高中化学人教版 (新课标)选修4 化学反应原理第四章 电化学基础第二节 化学电源教学设计

第二节　化学电源

目标与素养：1.了解常见化学电源的种类、工作原理及应用。(变化观念与社会责任)2.掌握一次电池、二次电池和燃料电池的反应原理，会书写电极反应式。(科学探究与模型认知)

一、化学电池的分类与优劣

1．化学电池的分类及其特点

2．化学电池的优点

具有能量转换效率高，供能稳定可靠，使用方便，易于维护等优点。

3．判断电池优劣的主要标准

(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少。

(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小。

(3)电池的可储存时间的长短。

二、化学电源的分类及工作原理

1．一次电池(以碱性锌锰电池为例)

(1)组成。正极：MnO2；负极：Zn；电解质：KOH。

(2)工作原理

负极反应：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；

正极反应：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；

总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。

(3)特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的比能量和可储存时间均有提高，适用于大电流和连续放电。

2．二次电池(以铅蓄电池为例)

(1)组成

负极：Pb；正极：PbO2；电解质：H2SO4溶液。

(2)工作原理

①放电过程

负极：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)(氧化反应)；

正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；

总反应：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)＋2H2O(l)。

②充电过程

阴极：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)；

阳极：PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)；

总反应：2PbSO4(s)＋2H2O(l)===Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。

(3)铅蓄电池的优缺点

①优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产、生活中应用广泛。

②缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。

3．燃料电池(以H2­O2燃料电池为例)

(1)构成

(2)工作原理

(3)特点

①连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能。

②电极材料本身不参与氧化还原反应。

③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，生成物不断地被排除。 

④能量转化率高(＞80%)，排放废物少。

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)废旧电池中含汞、镉、铅、镍等重金属，随意丢弃会污染环境，应对废旧电池分类回收，集中处理。                  (　　)

(2)二次电池的充电反应和放电反应互为可逆反应。 (　　)

(3)燃料电池工作时负极应不断充入燃料，正极充入氧化剂如O2。 (　　)

(4)铅蓄电池的负极反应为Pb－2e－===Pb2＋。 (　　)

[答案]　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×

2．锂电池是新一代高能电池，目前已研发出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为：Li＋MnO2===LiMnO2。下列说法中正确的是(　　)

A．Li是正极，MnO2是负极

B．放电时负极的反应：Li－e－===Li＋

C．放电时正极的反应：MnO＋e－===MnO2

D．电池放电时，产生高锰酸根离子

[答案]　B

3．已知锌银电池的总反应为

Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag，请写出电极反应式：

负极：_______________________________________________，

正极：_______________________________________________。

[答案]　Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2

Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－

1.放电、充电反应及充电连接

2．二次电池放电原理

模型认知：二次电池电极反应书写的一般模式

(1)明确两极的反应物。

(2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。

(3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。

(4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。

注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。

【典例】　锌—空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O===2Zn(OH)。下列说法正确的是(　　)

A．充电时，电解质溶液中K＋向阳极移动

B．充电时，电解质溶液中c(OH－)逐渐减小

C．放电时，负极反应为：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)

D．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)

C　[A项，充电时装置为电解池，溶液中的阳离子向阴极移动。B项，充电时的总反应为放电时的逆反应：2Zn(OH)===2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O，c(OH－)逐渐增大。C项，放电时负极失电子发生氧化反应，由放电时的总反应可知，负极反应式为Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)。D项，由放电时的总反应可知，电路中通过2 mol电子时，消耗0.5 molO2，其体积为11.2 L(标准状况)。]

(1)充电时，OH－向________极移动。

(2)放电时，负极附近的溶液的pH变________(填“大”或“小”)。

(3)充电时，阳极反应式为_____________________________。

[答案]　(1)阳　(2)小　(3)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

1．关于铅蓄电池的说法正确的是   (　　)

A．放电时，正极发生的反应是Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)

B．放电时，该电池的负极材料是铅板

C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小

D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)

B　[A项中电池放电时正极应发生还原反应，电极反应为PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)；C项中电池充电时硫酸的浓度应不断增大；D项中电池充电时阳极应发生氧化反应。]

2．镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染，且镁电池放电时电压高而平稳，因而越来越成为人们研制绿色原电池所关注的焦点。其中一种镁电池的反应为xMg＋Mo3S4MgxMo3S4，则镁电池放电时，下列说法错误的是(　　)

A．Mg2＋向正极迁移

B．正极反应式为Mo3S4＋2xe－===Mo3S

C．充电时，该电池的正极与电源的负极相连

D．负极反应式为xMg－2xe－===xMg2＋

C　[充电时，电池的正极应与电源的正极相连。]

以CH3OH为燃料的燃料电池电极反应式的书写

1．酸性介质：

2．碱性介质：

3．熔融Na2CO3介质：

4．熔融氧化物介质：

科学探究：燃料电池电极反应书写关键

(1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。

(2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应，即O2＋4e－===2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。

(3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。

3．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ZrO2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：O2＋4e－===2O2－

B．电池负极发生的反应：CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

C．固体电解质里的O2－的移动方向：由正极移向负极

D．向外电路释放电子的电极：正极(即电子由正极流向负极)

D　[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O2＋4e－===2O2－，负极反应式是CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O。  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”地消耗O2－，故电池内O2－的移动方向是由正极移向负极。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。]

4．利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成，电池工作时MV2＋/MV＋在电极与酶之间传递电子，示意图如下所示。下列说法错误的是(　　)

A．相比现有工业合成氨，该方法条件温和，同时还可提供电能

B．阴极区，在氢化酶作用下发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋

C．正极区，固氮酶为催化剂，N2发生还原反应生成NH3

D．电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动

B　[A项，该反应中，可产生电流，反应条件比较温和，没有高温高压条件，正确；B项，该生物燃料电池中，左端电极反应式为MV＋－e－===MV2＋，则左端电极是负极，应为负极区，在氢化酶作用下，发生反应H2＋2MV2＋===2H＋＋2MV＋，错误；C项，右端电极反应式为MV2＋＋e－===MV＋，是正极，在正极区N2得到电子生成NH3，发生还原反应，正确；D项，原电池中，内电路中H＋通过交换膜由负极区向正极区移动，正确。]

1．下列说法中正确的是(　　)

A．碱性锌锰电池是二次电池

B．铅蓄电池是一次电池

C．二次电池又叫蓄电池，它放电后可以再充电使活性物质获得再生

D．燃料电池的活性物质储存在电池内

C　[碱性锌锰电池是一次电池，铅蓄电池是二次电池；燃料电池的活性物质没有储存在电池内而是从外界不断输入电池。]

2．锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2＋2NH===Zn2＋＋Mn2O3(s)＋2NH3↑＋H2O，在此电池放电时正极(碳棒)上发生反应的物质是 (　　)

A．Zn　　　　　　 B．碳

C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3

[答案]　C

3．新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的电极反应式为：正极：FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4，负极：Li－e－===Li＋。下列说法中正确的是(　　)

A．充电时动力电池上标注“＋”的电极应与外接电源的正极相连

B．充电时电池反应为FePO4＋Li＋＋e－===LiFePO4

C．放电时电池内部Li＋向负极移动

D．放电时，在正极上Li＋得电子被还原

A　[A项，充电时动力电池上标注“＋”的电极应与外接电源的正极相连，发生氧化反应：LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋，故A正确；B项，放电时电池反应为FePO4＋Li===LiFePO4，则充电时电池反应为LiFePO4===FePO4＋Li，故B错误；C项，放电时电池内部Li＋向正极移动，故C错误；D项，放电时，在正极上FePO4得电子被还原，故D错误。]

4．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：Mg－2e－===Mg2＋

B．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：Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O

B　[Mg为负极，则负极反应为Mg－2e－===Mg2＋，A正确；电池工作时，H＋向正极移动，B错误；电池总反应式是Mg＋H2O2＋2H＋===Mg2＋＋2H2O，消耗H＋，则电池工作一段时间后，溶液pH增大，C正确，D正确。]

5．铅蓄电池是化学电源，其电极材料分别是Pb和PbO2，电解质为稀硫酸，工作时该电池的总反应式为Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。试根据上述情况判断：

(1)蓄电池的负极材料是________。

(2)工作时，正极反应为________________________________。

(3)工作时，电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(4)工作时，电解质溶液中阴离子移向________极。

(5)电流方向从________极流向________极。

(6)充电时，铅蓄电池的负极与电源的________极相连接。

[答案]　(1)Pb　(2)PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O　(3)增大　(4)负　(5)正　负　(6)负