4.1.2化学电源（导学案）高二化学（人教版2019选择性必修1）

第四章《化学反应与电能》导学案第一节原电池的工作原理第二课时化学电源【学习目标】知道化学电源的分类方法。熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，培养良好的环保意识。【学习重难点】重点：（1）化学电池的工作原理；（2）燃料电池电极反应式的书写难点：掌握几种典型化学电池的电极反应【课前预习】旧知回顾一、原电池的知识总结1．定义：将化学能转化为电能的装置叫做原电池_。2．组成条件（1）两个活泼性不同的电极【注意】①其中一个相对较活泼，另一个相对较不活泼，如：金属与金属、金属与非金属、非金属与非金②燃料电池中两极可同选石墨或铂（2）电解质溶液（3）电极用导线相连并插入电解液构成闭合回路（4）自发的氧化还原反应3．原电池中电子流向、电流的流向及离子的迁移方向外电路中电子的流向：负极——导线——正极外电路中电流的流向：正极——导线——负极内电路中离子的迁移：阴离子移向负极，阳离子移向正极溶液。【课中探究】情境导入：化学电源作为一种能量转换装置，在日常生活中具有广泛的应用。它可以为我们提供电力，如、笔记本电脑等电子设备都需要电池来供电。随着科技的发展，电池的性能和安全性也在不断提高。我们也可以进一步思考化学电源在电动汽车中的应用，它作为电动汽车的动力来源，能够将化学能转化为电能，为车辆提供动力。随着电动汽车的普及和发展，它对环境的贡献不容忽视。电动汽车相较于传统燃油汽车，可以减少燃油排放和环境污染，符合环保意识和社会发展趋势。化学电源在电动汽车中的应用和推广具有重要意义，它可以促进环保意识的普及和可持续发展。一、化学电源的分类及概念活动一、生活中的化学电源任务1：引导学生认识化学电源，且了解化学电源的分类。【讨论1】讨论生活中的化学电源有哪些？按照特点化学电源怎么分类？【答题要点】1.生活中有干电池，汽车的铅酸蓄电池，、电动汽车的锂电池等。2.化学电源的分类：化学电源可以分为一次电池、二次电池和燃料电池等①一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电②二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生③燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源【讨论2】了解生活中的电池的工作特点，那么怎么判断电池的优劣指标呢？【答题要点】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)·kg－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·kg－1或W·L－1。3.电池的可储存时间的长短。【讨论3】电池使用需要注意哪些？可以直接掩埋处理吗？使用后的废弃电池中含有汞、镉、铬、铅等大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。【对应训练1】下列电池不属于化学电池的是()A．碱性干电池 B．铅蓄电池 C．燃料电池 D．太阳能电池【答案】D【解析】常见的电源：碱性干电池、蓄电池、燃料电池，可以将化学能转化为电能，而太阳能电池是太阳能转化为电能的装置，不是化学电池，故选D。【对应训练2】下列有关电池的说法错误的是()A．中用的锂离子电池属于二次电池B．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极D．铅蓄电池使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降【答案】C【解析】A项，中用的锂离子电池是一类放电后可以再充电而反复使用的电池，属于二次电池，A正确；B项，甲醇燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源，B正确；C项，铜锌原电池工作时，锌为负极，铜为正极，电子沿外电路从负极锌流向正极铜，C错误；D项，铅蓄电池使用一段时间后电解质硫酸消耗，酸性减弱，导电能力下降，D正确；故选C。二、一次电池（锌锰电池）活动一：引导学生分小组讨论锌锰干电池的使用场景及不足？任务1：结合生活中的化学电源使用情况，分析锌锰干电池的电池类别。【答题要点】1.一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电。常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。2.锌锰干电池的结构：常见的锌锰干电池的构造如图所示。其中，石墨棒作正极，氯化铵糊作电解质溶液，锌筒作负极。这种电池放电之后不能充电（内部的氧化还原反应无法逆向进行），属于一次电池。3.生活中使用锌锰干电池时的弊端：酸性锌锰干电池即使不用，放置过久，锌筒也会因酸性的NH4Cl溶液腐蚀，造成漏液而失效，还会导致电器设备的腐蚀。任务2：在已掌握的原电池原理，及电极反应式的书写知识基础上，引导学生书写锌锰干电池的两极反应式。【答题要点】负极：Zn﹣2e=Zn2+正极：2MnO2+2NH4++2e=2MnO(OH)+2NH总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++2MnO(OH)+2NH活动二、一次电池——碱性锌锰电池任务1：分小组讨论碱性锌锰电池与普通锌锰干电池相比，结构区别在哪？碱性锌锰电池的使用功能有哪些提升？【答题要点】1.碱性锌锰电池用KOH电解质溶液代替NH4Cl做电解质；2.电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高，更加耐用。任务2：引导学生独立书写碱性锌锰电池的电极反应式。【答题要点】碱性锌锰电池电极反应式的书写：正极：2MnO2＋2H2O＋2e－=2MnOOH＋2OH－；负极：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2；总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH＋Zn(OH)2。【对应训练3】下列说法中正确的是(

)A.镍氢电池、锂离子电池和锌锰干电池都是二次电池B.氢氧燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池C.铅酸蓄电池放电的时候正极材料是铅，负极材料是二氧化铅D.铅酸蓄电池充电时将化学能转化为电能【答案】B

【解析】A.镍氢电池、锂电池为二次电池，锌锰干电池为一次电池，故A错误；B.氢氧燃料电池产物为H2O，不污染环境，故C.铅蓄电池放电的时候，Pb被氧化，为原电池的负极，PbO2被还原，为原电池的正极，故D.铅蓄电池充电时是将电能转化为化学能，故D错误；三、二次电池（铅酸蓄电池）活动一、阅读课本，熟悉二次电池的概念，了解铅酸蓄电池的工作原理。。任务1：阅读课本，总结二次电池的概念，并举例生活常见的二次电池。【答题要点】1.二次电池又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。2.生活中可以电池，笔记本电池以及汽车发动机的使用电池均属于二次电池。任务2：分小组讨论铅酸蓄电池的构成，并判断正负极。【答题要点】1.铅酸蓄电池的构成;铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，深灰色所示的正极板，板上覆盖有二氧化铅。浅灰色所示的负极板上覆盖有铅单质。硫酸作为电解质溶液。2.正负极分判断：铅蓄电池是最常见的二次电池，负极材料是Pb，正极材料是PbO2。任务3：老师引导学生思考铅酸蓄电池的工作原理的充放电规律。【老师总结】1.二次电池的充电规律a.充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，是原电池的逆反应，因此负极应与电源的负极相连得电子，称阴极，正极接电源的正极后作阳极。b.工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。2.图解二次电池的的工作原理任务4：小组讨论铅酸蓄电池的电极反应式，并总结书写电极反应式的方法。【答题要点】1.电极反应式的书写①放电时的反应负极：Pb(s)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)－2e－=PbSO4(s)；正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋2e－=PbSO4(s)＋2H2O(l)。总反应式：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)==2PbSO4(s)＋2H2O(l)②充电时的反应阴极：PbSO4＋2e－Pb＋SO4阳极：PbSO4＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋＋SO总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+4H++2SO【总结】铅酸蓄电池是二次可充电电池，引导学生熟悉铅酸蓄电池的整体工作原理的总反应式。Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)2.二次电池电极反应式的书写方法a.标：先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，找出参与负极和正极反应的物质。b.写：写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)c.减：在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。eq\a\vs4\al(注意：)充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反。【对应训练4】下列关于铅蓄电池的说法中正确的是()A．在放电时，正极发生的反应是Pb+SO42=PbSO4+2eB．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PbSO4+2e=Pb+SO42【答案】B【解析】A项，电池放电时正极发生还原反应，电极反应为PbO2+4H++2e+SO42=PbSO4+2H2O；C项，电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项，电池充电时阳极应发生氧化反应。活动二、锂电池半自主学习任务1：生活中熟悉的电池，笔记本电池均属于锂电池，分小组展开讨论，并总结锂电池的优势及工作原理。【答题要点】老师投屏给出：转移1mol电子时，消耗金属的质量图Li的摩尔质量是7g/mol,当转移1mol的电子时需要锂的质量7g,和其他金属比较，有着电池质量小、体积小、储存和运输能量大优点。任务2：根据二次电池电极反应式的书写方法，让学生自主写出锂电池的放电的电极反应式。【答题要点】锂电池工作原理示意图（网络图片）放电时，负极材料—嵌锂石墨；正极材料—钴酸锂；电解质溶液—六氟磷酸锂电极反应式：负极：LixCy﹣xeCy+xLi+正极：Li1xCoO2+xLi++xeLiCoO2总反应：Li1xCoO2+LixCyLiCoO2+Cy【对应练习5】我国科学家成功研制出二次电池，在潮湿条件下的放电反应：，模拟装置如图所示(已知放电时，由负极向正极迁移)。下列说法正确的是A．放电时，电子由镁电极经电解质溶液流向石墨电极B．放电时，正极的电极反应式为：C．充电时，Mg电极接外电源的正极D．充电时，每生成转移的电子的物质的量为0.2mol【答案】B【解析】A．放电时，电子由镁电极(负极)经导线流向石墨电极(正极)，不经过电解质溶液，故A错误；B．放电时，石墨作正极，电极反应式为，故B正确；C．充电时，Mg作阴极，连接电源的负极，故C错误；D．题目未给标准状况，无法使用22.4L/mol计算气体的物质的量，故D错误；故答案选B。四、燃料电池活动一、讲解实现氢气与氧气反应将化学能转化为电能的过程任务1：思考讨论氢氧燃料电池的构成条件【答题要点】一般用酸溶液或碱溶液作电解质溶液，以Pt作电极，负极室通入氢气，正极室通入氧气，用导线外接用电器形成闭合回路，即可实现化学能转化为电能。任务2：氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种，引导学生书写不同环境下的氢氧燃料电池的电极反应式。【答题要点】1.酸性条件：负极：2H24e=4H+正极：O2+4H++4e=2H2O总反应：2H2+O2=2H2O2.碱性条件：负极：2H2+4OH4e=4H2O正极：O2+2H2O+4e=4OH总反应：2H2+O2=2H2O任务3：根据氢氧燃料电池的工作原理，书写甲烷燃料电池的电极反应式。【答题要点】1.酸性条件负极：CH48e+2H2O=CO2+8H+正极：O2+4e+4H+=2H2O总反应：CH4+2O2=CO2+2H2O2.碱性条件负极：CH48e+10OH=CO32+7H2O正极：O2+4e+2H2O=4OH总反应：CH4+2O2+2OH=CO32+3H2O【对应训练6】燃料电池是利用燃料(如CO、H2、CH4等)与氧化剂反应，将反应物的化学能转化为电能的装置，通常用氢氧化钾作电解质。回答下列问题：(1)已知某燃料电池的总反应为CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，电池中有一极的电极反应式为CH4+10OH8e=CO32+7H2O，该电极是燃料电池的(填“正”或“负”)极，另一个电极上的电极反应式为。

(2)随着电池不断放电，电解质溶液的碱性逐渐(填“增强”“减弱”或“不变”)

(3)通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷燃烧的能量利用率。

【答案】(1)负4H2O+2O2+8e=8OH(2)减弱(3)大于【解析】(1)根据电极反应式可知，甲烷失去电子，作电池的负极，正极反应式可以用电池总反应式减去负极反应式得到。(2)从电池总反应可知反应过程消耗KOH，所以溶液的碱性减弱。课后作业练习【例1】下列有关电池的说法错误的是()A．中用的锂离子电池属于二次电池B．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能C．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极D．铅蓄电池使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降【答案】C【解析】A项，中用的锂离子电池是一类放电后可以再充电而反复使用的电池，属于二次电池，A正确；B项，甲醇燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源，B正确；C项，铜锌原电池工作时，锌为负极，铜为正极，电子沿外电路从负极锌流向正极铜，C错误；D项，铅蓄电池使用一段时间后电解质硫酸消耗，酸性减弱，导电能力下降，D正确；故选C。【例2】下列有关装置的说法正确的是A.装置Ⅰ中Mg为原电池的负极B.装置Ⅱ为一次电池C.装置Ⅲ可构成原电池D.装置Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒【答案】D

【解析】A.镁与氢氧化钠溶液不反应，铝能够与氢氧化钠溶液反应，装置Ⅰ中铝为负极，镁为正极，故A错误；B.铅蓄电池是二次电池，可以放电充电，故B错误；C.装置Ⅲ中的两个材料相同、都是Zn，不能构成原电池，故C错误；D.装置Ⅳ为干电池，锌为负极，碳棒为正极，工作时，原电池中电子由负极沿导线流向正极，因此电子由锌通过导线流向碳棒，故D正确。【例3】微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其总反应为Ag2O+Zn+H2O=Zn(OH)2+2Ag。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逐渐增大B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向ZnC．Zn是负极，Ag2O是正极D．Zn发生还原反应，Ag2O发生氧化反应【答案】C【解析】根据电池反应可知，Zn失电子被氧化，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极；负极在反应时消耗OH，则负极区溶液的pH应逐渐减小；原电池工作时，电子由负极经外电路流向正极，即电子由Zn经外电路流向Ag2O；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。【例4】瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨液氧燃料电池的工作原理如图所示，下列有关说法正确的是()A．电极2发生氧化反应B．电池工作时，Na+向负极移动C．电流由电极1经外电路流向电极2D．电极1发生的电极反应为2NH3+6OH6e=N2↑+6H2O【答案】D【解析】由图示可知，电极2为正极，发生还原反应，A项错误；电解质溶液中的阳离子向正极移动，B项错误；电流从正极经外电路流向负极，应从电极2经外电路流向电极1，C项错误；负极NH3放电生成N2，D项正确。【例5】新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的正极反应式为FePO4+Li++e=LiFePO4，负极反应式为Lie=Li+。下列说法中正确的是()A．充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连B．放电时电池总反应为FePO4+Li++e=LiFePO4C．放电时电池内部Li+向负极移动D．放电时，在正极上Li+得电子被还原【答案】A【解析】B项，放电时电池总反应为FePO4+Li=LiFePO4；C项，放电时电池内部Li+向正极移动；D项，在正极上FePO4得电子被还原。【例6】氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700℃)，具有效率高、噪音低、无污染、燃料多样、余热利用价值高等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是()A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用B．负极反应式为H2－2e－＋COeq\o\al(2－,3)=CO2＋H2O[来源:学#科#网Z#X#X#K]C．该电池可利用工厂中排出的CO2，减少温室气体的排放D．电池工作时，外电路中流过0.2mol电子，消耗3.2gO2【答案】B【解析】根据图示，在氢氧熔融碳酸盐燃料电池中，通入氢气的电极为负极，负极发生氧化反应，