化学电源省赛一等奖

第二节化学电源2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2020年下学期长沙市第十一中学高一化学学习目标1了解化学电源的分类2熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理，会熟练书写电极反应式3了解化学电源的广泛应用，废旧电池对环境的危害及处理方法一、化学电池化学电池是将_____能变成___能的装置。化学电2020年下学期长沙市第十一中学高一化学1化学电池的分类：一次二次燃料2判断电池优劣的主要标准：1比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是W·h·g-1或W·h·L-1。2比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·g-1或W·L-1。3电池可储存时间的长短。3化学电池回收利用：废旧电池中含_______和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。【联想】化学电池按照其使用性质可分为三类：干电池、蓄电池、燃料电池。按电池中电解质性质分为：锂电池、碱性电池、酸性电池、中性电池。重金属2020年下学期长沙市第十一中学高一化学二、一次电池一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。一次电池不能充电，不能反复使用。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学1碱性锌锰电池与银锌电池比较：种类特点碱性锌锰电池银锌电池基本构造负极：___负极：___正极：____正极：____电解质：KOH电解质：KOH锌nMnO2Ag2O2020年下学期长沙市第十一中学高一化学工作原理负极反应____________________________________________正极反应2MnO2+2H2O+2e-====2MnOOH+2OH-________________________总反应Zn+2MnO2+2H2O====2MnOOH+Zn(OH)2Ag2O+Zn+H2O====Zn(OH)2+2Agn2OH--2e-====nOH2n2OH--2e-====nOH2Ag2OH2O2e-====2Ag2OH-种类特点碱性锌锰电池银锌电池性能与适用范围比能量和可储存时间比普通锌锰电池均有提高，适用于大电流和连续放电比能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2锂电池：1基本组成：负极：___，正极：MnO2、CuO、FeS2等，电解质：非水溶剂。2特点：比能量高、电压高、工作温度宽，可储存时间长。【注意】在化学电源中，作为电极的材料不一定参加原电池反应。Li三、二次电池1构造与组成：PbPbO2H2SO4aq2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2工作原理：放电过程充电过程负极：_______________________(_____反应)阴极：PbSO4(s)+2e-====Pb(s)+

SO42-(aq)；(_____反应)正极：_______________________________________；(_____反应)阳极：PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-====PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)；(_____反应)Pbs-2e-SO42-aq====PbSO4s氧化还原PbO2s4HaqSO42-aq2e-====PbSO4s2H2Ol还原氧化2020年下学期长沙市第十一中学高一化学放电过程充电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)====2PbSO4(s)+2H2O(l)总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)====Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)铅蓄电池的充、放电过程：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)2020年下学期长沙市第十一中学高一化学3铅蓄电池的优缺点：1优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。2缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。【注意】1二次电池的放电过程是原电池工作原理，充电过程是电解池工作原理。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2二次电池的充电和放电过程不是可逆反应。3放电时的负极反应是充电时的阴极反应的逆反应，放电时的正极反应是充电时的阳极反应的逆反应。四、燃料电池1基本构造：2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2工作原理：负极反应：______________；正极反应：_________________；总反应：2H2O2====2H2O。2H2-4e-====4HO24H4e-====2H2O3特点：1能量转换率高超过80%。2排放废弃物少，运行时噪音低。【注意】燃料电池在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池，使电池连续不断地提供电能。【自我小测】1电池是人类生产和生活中的重要能量人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是A锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细B一次电池可将化学能全部转化为电能2020年下学期长沙市第十一中学高一化学C废旧的一次电池必须进行回收，主要原因是要回收其中的石墨电极D太阳能电池的主要材料是高纯度的硅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1【解析】选D。锌锰干电池中的碳棒是电池的正极，电池工作前后碳棒不变；电池在放电时往往会伴随热量的放出；废旧的一次电池必须进行回收，主要原因是防止电池中的汞、镉、铅等重金属离子对土壤和水体造成污染。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2【解析】选B。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，故电流从铜流向锌，而电子是沿外电路由锌流向铜，B项错；电池的实质是将化学能转化成电能，C正确；n失去电子生成n2，故作为负极，D项正确。3锌锰干电池在放电时总反应方程式可以表示为ns2MnO22NH4====n2Mn2O3s2NH3↑H2O，在此电池放电时正极碳棒上发生反应的物质是 B碳4 2和NH32020年下学期长沙市第十一中学高一化学4氢氧燃料电池已用于航天飞机，它是以铂作电极，OH溶液作电解质，正极反应为O22H2O4e-====4OH-，负极反应为2H24OH--4e-====4H2O，下列叙述不正确的是AH2在负极发生氧化反应 B燃料电池的能量转化率可达100%C是一种高效、环保的发电装置 2O2====2H2O3【解析】选C。n为原电池的负极，碳棒为原电池的正极，负极n失电子变成n2，失去的电子被MnO2和NH4得到，生成了低价态的Mn2O3和不带电的NH3。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学4【解析】选B。氢气被氧化，应在原电池的负极发生反应，故A正确；氢氧燃料电池是将化学能转变为电能的装置，还会伴有热能等能量的释放，能量转化率不会达100%，故B错误；氢氧燃料电池产物是水，对环境无污染，且能量转化率高，故C正确；电池总反应与氢气在氧气中燃烧的化学方程式一致，供电时的总反应为2H2O2====2H2O，故D正确。5氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是H22NiOOH2NiOH2。根据此反应式判断，下列叙述正确的是2020年下学期长沙市第十一中学高一化学A电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大B电池放电时，镍元素被氧化C电池充电时，氢元素被氧化D电池放电时，H2在负极放电5【解析】选D。根据电池反应可首先看出放电时，H2在负极被氧化，电极反应式为H22OH--2e-====2H2O，故电池负极周围溶液pH不断减小，NiOOH在正极被还原；而充电时则是氢元素被还原，镍元素被氧化。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学6镍镉Ni-Cd可充电电池在充、放电时按下式进行：Cd2NiOOH2H2OCdOH22NiOH2。有关该电池的说法正确的是A电解质溶液可以选用稀硫酸B充电过程是将电能转化为化学能的过程C放电时负极附近溶液的碱性不变D放电时正极反应：NiOH2-e-OH-====NiOOHH2O2020年下学期长沙市第十一中学高一化学6【解析】选B。充电时的反应物CdOH2和NiOH2均属于碱，可与酸反应，故电解质溶液不可选用稀硫酸，A错误；充电是将电能转化为化学能的过程，B正确；放电时负极反应式为Cd-2e-2OH-====CdOH2，负极附近溶液的碱性减弱，C错误；放电时正极反应式为NiOOHe-H2O====NiOH2OH-，D错误。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学一、化学电源电极反应的书写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。首先根据题目给出的装置图的特点，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。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学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。若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H不共存，则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：PbSO42--2e-==PbSO4。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学②正极反应。规律：阳离子得到电子生成单质或低价离子，或O2得电子。如果是O2得电子，则有以下两种写法：电解质是碱性或中性：O22H2O4e-====4OH-电解质是酸性：O24H4e-====2H2O3写出电池总反应式。结合得失电子守恒，将正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2根据原电池总反应式，写电极反应式：1一般书写步骤为①列物质，标得失。②选离子，配电荷。③配个数，巧用水。④两式加，验总式。2以2H2O2====2H2O为例，当电解质溶液为OH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2H24OH--4e-====4H2O。③利用H2O使两边的元素守恒，即2H2-4e-4OH-====4H2O。同理，正极反应式的书写：O24e-====2O2-，O24e-2H2O====4OH-。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学注意：在碱性溶液中提供H使O2-变为OH-的是水，要写成化学式的形式。将正、负极反应式相加，即得到总反应式，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，由于电极都参加反应，且正方向、逆方向都能反应，所以要明确电池和电极，放电为原电池，充电为电解池；原电池的负极与电解池的阳极发生氧化反应，对应元素的化合价升高；原电池的正极与电解池的阴极发生还原反应，对应元素的化合价降低。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学4给出电极反应式书写总反应方程式：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数相等后将两式相加，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SO42-，要写成反应后的物质，如H2O、PbSO4。1在碱性锌锰干电池中，已知氢氧化钾溶液为电解质，发生的电池总反应为n2MnO22H2O2MnOOHnOH2。下列该电池的电极反应，正确的是2020年下学期长沙市第十一中学高一化学-====n2-2H2O====nOH22H22e-2H====2MnOOH22e-2H2O====2MnOOH2OH-1【解题指南】解答本题应注意以下3点：1首先要根据总反应式确定哪一个方向是原电池反应，哪一个方向是电解池反应。2根据电池反应中各物质化合价的变化，判断出原电池的正、负极反应物和电极产物。3写电极反应式时一定要考虑电解质溶液的酸碱性。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学【解析】选D。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n失去电子形成的n2应该与OH-结合为nOH2。2有一种电池，它的一个电极材料是NiO2在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是2价的镍的化合物，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是2020年下学期长沙市第十一中学高一化学A此电池不用密封B铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2，负极反应是Fe-2e-====Fe2C放电时，正极反应为NiO22e-====Ni22O2-NiO22H2O====FeOH2NiOH22【解析】选D。因该电池的电解质溶液是OH溶液，应防止与空气接触，否则OH会与空气中的CO2发生反应生成2CO3，所以A错误。在OH溶液中，负极反应的产物是FeOH2：Fe-2e-2OH-====FeOH2，正极反应为NiO22e-2H2O====NiOH22OH-，因此B、C选项是错误的。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学3“EBRA”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2020年下学期长沙市第十一中学高一化学生成B电池的总反应是金属钠还原三价铝离子22e-====Ni2Cl-D钠离子通过钠离子导体在两电极间移动3【解题指南】解答本题需注意以下3点：1根据原理图判断正负极材料。2根据原电池原理书写电极反应式。3根据原电池原理分析离子的移动方向。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学【解析】选B。金属钠失电子变为钠离子，NiCl2中的Ni2被还原，剩余Cl-，故有氯化钠生成，A项正确；电池的总反应应该是金属钠还原Ni2，B项错误；正极反应为Ni2得电子生成金属镍，C项正确；钠离子导体可以传导钠离子，故钠离子可以在两极间移动，D项正确。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PbsSO42-aq-2e-====PbSO4sB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PbSO4s2e-====PbsSO42-aq4【解析】选B。铅蓄电池的充放电反应为2PbSO4s2H2OlPbO2sPbs2H2SO4aq，放电时Pb作负极，Pbs-2e-SO42-aq====PbSO4s。在正极上：PbO2s2e-4HaqSO42-aqPbSO4s2H2Ol，充电时H2SO4的浓度不断增大；阳极上发生氧化反应，是失去电子。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学二、常见燃料电池的比较1常见的四种典型燃料电池：名称电解质电极反应和总反应氢氧燃料电池KOH正极：O2+4e-+2H2O====4OH-负极：2H2-4e-+4OH-====4H2O总反应：2H2+O2====2H2OH2SO4正极：O2+4e-+4H+====2H2O负极：2H2-4e-====4H+2020年下学期长沙市第十一中学高一化学名称电解质电极反应和总反应甲烷燃料电池KOH正极：2O2+4H2O+8e-====8OH-负极：CH4+10OH--8e-====+7H2O总反应：CH4+2O2+2KOH====K2CO3+3H2O甲醇燃料电池KOH正极：3O2+6H2O+12e-====12OH-负极：2CH3OH+16OH--12e-====2+12H2O总反应：2CH3OH+3O2+4KOH====2K2CO3+6H2O肼燃料电池KOH正极：O2+2H2O+4e-====4OH-负极：N2H4+4OH--4e-====N2+4H2O总反应：N2H4+O2====N2+2H2O2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2燃料电池的工作原理：一般的燃料电池大多是可燃性物质主要是可燃性气体或蒸气与氧化剂一般是氧气及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂如O2得电子发生还原反应。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学3燃料电池电极反应式书写步骤：1先写出燃料电池总反应。虽然可燃性物质与氧气在不同的电极反应，但其总反应方程式都是可燃物在氧气中燃烧。当然由于涉及电解质溶液，所以燃烧产物可能还要与电解质溶液反应，由燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总反应方程式。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学2再写出燃料电池正极的电极反应。燃料电池正极都是氧化剂绝大多数情况为O2得电子发生还原反应。燃料电池正极反应的四种类型：①酸性溶液：O24e-4H====2H2O②碱性溶液：O24e-2H2O====4OH-③允许O2-通过的高温固体：O24e-====2O2-④熔融的碳酸盐：O24e-2CO2====2CO32-2020年下学期长沙市第十一中学高一化学3最后写出燃料电池负极的电极反应式。由于原电池是将氧化还原反应中的还原反应和氧化反应分别在两极正负两极上发生，故燃料电池负极的电极反应=燃料电池总反应-燃料电池正极的电极反应。在得出燃料电池负极的电极反应时要设法消去总反应和正极反应中的O2。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学【拓展深化】巧写燃料电池的负极电极反应式燃料电池的负极上是燃料发生氧化反应。书写电极反应首先应确定还原剂、氧化产物及失去的电子数，然后依据介质“H”或“OH-”来使电荷和原子个数守恒。以H2、CH3OH为燃料的碱性电池为例说明如下：2020年下学期长沙市第十一中学高一化学①H2-2e-2OH-====2H2O。②CH3OHCO2CO32-，则有CH3OH-6e-aOH-====CO32-bH2O，由电荷守恒可知a=8，由氢原子守恒可知b=6，所以电极反应为CH3OH-6e-8OH-====CO32-6H2O。1燃料电池是燃料如CO、H2、CH4等跟氧气或空气起反应，将此反应的化学能转化为电能的装置，电解质溶液通常是OH溶液。下列关于甲烷燃料电池的说法中不正确的是2020年下学期长沙市第十一中学高一化学410OH--8e-====CO32-7H2O24H2O8e-====8OH-C随着不断放电，电解质溶液碱性不变D甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率高1【解题指南】解答本题需注意以下3点：1燃料电池中氧气在正极得电子，可燃物在负极失电子。2正负两极的反应式相加得到总反应式。3燃料电池的能量转化率高达80%。2020年下学期长沙市第十一中学高一化学【解析】选C。A、B两项是正确的。综合A、B两项知C项不正确。根据能量转化的规律，燃烧时产生的热能是不可能全部转化为功的，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大得多，D项正确。【延伸探究】1若将OH溶液改为硫酸，写出负极的电极反应式。提示：CH42H2O-8e-====CO28H。2若CH4改为CO