第1章　化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化第2節(jié)　第2課時(shí)　化學(xué)電源素 養(yǎng) 目 標(biāo)1.了解不同化學(xué)電源的工作原理,從而形成科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.了解各類電池的生產(chǎn)工藝和回收價(jià)值,了解新型電池的開(kāi)發(fā),體驗(yàn)科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。基礎(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)關(guān)重難探究?能力素養(yǎng)全提升目錄索引 基礎(chǔ)落實(shí)?必備知識(shí)全過(guò)關(guān)必備知識(shí)一、化學(xué)電源1.定義:是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。二、常見(jiàn)的化學(xué)電源1.一次電池(1)酸性鋅錳電池。①組成——正極:石墨。負(fù)極:鋅筒。電解質(zhì)溶液:氯化銨和氯化鋅混合溶液,用淀粉糊固定化。②工作原理。負(fù)極反應(yīng):Zn-2e-==Zn2+。正極反應(yīng):2MnO2+2N +2e-==Mn2O3+2NH3+H2O?？偡磻?yīng):Zn+2MnO2+2N ==Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O。(2)堿性鋅錳電池。①組成——正極:MnO2。負(fù)極:Zn。電解質(zhì):KOH。②工作原理:負(fù)極反應(yīng)為Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O;正極反應(yīng)為2MnO2+2H2O+2e-==2MnOOH+2OH-?？偡磻?yīng)為Zn+2MnO2+H2O==ZnO+2MnOOH。2.二次電池(以鉛蓄電池為例)(1)組成——正極:PbO2。負(fù)極:Pb。電解質(zhì)溶液:H2SO4溶液。(2)工作原理:鉛蓄電池是最常見(jiàn)的二次電池,其電極反應(yīng)和電池反應(yīng)如下。負(fù)極:Pb+S -2e-==PbSO4。正極:PbO2+4H++S +2e-==PbSO4+2H2O;總反應(yīng):Pb+PbO2+2H2SO4==2PbSO4+2H2O。鉛蓄電池放電時(shí),正極和負(fù)極質(zhì)量均變大,硫酸濃度減小 3.燃料電池(1)氫氧燃料電池。下圖為一種氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖,電解質(zhì)溶液為KOH溶液,電極材料為多孔石墨,氫氣和氧氣(或空氣)源源不斷地通到電極上。則氫氧燃料電池的電極反應(yīng)為:負(fù)極2H2+4OH--4e-==4H2O;正極O2+2H2O+4e-==4OH-;電池總反應(yīng)為2H2+O2==2H2O。(2)工作原理:燃料電池的特點(diǎn)是電池的正、負(fù)極反應(yīng)物氣體分別儲(chǔ)存在電池之外的容器中。兩種氣體分別不斷地輸入燃料電池的兩極,通過(guò)燃料氣體在負(fù)極發(fā)生的氧化反應(yīng)和氧氣在正極發(fā)生的還原反應(yīng),實(shí)現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)于燃燒反應(yīng)的電池反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。燃料電池的燃料除了氫氣?還有甲烷、甲醇和乙醇等。(3)應(yīng)用前景:燃料電池具有能量利用效率高、可連續(xù)使用和污染輕等優(yōu)點(diǎn),已成為一種發(fā)展前景十分廣闊的化學(xué)電源。自我檢測(cè)判斷下列說(shuō)法是否正確,正確的打“√”,錯(cuò)誤的打“×”。(1)太陽(yáng)能電池不屬于原電池。(　　)(2)手機(jī)、電腦中使用的鋰電池屬于一次電池。(　　)(3)鉛蓄電池放電時(shí),正極與負(fù)極質(zhì)量均增加。(　　)(4)堿性鋅錳干電池是一次電池,其中MnO2是催化劑,可使鋅錳干電池的比能量高、可儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)。(　　)(5)燃料電池工作時(shí)燃料在電池中燃燒,然后熱能轉(zhuǎn)化為電能。(　　)(6)鉛蓄電池工作時(shí),當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.1 mol電子時(shí),負(fù)極增重4.8 g。(　　)√ × √ × × √ 重難探究?能力素養(yǎng)全提升探究一　二次電池(可充電電池)問(wèn)題探究鉛蓄電池的電池總反應(yīng)是什么? 提示 鉛蓄電池屬于二次電池。電池總反應(yīng)是Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。 歸納拓展1.可充電電池的思維模型 2.“加減法”書(shū)寫(xiě)新型二次電池放電的電極反應(yīng)若已知電池放電時(shí)的總反應(yīng),可先寫(xiě)出較易書(shū)寫(xiě)的一極的電極反應(yīng),然后在電子守恒的基礎(chǔ)上,由總反應(yīng)減去較易寫(xiě)出的一極的電極反應(yīng),即可得到較難寫(xiě)出的另一極的電極反應(yīng)。應(yīng)用體驗(yàn)視角1 鋰離子電池1.2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了三位為鋰離子電池發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家。磷酸鐵鋰鋰離子電池放電工作示意圖如圖。下列敘述錯(cuò)誤的是(　　)A.放電時(shí),Li+通過(guò)隔膜移向正極B.放電時(shí),電子由鋁箔沿導(dǎo)線流向銅箔C.放電時(shí)正極反應(yīng)為xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4D.磷酸鐵鋰鋰離子電池充放電過(guò)程通過(guò)Li+遷移實(shí)現(xiàn),C、Fe、P元素化合價(jià)均不發(fā)生變化磷酸鐵鋰鋰離子電池放電原理示意圖 D解析 放電時(shí),“同性相吸”即Li+通過(guò)隔膜移向正極,A正確;放電時(shí),電子由負(fù)極即鋁箔沿導(dǎo)線流向正極即銅箔,B正確;放電時(shí)正極得電子,發(fā)生還原反應(yīng): xFePO4+xLi++xe-==xLiFePO4,C正確;磷酸鐵鋰鋰離子電池充放電過(guò)程通過(guò)Li+遷移實(shí)現(xiàn),其中Fe元素化合價(jià)發(fā)生變化,D錯(cuò)誤。2.微生物電池可用來(lái)處理廢水中的對(duì)氯苯酚,其工作原理示意圖如下。關(guān)于該電池的說(shuō)法不正確的是(　　)A.a極是負(fù)極B.H+向b極遷移C.對(duì)氯苯酚在電極上發(fā)生的反應(yīng)是D.電路中通過(guò)0.4 mol e-,消耗了0.1 mol CH3COO- D3.常見(jiàn)鉛蓄電池是二次電池,其電極材料分別為Pb和PbO2,電解質(zhì)溶液為稀硫酸,工作時(shí)的總反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O。請(qǐng)依據(jù)上述情況填空:(1)鉛蓄電池的負(fù)極材料是_______________。?(2)請(qǐng)依據(jù)兩極材料和總反應(yīng),寫(xiě)出放電時(shí)的正極反應(yīng):_____________________________________________。?(3)請(qǐng)依據(jù)總反應(yīng)和正極反應(yīng),寫(xiě)出放電時(shí)的負(fù)極反應(yīng):_____________________________________________。?(4)放電時(shí),電解質(zhì)溶液中陰離子移向_______極;電流從_____________電極流向___________電極。?(5)放電時(shí),電解質(zhì)溶液的酸性___________(填“增強(qiáng)”“減弱”或“不變”)。?鉛(Pb) 負(fù) 氧化鉛(PbO2) 鉛(Pb) 減弱 解析 此題考查常見(jiàn)電池的工作原理,依據(jù)原電池的反應(yīng)原理、鉛蓄電池的工作原理及其總反應(yīng)可得相應(yīng)的答案。探究二　“高效、環(huán)境友好”的燃料電池問(wèn)題探究試論述燃料電池的優(yōu)越性。提示 燃料電池被人們譽(yù)為“綠色”發(fā)電站,燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn):無(wú)傳動(dòng)部件,無(wú)磨損,無(wú)聲,可做成任意大小(如心臟起搏器和數(shù)百萬(wàn)千瓦的發(fā)電站)。歸納拓展1.氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池,可分為酸性和堿性兩種 2.燃料電池規(guī)律的總結(jié)(1)燃料電池總反應(yīng)一般是燃料的燃燒反應(yīng)(有些情況下電解質(zhì)參與反應(yīng))。如2H2+O2==2H2O、CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性)、CH4+2O2+2NaOH==Na2CO3+3H2O(堿性)等。(2)燃料電池的正極上發(fā)生反應(yīng)的是氧化劑,發(fā)生還原反應(yīng)。通常是O2+2H2O+4e-==4OH-(堿性)、O2+4H++4e-==2H2O(酸性)等。(3)燃料電池的負(fù)極上是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)。書(shū)寫(xiě)負(fù)極的電極反應(yīng)通常有兩種方法(思路)。方法一:守恒分析法方法二:用電池總反應(yīng)減去正極的電極反應(yīng)可得出負(fù)極的電極反應(yīng)。①總反應(yīng):CH4+2O2+2OH-==C +3H2O(堿性電池)正極反應(yīng):2O2+4H2O+8e-==8OH-負(fù)極反應(yīng):CH4+10OH--8e-==C +7H2O。②總反應(yīng):CH4+2O2==CO2+2H2O(酸性電池)正極反應(yīng):2O2+8H++8e-==4H2O負(fù)極反應(yīng):CH4+2H2O-8e-==CO2+8H+。應(yīng)用體驗(yàn)視角1 微生物燃料電池1.以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。關(guān)于該電池的敘述正確的是(　　)A.該電池能夠在高溫下工作B.電池的負(fù)極反應(yīng):C6H12O6+6H2O-24e-═6CO2↑+24H+C.放電過(guò)程中,H+從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移D.在電池反應(yīng)中,每消耗1 mol氧氣理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體B解析 微生物燃料電池在高溫下不能工作,A錯(cuò)誤;放電過(guò)程為原電池反應(yīng), H+應(yīng)向正極遷移,C錯(cuò)誤;由電池反應(yīng)C6H12O6+6O2═6CO2+6H2O知,每消耗1 mol O2理論上生成1 mol CO2,在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為22.4 L,D錯(cuò)誤。視角2 氫氧燃料電池2.下圖為氫氧燃料電池原理示意圖,下列敘述不正確的是(　　)A.a電極是負(fù)極B.b電極的電極反應(yīng)為4OH--4e-═2H2O+O2↑C.氫氧燃料電池是一種具有應(yīng)用前景的綠色電源D.氫氧燃料電池是一種不需要將還原劑和氧化劑全部?jī)?chǔ)藏在電池內(nèi)的新型發(fā)電裝置B解析 從題圖中可看出a電極處進(jìn)入的是H2,b電極處進(jìn)入的是O2,該電池的總反應(yīng)是2H2+O2═2H2O,故a電極處H2失e-被氧化,a為負(fù)極;b電極為正極,電極反應(yīng)為2H2O+O2+4e-═4OH-,故B項(xiàng)不正確。視角3 固體氧化物/堿燃料電池3.燃料電池是一種利用能源物質(zhì)的新形式,比如我們可用熔融的K2CO3作電解質(zhì),惰性材料作電極,一極通CH2=CH2,另一極通O2、CO2。下列說(shuō)法中不正確的是(　　)D答題模板 解答燃料電池題目的思維模型 解答燃料電池題目的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):(1)明確離子導(dǎo)體是電解質(zhì)溶液還是熔融鹽或氧化物。(2)通入負(fù)極的物質(zhì)為燃料,通入正極的物質(zhì)一般為氧氣。(3)通過(guò)離子導(dǎo)體中離子的移動(dòng)方向,可判斷電池的正、負(fù)極,同時(shí)考慮該離子參與移向一極的電極反應(yīng)。4.(2022江西高二期末)固體氧化物燃料電池是以固體氧化鋯—氧化釔為電解質(zhì),這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過(guò)。該電池的工作原理如圖所示,其中多孔電極a、b均不參與電極反應(yīng)。下列判斷正確的是(　　)A.有O2參加反應(yīng)的電極a為電池的負(fù)極B.多孔電極b的電極反應(yīng)為H2+2e-+O2-==H2OC.多孔電極a的電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-==4OH-D.該電池的總反應(yīng)為2H2+O2==2H2OD解析 多孔電極b上通入H2,電子從多孔電極b流向多孔電極a,所以多孔電極b為負(fù)極,H2在該極發(fā)生氧化反應(yīng),多孔電極a為正極,O2在該極發(fā)生還原反應(yīng),A錯(cuò)誤;負(fù)極的電極反應(yīng)為H2-2e-+O2-═H2O,B錯(cuò)誤;正極的電極反應(yīng)為O2+4e-═2O2-,C錯(cuò)誤;電池總反應(yīng)為2H2+O2═2H2O,D正確。

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