专题1 第2单元 第2课时 化学电源（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（苏教版2019）

第2课时　化学电源 课程标准 核心素养目标 1.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。 2．充分利用铅蓄电池、氢氧燃料电池等案例素材，发展学生对原电池工作原理的认识。 3．学会制作简单的燃料电池。 1.宏观辨识与微观探析：能从宏观和微观结合的视角认识常见化学电源的结构、工作原理及物质与能量转化。 2．科学态度与社会责任：具有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识，能依据所学原电池知识解释生产、生活中简单的化学问题；在实践中逐步形成保护环境的观念。 [对应学生用书P18] 一、化学电源概述 类别 特点 一次电池 电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就不能再使用，放电后不可再充电 二次电池 放电后可以再充电，可多次重复使用 燃料电池 燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能 二、一次电池 1．普通锌锰干电池和碱性锌锰电池比较 电池 普通锌锰干电池 碱性锌锰电池 构造示意图 构造 负极：锌筒 正极：石墨棒 电解质：氯化铵和氯化锌 负极：锌粉 正极：二氧化锰 电解质：氢氧化钾 工作原理 负极：Zn＋2NH－2e－===Zn(NH3)＋2H＋ 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH 总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===2MnOOH＋Zn(NH3)2Cl2 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－ 总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2 特点 优点：制作简单，价格便宜。 缺点：放电时间短，放电后电压下降较快 优点：克服了普通锌锰干电池的缺点，单位质量所输出的电能多，储存时间长，适用于大电流和连续放电 2.银锌纽扣电池 (1)构造示意图 (2)电极反应式及电池反应方程式 负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－ 电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag (3)优点：银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点。 (4)用途：常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、计算器和其他微型电子仪器中。 三、二次电池 1．铅蓄电池 (1)构造与组成 铅蓄电池由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸。 (2)工作原理 放电过程 充电过程 负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4(氧化反应) 阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO(还原反应) 正极：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应) 阳极：PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO(氧化反应) 总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O 总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4 铅蓄电池的充、放电过程： Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O (3)铅蓄电池的特点 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。 2．锂离子电池 (1)构造与组成 锂离子电池由正极、负极和电解质溶液三部分组成，正极材料多采用磷酸铁锂(LiFePO4，也称磷酸亚铁锂)或钴酸锂(LiCoO2)等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌(即可逆嵌脱)结构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。 (2)工作原理(以钴酸锂­石墨锂电池为例) 电极 电极反应式 负极 LixC6－xe－===6C＋xLi＋ 正极 Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 电池反应 LixC6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C (3)反应过程 在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。 在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。 四、燃料电池 氢氧燃料电池 (1)构造示意图 碱性氢氧燃料电池的原理示意图 (2)氢氧燃料电池工作原理 电解质 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH) 负极反应式 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极反应式 O2＋4e－＋4H＋===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 总反应式 2H2＋O2===2H2O (3)电池特点 ①能量转换效率高、废弃物排放少、运行噪音小。 ②工作时，燃料电池的氧化剂和还原剂不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，连续不断地提供电能。 [对应学生用书P20] 探究一 一次电池 酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，中间是石墨棒，其周围是由炭粉、二氧化锰、氯化锌和氯化铵等组成的填充物，该电池在放电过程中产生MnOOH。 [问题设计] (1)该电池的正极反应式为 。 (2)电池反应的离子方程式为 。 (3)维持电流强度为0.5 A，电池工作五分钟，理论消耗Zn g。(已知F＝96 500 C·mol－1) (4)一种银锌纽扣电池的电池反应为Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag，正极上的反应是 ；电池工作时溶液的pH (填“增大”“减小”或“不变”)。 答案：(1)提示：MnO2＋H＋＋e－===MnOOH (2)提示：Zn＋2MnO2＋2H＋===Zn2＋＋2MnOOH (3)提示：0.05 (4)提示：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－　增大 解析：(1)酸性锌锰干电池是一种一次电池，外壳为金属锌，锌是负极，电极反应式为Zn－2e—===Zn2＋。中间是石墨棒，石墨棒作正极，二氧化锰得到电子，则正极电极反应式为MnO2＋H＋＋e—===MnOOH。 (2)负极反应是Zn－2e－===Zn2＋，因此电池反应的离子方程式为Zn＋2MnO2＋2H＋===Zn2＋＋2MnOOH。 (3)维持电流强度为0.5 A，电池工作五分钟，则通过的电量是150 C，因此通过电子的物质的量是 mol≈1.554×10－3 mol，锌在反应中失去2个电子，则理论消耗Zn的质量是×65 g/mol≈0.05 g。 (4)由电池反应分析电解质溶液是碱性环境，负极反应式是Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，因此正极反应式是Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－，电解质溶液中OH－的物质的量不变，但消耗水，OH－浓度增大，pH增大。 化学电池中电极反应式的书写方法及步骤 (1)分析电极反应。负极化合价升高，失电子，发生氧化反应，写出氧化产物的简单形式；正极化合价降低，得电子，发生还原反应，写出还原产物的简单形式。 (2)注意电解质环境。电极产物在电解质溶液中能稳定存在，写出产物的正确存在形式。 (3)根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 (4)根据正、负极得失电子守恒，两电极反应式相加得电池总反应。 (5)若已知电池总反应，可用电池总反应减去某一电极反应式求得另一电极反应式。 【轻巧记忆】 各类电极反应式的一般书写步骤为①列物质，标得失；②选离子，配电荷；③配个数，巧用水；④两式加，验总式。 【例1】 (2023·全国乙卷，改编)室温钠­硫电池被认为是一种成本低、比能量高的能源存储系统。一种室温钠­硫电池的结构如图所示。将钠箔置于聚苯并咪唑膜上作为一个电极，表面喷涂有硫黄粉末的炭化纤维素纸作为另一电极。工作时，在硫电极发生反应：S8＋e－===S，S＋e－===S，2Na＋＋S＋2(1－)e－===Na2Sx 下列叙述错误的是(　　) A．放电时Na＋从硫电极向钠电极迁移 B．放电时外电路电子流动的方向是a→b C．放电时正极反应为2Na＋＋S8＋2e－===Na2Sx D．炭化纤维素纸的作用是增强硫电极导电性能 A　解析：放电时，Na＋由钠电极迁移至硫电极，A错误；放电时Na在a电极失去的电子经外电路流向b电极，电子在外电路的流向为a→b，B正确；由题给的一系列方程式相加可以得到放电时正极的反应式为2Na＋＋S8＋2e－===Na2Sx，C正确；炭化纤维素纸中含有大量的炭，炭具有良好的导电性，可以增强硫电极的导电性能，D正确。 1．某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是(　　) A.锌为电池的负极 B．正极反应式为2FeO＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2O C．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大 D．电池工作时OH－向负极迁移 B　解析：以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液的电池中，锌为负极，发生反应：3Zn＋6OH－－6e－===3Zn(OH)2，A正确；K2FeO4为正极，发生反应：2FeO＋8H2O＋6e－===2Fe(OH)3＋10OH－，B错误；放电过程中有OH－生成，则电解质溶液的浓度增大，OH－向负极迁移，C、D正确。 探究二 二次电池 某全固态薄膜锂离子电池截面结构如图所示，电极A为非晶硅薄膜，充电时Li＋得电子成为Li嵌入该薄膜材料中；电极B为LiCoO2薄膜；集流体起导电作用。 [问题设计] (1)电极A为非晶硅薄膜，充电时Li＋得电子成为Li嵌入该薄膜材料中，说明电极A是电池的正极还是负极？ 提示：电极A是负极。 (2)电池放电时的负极反应式是 。 提示：Li－e－===Li＋ (3)充放电时总反应式为Si＋LiCoO2 Lix Si＋Li(1－x)CoO2，充电时阳极反应式为 。 提示：LiCoO2－xe－===Li(1－x)CoO2＋xLi＋。 (4)充电时的连接方式是什么？ 提示：电池的正极与外接电源的正极相连作阳极；电池的负极与外接电源的负极相连作阴极。 充电电池充电、放电的原理 (1)充电电池是既能将化学能转化为电能(放电)，又能将电能转化为化学能(充电)的一类特殊电池。需要注意的是充电和放电的反应不互为可逆反应。 (2)充电、放电时各电极上发生的反应 [注意] 分析放电时电极反应，一定注意分析电解质溶液的酸、碱性或其他性质。 (3)充电电池电极反应式的书写 充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应式刚好相反。例如，铅蓄电池充电、放电的过程如下图所示。 【例2】 科学家近年发明了一种新型Zn­CO2水介质电池。电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。 放电时负极反应式是 ， 充电时阳极反应式是 。 答案：Zn＋4OH－－2e－===Zn(OH)　2H2O－4e－===4H＋＋O2↑ 2．我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na­CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应式为3CO2＋4Na 2Na2CO3＋C。 放电时，正极反应式是 ， 充电时Ni与外界电源的 (填“正极”或“负极”)相连，充电时该电极反应式是 。 答案：3CO2＋4e－===2CO＋C(或3CO2＋4Na＋＋4e－===2Na2CO3＋C)　正极　2CO＋C－4e－===3CO2(或2Na2CO3＋C－4e－===3CO2＋4Na＋) 探究三 燃料电池 信息1　某款氢燃料客车上榜第342批公告，搭载质子交换膜燃料电池系统，驱动电机额定功率：90 kW，峰值功率：200 kW，该车采用电机控制器限速，限速69 km·h－1。 信息2　质子交换膜燃料电池　质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化反应的场所，阴极为氧化剂发生还原反应的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，即其阳极为电源负极，阴极为电源正极。 [问题设计] (1)试写出该氢氧燃料电池的电极反应式。 提示：负极：2H2－4e－===4H＋；正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (2)燃料电池有哪些优点？ 提示：①能量转换效率高。②排放的废弃物少，绿色环保。③燃料与氧化剂方便更换，且能连续不断地提供电能。 (3)常见的燃料电池还有哪些？ 提示：甲烷、甲醇、肼(N2H4)、氨等都可以作为燃料电池的燃料。 (4)燃料电池通常哪一电极反应式容易书写？ 提示：正极电极反应式容易书写。 1．有机燃料电池电极反应式的书写方法 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，要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。 如甲烷碱性(NaOH溶液)燃料电池负极反应式的书写方法。 第一步：确定生成物。 甲烷燃烧生成CO2和H2O，其中CO2与NaOH溶液反应生成Na2CO3和H2O，故生成物为CO和H2O。 第二步：确定价态的变化及转移电子数。 甲烷(CH4)中碳元素的化合价为－4，CO中碳元素的化合价为＋4，故1 mol甲烷完全反应失去1×[4－(－4)] mol＝8 mol电子。 第三步：列出表达式。 CH4＋OH－－8e－―→CO＋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CO的化学计量数为1， 由电荷守恒确定OH－的化学计量数为10。 (注：失去8个电子，相当于带8个单位正电荷) 再由氢原子守恒确定H2O的化学计量数为7， 故负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O。 2．书写燃料电池电极反应式的三步骤 3．常见的四种典型燃料电池 名称 电解质 电极反应式和电池总反应式 氢氧燃料电池 KOH 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O 总反应：2H2＋O2===2H2O H2SO4 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O 负极：2H2－4e－===4H＋ 总反应：2H2＋O2===2H2O 甲烷燃料电池 KOH 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ 负极：CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O 总反应：CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O 甲醇燃料电池 KOH 正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－ 负极：2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O 总反应：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O 肼燃料电池 KOH 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极：N2H4＋4OH－－4e－===N2＋4H2O 总反应：N2H4＋O2===N2＋2H2O 【例3】 (2023·江苏盐城高二质检)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．反应CH4＋H2O3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B．电极A上的电极反应式为H2＋2OH－－2e－===2H2O C．电池工作时，CO向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO D　解析：由碳元素化合价变化可知，每消耗1 mol CH4转移6 mol电子，A错误；电极A为负极，电极反应式为H2＋CO＋2CO－4e－===H2O＋3CO2，B错误；电池工作时，CO向电极A移动，C错误；电极B是正极，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO，D正确。 3．(2023·福建漳州高二训练)CO无色无味有毒，世界各国每年均有不少人因CO中毒而失去生命。一种CO分析仪的工作原理如图所示，该装置中电解质为氧化钇­氧化钠，其中O2－可以在固体介质NASICON中自由移动。下列说法错误的是(　　) A．负极的电极反应式为CO＋O2－－2e－===CO2 B．工作时电极b作正极，O2－由电极a向电极b移动 C．工作时电子由电极a通过传感器流向电极b D．传感器中通过的电流越大，尾气中CO的含量越高 B　解析：负极上一氧化碳失电子和氧离子反应生成二氧化碳，电极反应式为CO＋O2－－2e－===CO2，A正确；原电池放电时，阴离子向负极移动，该原电池中，a是负极，b是正极，所以氧离子由电极b向电极a移动，B错误；放电时，a是负极，b是正极，电子从负极a通过传感器流向电极b，C正确；一氧化碳的含量越大，一氧化碳失电子越多，则原电池放电时产生的电流越大，D正确。 [对应学生用书P24] 1．如图所示是一种以液态肼(N2H4)为燃料、氧气为氧化剂、某固体氧化物为电解质的新型燃料电池。该固体氧化物电解质的工作温度高达700～900 ℃时，O2－可在该固体氧化物电解质中自由移动，生成物均为无毒无害的物质。下列说法正确的是(　　) A．电极甲发生还原反应 B．电池内的O2－由电极乙移向电极甲 C．电池反应为N2H4＋2O2===2NO＋2H2O D.当电极甲上消耗1 mol N2H4时，电极乙上有22.4 L O2参与反应 B　解析：根据原电池的工作原理进行分析，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。通O2的一极为正极，通N2H4的一极为负极，即电极甲为负极，依据原电池的工作原理知，电极甲上发生氧化反应，A错误；O2－从正极移向负极，即由电极乙移向电极甲，B正确；因为反应生成无毒无害物质，则N2H4转化成N2和H2O，电池反应为N2H4＋O2===N2＋2H2O，C错误；题目中没有说明是否为标准状况下，因此无法计算气体的体积，D错误。 2．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．通入氧气的电极发生氧化反应 B．通入氢气的电极为正极 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O D　解析：该燃料电池中，H2和O2分别在负极和正极上发生氧化反应和还原反应，正极的电极反应式为4H＋＋O2＋4e－===2H2O，该电池中导电离子为H＋，在电池内部由负极定向移动至正极。 3．“绿水青山就是金山银山”，利用原电池原理治理各种污染是科研工作人员致力研究的重要课题之一。 (1)硫化氢是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体，我国在太阳能光电催化­化学耦合分解硫化氢的研究中获得新进展，相关装置如图所示。 ①指出a极和b极的名称，并写出电极反应式： 。 ②结合离子方程式分析H2S气体去除的原理为 。 (2)碳排放是影响气候变化的重要因素之一。科学家开发出一种新系统，“溶解”水中的二氧化碳，以触发电化学反应，生成电能和氢气，其工作原理如图所示。 写出生成氢气的电极反应式和此电池的电池总反应式： 。 (3)微生物燃料电池在净化废水的同时能获得能源或得到有价值的化学产品，如图为其工作原理，下图为废水中Cr2O的浓度与去除率的关系。 根据图示写出正极的电极反应式： 。 答案：(1)①a极为负极，电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋；b极为正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑ ②除去H2S的过程涉及两个反应步骤，第一步Fe2＋在电极上发生反应：Fe2＋－e－===Fe3＋；第二步，生成的铁离子氧化硫化氢生成硫单质，离子方程式为2Fe3＋＋H2S===2Fe2＋＋S↓＋2H＋ (2)氢气在b电极产生，其电极反应式为2CO2＋2H2O＋2e－===2HCO＋H2，a电极反应式为Na－e－===Na＋，因此电池总反应式为2Na＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2。 (3)O2＋4H＋＋4e－===2H2O，Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O 学科网（北京）股份有限公司 $$