2020高中化学 化学电源（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

2020高中化学 化学电源（提高）知识讲解学案 新人教版选修4

化学电源 ‎【学习目标】‎ ‎1、了解常见电池的分类及优点；‎ ‎2、了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、反应原理及应用。 ‎ ‎【要点梳理】‎ 知识点一、化学电池 ‎ 1、定义 ‎ 化学电池是将化学能转变成电能的装置。‎ ‎【高清课堂：化学电源#化学电池的分类】‎ ‎ 2、分类 ‎ ‎ ‎ 3、化学电池的优点 ‎ ①化学电池的能量转换效率较高，供能稳定可靠。‎ ‎ ②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池及电池组。‎ ‎ ③使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。‎ ‎ 4、判断电池优劣的主要标准 ‎ ①比能量：即单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位(W·h)/k或(W·h)/L。‎ ‎ ②比功率：即单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位W/kg或W/L。‎ ‎ ③电池的可储存时间的长短。‎ ‎【高清课堂：化学电源#常见的化学电池】‎ 知识点二、常见的化学电池 电池 负极反应 正极反应 总反应式 一次 电池 普通干电池 ‎(Zn、MnO2、NH4Cl、C)‎ Zn－2e－＝Zn2+‎ ‎2MnO2+2NH4++2e－‎ ‎＝2NH3+Mn2O3+H2O ‎2MnO2+2NH4++Zn＝‎ ‎2NH3+Mn2O3+H2O+Zn2+‎ 碱性锌锰电池 ‎(Zn、KOH、MnO2)‎ Zn+2OH－－2e－‎ ‎＝Zn(OH)2‎ ‎2MnO2+2H2O+2e－‎ ‎＝2MnOOH+2OH－‎ Zn+2MnO2+2H2O＝‎ ‎2MnOOH+Zn(OH)2‎ 锌银电池 ‎(Zn、KOH、Ag2O)‎ Zn+2OH－－2e－‎ ‎＝Zn(OH)2‎ Ag2O+H2O+2e－‎ ‎＝2Ag+2OH－‎ Zn+Ag2O+H2O＝‎ Zn(OH)2+2Ag 二次电池 铅蓄电池 ‎(Pb、H2SO4、PbO2)‎ Pb+SO42－－2e－‎ ‎＝PbSO4‎ PbO2+4H++SO42－+2e－＝PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4‎ ‎2PbSO4+2H2O 氢镍电池 ‎[H2、OH－、NiO(OH)]‎ H2+2OH－－2e－‎ ‎＝2H2O ‎2NiO(OH)+2H2O+2e－＝2Ni(OH)2+2OH－‎ ‎2NiO(OH)+H2‎ ‎2Ni(OH)2‎ 燃料电池 氢氧燃料电池 ‎(H2、H+、O2)‎ ‎2H2－4e－＝4H+‎ O2+4H++4e－‎ ‎＝2H2O ‎2H2+O2＝2H2O 氢氧燃料电池 ‎(H2、Na2SO4、O2)‎ ‎2H2－4e－＝4H+‎ O2+2H2O+4e－‎ ‎＝4OH－‎ ‎2H2+O2＝2H2O 5‎ 氢氧燃料电池 ‎(H2、OH－、O2)‎ ‎2H2+4OH－－4e－‎ ‎＝4H2O O2+2H2O+4e－‎ ‎＝4OH－‎ ‎2H2+O2＝2H2O 知识点三、各种化学电池的特点 名称 一次电池(干电池)‎ 二次电池(充电电池或蓄电池)‎ 燃料电池 定义 发生氧化还原反应的物质消耗到一定程度，就不能再使用 放电后可以再充电使发生氧化还原反应的物质获得再生 一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池 特点 电解质溶液制成胶状，不流动 可以多次重复使用 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 举例 普通的锌锰电池、碱性锌锰电池 铅蓄电池、氢镍电池、镉镍电池 氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池 知识点四、化学电池电极反应式的书写 ‎ 1、根据装置书写电极反应式 ‎ ①先分析题目给定的图示装置，确定原电池正负极上的反应物质，并标出电子得失的数目。‎ ‎ ②电极反应式的书写 ‎ a．负极：活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb+SO42－－2e－＝PbSO4。‎ ‎ b．正极：阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：‎ ‎ 电解质溶液是碱性或中性：O2+2H2O+4e－＝4OH－‎ ‎ 电解质溶液是酸性；O2+4H++4e－＝2H2O ‎ ③正负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。‎ ‎ 2、给出总反应式，写电极反应式 ‎ 如果题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(即分析有关元素的化合价变化情况)，选择一个简单的变化去写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。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如下。‎ ‎ ①根据总反应方程式分析有关元素化合价的变化情况，确定2 mol H2失掉4 mol电子，初步确定负极反应为：2H2－4e－＝4H+。‎ ‎ ②根据电解质溶液为碱性，与H+不能共存，反应生成水，推出OH－应写入负极反应式为：2H2+4OH－－4e－＝4H2O。‎ ‎ ③用总反应式2H2+O2＝2H2O减去负极反应式得正极反应式为：2H2O+O2+4e－＝4OH－。‎ ‎ 3、可充电电池电极反应式的书写 ‎ 在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池。‎ ‎ ①原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素化合价升高；‎ ‎ ②原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素化合价降低。‎ ‎ 要点诠释：书写燃料电池的电极反应式时，首先要明确电解质是酸、碱还是熔融盐。在酸性电解质溶液中电极反应式中不能出现OH－，碱性电解质溶液中电极反应式中不要出现H+，同时还要分清燃料是H+还是含碳燃料(CO、CH4、CH3OH、C2H5OH……)，但无论是哪一种燃料在碱性条件下正极反应式都是一样的，即O2+4e－+2H2O＝4OH－。如果是含碳燃料，负极反应式的书写同CH4作负极时的书写方法相同，只是需要配上不同的化学计量数。一般来说，燃料电池的总反应式与燃料燃烧的反应方程式相同，因此可以通过将两极加和的方法，判断各极反应方程式的书写是否正确。‎ 知识点五、新型电池 5‎ ‎ 1、菠菜电池 ‎ 科学家参照光合作用原理，利用生物技术手段发明了一种新型菠菜电池。科学家们首先从菠菜的叶绿体中分离出多种蛋白质，并将这些蛋白质分子与一种肽分子混合，这种肽分子能在蛋白质分子外形成保护层，为其创造类似植物叶片内的生存环境。之后，科学家又将提取出的蛋白质分子铺在一层金质薄膜上，而后在其最上方再加一层有机导电材料，做成一个类似“三明治”的装置。当光照射到这个“三明治”上时，装置内会发生光合作用，最终产生电流。‎ ‎ 2、水充电池 ‎ 水充电池的发明使水直接转化为电能成为现实。当水流动时，因摩擦而充满带正、负电荷的物质，与固体相互吸引，这样就会产生一个很薄的带静电荷的水流层，也叫双电荷层或者电偶层，如果将这两种电荷分开，就能使其像我们日常生活中使用的电池那样提供电能。这种“水充电池”无污染、无毒并且易于携带，预计在不久的将来，这种电池就可以投入商用了。‎ ‎ 3、生物热电池 ‎ 生物热电池是一块植有数千个微型热电发生器的芯片。它利用“热电偶效应”发电，即将两种不同的材料连接起来组成一个闭合回路，如果两个连接点的温度不一样，就能产生微小的电压。该装置用碲化铋半导体材料制造，其中掺入了杂质，使得一端富有多余的电子，另一端则因为缺少了电子而带正电，这样的制造方法使热电偶的发电能力比同等规模的金属装置更强。“生物热电池”能够持续工作约30年，这就可以减少更换电池的次数。‎ ‎ 4、汽油电池 ‎ 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是本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，一个电极通人空气，另一电极通入汽油蒸气，电池的电解质是掺杂了YO3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。‎ ‎ 5、溶氧生物电池 ‎ 用作人体心脏起搏器的电池规格与通常的电池有很大的不同。要求是一次电池，输出功率只需几个毫瓦，但必须连续工作若干年，其间不需要维持保养，例如Zn2+/Zn和H+/O2、Pt构成的“生物电池”。因人体体液中含有一定量的溶解氧，若该“生物电池”在低功率下工作，人体就会易于适应Zn2+的增加和H+的迁出。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：常见的化学电源 ‎ 例1 下列说法中正确的是( )‎ ‎ A．碱性锌锰电池是二次电池 ‎ B．铅蓄电池是一次电池 ‎ C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生 ‎ D．燃料电池的活性物质储存在电池内 ‎ 【答案】C ‎ 【解析】碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池，燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外界不断输入电池。‎ ‎ 例2 普通锌锰干电池在放电时电池总反应方程式可以表示为：Zn+2MnO2+2NH4+＝Zn2++Mn2O3+ 2NH3+H2O。此电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是( )‎ ‎ A．MnO2和NH4+ B．Zn2+和NH4+ C．Zn D．碳棒 ‎ 【答案】A ‎ 【解析】在电池的正极上发生的是得e－的还原反应，是总反应中氧化剂发生反应的电极。由普通锌锰干电池的总反应式可知，MnO2与NH4+发生的反应为正极反应。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的PbSO4‎ 5‎ ‎，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是：2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4‎ 下列对铅蓄电池的说法中错误的是( )‎ ‎ A．需要定期补充硫酸 ‎ B．工作时Pb是负极，PbO2是正极 ‎ c．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－+SO42－＝PbSO4‎ ‎ D．工作时电解质溶液的密度减小 ‎ 【答案】A ‎ 【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池，发生氧化反应的物质是负极，发生还原反应的物质是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极；在工作时，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2+，而Pb2+又与溶液中的SO42－生成PbSO4沉淀；放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。‎ ‎ 【变式2】有人设计出利用CH4和O2反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧的反应，则下列说法中正确的是( )‎ ‎ ①每消耗l mol CH4可以向外电路提供8 mol e－‎ ‎ ②负极上CH4失去电子，电极反应式为CH4+10OH－－8e－＝CO32－+7H2O ‎ ③负极上O2获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e－＝4OH－‎ ‎ ④电池放电时，溶液pH不断升高 ‎ A．①② B．①③ C．①④ D．③④‎ ‎ 【答案】A ‎ 【解析】CH4在铂电极上发生类似于CH4在O2中燃烧的反应，即CH4→CO2，严格地讲生成的CO2还与KOH溶液反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，作电池的负极，电极反应式为CH4+10OH－－8e－＝CO32－+7H2O，1 mol CH4参加反应有8 mol e－发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为O2+2H2O+4e－＝4OH－。虽然正极产生OH－，负极消耗OH－，但从总反应CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O可看出反应消耗了KOH，所以电池放电时溶液的pH不断下降，故①②正确，③④错误。‎ ‎ 例3 电池是人类生产和生活的重要能量来源，各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述中正确的是( )‎ ‎ A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细 ‎ B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能 ‎ C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化 ‎ D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 ‎ 【答案】C ‎【解析】因为锌锰干电池中，碳棒作正极，但只起导电作用，质量不变，故A错；原电池是将化学能直接转变为电能，所以B错；氢氧燃料电池负极反应为：H2－2e－＝2H+，所以C正确；太阳能电池的主要制作材料是高纯硅单质，D错误。‎ 类型二：电极方程式的书写 例4 天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是含锂的二氧化钴(LiCoO2)，充电时LiCoO2中Li被还原，并以原子形式嵌入电池负极材料碳(C6)中，以LiC6表示。电池反应为LiCoO2+C6CoO2+LiC6。则下列说法正确的是( )‎ ‎ A．放电时，电池的正极反应为LiC6－e－＝Li++C6‎ ‎ B．放电时，电池的正极反应为CoO2+Li++e－＝LiCoO2‎ ‎ C．羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质 5‎ ‎ D．锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低 ‎ 【答案】B ‎【解析】A项，放电时，电池的正极得e－，发生还原反应，A项错误；B项，放电时发生原电池反应，电池正极反应为还原反应，B项正确；C项，含活泼氢的有机物作电解质，易得电子；D项，锂的相对原子质量小，其密度小，所以锂离子电池的比能量高。故选B。‎ ‎ 例5 已知原电池总反应式为：CH4+2O2＝CO2+2H2O，分别写出在下列环境中该原电池的电极反应式。‎ ‎ (1)电解质溶液为KOH溶液 ‎ 负极：____________；正极：____________。‎ ‎ (2)电解质溶液为稀硫酸 ‎ 负极：____________；正极：____________。‎ ‎ 【答案】(1)负极：CH4+10OH－－8e－＝CO32－+7H2O 正极：2O2+4H2O+8e－＝8OH－‎ ‎(2)负极：CH4+2H2O－8e－＝CO2+8H+ 正极：2O2+8H++8e－＝4H2O ‎ 【解析】根据总反应式可知，甲烷在反应中被氧化，因此应在负极上反应；氧气在反应中被还原，应在正极上反应。然后根据电解质溶液的酸碱性可知，电解质溶液为碱性溶液时，在电极反应式中不能有H+参加或生成，也不能有酸性物质生成；电解质溶液为酸性溶液时，在电极反应式中不能有OH－参加或生成，也不能有碱性物质生成。最后，根据反应中转移电子数守恒、电荷守恒和元素守恒等原则，写出电极反应式并配平。‎ ‎【高清课堂：化学电源#例1】‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】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 ‎ A．放电时，LiMn2O4发生氧化反应 ‎ 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，阳极反应为：Li++e-=Li ‎ ‎ 【答案】B ‎ 【变式2】把一小块镁铝合金放入6 mol/L的NaOH溶液中，可形成微型原电池。则该电池负极上发生的电极反应为( )‎ ‎ A．Mg－2e－＝Mg2+ B．Al+4OH－－3e－＝AlO2－+2H2O ‎ C．4OH－－4e－＝2H2O+O2↑ D．2H2O+2e－＝2OH－+H2↑‎ ‎ 【答案】B ‎ 【解析】镁虽比铝活泼，但原电池的正负极不仅与电极金属的活泼性有关，而且与电解质溶液有关，在NaOH溶液中Al能与碱反应，而镁较难与NaOH溶液反应，所以铝作负极。‎ ‎ 【变式3】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。则下列对该电池的电极反应书写正确的是( )‎ ‎ 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－‎ ‎ 【答案】D ‎ 【解析】由于所给电池的电解质溶液为氢氧化钾溶液，所以该电池为碱性电池。在书写碱性电池的电极反应式时，方程式中不得出现H+，因此立即排除B、C。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，因此A错误。‎ 5‎