鲁科版高中化学选择性必修第一册第1章第2节第2课时化学电源基础课课件

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第2课时　化学电源(基础课)第1章　化学反应与能量转化 第2节　化学能转化为电能——电池1．通过搜集、观察生活中常见的化学电源，了解化学电源的分类及废旧电池的处理方法等。2．通过设计简单的燃料电池分析、体会化学电源的工作原理，电极构成及简单的电极反应式书写与判断，构建认知模型。1．只有自发的氧化还原反应才能设计成原电池。2．根据2Fe3+＋Cu===2Fe2+＋Cu2+设计原电池：(1)电极反应分别是①负极：Cu－2e－===Cu2+；②正极：2Fe3+＋2e－===2Fe2+。(2)根据电池反应设计装置图　　 或　 　　 　　。3．常见化学电池(1)干电池：属于 一次电池，如锌锰电池。(2)充电电池：又称 二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。(3)燃料电池：能量转换效率高、能长时间提供电能。 必备知识　自主预习化学电一次二次燃料重金属二、常见化学电源1．锌锰干电池锌筒石墨 铅二氧化铅H2SO4(3)原理 (4)特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量电池释放的电能少。  Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O  2PbSO4＋2H2O===PbO2＋Pb＋2H2SO43．氢氧燃料电池(1)原理(电极反应及电池反应)。(2)特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。判一判　(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)手机、手提电脑使用的电池为一次电池。 (　　)(2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。 (　　)(3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。 (　　)(4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。 (　　)(5) 燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料和氧气分别在两极发生反应。 (　　)×××√√一种碳纳米管(里面储存有H2)二次电池的装置如图所示。关键能力　情境探究二次电池的工作原理1．放电时的电极反应如何书写？提示：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－2．充电时的电极反应如何书写？提示：阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O3．电池反应方程式如何书写？电池充电时，外接电源的负极连接二次电池的哪个电极？提示： 　　　　　　　　　　　　　　　　阴极。1．可充电电池的思维模型充电时电极连接可简记：负接负，正接正。2．可充电电池电极反应式的特点放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。【例1】　为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)　　　　 ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是(　　)A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区√D　[A项，三维多孔海绵状Zn为多孔结构，具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高，正确；B项，二次电池充电时作为电解池使用，阳极发生氧化反应，元素化合价升高，失去电子，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，正确；C项，二次电池放电时作为原电池使用，负极发生氧化反应，元素化合价升高，失去电子，由电池总反应可知负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，正确；D项，二次电池放电时作为原电池使用，阴离子从正极区向负极区移动，错误。][母题发散](1)放电一段时间后，电池中的电解质溶液的浓度怎样变化？(2)放电过程中正极区和负极区溶液的酸碱性怎样变化？提示：(1)浓度增大。因为电池在放电过程中消耗水，导致溶液的浓度增大。(2)根据电极反应式可以判断正极区溶液的碱性增强，负极区溶液的碱性减弱。1．(双选)我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na－CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为3CO2＋4Na⥫⥬2Na2CO3＋C。下列说法正确的是(　　) √√ 2．一种锂硫电池的总反应为16Li＋S8　　　8Li2S，该电池的装置如图甲所示，充、放电过程中物质的转化关系如图乙所示。该装置工作时，下列叙述错误的是(　　)A．放电时，M电极的电势比N电极的高B．放电时，Li＋通过阳离子交换膜到达M电极附近C．充电时，M极反应式为8Li2S－16e－===S8＋16Li＋D．充电时，1 mol Li2S4转化为Li2S6电路中通过2 mol 电子√D　[根据锂硫电池的总反应为16Li＋S8　　　 8Li2S可知，放电时，Li元素化合价由0价变为＋1价，则Li所在的N电极是负极，S8所在M电极是正极，负极反应式为Li－e－===Li＋，正极电极反应式为S8＋16Li＋＋16e－===8Li2S，充电时为电解池，阳极、阴极电极反应式与原电池正极、负极电极反应式正好相反，放电时，阳离子向正极移动、阴离子向负极移动，充电时，阳离子移向阴极、阴离子移向阳极。放电时为原电池，N电极是负极，M电极是正极， 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2-。常见燃料电池的比较1．该电池放电时的电池反应方程式如何书写？提示：该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？提示：该电池的正极是氧气，得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2-。负极失去电子发生氧化反应。3．固体电解质里的O2-的移动方向是怎样的？提示：原电池中阴离子O2-向负极移动。4．若分别用KOH溶液和稀硫酸代替固体电解质，则放电时负极电极反应如何书写？ 1．常见的四种典型燃料电池2．燃料电池电极反应式的书写 【例2】　原电池是化学对人类的一项重大贡献。(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：①电池的负极是_____(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为___________________________________。②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。a 减小  2CO＋O2===2CO2 1．硫化氢－空气质子交换膜燃料电池实现了发电、环保的有效结合，已知：2H2S(g)＋O2(g)===S2(s)＋2H2O(l)　ΔH＝－632 kJ·mol-1，下列说法正确的是(　　)A．电子从电极b流出，经负载流向电极aB．当电极a的质量增加64 g时，电池内部释放632 kJ的热能C．电极b上发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2OD．标准状况下，每11.2 L H2S参与反应，有1 mol H＋经固体电解质膜进入负极区√ 2．常用于检测酒驾的酸性燃料电池酒精检测仪工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)A．电子从左侧Pt电极经导线转移到右侧Pt电极B．该电池工作时质子从左池经交换膜向右池迁移C．负极反应式：CH3CH2OH－4e－＋4OH－=== CH3COOH＋3H2OD．每消耗标准状况下2.24 L O2时理论上生成 0.1 mol CH3COOH √C　[乙醇酸性燃料电池中，乙醇发生失电子的氧化反应生成醋酸，则乙醇所在铂电极为负极、O2所在的铂电极为正极，负极反应式为CH3CH2OH－4e－＋H2O===4H＋＋CH3COOH，O2所在的铂电极为正极、发生得电子的还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，放电时，电子由负极经导线流向正极，阳离子由负极通过交换膜移向正极。该原电池中左侧Pt电极为负极，右侧Pt电极为正极，放电时电子由负极经导线流向正极，即电子从左侧Pt电极经导线转移到右侧Pt电极，A正确；放电时阳离子由负极通过交换 3．书写甲烷燃料电池在不同环境下的电极反应式。(1)酸性条件总反应式：_______________________________________________；正极反应式：_____________________________________________；负极反应式：_____________________________________________。(2)碱性条件总反应式：_______________________________________________；正极反应式：_____________________________________________；负极反应式：_____________________________________________。CH4＋2O2===CO2＋2H2O2O2＋8H＋＋8e－===4H2OCH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋ 2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ (3)固体电解质(高温下能传导O2-)总反应式：_______________________________________________；正极反应式：____________________________________________；负极反应式：_____________________________________________。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)总反应式：_______________________________________________；正极反应式：_____________________________________________；负极反应式：_____________________________________________。CH4＋2O2===CO2＋2H2O2O2＋8e－===4O2-CH4＋4O2-－8e－===CO2＋2H2OCH4＋2O2===CO2＋2H2O  1．化学电源分一次电池、二次电池、燃料电池。2．二次电池充电时电极连接“负接负，正接正”。放电时负极反应式与充电时阴极反应式互为逆反应；放电时正极反应式与充电时阳极反应式互为逆反应。3．燃料电池是燃料(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。燃料在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。1．电池是人类生产和生活中的重要能量来源，各式各样电池的发展是化学对人类的一项重大贡献。下列有关电池的叙述正确的是(　　)A．锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细B．氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化D．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅5学习效果　随堂评估√243题号1C　[锌锰干电池中碳棒并不参加反应，A项错；氢氧燃料电池是将化学能直接转变为电能，B项错；太阳能电池的主要材料是高纯度的单质硅，故D项错。]5243题号12．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种锌银电池，其电极材料分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应分别为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2、Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，总反应为Ag2O＋Zn＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。下列叙述正确的是(　　)A．在使用过程中，电池负极区溶液的pH增大B．在使用过程中，电子由Ag2O经外电路流向Zn极C．Zn是负极，Ag2O是正极D．Zn极发生还原反应，Ag2O极发生氧化反应523题号14√C　[根据电极反应可知Zn失电子被氧化，Ag2O得电子被还原，故Zn是负极，Ag2O是正极，故C正确；负极(即Zn极)在反应时消耗OH－，则负极区溶液的pH应减小，故A错误；发生原电池反应时，电子由负极经外电路流向正极，即电子从Zn极经外电路流向Ag2O极，故B错误；在原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，故D错误。]523题号143．氟离子电池是目前新型电池的一个重要研究方向。某全固态电解质的氟离子电池工作时的示意图如图所示，下列有关说法正确的是(　　)A．放电时，a极发生氧化反应，b极发生还原反应B．充电时，a极接电源负极，b极接电源正极C．放电时，a极电势比b极低D．充电时，外电路每通过1 mol e－，固体电解质中有1 mol F－移动向a极523题号41√D　[如图所示，放电时，a极上得到电子，发生还原反应，则a极为正极；b极上失去电子，发生氧化反应，则b极为负极，A错误；放电时，a极为正极，b极为负极，则充电时，a极接电源正极，b极接电源负极，B错误；放电时，a极为正极，b极为负极，则a极电势比b极高，C错误；充电时，a极为阳极，电极反应为Bi＋3F－－3e－===BF3，则外电路每通过 1 mol e－，固体电解质中有1 mol F－移动向a极，D正确。]523题号41 5243题号1√√ 5243题号15．燃料电池是利用燃料(如H2、CO、CH4、CH3OH、NH3等)与O2反应从而将化学能转化为电能的装置。(1)甲烷燃料电池(NaOH溶液作电解质溶液)的负极反应为______________________________________，正极反应为__________________________，放电过程中溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。243题号15 2H2O＋4e－===4OH－O2＋减小(2)某公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨－液氧燃料电池示意图如图所示，下列有关说法正确的是_____(填字母)。a．电池工作时，Na＋向负极移动b．电子由电极2经外电路流向电极1c．电池总反应为4NH3＋3O2===2N2＋6H2Od．电极2发生的电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O243题号15c 243题号15(选择题只有一个选项符合题目要求)1．下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是(　　)课时分层作业(五)　化学电源题号13524687910A．电池Ⅰ中锌是正极B．电池Ⅱ是一次电池C．电池Ⅲ工作时，氢气发生还原反应D．电池Ⅳ工作时，电子由锌通过导线流向碳棒题号13524687910D　[电池Ⅰ中锌是负极，铜是正极，A错误；电池Ⅱ为铅蓄电池，属于二次电池，B错误；电池Ⅲ为氢氧燃料电池，H2在负极失去电子发生氧化反应，C错误；电池Ⅳ为锌锰干电池，锌为负极，碳棒为正极，电子由负极沿导线流向正极，D正确。]√2．如图是一种新型锂电池原理示意图，有关叙述正确的是(　　)A．a为电池正极B．外电路中电流从a流向bC．离子交换膜为阳离子交换膜D．b电极处，O2失电子生成OH－题号13524687910√C　[Li失电子，为电池负极，A项错误；电流方向与电子流动方向相反，故外电路中电流从b流向a，B项错误；由题图可知，Li＋可穿过离子交换膜，故为阳离子交换膜，C项正确；由题图可知，O2得电子生成OH－，D项错误。]题号135246879103．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆－氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)A．有O2参加反应的电极a为电池的负极B．电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2-===H2OC．电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－D．该电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O题号13524687910√ 题号135246879104．被称之为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片作为传导体，在其一边镀锌，而在其另一边镀二氧化锰。纸内的离子“流过”水与氯化锌组成的电解液。电池总反应为Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH。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，流经电解液的电子个数为1.204×1023D．电池正极反应为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－题号13524687910√D　[由电池总反应可知，二氧化锰为氧化剂而不是催化剂，锌为还原剂，应为原电池的负极，A、B项错误；电子只能经外电路流动，电解液内电流的形成是阴、阳离子的定向移动，C项错误；电池负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，用电池总反应减去负极反应得正极反应为2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－，D项正确。]题号135246879105．流动电池是一种新型电池，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。某大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应为Cu＋PbO2＋2H2SO4===CuSO4＋PbSO4＋2H2O。下列说法不正确的是(　　)A．a为负极，b为正极B．该电池工作时，PbO2电极附近溶液的pH增大C．a极的电极反应为Cu－2e－===Cu2+D．调节电解质溶液的方法是补充CuSO4题号13524687910√ 题号13524687910 题号13524687910请回答下列问题(不考虑氢、氧的氧化还原)：(1)放电时，正极的电极反应是_________________________________________________________________________________________；电解液中H2SO4的浓度将变_____；当外电路通过1 mol电子时，理论上负极板的质量增加______g。(2)在完全放电耗尽PbO2和Pb时，若按图连接，电解一段时间后，则在A电极上生成______、B电极上生成________，此时铅蓄电池的正负极的极性将________。题号13524687910 ＋2H2O小48PbPbO2对换 题号135246879107．某课题组基于钾离子电池特性，设计并合成了一种VN－NPs/N－CNFs复合材料，并将其应用于钾离子电池的电极，放电时该电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N，下列有关说法中错误的是(　　)题号13524687910A．放电时，在Al电极区发生的是氧化反应B．该电池的溶剂不能为水C．放电时，电解质中的K＋向Cu电极区移动D．放电时，每转移1 mol e－，Cu电极区质量减少39 g题号13524687910√D　[以VN-NPs/N-CNFs和K/KFe[Fe(CN)6]的钾离子电池，放电时铜电极区发生的电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N，故放电时Cu电极为正极，Al电极为负极。在Al电极区发生的是氧化反应，故A正确；电池中含有钾，钾性质活泼能与水反应，故该电池的溶剂不能为水，故B正确；放电时，Al电极为负极，钾离子向正极移动，即放电时，电解质中的K＋向Cu电极区移动，故C正确；放电时，铜电极区发生的电极反应为VN＋3K＋＋3e－===V＋K3N，每转移1 mol e－，Cu电极区质量增加39 g，故D错误。]题号135246879108．结合K2Cr2O7溶液，可利用微生物电化学技术实现将含乙醛的废水有效处理，其工作原理如图所示，下列有关说法正确的是(　　)题号13524687910√A．该反应在高温下，反应速率加快B．右侧电极为正极，发生还原反应C．当有0.3 mol e－通过电解质溶液，将有0.1 mol Cr(OH)3生成D．左侧电极反应为CH3CHO＋3H2O－10e－===2CO2↑＋10H＋√BD　[该反应是利用微生物电化学技术，微生物在高温下活性会降低，高温下，反应速率反而会减慢，A错误；右侧Cr元素的化合价降低，得到电子，故右侧电极为正极，发生还原反应，B正确；电子只能从负极沿外电路到达正极，不能通过电解质溶液，C错误；左侧是乙醛在微生物上失去电子被氧化成CO2，结合质量守恒定律，则电极反应为CH3CHO＋3H2O－10e－===2CO2↑＋10H＋，D正确。]题号135246879109．(1)锂水电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，加入水即可放电，总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ 。①锂水电池放电时，OH－向____极移动。②写出该电池放电时正极的电极反应：________________________。题号13524687910负2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑(2)有学者想以如图所示装置用原电池原理将SO2转化为重要的化工原料，其负极反应为_____________________________________。题号13524687910 (3)Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2。①电池的负极材料为_____，发生的电极反应为_______________。②电池正极发生的电极反应为______________________________。③组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是___________________________________________________________________。题号13524687910LiLi－e－===Li＋2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2 构成电池的电极材料Li能和氧气、水反应，且电解液SOCl2也与水反应 题号1352468791010．(1)过氧化氢和臭氧都是常见的绿色氧化剂，在工业生产中有着重要的用途。据报道，以硼氢化合物NaBH4(B的化合价为＋3 价)和H2O2作原料的燃料电池，可用作通信卫星电源。负极材料采用Pt/C，正极材料采用MnO2，其工作原理如图所示。该电池放电时正极的电极反应为______________________；以MnO2做正极材料，可能是因为_____________________________________________________________________。题号13524687910H2O2＋2e－===2OH－除了作电极材料，MnO2还对电极反应具有催化作用(2)科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高，可用于航天航空。如图所示装置中，以稀土金属材料做惰性电极，在两极上分别通入CH4和空气，其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2固体，它在高温下能传导阳极生成的O2-离子(O2＋4e－===2O2－)。c电极为_______极，d电极上的电极反应为______________________________________。题号13524687910正CH4－8e－＋4O2-===CO2＋2H2O(3)某科研单位利用原电池原理，用SO2和O2来制备硫酸，装置如图所示，电极为多孔的材料，能吸附气体，同时也能使气体与电解质溶液充分接触。B极的电极反应为_______________________________；溶液中H＋的移动方向由____极到____极；电池总反应为___________________________。题号13524687910 BA2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4 题号13524687910