2017-2018学年人教版高中化学选修4课堂学案:第四章-第二节化学电源-正式版(共15页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上目标导航1.了解化学电源的分类。2.熟悉几种常见化学电源的组成及工作原理,会熟练书写电极反应式。3.了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害及处理方法。一、化学电池1概念:是将化学能直接转化为电能的装置。化学电池的主要组成是电解质溶液和浸在溶液中的正极和负极,使用时将两极用导线接通,就有电流产生,因而获得电能。2分类【合作探究】1化学电池与其他能源相比有哪些优点?答案化学电池的优点是:能量转换效率高,供能稳定可靠。可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组,使用方便。易维护,可在各种环境下工作。2判断电池优劣的主要标准是什么?答案(1)比能量:即单位质量
2、或单位体积所能输出电能的多少,单位是“(Wh)/kg”或“(Wh)/L”。(2)比功率:即单位质量或单位体积所能输出功率的大小,单位是“W/kg”或“W/L”。(3)电池可储存时间的长短。二、常见的化学电池1一次电池(1)碱性锌锰电池组成:正极:MnO2;负极:Zn;电解质:KOH。工作原理:负极反应:Zn2OH2e=Zn(OH)2;正极反应:2MnO22e2H2O=2MnOOH2OH。总反应:Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2。(2)锌银电池组成:负极:Zn,正极:Ag2O,电解质:KOH。工作原理:负极反应:Zn2OH2e=Zn(OH)2;正极反应:Ag2O2eH2O=2A
3、g2OH。总反应:ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag。2二次电池(以铅蓄电池为例)(1)组成:正极:PbO2;负极:Pb;电解质:H2SO4溶液。(2)工作原理:铅蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应分为放电和充电两个过程,电极反应式如下:放电负极:Pb2eSO=PbSO4;正极:PbO22e4HSO=PbSO42H2O;总反应:PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O充电阴极:PbSO42e=PbSO(还原反应);阳极:PbSO42e2H2O=PbO24HSO(氧化反应)。总反应:2PbSO42H2O=PbPbO22H2SO4。铅蓄电池的充、放电过程:PbPbO22H2SO42P
4、bSO42H2O。3燃料电池(1)工作原理连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应,只是一个催化转化元件。工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排出。(2)氢氧燃料电池电池组成:氢氧燃料电池以氢气为燃料,氧气为氧化剂,铂作电极。工作原理:如图所示,在负极室通入H2,它在Pt电极上被催化分解为H原子,再失去电子成为H进入电解质溶液,透过隔膜,进入正极室;在正极室通入O2,经过Pt电极的催化,O2、H在正极上放电生成H2O。(3)电极方程式书写介质电池反应:2H2O2=2H2O酸性(H)负极2H24e=4H正极O24H4
5、e=2H2O中性(Na2SO4)负极2H24e=4H正极O22H2O4e=4OH碱性(OH)负极2H24e4OH=4H2O正极O22H2O4e=4OH【合作探究】1如何给可充电电池充放电?其充放电过程的区别与联系是什么?答案(1)可充电电池充放电时电池的接法:联系:电池充电时发生的电极反应和总反应是放电时发生反应的逆过程。2(1)氢氧燃料电池以KOH溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将_,溶液的pH_(填“减小”、“增大”或“不变”)。(2)氢氧燃料电池以H2SO4溶液作电解质溶液时,工作一段时间后,电解质溶液的浓度将_,溶液的pH_(填“减小”、“增大”或“不变”)。答案(
6、1)减小减小(2)减小增大3阅读教材,判断下列关于“化学电池”的叙述是否正确。(1)化学电池都是将化学能直接转化为电能的装置()(2)化学电池通常可分为一次电池、二次电池和燃料电池等几大类()(3)放电后不能再使用的电池称为一次电池,如锌锰干电池等()(4)可充电、放电循环进行的铅蓄电池、氢镍电池等是二次电池()(5)通过不断充入燃料和氧化剂,连续使用的电池称为燃料电池()(6)氢氧燃料电池的正极和负极本身都不参与电极反应()答案(1)(2)(3)(4)(5)(6)一、“久考不衰”的二次电池【例1】铅蓄电池是化学电源,它工作时的电池总反应为PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O。试回答
7、:(1)铅蓄电池负极的电极材料是_。(2)工作时该蓄电池正极的电极反应式是_。(3)铅蓄电池工作时,电解质溶液的密度_,pH_(填“减小”、“增大”或“不变”)。解析(1)由电池总反应可知,Pb发生氧化反应,所以Pb是负极。(2)正极上的反应是PbO2PbSO4,则必然有H2SO4参加:PbO24HSO2e=PbSO42H2O(负极反应为Pb2eSO=PbSO4,将正极、负极反应合并,与题给总反应相符)。(3)在铅蓄电池的工作过程中,Pb被氧化,H2SO4被消耗,所以溶液的密度减小,pH增大。答案(1)Pb(2)PbO24HSO2e=PbSO42H2O(3)减小增大【归纳总结】1可充电电池电极
8、极性和两极反应物的判断判断电池放电时电极极性和参加反应的物质,可先标出放电(原电池)总反应电子转移的数目,失去电子的一极为负极,该物质即为负极参加反应的物质;得到电子的一极为正极,该物质即为正极参加反应的物质。若判断电池充电时电极极性和参加反应的物质,可直接利用阳极反应为放电时的正极反应倒置,阴极反应为放电时的负极反应倒置,进行判断。2电极反应的书写方法书写可充电电池电极反应,一般都是先书写放电的电极反应。书写放电的电极反应时,一般分三步书写:第一,先标出原电池总反应电子转移的方向和数目,指出参与负极和正极反应的物质;第二,写出一个比较容易书写的电极反应(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶
9、液共存);第三,在电子守恒的基础上,总反应减去写出的电极反应即得另一电极反应。充电的电极反应与放电的电极反应过程相反,充电的阳极反应为放电正极反应的逆过程,充电的阴极反应为放电负极反应的逆过程。3溶液中离子的移动方向判断放电时,阴离子移向负极,阳离子移向正极;充电时,阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。4pH变化规律若电极反应消耗OH(H),则电极周围溶液的pH减小(增大),若电极反应生成H(OH),则电极周围溶液的pH减小(增大);若总反应的结果是消耗OH(H),则溶液的pH减小(增大),若总反应的结果是生成H(OH),则溶液的pH减小(增大);若两极消耗或生成的OH(H)的物质的量相等,则溶液
10、的pH变化规律视溶液的酸碱性及是否有水生成而定,应具体分析。变式训练1高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH,下列叙述不正确的是()A放电时负极反应为Zn2e2OH=Zn(OH)2B充电时阳极反应为Fe(OH)33e5OH=FeO4H2OC放电时每转移3mol电子,正极有1molK2FeO4被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强答案C解析根据题给总反应式,高铁电池放电时必定是锌为负极失去电子,被氧化;高铁酸钾在正极得到电子,被还原。充电时,阳极上氢氧化铁被氧化成高铁酸
11、钾。放电时正极附近生成OH,碱性增强。二、“一池多变”的燃料电池【例2】以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。(1)酸性条件燃料电池总反应式:_。正极反应式:_。负极反应式:_。(2)碱性条件燃料电池总反应式:_。正极反应式:_。负极反应式:_。(3)固体电解质(高温下能传导O2)燃料电池总反应式:_。正极反应式:_。负极反应式:_。(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电池总反应式:_。正极反应式:_。负极反应式:_。答案(1)CH42O2=CO22H2O2O28H8e=4H2OCH48e2H2O=CO28H(2)CH42O22OH=CO3H2O2O24H2O8e=
12、8OHCH410OH8e=CO7H2O(3)CH42O2=CO22H2O2O28e=4O2CH44O28e=CO22H2O(4)CH42O2=CO22H2O2O24CO28e=4COCH44CO8e=5CO22H2O【方法规律】(1)书写燃料电池的总反应方程式时就相当于燃料燃烧,然后看一下产物与所用电解质是否能发生反应,若能发生反应,电解质溶液也参与反应,要写在总反应方程式中。(2)燃料电池正极反应物是氧气,正极反应的本质都是氧气得电子生成O2,发生还原反应,故正极反应式的基础都是O24e=2O2。(3)正极产生的O2的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。变式训
13、练2美国海军海底战事中心与麻省理工大学共同研制成功了用于潜航器的镁过氧化氢燃料电池系统。其工作原理如图所示。以下说法中错误的是()A电池的负极反应为Mg2e=Mg2B电池工作时,H向负极移动C电池工作一段时间后,溶液的pH增大D电池总反应式是MgH2O22H=Mg22H2O答案B解析MgH2O2燃料电池中Mg作负极:Mg2e=Mg2,Pt作正极:H2O22H2e=2H2O,总反应式为MgH2O22H=Mg22H2O,消耗H,使c(H)减小,pH增大,且H移向正极。1下列说法错误的是()A依据原电池的原理设计出了化学电源B原电池是化学电源的雏形C判断电池的正、负极只需看其正、负极材料的活泼性D氧
14、化还原反应所释放的化学能,是化学电源的能量来源答案C解析判断电池的正、负极不仅与电极材料有关,还与电解质溶液有关。2铅蓄电池的两极分别为Pb、PbO2,电解质溶液为H2SO4,工作时的电池反应为PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O,下列结论正确的是()APb为正极,被氧化B溶液的pH不断减小CSO只向PbO2处移动D电解质溶液pH不断增大答案D解析由题给电极反应可以看出H2SO4不断被消耗,故pH不断增大,所以B错,D对;由Pb元素化合价的变化,可以看出Pb是负极,所以A不正确;原电池工作时,整个电路中负电荷的流向是一致的,外电路中,电子由Pb极流向PbO2极;内电路中,负电荷(SO
15、和OH)移向Pb极,所以C不正确。3微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用,有一种锌银电池,其电极分别是Ag2O和Zn,电解质溶液为KOH溶液,电极反应为Zn2OH2e=Zn(OH)2、Ag2OH2O2e=2Ag2OH,总反应为Ag2OZnH2O=Zn(OH)22Ag。根据上述反应式,判断下列叙述中正确的是()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CZn是负极,Ag2O是正极DZn极发生还原反应,Ag2O极发生氧化反应答案C解析根据电极反应可知Zn失电子被氧化而溶解,Ag2O得电子被还原,故Zn是负极,Ag2O是正极,所以C正确;负极(即Zn极)在
16、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。4一种新型燃料电池,它以多孔镍板为电极插入KOH溶液中,然后分别向两极上通入乙烷和氧气,其电极反应式为C2H618OH14e=2CO12H2O、7H2O7/2O214e=14OH,有关此电池的推断正确的是()A通氧气的电极为负极B参加反应的氧气与C2H6的物质的量之比为72C放电一段时间后,KOH的物质的量浓度不变D电解质溶液中,CO向正极移动答案B解析燃料电池中,燃料为负极,氧气为正极,A不
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