苏教版 (2019)必修 第二册第三单元 化学能与电能的转化第2课时学案

第2课时　化学电源

新课程标准

1．了解常见化学电源的特点。

2．认识研制新型电池的重要性，能正确书写简单化学电源的电极反应式。

学业质量水平

合格性要求

1.认识化学电源反应的本质。(水平1)

2．通过对化学电源的解析推理加以论证，建立观点结论和证据之间的逻辑关系。(水平2)

等级性要求

能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义，具有节约资源，保护环境的可持续发展意识，对废电池进行回收再利用。(水平3)

图说考点

基础知识——自学·思记·尝试

[新知预习]

一、化学电源

1．分类：

(1)一次电池：不能充电，用过之后不能复原。

(2)二次电池：可充电，可多次重复使用。

(3)燃料电池：是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。

2．常见的化学电源：

【学而思】

(1)教材“锌锰干电池”电池反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)，则电池工作时负极电池反应式是什么？(科学探究与创新意识)

(2)(情境思考)充电电池，是充电次数有限的可充电的电池，配合充电器使用。市场上一般卖5号、7号，但是也有1号。充电电池的好处是经济、环保、电量足、适合大功率、长时间使用的电器(如随身听、电动玩具等)。充电电池的电压比型号相同的一次性电池低，AA电池(5号充电)是1.2伏，9 V充电电池实际上是8.4伏。现在一般充电次数能在1 000次左右。(变化观念与平衡思想)

【思考】

①笔记本电池的工作原理是什么？

②化学电源分为哪些类型？

二、电解在物质制备中的应用

1．电解池：将电能转化为化学能的装置。

规定：与电源负极相连的一极→阴极，与电源正极相连的一极→阳极。

在电流的作用下阴离子移向→阳极，阳离子移向→阴极。

2．电解制备物质

(1)电解熔融Al2O3制Al：

2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑

电极反应：

阳极：___________________________________________________________________；

阴极：___________________________________________________________________。

冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。

(2)电解熔融氯化钠得到钠：

阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：2Na＋＋2e－===2Na；

总反应方程式：___________________________________________________________。

[即时自测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”

(1)可充电电池，放电与充电都是自发进行氧化还原反应。(　　)

(2)太阳能电池不属于原电池。(　　)

(3)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池，放电过程中，H＋从正极区向负极区迁移。(　　)

(4)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。(　　)

(5)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。(　　)

(6)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。(　　)

2．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．手机用锂电池

C．汽车用铅蓄电池     D．玩具用镍氢电池

3．关于化学电源的叙述，错误的是(　　)

A．化学电源均是根据原电池的工作原理设计的

B．在干电池中，碳棒只起导电作用，并不参与化学反应

C．镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉的资源有限，价格昂贵

D．燃料电池是一种高效、环保的新型化学电源

4．下列电池工作时，O2在正极得电子的是(　　)

5.下列有关锌锰干电池的说法中正确的是(　　)

A．锌外壳是负极，石墨棒是正极材料

B．在外电路中电子从石墨棒流向锌外壳

C．电流从锌外壳流到石墨棒上

D．在电池内部阳离子从石墨棒向锌外壳移动

6．燃料电池两电极反应有何特点？

技能素养——合作·探究·分享

例1 化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法不正确的是(　　)

A．甲属于环境友好电池；电子流向：电极B→导线→电极A；化学能可以100%转化为电能

B．乙中正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－

C．丙中锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄

D．丁使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降

例2 下图为氢氧燃料电池构造示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是(　　)

A．a电极是负极

B．电子由b通过灯泡流向a

C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置

例3 燃料电池是利用燃料与氧气反应从而将化学能转化为电能的装置。

(1)以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。

①A为生物燃料电池的________(填“正”或“负”)极。

②正极反应式为____________________________________________________________。

③放电过程中，H＋由________极区向________极区迁移(填“正”或“负”)。

④在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上生成标准状况下二氧化碳的体积是________。

(2)下图是将SO2转化为重要的化工原料H2SO4的原理示意图。

请回答下列问题：

①该装置将________能转化为________能，电流方向为________(填“b→a”或“a→b”)。

②催化剂b表面O2发生________反应，其附近酸性________(填“增强”“不变”或“减弱”)。

③若得到的硫酸浓度为49%，则理论上参加反应的SO2与加入的H2O的质量比为______。

关键能力　归纳提升

几种电池的特点

状元随笔　干电池是一次性电池，放电之后不能充电，即内部的氧化还原反应是不可逆的；充电电池又称二次电池，它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；燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等，这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。

2．燃料电池：将燃料燃烧的化学能直接转化为电能的装置。

(1)正极：(如通O2的一极即氧化剂)反应式为

碱性电解液：O2＋4e－＋2H2O===4OH－

酸性电解液：O2＋4e－＋4H＋===2H2O

固体或熔融(固体电解质在熔融状态传导O2－)：O2＋4e－===2O2－

熔融碳酸盐：

(2)负极：(可燃性物质即还原剂)负极的电极反应式可将总反应式减去正极反应式后，再将两边相同的项删去，做适当调整即为负极的电极反应式(正极反应式和上面不同介质的正极反应式相同，下面只写对应的负极反应式和总反应式)。例如：

氢氧燃料电池：

总反应都是：2H2＋O2===2H2O

碱性电解液：H2－2e－＋2OH－===2H2O

酸性电解液：H2－2e－===2H＋

课堂检测——夯实·测控·演练

1.下列有关电池的叙述不正确的是(　　)

A．水果电池是方便实用的家用电池

B．铅蓄电池是一种常用的二次电池

C．氢氧燃料电池是一种高效、无污染的发电装置

D．锌锰干电池工作一段时间后，锌外壳逐渐变薄

2．下列说法正确的是(　　)

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应

D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2

3．下列有关电池的说法不正确的是(　　)

A．手机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

4．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是(　　)

A.把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气

B．碳棒取下洗净用作电极

C．把铜帽取下洗净回收利用

D．电池内部填有氯化铵等化学物质，将废电池中的黑色糊状物直接作化肥用

5．被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片(在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解液。电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)，下列说法正确的是(　　)

A．该电池的正极为锌

B．该电池反应中二氧化锰起催化剂作用

C．当0.1 mol Zn完全溶解时，转移电子个数为1.204×1024

D．电池正极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－

6．研究人员研制出一种锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是(　　)

A．水既是氧化剂又是溶剂

B．放电时正极上有氢气生成

C．放电时OH－向正极移动

D．总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑

7．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，会出现气鼓现象

C．铅蓄电池工作时，电能转化成化学能

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

8．“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，电池反应为

2Mg＋O2＋2H2O===2Mg(OH)2，下列关于该电池的说法错误的是(　　)

A．镁片作为负极

B．正极发生氧化反应

C.电池工作时镁片逐渐被消耗

D．食盐水作为电解质溶液

9．被誉为改变未来世界的十大新科技之一的燃料电池。如图为氢氧燃料电池的结构示意图，电解质溶液为KOH溶液，电极材料为疏松多孔石墨棒。当氧气和氢气分别连续不断地从正、负两极通入燃料电池时，便可在闭合回路中不断地产生电流。

试回答下列问题：

(1)燃料电池的优点是____________________；电解质溶液中的OH－移向________(填“负”或“正”)极。

(2)写出氢氧燃料电池工作时正极反应式：________________________。

10．铅蓄电池(原电池)工作时，总反应为PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。由此可以判断：

(1)原电池的电极材料：正极________；

负极________。

(2)电极反应式：

正极＋2e－===PbSO4＋2H2O，请写出该电池负极反应________________________________________________________________________。

(3)工作后，蓄电池里电解质溶液的pH将________(填“变大”“变小”或“不变”)，请分析变化的理由_____________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)工作后，蓄电池要进行充电，此时的能量转化方式为：____________能转化为______能。

11．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，其中一个电极反应为Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

(1)判断正负极的材料。

(2)写出另一电极的电极反应式，并判断反应类型。

(3)判断电池工作时。电子的流动方向和电解质溶液中离子的流动方向。

(4)在电池使用的过程中，电解质溶液中KOH的物质的量怎样变化？

(5)当电池工作时通过电路对外提供了1 mol电子，计算消耗的负极的质量。

第2课时　化学电源

基础知识

新知预习

一、

2．负　正　NH4Cl　锌　氧化银　氢氧化钾　Pb　PbO2　硫酸　贮氢合金　泡沫氧化镍　KOH　氢气　氧气　KOH　2H2＋O2===2H2O　甲醇　空气　KOH

学而思

提示：(1)负极(锌筒)：Zn－2e－===Zn2＋

(2)①笔记本电池的工作原理即原电池的工作原理，但正、负极发生反应的物质不同。

②化学电源分为一次电池、二次电池和燃料电池。

二、

2．(1)6O2－－12e－===3O2↑　4Al3＋＋12e－===4Al　

(2)2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑

即时自测

1．解析：(1)对于可充电电池。放电时为原电池，是自发进行的氧化还原反应，充电时为电解池，是被迫进行的氧化还原反应。(2)太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。(3)放电过程中，H＋从负极区向正极区迁移。

答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√

2．答案：A

3．解析：镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉属于重金属，会对环境造成严重的污染。

答案：C

4．解析：氢氧燃料电池的总反应式是2H2＋O2===2H2O，因而正极是O2得电子发生还原反应。

答案：C

5．解析：A项，在锌锰干电池中，锌外壳是负极，石墨棒是正极，故正确；B项，在外电路中电子从锌外壳流向石墨棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从石墨棒流向锌外壳，故错误；D项，电池内部，阳离子向正极石墨棒移动，故错误。

答案：A

6．答案：两个电极均为惰性电极，本身不参与反应。燃料电池常用的燃料有H2、CH4、C2H4、CH3OH等可燃性物质，在反应中燃料一般表现为失去电子，在电源负极通入。常用的氧化剂是氧气，在反应中表现为得到电子，在电源正极通入。

技能素养

例1　解析：A错，氢氧燃料电池中，氢气在负极A上被氧化，氧气在正极B上被还原，无污染，属于环境友好电池，电子流向：电极A→导线→电极B，电池中还有部分化学能转化为热能等，所以能量转化率不是100%。B对，乙为纽扣电池，正极为Ag2O得电子发生还原反应，正极的电极反应式为Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－。C对，丙为锌锰干电池，锌筒作负极，发生氧化反应被消耗，所以锌筒会变薄。D对，丁为铅蓄电池，放电时的总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，所以使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，离子浓度减小，导电能力下降。

答案：A

例2　解析：A对，氢氧燃料电池中，通入氢气的a极为原电池的负极，通入氧气的b极为原电池的正极。B错，根据A项分析，通入氢气的a极为原电池的负极，通入氧气的b极为原电池的正极，原电池中，电子由负极经外电路流向正极，电子由a通过灯泡流向b。C对，氢氧燃料电池的产物是水，环保无污染，是一种具有应用前景的绿色电源。D对，氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置。

答案：B

例3　解析：(1)由图可知A为燃料电池的正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O；B为燃料电池的负极，电极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2＋24H＋；放电过程中，H＋由负极区向正极区移动；葡萄糖燃料电池的总反应为C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O，即1 mol O2～1 mol CO2，每消耗1 mol O2，理论上生成标准状况下CO2气体22.4 L；(2)①该装置没有外加电源，是一个原电池，把化学能转化为电能，电流方向与电子流向相反，所以电流方向为b→a；②由图示可看出，电子由a表面转移到b表面，因此a表面发生氧化反应，b表面发生还原反应，由题意SO2转化为H2SO4可推知催化剂a表面SO2发生氧化反应，催化剂b表面O2发生还原反应生成H2O，消耗H＋，其附近酸性减弱；③该电池总反应方程式为SO2＋H2O＋O2===H2SO4，设加入的SO2为x g，H2O为y g，则生成硫酸的质量为，反应后水的质量为y－，根据硫酸的浓度为49%，可以列式求得x∶y＝8∶15。

答案：(1)①正　②O2＋4H＋＋4e－===2H2O　③负　正　④22.4 L　(2)①化学　电　b→a　②还原　减弱

③8∶15

课堂检测

1．解析：水果电池产生的电流非常微弱且不能连续长时间放电，不能作为家用电池；铅蓄电池是一种常用的二次电池，氢氧燃料电池产物为水，无污染；锌锰干电池工作时，Zn放电被消耗，故工作一段时间后锌外壳会逐渐变薄，B、C、D正确，A错误。

答案：A

2．解析：碱性锌锰干电池是一次电池；燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池；铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。

答案：C

3．答案：B

4．答案：D

5．解析：电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnO(OH)，Zn元素化合价升高，失电子，被氧化，Zn作负极，Mn元素化合价降低，得电子，被还原，MnO2作正极。A、B错误；Zn元素化合价从0升高到＋2，1 mol Zn失去2 mol电子，那么0.1 mol Zn完全溶解，转移电子数＝0.2 mol×6.02×1023 mol－1＝1. 204×1023，C错误；MnO2作正极，得电子生成MnO(OH)，结合电荷守恒、原子守恒可写出正极反应式为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－，D正确。

答案：D

6．答案：C

7．答案：C

8．答案：B

9．解析：(1)因为是氧气和氢气的燃料电池，产物为水，并且氧气和氢气的燃烧放出的热量高，所以燃料电池的优点是能量利用率高，绿色无污染。根据原电池工作原理，在电解质溶液中，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。(2)正极上是氧气得电子和水生成氢氧根离子，发生还原反应，所以电极反应式为2H2O＋O2＋4e－===4OH－。

答案：(1)能量利用率高，绿色无污染　负

(2)2H2O＋O2＋4e－===4OH－

10．解析：由总反应PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O可知：PbO2得到电子作正极，Pb失去电子作负极；由总反应方程式减去正极反应式可得到负极反式应为===PbSO4；该反应过程中消耗了H2SO4，故电解质溶液的pH升高。

答案：(1)PbO2　Pb

===PbSO4

(3)变大　在反应过程中消耗了H2SO4　(4)电　化学

11．答案：(1)根据电池总反应可知Zn失电子被氧化而溶解，Ag2O得电子被还原发生还原反应。因此Zn为负极材料，Ag2O为正极材料。

(2)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，氧化反应。利用总的电池反应减去一极的电极反应式，就可以得到另一极的电极反应式。

(3)电池工作时，电子由负极经外电路到正极，即电子从Zn极经外电路到Ag2O极。溶液中的阳离子流向电池的正极(Ag2O极)，阴离子流向负极(Zn)。

(4)不变。电池中KOH只起到增强导电的作用，不参与反应，故电池使用过程中KOH的物质的量不变。

(5)32.5 g。根据电极反应式1 mol Zn失2 mol电子，因此当电路通过1 mol电子时，负极消耗Zn的物质的量为0.5 mol，其质量为32.5 g。