2022版新教材化学人教版选择性必修第一册学案：4-1 课时2 化学电源 WORD版含答案.docx

1、课时2 化学电源课标解世课标要求素养要求1.了解常见化学电源的工作原理。 2.能列举常见的化学电源，并能利用相关信息分析化学 电源的工作原理。1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立 对原电池系统认识的思维模型，提高对原电池本质的 认识。2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池， 满足人类社会发展的需求。自主学习必备知识知识点一 化学电源1. 分类 原电池 是各种化学电源的雏形。化学电源常分为如下三类： 一次电池 、 二次电池 和 燃料电池 。2. 优点化学电源具有能量转化效率较高，供能稳定可靠，方便携带，易于维护等优点。3. 判断电池优劣的主要标准a .比能量：单

2、位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(Wh)kg-1 或(Wh)L-1 。b .比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是Wkg-1 或WL-1 。c .电池可储存时间的长短。想一想已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。则Mg- 空气电池和Al- 空气电池“理论比能量”之比是多少？答案：假设质量都是1g ，这两种金属转移的电子的物质的量分别为1g24gmol-12=112mol 、1g27gmol-13=19mol ，“理论比能量”之比为3：4 。知识点二 几种常见的化学电源1. 一次电池（以碱性锌锰电池为例）名称碱性锌锰电池示意图构造负极反应

3、物：锌粉正极反应物：二氧化锰电解质：氢氧化钾工作原理负极： Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)22. 二次电池（以铅酸蓄电池为例）（1）构造（2）组成：负极是Pb ，正极是 PbO2 ，电解质溶液是稀硫酸。（3）工作原理铅酸蓄电池是一种常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程。a.放电反应原理负极： Pb+SO42-2e-=PbSO4 ；正极：PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O ；总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H

4、2O 。b .充电过程与其放电过程相反。想一想 铅酸蓄电池在放电一段时间后，正极、负极的质量将如何变化？答案：铅酸蓄电池放电时，正极区PbO2 变为PbSO4 ，质量增大；负极区Pb 变为PbSO4 ，质量也增大。（4）废旧电池的危害与处理a.危害：废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对生态环境和人体健康造成危害。b .处理方法：回收利用。3. 燃料电池（1）工作原理：燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。（2）实例（以酸性氢氧燃料电池为例）a.构造b .工作原理酸性电解质(H2SO4) 溶液负极反应：2H2-4e-=4H+正极反应： O2+4e

5、-+4H+=2H2O总反应：2H2+O2=2H2O判一判1.燃料电池所有能量均转化为电能( )2.燃料电池中通入燃料的一极为正极( )3.燃料电池具有能量利用率高、可连续使用和污染轻等优点( )4.燃料电池电极材料本身不参与化学反应( )互动探究关键能力探究点一 化学电源电极反应式的书写知识深化1.化学电源电极反应式书写的一般步骤（类似氧化还原反应方程式的书写）2. 化学电源电极反应式的书写具体操作方法（1）根据装置书写电极反应式先分析题目给定的图示装置，确定原电池正、负极上的反应物质。负极：活泼金属或燃料失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应

6、式。正极：阳离子得到电子生成单质或O2 得到电子，若反应物是O2 ，则有以下规律：电解质溶液呈碱性或中性：O2+2H2O+4e-=4OH- ；电解质溶液呈酸性：O2+4H+4e-=2H2O 。总反应式：正、负电极反应式在得失电子相等的前提下相加得到电池反应的总方程式。（2）给出总反应式，写电极反应式如果给出的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应（即分析有关元素的化合价变化情况），先写出反应相对较简单的一极的电极反应式，另一极的电极反应式可用总反应式减去已写出的电极反应式，即得结果。（3）可充电电池电极反应式的书写在书写可充电电池电极反应式时，要明确电池和电极，放电时为原电池，充电为放

7、电的逆过程。放电时的负极与充电时的阳极均发生氧化反应，对应元素化合价升高。放电时的正极与充电时的阴极均发生还原反应，对应元素化合价降低。题组过关1. Mg-AgCl 电池是一种以海水为电解质溶液的水激活电池。下列叙述错误的是( )A.负极反应式为Mg-2e-=Mg2+B.正极反应式为Ag+e-=AgC.电池放电时Cl- 向负极迁移D.负极会发生副反应：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2答案： B解析：Mg-AgCl 电池的负极反应为Mg-2e-=Mg2+ ，正极反应为2AgCl+2e-=2Ag+2Cl- ，A项正确，B项错误；在原电池的电解质溶液中，阳离子移向正极，阴离子移向负极，C项正确；

8、Mg 是活泼金属，能和H2O 发生反应生成Mg(OH)2 和H2 ，D项正确。2.（2021山东济南高二期中）高铁电池是一种新型可充电电池，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为3Zn+2K2FeO4+8H2充电放电3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH ，下列叙述不正确的是( )A.放电时正极附近溶液的pH 不变B.放电时负极反应为3Zn-6e-+6OH-=3Zn(OH)2C.放电时每转移3mol 电子，正极有1molK2FeO4 被还原D.充电时阳极反应为2Fe(OH)3-6e-+10OH-=2FeO42-+8H2O答案： A解析：根据电池的总反应可知，锌失去电子作负极

9、，负极反应为3Zn-6e-+6OH-=3Zn(OH)2 ，高铁酸钾在正极上得到电子，正极反应为2FeO42-+6e-+8H2O=2Fe(OH)3+10OH- ，生成氢氧根离子，所以正极附近溶液的pH 增大，每转移3mol 电子，正极有1molK2FeO4 被还原，故A错误，B、C正确；充电时原电池的正极与外加电源的正极相接，为阳极，发生失去电子的氧化反应，电极反应为2Fe(OH)3-6e-+10OH-=2FeO42-+8H2O ，故D正确。探究点二 多种多样的燃料电池情境探究微生物燃料电池有着较好的应用前景。净化含尿素和酸性Cr2O72- 废水的微生物燃料电池工作原理如图所示。 结合示意图，回

10、答下列问题：问题1：M 室电极是电池的正极还是负极？答案：提示 M 室电极为负极。由题图可知，N 室中Cr2O72- 得到电子发生还原反应，即N 室电极为正极，则M 室电极为负极。问题2：写出放电时负极的电极反应式。答案：提示 CO(NH2)2+H2O-6e-=CO2+N2+6H+ 。问题3：当有1molCr2O72- 被净化时，从M 室迁移到N 室的H+ 的物质的量是多少？答案：提示 6mol 。解析：Cr2O72- 在正极上得到电子发生还原反应生成Cr3+ ，电极反应式为Cr2O72-+6e-+14H+=2Cr3+7H2O ，再结合负极反应式可知，当有1molCr2O72- 被净化时，负极

11、生成的6molH+ 从M 室迁移到N 室。探究归纳1. 燃料电池的工作原理燃料电池大多是可燃性物质（主要是可燃性气体或蒸气）与氧化剂（一般是氧气）及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。2. 三步突破燃料电池电极反应式的书写第一步：写出电池总反应式燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应则总反应为相加后的反应。如甲烷燃料电池（电解质溶液为NaOH 溶液）的反应式为CH4+2O2=CO2+2H2O CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O 式+式得燃料电池总反应式为CH4+2O2+2NaOH=Na2CO3+3H2O 。第二

12、步：写出电池的正极反应式根据燃料电池的特点，一般在正极上发生还原反应的物质是O2 ，根据电解质溶液的不同，其电极反应式有所不同，大致有以下四种情况：（1）酸性电解质溶液环境下的电极反应式：O2+4H+4e-=2H2O（2）碱性电解质溶液环境下的电极反应式：O2+2H2O+4e-=4OH-（3）固体电解质（高温下能传导O2- ）环境下的电极反应式：O2+4e-=2O2-（4）熔融碳酸盐（如熔融K2CO3 ）环境下的电极反应式：O2+2CO2+4e-=2CO32-第三步：根据电池总反应式和正极反应式，写出负极反应式电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。O2 不是负极反应物，因此两个反

13、应式相减时要彻底消除O2 ，另外要注意两极反应式和总反应式电子转移数目相等。3. 有机燃料电池负极反应式书写方法（1）基本思路：电池的负极一定是可燃物，有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价变化规则，燃料失电子发生氧化反应，电池的正极多为氧气或空气，得电子发生还原反应，特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。（2）实例：如乙醇碱性（KOH 溶液）燃料电池负极反应式的书写方法。第一步：确定生成物乙醇燃烧生成CO2 和H2O ，其中CO2 与KOH 溶液反应生成K2CO3 和H2O ，故生成物为CO32- 和H2O 。第二步：确定价态的变化及转移电子数乙醇(C2H5

14、OH) 中碳元素的化合价为-2，CO32- 中碳元素的化合价为+4，故1mol 乙醇完全反应失去2mol4-(-2)=12mol 电子。第三步：列出表达式C2H5OH+OH-12e-CO32-+H2O第四步：确定电极反应式中各物质的化学计量数由碳原子守恒确定CO32- 的化学计量数为2，由电荷守恒确定OH- 的化学计量数为16，再由氢原子守恒确定H2O 的化学计量数为11，故负极反应式为C2H5OH+16OH-12e-=2CO32-+11H2O 。探究应用例 一种高温熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。下列有关该电池的说法正确的是( )A.如用此种电池电镀铜，待镀铜金属上增重19.2g ，则应消耗

15、2.24LCH4B.电极A 上H2 参与的电极反应为H2+2OH-2e-=2H2OC.电池工作时，CO32- 向电极B 移动D.电极B 上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-答案：D解析：原电池工作时，CO 和H2 在负极失电子，被氧化为二氧化碳和水，即H2+CO+2CO32-4e-=H2O+3CO2 ，则电极A 为负极、电极B 为正极，正极上氧气得电子生成CO32- ，电极反应式O2+2CO2+4e-=2CO32- 。A项，未告知CH4 是否处于标准状况，故无法计算其体积，错误；B项，电极A是负极，负极上CO 和H2 被氧化生成二氧化碳和水，H2 参与的电极反应为2H2+2C

16、O32-4e-=2H2O+2CO2 ，错误；C项，放电时，电解质中阴离子向负极移动，即CO32- 向电极A移动，错误；D项，电极B为正极，正极为氧气得电子生成CO32- ，电极反应为O2+2CO2+4e-=2CO32- ，正确。解题感悟1. 新型燃料电池的分析模板2.解答燃料电池题目的几个关键点（1）通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。（2）注意介质的成分，是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。（3）通过介质中离子的移动方向，可以判断电池的正、负极，同时考虑该离子是否参与靠近一极的电极反应。迁移应用1.一某固体酸燃料电池以CsHSO4 固体为电解质传递H+ ，其基本结构如图所示，电池总反应可

17、表示为2H2+O2=2H2O 。下列有关说法正确的是( )A.电子通过外电路从b 极流向a 极B.b 极上的电极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-C.每转移0.1mol 电子，消耗1.12LH2D.H+ 由a 极通过固体酸电解质传递到b 极答案： D解析：由电池总反应及原电池原理可知，充入H2 的一极即a 极是负极，充入O2 的一极即b 极是正极，电子由负极经外电路流向正极；电池内部阳离子即H+ 移向正极；b 极的电极反应式为O2+4H+4e-=2H2O ，故A、B项错误，D项正确。C项没有指明标准状况，故C项错误。2.如图是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量监测与控制的功能，

18、下列有关说法正确的是( )A.电流由呼气所在的铂电极流出B.H+ 通过质子交换膜流向氧气所在的铂电极C.电路中流过2mol 电子时，消耗11.2LO2D.该电池的负极反应为CH3CH2OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+答案：B解析：呼气所在电极发生乙醇转化为醋酸的反应，故为负极，而电流由正极流出，A项错误；H+ 通过质子交换膜流向正极（氧气所在的铂电极），B项正确；正极反应为O2+4e-+4H+=2H2O ，电路中流过2mol 电子时，消耗0.5molO2 ，在标准状况下体积为11.2L ，但题中未指明是否为标准状况，C项错误；该电池的负极反应为CH3CH2OH+CH3COOH+4H

19、+ ，D项错误。3.（）（2021山东临沂高二月考）某微生物燃料电池的工作原理如图所示，下列说法正确的是( )A.外电路中电流方向为abB.HS- 在硫氧化菌作用下转化为SO42- 的反应是HS-+4H2O-8e-=SO42-+9H+C.硫酸盐还原菌分解生成CO2D.若该电池中有0.2molO2 参加反应，则有0.2molH+ 通过质子交换膜答案： B解析：由题图可知硫酸盐还原菌可以将有机物氧化成二氧化碳，而硫氧化菌可以将硫氢根离子氧化成硫酸根离子，所以两种细菌存在，会循环把有机物氧化成CO2 并放出电子，负极上HS- 在硫氧化菌作用下转化为SO42- ，失电子发生氧化反应：HS-+4H2O-

20、8e-=SO42-+9H+ ；正极上发生氧气得电子的还原反应：8H+2O2+8e-=4H2O 。b 是电池的正极，a 是负极，所以外电路中电流方向为ba ，故A错误；由分析可知B正确；CO2 是有机物被氧化生成的，故C错误；若该电池中有0.2molO2 参加反应，则该电池电路中有0.8mol 电子发生转移，根据得失电子守恒，有0.8molH+ 通过质子交换膜，故D错误。评价检测素养提升课堂检测1.下列说法错误的是( )A.氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源B.化学电源中的负极材料不一定参加电极反应C.二次电池的充电和放电过程是可逆过程D.丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是资源的极

21、大浪费答案： C解析：二次电池的充电和放电，是在不同条件下发生的过程，它们不是可逆反应。2.下图是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是( )A.氢氧燃料电池的正极反应式可以为O2+4e-+2H2O=4OH-B.干电池工作时，H+ 向石墨电极移动C.铅蓄电池工作过程中，每通过2mol 电子，负极质量减轻207gD.上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池答案： C解析：氢氧燃料电池的正极上O2 得电子发生还原反应，在碱性条件下电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH- ，故A正确；干电池的石墨电极是正极，电池工作时H+ 向正极移动，即向石墨电极移动，故B正确；铅蓄电池工作过程中，负

22、极上铅失电子，生成硫酸铅，且硫酸铅在负极上析出，硫酸铅是难溶物质，则负极质量应该增加而非减小，故C不正确；干电池是一次性电池，铅蓄电池是可充电电池，属于二次电池，氢氧燃料电池属于燃料电池，故D正确。3.锌空气电池由活性炭（空气扩散极）、锌、氢氧化钠溶液构成，其中活性炭部分浸泡在氢氧化钠溶液中，其工作原理如图所示，负极产物是ZnO 。下列说法不正确的是( )A.活性炭的作用是吸附空气，为电池提供氧化剂B. 原理图中的隔离膜为质子交换膜C.负极反应式为Zn+2OH-2e-=ZnO+H2OD.电池工作时，当消耗1.6gO2 ，负极消耗0.1molZn答案：B解析：题给装置为化学电池，锌为负极，负极产

23、物是ZnO ，则负极反应式为Zn+2OH-2e-=ZnO+H2O ，故C正确；活性炭为正极，氧气在正极上得电子，正极反应式为12O2+H2O+2e-=2OH- ，活性炭的作用是吸附空气，为电池提供氧化剂，故A正确；电解质为氢氧化钠溶液，因此交换膜不能是质子交换膜，应用阴离子交换膜，故B不正确；利用得失电子守恒，有1.6g32g/mol22=n(Zn)2 ，解得n(Zn)=0.1mol ，故D正确。4.某非水相可充电电池工作原理如图所示，下列说法错误的是 ( )A.充电时，a 接直流电源的负极B.图中的离子交换膜为阳离子交换膜C.放电时，正极的电极反应式为Br3-+2e-=3Br-D.放电过程中

24、负极区Mg2+ 浓度逐渐增大答案：D解析：由题图可知，Mg 为原电池的负极，所以充电时，a接直流电源的负极，故A正确；离子交换膜允许Mg2+ 通过，应选择阳离子交换膜，故B正确；放电时，正极的电极反应式为Br3-+2e-=3Br- ，故C正确；放电过程中负极区每生成1molMg2+ ，就会有1molMg2+ 通过阳离子交换膜，所以负极区中Mg2+ 浓度保持不变，故D错误。5.原电池是化学对人类的一项重大贡献。（1）下图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：电池的负极是 （填“a ”或“b” ）电极，该极的电极反应式为 。电池工作一段时间后电解质溶液的pH （填“增大”“减小”或“不变”）。答

25、案：（1） a ; CH4+10OH-8e-=CO32-+7H2O 减小解析：（1）甲烷在反应时失去电子，故a电极是电池的负极。由于电池工作过程中会消耗OH- ，故一段时间后，电解质溶液的pH 减小。（2）熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物作电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650 下工作的燃料电池，其负极反应式为2CO+2CO32-4e-=4CO2 。正极反应式是 。电池总反应式是 。答案：（2） O2+2CO2+4e-=2CO32- 2CO+O2=2CO2解析：（2）正极发生还原反应，故正极电极反应式为O2+2CO2+4e-=2CO32- ，根据正极反应式+负极反应式=电池总反应式，可推知电池总反应式为2CO+O2=2CO2 。