人教版高中化学选修四 4.2 化学电源 学案

第四章
电化学基础
第二节
化学电源
学习目标
1．了解化学电源的种类及其工作原理，知道化学电源在生产、生活和国防中的实际应用。
2．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用。
3．掌握一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理，会书写电极反应式。(重难点)
一．一
次
电
池、二
次
电
池
基础知识梳理
（一）一次电池
1．碱性锌锰电池
(1)构造：
(2)组成：
正极：　　　；负极：　　；电解质：　　。
(3)工作原理：
负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极反应：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。
2．银锌电池
(1)构造：
(2)组成：
负极：　　；正极：　　　；电解质：　　。
(3)工作原理：
负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；
正极反应：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；
（二）二次电池(以铅蓄电池为例)
1．构造
2．组成
负极：　　；正极：　　；电解质：　　　　　。
3．工作原理
(1)放电过程：
负极：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)(氧化反应)；
正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)
总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)
(2)充电过程：
阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；
阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)；
总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。
(3)铅蓄电池的充、放电过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
互动探究
[思考探究]
H2是一种优质燃料，热值高。一种充电电池的原料为H2，其电池反应为H2＋2NiO(OH)
2Ni(OH)2，它具有比能量多等优点，常作为卫星的电源。
问题思考：
(1)该电池属于一次电池还是二次电池？
(2)该电池内电解质溶液呈酸性还是碱性？
(3)放电时的电极反应式如何书写？
(4)充电时的电极反应式如何书写？
(5)电池充电时，外电源的负极连接二次电池的哪个电极？
归纳总结
1．二次电池在充电时，正、负电极上发生的反应正好与放电时阴、阳电极上发生的反应相反，因而充电时，二次电池的正极应与充电电源的正极相连接，电池的负极应与充电电源的负极相连接。
2．充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生的反应的逆过程。
即时训练
题组1　一次电池的工作原理
1．人造卫星用到的一种高能电池——银锌电池，其电极反应式为：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。根据反应式判断氧化银是(　　)
A．负极　被氧化　　　
B．正极　被还原
C．负极　被还原
D．正极　被氧化
2．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。下列关于该电池的电极反应，正确的是(　　)
A．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
B．负极反应为Zn＋2H2O－2e－===Zn(OH)2＋2H＋
C．正极反应为2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH
D．正极反应为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－
题组2　二次电池的工作原理
3．一种充电电池放电时的电极反应为
H2＋2OH－－2e－===2H2O；
NiO(OH)＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－。
当为电池充电时，与外电源正极连接的电极上发生的反应是(　　)
A．H2O的还原
B．NiO(OH)的还原
C．H2的氧化
D．Ni(OH)2的氧化
4．关于铅蓄电池的说法中正确的是(　　)
A．在放电时，正极发生的反应是：Pb(s)＋SO(aq)===PbSO4(s)＋2e－
B．在放电时，该电池的负极材料是铅板
C．在充电时，电池中硫酸的浓度不断变小
D．在充电时，阳极发生的反应是：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)
二．燃
料
电
池
基础知识梳理
氢氧燃料电池
1．构造
2．电池总反应：2H2＋O2===2H2O。
3．氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应式
介质
负极反应式
正极反应式
酸性
2H2－4e－===4H＋
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
中性
2H2－4e－===4H＋
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
碱性
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
互动探究
[思考探究]
设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。
问题思考：
(1)该电池放电时发生的化学方程式如何书写？
(2)该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？
(3)固体电解质里的O2－的移动方向是怎样的？
(4)向外电路释放电子的电极为哪一极？
(5)若用KOH溶液代替固体电解质，则放电时负极电极反应式如何书写？
归纳总结
电极反应式的书写
1．根据装置图书写电极反应式
(1)确定原电池的正负极及放电的物质。
首先根据题目给定的图示装置特点，结合原电池正负极的判断方法，确定原电池的正负极及放电的物质。
(2)书写电极反应式。
①负极反应：
规律：活泼金属或H2(或其他还原剂)失去电子生成金属阳离子或H＋(或其他氧化产物)，注意：生成的物质是否与电解质溶液发生反应。
②正极反应：
规律：阳离子得电子生成单质或氧气得电子生成O2－。
(3)写出电池总反应方程式。
结合电子守恒将正负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。
2．根据电池总反应式，写电极反应式
第一步：找出还原剂和氧化剂，确定负极、正极放电的物质。
第二步：利用电荷守恒写出电极反应式，注意电极上生成的新物质是否与电解质溶液发生反应，如O2－在酸性溶液中生成H2O，在碱性或中性条件下生成OH－；＋4价碳在酸性条件下生成CO2，在碱性溶液中以CO形式存在。
第三步：验证，将两个半反应相加，得总反应式。总反应式减去一个反应式得到另一个反应式。
即时训练
1．微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(　　)
A．正极反应中有CO2生成
B．微生物促进了反应中电子的转移
C．质子通过交换膜从负极区移向正极区
D．电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O
2．某模拟“人工树叶”电化学实验装置如下图所示，该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。下列说法正确的是(　　)
A．该装置将化学能转化为光能和电能
B．该装置工作时，H＋从b极区向a极区迁移
C．每生成1
mol
O2，有44
g
CO2被还原
D．a电极的反应：3CO2＋18H＋－18e－===C3H8O＋5H2O
3．利用反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O构成电池的方法，既能实现有效消除氮氧化物的排放，减轻环境污染，又能充分利用化学能，装置如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A．电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极
B．为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜
C．电极A极反应式为2NH3－6e－===N2＋6H＋
D．当有4.48
L
NO2(标准状况)被处理时，转移电子为0.8
mol
4．一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该燃料电池说法正确的是(　　)
A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极
B．电池的总反应是2C4H10＋13O28CO2＋10H2O
C．通入空气的一极是正极，电极反应为：O2＋4e－===2O2－
D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O
5．H2S废气资源化利用途径之一是回收能量并得到单质硫。反应为：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l)　ΔH＝－632
kJ·mol－1。如图为质子膜H2S燃料电池的示意图。下列说法正确的是(　　)
A．电极a为电池的正极
B．电极b上发生的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．电路中每通过4
mol电子，电池内部释放632
kJ热能
D．每17
g
H2S参与反应，有1
mol
H＋经质子膜进入正极区
参考答案
一．
基础知识梳理
（一）
1．(2)MnO2　Zn　KOH
2．(2)Zn　Ag2O　KOH
（二）
2．Pb　PbO2　H2SO4溶液
互动探究
(1)二次电池。
(2)由H2→OH－知呈碱性。
(3)负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O
正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－
(4)阴极：2H2O＋2e－===H2＋2OH－
阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O
(5)负极或阴极。
即时训练
1．
【解析】　一次电池中负极发生氧化反应(失电子)，正极发生还原反应(得电子)，由Ag2O→Ag可知Ag2O得电子发生还原反应。
【答案】　B
2．
【解析】　在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H＋。在碱性电池中，负极的Zn失去电子形成的Zn2＋应该与OH－结合为Zn(OH)2。
【答案】　D
3．
【解析】　放电时为原电池反应，负极上失去电子，正极上得到电子；充电时为电解反应，与外电源正极连接的电极为阳极，由放电时的电极反应式知，阳极上发生的是Ni(OH)2的氧化反应，D正确。
【答案】　D
4．
【解析】　A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。
【答案】　B
二．
互动探究
(1)该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。
(2)该电池的正极是氧气，得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2－，负极失去电子发生氧化反应。
(3)原电池中阴离子O2－向负极移动。
(4)负极。原电池中电子由负极流出，经外电路流向正极。
(5)
C9H20＋74OH－－56e－===9CO＋47H2O。
即时训练
1．
【解析】　图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极，发生还原反应，因为有质子通过，故正极电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应，电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，负极上有CO2产生，故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置，所以微生物促进了反应中电子的转移，故B正确。C.质子是阳离子，阳离子由负极区移向正极区，故C正确。D.正极的电极反应式为6O2＋24e－＋24H＋===12H2O，负极的电极反应式为C6H12O6－24e－＋6H2O===6CO2＋24H＋，两式相加得电池总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，故D正确。
【答案】　A
2．
【解析】　结合装置图此为电解装置，模拟“人工树叶”，故为电能转化为化学能，A项错误；b极连接电源的正极，为阳极，在电解池中H＋为阳离子，向a极(阴极)区移动，B项正确；右侧H2O→O2发生的是氧化反应，每生成1
mol
O2，转移4
mol电子，C3H8O中碳元素的化合价是－2,3CO2→C3H8O，转移18
mol电子，故生成1
mol
O2消耗2/3
mol
CO2，C项错误；a电极发生的是还原反应：3CO2＋18H＋＋18e－===C3H8O＋5H2O，D项错误。
【答案】　B
3．
【解析】　A．由反应6NO2＋8NH3===7N2＋12H2O可知，反应中NO2为氧化剂，NH3为还原剂，则A为负极，B为正极，电流由正极经导线流向负极，A正确；B.原电池工作时，阴离子向负极移动，为使电池持续放电，离子交换膜需选用阴离子交换膜，防止二氧化氮反应生成硝酸盐和亚硝酸盐，导致原电池不能正常工作，B正确；C.电解质溶液呈碱性，则负极电极方程式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O，C错误；D.当有4.48
L
NO2(标准状况)即0.2
mol被处理时，转移电子为0.2
mol×(4－0)＝0.8
mol，D正确。
【答案】　C
4．
【解析】　由原电池原理知电子从负极经导线转移到正极，所以正极上富集电子，根据电性关系，O2－不可能移向正极，A错；燃料电池不是在点燃的条件下发生的，B错误；丁烷失电子，发生氧化反应，通入丁烷的一极是负极，D错误；O2得电子，发生还原反应，通入空气的一极是正极，C正确。
【答案】　C
5．
【解析】　该电池属于燃料电池，通入燃料的为负极，通入空气或氧气的为正极，故电极a为电池的负极，故A错误；根据图示，电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故B错误；根据方程式，电路中每流过4
mol电子，有2
mol
H2S发生反应，电池内部释放632
kJ的总能量，部分以电能的形式放出，部分以其他形式的能量放出，故C错误；17
g
H2S的物质的量是0.5
mol，17
g
H2S参与反应转移电子1
mol，所以有1
mol
H＋
经质子进入正极区。
【答案】　D