高中化学专题2化学反应与能量转化第3单元化学能与电能的转化第2课时教学案苏教版必修2.docx
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高中化学专题2化学反应与能量转化第3单元化学能与电能的转化第2课时教学案苏教版必修2
第2课时 发展中的化学电源
[学习目标定位] 1.知道干电池、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。
一、常见的化学电源
1．锌锰干电池
（1）结构：
锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl作电解质。
（2）原理：
锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。
负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极发生的电极反应为2MnO2＋2NH
＋2e－===Mn2O3＋2NH3↑＋H2O。
（3）缺陷：
锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。
改进措施：
①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。
2．充电电池
（1）充电电池又称二次电池。
充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又可以逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时期内循环进行。
充电电池中能量的转化关系是化学能
电能。
（2）常见的充电电池
①铅蓄电池
常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。
负极材料是Pb，正极材料是PbO2，电解质溶液是硫酸溶液。
②镍镉电池
以Cd为负极，NiO（OH）为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。
③碱金属中的Li是最轻的金属，活动性极强，是制造电池的理想物质。
锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。
3．燃料电池
（1）燃料电池是通过燃料气体与氧气分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。
（2）燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。
与干电池或者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。
（3）以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：
负极：
2H2＋4OH－－4e－===4H2O（氧化反应）；
正极：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－（还原反应）；
总反应：
2H2＋O2===2H2O。
化学电池的基本类型
（1）活泼金属作负极，被腐蚀或消耗，发生氧化反应，如锌锰干电池。
（2）两电极都参加反应，如铅蓄电池。
（3）两电极均为惰性电极，电极本身不发生反应，而是由引入到两极上的物质发生反应，如燃料电池。
1．下列电池工作时，O2在正极得电子的是（ ）
A
B
C
D
锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池
镍镉电池
答案 C
2．汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：
PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是（ ）
A．Pb是正极
B．PbO2得电子，被氧化
C．负极反应是Pb＋SO
－2e－===PbSO4
D．电池放电时，溶液的酸性增强
答案 C
解析 从铅蓄电池的放电反应可以看出：
放电过程中Pb失去电子变为Pb2＋，发生氧化反应，因而Pb是负极；PbO2得到电子发生还原反应，被还原；反应过程中消耗了H2SO4，使溶液的酸性减弱。
二、原电池电极反应式的书写方法
1．负极反应式的书写
先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。
（1）锌锰干电池（Zn—C—NH4Cl）的负极是Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2＋，Zn2＋与电解质溶液成分不反应，负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋。
（2）铅蓄电池（Pb—PbO2—H2SO4）的负极是Pb，其负极反应特点是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与电解质溶液中的SO
反应生成PbSO4，负极反应式是Pb－2e－＋SO
===PbSO4。
（3）氢氧燃料电池（Pt—Pt—KOH）的负极是Pt，其负极反应特点是Pt为惰性电极，燃料氢气失去电子生成H＋，H＋与电解质溶液中的OH－反应生成H2O，负极反应式是H2－2e－＋2OH－===2H2O。
2．正极反应式的书写
（1）首先判断在正极发生反应的物质
①当负极材料与电解质溶液能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；
②当负极材料与电解质溶液不能自发地发生化学反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的O2。
（2）然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应要书写叠加式。
（3）甲烷燃料电池用铂作电极插入KOH溶液中，其正极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；铜锌原电池（Zn－Cu－H2SO4）的正极反应式是2H＋＋2e－===H2↑。
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）。
3．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池。
某种锂电池的总反应式为Li＋MnO2===LiMnO2，下列说法正确的是（ ）
A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋
B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋
C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－===MnO
D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋
答案 B
解析 由总反应
i＋
nO2===L
nO2可知，Li元素在反应后化合价升高（0→＋1），Mn元素在反应后化合价降低（＋4→＋3）。
Li被氧化，在电池中作负极，电极反应为Li－e－===Li＋，MnO2在正极上反应，电极反应为MnO2＋e－===MnO
。
4．燃料电池是目前电池研究的热点之一。
现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。
下列叙述不正确的是（ ）
A．a极是负极，该电极上发生氧化反应
B．b极反应是O2＋4OH－－4e－===2H2O
C．总反应的化学方程式为2H2＋O2===2H2O
D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
答案 B
解析 a极通H2为负极，电极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，发生氧化反应，A正确；b极通O2为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，B不正确；正、负极电极反应式相加得总反应为2H2＋O2===2H2O，C正确；氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源，D正确。
思维启迪 从理论上讲，凡是可燃物的燃烧反应都可以设计成原电池，所以燃料电池的燃料除H2外，还可以用CH4、甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）、肼（N2H4）等，燃料电池的正极反应物一般为氧气。
电解质不同，电极反应就不同，如
①氢氧燃料电池以强碱溶液为电解质，其放电原理为
负极（H2）反应式：
2H2－4e－＋4OH－===4H2O（氧化反应）
正极（O2）反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－（还原反应）
电池总反应式：
2H2＋O2===2H2O
②氢氧燃料电池以酸性溶液为电解质，其放电原理为
负极（H2）反应式：
2H2－4e－===4H＋（氧化反应）
正极（O2）反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O（还原反应）
电池总反应式：
2H2＋O2===2H2O
③CH4、CH3OH、
C2H5OH燃料电池—
④N2H4燃料电池―→产物是N2和H2O。
1．随着人们生活质量的不断提高，废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程，其首要原因是（ ）
A．利用电池外壳的金属材料
B．防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染
C．防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品
D．回收其中的石墨电极
答案 B
解析 回收电池的主要目的是防止对环境的污染。
2．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
解析 电池中电子由负极流向正极，B项电子应从Zn电极流向Cu电极。
3．已知空气－锌电池的电极反应为
锌片：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；
碳棒：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－。
据此判断，锌片是（ ）
A．正极，被还原B．正极，被氧化
C．负极，被还原D．负极，被氧化
答案 D
4．“盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极，向极板上滴加食盐水后电池便可工作，电池反应为2Mg＋O2＋2H2O===2Mg（OH）2。
下列关于该电池的说法错误的是（ ）
A．镁片作为正极
B．食盐水作为电解质溶液
C．电池工作时镁片逐渐被消耗
D．电池工作时实现化学能向电能的转化
答案 A
解析 电极反应式为
负极：
2Mg－4e－===2Mg2＋，
正极：
O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
5．有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中一定浓度的O2和H2O进行工作。
（1）负极材料是________，电极反应为______________________________________。
（2）正极材料是________，电极反应为_____________________________________。
答案
（1）锌 2Zn－4e－===2Zn2＋
（2）铂 O2＋2H2O＋4e－===4OH－
解析 以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的O2得到电子被还原。
正极的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－；负极的反应为2Zn－4e－===2Zn2＋。
[基础过关]
题组一 化学电源及其回收利用
1．对化学电源的叙述正确的是（ ）
A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高
B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位
C．化学电源均是安全、无污染的
D．化学电源即为可充电电池
答案 A
解析 由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中转环节，所以化学电源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位；化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严重的污染；有些化学电源是可充电电源（如镍镉电池），有些是不可充电的（如干电池）。
2．下列化学电池不易造成环境污染的是（ ）
A．氢氧燃料电池B．锌锰电池
C．镍镉电池D．铅蓄电池
答案 A
3．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。
有同学想将其变废为宝，以下他的想法你认为不正确的是（ ）
A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气
B．碳棒取出洗净用作电极
C．把铜帽取下洗净回收利用
D．电池内部填有NH4Cl等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用
答案 D
解析 虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。
题组二 常用化学电源
4．下列说法正确的是（ ）
A．镍镉电池、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
答案 C
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。
5．日常所用干电池的电极分别为碳棒（上面有铜帽）和锌皮，以糊状NH4Cl和ZnCl2作电解质（其中加入MnO2吸收H2），电极反应式可简化为Zn－2e－===Zn2＋，2NH
＋2e－===2NH3↑＋H2↑（NH3与Zn2＋能生成一种稳定的物质）。
根据上述判断，下列结论不正确的是（ ）
A．干电池内发生的是氧化还原反应
B．锌为负极，碳为正极
C．工作时，电子由碳极经过外电路流向锌极
D．长时间连续使用时，内装糊状物可能流出腐蚀用电器
答案 C
解析 由负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应或根据原电池形成的条件，相对活泼（指金属活动性强）的一极为负极，相对不活泼的一极为正极可判断出选项A、B正确；在外电路中，电子从负极流向正极，故选项C不正确；长时间连续使用该原电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，且MnO2不断吸收H2而生成H2O，糊状物也越来越稀，故其很可能流出腐蚀用电器，选项D正确。
6．燃料电池是燃料（如CO、H2、CH4等）跟氧气（或空气）起反应将化学能转变为电能的装置，电解质溶液是强碱溶液。
下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是（ ）
A．负极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．负极反应式：
CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2O
C．随着放电的进行，溶液的c（OH－）不变
D．放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案 D
解析 O2＋2H2O＋4e－===4OH－应为正极反应式；燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根，所以负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO
＋7H2O；由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c（OH－）将减小。
题组三 新型化学电源
7．据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。
其电池反应为2Zn＋O2===2ZnO，原料为锌粒、电解液和空气。
则下列叙述正确的是（ ）
A．锌为正极，空气进入负极反应
B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋
C．正极发生氧化反应
D．电解液为强酸
答案 B
解析 Zn与O2反应的电子转移情况为
所以Zn作负极，负极发生氧化反应：
Zn－2e－===Zn2＋。
O2是正极反应物，发生还原反应。
若电解液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O2===2ZnO，而是Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑。
8．一种微生物燃料电池的结构示意图如下，关于该电池的叙述正确的是（ ）
A．电池工作时，电子由a流向b
B．微生物所在电极区放电时发生还原反应
C．放电过程中，H＋从正极区移向负极区
D．正极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O
答案 D
解析 因为右侧产生CO2，说明微生物所在的电极区Cm（H2O）n失电子生成CO2，电池工作时电子由b极经外电路流向a极，A错误；微生物所在电极区放电时发生氧化反应，B错误；放电时阳离子向正极移动，C错误；放电时正极发生还原反应，D正确。
9．固体氧化物燃料电池是由美国西屋（Westinghouse）公司研制开发的。
它以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O2－）在其间通过。
该电池的工作原理如下图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。
下列判断正确的是（ ）
A．有O2放电的a极为电池的负极
B．O2－移向电池的正极
C．b极对应的电极反应为2H2－4e－＋2O2－===2H2O
D．a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
答案 C
解析 在燃料电池中，有O2放电的a极为原电池的正极，A错误；在燃料电池中，O2－移向电池的负极，B错误；在燃料电池中，有H2放电的b极为电池的负极，电极反应为2H2－4e－＋2O2－===2H2O，C正确；a极是正极，氧气在正极得电子，则对应的电极反应为O2＋4e－===2O2－，D错误。
10．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。
高铁电池的总反应为
3Zn＋2K2FeO4＋8H2O
3Zn（OH）2＋2Fe（OH）3＋4KOH
下列叙述不正确的是（ ）
A．放电时负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2
B．放电时正极反应为FeO
＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3＋5OH－
C．放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被氧化
D．放电时正极附近溶液的碱性增强
答案 C
解析 高铁电池放电时为原电池，依据原电池工作原理，放电时负极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，用总式减去负极反应式即得正极反应式为FeO
＋4H2O＋3e－===Fe（OH）3＋5OH－，放电时每转移3mol电子，正极有1molK2FeO4被还原。
[能力提升]
11．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。
该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。
总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑。
（1）该电池的负极是________，负极反应式是____________________________________
________________________________________________________________________。
（2）正极现象是______________________________________________。
（3）放电时OH－向________（填“正极”或“负极”）移动。
答案
（1）锂 Li－e－===Li＋
（2）有无色气体产生 （3）负极
解析 金属锂比铁活泼，作原电池的负极，电极反应式为Li－e－===Li＋，LiOH溶液中的阳离子有Li＋和H＋，由于氧化性：
H＋＞Li＋，所以正极反应是2H＋＋2e－===H2↑，正极产生无色气体；在原电池的放电过程中，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以OH－向负极移动。
12．如图为原电池装置示意图。
（1）将铝片和铜片用导线相连，一组插入浓硝酸中，一组插入烧碱溶液中，分别形成了原电池，在这两个原电池中，作负极的分别是________。
A．铝片、铜片B．铜片、铝片
C．铝片、铝片D．铜片、铜片
写出插入烧碱溶液中形成的原电池的负极反应式：
________________________________________________________________________。
（2）若A为Pb，B为PbO2，电解质为H2SO4溶液，工作时的总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。
写出B电极反应式：
_____________________________
________________________________________________________________________；
该电池在工作时，A电极的质量将________（填“增加”“减小”或“不变”）。
若该电池反应消耗了0.1molH2SO4，则转移电子的数目为________。
（3）若A、B均为铂片，电解质为KOH溶液，分别从A、B两极通入H2和O2，该电池即为氢氧燃料电池，写出A电极反应式：
_________________________________________；
该电池在工作一段时间后，溶液的碱性将________（填“增强”“减弱”或“不变”）。
答案
（1）B Al－3e－＋4OH－===AlO
＋2H2O
（2）PbO2＋SO
＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O 增加 0.1NA
（3）H2＋2OH－－2e－===2H2O 减弱
解析
（1）铝遇浓硝酸钝化，铜能与浓硝酸反应，故此时作负极的是铜片；铝能与烧碱溶液反应，铜不能，此时作负极的是铝片；铝在烧碱溶液中失去电子后结合OH－生成AlO
。
（2）B为PbO2，得到电子后结合溶液中的SO
生成难溶的PbSO4：
PbO2＋SO
＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O；同样A极也生成PbSO4，故质量会增加；由总反应可知消耗2molH2SO4时，转移2mol电子，故消耗0.1molH2SO4时转移电子的数目为0.1NA。
（3）碱性条件下电极反应式中不能出现H＋，只能出现OH－；因为电池反应最终生成了水，对KOH溶液有稀释作用，故溶液的碱性将减弱。
13．Ⅰ.观察图A、B，回答下列问题：
（1）把一块纯净的锌片插入装有稀硫酸的烧杯里，可观察到锌片上有气泡产生，再平行插入一块铜片，可观察到铜片________（填“有”或“没有”）气泡产生。
再用导线把锌片和铜片连接起来（见图A），组成一个原电池，正极的电极反应式为_____________________
________________________________________________________________________。
（2）如果烧杯中最初装入的是2mol·L－1500mL的稀硫酸，构成铜锌原电池（见图B，假设产生的气体没有损失，锌失去的电子完全沿导线到铜电极），当在标准状况下收集到11.2L的氢气时，则此时烧杯内溶液中溶质的物质的量浓度分别为（溶液体积变化忽略不计）______、________。
Ⅱ.将铜粉末用10%H2O2和3.0mol·L－1稀硫酸混合溶液处理，测得不同温度下铜的平均溶解速率如下表：
温度（℃）
20
30
40
50
60
70
80
铜的平均溶解速率
（×10－3mol·L－1·min－1）
7.34
8.01
9.25
7.98
7.24
6.73
5.76
由表中数据可知，当温度高于40℃时，铜的平均溶解速率随着温度的升高而下降，其主要原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 Ⅰ.
（1）没有 2H＋＋2e－===H2↑
（2）c（H2SO4）＝1mol·L－1
c（ZnSO4）＝1mol·L－1
Ⅱ.温度越高，双氧水越容易分解
14．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，电解质溶液是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_____
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