新教材高中化学学案专题6第3单元第2课时化学电源

第2课时化学电源发展目标体系构建1.知道化学电源的分类方法。2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。3.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。一、化学电源的原理与分类1．原理：原电池原理。2．优点：化学电源的能量转化率比燃料燃烧高得多。3．分类eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(一次电池：用过之后不能复原，如锌锰干电池等；,二次电池：充电后能继续使用，如铅蓄电池、镍氢电池等；,燃料电池：燃料不贮存在电池内部，可持续使用，能量利,用率高，如氢氧燃料电池、甲醇—空气燃料电池。))一次电池和二次电池是否指分别只能使用一次和两次的电池？[提示]一次电池是不可充电电池，电量一旦放完就无法再次使用；二次电池是可充电电池，电量放完后可进行充电，可反复使用多次。二、常见化学电源的组成电池名称电极材料电解质溶液负极正极锌锰干电池锌石墨棒氯化铵等银锌纽扣电池锌氧化银氢氧化钾溶液铅蓄电池铅二氧化铅硫酸镍氢电池贮氢合金泡沫氧化镍氢氧化钾溶液氢氧燃料电池H2放电O2放电氢氧化钾溶液甲醇－空气燃料电池甲醇放电O2放电氢氧化钾溶液什么是燃料电池？燃料电池中燃料需要燃烧吗？[提示]燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置，燃料不需要燃烧。三、电解池1．电解池是将电能转化为化学能的装置。2．实例：电解水制得氢气和氧气；电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气。1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)太阳能电池不属于原电池。 (√)(2)二次电池充电时，充电器的正极接二次电池的正极。 (√)(3)铅蓄电池放电时的负极发生还原反应。 (×)(4)Zn具有还原性和导电性，可用作锌锰干电池的负极材料。 (√)2．下列有关电池的说法中不正确的是()A．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B[上用的锂离子电池是可充电电池，A正确；铜锌原电池中，Cu为正极，Zn为负极，外电路中电子由负极流向正极，B错误；甲醇燃料电池是将甲醇内部的化学能转化为电能的装置，C正确；锌锰干电池中，Zn为负极，D正确。]3．Zn－MnO2干电池应用广泛，其电解质溶液是ZnCl2－NH4Cl混合溶液。该电池的负极材料是________。电池工作时，电子流向________(填“正极”或“负极”)。[答案]Zn(或锌)正极认识常见化学电源的工作原理(素养养成——宏观辨识与微观探析)下面是几种常见的化学电源示意图：[问题1]观察锌锰干电池的构造，分析锌锰干电池中正、负极及电解质溶液的情况是怎样的？[提示]锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl溶液作电解质。[问题2]铅蓄电池的正、负极材料是什么？电解质溶液是什么？[提示]负极：Pb，正极：PbO2；电解质溶液：稀H2SO4。[问题3]氢氧燃料电池在酸性条件和碱性条件下的正极反应式相同吗？若不同，请分别写出电极反应式。[提示]不相同；酸性条件下正极反应式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O，碱性条件下正极反应式：2H2O＋O2＋4e－=4OH－。1．常见化学电源的反应原理(1)锌锰干电池Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)(2)铅蓄电池PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O(3)甲醇­空气燃料电池2CH3OH＋3O2＋4OH－=2COeq\o\al(2－,3)＋6H2O2．氢氧燃料电池电极材料铂铂电解质溶液氢氧化钾溶液盐酸电池反应原理电极反应负极：2H2＋4OH－－4e－=4H2O正极：O2＋2H2O＋4e－=4OH－负极：2H2－4e－=4H＋正极：O2＋4H＋＋4e－=2H2O总反应2H2＋O2=2H2O微点拨：(1)燃料电池的本质是燃料与氧化剂之间能够发生自发的氧化还原反应，且能够对外放出能量。(2)燃料电池在使用过程中并没有发生燃料的燃烧，而是燃料和氧化剂分别在两极放电，将化学能转化为电能。(3)燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，而燃料电池中发生的氧化还原反应则是缓和平稳的。(4)燃料燃烧时，大量的热能释放到空气中，能量利用率低燃料电池工作时，能量转化率较高，是一种高效、环境友好的发电装置。1．最早使用的化学电源是锌锰电池，即大家所熟悉的干电池(drycell)，其结构如图所示。尽管这种电池历史悠久，但人们对它的电化学过程尚未完全了解。一般认为，放电时，电池中的反应如下：E极：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnO(OH)＋2OH－F极：Zn＋2NH4Cl－2e－=Zn(NH3)2Cl2＋2H＋总反应式：2MnO2＋Zn＋2NH4Cl=2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2下列说法正确的是()A．E极是电池的正极，发生的是氧化反应B．F极是电池的负极，发生的是氧化反应C．从结构上分析，锌锰电池应属于可充电电池D．锌锰电池内部发生的氧化还原反应是可逆的B[E极是电池的正极，发生的是还原反应，A错；F极是电池的负极，发生的是氧化反应，B对；从结构上分析，锌锰电池应属于一次电池，C错；锌锰电池内部发生的氧化还原反应是不可逆的，因为它是一次电池，D错。]2．燃料电池是一种新型电池，它主要是利用燃料燃烧原理把化学能直接转化为电能，氢氧燃料电池的基本反应是：X极：eq\f(1,2)O2＋H2O＋2e－=2OH－Y极：H2＋2OH－－2e－=2H2O下列说法正确的是()A．X是负极 B．Y是正极C．Y极上发生还原反应 D．Y极上发生氧化反应D[由电极反应式可知，X极上发生还原反应，X是电池的正极，Y极上发生氧化反应，Y是电池的负极。]电极反应式的书写(素养养成——证据推理与模型认知)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．利用总反应式书写电极反应式书写步骤：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3．锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为Li＋MnO2=LiMnO2，下列说法正确的是()A．Li是正极，电极反应为Li－e－=Li＋B．Li是负极，电极反应为Li－e－=Li＋C．MnO2是负极，电极反应为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．Li是负极，电极反应为Li－2e－=Li2＋B[根据原电池的反应原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。]4．有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病患者的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中一定浓度的O2和H2O进行工作。请讨论解答：(1)负极材料是________，电极反应为_______________________________________________________________________________________________。(2)正极材料是________，电极反应为______________________________________________________________________________________________。[解析]以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液。工作时，负极锌被氧化，血液中的O2得到电子被还原。正极的反应为O2＋2H2O＋4e－=4OH－；负极的反应为2Zn－4e－=2Zn2＋。[答案](1)锌2Zn－4e－=2Zn2＋(2)铂O2＋2H2O＋4e－=4OH－电池续航是制约电动汽车发展的主要因素，而借助科学家发明的薄片式电池技术，这一难题有可能迎刃而解。据外媒报道，德国工研院研究了一种新电池，它可以让电动汽车充电一次续航620英里(大约1000公里)。研究人员的做法是剔除封装单个电池的外壳，用薄片式设计取代圆柱形设计。金属片上涂有能源存储材料，它是用粉末陶瓷和聚合物粘合剂制造的。金属片的一侧是正级，另一侧是负极。然后将双极性电极一个一个堆叠起来，如同将一张张纸叠起来一样，电极之间用薄薄的电解液分开，里面还有一种材料防止电荷短路。最终，科学家将叠起来的薄片封装为大约10平方英尺(1平方米)的电池，并与汽车电力系统连接。研究人员表示，这样的做法能够在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。[问题1]阅读材料，分析薄膜电池增大电池容量的思路是怎样的。(素养角度——宏观辨识与微观探析)[提示]薄膜电池采用薄片式设计，通过在相同的空间内安放更多的电极，从而存储更多的电能。[问题2]薄膜电池属于二次电池，分析其充电时电极与外接电源的正负极的连接方式。(素养角度——证据推理与模型认知)[提示][问题3]思考薄膜电池等新型电池的开发对社会发展的意义。(素养角度——科学态度与社会责任)[提示]减少传统能源的使用，对可持续发展有利；减少有害物质排放，对环境保护有利。1．下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是()A．碱性锌锰电池 B．用锂电池C．汽车用铅蓄电池 D．玩具用镍氢电池A[A项，碱性锌锰电池属于一次电池，不属于可充电电池，正确；B项，用锂电池属于可充电电池，错误；C项，汽车用铅蓄电池属于可充电电池，错误；D项，玩具用镍氢电池属于可充电电池，错误。]2．下列有关锌锰干电池的说法中正确的是()A．锌外壳是负极，碳棒是正极B．在外电路中电子从碳棒流向锌外壳C．电流从锌外壳流到碳棒上D．在电池内部阳离子从碳棒向锌外壳移动A[A项，在锌锰干电池中，锌外壳是负极，石墨碳棒是正极，故正确；B项，在外电路中电子从锌外壳流向碳棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从碳棒流向锌，故错误；D项，电池内部，阳离子向正极碳棒移动，故错误。]3．汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如图所示，放电时的电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O根据此反应判断下列叙述中正确的是()A．PbO2是电池的负极B．Pb是负极C．PbO2得电子，被氧化D．电池放电时，溶液酸性增强B[根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为Pb＋SOeq\o\al(2－,4)－2e－=PbSO4，故B项正确；PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。]4．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是()A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏C．铅蓄电池工作过程中，每转移2mol电子，负极质量减小207gD．氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源C[干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，A正确；在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，该极质量应该增加而非减小，C错误；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。]5．化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。(1)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一(如图所示)，锌锰干电池的负极材料是________，负极发生的电极反应式为______________。若反应消耗16.25g负极材料，则电池中转移电子的物质的量为________mol。(2)目前常用的镍(Ni)镉(Cd)电池其电池总反应式可以表示为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2，已知Ni(OH)2和Cd(OH)2均难溶于水，但能溶于酸，以下说法中正确的是________。A．NiO(OH)作负极B．Cd作负极C．此电池是一次电池D．放电时化学能转变为电能(3)如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向可知，X极为电池的________(填“正”或“负”)极，Y极的电极反应式为_______________。[解析](1)锌锰干电池中的负极是Zn，发生氧化反应，失去电子生成锌离子，电极反应式为Zn－2e－=Zn2＋；16.25gZn的物质的量是16.25g÷65g·mol－1＝0.25mol，1mo