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

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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 12

O 2＋2e －＋2H ＋

===H 2O 12

O 2＋2e －＋H 2O===2OH － 总反应 2H 2＋O 2===2H 2O

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] B

3．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)2－4

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)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↑＋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)＋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