2018-2019學年高中化學 第四章 電化學基礎 第二節(jié)《化學電源》知識點歸納及例題解析 新人教版選修4.doc

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第二節(jié) 化學電源 1．堿性鋅錳電池的負極是Zn，正極是MnO2，電解質(zhì)溶液是KOH。 2．鉛蓄電池是最常見的二次電池，正極是PbO2，負極是Pb，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。 3．氫氧燃料電池兩類型： (1)酸性電解質(zhì)時： 負極反應式：2H2－4e－===4H＋； 正極反應式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (2)堿性電解質(zhì)時： 負極反應式：2H2＋4OH－－4e－===4H2O； 正極反應式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。 化學電池 [自學教材填要點] 1．概念 將化學能變成電能的裝置。 2．分類 3．電池優(yōu)劣的判斷標準 (1)單位質(zhì)量或單位體積所輸出的電能的大小(比能量)，或者輸出的功率的大小(比功率)。 (2)電池儲存時間長短。 [師生互動解疑難] (1)化學電池能量轉(zhuǎn)化率高，供能穩(wěn)定可靠。 (2)可制成各種形狀和大小，不同容量和電壓的電池及電池組，使用方便。 (3)電池中的鎳、鎘、錳、鉛等金屬離子會對土壤、水源造成污染，應集中回收處理。 1．下列說法中，不正確的是(　　) A．化學電池是將化學能轉(zhuǎn)變成電能的裝置 B．化學電池的種類包括一次電池、二次電池和燃料電池等 C．化學電池供能穩(wěn)定可靠，可以制成各種形狀和大小，使用方便，易于維護 D．廢舊電池可以隨意丟棄 解析：本題考查的是有關化學電池的概念、分類及性能等方面的知識。廢舊電池中含有重金屬和酸、堿等有害物質(zhì)，隨意丟棄，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害很大，所以廢舊電池應回收處理。 答案：D 一次電池——堿性鋅錳電池 [自學教材填要點] 1．構(gòu)造 2．組成 正極材料：MnO2；負極材料：Zn；電解質(zhì)：KOH。 3．工作原理 負極：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2； 正極：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－； 總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。 [師生互動解疑難] (1)堿性鋅錳干電池克服了普通鋅錳干電池的缺點，單位質(zhì)量所輸出的電能多且儲存時間長，適用于大電流和連續(xù)放電。 (2)紐扣式鋅銀電池的負極是Zn，正極是Ag2O，電解質(zhì)是KOH。 (3)鋰電池的負極是Li，正極是MnO2、CuO、FeS2等，鋰電池的比能量高，電壓高，可儲存時間長。 2．堿性電池具有容量大、放電電流大的特點，因而得到廣泛應用。堿性鋅錳電池以氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)溶液，電池總反應式為Zn (s)＋2MnO2 (s)＋H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)，下列說法錯誤的是(　　) A．電池工作時，鋅失去電子 B．電池正極的電極反應式為： 2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq) C．電池工作時，電子由正極通過外電路流向負極 D．外電路中每通過0.2 mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g 解析：由所給的電池總反應式可知，電池工作時，每有1 mol Zn參加反應，則會有2 mol 電子從負極Zn經(jīng)外電路流向正極，并在正極發(fā)生反應：2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq)。外電路每通過0.2 mol電子，Zn的質(zhì)量就減少6.5 g。 答案：C 二次電池 [自學教材填要點] 1．鉛蓄電池的構(gòu)造 2.鉛蓄電池的工作原理 (1)放電時： 負極：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)； 正極：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)； 總反應式：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。 (2)充電時： 鉛蓄電池的充電反應是放電反應的逆過程。 陰極：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)，發(fā)生還原反應。 陽極：2PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)，發(fā)生氧化反應。 總反應式：2PbSO4(s)＋2H2O(l)Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。 上述充放電反應可寫成一個可逆的反應方程式： Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。 [師生互動解疑難] (1)二次電池放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，能重復使用。 (2)鉛蓄電池的優(yōu)缺點： ①鉛蓄電池具有電壓穩(wěn)定，性能良好，價格低廉，使用方便，安全可靠，循環(huán)使用的優(yōu)點。 ②鉛蓄電池的缺點是比能量低，廢棄的電池污染環(huán)境。 (3)放電時是原電池原理，而充電時是電解池原理；二次電池的充放電過程相反。 3．關于鉛蓄電池的說法正確的是(　　) A．在放電時，正極發(fā)生的反應是 Pb(s)＋SO(aq)===PbSO4(s)＋2e－ B．在放電時，該電池的負極材料是鉛板 C．在充電時，電池中硫酸的濃度不斷變小 D．在充電時，陽極發(fā)生的反應是 PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq) 解析：A項中電池放電時正極應發(fā)生還原反應，電極反應為PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；C項中電池充電時硫酸的濃度應不斷增大；D項中電池充電時陽極應發(fā)生氧化反應。 答案：B 氫氧燃料電池 [自學教材填要點] 電池 負極反應 正極反應 總反應式 氫氧燃料電池酸性電解質(zhì) 2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O 2H2＋O2===2H2O 氫氧燃料電池堿性電解質(zhì) 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 2H2＋O2===2H2O [師生互動解疑難] (1)燃料電池的特點： ①連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能。 ②電極材料本身不參與氧化還原反應。 ③工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除。 (2)燃料電池的優(yōu)點： ①能量轉(zhuǎn)化率高，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率超過80%，遠高于普通燃燒過程。 ②污染小。 (3)通可燃物的一極為電池的負極，通O2 的一極為燃料電池的正極。 (4)燃料電池的正極反應式： ①若為酸性介質(zhì)：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； ②若為堿性(或中性)介質(zhì)：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。 4．氫氧燃料電池用于航天飛機，電極反應產(chǎn)生的水，經(jīng)冷凝后可作為航天員的飲用水，其電極反應如下： 負極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O； 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 當?shù)玫?.8 L飲用水時，電池內(nèi)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)約為(　　) A．1.8 mol　　　　　 　　B．3.6 mol C．100 mol D．200 mol 解析：n(H2O)＝＝100 mol， 由總反應方程式：2H2＋O2===2H2O， 知每生成2 mol H2O轉(zhuǎn)移電子4 mol， 現(xiàn)得到100 mol H2O轉(zhuǎn)移電子200 mol。 答案：D 主題1：廢舊電池為什么要集中統(tǒng)一處理？ 甲 廢舊電池中含有汞、鎘、鉻、鉛等重金屬和酸堿等有害物質(zhì)，隨意丟棄會造成土壤、水源的污染 乙 廢舊電池中的有色金屬是寶貴的資源，可以回收再利用 主題2：以鎳鎘(Ni－Cd)可充電電池為例，探討電池充、放電時電極發(fā)生反應的類型及書寫電極反應式。Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)。 甲 放電時為原電池原理，負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正極發(fā)生還原反應，電極反應式為：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 乙 充電時為電解池原理，陰極發(fā)生還原反應：電極反應式為：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－，陽極發(fā)生氧化反應：電極反應式為：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O 二次電池的工作原理 [例1]　鐵鎳蓄電池又稱愛迪生電池，放電時的總反應為： Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2 下列有關該電池的說法不正確的是(　　) A．電池的電解液為堿性溶液，正極為Ni2O3、負極為Fe B．電池放電時，負極反應為： Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2 C．電池充電過程中，陰極附近溶液的pH降低 D．電池充電時，陽極反應為： 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O [解析]　因為放電時的反應中有氫氧化物生成，故電解質(zhì)溶液是堿性溶液，因為鐵的化合價升高，鎳的化合價降低，故鐵是負極，氧化鎳是正極，故A和B均正確；充電時的陰極反應為Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，故此時陰極附近的pH增大，故C錯誤；根據(jù)所給的放電時的電池反應可推知D正確。 [答案]　C (1)二次電池在充電時，正、負電極上發(fā)生的反應正好與放電時發(fā)生的反應相反，因而充電時，二次電池的正極應與充電電源的正極相連接，電池的負極應與充電電源的負極相連接。 (2)充電時發(fā)生的電極反應和總反應是放電時發(fā)生的反應的逆過程。 ①放電時， ②充電時， 　你能寫出鎳電池 放電時的正極反應式嗎？ 提示：放電時，正極發(fā)生還原反應， 其電極反應式為： Ni2O3＋3H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 。 化學電源電極反應式的書寫 [例2]　科學家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。(甲醇的燃燒熱為726.5 kJmol－1) 在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負極的反應式為________________________________________________________________________， 正極的反應式為______________________________。理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1 mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為702.1 kJ，則該燃料電池的理論效率為________(燃料電池的理論效率是指電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應所能釋放的全部能量之比)。 [解析]　在燃料電池中，通入氧氣的一極是正極，通入甲醇的一極是負極，根據(jù)甲醇中碳元素的化合價變化可推知1 mol甲醇轉(zhuǎn)移6 mol電子，故寫出負極反應為CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋；正極反應為O2＋6H＋＋6e－===3H2O。因為甲醇的燃燒熱是726.5 kJmol－1，故可求得該燃料電池的理論效率＝702.1 kJ726.5 kJ100%＝96.6%。 [答案]　CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋ O2＋6H＋＋6e－===3H2O　96.6% (1)寫電極反應式時，一定要注意電解質(zhì)是什么，其中陰、陽離子要和電極反應式中出現(xiàn)的離子相對應，在堿性電解質(zhì)中，電極反應式中不能出現(xiàn)H＋；在酸性電解質(zhì)中，電極反應式中不能出現(xiàn)OH－。 (2)正、負兩極的電極反應式在得失電子相等時相加，即得總反應式。 某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H＋，其基本結(jié)構(gòu)如下圖，電池總反應可表示為：2H2＋O2===2H2O，下列有關說法正確的是(　　) A．電子通過外電路從b極流向a極 B．b極上的電極反應式為：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a極通過固體酸電解質(zhì)傳遞到b極 解析：本題考查原電池知識，意在考查考生的分析能力。該原電池的化學原理是H2被氧化，在負極(a極)發(fā)生反應：H2－2e－===2H＋，H＋由a極轉(zhuǎn)移到b極，D項正確；O2發(fā)生還原反應，在正極(b極)發(fā)生反應：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，則電子從a極流向b極，A、B兩項不正確；C項因未指明氣體所處的溫度和壓強，不正確。 答案：D