学年高二化学人教版选修四学案42 化学电源docWord格式.docx

学年高二化学人教版选修四学案42 化学电源docWord格式.docx

《学年高二化学人教版选修四学案42 化学电源docWord格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学年高二化学人教版选修四学案42 化学电源docWord格式.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

①放电：

Pb（s）＋SO

（aq）－2e－===PbSO4（s）

PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

（aq）＋2e－===PbSO4（s）＋2H2O（l）

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）===2PbSO4（s）＋2H2O（l）

②充电时

铅蓄电池的充电反应是放电反应的逆过程。

阴极：

PbSO4（s）＋2e－===Pb（s）＋SO

（aq）；

阳极：

PbSO4（s）＋2H2O（l）－2e－===PbO2（s）＋4H＋（aq）＋SO

2PbSO4（s）＋2H2O（l）===Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）。

上述充放电反应可写成一个总反应方程式：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）

2PbSO4（s）＋2H2O（l）。

3．燃料电池

（1）工作原理

①连续地将燃料（如氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体）和氧化剂的化学能直接转换成电能。

②电极材料本身不发生氧化还原反应。

③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，生成物不断地被排除。

（2）氢氧燃料电池

①电极材料Pt，酸性电解质。

②电极反应：

H2－2e－===2H＋

O2＋2H＋＋2e－===H2O

H2＋

O2===H2O

3．燃料电池是燃料直接燃烧的过程中产生的热量发电吗？

【提示】　不是，燃料电池产生电流的过程并非燃料的直接燃烧，而是燃料和氧化剂（氧气）分别在原电池装置的两极上发生反应将化学能转化成电能。

4．若把氢氧燃料电池中的酸性介质换成碱性介质，其电极反应式怎样写？

【提示】　负极：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

2H2＋O2===2H2O。

1．易误诊断

（1）碱性锌锰电池的负极材料是Zn，正极材料是MnO2。

（　　）

（2）废旧电池中含汞、镉、铅、镍等重金属，随意丢弃会污染环境，应对废旧电池分类回收，集中处理。

（　　）

（3）锌银电池中负极是锌，工作时发生还原反应。

（4）铅蓄电池充电时，负极与电源的正极相接，正极与电源的负极相接。

（5）氢氧燃料电池的电极反应式书写，与电解质溶液的酸碱性无关。

【答案】　

（1）√　

（2）√　（3）×

　（4）×

　（5）×

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

【解析】　锂离子电池可以充电，再次使用，属于二次电池，A项正确；

铜锌原电池中铜为正极，故电流从铜电极流向锌电极，而电子是由锌电极流向铜电极，B项错误；

电池的实质即是化学能转化成电能，C项正确；

Zn失去电子生成Zn2＋，故作为负极，D项正确。

【答案】　B

3．锌锰干电池的两极分别为碳棒和锌皮，在放电时电池总反应方程式可以表示为：

Zn＋2MnO2＋2NH

===2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O。

根据上述信息，下列结论正确的是（　　）

A．放电时正极发生反应的物质为NH

B．Zn为负极，碳为正极

C．工作时，电子由碳极经外电路流向Zn极

D．长时间连续使用该电池时，内装糊状物不会流出

【解析】　在电池的正极上发生的是得电子的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。

由锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH

发生的反应为正极反应。

根据原电池的工作原理可知，相对活泼（指金属性）的一极为负极，相对不活泼的一极为正极，B项正确；

在外电路，电子从负极流向正极，C项错误；

长时间连续使用该电池，由于锌皮慢慢溶解而破损，糊状物很可能流出而腐蚀用电器，D项错误。

4．关于铅蓄电池的说法正确的是（　　）

A．在放电时，正极发生的反应是：

（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：

（aq）

【解析】　A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为：

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。

学生分组探究一　化学电源中电极反应式的书写

第1步探究——问题引入，自主探究

1．已知电池总反应式和某一电极反应式，怎样书写另一电极反应式？

【提示】　电极反应相当于氧化还原反应（电池反应）的半反应，故某一电极反应式等于电池总反应式减另一电极反应式，即：

正（负）极反应式＝电池总反应式－负（正）极反应式。

2．铅蓄电池应用非常广泛，如日常生活中的电动自行车电池、汽车上的电池等，已知总反应式为：

Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。

你能写出铅蓄电池放电时的正、负极的电极反应式吗？

【提示】　负极反应式：

Pb＋SO

－2e－===PbSO4

正极反应式：

＋2e－===PbSO4＋2H2O。

第2步阐述——要点归纳，深化知识

1．根据装置书写电极反应式

（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）。

特例：

若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H＋能反应，则该阴离子应写入电极反应式，如铅蓄电池的负极反应是Pb＋SO

－2e－===PbSO4。

②正极反应：

阳离子得电子生成单质或氧气得电子。

若是氧气得电子，要考虑电解质溶液的情况。

中性或碱性：

酸性：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

（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：

（1）一般书写步骤：

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。

（2）实例：

如以2H2＋O2===2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤：

①负极反应式的书写：

根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H2，转移电子为4e－：

2H2－4e－===4H＋。

②根据电解质溶液的酸碱性，用H＋或OH－或其他离子配平，使两边电荷总数相等即得2H2＋4OH－－4e－===4H2O。

③利用H2O使两边的元素守恒，即得：

2H2－4e－＋4OH－===4H2O。

同理，正极反应式的书写如下：

O2＋4e－===2O2－，O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

3．可充电电池电极反应：

第3步例证——典例印证，思维深化

　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，电解质是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】　

（1）分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂（作负极），失电子：

Li－e－===Li＋。

（2）SOCl2为氧化剂，得电子，从题给电池反应可推出产物：

Cl－、S、SO2。

（或用总反应减去负极反应）

（3）题中已给出信息：

碱液吸收时的产物是Na2SO3和NaCl，则没有碱液吸收时的产物应为SO2和HCl，进而推出现象。

【答案】　

（1）Li　Li－e－===Li＋

（2）2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑

（3）出现白雾，有刺激性气味气体生成

SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑

（4）因为构成电池的主要成分Li能与氧气、水反应，SOCl2也与水反应

第4步运用——精选习题，落实强化

1．在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾为电解质，发生的电池总反应为：

Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn（OH）2。

下列该电池的电极反应，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－

【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

2．（双选）镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，且镁原电池放电时电压高而平稳，使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点。

其中一种镁原电池的反应为xMg＋Mo3S4

MgxMo3S4；

在镁原电池放电时，下列说法错误的是（　　）

A．Mg2＋向负极迁移

B．正极反应为：

Mo3S4＋2xe－===Mo3S

C．Mo3S4发生氧化反应

D．负极反应为：

xMg－2xe－===xMg2＋

【解析】　正极反应为Mo3S4＋2xe－===Mo3S

，发生还原反应，负极反应为xMg－2xe－===xMg2＋，负极产生的Mg2＋移向正极，A、C选项错误。

【答案】　AC

3．锂电池是新一代高能电池，目前已研发出多种锂电池。

某种锂电池的总反应式为：

Li＋MnO2===LiMnO2。

下列说法中正确的是（　　）

A．Li是正极，MnO2是负极

B．放电时负极的反应：

Li－e－===Li＋

C．放电时正极的反应：

MnO

＋e－===MnO2

D．电池放电时，产生高锰酸根离子

【解析】　Li在负极发生反应：

Li－e－===Li＋，MnO2在正极发生反应：

MnO2＋e－===MnO

。

4．科学工作者为心脏病患者设计的心脏起搏器的电池是以Pt和Zn为电极材料，依靠人体体液中含有的一定浓度的溶解氧、H＋和Zn2＋进行工作的。

该电池工作时，正极的电极反应式为（　　）

A．Zn－2e－===Zn2＋

B．2H＋＋2e－===H2↑

C．4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

D．O2＋4H＋＋4e－===2H2O

【解析】　正极得电子，体液中溶解的氧易得电子而发生反应：

O2＋4H＋＋4e－===H2O，D项正确。

原电池中电极反应式的书写

（1）书写步骤

（2）介质对电极反应式的影响

①中性溶液反应物若是H＋得电子或OH－失电子，则H＋或OH－均来自于水的电离；

②酸性溶液反应物或生成物中均没有OH－；

③碱性溶液反应物或生成物中均没有H＋；

④水溶液中不能出现O2－。

学生分组探究二　常见燃料电池的电极反应

1．常见的燃料电池有哪些类型？

【提示】　氢氧燃料电池，甲烷燃料电池，甲醇燃料电池，肼燃料电池。

2．如何书写甲烷燃料电池在碱性电解质溶液中的电极反应？

【提示】　正极（通O2）：

2O2＋4H2O＋8e－===8OH－

负极（通CH4）：

CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O

总反应式：

CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O

1．常见的三种典型燃料电池

名称

电解质

电极反应和总反应

甲烷燃

料电池

KOH

正极（通O2）：

甲醇燃

3O2＋6H2O＋12e－===12OH－

2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO

＋12H2O

2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O

肼燃料

电池

N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O

N2H4＋O2===N2＋2H2O

2.燃料电池电极反应式的书写要求

（1）电池的负极一定是可燃物，有机燃料各元素化合价遵循一般化合价规则，燃料失电子发生氧化反应。

电池的正极多为氧气或空气，得电子，发生还原反应，特别注意电解质酸碱性不同的区别。

可根据电荷守恒来配平。

（2）电极材料一般不参加化学反应，只作电池反应催化转化元件。

（3）正、负两极的电极反应式在得失电子守恒的前提下，相加后的电池反应必然是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加，如甲烷燃料电池。

（1）今有2H2＋O2

2H2O反应，构成燃料电池，则负极通的应是________，正极通的应是______，电极反应式分别为__________________、_______________。

（2）如把KOH改为稀H2SO4作电解质溶液，则电极反应式分别为__________________、____________________________。

（1）和

（2）的电解液不同，反应进行后，其溶液的pH各有何变化？

_________________________________。

（3）如把H2改为甲烷、KOH作导电物质，则电极反应式为

________________、________________。

【解析】　根据电池反应式可知H2在反应中被氧化，O2被还原，因此H2应在负极上反应，O2应在正极上反应。

又因为是碱性溶液，此时应考虑不可能有H＋参加或生成，故负极反应为：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O，正极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

若将导电物质换成酸性溶液，此时应考虑不可能有OH－参加或生成，故负极：

2H2－4e－===4H＋，正极：

由于前者在碱性条件下反应KOH量不变，但工作时H2O增多故溶液变稀，碱性变小，pH将变小。

而后者为酸溶液，H2SO4量不变，水增多，溶液酸性变小，故pH将变大。

如把H2改为甲烷，用KOH作导电物质，根据反应CH4＋2O2===CO2＋2H2O，则负极为发生氧化反应的CH4，正极为发生还原反应的O2，由于有KOH存在，此时不会有CO2放出。

【答案】　

（1）H2　O2　负极：

2H2＋4OH－－4e－===4H2O　正极：

（2）负极：

2H2－4e－===4H＋　正极：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O　

（1）变小，

（2）变大

（3）负极：

1．（2014·

北京高考）下列电池工作时，O2在正极放电的是（　　）

A.锌锰电池

B.氢燃料电池

C.铅蓄电池

D.镍镉电池

【解析】　锌锰电池，正极反应：

2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－，MnO2在正极放电，A错误。

氢燃料电池，正极反应（酸性条件下）：

O2＋4H＋＋4e－===2H2O，O2在正极放电，B正确。

铅蓄电池，正极反应：

＋2e－===PbSO4＋2H2O，PbO2在正极放电，C错误。

镍镉电池，正极反应：

NiOOH＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－，NiOOH在正极放电，D错误。

2．甲醇燃料电池（DMFC）可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，它的一极通入甲醇，一极通入氧气；

电解质是质子交换膜，它能传导氢离子（H＋）。

电池工作时，甲醇被氧化为二氧化碳和水，氧气在电极上的反应是O2＋4H＋＋4e－===2H2O。

下列叙述中不正确的是（　　）

A．负极的反应式为CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

B．电池的总反应式是2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

C．电池工作时，H＋由正极移向负极

D．电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路再从通入氧气的一极流入

【解析】　首先判断出通入甲醇的一极失去电子作负极，通入氧气的一极得到电子作正极。

电池总反应式减去氧气在正极的电极反应式，就得到了负极反应式，A项正确；

电池工作时，H＋移向正极而不是移向负极，所以C项错误。

【答案】　C

3．科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池，利用细菌将有机物转化为甲烷，然后将甲烷通入以KOH为电解质的燃料电池发电。

电池负极反应为（　　）

A．CH4－8e－＋8OH－===CO2＋6H2O

B．O2＋4H＋＋4e－===2H2O

C．CH4＋10OH－－8e－===CO

D．O2＋2H2O＋4e－===4OH－

【解析】　甲烷燃料电池的总反应：

CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，根据负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出负极通入甲烷，正极通入氧气，故B、D错。

然后根据甲烷中碳元素的化合价变化：

H4―→

O

，写出1mol甲烷转移的电子数，最后根据电荷守恒、原子守恒，配平即可得负极反应：

＋7H2O，故A错，所以正确答案为C。

4．科学家预言，燃料电池将是2l世纪获得电能的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。

一种甲醇燃料电池采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。

回答下列问题：

（1）这种电池放电时发生的化学反应方程式是____________________________。

（2）此电池正极发生的电极反应式是_____________________，

负极发生的电极反应式是____________________________。

（3）电解液中的H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。

（4）比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：

首先是燃料电池能量转化效率高，其次是_____________________________。

【解析】　甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。

CH3OH作负极，发生氧化反应，电极反应为2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋；

氧气在正极的电极反应为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，两反应相加得总反应式。

在电池中，负极释放电子传到正极上，故H＋向正极移动。

甲醇反应产物为CO2和H2O，对环境无污染。

【答案】　

（1）2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

（2）3O2＋12H＋＋12e－===6H2O

2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2＋12H＋

（3）正　负极　（4）对环境无污染

书写燃料电池电极反应式的方法

（1）电池的负极反应物是还原性物质（或燃料），失去电子发生氧化反应。

电池的正极反应物是氧化性物质（通常是氧气），得到电子发生还原反应。

（2）写电极反应式时，一定要注意电解质是什么，电解质溶液的酸碱性如何，其中阴、阳离子要和电极反应式中出现的离子相对应。

（3）正、负两极的电极反应式在得失电子相等时相加，所得电池反应必是燃料燃烧反应和燃烧产物与电解质溶液反应的叠加反应式。

（4）电解质溶液不同时，则正、负极反应式也不相同，但总反应式可能相同。

实验探究（8）　燃料电池工作原理的探究

燃料电池是利用燃料（如CO、H2、CH4等）与氧气反应，将反应产生的化学能转变为电能的装置，通常用氢氧化钾作为电解质溶液。

1．甲烷完全燃烧的化学方程式如何书写？

【提示】　甲烷完全燃烧的化学方程式是CH4＋2O2

CO2＋2H2O。

2．通常情况下，甲烷直接燃烧与设计成甲烷燃料电池，哪种情况下能量利用率更高？

【提示】　设计成燃料电池能量利用率高。

3．已知甲烷燃料电池的总反应式为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，电池中有一极的电极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO

＋7H2O，则该电极是燃料电池的什么极？

另一个电极上的电极反应式如何书写？

【提示】　失去电子的是负极，正极氧气得到电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－。

4．随着电池不断放电，电解质溶液的碱性如何变化？

【提示】　因为反应中不断消耗OH－，故碱性减弱。

课时作业（十八）

1．某同学在超市看到一种电池外壳的纸层包装，印有如图所示的文字。

下列有关说法错误的是（　　）

A．该电池不是可充电干电池

B．该电池用过之后不可以随意丢弃，要集中回收处理

C．该电池含有重金属元素

D．该电池工作时，外电路中每通过0.2mole－，锌的质量理论上减少3.25g

【解析】　电