2021学年第2节 化学能转化为电能——电池第2课时导学案

第2课时　化学电源

学习目标

1.通过对常见化学电源的学习,了解常见类型的三种化学电源。

2.通过新型电池分析训练,学会分析新型化学电源的工作原理并能书写其电极反应。

学习任务1　常见化学电源

1.常见化学电源分类

(1)一次电池:常见一次电池有锌锰干电池、纽扣式锌银电池等。

(2)二次电池:常见二次电池有铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等。

(3)燃料电池:常见燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。

2.三类化学电源的工作特点

(1)一次电池:内部还原剂、氧化剂反应完毕后不能再用,只能废弃,会造成环境污染。

(2)二次电池:此类电池放电完毕(电池内的氧化剂、还原剂反应完毕)后,可以再充电。充电过程就是电池内氧化剂、还原剂再生并“复位”(回到原来所处位置)过程。充电是电能转化为化学能的过程,充电原则是正连正负连负(充电电源正极连接二次电池正极、电源负极连接二次电池负极)。二次电池寿命较长,污染总体较小。

(3)燃料电池:此类电池的氧化剂、还原剂不在电池内,而是在电池工作过程中不断输入电池内部。燃料电池寿命长,效率很高(转化率可高达90%以上),污染较小。

3.常见三类化学电源的工作原理分析

(1)常见一次电池。

 (2)常见二次电池。

(3)常见燃料电池。

微点拨:三类化学电源的电极特点

(1)一次电池:负极一般是活性较高的金属,通常会被消耗掉。正极通常是“夹心雪糕模式”(里边是电极芯——一般是导电性金属、合金或石墨材料,外边包覆氧化剂),极芯一般不会消耗,但外面包覆的氧化剂会消耗掉。

(2)二次电池:正、负极一般均为“夹心雪糕模式”。极芯均起导电与支撑作用,不会消耗,但外面包覆的氧化剂、还原剂放电时会消耗,充电时会再生。

(3)燃料电池:正、负极一般为多孔石墨、多孔金属陶瓷等材质。多孔结构有利于燃料及助燃剂(多为氧气)放电。

探究1　一次电池电极反应的书写技巧

雾霾中含有氮的氧化物,利用反应NO2+NH3N2+H2O制作如图所示的电池,用以消除氮氧化物的污染。

问题1:先把电池反应的化学方程式配平,然后画出双线桥。

提示:。

问题2:根据“得电子线桥”写出正极反应。

提示:12H2O+6NO2+24e-3N2+24OH-(可把系数约分为最简整数比)。

问题3:用电池反应减去正极反应或根据“失电子线桥”写出负极反应。

提示:24OH-+8NH3-24e-4N2+24H2O(可以把系数约分至最简整数比)。

探究2　二次电池电极“充电”反应的书写技巧

液流式铅蓄电池以可溶性的甲基磺酸铅[(CH3SO3)2Pb]代替硫酸作为电解质,该电池充、放电的总反应为2Pb2++2H2OPb+PbO2+4H+。

问题4:画出“放电”的双线桥。

提示:。

问题5:根据双线桥写出放电的正、负极反应。

提示:负极反应为Pb-2e-Pb2+,正极反应为PbO2+4H++2e-Pb2++2H2O。

问题6:结合放电的正、负极反应写出充电的阴、阳极反应。

提示:负极颠倒为阴极,Pb2++2e-Pb;正极颠倒为阳极,Pb2++2H2O-2e-PbO2+4H+。

探究3　燃料电池电极反应的书写技巧

一种高温熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图。

问题7:根据电池结构图,结合电解质特点,写出电池正极反应。

提示:从元素化合价角度分析,正极发生还原反应,因此应该是氧气得电子在正极反应,正极反应为O2+2CO2+4e-2C。

问题8:该电池燃料有两种,分别是CO和H2,写出两者与氧气发生燃烧反应的化学方程式。

提示:2CO+O22CO2、2H2+O22H2O。

问题9:用总反应减去正极反应(注意把O2消去,因为氧气不可能在负极参与反应)写出负极反应。

提示:CO+C-2e-2CO2、H2+C-2e-CO2+H2O。

(1)一次电池电极反应书写技巧:根据电池反应,先画双线桥,然后写出负极(负极一般比较简单)反应,再用电池反应(改为离子方程式)“减去”负极反应即得正极反应。

(2)二次电池电极反应书写技巧:①先分析“放电”,后分析“充电”(放电仍然可以运用双线桥法);②放电时一般先写负极,再用总反应减去负极反应得正极反应;③“放电”的负极“颠倒”过来是充电的“阴极”,“放电”的正极“颠倒”过来是充电的“阳极”。

(3)燃料电池正、负极判断技巧:①燃料电池一般两个电极材料相同,所以无法根据电极材料判断正、负极;②燃料电池一般通入燃料的电极是负极,通入氧气(或其他氧化剂)的电极是正极。

(4)燃料电池电极反应书写技巧:①一般燃料电池先写正极反应,因为燃料电池负极燃料种类繁多,但正极一般都是O2,比较固定;②根据燃料电池电解质特点,写出相应的正极反应,然后用电池反应(燃烧方程式)减去正极反应得负极反应。

题点一　一次电池

1.(2021·福建三明开学考)热激活电池(又称热电池)可用作火箭、导弹的工作电源。一种热激活电池的基本结构如图所示,其中作为离子导体的无水LiCl-KCl混合物一旦受热熔融,电池即可瞬间输出电能。该电池反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb。下列有关说法正确的是(　D　)

A.正极反应:Pb2++2e-Pb

B.每转移0.1 mol电子,理论上生成20.7 g Pb

C.放电过程中,Li+向负极移动

D.常温时,在正、负极间接上电流表或检流计,指针不偏转

解析:由电池反应PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb可知,PbSO4为原电池的正极,发生还原反应生成Pb,正极反应为PbSO4+2e-+2Li+Li2SO4+Pb,故A错误;由正极反应可知,每转移0.1 mol电子,生成Pb的物质的量为0.05 mol,其质量为10.35 g,故B错误;原电池中阳离子向正极移动,即放电过程中,Li+向正极移动,故C错误;常温下,电解质不是熔融态,离子不能移动,不能产生电流,因此连接电流表或检流计,指针不偏转,故D正确。

2.(2021·福建泉州月考)如图是一种新型电池,其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动,在电池外部调节电解质溶液,以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定,电池反应为Cu+PbO2+2H2SO4CuSO4+PbSO4+2H2O。下列说法正确的是(　D　)

A.a极为负极,发生还原反应

B.b极的电极反应:PbO2+4H++2e-Pb2++2H2O

C.当消耗64 g Cu时,溶液中传导的电子数目为2NA

D.调节电解质溶液的方法是补充H2SO4

解析:由电池反应可知,a极为原电池的负极,铜失去电子发生氧化反应生成铜离子,b极为正极,在硫酸作用下,二氧化铅在正极得到电子发生还原反应生成硫酸铅和水。由分析可知,a极为原电池的负极,铜失去电子发生氧化反应生成铜离子,故A错误;由分析可知,b极的电极反应为PbO2+4H++S+2e-PbSO4+2H2O,故B错误;当电池工作时,电子不能由电解质溶液传递,故C错误;由电池反应可知,电池工作时消耗硫酸,则调节电解质溶液的方法是补充硫酸,故D正确。

题点二　二次电池

3.(2021·山东济南期中)某蓄电池充、放电时反应为Fe+Ni2O3+3H2OFe(OH)2+2Ni(OH)2,下列推断错误的是(　B　)

A.放电时,负极的电极反应是Fe+2OH--2e-Fe(OH)2

B.放电时,每转移2 mol电子,正极上有1 mol Ni2O3被氧化

C.充电时,阳极的电极反应是2Ni(OH)2-2e-+2OH-Ni2O3+3H2O

D.该蓄电池的电极可浸在某种碱性电解质溶液中

解析:放电时,铁是负极,铁失电子发生氧化反应,生成的Fe2+与OH-结合生成Fe(OH)2,电极反应是Fe+2OH--2e-Fe(OH)2,A正确;放电时,Ni2O3在正极发生还原反应,每转移2 mol电子,正极上有 1 mol Ni2O3被还原,B错误;充电时,Ni(OH)2在阳极失电子发生氧化反应,电极反应是2Ni(OH)2-2e-+2OH-Ni2O3+3H2O,C正确;根据总反应可知,放电时生成物是Fe(OH)2和Ni(OH)2,因此该蓄电池的电极可浸在某种碱性电解质溶液中,D正确。

4.(2021·安徽芜湖期末)我国科研人员研制出以钠箔和多壁碳纳米管为电极的可充电“Na-CO2”电池,工作过程中,Na2CO3与C均沉积在多壁碳纳米管电极上,其工作原理如图所示。下列叙述错误的是(　D　)

A.充电时,电源电极a为正极,Na+向钠箔电极方向移动

B.充电时,阳极反应为2Na2CO3+C-4e-3CO2↑+4Na+

C.采用多壁碳纳米管作电极可以增强吸附CO2的能力

D.放电时,电路中转移0.4 mol e-,多壁碳纳米管电极增重21.2 g

解析:电源电极a为正极,电极b为负极,放电时,钠箔为负极,多壁碳纳米管为正极。充电时,电源电极a为正极,Na+向阴极钠箔电极方向移动,故A正确;充电时,阳极碳失电子发生氧化反应,阳极反应为2Na2CO3+C-4e-3CO2↑+4Na+,故B正确;多壁碳纳米管表面积大,吸附能力强,作电极可以增强吸附CO2的能力,故C正确;放电时,Na2CO3与C均沉积在多壁碳纳米管电极上,电极反应为3CO2+4e-+4Na+2Na2CO3+C,电路中转移0.4 mol e-,多壁碳纳米管电极增重21.2 g+

1.2 g=22.4 g,故D错误。

题点三　燃料电池

5.(2021·黑龙江哈尔滨月考)一种以液态肼(N2H4)为燃料、氧气为氧化剂、某固体氧化物为电解质的新型燃料电池的工作原理如图所示。在700～900 ℃时,O2-可在该固体氧化物电解质中自由移动。生成物为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　B　)

A.该装置将电能转化为化学能

B.电极甲上N2H4失去电子

C.电池内的O2-由电极甲移向电极乙

D.电池反应为N2H4+2O22NO+2H2O

解析:该燃料电池中,负极上燃料失电子发生氧化反应,产物为无毒无害物质,则电极反应为N2H4+2O2--4e-N2↑+2H2O,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应为O2+4e-2O2-,电池反应为N2H4+O2N2+

2H2O,结合离子的移动方向、电流的方向分析解答。该装置为燃料电池,是将化学能转化为电能,A错误;根据上述分析可知,B正确,D错误;根据上述分析,电池内的O2-由电极乙移向电极甲,C错误。

6.(2021·广东深圳期中)某HCOOH燃料电池的工作原理如图所示,其中,两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。下列说法错误的是(　C　)

A.负极反应为HCOO-+2OH--2e-HC+H2O

B.电池工作时,需补充的物质A为H2SO4

C.理论上,当有2 mol HCOO-参加反应时,消耗1 mol Fe3+

D.该电池放电的本质是将HCOOH与O2反应的化学能转化为电能

解析:据图可知左侧HCOO-被氧化为HC,电解质溶液显碱性,所以负极反应为HCOO-+2OH--2e-HC+H2O,A正确;右侧储罐中Fe2+被氧气氧化为Fe3+,反应应在酸性环境下进行,同时生成硫酸钾,故A为H2SO4,B正确;根据负极反应可知2 mol HCOO-参加反应时转移4 mol电子,所以消耗4 mol Fe3+,C错误;该装置中Fe3+、Fe2+循环转化,本质上O2为氧化剂,所以该电池放电的本质是将HCOOH与O2反应的化学能转化为电能,D正确。

实用化学电源题型,解题关键是对题目信息的提取与理解。题目所给信息包括:电池结构图、电池反应或某一电极反应等。要特别注意从元素化合价变化角度进行氧化还原的分析。

学习任务2　新型电池

新型原电池类题通常把信息浓缩在一张电池结构图中。此类题型,首先是从图中提炼信息。提炼信息有两类:

(1)元素化合价变化信息,通过元素化合价变化就能搞清楚氧化还原反应的情况,根据氧化还原反应即可判断正、负极电极反应。

(2)微粒变化及运动方向信息,此类题型经常会出现很多“箭头”,“箭头”一般有两种含义:①表示转化;②表示运动方向。

　科学家设计微生物原电池,用于处理废水(酸性)中的有机物及脱除硝态氮,该装置原理示意图如图。

探究　新型原电池中“箭头”与“价态”

问题1:图中N→N2,N元素化合价如何变化?此半反应属于氧化反应还是还原反应?电极m 是正极还是负极?

提示:N元素由+5价变为0价;此半反应属于还原反应;电极m是正极。

问题2:根据元素化合价,写出正极反应。

提示:2N+10e-N2,根据电荷守恒,电极反应左侧应该补H+(因为有质子交换膜,所以考虑补H+),所以进一步写出电极反应为2N+12H++10e-N2,最后根据原子守恒写出最终电极反应为2N+12H++10e-N2↑+6H2O。

新型电池类题解题思路

(1)根据反应或图示分析价态:分析两极各物质或微粒价态变化,要注意图中箭头意义。

(2)写出正、负极电极反应:根据“得失电子、电荷、原子”三大守恒,结合电解质特点或膜特点写出正、负极电极反应。

(3)做出判断或计算:根据电极反应即可判断反应、pH,得电子为还原反应,失电子为氧化反应,消耗H+或生成OH-,酸性减弱或碱性增强,则pH升高,消耗OH-或生成H+,碱性减弱或酸性增强,则pH降低;原电池中离子移动方向是“正正负负”;原电池计算依据是正、负极得失电子守恒,电解质溶液电荷守恒。

1.(2021·福建泉州月考)全钒氧化还原液流电池是一种新型绿色的二次电池,具有容量和功率可调、大电流无损深度放电、使用寿命长、易操作和维护等优点,其放电时的工作原理如图所示,下列叙述正确的是(　C　)

A.B极为该原电池的正极

B.该电池放电时H+向B极室迁移,起到了导电作用

C.A极的电极反应为V+2H++e-VO2++H2O

D.反应过程中,每转移1 mol电子,正极区n(H+)的变化量为2 mol

解析:由图可知,A极为电池的正极,酸性条件下,V在正极得到电子发生还原反应生成VO2+,电极反应为V+2H++e-VO2++H2O,B极为负极,V2+在负极失去电子发生氧化反应生成V3+,电极反应为V2+-e-V3+,放电的总反应为V+2H++V2+VO2++V3++H2O。由分析可知,A错误,C正确;电池放电时,H+透过质子交换膜向正极(A极室)迁移,起导电作用,B错误;由分析可知,反应过程中,每转移1 mol电子,正极消耗2 mol H+,同时有 1 mol H+通过质子交换膜进入正极区,则正极区n(H+)的变化量为1 mol,D错误。

2.可以利用微生物电池除去废水中的乙酸钠和对氯酚(),其原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　B　)

A.B极是负极

B.质子从A极移向B极

C.B极的电极反应为CH3COO--8e-+4H2O2HC+9H+

D.处理后的废水pH降低

解析:由图可知,B极上发生氧化反应,B极为负极,A正确;原电池工作时,阳离子向正极移动,所以该电池工作时,质子应该由B极移向A极,B不正确;由图可知,B极上CH3COO-变为HC,发生氧化反应,电极反应为CH3COO--8e-+4H2O2HC+9H+,C正确;正极上C6H5OCl变为C6H5OH和Cl-,发生还原反应,电极反应为C6H5OCl+2e-+H+C6H5OH+Cl-,电池总反应为CH3COO-+4C6H5OCl+4H2O2HC+4C6H5OH+4Cl-+5H+,所以反应过程中H+的量增加,用该电池处理后的废水pH降低,D正确。

【知识整合】

【易错提醒】

1.误认为极区反应是电极反应。其实不然,极区反应一般是指在电极附近区域发生的反应,属于电解质内电路中发生的反应,不一定是氧化还原反应。而电极反应一般指的是电极表面上进行的半反应。

2.误把充电时离子移动方向与放电时离子移动方向混淆。充电是电解过程,此时电极称阴、阳极,离子移动是“正阴负阳(带正电离子移向阴极,带负电离子移向阳极)”。放电过程离子移动是“正正负负”。

3.误把“负载”与“电源”混淆。负载属于“用电器”,此时是化学能转变为电能,给负载供电,属于放电过程。带电源时属于电解过程,此时是电能转变为化学能,属于充电过程。

4.误认为“含碳燃料、碱性条件”总反应的化学方程式是燃烧的化学方程式。其实不然,碱性条件下,含碳燃料燃烧产生的CO2会与碱反应形成碳酸盐,所以此时电池反应是燃烧的化学方程式与“CO2+2OH-C+H2O”进行“叠加”后的化学方程式。例如甲烷燃料电池,KOH作电解质,其电池反应为CH4+2O2+2OH-C+3H2O。