化学选修4 化学反应原理第3节 化学反应的速率第2课时教案及反思

第2课时　化学电源

目标与素养：1.了解化学电源的分类。(宏观辨识)2.了解常见的化学电源及其工作原理。(微观探析)3.了解化学电源的广泛使用及对环境的影响。(社会责任)

1．化学电源的分类

2．常见电池

(1)锌锰干电池

(2)铅蓄电池

①电极材料

②电解质溶液：30%H2SO4溶液。

③原理。

④特点：性能优良，价格便宜，可多次充放电；单位重量的电极材料释放的电能小。

(3)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、排放污染物少。

微点拨：燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)手机、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)氢氧燃料电池的负极反应为：H2－2e－===2H＋。 (　　)

[提示]　(1)×　手机、电脑使用的是二次电池。

(2)×　酸性锌锰干电池负极反应为Zn－2e－===Zn2＋，碱性锌锰干电池负极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O。

(3)×　铅蓄电池放电时负极反应为充电时阴极反应的逆反应。

(4)√

(5)×　氢氧燃料电池在碱性环境中的负极反应为H2＋2OH－－2e－===2H2O。

2．下列电池属于一次电池的是(　　)

A．锌锰干电池　　 B．铅蓄电池

C．锂电池 D．氢氧燃料电池

A　[铅蓄电池、锂电池属于二次电池；氢氧燃料电池属于燃料电池。]

3．燃料电池是一种新型电池，它利用燃料在反应过程中把化学能直接转化为电能。氢氧燃料电池的基本反应如下：

X极：O2＋H2O＋2e－===2OH－；

Y极：H2＋2OH－－2e－===2H2O。

下列判断中，正确的是(　　)

A．X极是负极 B．Y极是正极

C．Y极发生还原反应 D．Y极发生氧化反应

[答案]　D

1.二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。

2．当蓄电池充电时就是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。可简单记忆：负接负，正接正。

3．充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。

Ⅰ.放电时，电极—

Ⅱ.充电时，电极—

【例1】　LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　)

A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液

B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动

C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋

D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐减少

C　[H2SO4溶液作电解质溶液时，将会与Li发生反应，A项错误；该电池放电时，阳离子Li＋移向正极，B项错误；该电池充电时，阳极发生的是失去电子的氧化反应，C项正确；在该电池的放电过程中，正极上不断有LiFePO4生成，正极的质量逐渐增大，D项错误。]

(1)写出该电池放电时的正、负极反应式。

(2)该电池能用水作电解质溶液吗？为什么？

[答案]　(1)负极：Li－e－===Li＋；正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4。

(2)不能。因为锂是活泼金属，可与水发生反应，故不能用水做电解质溶液，电解质可以为导电固体。

1．已知蓄电池在充电时作电解池，放电时作原电池。铅蓄电池上有两个接线柱，一个接线柱旁标有“＋”，另一个接线柱旁标有“－”。关于标有“－”的接线柱，下列说法正确的是(　　)

A．充电时作阳极，放电时作正极

B．充电时作阳极，放电时作负极

C．充电时作阴极，放电时作负极

D．充电时作阴极，放电时作正极

C　[“－”接线柱放电时为原电池的负极，失去电子发生氧化反应，充电时与外接电源负极相连，作电解池的阴极，得到电子发生还原反应，C项正确。]

2．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，原子失去电子，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，原子失去电子，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。]

1.一般电极反应式的书写

2．复杂电极反应式的书写

复杂电极反应式＝总反应式－较简一极电极反应式

【例2】　用CH3OH气体代替H2作燃料，则得到甲醇燃料电池。

写出下列燃料电池的电极反应式和总反应方程式。

(1)CH3OH－NaOH溶液－O2构成的燃料电池：

负极反应式：_______________________________________，

正极反应式：_______________________________________，

总反应式：________________________________________。

(2)CH3OH－H2SO4溶液－O2构成的燃料电池：

负极反应式：________________________________________，

正极反应式：________________________________________，

总反应式：__________________________________________。

[答案]　(1)2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－　2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O

(2)2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋

3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O

1酸溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。

2碱溶液作电解质：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。

1．Li－Al/FeS电池是一种正在开发的车载电池，该电池中正极的电极反应式为2Li＋＋FeS＋2e－===Li2S＋Fe，有关该电池的下列说法中正确的是(　　)

A．Li－Al在电池中作负极材料，该材料中Li的化合价为＋1

B．该电池的电池反应式为2Li＋FeS===Li2S＋Fe

C．负极的电极反应式为Al－3e－===Al3＋

D．充电时，阴极发生的电极反应式为Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS

B　[A项中Li－Al是合金，Li的化合价为0，A错；根据正极反应式，结合原电池的电极材料Li－Al/FeS判断出负极反应式为Li－e－===Li＋，C错；充电时为电解池原理，阴极发生还原反应，D错。]

2．氢氧燃料电池用Pt作电极，不断充入燃料(H2)和氧化剂(O2)，分别在两极发生氧化反应和还原反应，电池总反应式是____________________________

写出氢氧燃料电池在不同介质中的电极反应式：

[答案]　2H2＋O2===2H2O　2H2－4e－===4H＋　O2＋4H＋＋4e－===2H2O　2H2－4e－＋4OH－===4H2O　O2＋2H2O＋4e－===4OH－

1．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　)

A．Zn　　　　　 B．碳

C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3

C　[Zn在负极上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正极上被还原得到Mn2O3、NH3。]

2．氢氧燃料电池是将H2和O2分别通到浸入20%～40%(质量分数)的KOH溶液的多孔石墨电极上，其电池总反应为2H2＋O2===2H2O，则下列叙述正确的是(　　)

A．通入H2的一极是正极，通入O2的一极是负极

B．通入O2的一极是正极，通入H2的一极是负极

C．该电池工作一段时间后，电解质溶液的pH增大

D．该电池工作一段时间后，负极区附近溶液的pH增大

B　[根据电池总反应可知，该电池工作时不断有H2O生成，则电解质溶液的pH不断减小。通入O2的一极作正极，通入H2的一极作负极，H2在负极上发生氧化反应，其电极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，负极区附近溶液中OH－浓度降低，则pH减小。综上分析，B项正确。]

3．某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为：

Fe＋NiO2＋2H2OFe(OH)2＋Ni(OH)2，下列说法中正确的是(　　)

A．放电时，负极上发生反应的物质是Fe

B．放电时，正极反应是NiO2＋2e－＋2H＋===Ni(OH)2

C．充电时，阴极反应是Ni(OH)2－2e－＋2OH－===NiO2＋2H2O

D．充电时，阳极附近c(OH－)增大

A　[电池的负极发生氧化反应，该蓄电池的负极为Fe，A项正确；该电池的正极为NiO2，发生还原反应，电极反应为NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，B项错误；充电时，阴极发生还原反应，电极反应为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，C项错误；充电时阳极的电极反应为Ni(OH)2＋2OH－－2e－===NiO2＋2H2O，c(OH－)减小，D项错误。]

4．镁－次氯酸盐燃料电池，具有比能量高、安全方便等优点。该电池的正极反应式为ClO－＋H2O＋2e－===Cl－＋2OH－，关于该电池的叙述正确的是(　　)

A．该电池中镁为负极，发生还原反应

B．电池工作时，OH－向正极移动

C．该电池的总反应为Mg＋ClO－＋H2O===Mg(OH)2↓＋Cl－　

D．电池工作时，正极周围溶液的pH将不断变小

C　[次氯酸盐在正极发生反应，则Mg为负极，发生氧化反应，A项错误；电池工作时，阴离子向负极移动，B项错误；负极反应式为Mg－2e－＋2OH－===Mg(OH)2↓，将正、负极反应式相加可得总反应，C项正确；根据正极反应式可知，电池工作时，正极周围溶液的c(OH－)增大，pH将增大，D项错误。]

5．(1)直接以甲烷为燃料的燃料电池中，电解质溶液为酸性，负极反应式为______________________________________________；

正极反应式为________________________________________。

(2)熔融盐电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650 ℃下工作的燃料电池，完成有关电池反应式。阳极反应式：2CO＋2CO－4e－===4CO2，阴极反应式：_________________________________

________________________________________________________________；

电池总反应式：_______________________________________。

[解析]　(2)本题中电池中的电解质是熔融物，而不是电解质溶液，但有自由移动的离子CO存在。原电池的反应原理实质是氧化还原反应中的电子转移，燃料电池总反应实质是一个燃烧反应。故阳极CO失去电子，而阴极应为O2得到电子，再与阴极助燃气CO2反应生成电解质阴离子CO。

[答案]　(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋　2O2＋8e－＋8H＋===4H2O

(2)O2＋2CO2＋4e－===2CO　2CO＋O2===2CO2