高中 化学 必修 第二册 第六章 化学反应与能量《第一节 第3课时 化学电源》教学设计

第3课时化学电源[学习目标]1.会设计简单的原电池。2.知道干电池、充电电池、燃料电池等化学电源的特点。3.掌握构成电池的要素，了解不同电极材料对电池性能的影响。4.能正确书写简单化学电源的电极反应式。任务一一次电池二次电池1．一次电池——锌锰干电池构造示意图工作原理负极锌筒锌被氧化，逐渐消耗电解质溶液氯化铵糊正极石墨棒二氧化锰被还原电池特点放电后不能充电；便于携带，价格低[交流研讨1]锌锰干电池在使用过程中，锌会逐渐溶解，锌外壳变薄，最后内部的糊状电解质会泄露出来，使电器腐蚀。为了延长电池寿命和提高其性能，人们将电池内的电解质NH4Cl糊换成湿的KOH，制成了碱性锌锰电池。总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O=Zn(OH)2＋2MnO(OH)，写出负极的电极反应式。提示：Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2。2．二次电池——充电电池(1)特点：二次电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态，从而实现放电与充电的循环。(2)能量转化：化学能eq\o(⥬,\s\up7(放电),\s\do5(充电))电能。(3)常见的充电电池：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。[交流研讨2]铅酸蓄电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4eq\o(⥬,\s\up7(放电),\s\do5(充电))2PbSO4＋2H2O。按要求回答下列问题：(1)负极材料是________，正极材料是________，电解质溶液是________。(2)放电时，电解质溶液中的H＋移向________极。(3)放电时，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”、“减小”或“不变”)。(4)当铅酸蓄电池向外电路提供2mol电子时，理论上负极板的质量增加________g。提示：(1)PbPbO2稀硫酸(2)PbO2(或正)(3)减小(4)96eq\a\vs4\al()铅酸蓄电池的电极反应负极：Pb＋SOeq\o\al(2-,4)－2e－=PbSO4；正极：PbO2＋4H＋＋SOeq\o\al(2-,4)＋2e－=PbSO4＋2H2O；电池总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4eq\o(⥬,\s\up7(放电),\s\do5(充电))2PbSO4＋2H2O。1．(2024·桂林市期中)下列有关电池的说法不正确的是()A．汽车所用的铅酸蓄电池可以无限次充、放电B．锌锰干电池中锌电极是负极C．水果电池可把化学能转化为电能D．手机用的锂离子电池属于二次电池答案：A解析：A．铅酸蓄电池是常见的二次电池，充电电池的使用有一定的限度，A错误；B．锌锰干电池中，碳棒是正极、锌电极是负极，B正确；C．水果电池为利用水果中的化学物质和金属片发生反应产生电能的一种电池，可把化学能转化为电能，C正确；D．锂离子电池能充、放电，属于二次电池，放电时是将化学能转化为电能，充电时是将电能转化为化学能，D正确；答案选A。2．某普通锌锰干电池的结构如图所示。下列说法正确的是()A．锌筒是原电池的正极B．石墨电极上发生氧化反应C．铵根离子移向石墨电极D．电子经石墨棒沿电解质溶液流向锌筒答案：C解析：锌锰干电池中，锌筒作负极，石墨棒作正极，正极上二氧化锰得电子发生还原反应，A、B错误；原电池中阳离子向正极移动，故铵根离子移向石墨电极，C正确；电子经导线由负极锌筒流向石墨棒，D错误。3．(2024·济南高一期中)氟离子电池是一种前景广阔的新型电池，其能量密度是目前锂电池的十倍以上。其中一种氟离子电池的工作原理为3Mg＋2BiF3eq\o(⥬,\s\up7(放电),\s\do5(充电))3MgF2＋2Bi(MgF2为难溶盐)，电解质为熔融氟化物。下列说法正确的是()A．放电时，负极的电极反应式为Mg－2e－＋2F－=MgF2B．放电时，电子从镁电极流出，经电解质流向正极C．放电时，化学能完全转化为电能D．放电时，F－向正极移动答案：A解析：放电时，Mg作负极，失去电子，发生氧化反应，电极反应式为Mg＋2F－－2e－=MgF2，A项正确；放电时，电子从镁电极流出，经导线流向正极，B项错误；原电池是把化学能转化为电能的装置，但化学能不可能100%转化为电能，还有部分转化为热能等，C项错误；放电时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，故F－向负极移动，D项错误。任务二燃料电池1．概念一种将燃料(如氢气、甲烷、乙醇)和氧化剂(如氧气)的化学能直接转化为电能的电化学反应装置。2．特点(1)清洁、安全、高效等。(2)能量转化率较高。(3)反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，供电量易于调节。3．应用在航天、军事、交通等领域有广阔的应用前景。4．氢氧燃料电池氢氧燃料电池在不同介质中的总反应相同，但正、负极反应与电解质溶液有关。氢氧燃料电池正、负极反应如下：电解质溶液负极正极酸性(H＋)2H2－4e－=4H＋O2＋4H＋＋4e－=2H2O碱性(OH－)2H2－4e－＋4OH－=4H2OO2＋2H2O＋4e－=4OH－[交流研讨](1)氢氧燃料电池的总反应方程式如何书写？提示：燃料电池相当于燃料的燃烧，氢氧燃料电池的总反应为2H2＋O2=2H2O。(2)如何判断氢氧燃料电池的正、负极？提示：通燃料的一极作负极，通氧气的一极作正极。1．某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述中不正确的是()A．a极是负极，该电极上发生氧化反应B．b极反应式是O2＋4OH－－4e－=2H2OC．总反应方程式为2H2＋O2=2H2OD．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源答案：B解析：A．a极通入氢气，氢气失电子发生氧化反应，a是负极，故A正确；B．b极通入氧气，氧气得电子发生还原反应生成氢氧根离子，反应式是O2＋2H2O＋4e－=4OH－，故B错误；C．氢氧燃料电池，总反应方程式为2H2＋O2=2H2O，故C正确；D．氢氧燃料电池生成物是水，因此是一种具有应用前景的绿色电源，故D正确；故选B。2．国家电投氢能公司全自主研发的“氢腾”燃料电池系统广泛应用于氢能大巴。某种氢燃料电池的内部结构如图，下列说法正确的是()A．电池工作时，电解质溶液中的H＋向b极移动B．a极发生的电极反应为H2＋2e－＋2OH－=2H2OC．b极为正极，发生氧化反应D．当外电路有1mol电子转移时，b极消耗5.6LO2答案：A解析：电池工作时，H＋移向正极，故A正确；a极发生的电极反应为H2－2e－=2H＋，故B错误；b极为正极，发生还原反应，故C错误；题目中未说明是否是标准状况，无法计算氧气的物质的量，故D错误。1．(2023·广东江门高一期中)下列说法正确的是()A．锌锰干电池是二次电池B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池C．化学电池的反应原理是氧化还原反应D．铅酸蓄电池放电时正极是Pb答案：C解析：锌锰干电池为一次电池，故A错误；燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、乙醇燃料电池等，产物多为CO2、H2O等，不污染环境，故B错误；化学电池是将化学能转变为电能的装置，有电子的得失，实质为氧化还原反应，故C正确；铅酸蓄电池放电时，Pb被氧化，为原电池的负极，PbO2被还原，为原电池的正极，故D错误。2．如图为发光二极管连接柠檬电池装置，下列说法正确的是()A．铁环作为柠檬电池的正极B．电流由铁环经导线流向发光二极管C．负极的电极反应式为Fe－2e－=Fe2+D．可将柠檬替换成盛装乙醇溶液的装置答案：C解析：铜线、铁环插入柠檬，制成柠檬电池，由于活泼性：Fe＞Cu，所以铜线是柠檬电池的正极，铁环是柠檬电池的负极，故A项错误；电子由负极铁环经导线流向发光二极管，再由发光二极管流向铜线，故B项错误；负极发生氧化反应，电极反应式为Fe－2e－=Fe2+，故C项正确；乙醇溶液为非电解质溶液，不能将柠檬替换成盛装乙醇溶液的装置，故D项错误。3．(2024·绵阳市期末)日常生活常用的干电池构造示意图如图。下列说法错误的是()A．电极a为正极，发生氧化反应B．电池使用过程中锌筒逐渐变薄C．负极的电极反应式为Zn－2e－=Zn2+D．电池工作时，MnO2得到电子被还原答案：A解析：锌锰干电池为原电池，其中锌筒作负极，发生失电子的氧化反应，石墨棒为正极，二氧化锰发生得电子的还原反应，据此分析解答。A．根据上述分析可知，电极a为正极，发生还原反应，A错误；B．电池使用过程中锌筒作负极，发生失电子的氧化反应生成锌离子，从而使锌筒逐渐变薄，B正确；C．锌筒作负极，其电极反应式为Zn－2e－=Zn2+，C正确；D．电池工作时，石墨棒附近的MnO2得到电子被还原，D正确；故选A。4．现有如下两个反应：A．NaOH＋HCl=NaCl＋H2O，B．Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2+。(1)根据上述两反应的本质，________(填字母)反应能设计成原电池，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)写出上述反应中能设计成原电池的电解质溶液，正、负极材料、电极反应式、反应类型(“氧化反应”或“还原反应”)：电解质溶液为________。负极：________，________________，____________________________________；正极：________，________________，_____________________________________。(3)若导线上通过电子1mol，则正极质量增加________g。答案：(1)BA为非氧化还原反应，没有电子转移；B为氧化还原反应，有电子转移(2)AgNO3溶液CuCu－2e－=Cu2+氧化反应碳棒(或Ag、铂、金任选其一)2Ag＋＋2e－=2Ag还原反应(3)108解析：(1)只有自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池，B是自发进行的氧化还原反应。(2)根据电池反应式Cu＋2Ag＋=2Ag＋Cu2+可知，Cu失电子作负极，负极材料是Cu，正极材料应是比铜不活泼的金属或导电的非金属；Ag＋得电子，所以此电解质溶液只能为AgNO3溶液。(3)由2Ag＋＋2e－=2Ag知导线上通过电子1mol，生成Ag1mol。课时测评11化学电源)(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)题点一一次电池、二次电池1．下列电池不属于二次电池(可充电电池)的是()答案：A2．镍­镉(Ni­Cd)可充电电池的总反应为Cd(OH)2＋2Ni(OH)2eq\o(⥬,\s\up7(充电),\s\do5(放电))Cd＋2NiO(OH)＋2H2O，由此可知，放电时该电池的负极材料是()A．Cd B．NiO(OH)C．Cd(OH)2 D．Ni(OH)2答案：A3.普通锌锰干电池的构造如图所示，其电池总反应的方程式为Zn＋2NH4Cl＋2MnO2=Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，下列说法不正确的是()A．石墨作正极B．锌发生氧化反应C．电池工作时，电子从石墨经导线流向锌D．电池工作时，每消耗6.5g锌，线路中会转移0.2NA电子答案：C解析：锌筒作负极，石墨作正极，故A正确；电池中锌失去电子，发生氧化反应，故B正确；电池中电子从负极流向正极，即从锌经导线流向石墨，故C错误；锌为负极，失电子发生氧化反应，每消耗6.5gZn，即0.1mol锌，则失去0.2mol电子，故线路中转移0.2NA电子，故D正确。4．有关下列四个常用电化学装置的叙述中，正确的是()图Ⅰ碱性锌锰电池图Ⅱ铅酸蓄电池图Ⅲ原电池图Ⅳ银锌纽扣电池A．图Ⅰ所示电池中，MnO2的作用是作催化剂B．图Ⅱ所示电池放电过程中，硫酸浓度不断增大C．图Ⅲ所示装置工作过程中，电解质溶液中Cu2+浓度始终不变D．图Ⅳ所示电池中，Ag2O是氧化剂，电池工作过程中被还原为Ag答案：D解析：MnO2的作用是作氧化剂，A错误；Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，H2SO4被消耗，浓度减小，B错误；正极析出铜，Cu2+浓度减小，C错误；负极：Zn→Zn2+，发生氧化反应，Zn作还原剂，正极：Ag2O→Ag，发生还原反应，Ag2O是氧化剂，D正确。5.汽车的启动电源常用铅酸蓄电池。其结构如图所示，放电时的电池反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断下列说法正确的是()A．负极反应式：Pb－2e－＋SOeq\o\al(2-,4)=PbSO4B．电池放电时，溶液的酸性增强C．PbO2得电子，被氧化D．PbO2是电池的负极答案：A6．“盐水动力”玩具车的电池以镁片、活性炭为电极，向极板上滴加食盐水后电池便可工作，电池总反应为2Mg＋O2＋2H2O=2Mg(OH)2。下列关于该电池的说法错误的是()A．电池工作时，负极发生还原反应B．食盐水作为电解质溶液C．电池工作时镁片逐渐被消耗D．电池工作时实现了化学能向电能的转化答案：A解析：由电池反应方程式2Mg＋O2＋2H2O=2Mg(OH)2可知，Mg作负极，活性炭作正极，电解质溶液是食盐水，发生镁的吸氧腐蚀，化学能转化为电能。A．Mg作负极，Mg元素化合价由0价升高到＋2价，所以负极发生氧化反应，故A错误；B．电解质溶液是食盐水，发生吸氧腐蚀，故B正确；C．Mg作负极，电极反应式为Mg－2e－＋2OH－=Mg(OH)2，所以电池工作时镁片逐渐被消耗，故C正确；D．该装置是将化学能转化为电能，为原电池，故D正确。题点二燃料电池7．(2023·青岛高一检测)目前，科学家提出了一种经济而且理想的获得氢能源的循环体系(如图)。关于此循环体系，下列说法错误的是()A．燃料电池能够使化学能转化为电能B．燃料电池中通入H2的一极作负极，发生氧化反应C．在此循环中发生了反应：2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑D．目前化学家急需解决的问题是寻找合适的光照条件下分解水的催化剂答案：C8．氯－铝电池是一种新型的燃料电池。电解质溶液是KOH溶液。试回答下列问题：(1)通入Cl2(g)的电极是________(填“正”或“负”)极。(2)投入Al(s)的电极是________(填“正”或“负”)极，负极电极反应式为___________。(3)外电路电子从________(填“Al”或“Cl2”)极流向________(填“正”或“负”)极。(4)每消耗8.1gAl(s)，电路中通过的电子数目为________NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)。答案：(1)正(2)负Al－3e－＋4OH－=[Al(OH)4]－(3)Al正(4)0.9解析：由题给信息可知，Cl2得电子在正极发生还原反应，Al失电子在负极发生氧化反应，所以通入Cl2(g)的电极是正极，投入Al(s)的电极是负极，其电极反应式为Al－3e－＋4OH－=[Al(OH)4]－；电子由负极(Al)经外电路流向正极。8.1gAl(s)的物质的量为eq\f(8.1g,27g·mol-1)＝0.3mol，1molAl反应转移3mol电子，0.3molAl反应在电路中通过的电子数为0.9NA。9．微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O＋Zn＋H2O=2Ag＋Zn(OH)2，下列说法正确的是()A．正极发生反应：Ag2O＋2H＋＋2e－=2Ag＋H2OB．负极发生反应：Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2C．电池工作过程中，KOH溶液浓度减小D．电池工作过程中，电解质溶液中OH－向正极迁移答案：B解析：电池总反应为Ag2O＋Zn＋H2O=2Ag＋Zn(OH)2，Zn在反应中化合价升高失电子，故Zn作负极，电极反应式为Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2，Ag2O作正极，电极反应式为Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－，据此分析作答。A．根据上述分析可知Ag2O作正极，电解质溶液显碱性，在碱性溶液中不可能大量存在H＋，正极的电极反应式为Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－，A错误；B．Zn作负极，负极的电极反应式为Zn＋2OH－－2e－=Zn(OH)2，B正确；C．电池工作过程中，KOH的物质的量不变，水被消耗，KOH浓度增大，C错误；D．电池工作过程中，电解质溶液中OH－向正电荷较多的负极迁移，D错误；故合理选项是B。10．某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为Fe＋NiO2＋2H2Oeq\o(⥬,\s\up7(放电),\s\do5(充电))Fe(OH)2＋Ni(OH)2，下列说法中正确的是()A．放电时，正极上发生反应的物质是FeB．放电时，正极反应为NiO2＋2e－＋2H＋=Ni(OH)2C．放电时，电解质溶液中的阴离子向正极移动D．放电时，Ni(OH)2是还原产物答案：D解析：由总反应式可知，根据原电池在放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再根据元素化合价变化，可判断该电池负极发生反应的物质为Fe，正极为NiO2。此电池为碱性电池，在书写电极反应和总反应方程式时不能出现H＋，故放电时的电极反应式：负极：Fe－2e－＋2OH－=Fe(OH)2，正极：NiO2＋2e－＋2H2O=Ni(OH)2＋2OH－。A．放电时，Fe元素化合价升高，被氧化，应为原电池负极，A错误；B．此电池为碱性电池，反应方程式中不能出现H＋，放电时，正极反应为NiO2＋2e－＋2H2O=Ni(OH)2＋2OH－，B错误；C．放电时，电解质溶液中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，C错误；D．放电时，NiO2中Ni元素化合价由＋4价降低到＋2价，Ni(OH)2为还原产物，D正确；答案选D。11．某种锂电池的总反应为Li＋MnO2=LiMnO2，下列说法不正确的是()A．Li是负极，电极反应为Li－e－=Li＋B．Li是正极，电极反应为Li＋e－=Li－C．MnO2是正极，电极反应为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)D．锂电池是一种环保型电池答案：B解析：根据锂电池总反应可知，Li发生失电子的氧化反应，Li为负极；MnO2发生得电子的还原反应，MnO2为正极。A．Li发生失电子的氧化反应，Li为负极，电极反应为Li－e－=Li＋，A项正确，B项错误；C．MnO2发生得电子的还原反应，MnO2是正极，电极反应为MnO2＋e－=MnOeq\o\al(－,2)，C项正确；D．锂电池不含镉、汞等对环境有污染的元素，锂电池是一种环保型电池，D项正确；答案选B。12．由铜片、锌片和100mL硫酸铜溶液组成的原电池工作一段时间后，铜片质量增加了12.8g，且溶液恰好变为无色。假设锌片上没有铜析出，回答下列问题：(1)铜片是原电池的________(填“正极”或“负极”)。(2)锌片质量减少了________g。(3)流过外电路的电子的物质的量是______mol。(4)原硫酸铜溶液的物质的量浓度是________mol·L-1。答案：(1)正极(2)13(3)0.4(4)2解析：(1)由铜片、锌片和100mL硫酸铜溶液组成的原电池中，锌片作负极，铜片作正极。(2)铜片质量增加了12.8g，物质的量为eq\f(12.8g,64g·mol-1)＝0.2mol，转移电子的物质的量为0.2mol×2＝0.4mol，那么被氧化的锌的质量为0.2mol×65g·mol-1＝13g。(3)由(2)中分析可知，转移的电子的物质的量为0.4mol。(4)溶液恰好变为无色，说明原溶液中的Cu2+恰好全部生成Cu，那么原溶液中c(CuSO4)＝eq\f(0.2mol,0.1L)＝2mol·L-1。13．(1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的