人教版 (2019)必修 第二册化学反应与能量变化第三课时教案

这是一份人教版 (2019)必修 第二册化学反应与能量变化第三课时教案，共13页。教案主要包含了一次电池　二次电池，燃料电池等内容，欢迎下载使用。
1.一次电池
(1)特点：电池放电后不能充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)，如锌锰干电池。
(2)锌锰干电池的构造如图所示。
①锌筒为负极，电极反应是Zn-2e-===Zn2+。
②石墨棒为正极，被还原的物质是二氧化锰。
③NH4Cl糊的作用是作电解质溶液。
思考1 锌锰干电池在使用过程中，锌会逐渐消耗，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：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。
思考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+2H2SO42PbSO4+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2 ml电子时，理论上负极板的质量增加 g。
答案 (1)Pb PbO2 稀硫酸 (2)PbO2(或正)
(3)减小 (4)96
解析 (4)负极每个铅原子失去2e-，就生成一个PbSO4，增加了一个SO42−，SO42−的摩尔质量为96 g·ml-1。
铅酸蓄电池的电极反应
负极：Pb+SO42−-2e-===PbSO4
正极：PbO2+4H++SO42−+2e-===PbSO4+2H2O
电池总反应：Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O
1.(2024·石家庄高一期中)锌锰干电池的历史悠久，其构造如图所示。下列说法错误的是( )
A.锌锰干电池属于一次电池
B.电池工作时，锌筒为正极
C.电池工作时，石墨棒不会变细
D.电池工作时，MnO2发生还原反应
答案 B
解析 锌锰干电池为一次电池，石墨为正极，发生还原反应，锌筒为负极，发生氧化反应，故选B。
2.镍氢电池是可充电电池，它的总反应是12H2+NiO(OH)Ni(OH)2，根据此反应判断，下列说法正确的是( )
A.电池放电时，电池负极周围溶液的碱性不断增大
B.电池放电时，镍元素被氧化
C.电池放电时，氢元素被还原
D.电池放电时，通入H2的一极是负极
答案 D
解析 电池放电时，负极反应式为H2-2e-+2OH-===2H2O，所以负极周围溶液的氢氧根离子减少，溶液的pH减小，A错误；电池放电时，正极反应式为NiO(OH)+H2O+e-===OH-+Ni(OH)2，镍元素被还原，B错误；电池放电时，氢元素化合价升高，被氧化，C错误。
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
思考1 (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 分析总反应的方程式可知，氢气失电子化合价升高，在负极上反应，氧气得电子化合价降低，在正极上反应。其规律是通燃料的一极作负极，通氧气的一极作正极。
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：
特别提醒 在书写电极反应式时应看清溶液的酸碱性，酸性条件下不出现OH-，碱性条件下不出现H+。
思考2 写出导电介质为固体电解质时的正、负极反应。
1.判断正误
(1)燃料电池是利用燃料的燃烧发电( )
(2)燃料电池中，燃料在正极上发生氧化反应( )
(3)氢氧燃料电池将热能直接转变为电能( )
(4)原电池中正极材料一定发生还原反应( )
(5)原电池中的负极反应一定是电极材料失电子( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×
2.(2024·北京高一期中)燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，某氢氧燃料电池的构造示意图如图，该电池工作时，下列说法正确的是( )
A.a电极是该电池的正极
B.O2在b电极上发生氧化反应
C.电解质溶液中OH-向a电极移动
D.该装置实现了电能向化学能的转化
答案 C
解析 通入燃料氢气的a电极是负极，通氧气的b电极是正极，O2在b电极上获得电子，发生还原反应，A、B错误；该装置是原电池，实现了化学能向电能的转化，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.(2024·扬州高一段考)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相比，该电池可长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2O3ZnOH2+4KOH+2FeOH3，下列叙述不正确的是( )
A.放电时负极区应为Zn-2e-+2OH-===ZnOH2
B.放电时每转移3 ml电子，正极便有1 ml K2FeO4被氧化
C.该电池为二次电池
D.放电时正极附近溶液的碱性增强
答案 B
解析 该电池放电时，锌作负极，电极反应式为Zn-2e-+2OH-===ZnOH2，A正确；放电时，Fe元素化合价由+6价下降到+3价，电极反应式为FeO42−+3e-+4H2O===5OH-+Fe(OH)3，每转移3 ml电子，正极有1 ml K2FeO4被还原，正极附近产生氢氧根离子，该处溶液的碱性增强，B错误，D正确。
3.燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )
A.负极反应式：O2+2H2O+4e-===4OH-
B.负极反应式：CH4+8OH--8e-===CO2+6H2O
C.随着放电的进行，溶液的OH-浓度不变
D.放电时溶液中的阴离子向负极移动
答案 D
解析 O2+2H2O+4e-===4OH-应为正极反应式，燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根离子，所以负极反应式为CH4+10OH--8e-===CO32−+7H2O，由于部分碱和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH-)将减小。
4.(2023·陕西宝鸡高一统考期中)锌锰干电池是应用最普遍的电池之一，其基本反应：
X极：Zn-2e-===Zn2+ Y极：2MnO2+2NH4++2e-===2NH3+2MnO(OH)
(1)X是电池的 (填“正”或“负”，下同)极，Zn2+向 极移动。
(2)该电池总反应的离子方程式为 。 该反应中MnO2是 (填“还原剂”或“氧化剂”)。
(3)若反应消耗16.25 g Zn，则电池中转移电子的物质的量为 。
答案 (1)负 正 (2)Zn+2MnO2+2NH4+===2MnO(OH)+2NH3+Zn2+ 氧化剂
(3)0.5 ml
解析 (1)X极Zn失电子，X作负极，Zn2+移向正极。(2)负极：Zn-2e-===Zn2+ ，正极：2MnO2+2NH4++2e-===2MnO(OH)+2NH3，所以电池总反应为Zn+2MnO2+2NH4+===2MnO(OH)+2NH3+Zn2+，MnO2中Mn元素得电子，化合价降低，所以MnO2作氧化剂。(3)因为1 ml Zn失2 ml电子，反应消耗16.25 g即0.25 ml Zn，所以电池中转移电子的物质的量为0.25 ml×2=0.5 ml。
课时对点练 [分值：100分]
(选择题1~12题，每小题6分，共72分)
题组一 一次电池、二次电池
1.(2024·河北安平高一段考)下列关于干电池的描述错误的是( )
A.最早的干电池是锌锰电池
B.普通干电池可以多次充电反复使用
C.普通锌锰干电池在使用过程中外壳逐渐变薄是因为Zn-2e-===Zn2+
D.普通干电池是一种将化学能转变成电能的装置
答案 B
解析 普通干电池是一次电池，不像二次电池那样可以多次充电反复使用，故选B。
2.(2024·江苏徐州高一段考)碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池与锌锰干电池在反应过程中，锌均会被逐渐消耗，不可重复使用。以氢氧化钾溶液为电解质溶液的碱性锌锰电池，电池总反应式为Zn+2MnO2+2H2O===Zn(OH)2+2MnOOH。下列说法正确的是( )
A.电池工作时，锌电极附近的溶液碱性增强
B.电池工作时，外电路中每通过1 ml电子，消耗65 g Zn
C.电池正极的电极反应式为MnO2+H2O+e-===MnOOH+OH-
D.碱性锌锰电池为二次电池
答案 C
解析 碱性锌锰电池不可重复使用，不是二次电池，D错误；电池工作时，Zn电极为负极，电极反应为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2，因此锌电极附近的溶液碱性减弱，外电路中每通过1 ml电子，消耗0.5 ml Zn，质量为32.5 g，A、B错误。
3.锌银纽扣电池具有质量小、体积小、储存时间长的优点。电池的总反应式为Zn+Ag2O===ZnO+2Ag，如图为其构造示意图，下列说法错误的是( )
A.Ag2O电极为正极，发生还原反应
B.电子由负极经过电解质溶液移向正极
C.负极的电极反应式：Zn+2OH--2e-===ZnO+H2O
D.该锌银纽扣电池为一次电池
答案 B
4.汽车的启动电源常用铅酸蓄电池。其构造如图所示，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-+SO42−===PbSO4
B.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 A
解析 Pb失电子作负极，电极反应式为Pb+SO42−-2e-===PbSO4，故A正确；放电时，硫酸参加反应，导致溶液中氢离子浓度减小，则溶液的酸性减弱，故B错误；PbO2得电子，被还原，作正极，故C、D错误。
5.镍氢电池因其高能量密度、高重量比能量、充电速度快等优点而被广泛用作动力电池，其装置示意图如图所示，放电反应为NiOOH +MH===Ni(OH)2+M(M为储氢合金)。下列说法正确的是( )
A.镍氢电池属于一次电池
B.MH中氢元素的化合价为-1
C.电解质溶液适合选用碱性溶液
D.放电时，电解质溶液中阳离子向MH电极附近迁移
答案 C
解析 根据放电反应NiOOH +MH===Ni(OH)2+M(M为储氢合金，因此H显0价)，可判断MH为电源的负极，NiOOH为电源的正极，放电时，电解质中阳离子移向正极，NiOOH、Ni(OH)2均会溶于酸，故电解质溶液适合选用碱性溶液，故选C。
题组二 燃料电池
6.某种氢氧燃料电池的内部构造如图，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-===2H2O
C.b极为正极，发生氧化反应
D.当外电路有1 ml电子转移时，b极消耗5.6 L O2
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，无法计算氧气的体积，故D错误。
7.(2024·扬州高一期中)肼(N2H4)⁃空气燃料电池是一种碱性燃料电池，电解质溶液是20%~30%的KOH溶液。下列说法正确的是( )
A.该电池放电时，通入空气的一极为负极
B.电池每释放1 ml N2转移的电子数为6 ml
C.电池工作一段时间后，电解质溶液中c(OH-)不变
D.通入空气的一极的电极反应式是O2+2H2O+4e-===4OH-
答案 D
解析 肼(N2H4)⁃空气燃料电池，通入燃料的一极是负极，电极反应式为N2H4-4e-+4OH-===N2+4H2O，通入空气的一极是正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-，A错误、D正确；电池每释放1 ml N2转移的电子数为4 ml，B错误；由正、负极电极反应式可知，电池工作一段时间后，会有水生成，电解质溶液中c(OH-)减小，C错误。
8.某新型燃料电池利用民用燃气为燃料，其工作原理如图所示，下列说法错误的是( )
A.通入空气的电极为该电池的正极
B.电池工作时，电子由b极经电解质流向a极
C.CO在b极的反应式为CO-2e-+O2-===CO2
D.相同状况下a极消耗1 L O2，理论上b极消耗2 L燃料
答案 B
解析 燃料电池中，通入空气的电极为该电池的正极，A正确；电池工作时，电子由b极经外电路流向a极，B错误；CO在b极被氧化为CO2，电极反应式为CO-2e-+O2-===CO2，C正确；H2、CO与O2发生反应生成H2O、CO2时，化学计量数之比均为2∶1，因此相同状况下a极消耗1 L O2的同时，理论上b极消耗2 L燃料，D正确。
9.Mg⁃H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器。该电池以海水为电解质溶液，示意图如图。该电池工作时，下列说法正确的是( )
A.Mg电极是该电池的正极
B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应
C.石墨电极附近溶液的碱性增强
D.溶液中Cl-向正极移动
答案 C
解析 分析可知，Mg电极为电池的负极，A错误；H2O2通入的电极为正极，正极上H2O2得电子发生还原反应，B错误；石墨电极处的反应为H2O2+2e-===2OH-，生成OH-，溶液的碱性增强，C正确；电解质溶液中的阴离子向负极移动，故Cl-向负极移动，D错误。
10.(2023·吉林高一期中)化学电源在日常生活和高科技领域中有广泛应用，下列说法错误的是( )
A.甲：正极的电极反应式为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-
B.乙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄
C.丙：使用一段时间后，电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降
D.丁：Zn2+向Cu电极方向移动，Cu电极附近溶液中H+浓度增加
答案 D
解析 甲为纽扣电池，正极Ag2O得电子发生还原反应，电极反应式为Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH-，故A正确；乙为锌锰干电池，锌筒作负极，发生氧化反应被溶解，导致锌筒变薄，故B正确；丙为氢氧燃料电池，放电过程中不断生成水，故电解质溶液的酸性减弱，导电能力下降，故C正确；丁中Zn为负极，Cu为正极，原电池工作时Zn2+向Cu电极方向移动，溶液中氢离子得电子生成氢气，故溶液中H+浓度减小，故D错误。
11.研究人员最近发现了一种“水”电池，这种电池能利用淡水与海水之间含盐量差别进行发电，在海水中电池总反应可表示为5MnO2+2Ag+2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl，下列有关“水” 电池在海水中放电时的说法正确的是( )
A.正极反应：Ag+Cl--e-===AgCl
B.每生成1 ml Na2Mn5O10转移2 ml电子
C.Na+不断向“水”电池的负极移动
D.AgCl是还原产物
答案 B
解析 根据总反应可知，Ag元素的化合价升高，被氧化，AgCl是氧化产物，负极反应：Ag+Cl--e-===AgCl，A、D错误；总反应中存在：2Ag~2e-~Na2Mn5O10，所以每生成1 ml Na2Mn5O10转移2 ml 电子，B正确；在原电池中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，Na+不断向“水”电池的正极移动，C错误。
12.通过传感器可以监测空气中甲醛含量。一种燃料电池型甲醛气体传感器的原理如图所示，下列说法错误的是( )
A.a极为电池的正极，发生还原反应
B.b极的电极反应式为HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+
C.传感器工作过程中，电解质溶液中硫酸的浓度减小
D.当电路中转移2×10-4 ml电子时，传感器内参加反应的HCHO的质量为3.0 mg
答案 D
解析 氧气得电子，发生还原反应，a极为正极，A正确；b极是负极，发生失去电子的氧化反应，故电极反应式为HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+，B正确；传感器工作过程中，发生氧化还原反应生成水，电解质溶液中硫酸的浓度变小，C正确；负极：HCHO+H2O-4e-===CO2+4H+，当电路中转移2×10-4 ml电子时，反应的甲醛的物质的量为5×10-5 ml ，质量为1.5 mg ，D错误。
13.(10分)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8.1 g Al(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。8.1 g Al(s)的物质的量为8.1 g27 g·ml−1=0.3 ml，1 ml Al反应转移3 ml电子，0.3 ml Al反应在电路中通过的电子数为0.9NA。
14.(18分)(1)金属(M)⁃空气电池(如图)具有原料易得、能量密度高等优点，有望成为新能源汽车和移动设备的电源。该类电池放电的总反应方程式为4M+nO2+2nH2O===4M(OH)n。
已知：①电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
②阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过。
比较Mg、Al、Zn三种金属⁃空气电池，则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为 ，该电池正极的电极反应式为 ，若为Mg⁃空气电池，为防止负极区沉积Mg(OH)2，宜采用 (填“阳离子”或“阴离子”)交换膜。
(2)锂锰电池的结构示意图如图，其中电解质LiClO4溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质转移到MnO2晶格中生成LiMnO2。
①外电路的电流方向是由 (填“a”或“b”，下同)极流向 极。
②正极是 ，其电极反应式为 。
③是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？ (填“是”或“否”)；原因是 。
答案 (1)Al>Mg>Zn O2+2H2O+4e-===4OH- 阳离子 (2)①b a ②MnO2 Li++e-+MnO2===LiMnO2 ③否 电极Li是活泼金属，能与水反应
解析 (1)假设三种金属质量都是1 g时，这三种金属转移电子的物质的量分别为Mg：124 ml×2=112 ml、Al：127 ml×3=19 ml、Zn：165 ml×2=132.5 ml，则Mg、Al、Zn分别作为电极时“理论比能量”由大到小的顺序为Al>Mg>Zn；正极上氧气得电子和水反应生成OH-，因为是阴离子交换膜，所以阳离子不能进入正极区域，则正极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-；负极上Mg失电子生成Mg2+，为防止负极区沉积Mg(OH)2，则负极区溶液不能含有大量OH-，所以宜采用中性电解质及阳离子交换膜。(2)①该电池中Li失去电子生成Li+，所以Li作电池的负极，则a是负极，b是正极，所以外电路中的电流方向由正极流向负极，即从b极流向a极。③不能用水代替电池中的混合有机溶剂，因为Li是活泼金属，能与水反应。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-===4H2O
O2+2H2O+4e-===4OH-
介质
电池总反应：2H2+O2===2H2O
负极
2H2-4e-+2O2-===2H2O
正极
O2+4e-===2O2-
负极
2H2-4e-===4H+
正极
O2+4H++4e-===2H2O