2020-2021学年高二化学新教材人教版必修第二册教师用书：6

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第 3 课时　发展中的化学电源 课前自主预习 一、干电池 　干电池是一种一次性电池，最早使用的是锌锰干电池，其负极 是锌筒。为防止漏液，改良后的碱性锌锰电池将电池内的电解质 NH4Cl 换成湿的 KOH。 二、充电电池 　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。 1．铅蓄电池 正极材料为 PbO2，负极材料为 Pb，电解质为 H2SO4 溶液。 2．镍镉电池 正极材料为 NiO(OH)，负极材料为 Cd，电解质为 KOH。 3．锂离子电池 新一代可充电的绿色电池，低功耗电器的主流电源。 三、燃料电池 1．原理 利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接 转化为电能。 2．与其他电池的区别 反应物是由外设装备提供燃料和氧化剂。 课堂互动探究 电极反应式的书写 1．电极反应式的书写 (1)根据原电池的装置书写 负极： ①若负极材料本身被氧化，其电极反应式有两种情况： 一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子不与电解质溶液的成 分反应，此时的电极反应可表示为 M－ne－===Mn＋。 另一种是负极金属失电子后生成的金属阳离子与电解质溶液的成 分反应，此时的电极反应要将金属失电子的反应、金属阳离子与电解 质溶液反应叠加在一起，如铅蓄电池的负极反应为：Pb＋SO2－4 －2e－ ===PbSO4。 ②若负极材料本身不反应，如燃料电池，在书写负极反应式时， 要将燃料失电子的反应及其产物与电解质溶液中的反应叠加在一起书 写 ， 如 H2 － O2(KOH 溶 液 )电 池 的 负 极 反 应 为 H 2 ＋ 2OH － － 2e － ===2H2O。 正极：首先判断在正极发生反应的物质。①当负极材料与电解质 溶液能发生自发的化学反应时，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发生自发的化 学反应时，在正极上发生反应的物质是溶解在电解质溶液中的 O2。 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，若反应也要书写叠加式，如酸 性溶液中，O2 在正极的反应为 O2＋4e－＋4H＋===2H2O。 (2)根据原电池反应书写电极反应式 ①找出发生氧化反应和还原反应的物质，确定正负极产物。 ②利用电荷守恒分别写出电极反应式。也可先写出较易写的一极 的电极反应，然后在电子守恒的基础上，用总反应减去该极反应，即 得到另一极的电极反应。 ③验证：两电极反应式相加所得式子和原化学方程式相同，则书 写正确。 2．电池总反应式的书写 根据给出的两个电极反应式，写出总反应方程式时，首先要使两 个电极反应式的得失电子相等，然后将两式相加，消去反应物和生成 物中相同的物质即可。注意：若反应式同侧出现不能共存的离子，如 H＋ 和 OH－、Pb2＋和 SO2－4 ，要写成反应后的物质 H2O 和 PbSO4。 燃料电池电极反应式的书写 电极：惰性电极。 燃料包含：H2、CO、烃(如 CH4、C2H6)、醇(如 C2H5OH)等。 介质包含：①酸性电解质溶液，如硫酸；②碱性电解质溶液，如 NaOH 溶液；③熔融氧化物，如 Y2O3；④熔融碳酸盐，如 K2CO3 等。 第一步：写出电池的总反应。 燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反 应，则总反应为加合后的反应。 如氢氧燃料电池的总反应为 2H2＋O2===2H2O； 甲烷燃料电池(电解质溶液为 NaOH 溶液)中发生的反应为 CH4＋ 2O2===CO2＋2H2O CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O 两式相加得燃料电池的总反应：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋ 3H2O 第二步：写出电池的正极反应。 根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质都是 O2， 根据电解质溶液的不同，其电极反应有所不同。其实，我们只要熟记 以下四种情况即可。 (1)酸性电解质溶液中的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (2)碱性电解质溶液中的电极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 (3)固体电解质(高温下能传导 O2－)环境中的电极反应：O2＋4e－ ===2O2－。 (4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境中的电极反应：O2＋2CO2＋4e －===2CO2－3 。 第三步：根据电池的总反应和正极反应写出电池的负极反应。 电池的总反应和正、负极反应之间存在关系：电池的总反应＝电 池的正极反应＋电池的负极反应。 故根据第一、二步写出的反应，电池的总反应－电池的正极反应 ＝电池的负极反应，注意在将两个反应相减时，要消去正极的反应物 O2。 常见的化学电源 1．一次电池 ①普通锌锰电池 “干电池”是用锌制圆筒形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽 的石墨作正极，周围填充 ZnCl2、NH4Cl 和淀粉糊作电解质，还填有 MnO2 作去极剂(吸收正极放出的 H2，防止产生极化现象)。 电极反应为Error! 正极产生的 NH3 又和 ZnCl2 作用：Zn2＋＋4NH3===[Zn(NH3)4]2＋， 淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速率。电池总反应 式 ： 2Zn ＋ 4NH4Cl ＋ 4MnO2===[Zn(NH3)4]Cl2 ＋ ZnCl2 ＋ 2Mn2O3 ＋ 2H2O，“干电池”的电压通常约为 1.5 伏，不能充电再生。 ②纽扣式电池(也叫银锌电池) 常见的纽扣式电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和 负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由 Ag2O 和少量石墨组 成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解 质溶液为浓 KOH，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质 溶液隔开。 电极反应为Error! 电池总反应式为：Ag2O＋Zn===2Ag＋ZnO 一粒纽扣式电池的电压达 1.59 伏，安装在电子表里可使用两年之 久。 ③海水电池 1991 年，我国首创以铝—空气—海水为能源的新型电池，用作航 海标志灯已研制成功。该电池以取之不尽的海水为电解液，靠空气中 的氧使铝不断氧化而产生电流。 电极反应式Error! 电池总反应式为：4Al＋3O2＋6H2O=== 4Al(OH)3 这种海水电池的能量比“干电池”高 20～50 倍。 ④微型电池(锂电池) 常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池叫锂电池，它是用金属 锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚 硫酰氯(SOCl2)中组成。 电池总反应式为：10Li＋4SOCl2===8LiCl＋Li2SO4＋3S 这种电池容量大，电压稳定，能在－56.7～71.1 ℃温度范围内正 常工作。 2．二次电池 ①铅蓄电池 铅蓄电池可放电亦可充电，具双重功能。它是用硬橡胶或透明塑 料制成的长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色 PbO2，负极是海绵状 金属铅，两极均浸在一定浓度的硫酸溶液中，且两极间用微孔塑料隔 开。 蓄电池放电时的电极反应为 负极：Pb＋SO2－4 －2e－===PbSO4 正极：PbO2＋4H＋＋SO2－4 ＋2e－===PbSO4＋2H2O 当放电进行到硫酸浓度降低，溶液密度达到 1.18 g·cm－3 时即停止 放电，而将蓄电池进行充电： 阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO2－4 阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO2－4 当溶液密度增加至 1.28 g·cm－3 时，应停止充电。 蓄电池充电和放电的总反应式为：PbO2＋Pb＋2H2SO4  放电 充电 2PbSO4＋2H2O。 ②银锌蓄电池 目前，有一种形似于“干电池”的充电电池，它实际是一种银蓄 电池(电解液为 KOH)。 银锌蓄电池是一种高能电池，它质轻、体积小，是人造卫星、宇 宙火箭、空间电视转播站等的能源。一次电池中介绍的钮扣式电池(也 叫银锌电池)就可以制成银锌蓄电池。它的放电过程可以参见一次电池， 充电过程可以表示为，阳极：2Ag＋2OH－－2e－===Ag2O＋H2O；阴 极：Zn(OH)2＋2e －===Zn＋2OH －；总反应式为：Ag2O＋Zn＋H 2O  放电 充电 2Ag＋Zn(OH)2。 ③镍镉蓄电池 负极材料：Cd；正极材料：NiO(OH)；电解质：KOH。总反应式 为：2NiO(OH)＋Cd＋2H2O 放电 充电 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。特点：比铅 蓄电池耐用，可密封使用。 3．燃料电池 燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的能量转换成电能的化学 电池。燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应，只是一个催化转化 元件。它工作时，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，于是电池就连续不断地提供电能。 ①甲烷燃料电池 该电池用金属铂片插入 KOH 溶液中作电极，又在两极上分别通 甲烷和氧气。 电极反应式为 Error! 电池总反应式为：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O ②氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。 它的电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活 性炭电极等。电解质溶液一般为 40%的 KOH 溶液。在不同的介质中 发生的电极反应归纳如下： ③甲醇燃料电池 电解质：KOH；正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－； 负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO2－3 ＋12H2O； 总反应式为：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。 ④肼燃料电池 电解质：KOH；正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O； 总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O。 ⑤熔融盐燃料电池 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视，可用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐混合物作电解质，CO 为负极燃气，空气与 CO2 的混合气体为正极燃气，制得在 650 ℃下工作的燃料电池，有关 的电池反应为：负极反应 2CO＋2CO2－3 －4e－===4CO2；正极反应 O2 ＋2CO2＋4e－===2CO2－3 ；总反应 2CO＋O2===2CO2。 典例题组训练 题组一　　原电池电极反应式的书写 1．(双选)汽车的启动电源常用铅蓄电池，其结构如图所示，其放电 时的电池反应为 PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应 判断下列叙述中正确的是(　BC　) A．PbO2 是负极 B．Pb 是负极 C．PbO2 得电子，被还原 D．电池放电时，电解质溶液的酸性增强 解析：根据电池反应知，放电过程中 Pb 失去电子，作负极，B 项 正确；PbO2 得电子被还原，作正极，A 项错误，C 项正确；由于原电 池在放电过程中消耗硫酸，故电解质溶液的酸性减弱，D 项错误。 2．芬兰 Enfucell 公司制造出一种纸质电池，其电池总反应式为 Zn ＋2MnO2＋H2O===2MnO(OH)＋ZnO。下列说法正确的是(　D　) A．该电池的正极为锌 B．该电池反应中二氧化锰起催化作用 C．当 0.1 mol Zn 完全溶解时，流经电解液的电子个数为 1.204×1023 D．电池正极反应式为 2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH － 解析：A 项，根据电池总反应式可知，Zn 失去电子，为电池的负 极。B 项，MnO2 得到电子，为电池的正极。C 项，电子只能经外电路 流动，而不能在电解液中流动，电解液内的电流是阴、阳离子定向移 动形成的。D 项，电池负极反应式为 Zn－2e－＋2OH－===ZnO＋H2O， 用 总 反 应 式 减 去 负 极 反 应 式 得 正 极 反 应 式 ： 2MnO2 ＋ 2e － ＋ 2H2O===2MnO(OH)＋2OH－。 　 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继续反应，若能 反应，则应将前后两个反应式叠加。 (3)在得失电子数相等情况下，正负极的电极反应式相加应等于电 池总反应方程。 题组二　　　燃料电池 3．某固体酸燃料电池以 CsHSO4 固体为电解质传递 H＋，其基本 结构见下图，电池总反应可表示为 2H2＋O2===2H2O，下列有关说法 正确的是(　D　) A．电子通过外电路从 b 极流向 a 极 B．b 极上的电极反应式为：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每转移 0.1 mol 电子，消耗 1.12 L 的 H2 D．H＋由 a 极通过固体酸电解质传递到 b 极 解析：由电极反应式可知，氢气通入的一极为负极，氧气通入的 一极为正极，故 a 为负极、b 为正极，电子应该是通过外电路由 a 极流 向 b 极 ， A 错 ； B 项 ， b 极 上 的 电 极 反 应 式 为 O2 ＋ 4e － ＋ 4H ＋ ===2H2O，B 错；C 项，没有注明此时是否处于标准状况下，故无法计 算气体的体积，C 错。 4．以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境中电极反应的书写方 法： (1)酸性条件下的负极反应：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋。 (2)碱性条件下的负极反应：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3 ＋ 7H2O。 (3)固体电解质(高温下能传导 O2－)环境中电池的负极反应：CH4＋ 4O2－－8e－===CO2＋2H2O。 (4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境中电池的负极反应： CH4＋4CO2－3 －8e－===5CO2＋2H2O。 解析：总的原则：正、负极反应得失电子数相等，电池总反应－ 正极反应＝负极反应。(1)酸性条件下，燃料电池的总反应：CH 4＋ 2O2===CO2＋2H2O，燃料电池的正极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2O， 得燃料电池的负极反应：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋。(2)碱性条 件下，燃料电池的总反应：CH4＋2O2＋2NaOH===Na2CO3＋3H2O， 燃料电池的正极反应：O2＋2H2O＋4e－===4OH－，得燃料电池的负极 反应：CH4＋10OH－－8e－===CO2－3 ＋7H2O。(3)固体电解质(高温下能 传导 O2－)环境中，燃料电池的总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O，燃 料电池的正极反应：O2＋4e－===2O2－，得燃料电池的负极反应：CH4＋ 4O2－－8e－===CO2＋2H2O。(4)熔融碳酸盐(如熔融 K2CO3)环境中，燃 料电池的总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O，燃料电池的正极反应：O2 ＋2CO2＋4e－===2CO2－3 ，得燃料电池的负极反应：CH4＋4CO2－3 －8e－ ===5CO2＋2H2O。 　 (1)谁是燃料谁作负极，通入 O2 或空气的一极为正极。,(2)燃料电 池正极反应的书写： ①酸性环境：O2＋4H＋＋4e－===2H2O ②中性或碱性环境：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ③固体电解质：O2＋4e－===2O2－ ④熔融盐：O2＋2CO2＋4e－===2CO2－3 题组三　　常用的化学电源 5．“ZEBRA”蓄电池的结构如图所示，电极材料多孔 Ni/NiCl2 和金 属钠之间由钠离子导体制作的陶瓷管相隔。下列关于该电池的叙述错 误的是(　B　) A．电池反应中有 NaCl 生成 B．电池的总反应是金属钠还原三价铝离子 C．正极反应为：NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－ D．钠离子通过钠离子导体在两电极间移动 解析：该电池的总反应为 2Na＋NiCl2===2NaCl＋Ni，因此有 NaCl 生成，A 项正确；由电池总反应可知，Na 还原 Ni2＋，B 项错误；正极 上 NiCl2 发生还原反应：NiCl2＋2e－===Ni＋2Cl－，C 项正确；钠离子 通过钠离子导体由负极向正极移动，D 项正确。 6．(双选)某可充电的锂离子电池以 LiMn2O4 为正极，嵌入锂的碳 材料为负极，含 Li＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为：Li＋ LiMn2O4===Li2Mn2O4 下列说法正确的是(　AB　) A．放电时，LiMn2O4 发生还原反应 B．放电时，正极反应为：Li＋＋LiMn2O4＋e－===Li2Mn2O4 C．充电时，LiMn2O4 发生氧化反应 D．充电时，Li 发生氧化反应 解析：在电池放电反应 Li＋LiMn2O4===Li2Mn2O4 中，LiMn2O4 为正极，正极反应是还原反应，则 A 正确。电池以 LiMn2O4 为正极， 含 Li＋导电固体为电解质，则电池的正极反应为 Li＋＋LiMn2O4＋e－ ===Li2Mn2O4 ， B 正 确 。 该 电 池 的 充 电 反 应 为 Li2Mn2O4===Li ＋ LiMn2O4。其中 Li 和 LiMn2O4 都是反应的生成物，则 C 和 D 均不正 确。 　 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。 核心素养 1．电极反应式书写的一般步骤(类似氧化还原反应方程式的书写) 2．已知总方程式，书写电极反应式 (1)书写步骤 ①步骤一：写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne－)。 ②步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸 碱性。 ③步骤三：写电极反应式。 负极反应：还原剂－ne－===氧化产物 正极反应：氧化剂＋ne－===还原产物 (2)书写技巧 若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，用总反 应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。如： CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中： 总反应式：CH3OCH3＋3O2===2CO2＋3H2O 正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2O 负极：CH3OCH3＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋ 　 简单电极反应中转移的电子数，必须与总方程式中转移的电子数 相同。 3．氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结 【例 1】　十九大报告中提出要“打赢蓝天保卫战”，意味着对大 气污染防治比过去要求更高。二氧化硫—空气质子交换膜燃料电池实 现了制硫酸、发电、环保三位一体的结合，原理如图所示。下列说法 正确的是(　　) A．该电池放电时质子从电极 b 移向电极 a B．电极 a 附近发生的电极反应为 SO2＋2H2O－2e－===H2SO4＋ 2H＋ C．电极 b 附近发生的电极反应为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ D．相同条件下，放电过程中消耗的 SO2 和 O2 的体积比为 21 【解析】　A 项，放电时为原电池，质子向正极移动，电极 a 为 负极，则该电池放电时质子从电极 a 移向电极 b，错误；B 项，电极 a 为负极，发生氧化反应，电极反应为 SO2＋2H2O－2e－===SO2－4 ＋4H ＋，硫酸应当拆为离子形式，错误；C 项，酸性条件下，氧气得电子与 氢离子反应生成水，电极 b 附近发生的电极反应为 O2＋4e －＋4H ＋ ===2H2O，错误；D 项，由总反应式 2SO2＋O2＋2H2O===2SO2－4 ＋4H ＋可知，放电过程中消耗的 SO2 和 O2 的体积比为 21，正确。 【答案】　D 【例 2】　(双选)为体现节能减排的理念，中国研制出了新型固态 氧化物燃料电池(SOFC)，该电池的工作原理如图所示。下列说法正确 的是(　　) A．电子从 b 极经导线流向 a 极 B．正极的电极反应式为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ C．不可以选用 NaOH 固体作固态电解质 D．若反应中转移 1 mol 电子，则生成 22.4 L(标准状况)CO2 【解析】　燃料电池通入氧气的电极为正极，则 a 为正极，电子 从 b 极经导线流向 a 极，故 A 正确；介质为固态熔融介质，不存在水 溶液，则正极的电极反应式为 O2＋4e－===2O2－，故 B 错误；CO2 能 与 NaOH 反应生成 Na2CO3，则不可选用 NaOH 固体作固态电解质， 故 C 正确；若反应中转移 1 mol 电子，参加反应的氧气为 0.25 mol， 生成 CO2 为 0.5 mol，体积为 11.2 L(标准状况)，故 D 错误。 【答案】　AC