-4e-===4H+
A.①②③ B.②③④ C.①②④ D.①②③④
解析 此题考查了原电池的基本原理,包括燃料电池的电极反应、总反应及电解液中离子的移动等相关理论。通过分析,③反应条件是点燃,显然是错误的,其余各项均正确。
答案 C