2020年高中化学 第四章 电化学基础 第二节 化学电源学案 新人教版选修4

2020年高中化学 第四章 电化学基础 第二节 化学电源学案 新人教版选修4

第二节　化学电源 ‎[目标要求]　1.了解依据原电池原理开发的技术产品——化学电池。2.了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3.正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。‎ 一、化学电池 化学电池是利用原电池原理，将化学能转化为电能的装置。‎ 二、常用电池 ‎1．一次电池 碱性锌锰电池 锌银电池 电池结构 负极：Zn 正极：MnO2‎ 电解质溶液：KOH溶液 负极：Zn 正极：Ag2O 电解质溶液：KOH溶液 电极反应 正极 ‎2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－‎ Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－‎ 负极 Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2‎ Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2‎ 总反应式 Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2‎ Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag ‎2.二次电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池 电池结构 负极：Pb 正极：PbO2‎ 电解质溶液：H2SO4溶液 负极：H2‎ 正极：O2‎ 电解质：酸性电解质 电极反应 正极 PbO2(s)＋SO(aq)＋4H＋(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)‎ O2＋4H＋＋4e－===2H2O 负极 Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)‎ ‎2H2－4e－===4H＋‎ 总反应式 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)‎ ‎2H2＋O2===2H2O 知识点一　化学电池 ‎1．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn＋MnO2＋H2O===ZnO＋Mn(OH)2‎ 下列说法中，错误的是(　　)‎ A．电池工作时，锌失去电子 B．电池正极的电极反应式为 MnO2＋2H2O＋2e－===Mn(OH)2＋2OH－‎ C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减少‎6.5 g 答案　C 6‎ 解析　本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：锌为负极，在反应中失去电子，故A正确；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向移动方向与电流方向相反，故C错误；由电子守恒知D项正确；由该电池反应的总反应式和原电池的原理写出正极反应式知B正确。‎ ‎2．某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O放电 充电 3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH，以下说法不正确的是(　　)‎ A．放电时负极反应式为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2‎ B．放电时正极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－‎ C．放电时每转移3 mol电子，正极有1 mol K2FeO4被氧化 D．充电时阳极附近的溶液的碱性减弱 答案　C 解析　选项A，放电时，在碱性条件下，Zn失去电子为电池的负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；选项B，根据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相等)可得放电时正极反应式为FeO＋4H2O＋3e－===Fe(OH)3＋5OH－；选项C，放电时，K2FeO4被还原；选项D，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗OH－，导致阳极附近的溶液的碱性减弱。‎ ‎3．生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2O放电 充电 PbO2＋Pb＋2H2SO4‎ 下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　)‎ A．需要定期补充硫酸 B．工作时铅是负极，PbO2是正极 C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4‎ D．工作时电解质的密度减小 答案　A 解析　铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb是负极，PbO2是正极，负极发生的反应是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO生成PbSO4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中的H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。‎ 知识点二　燃料电池 ‎4．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—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O2参加反应的a极为电池的负极 B．b极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O C．a极对应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ D．该电池的总反应式为2H2＋O22H2O 答案　D 解析　因为电子从b电极流向a电极，所以b电极为负极，H2在该极发生氧化反应；a电极为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为H2－2e－===2H＋，正极电极反应式为O2＋2e－===O2－，则电池总反应式为2H2＋O22H2O。‎ 6‎ ‎5．有位科学家说：“甲烷是21世纪的新燃料。”甲烷作为燃料的用途之一就是用于制作燃料电池。有科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。以下判断错误的是(　　)‎ A．电池正极发生的反应：O2＋4e－===2O2－‎ B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O C．固体电解质里的O2－的移动方向：由正极流向负极 D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)‎ 答案　D 解析　因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)。所以正极反应式是O2＋4e－===2O2－，负极反应式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。由上述电池的正、负极反应式可以看出：正极反应“源源不断”地产生O2－，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”的O2－供应，故电池内O2－的移动方向是由正极流向负极。电池的负极发生氧化反应，失去电子，故外电路电子从负极流出，所以D错误。‎ 练基础落实 ‎1．铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2，电解质溶液为H2SO4，工作时的电池反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，下列结论正确的是(　　)‎ A．Pb为正极被氧化 B．溶液的pH不断减小 C．SO只向PbO2处移动 D．电解质溶液的pH不断增大 答案　D 解析　由题给电极反应式可以看出H2SO4不断被消耗，故pH不断增大，所以B不正确，D正确；由Pb元素化合价的变化，可以看出Pb是负极，所以A不正确；原电池工作时，整个电路中负电荷的流向是一致的，外电路中，电子由Pb极流向PbO2极；内电路中，负电荷(SO和OH－)移向Pb极，所以C不正确。‎ ‎2．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应式为 Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－‎ 总反应式为Ag2O＋Zn===ZnO＋2Ag 根据上述反应式，判断下列叙述中正确的是(　　)‎ A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大 B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn极 C．Zn是负极，Ag2O是正极 D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应 答案　C 解析　(1)根据电极反应式可知Zn失电子被氧化而溶解，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，所以C正确；(2)负极(即Zn极)在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；(3)发生原电池反应时，电子由负极经外电路到正极，即电子从Zn极经外电路到Ag2O极，故B错误；(4)在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。‎ ‎3．有人设计出利用CH4和O2的反应，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，则下列说法正确的是(　　)‎ ‎①每消耗1 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－===CO＋7H2O　③负极上是O2获得电子，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－　④电池放电后，溶液的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反应生成K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为CH4－8e－＋10OH－===CO＋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－‎ 6‎ ‎，但从总反应式CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O可看出是消耗了KOH，所以电池放电时溶液的pH值不断下降，故①②正确，③④错误。‎ 练方法技巧 ‎4．锌锰干电池在放电时，电池总反应方程式可以表示为Zn＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O，此电池放电时，在正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　)‎ ‎ ‎ A．Zn B．碳 C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3‎ 答案　C 解析　根据原电池原理，锌为负极，碳棒为正极，锌应参加负极反应，而MnO2在反应中得到电子，应当在正极区发生反应，又由于NH移向正极，在正极发生反应生成NH3。本题考查原电池电极反应式的书写，阳离子移动的方向。‎ ‎5．氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应式如下：‎ 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ 当得到‎1.8 L饮用水时，电池内转移的电子数约为(　　)　　　　　　　　　　　　　　　　‎ A．1.8 mol B．3.6 mol C．100 mol D．200 mol 答案　D 解析　n(H2O)＝＝100 mol ‎2H2＋O4e－2===2H2O 即每生成1 mol H2O则转移2 mol e－，当生成100 mol H2O时，转移200 mol e－。‎ ‎6．乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在‎200℃‎左右时供电，电池总反应式为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，电池示意图，下列说法中正确的是(　　)‎ ‎ ‎ A．电池工作时，质子向电池的负极迁移 B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极 C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－===2CO2＋12H＋‎ D．b极上发生的电极反应是2H2O＋O2＋4e－===4OH－‎ 答案　B 解析　通入乙醇的一极(a极)为负极，发生氧化反应；通入氧气的一极(b极)为正极，发生还原反应。电池工作时，阳离子(质子)向电池的正极迁移，A项不正确；电流方向与电子流向相反，电流由b极沿导线流向a极，B项正确；a极上乙醇应该失电子被氧化，所以C项不正确；因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂，所以电极反应式中不能出现OH－‎ 6‎ ‎，D项不正确。‎ 练综合拓展 ‎7．科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质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：‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ (1) 此电池的正极发生的电极反应：‎ ‎________________________________________________________________________，‎ 负极发生的电极反应：_____________________________________________________。‎ ‎(3)电解液中H＋向________极移动，向外电路释放电子的电极是________。‎ ‎(4)使用该燃料电池的另一个好处是________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 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 解析　(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应，在酸性条件下生成的CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O。‎ ‎(2)电池的正极O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。‎ ‎(3)H＋移向正极，在正极生成水。‎ ‎(4)产物是CO2和H2O，不会对环境造成污染。‎ ‎8．氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，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为______________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(4)该电池工作时，H2和O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。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＋H22LiH 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‎0.82 g·cm－3，用锂吸收‎224 L(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。‎ 答案　(1)化学能转变为电能　a到b　(2)2H2＋4OH－－4e－===4H2O或H2＋2OH－－2e－‎ ‎===2H2O　(3)增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，加快电极反应速率(4)①Li　H2O　②1/1 148或8.71×10－4　③32‎ 6‎ 解析　(1)电池是把化学能转变为电能的装置；在电池中，电子从负极经导线流向正极，而氢氧燃料电池中通入H2的一极是负极，故电子由a流动到b。‎ ‎(2)H2在负极失电子，因为电解质溶液是KOH溶液，故负极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O。‎ ‎(3)电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附H2、O2的分子数，从而增大反应速率。‎ ‎(4)LiH中Li为＋1价，H为－1价，故反应Ⅰ中还原剂是Li，反应Ⅱ中氧化剂是H2O。由反应Ⅰ可知吸收标准状况下‎224 L H2时生成‎160 g LiH，则生成的LiH的体积是，则生成的LiH的体积与被吸收的H2的体积之比为＝。由②生成的20 mol LiH与H2O反应，由反应Ⅱ可知生成20 mol H2，H2～2e－，能量转化率为80%，则通过的电子的物质的量为20 mol×2×80%＝32 mol。‎ 6‎