第4章 第1节 第2课时 化学电源（讲义word）-【勤径学升】2024-2025学年高中化学选择性必修1同步练测（人教版2019）

第2课时　化学电源 学习目标 核心素养 1．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。 2．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。 1．宏观辨识与微观探析：能从宏观(实验现象)探析微观(电子、离子的转移)的变化，能运用化学符号(电极反应式)描述常见简单物质及其变化。 2．证据推理与模型认知：能从定性(图中物质的变化等)与定量(电极反应式的叠加)结合上收集证据，能通过定性分析和定量计算推出合理的结论(电池的总反应式等)。 3．科学态度与社会责任：深刻认识化学在解决能源危机中的重要作用，能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响，提高环保意识和节能意识。 [对应学生用书第81页] 一、化学电池 1．化学电池的分类及其特点 2．化学电池的优点 方便携带、易于维护，能量转换效率较高，供能稳定可靠，可以制成各种形状、大小、容量不同的电池及电池组等优点。 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。 4．化学电池回收利用 废旧电池中含重金属、酸和碱等物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。 二、常见化学电源 1．一次电池 (1)概念：放电后不可再充电的电池。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。 (2)碱性锌锰电池 构造示意图 负极反应 Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极反应 2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－ 电解质 KOH 总反应 Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2 2．二次电池 (1)概念：二次电池又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池。 (2)铅酸蓄电池 构造示意图 放电反应 负极 Pb＋SO－2e－===PbSO4 正极 PbO2＋SO＋4H＋＋2e－===PbSO4＋2H2O 充电 反应 阴极 PbSO4＋2e－===Pb＋SO 阳极 PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO 总反应 Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O 优点 电压稳定、使用方便、安全可靠和价格低廉 缺点 比能量低，笨重 3.燃料电池 (1)燃料电池：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)氢氧燃料电池 工作原 理示意 图 电解质 溶液 稀硫酸 KOH溶液 负极反应 2H2－4e－===4H＋ 2H2－4e－＋4OH－===4H2O 正极反应 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 总反应 2H2＋O2===2H2O 1．下列装置工作时，将化学能转化为电能的是(　　) 答案　C 2．下列有关化学电池的说法中不正确的是(　　) A．化学电池可将电能转化为化学能 B．化学电池的反应基础是氧化还原反应 C．可以根据比能量、比功率来判断电池的优劣 D．一次电池包括干电池和蓄电池 答案　D [对应学生用书第83页] 要点一　二次电池的工作原理 已知铅蓄电池的充、放电过程：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)＋2H2O(l)。 1．铅蓄电池放电时，正极区域溶液的pH是如何变化的？ 提示：铅蓄电池放电时，正极反应式为PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，反应消耗H＋，故c(H＋)下降，pH升高。 2．铅蓄电池放电时，两极发生什么反应？充电时两极发生什么反应？据此，在充电时，怎样连接电源的两极？ 提示：放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；充电时，阴极发生还原反应，阳极发生氧化反应；铅蓄电池在充电时，负极接电源负极，正极接电源正极。 1．放电、充电反应及充电连接 2．二次电池放电原理 3．二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。 [特别警示] 可充电电池电极反应式的书写注意事项 可充电电池放电时为原电池，充电时为电解池。 (1)原电池的负极发生氧化反应，充电时为阴极，发生还原反应，故放电时的负极反应式与充电时的阴极反应式相反。 (2)原电池的正极发生还原反应，充电时为阳极，发生氧化反应，故放电时的正极反应式与充电时的阳极反应式相反。 [例1]　(湖南株洲月考)一种NaCO2二次电池放电时的原理如图所示，电池放电时正极反应式为3CO2＋4e－＋4Na＋===2Na2CO3＋C。下列说法中不正确的是(　　) A．放电时，电解质溶液中Na＋向碳纳米材料移动 B．放电时，负极反应为Na－e－===Na＋ C．充电时，电池总反应为2Na2CO3＋C===4Na＋3CO2↑ D．非水系电解液可以是NaClO4的乙醇溶液 解析　据图可知，放电时正极上CO2得电子生成C，负极上Na失电子生成Na＋，即碳纳米材料为正极，钠为负极，放电时总反应为4Na＋3CO2===2Na2CO3＋C。放电时，电解质溶液中阳离子向正极移动，即Na＋向碳纳米材料移动，A正确；放电时负极反应为Na－e－===Na＋，B正确；根据放电时的总反应，可得充电时的总反应为2Na2CO3＋C===4Na＋ 3CO2↑，C正确；由于钠能和乙醇反应，故非水系电解液不能是NaClO4的乙醇溶液，D错误。 答案　D 1．(北京丰台区高二期中)如图是一种应用广泛的锂电池，LiPF6是电解质，SO(CH3)2是溶剂，反应原理是4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法不正确的是(　　) A．该装置将化学能转化为电能 B．电子移动方向是由a极流向b极 C．不可以用水代替SO(CH3)2作溶剂 D．b极反应式是FeS2＋4Li＋－4e－===Fe＋2Li2S 解析　该装置是原电池，是将化学能转化为电能的装置，A正确；根据化学方程式，锂发生氧化反应，a为负极、b为正极，外电路中电子移动方向为由负极流向正极，即由a极流向b极，B正确；Li能与水反应，所以不能用水代替SO(CH3)2作溶剂，C正确；b极上FeS2得电子发生还原反应，电极反应式为FeS2＋4Li＋＋4e－===Fe＋2Li2S，D错误。 答案　D 要点二　燃料电池 1．氢氧燃料电池如果用稀硫酸作电解质溶液，工作一段时间后，电解质溶液的浓度将如何变化？溶液的pH将如何变化？ 提示：浓度减小，pH增大。反应过程中电解质不被消耗，但氢气和氧气反应生成水，使溶液变稀，pH增大。 2．已知氢气可以在氯气中燃烧，根据燃料电池的原理，能否以该反应设计燃料电池？ 提示：能。氢气可以在氯气中发生自发的氧化还原反应。 1．燃料电池的组成和工作原理 (1)组成 (2)工作原理 利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下，在负极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达正极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到正极，这样就产生了电能。 2．书写燃料电池电极反应式的三步骤 3．以CH3OH为燃料的燃料电池电极反应式的书写 (1)酸性介质： (2)碱性介质： (3)熔融Na2CO3介质： (4)熔融氧化物介质： [例2]　“践行双碳目标，助力绿色冬奥”，2022年北京冬奥会使用近700辆搭载国家电投氢能公司全自主研发“氢腾”燃料电池系统的宇通氢能大巴。某种氢燃料电池的内部结构如下图，下列说法正确的是(　　) A．b极为正极，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－ B．电子流向为：从电极a经电解质溶液到电极b C．装置工作一段时间后，电解质溶液的pH增大 D．正极每消耗2.24 L H2，转移2 mol电子 [解析]　A．由分析可知，通入氧气的电极b为正极，酸性条件下，氧气在正极得到电子发生还原反应生成水，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，故A错误；B．由分析可知，通入氢气的a电极为负极，通入氧气的电极b为正极，电子从电极a经用电器到电极b，故B错误；C．电池工作时，反应生成水，电解质溶液体积增大，溶液中氢离子浓度减小，pH增大，故C正确；D．未知温度和压强，无法计算2.24 L氢气的物质的量和反应转移电子的物质的量，故D错误。故选C。 [答案]　C 2．一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2－。下列对该项燃料电池说法正确的是(　　) A．在熔融电解质中，O2－移向正极 B．电池总反应式是：2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O C．通入空气的一极是负极，电极反应为：O2＋4e－===2O2－ D．通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e－＋13O2－===4CO2＋5H2O 解析　该电池是以丁烷的燃烧设计成的燃料电池，反应总方程式就是丁烷的燃烧方程式。在燃料电池中可燃物一般是还原剂，在电池中的负极上发生反应。首先写出丁烷的燃烧方程式，然后写出O2得电子的电极方程式，总反应式与正极式相减即得负极方程式。在原电池中阴离子向负极移动，A错误；在该氧化还原反应中丁烷是燃料，应该在负极上发生氧化反应，D错误；燃料电池总反应实质是一个燃烧反应，而正极空气中氧气发生还原反应变为电解质的阴离子，B正确、C错误。 答案　B [对应学生用书第85页] 1．下面是几种常见的化学电源示意图，有关说法不正确的是(　　) A．上述电池分别属于一次电池、二次电池和燃料电池 B．干电池在长时间使用后，锌筒被破坏 C．铅蓄电池工作过程中，每通过2 mol电子，负极质量减轻207 g D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 解析　在干电池中，Zn作负极，被氧化，B正确；C项忽略了硫酸铅在该极上析出，该极质量应该增加而非减小；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源，D正确。 答案　C 2．氢燃料电池汽车由于具备许多优势而备受关注。某氢燃料电池汽车的结构如图所示。下列说法错误的是(　　) A．电极A、B采用多孔电极材料的优点是能增大反应物接触面积 B．“电池”能将燃料电池产生的多余电能暂时储存起来 C．电极B的电极反应式为O2＋4e－===2O2－ D．质子通过电解质溶液向电极B迁移 解析　多孔电极材料表面积大，吸附性强，能增大反应物接触面积，A正确；汽车行驶过程中，燃料电池产生的电能转化为动能，当汽车处于怠速等过程中，“电池”能将燃料电池产生的多余电能暂时储存起来，B正确；电解质溶液为酸性溶液，电极B的电极反应为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，C错误；电极B通入氧气，发生还原反应，为正极，质子(即氢离子)为阳离子，向正极移动，D正确。 答案　C 3．铁-镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。下列有关该电池的说法不正确的是(　　) A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为Fe B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2 C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低 D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O 解析　充电过程，阴极反应为Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，c(OH－)增大，pH增大，C项错误。 答案　C 4．“神舟九号”飞船的电源系统共有3种，分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。 (1)飞船在光照区运行时，太阳能电池帆板将________能转化为________能，除供给飞船使用外，多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2。充电时，阳极的电极反应式为_____________________； 当飞船运行到阴影区时，镉镍蓄电池开始为飞船供电，此时负极附近溶液的碱性________________________________________________________________________ (选填“增强”“减弱”或“不变”)。 (2)紧急状况下，应急电池会自动启动，工作原理为Zn＋Ag2O＋H2O2Ag＋Zn(OH)2，其负极的电极反应式为 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　(1)充电时，阳极上发生失电子的氧化反应，则Ni(OH)2为阳极；放电时，负极反应为Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，负极附近溶液的碱性减弱。 答案　(1)太阳　电　Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O　减弱　(2)Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2 学科网（北京）股份有限公司 $$