高中化学第4章电化学基础第2节化学电源导学案新人教版选修4

高中化学第4章电化学基础第2节化学电源导学案新人教版选修4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：PbO 2；电解质：H 2SO 4溶液。

(2)工作原理 ①放电过程负极：Pb(s)＋SO 2－4(aq)－2e －===PbSO 4(s)(氧化反应)； 正极：PbO 2(s)＋4H ＋(aq)＋SO 2－4(aq)＋2e －=== PbSO 4(s)＋2H 2O(l)；总反应：Pb(s)＋PbO 2(s)＋2H 2SO 4(aq)===2PbSO 4(s)＋2H 2O(l)。

②充电过程阴极：PbSO 4(s)＋2e －===Pb(s)＋SO 2－4(aq)；阳极：PbSO 4(s)＋2H 2O(l)－2e －===PbO 2(s)＋4H ＋(aq)＋SO 2－4(aq)； 总反应：2PbSO 4(s)＋2H 2O(l)===Pb(s)＋PbO 2(s)＋2H 2SO 4(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H 2­O 2燃料电池为例) (1)构成⎩⎪⎨⎪⎧负极：充入H 2，发生氧化反应正极：充入O 2，发生还原反应电解质溶液：酸溶液或碱溶液(2)工作原理酸性电解质(H 2SO 4) 碱性电解质(KOH) 负极反应 H 2－2e －===2H ＋H 2－2e －＋2OH －===2H 2O 正极反应 12O 2＋2e －＋2H ＋===H 2O 12O 2＋2e －＋H 2O===2OH － 总反应 2H 2＋O 2===2H 2O①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O 2。

( ) (4)铅蓄电池的负极反应为Pb －2e －===Pb 2＋。

( ) [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 ＋MnO 2===LiMnO 2。

下列说法中正确的是( )A ．Li 是正极，MnO 2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 －2＋e －===MnO 2 D ．电池放电时，产生高锰酸根离子 [答案] B3．已知锌银电池的总反应为Zn ＋Ag 2O ＋H 2O =====KOH 溶液Zn(OH)2＋2Ag ，请写出电极反应式： 负极：________________________________________________， 正极：_______________________________________________。

[答案] Zn －2e －＋2OH －===Zn(OH)2 Ag 2O ＋H 2O ＋2e －===2Ag ＋2OH －二次电池的工作原理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)2－4。

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)2－4D．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)2－4===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)2－4。

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↑＋2H2O1．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)＋SO2－4(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)＋SO2－4(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)＋SO2－4(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x Mg＋Mo3S 4放电充电Mg x Mo3S4，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＋2x e－===Mo3S2x－4C．充电时，该电池的正极与电源的负极相连D．负极反应式为x Mg－2x e－===x Mg2＋C [充电时，电池的正极应与电源的正极相连。

]形形色色的燃料电池的工作原理以CH3OH为燃料的燃料电池电极反应式的书写1．酸性介质：⎩⎪⎨⎪⎧负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋正极：32O2＋6e－＋6H＋===3H2O2．碱性介质：⎩⎪⎨⎪⎧负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO2－3＋6H2O正极：32O2＋6e－＋3H2O===6OH－3．熔融Na2CO3介质：⎩⎪⎨⎪⎧负极：CH3OH－6e－＋3CO2－3===4CO2＋2H2O正极：32O2＋6e－＋3CO2===3CO2－34．熔融氧化物介质：⎩⎪⎨⎪⎧负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2＋2H2O正极：32O2＋6e－===3O2－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＋2H2OC．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．如图为一种微生物燃料电池结构示意图，关于该电池叙述正确的是( )A．分子组成为C m(H2O)n的物质一定是糖类B．微生物所在电极区放电时发生还原反应C．放电过程中，H＋从正极区移向负极区D．正极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2OD [A项，分子组成为C m(H2O)n的物质不一定是糖类，例如乙酸(C2H4O2)，错误；B项，微生物放电时，C m(H2O)n中碳元素化合价升高失去电子，发生氧化反应，微生物所在的区域为负极区，错误；C项，原电池中阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，错误；D项，正极得到电子发生还原反应，则电极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O，正确。