高中化学必修2【课时作业与单元检测】第二章第二节第2课时11710.pdf

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1、第 2 课时 发展中的化学电源 目标导航 1.知道干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。一、常见的化学电源 1锌锰干电池(1)结构：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的 MnO2和 NH4Cl 作电解质。(2)原理：锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。负极发生的电极反应为 Zn2e=Zn2，正极发生的电极反应为 2MnO22NH42e=Mn2O32NH3H2O。(3)缺陷与改进：锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容

2、易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。改进措施：在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；将电池内的电解质 NH4Cl 换成湿的 KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。2充电电池(1)充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的转化关系是：化学能放电充电电能。(2)常见的充电电池 铅蓄电池 负极是 Pb，正极是 PbO2，电解质溶液是硫酸溶液，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。镍镉电池 以 Cd 为负极，NiO(OH)为正极，以 KOH 为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉

3、是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。碱金属中的 Li 是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。3燃料电池(1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的装置。(2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者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。(3)以 30%的 KOH 溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：负极：2H24OH4e=4H2O(氧化反应)；正极：O22H2O4e=4OH(还原反应)；总反应：2H2O2=2H

4、2O。【议一议】1判断正误(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。()(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。()(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。()(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。()答案(1)(2)(3)(4)二、原电池电极反应式的书写方法 1负极反应式的书写 先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。(1)锌锰干电池(ZnCNH4Cl)的负极是 Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2，Zn2与电解质溶液成分不反应，负极反应式是 Zn2e=Zn2。(2)铅蓄电池(PbPbO2H2SO4)的负极是Pb，其负极反应特点是P

5、b失去电子生成Pb2，Pb2与电解质溶液中的 SO24反应生成 PbSO4，负极反应式是 Pb2eSO24=PbSO4。(3)氢氧燃料电池(PtPtKOH)的负极是 Pt，其负极反应特点是燃料氢气在惰性电极(Pt)上失去电子生成 H，H与电解质溶液中的 OH反应生成 H2O，负极反应式是 H22e2OH=2H2O。2正极反应式的书写(1)首先判断在正极发生反应的物质 当负极材料与电解质溶液能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；当负极材料与电解质溶液不能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的 O2。(2)然后再根据具体情况写出

6、正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应要叠加在一起书写。(3)甲烷燃料电池用铂作电极插入 KOH 溶液中，其正极反应式是 O22H2O4e=4OH；铜锌原电池(ZnCuH2SO4)的正极反应式是 2H2e=H2。【议一议】2有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，它依靠人体血液中有一定浓度的 O2和 H2O 进行工作。请讨论解答：(1)负极材料是_，电极反应为_。(2)正极材料是_，电极反应为_。答案(1)锌 2Zn4e=2Zn2(2)铂 O22H2O4e=4OH 解析 以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器

7、的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的 O2得到电子被还原。正极的反应为 O24e2H2O=4OH；负极的反应为 2Zn4e=2Zn2。一、原电池电极反应式的书写【例 1】锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为 LiMnO2=LiMnO2，下列说法正确的是()ALi 是正极，电极反应为 Lie=Li BLi 是负极，电极反应为 Lie=Li CMnO2是负极，电极反应为 MnO2e=MnO2 DLi 是负极，电极反应为 Li2e=Li2 答案 B 解析 根据原电池中，负极发生氧化反应，

8、正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成 Li被氧化，为负极；MnO2得到电子被还原，为正极。归纳总结 书写原电池电极反应式时注意的问题：(1)正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。(2)确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。(3)在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。变式训练 1 可用于电动汽车的铝空气燃料电池，通常以 NaCl 溶液或 NaOH 溶液为电解质溶液

9、，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是()A 以 NaCl 溶液或 NaOH 溶液为电解液时，正极反应都为：O22H2O4e=4OH B以 NaOH 溶液为电解液时，负极反应为：Al3OH3e=Al(OH)3 C以 NaOH 溶液为电解液时，电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变 D电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极 答案 A 解析 当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料电池的正极发生的反应均为 O22H2O4e=4OH，A 项是正确的；铝作负极，负极反应应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为 Al4OH3e=AlO22

10、H2O，B 项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为 4Al3O24OH=4AlO22H2O，溶液的碱性减弱，C项是错误的；电池工作时，电子从负极流出来经过外电路流向正极，D 项是错误的。二、燃料电池【例 2】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：O22H2O4e=4OH B负极反应式：CH48OH8e=CO26H2O C随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变 D放电时溶液中的阴离子向负极移动 答案 D 解析 O22H2O4e=4OH应为正极反

11、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。所以负极反应式为 CH410OH8e=CO237H2O。由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH)将减小。归纳总结 常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。燃料电池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电池以碱为电解质，其放电原理为：负极(H2)反应式：2H24e4OH=4H2O(氧化反应)正极(O2)反应式：O22H2O4e=4OH(还原反应)电池总反应式：2H2O2=2H2O 氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为：负极(H2)反应式：2H24e=4H(氧化反应

12、)正极(O2)反应式：O24H4e=2H2O(还原反应)电池总反应式：2H2O2=2H2O 变式训练 2 燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示 a、b 均为惰性电极。下列叙述不正确的是()Aa 极是负极，该电极上发生氧化反应 Bb 极反应是 O24OH4e=2H2O C总反应的化学方程式为 2H2O2=2H2O D氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 答案 B 解析 A 项 a 极通 H2为负极，电极反应为：2H24OH4e=4H2O 发生氧化反应；B 项，b 极通 O2为正极，电极反应为：O22H2O4e=4OH，B 项不正确；C 项：正负极电极反

13、应式相加得总反应为 2H2O2=2H2O；D 项：氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源。1对化学电源的叙述正确的是 ()A化学电源比火力发电对化学能的利用率高 B化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位 C化学电源均是安全、无污染的 D化学电源即为可充电电池 答案 A 解析 由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中转环节，所以化学电源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位；化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严重的污染；有些化学电源是可充电电源(如镍镉电池)，有些是不可充电的(如干电池)。

14、2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碳棒取出洗净用作电极 C把铜帽取下洗净回收利用 D电池内部填有 NH4Cl 等化学物质，将废电池中的黑色糊状物作化肥施用 答案 D 解析 虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。3.右图为生活中常用的锌锰干电池的示意图，下列有关说法中不正确的是 ()A电池内部含有电解质 B锌是负极，石墨棒是正极 C电池用完后可埋入土壤 D锌锰干电池是一次性电池 答案 C 解析

15、 锌锰干电池是一次性电池，负极材料是 Zn，正极材料是石墨棒，电解质溶液是NH4Cl 糊。因为废电池中含有多种重金属、酸、碱等有害物质，随意丢弃对生态环境和公众健康危害很大，故应对废电池进行集中处理，不能埋入土壤。4汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如下图所示，放电时的电池反应如下：PbO2Pb2H2SO4=2PbSO42H2O 根据此反应判断下列叙述中正确的是 ()APbO2是电池的负极 BPb 是负极 CPbO2得电子，被氧化 D电池放电时，溶液酸性增强 答案 B 解析 根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为 PbSO242e=PbSO4，故 B 项正确；

16、PbO2在放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此 A、C 两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故 D 项错误。5(1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：3Zn2K2FeO48H2O放电充电3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH。请回答下列问题：高铁电池的负极材料是_。放电时，正极发生_(填“氧化”或“还原”)反应：已知负极反应为 Zn2e2OH=Zn(OH)2，则正极反应为_。放电时，_(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。(2)某种燃料电池的工作原理示意如图所示，a、b 均为惰性

17、电极。使用时，空气从_口通入(填“A”或“B”)；假设使用的“燃料”是甲醇(CH3OH)，a 极的电极反应式为_；答案(1)Zn 还原 FeO243e4H2O=Fe(OH)35OH 正(2)B CH3OH6e8OH=CO236H2O 解析(1)高铁电池放电时为原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。总反应式减去负极反应式得正极反应式，正极生成 OH，故此极附近溶液碱性增强。(2)由电子流动方向可知 a 为负极，b 为正极，空气应从 B 口通入，容易写出总反应式和正极反应式，两者相减得出负极反应式。经典基础题 题组 1 电池及电极判断 1下列化学电池不易造成环境污染的是 ()A氢氧燃料电池

18、B锌锰电池 C镍镉电池 D铅蓄电池 答案 A 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 答案 C 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。3已知空气锌电池的电极反应为 锌片：Zn2OH2e=ZnOH2O；碳棒：12O2H2O2e=2OH，据此判断，锌片是 ()A正极并被还原 B正极并被氧化 C负极并被还原 D负极并被氧化 答案 D

19、解析 Zn 失电子作负极，被氧化。4据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为 2ZnO2=2ZnO，原料为锌粒、电解质溶液和空气。则下列叙述正确的是 ()A锌为正极，空气进入负极反应 B负极反应为 Zn2e=Zn2 C正极发生氧化反应 D电解质溶液为强酸 答案 B 解析 Zn 与 O2反应的电子转移情况为=2ZnO，所以 Zn 作负极，负极发生氧化反应，Zn2e=Zn2。O2是正极反应物，发生还原反应。若电解质溶液是强酸，电池的化学反应不是 2ZnO2=2ZnO，而是 Zn2H=Zn2H2。题组 2 各种燃料电池的突破 5镁燃料电池具有

20、比能量高、使用安全方便、原材料来源丰富、成本低、燃料易于贮运等特点。研究的燃料电池可分为镁空气燃料电池，镁海水燃料电池，镁过氧化氢燃料电池，镁次氯酸盐燃料电池。如图为镁次氯酸盐燃料电池的工作原理图，下列有关说法不正确的是 ()A放电过程中 OH移向正极 B电池的总反应式为 MgClOH2O=Mg(OH)2Cl C镁电池中镁均为负极，发生氧化反应 D镁过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正极反应为：H2O22H2e=2H2O 答案 A 解析 根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成 Mg2，碱性溶液生成Mg(OH)2。C

21、lO在正极反应，由图可知有 Cl和 OH生成，OH向负极移动，生成 Mg(OH)2。6 右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。下列说法不正确的是 ()A该电池的负极反应式为：CH3CH2OH3H2O 12e =2CO212H B该电池的正极反应式为：O24e4H=2H2O C电流由 O2所在的铂电极经外电路流向另一电极 D微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量 答案 A 解析 本题的关键是读图。由图示可知，呼气时进去的是 CH3CH2OH 出来的是CH3COOH，负极的电极反应为：CH3CH2OH4eH2O=CH3COO

22、H4H，A错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成 H2O，B 正确；电流由正极流向负极，C 正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D 正确。72012 年 6 月 16 日 18 时 37 分 24 秒，神舟九号成功发射。飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的 MCFC 型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃料电池的总反应为 2H2O2=2H2O，负极反应为 H2CO232e=CO2H2O，则下列推断正确的是 ()A电池工作时，CO23向负极移动 B电池放电时，电子经外电路由通氧气的正极流向通氢气的负极 C正极的电极反应为 4

23、OH2e=O22H2O D通氧气的电极为正极，发生氧化反应 答案 A 解析 原电池放电时，电子由负极经外电路流向正极，B 错误；正极反应为 O24e2H2O=4OH，C 错误；通氧气一极为正极，发生还原反应，D 错误。题组 3 有关电池的计算 8 实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取 Cl2，已知铅蓄电池放电时发生如下反应：负极：PbSO242e=PbSO4 正极：PbO24HSO242e=PbSO42H2O 今欲制得 Cl2 0.050 mol，这时电池内消耗的 H2SO4的物质的量至少是()A0.025 mol B0.050 mol C0.10 mol D0.20 mol 答案 C 解

24、析 要求得硫酸的量，需首先找出铅蓄电池的总反应。将上述两个电极反应合并可得：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O。而在制取 Cl2时，每生成 1 mol Cl2，电子转移 2 mol，现需要转移电子 0.050 mol20.100 mol。由铅蓄电池总反应可知，每转移 0.100 mol 电子，将消耗 0.100 mol 硫酸。9燃料电池是目前正在探索的一种新型电池。它主要是利用燃料在燃烧过程中把化学能直接转化为电能，目前已经使用的氢氧燃料电池的基本反应是 x 极：O2(气)2H2O(液)4e=4OH y 极：H2(气)2OH2e=2H2O(液)回答下列问题：(1)x 是_极，发生_

25、反应。(填“氧化”或“还原”，下同)(2)y 是_极，发生_反应。总反应方程式为_。(3)若反应后得到 5.4 g 液态水，此时氢氧燃料电池转移的电子数为_。答案(1)正 还原(2)负 氧化 2H2O2=2H2O(3)0.6 NA 解析(1)x 极：O2得电子发生还原反应，所以为正极。(2)y 极：H2失电子发生氧化反应，所以为负极。x 极，y 极得失电子应相同，故 x 极电极方程式与 y 极电极方程式乘以 2 相加得总反应方程式为 2H2O2=2H2O。(3)4 mol e2H2O 4 mol 218 g n(e)5.4 g n(e)0.6 mol。能力提升题 10ZnMnO2干电池应用广泛

26、，其电解质溶液是 ZnCl2NH4Cl 混合溶液。(1)该电池的负极材料是_。电池工作时，电子流向_(填“正极”或“负极”)。(2)若 ZnCl2NH4Cl 混合溶液中含有杂质 Cu2，会加速其电极的腐蚀，其主要原因是_。欲除去 Cu2，最好选用下列试剂中的_(填代号)。ANaOH BZn CFe DNH3H2O 答案(1)Zn(或锌)正极(2)锌与还原出的铜形成铜锌原电池而加快锌的腐蚀 B 解析(1)负极是失电子的一极，Zn 失电子由负极经外电路流向正极。(2)锌与还原出来的 Cu 构成铜锌原电池而加快锌的腐蚀。除杂的基本要求是不能引入新杂质，所以应选Zn 将 Cu2置换为单质而除去。11如

27、下图所示，可形成氢氧燃料电池。通常氢氧燃料电池有酸式(当电解质溶液为硫酸时)和碱式当电解质溶液为 NaOH(aq)或 KOH(aq)时两种。试回答下列问题：(1)酸式电池的电极反应：负极_，正极_；电池总反应：_；电解质溶液 pH 的变化_(填“变大”“变小”或“不变”)。(2)碱式电池的电极反应：负极_，正极_；电池总反应：_；电解质溶液 pH 的变化_(填“变大”“变小”或“不变”)。答案(1)2H24e=4H O24e4H=2H2O 2H2O2=2H2O 变大(2)2H24e4OH=4H2O O24e2H2O=4OH 2H2O2=2H2O 变小 解析(1)正极上，O2得电子变为 O2，溶

28、液中 O2不能单独存在，酸性条件下与 H结合生成 H2O；负极上，H2失电子变为 H，H进入电解质溶液。电池总反应为 H2和O2生成水的反应，由于有水生成，溶液将逐渐变稀，故 pH 增大。(2)正极上，O2得电子变为 O2，溶液中 O2不能单独存在，碱性条件下与 H2O 分子结合生成 OH；负极上，H2失去电子变为 H，碱性条件下 H不能大量存在，与 OH结合生成水。电池总反应也是 H2和 O2生成水的反应。同样，由于有水生成，c(OH)变小，pH 变小。12LiSOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解质溶液是LiAlCl4SOCl2。电池的总反应可表示为 4Li2S

29、OCl2=4LiClSSO2。请回答下列问题：(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)SOCl2易挥发，实验室中常用 NaOH 溶液吸收 SOCl2，有 Na2SO3和 NaCl 生成。如果把少量水滴到 SOCl2中，实验现象是_，反应的化学方程式为_；(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_。答案(1)Li Lie=Li(2)2SOCl24e=4ClSSO2(3)出现白雾，有刺激性气味的气体生成 SOCl2 H2O=SO2 2HCl(4)因为构成电池的主要成分 Li 能和氧气、水反应，且 SOCl2也与水反应 解析 分析反应的化合价变化，可得 Li 为还原剂，SOCl2为氧化剂。(1)负极材料为 Li(还原剂)，发生反应：Lie=Li。(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl24e=4ClSSO2。(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为 SO2和 HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。(4)因为构成电池的两个主要成分 Li 能和氧气、水反应，且 SOCl2也与水反应。