高中化学：第四章 第二节 化学电源.pdf

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1、1 第二节第二节化学电源化学电源 目标要求1.了解依据原电池原理开发的技术产品化学电池。2.了解一次电池、二次电池、燃料电池的基本构造、工作原理、性能和适用范围。3.正确书写原电池的电极反应式和电池反应方程式。一、化学电池 化学电池是利用原电池原理，将化学能转化为电能的装置。二、常用电池 1一次电池 碱性锌锰电池 锌银电池 电池结构 负极：Zn 正极：MnO2 电解质溶液：KOH 溶液 负极：Zn 正极：Ag2O 电解质溶液：KOH 溶液 正极 2MnO22e2H2O=2MnOOH2OH Ag2O2eH2O=2Ag2OH 电极反应 负极 Zn2e2OH=Zn(OH)2 Zn2OH2e=Zn(O

2、H)2 总反应式 Zn2MnO22H2O=2MnOOHZn(OH)2 ZnAg2OH2O=Zn(OH)22Ag 2.二次电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池 电池结构 负极：Pb 正极：PbO2 电解质溶液：H2SO4溶液 负极：H2 正极：O2 电解质：酸性电解质 正极 PbO2(s)SO24(aq)4H(aq)2e=PbSO4(s)2H2O(l)O24H4e=2H2O 电极反应 负极 Pb(s)SO24(aq)2e=PbSO4(s)2H24e=4H 总反应式 Pb(s)PbO2(s)2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)2H2O(l)2H2O2=2H2O 知识点一化学电池 1碱性电池具有容量大、

3、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为 ZnMnO2H2O=ZnOMn(OH)2 下列说法中，错误的是()A电池工作时，锌失去电子 B电池正极的电极反应式为 MnO22H2O2e=Mn(OH)22OH C电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D外电路中每通过 0.2 mol 电子，锌的质量理论上减少 6.5 g 答案C 解析本题要求利用原电池的原理，分析碱性锌锰电池：锌为负极，在反应中失去电子，故 A 正确；电池工作时，电流由正极通过外电路流向负极，而电子定向移动方向与电流方向相反，故 C 错误；由电子守恒知 D 项正确；由该电池反应的总反应

4、式和原电池的原理写出正极反应式知 B 正确。2 2某新型可充电电池，能长时间保持稳定的放电电压。该电池的总反应式为 3Zn2K2FeO48H2O3Zn(OH)22Fe(OH)34KOH，以下说法不正确的是()A放电时负极反应式为 Zn2e2OH=Zn(OH)2 B放电时正极反应式为 FeO244H2O3e=Fe(OH)35OH C放电时每转移 3 mol 电子，正极有 1 mol K2FeO4被氧化 D充电时阳极附近的溶液的碱性减弱 答案C 解析选项 A，放电时，在碱性条件下，Zn 失去电子为电池的负极：Zn2e2OH=Zn(OH)2；选项 B，根据放电时总电池反应式减去负极反应式(电子数需相

5、等)可得放电时正极反应式为 FeO244H2O3e=Fe(OH)35OH；选项 C，放电时，K2FeO4被还原；选项 D，充电是放电的逆向反应，所以充电时，阳极消耗 OH，导致阳极附近的溶液的碱性减弱。3生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的 PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是 2PbSO42H2OPbO2Pb2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法错误的是()A需要定期补充硫酸 B工作时铅是负极，PbO2是正极 C工作时负极上发生的反应是 Pb2eSO24=PbSO4 D工作时电解质的密度减小 答案A 解析铅蓄电池放电时相当于原电池，Pb 是负极，PbO2是

6、正极，负极发生的反应是 Pb失去电子生成 Pb2，Pb2与溶液中的 SO24生成 PbSO4沉淀，放电时消耗的硫酸与充电时生成的硫酸相等，在电池制备时，PbSO4的量是一定的，制成膏状，干燥后再安装，说明 H2SO4不用补充；放电时，H2SO4被消耗，溶液中的 H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也随之减小。知识点二燃料电池 4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下图所示，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 a 极为电池的负极 Bb 极的电极反应式为 H22e

7、O2=H2O Ca 极对应的电极反应式为 O22H2O4e=4OH D该电池的总反应式为 2H2O2=高温 2H2O 答案D 解析因为电子从 b 电极流向 a 电极，所以 b 电极为负极，H2在该极发生氧化反应；a电极为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池的负极反应式为 H22e=2H，正极电极反应式为12O22e=O2，则电池总反应式为 2H2O2=高温 2H2O。5有位科学家说：“甲烷是 21 世纪的新燃料。”甲烷作为燃料的用途之一就是用于制放电充电放电充电3 作燃料电池。有科技工作者制造了一种甲烷燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入甲烷，电解质是掺杂了 Y2O3的 ZrO

8、2晶体，它在高温下能传导 O2。以下判断错误的是()A电池正极发生的反应：O24e=2O2 B电池负极发生的反应：CH44O28e=CO22H2O C固体电解质里的 O2的移动方向：由正极流向负极 D向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)答案D 解析因为放电时，电池正极发生还原反应(元素化合价降低)，负极发生氧化反应(元素化合价升高)。所以正极反应式是 O24e=2O2，负极反应式是 CH44O28e=CO22H2O。由上述电池的正、负极反应式可以看出：正极反应“源源不断”地产生 O2，负极反应要持续进行，则需要“持续不断”的 O2供应，故电池内 O2的移动方向是由正极流向负极。

9、电池的负极发生氧化反应，失去电子，故外电路电子从负极流出，所以 D 错误。练基础落实 1铅蓄电池的两极分别为 Pb、PbO2，电解质溶液为 H2SO4，工作时的电池反应式为 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 CSO24只向 PbO2处移动 D电解质溶液的 pH 不断增大 答案D 解析由题给电极反应式可以看出 H2SO4不断被消耗，故 pH 不断增大，所以 B 不正确，D 正确；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

10、 极流向 PbO2极；内电路中，负电荷(SO24和 OH)移向 Pb 极，所以 C 不正确。2 微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用，有一种银锌电池，其电极分别是 Ag2O 和 Zn，电解质溶液为 KOH 溶液，电极反应式为 Zn2OH2e=ZnOH2O Ag2OH2O2e=2Ag2OH 总反应式为 Ag2OZn=ZnO2Ag 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(1)根据电极反应式可知 Zn

11、 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；(2)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；(3)发生原电池反应时，电子由负极经外电路到正极，即电子从 Zn 极经外电路到 Ag2O 极，故 B 错误；(4)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。3有人设计出利用 CH4和 O2的反应，用铂电极在 KOH 溶液中构成原电池。电池的总反应类似于 CH4在 O2中燃烧，则下列说法正确的是()每消耗 1 mol CH4可以向外电路提供 8 mol e负极上 CH4失去电子，电极反应式为

12、CH410OH8e=CO237H2O负极上是 O2获得电子，电极反应式为 O22H2O4e=4OH电池放电后，溶液的 pH 不断升高 A B C D 答案A 解析CH4在铂电极上发生类似于 CH4在 O2中燃烧的反应，即 CH4CO2，严格地讲生成的 CO2还与 KOH 反应生成 K2CO3，化合价升高，失去电子，是电池的负极，电极反应式为 CH48e10OH=CO237H2O,1 mol CH4参加反应有 8 mol e发生转移，O2在正极上发生反应，获得电子，电极反应式为 O22H2O4e=4OH。虽然正极产生 OH，4 负极消耗 OH，但从总反应式 CH42O22KOH=K2CO33H2

13、O 可看出是消耗了 KOH，所以电池放电时溶液的 pH 值不断下降，故正确，错误。练方法技巧 4 锌锰干电池在放电时，电池总反应方程式可以表示为 Zn2MnO22NH 4=Zn2Mn2O32NH3H2O，此电池放电时，在正极(碳棒)上发生反应的物质是()AZn B碳 CMnO2和 NH 4 DZn2和 NH3 答案C 解析根据原电池原理，锌为负极，碳棒为正极，锌应参加负极反应，而 MnO2在反应中得到电子，应当在正极区发生反应，又由于 NH 4移向正极，在正极发生反应生成 NH3。本题考查原电池电极反应式的书写，阳离子移动的方向。5氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水经冷凝后可作为航天员

14、的饮用水，其电极反应式如下：负极：2H24OH4e=4H2O 正极：O22H2O4e=4OH 当得到 1.8 L 饮用水时，电池内转移的电子数约为()A1.8 mol B3.6 mol C100 mol D200 mol 答案D 解析n(H2O)1.8 103 g18 gmol1100 mol 2H2O4e2=2H2O 即每生成 1 mol H2O 则转移 2 mol e，当生成 100 mol H2O 时，转移 200 mol e。6 乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在 200左右时供电，电池总反应式为 C2H5OH3O2=2CO23H2O，电池示意图，下列说法中正确的是()A电池工作时，

15、质子向电池的负极迁移 B电池工作时，电流由 b 极沿导线流向 a 极 Ca 极上发生的电极反应是 C2H5OH3H2O12e=2CO212H Db 极上发生的电极反应是 2H2OO24e=4OH 答案B 解析通入乙醇的一极(a 极)为负极，发生氧化反应；通入氧气的一极(b 极)为正极，发生还原反应。电池工作时，阳离子(质子)向电池的正极迁移，A 项不正确；电流方向与电子流向相反，电流由 b 极沿导线流向 a 极，B 项正确；a 极上乙醇应该失电子被氧化，所以 C项不正确；因为电池中使用的是磺酸类质子溶剂，所以电极反应式中不能出现 OH，D 项不正确。5 练综合拓展 7科学家预言，燃料电池将是

16、21 世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料电池用于军事。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解质中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学反应方程式：_ _。(1)此电池的正极发生的电极反应：_，负极发生的电极反应：_。(3)电解液中 H向_极移动，向外电路释放电子的电极是_。(4)使用该燃料电池的另一个好处是_ _。答案(1)2CH3OH3O2=2CO24H2O(2)3O212H12e=6H2O 2CH3OH2H2O12e=2CO212H(3)正负极(4)对环境无污染 解析(1)燃料电池的电池反应为燃料的氧化反应

17、，在酸性条件下生成的 CO2不与H2SO4反应，故电池总反应式为 2CH3OH3O2=2CO24H2O。(2)电池的正极 O2得电子，由于是酸性环境，所以会生成 H2O，用电池总反应式减去正极反应式即可得出负极的电极反应式。(3)H移向正极，在正极生成水。(4)产物是 CO2和 H2O，不会对环境造成污染。8氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。下图为电池示意图，该电池电极表面镀了一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定。请回答：(1)氢氧燃料电池的能量转化主要形式是_，在导线中电子流动方向为_(用 a、b 表示)。(2)负极反应式为_。(3)电极表面镀铂粉的原因为_ _。(4)该

18、电池工作时，H2和 O2连续由外部供给，电池可连续不断地提供电能。因此，大量安全储氢是关键技术之一。金属锂是一种重要的储氢材料，吸氢和放氢原理如下：.2LiH2=2LiH.LiHH2O=LiOHH2 反应中的还原剂是_，反应中的氧化剂是_。已知 LiH 固体密度为 0.82 gcm3，用锂吸收 224 L(标准状况)H2，生成的 LiH 体积与被吸收的 H2体积比为_。由生成的 LiH 与 H2O 作用，放出的 H2用作电池燃料，若能量转化率为 80%，则导线中通过电子的物质的量为_mol。答案(1)化学能转变为电能a 到 b(2)2H24OH4e=4H2O 或 H22OH2e=2H2O(3)

19、增大电极单位面积吸附 H2、O2的分子数，加快电极反应速率(4)LiH2O1/1 148 或 8.7110432 6 解析(1)电池是把化学能转变为电能的装置；在电池中，电子从负极经导线流向正极，而氢氧燃料电池中通入 H2的一极是负极，故电子由 a 流动到 b。(2)H2在负极失电子，因为电解质溶液是 KOH 溶液，故负极反应式为 2H24OH4e=4H2O。(3)电极表面镀铂粉可以增大电极单位面积吸附 H2、O2的分子数，从而增大反应速率。(4)LiH 中 Li 为1 价，H 为1 价，故反应中还原剂是 Li，反应中氧化剂是 H2O。由反应可知吸收标准状况下 224 L H2时生成 160 g LiH，则生成的 LiH 的体积是160 g0.82 gcm3，则生成的 LiH 的体积与被吸收的 H2的体积之比为1600.82 224 10311 148。由生成的 20 mol LiH 与 H2O 反应，由反应可知生成 20 mol H2，H22e，能量转化率为 80%，则通过的电子的物质的量为 20 mol280%32 mol。