第八章 学案38 原电池 化学电源.docx

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第八章学案38原电池化学电源

学案38　原电池　化学电源

[考纲要求]　1.了解原电池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。

2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。

知识点一　原电池

1．概念

把________能转化为____能的装置。

2．工作原理：

（以锌铜原电池为例）

电极名称

负极

正极

电极材料

电极反应

反应类型

电子流向

由Zn沿导线流向Cu

3.原电池构成条件

（1）两个____________的电极。

（2）将电极插入______________中。

（3）用导线连接电极构成____________。

（4）能自发进行的____________________。

总之原电池的工作原理和电子流向可用下列图示表示：

问题思考

1．在原电池中是否较活泼金属一定作负极？

2．原电池内部阴、阳离子如何移动？

3．怎样判断原电池的正负极？

知识点二　化学电源

1．一次电池

（1）碱性锌锰干电池

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－；

总反应式：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

（2）锌银电池

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－；

总反应式：

Zn＋Ag2O＋H2O===Zn（OH）2＋2Ag。

2．二次电池（可充电，可多次重复使用）

如铅蓄电池：

H2SO4作电解质溶液

负极反应：

________________________________________________________________________；

正极反应：

PbO2＋2e－＋4H＋＋SO

===PbSO4＋2H2O；

总反应式：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

问题思考

4．可充电电池充电时，电极与外接电源的正负极如何连接？

发生什么变化？

3．燃料电池

（1）氢氧燃料电池

①用酸性电解质时：

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：

H2＋

O2===H2O。

②用NaOH等碱性溶液时：

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：

H2＋

O2===H2O。

（2）CH4燃料电池：

电解质为KOH

负极：

________________________________________________________________________；

正极：

________________________________________________________________________；

总反应：

CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O。

问题思考

5．氢氧燃料电池在碱性介质中如何反应？

反应后溶液的碱性有何变化？

一、原电池电极反应式的书写

1．一般电极反应式的书写步骤

2．复杂电极反应式的书写

如CH4酸性燃料电池中，负极反应式为

CH4＋2O2―→CO2＋2H2O……总反应式①

____________________________……正极反应式②

______________________……负极反应式（①－②）

典例导悟1

　科学工作者为心脏病人设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体内液体中含有一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作。

回答下列问题：

（1）正极材料是________，电极反应是

________________________________________________________________________。

（2）负极材料是________，电极反应是

________________________________________________________________________。

典例导悟2

　（2008·广东，16改编）LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。

电池反应为FePO4＋Li

LiFePO4，电池的正极材料是LiFePO4，负极材料是石墨，含Li＋导电固体为电解质。

下列有关LiFePO4电池说法正确的是（　　）

A．可加入硫酸以提高电解质的导电性

B．放电时电池内部Li＋向负极移动

C．充电过程中，电池正极材料的质量增加

D．放电时电池正极反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4

听课记录：

二、原电池原理的应用

1．加快氧化还原反应速率

一个自发进行的氧化还原反应，设计成原电池时反应速率________。

例如，在Zn与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液能使产生H2的速率________。

典例导悟3

　将等质量的两份锌粉a、b分别加入过量的稀硫酸，同时向a中加少量CuSO4溶液，下图中产生H2的体积V（L）与时间t（min）的关系，其中正确的是（　　）

听课记录：

2．比较金属活动性强弱

两种金属作原电池的两极时，其活泼性与正极、负极有什么关系？

典例导悟4

　有A、B、C、D四种金属。

将A与B用导线连接起来，浸入电解质溶液中，B不易腐蚀。

将A、D分别投入等浓度盐酸中，D比A反应剧烈。

将铜浸入B的盐溶液里，无明显变化。

如果把铜浸入C的盐溶液里，有金属C析出。

据此判断它们的活动性由强到弱的顺序是（　　）

A．D、C、A、BB．D、A、B、C

C．D、B、A、CD．B、A、D、C

听课记录：

3．设计化学电源

（1）设计原电池的一般思维方法是什么？

（2）设计原电池时，对电解质溶液有何要求？

若有盐桥时两个半电池中的电解质溶液是否相同？

（3）在电极材料的选择使用方面有何要求？

电极材料必须参与化学反应吗？

典例导悟5

　根据下列氧化还原反应设计一个原电池：

2FeCl3＋Fe===3FeCl2。

要求：

（1）画出此原电池的装置图，装置可采用烧杯。

（2）注明原电池的正、负极和外电路中电子的流向。

（3）写出两个电极上发生的电极反应。

题组一　原电池正、负极的判断与电极反应式的书写

1．（2011·福建理综，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。

关于该电池的下列说法不正确的是（　　）

A．水既是氧化剂又是溶剂

B．放电时正极上有氢气生成

C．放电时OH－向正极移动

D．总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

2．（2011·安徽理综，12）研究人员最近发明了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2＋2Ag＋2NaCl===Na2Mn5O10＋2AgCl

下列“水”电池在海水中放电时的有关说法正确的是（　　）

A．正极反应式：

Ag＋Cl－－e－===AgCl

B．每生成1molNa2Mn5O10转移2mol电子

C．Na＋不断向“水”电池的负极移动

D．AgCl是还原产物

3．（2011·广东理综，12）某小组为研究电化学原理，设计如图装置。

下列叙述不正确的是（　　）

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D．a和b分别连接直流电流正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动

4．（2010·福建理综，11）铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，研读下图，下列判断不正确的是（　　）

A．K闭合时，d电极反应式：

PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO

B．当电路中转移0.2mol电子时，Ⅰ中消耗的H2SO4为0.2mol

C．K闭合时，Ⅱ中SO

向c电极迁移

D．K闭合一段时间后，Ⅱ可单独作为原电池，d电极为正极

5．（2010·广东，23改编）铜锌原电池（如图）工作时，下列叙述正确的是（　　）

A．正极反应为Zn－2e－===Zn2＋

B．电池反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu

C．在外电路中，电子从正极流向负极

D．盐桥中的K＋移向ZnSO4溶液

题号

1

2

3

4

5

答案

题组二　原电池原理的应用

6．（2011·江苏，18）Ag2O2是银锌碱性电池的正极活性物质，可通过下列方法制备：

在KOH溶液中加入适量AgNO3溶液，生成Ag2O沉淀，保持反应温度为80℃，边搅拌边将一定量K2S2O8溶液缓慢加到上述混合物中，反应完全后，过滤、洗涤、真空干燥得固体样品。

反应方程式为2AgNO3＋4KOH＋K2S2O8

Ag2O2↓＋2KNO3＋2K2SO4＋2H2O

回答下列问题：

（1）上述制备过程中，检验洗涤是否完全的方法是

________________________________________________________________________。

（2）银锌碱性电池的电解质溶液为KOH溶液，电池放电时正极的Ag2O2转化为Ag，负极的Zn转化为K2Zn（OH）4，写出该电池反应方程式：

________________________________________________________________________。

（3）准确称取上述制备的样品（设仅含Ag2O2和Ag2O）2.588g，在一定条件下完全分解为Ag和O2，得到224.0mLO2（标准状况下）。

计算样品中Ag2O2的质量分数（计算结果精确到小数点后两位）。

7．（2009·天津理综，10）氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。

如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。

请回答：

（1）

氢氧燃料电池的能量转化的主要形式是____________________，在导线中电子流动方向为________（用a、b表示）。

（2）负极反应式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）电极表面镀铂粉的原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断提供电能。

因此，大量安全储氢是关键技术之一。

金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：

Ⅰ.2Li＋H2

2LiH

Ⅱ.LiH＋H2O===LiOH＋H2↑

①反应Ⅰ中的还原剂是________________，反应Ⅱ中的氧化剂是________________。

②已知LiH固体密度为0.82g·cm－3，用锂吸收224L（标准状况）H2，生成的LiH体积与被吸收的H2体积比为________。

③由②生成的LiH与H2O作用，放出的H2用作电池燃料，若能量转化率为80%，则导线中通过电子的物质的量为________mol。

题组一　原电池原理及其应用

1．理论上不能用于设计成原电池的反应是（　　）

A．HCl＋NaOH===NaCl＋H2O　ΔH＜0

B．2CH3OH（l）＋3O2（g）

2CO2（g）＋4H2O（l）　ΔH＜0

C．4Fe（OH）2（s）＋2H2O（l）＋O2（g）===4Fe（OH）3（s）　ΔH＜0

D．2H2（g）＋O2（g）===2H2O（l）　ΔH＜0

2．X、Y、Z都是金属，把X投入Z的硝酸盐溶液中，X的表面有Z析出，X与Y组成原电池时，Y为电池的负极，X、Y、Z三种金属的活泼性顺序为（　　）

A．X>Y>ZB．X>Z>Y

C．Y>X>ZD．Y>Z>X

3．（2011·吉林模拟）依据氧化还原反应：

2Ag＋（aq）＋Cu（s）===Cu2＋（aq）＋2Ag（s）设计的原电池如下图所示。

请回答下列问题：

（1）电极X的材料是______；电解质溶液Y是

________________________________________________________________________；

（2）银电极为电池的________极，发生的电极反应为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________；

X电极上发生的电极反应为

________________________________________________________________________；

（3）外电路中的电子是从________电极流向________电极。

题组二　原电池正、负极的判断和电极反应式的书写

4．将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。

已知，通入CH4的一极，其电极反应式是CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O；通入O2的另一极，其电极反应式是2O2＋4H2O＋8e－===8OH－。

下列叙述不正确的是（　　）

A．通入CH4的电极为负极

B．正极发生氧化反应

C．燃料电池工作时，溶液中的OH－向负极移动

D．该电池使用一段时间后应补充KOH

5．科学家成功开发出便携式固体氧化物燃料电池，它以丙烷气体为燃料。

电池中的一极通入空气，另一极通入丙烷气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O2－。

下列对该燃料电池的说法不正确的是（　　）

A．在熔融电解质中，O2－由负极移向正极

B．该电池的总反应是C3H8＋5O2===3CO2＋4H2O

C．电路中每通过5mol电子，约有5.6L标准状况下的丙　烷被完全氧化

D．通入丙烷的电极为电池负极，发生的电极反应为

C3H8－20e－＋10O2－===3CO2＋4H2O

6．（2011·宁波质检）一种燃料电池中发生的化学反应为：

在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。

该电池负极发生的反应是（　　）

A．CH3OH（g）＋O2（g）－2e－===H2O（l）＋CO2（g）＋2H＋（aq）

B．O2（g）＋4H＋（aq）＋4e－===2H2O（l）

C．CH3OH（g）＋H2O（l）－6e－===CO2（g）＋6H＋（aq）

D．O2（g）＋2H2O（l）＋4e－===4OH－

题号

1

2

4

5

6

答案

7.

（1）将Al片和Cu片用导线相连，插入稀H2SO4中组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片

（　　）________________________________________________________________________，

Cu片

（　　）________________________________________________________________________。

（2）若将Al片和Cu片用导线相连，插入浓HNO3中能否组成原电池？

________（填“能”或“不能”），若能组成原电池，写出电极名称及电极反应式：

Al片

（　　）________________________________________________________________________，

Cu片

（　　）________________________________________________________________________。

题组三　综合探究

8．LiSOCl2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

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

学案38　原电池　化学电源

【课前准备区】

知识点一

1．化学　电

2.

电极名称

负极

正极

电极材料

锌片

铜片

电极反应

Zn－2e－===Zn2＋

Cu2＋＋2e－===Cu

反应类型

氧化反应

还原反应

电子流向

由Zn沿导线流向Cu

3.

（1）活泼性不同　

（2）电解质溶液　（3）闭合回路　（4）氧化还原反应

知识点二

1．

（1）Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

（2）Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2

2．Pb＋SO

－2e－===PbSO4

3．

（1）①H2－2e－===2H＋

O2＋2H＋＋2e－===H2O

②H2＋2OH－－2e－===2H2O

O2＋H2O＋2e－===2OH－

（2）CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

问题思考

1．不一定，例如将Mg和Al用导线连接插入NaOH溶液中，Al作负极，Mg作正极。

2．根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原理可知，在电解质溶液中，阴离子移向负极，阳离子移向正极。

3．

（1）根据电子流动方向判断。

在原电池中，电子流出的一极是负极；电子流入的一极是正极。

（2）根据两极材料判断。

一般活泼性较强金属为负极；活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。

（3）根据原电池里电解质溶液内离子的定向流动方向判断。

阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。

（4）根据原电池两极发生的变化来判断。

负极总是失去电子，发生氧化反应，正极总是得到电子，发生还原反应。

（5）根据现象判断。

溶解的一极为负极，质量增加或放出气体的一极为正极。

4.

5．负极反应：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O

正极反应：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

总反应式：

2H2＋O2===2H2O

从上述反应可以看出，虽然OH－反应前后的量不变，但有水生成，介质溶液的碱性减弱。

【课堂活动区】

一、1.氧化反应　还原反应　电荷　质量　得失电子

2．总反应式　较简单一极的电极反应式　2O2＋8H＋＋8e－===4H2O　CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋

二、1.加快　加快

2．一般作负极的金属比作正极的金属活泼。

3．

（1）一般思维方法：

①首先将已知氧化还原反应拆分为两个半反应；

②根据原电池的电极反应特点，结合两个半反应找出正负极材料（负极就是失电子的物质，正极用比负极活泼性差的金属即可，也可以用石墨）及电解质溶液。

③按要求画出原电池装置图。

（2）电解质溶液的要求：

电解质是使负极放电的物质。

因此电解质溶液一般要能够与负极发生反应，或者电解质溶液中溶解的其他物质能与负极发生反应（如空气中的氧气）。

但如果两个半反应分别在两个容器中进行（中间连接盐桥），则左右两个容器中的电解质溶液选择与电极材料相同的阳离子。

如在锌铜原电池中，负极金属锌浸泡在含有Zn2＋的电解质溶液中，而正极铜浸泡在含有Cu2＋的溶液中。

但H2—KOH—O2构成的电池中两个半电池中可都用KOH溶液。

（3）电极材料的选择

在原电池中，选择还原性较强的物质作为负极；氧化性较强的物质作为正极。

并且，原电池的电极必须导电。

电池中的负极必须能够与电解质溶液反应，容易失去电子，因此负极一般是活泼的金属材料（也可以是还原性较强的非金属材料如H2、CH4等）。

典例导悟

1．

（1）Pt　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

（2）Zn　2Zn－4e－===2Zn2＋

解析　Zn比Pt活泼，Zn作为原电池的负极，Zn失去电子，Pt作为原电池的正极，因人的体内液体不可能呈较强酸性，故正极上O2得到电子，发生还原反应。

2．D　[由于Li能和稀H2SO4、H2O反应，因此电解质不能用硫酸；放电过程为原电池原理，在原电池中，阴离子向着负极移动，阳离子向着正极移动；充电过程是电解的过程，电解池的阳极失电子，即LiFePO4－e－===Li＋＋FePO4，因此阳极材料（LiFePO4）质量会减少；将电解池阳极反应倒过来就是原电池的正极反应。

综合上述分析可知D正确。

]

3．A　[a中加入CuSO4溶液，被置换出的铜覆盖在Zn的表面，形成原电池，产生H2的速率加快，反应所需时间缩短，