2024-2025学年新教材高中化学第4章化学反应与电能第一节原电池第2课时化学电源课件新人教版选择性必修1

第四章

第一节第2课时化学电源素养目标学习要点1.了解常见的化学电源,能运用原电池思维模型分析其工作原理,能用电极反应表示其中发生的化学反应,体会变化与守恒思想,发展变化观念与平衡思想核心素养。2.了解化学电源的发展史,能列举常见的化学电源;能从物质变化和能量变化的角度分析新型电池的研究和利用,培养责任意识和创新精神,发展科学态度与社会责任核心素养。一个模型:原电池的思维模型。两种依据:判断电池优劣的依据(比能量或比功率、储存时间)。三类电池:一次电池、二次电池和燃料电池。两种方法:分析二次电池和燃料电池的方法。知识点一一次电池和二次电池基础落实•必备知识全过关一、化学电源概述1.化学电源的分类原电池是各种化学电源的雏形

干电池

蓄电池燃料氧化剂2.判断电池优劣的依据

电能功率二、常见化学电源1.一次电池只能放电,不能充电

类型普通锌锰电池碱性锌锰电池装置图示类型普通锌锰电池碱性锌锰电池工作原理负极:正极:

总反应:Zn+2NH4Cl+2MnO2===Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)负极:

正极:2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2特点碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好,它的比能量和可储存时间均有所提高,是普通锌锰干电池的升级换代产品2MnO2+2H++2e-===2MnO(OH)Zn+2OH--2e-===Zn(OH)22.二次电池(1)铅酸蓄电池①结构:铅酸蓄电池是由两组栅状极板交替排列而成,正极板上覆盖有

,负极板上覆盖有

,

作电解质溶液。

可以反复放电和充电

PbO2Pb稀硫酸

②工作原理铅酸蓄电池放电时的电极反应如下:负极:

;

正极:

;

总反应:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。【注意】铅酸蓄电池的充电过程与其放电过程相反。(2)锂离子电池①特点:锂离子电池具有

、

、储存和输出能量大等特点。

②示例:一种锂离子电池如下:负极嵌锂石墨(

):LixCy-xe-===xLi++Cy

正极钴酸锂(

):Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2

总反应LixCy+Li1-xCoO2LiCoO2+Cy质量小

体积小LixCyLiCoO2名师点拨化学电源的优点化学电源是能够实际应用的电池,其优点如下:教材拓展锌银电池及工作原理(1)锌银电池(一次电池)的负极是Zn,正极是Ag2O,电解质是KOH,纽扣式锌银电池的结构如图所示:(2)工作原理负极反应:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2(氧化反应)正极反应:Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-(还原反应)电池总反应:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag深度思考在铅酸蓄电池放电过程中,电路中通过2

mol电子,正极质量发生怎样的变化?变化多少克?消耗H2SO4的物质的量是多少?提示

正极质量增加64

g,消耗H2SO4的物质的量为2

mol。

温馨提示二次电池的充电过程(1)二次电池的充电遵循电解原理(第2节学习)。(2)充电时,负极连接直流电源负极,电极(阴极)反应(还原反应)是放电时的逆反应;正极连接直流电源正极,电极(阳极)反应(氧化反应)是放电时的逆反应。正误判断(1)碱性锌锰电池的性能更好,不易发生漏液现象。(

)(2)铅酸蓄电池放电时,正极反应式为PbO2++2e-===PbSO4。(

)(3)燃料电池中能量转化方式:化学能→热能→电能。(

)(4)废旧电池中常含有重金属、酸或碱等,要回收利用,既能节约资源,又能减少环境污染。(

)√××√重难突破•能力素养全提升探究角度1一次电池及分析例1一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物一旦受热熔融,电池瞬间即可输出电能,该电池总反应为PbSO4+2LiCl+Ca===CaCl2+Li2SO4+Pb。下列关于该电池的说法正确的是(

)A.负极为钙电极,发生还原反应B.放电过程中,Li+向钙电极移动C.常温时,在正负极之间连上电流计,指针不偏转D.正极反应物为LiClC解析

钙电极为热激活电池的负极,钙在负极失去电子发生氧化反应,A错误;钙电极为热激活电池的负极,硫酸铅电极为正极,则阳离子锂离子向硫酸铅电极移动,B错误;常温下,电解质不是熔融态,不能电离出自由移动的离子,不能形成原电池,不能产生电流,故在正负极之间连接电流计,指针不偏转,C正确;硫酸铅电极为正极,锂离子作用下,硫酸铅在正极得到电子发生还原反应生成铅和硫酸锂,则正极反应物为Li+,不是LiCl,D错误。[对点训练1](2024·河北保定六校联考)锌锰干电池是生活中常用的电池,普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池的结构分别如图所示。下列说法错误的是(

)A.锌锰干电池属于一次电池,用完不可随意丢弃B.普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池放电过程中锌均发生氧化反应C.放电时,普通锌锰干电池的石墨电极上发生的电极反应为

+2e-===N2↑+4H2↑D.放电时,碱性锌锰干电池正极反应式为2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-C解析

锌锰干电池属于一次电池,含有重金属离子,用完不可随意丢弃,A正确;普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池都是锌作负极,放电过程中锌均发生氧化反应,B正确;放电时,普通锌锰干电池的石墨电极上MnO2得电子发生还原反应,不会生成N2,C错误;放电时,碱性锌锰干电池正极反应式为2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-,D正确。探究角度2二次电池及分析例2(2023·全国乙卷,12题改编)室温钠-硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温钠-硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极,表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时,在硫电极发生反应:下列叙述错误的是(

)A.放电时,Na+从硫电极向钠电极迁移B.放电时,外电路电子流动的方向是a→bD.炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能

A解析

该钠-硫电池的负极为Na,正极为S。放电时,阳离子向正极移动,故Na+从钠电极向硫电极迁移,A错误;放电时,外电路中电子由负极移向正极(a→b),B正确;放电时,正极为硫放电,电极反应式为2Na+++2e-===Na2Sx,C正确;利用炭化纤维素纸易导电的性质,可增强电极的导电性能,D正确。【变式设问】该钠-硫电池能否利用Na2SO4等盐的水溶液作电解质溶液?为什么?提示

不能;钠是非常活泼的金属,与水剧烈反应生成NaOH和H2。

[对点训练2](2024·安徽宿州十三校联考)我国科学家研发了一种水系可逆Zn-CO2电池,电极材料为金属锌和选择性催化材料,电池工作时,双极膜(由阴、阳膜复合而成)层间的H2O解离成H+和OH-,在外加电场中可透过相应的离子膜定向移动,电池工作原理如图所示。下列说法正确的是(

)A.放电时,电池负极反应为Zn+4OH-+2e-===[Zn(OH)4]2-B.放电时,电池正极反应为CO2+2H++2e-===HCOOHC.放电时,电解质溶液1中阴离子向双极膜移动D.电解质溶液2可以是碱性溶液答案

B解析

放电时,锌为原电池负极,碱性条件下失去电子发生氧化反应,生成[Zn(OH)4]2-,电极反应式为Zn+4OH--2e-===[Zn(OH)4]2-,A错误;放电时,右侧电极为正极,酸性条件下二氧化碳在正极得到电子发生还原反应生成甲酸,电极反应式为CO2+2H++2e-===HCOOH,B正确;放电时,金属锌是负极,电解质溶液1中阴离子向锌电极移动,C错误;电解质溶液1是碱性溶液,电解质溶液2是酸性溶液,D错误。知识点二燃料电池基础落实•必备知识全过关1.燃料电池燃料电池在工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应,

不断地被排出,可以连续地提供

。

2.氢氧燃料电池(1)氢氧燃料电池以

为燃料,

为氧化剂,铂作电极材料,电解质溶液可以是酸性的,也可以是碱性的。

生成物

电能氢气氧气(2)氢氧燃料的工作原理

电解质类型酸性电解质(H2SO4溶液)碱性电解质(KOH溶液)负极反应____________________________________________________正极反应____________________________________________________总反应2H2+O2===2H2O2H2-4e-===4H+2H2-4e-+4OH-===4H2OO2+4e-+4H+===2H2OO2+4e-+2H2O===4OH-名师点拨燃料电池的构成(1)燃料电池由燃料极、空气极和离子导体构成。(2)电极材料不参与氧化还原反应,大多具有较强的催化活性,多采用多孔碳、多孔镍(钯、铂等)。(3)离子导体可以是电解质溶液(酸性、中性或碱性),也可以是熔融盐(氧化物)或固体电解质。重难突破•能力素养全提升探究角度燃料电池及分析例题(2024·湖南部分重点校联考)NO-空气质子交换膜燃料电池将化学能转化成电能的同时,实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合,其原理如图所示。下列说法错误的是(

)A.Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势B.燃料电池总反应为4NO+3O2+2H2O===4HNO3C.Pt1电极附近发生的反应为NO+2H2O+3e-===+4H+D.该电池放电时H+从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动C解析

根据NO+水→硝酸可知,N元素的化合价升高,说明Pt1电极为负极,故Pt2电极的电势高于Pt1电极的电势,A正确;根据正负极反应物和产物得到燃料电池总反应为4NO+3O2+2H2O===4HNO3,B正确;Pt1电极NO变为硝酸,则负极附近发生的反应为NO+2H2O-3e-===+4H+,C错误;原电池中阳离子向正极移动,则该电池放电时H+从Pt1电极通过质子交换膜向Pt2电极移动,D正确。图解要点

NO-空气质子交换膜燃料电池中物质变化分析如下:思维建模

分析燃料电池类题的思维模型

[对点训练](2024·福建莆田五校联盟联考)如图是甲烷燃料电池的工作原理模拟示意图。下列说法不正确的是(

)A.电极B为正极B.CH4在电极A上发生氧化反应C.电极A区发生反应:CH4+10OH--8e-===+7H2OD.当有8mole-通过外电路时,有10molOH-通过阴离子交换膜D解析

CH4通入电极A,O2通入电极B,则电极A是负极,电极B是正极,A正确;电解质溶液是KOH溶液,电极A上CH4发生氧化反应,电极反应式为CH4+10OH--8e-===+7H2O,B、C正确;正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,当有8

mol

e-通过外电路时,正极上生成8

mol

OH-,为维持右侧正极区溶液呈电中性,有8

mol

OH-通过阴离子交换膜,D错误。学以致用·随堂检测全达标1234题组1一次电池和二次电池1.(2024·河南开封五县联考)有关下列装置的说法不正确的是(

)A.图1所示不能构成原电池B.图2锌锰干电池属于一次电池,锌作负极C.图3是“纸电池”,Zn片失去电子,发生氧化反应D.图4电池Al电极反应式为Al+3H2O-3e-===Al(OH)3+3H+D1234解析

图1所示装置没有形成闭合回路,不能构成原电池,A正确;锌锰干电池中,锌作负极,发生氧化反应被消耗,B正确;“纸电池”中由于Zn比Cu活泼,锌片作负极,锌片失去电子发生氧化反应,C正确;由Mg、Al、NaOH溶液组成原电池,铝与NaOH溶液反应而失去电子,则Al作负极,电极反应式为Al+4OH--3e-===[Al(OH)4]-,D错误。12342.(2024·湖北武汉常青联合体联考)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KOH溶液为电解液,电池总反应为Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnO(OH)。下列说法不正确的是(

)A.电池工作时,锌为负极B.电池正极的电极反应式为2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-C.电池工作时,电解液中的OH-移向正极D.外电路中每通过0.2mol电子,锌的质量理论上减少6.5gC1234解析

由电池总反应可知,Zn被氧化生成Zn(OH)2,故锌为负极,A正确;MnO2作正极,发生还原反应生成MnO(OH),电极反应式为2MnO2+2H2O+2e-===2MnO(OH)+2OH-,B正确;电池工作时,阴离子向负极移动,则电解液中的OH-移向负极,C错误;Zn电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,则外电路中通过0.2

mol

电子时,理论上消耗0.1

mol

Zn,其质量为6.5

g,D正确。1234题组2燃料电池3.(2024·福建福州六校期中)肼(N2H4)暴露在空气中容易爆炸,但利用其制作的燃料电池是一种理想的电池,具有容量大、能量转化效率高、产物无污染等特点,其工作原理如图所示。下列叙述正确的是(

)(提示:阳离子交换膜只允许阳离子通过)A.负极反应为4OH-+N2H4-4e-===N2↑+4H2OB.当消耗1molO2时,有2molNa+由甲槽向乙槽迁移C.电池工作时,正极附近的pH降低D.若去掉离子交换膜,电池也能正常工作A1234解析

燃料电池中负极发生氧化反应,则负极的电极反应式应为N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O,A正确;消耗1

mol