6.3.2 化学电源（Word导学案）-【步步高】2023-2024学年高一化学必修第二册学习笔记（苏教版2019）

第2课时　化学电源 [核心素养发展目标]　1.了解一次电池、二次电池、燃料电池等化学电池的特点及在生活中的应用。2.掌握构成化学电源的基本要素，了解常见化学电源的工作原理。 一、一次电池、二次电池 1．一次电池(干电池) (1)特点：电池用过之后不能复原，如锌锰干电池属于一次电池。 (2)锌锰干电池 电池反应 Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH) 构造示意图　 工作原理 负极 锌筒 Zn－2e－===Zn2＋ 锌被氧化，逐渐消耗 正极 石墨棒 MnO2被还原 电解质 氯化铵 2.二次电池(充电电池) (1)充电电池又称二次电池。其能量的转化关系是化学能电能。 (2)常见的充电电池 ①铅蓄电池：PbO2＋Pb＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，常用于机动车辆。负极材料是Pb，正极材料是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。 ②镍氢电池：NiO(OH)＋MHNiO＋M＋H2O。负极材料是贮氢合金(常用MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢)，正极材料是泡沫氧化镍，电解质溶液是氢氧化钾溶液。 ③银锌纽扣电池Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag。锌作负极，Ag2O作正极，电解质溶液为氢氧化钾溶液。 ④锂离子电池是笔记本电脑、手机等数码产品中使用最为广泛的电池。 (1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细(　　) (2)干电池放电之后可以再充电(　　) (3)充电电池可以无限制地反复充电、放电(　　) (4)二次电池充电时化学能转化为电能(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)×　(4)× 1．写出下列电池的正、负极反应式。 (1)银锌纽扣电池放电时 Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag 负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2； 正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。 (2)镍氢电池放电时 NiO(OH)＋MHNiO＋M＋H2O 负极：MH－e－＋OH－===M＋H2O； 正极：NiO(OH)＋e－===NiO＋OH－。 2．铅蓄电池放电时正极、负极电极反应式分别为 负极：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)； 正极：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)。 当电路中转移0.2 mol电子时，负极、正极质量如何变化？ 提示　负极质量增加9.6 g，正极质量增加6.4 g。 1．某普通锌锰干电池的结构如图所示。下列说法正确的是(　　) A．锌筒是原电池的正极 B．石墨电极上发生氧化反应 C．铵根离子流向石墨电极 D．电子经石墨棒沿电解质溶液流向锌筒 答案　C 解析　锌锰干电池中，锌筒作负极，石墨棒作正极，正极上二氧化锰得电子发生还原反应，A、B错误；原电池中阳离子向正极移动，故铵根离子流向石墨电极，C正确；电子经导线由负极锌筒流向石墨棒，D错误。 2．(2022·兰州第一中学高一期中)镍氢电池放电时的总反应是H2＋NiO(OH)===Ni(OH)2，根据此反应判断，下列说法正确的是(　　) A．电池放电时，电池负极周围溶液的碱性不断增大 B．电池放电时，镍元素被氧化 C．电池放电时，氢元素被还原 D．电池放电时，通入H2的一极是负极 答案　D 解析　电池放电时，负极反应式为H2－2e－＋2OH－===2H2O，所以负极周围溶液的氢氧根离子减少，溶液的pH减小，A错误；电池放电时，正极反应式为NiO(OH)＋H2O＋e－===OH－＋Ni(OH)2，镍元素被还原，B错误；电池放电时，H2是负极，氢元素化合价升高，被氧化，C错误、D正确。 3．镍-镉(Ni-Cd)可充电电池的总反应为Cd(OH)2＋2Ni(OH)2Cd＋2NiO(OH)＋2H2O，由此可知，放电时该电池的负极材料是(　　) A．Cd B．NiO(OH) C．Cd(OH)2 D．Ni(OH)2 答案　A 解析　放电时，Cd由0价到＋2价，失电子，故负极材料为Cd。 二、燃料电池、电解池 1．氢氧燃料电池 该电池反应式为 负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O； 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 总反应：2H2＋O2===2H2O。 2．电解池 将电能转化为化学能的装置。 (1)电解水制氢气和氧气 化学方程式为2H2O2H2↑＋O2↑。 (2)电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气 化学方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。 (3)电解制取金属 ①电解熔融的氧化铝制备铝 阴极反应式：Al3＋＋3e－===Al； 阳极反应式：2O2－－4e－===O2↑； 总反应式：2Al2O34Al＋3O2↑。 ②电解制备其他活泼金属 电解熔融的氯化钠、氯化镁、氯化钙可分别得到钠、镁、钙的单质和氯气。 (4)通常条件下无法自发进行的化学反应可通过电解的方法实现。 (1)燃料电池中，燃料在正极上发生氧化反应(　　) (2)氢氧燃料电池将热能直接转变为电能(　　) (3)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高(　　) (4)活泼金属的冶炼常用电解法(　　) (5)原电池将化学能转化为电能，而电解池将电能转化为化学能(　　) 答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)√　(5)√ 写出下列燃料电池的正、负极反应式和总反应。 (1)氢氧酸性燃料电池 负极：H2－e－===2H＋； 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 总反应：2H2＋O2===2H2O。 (2)CH4酸性燃料电池 负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋； 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； 总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O。 (3)甲醇-空气碱性燃料电池 负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO＋6H2O； 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－； 总反应：2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O。 (4)铝-空气燃料电池(NaOH溶液为电解质溶液) 负极：Al＋4OH－－3e－===AlO＋2H2O； 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 总反应：4Al＋4OH－＋3O2===4AlO＋2H2O。 电极反应式的书写 1．电解饱和食盐水制备烧碱、氯气和氢气，阳极的产物是(　　) A．烧碱 B．氯气 C．氢气 D．以上都不对 答案　B 2．电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量，其工作原理如图所示。下列说法正确的是(　　) A．电流由a极流向b极 B．溶液中的OH－向b极移动 C．a极的电极反应式为2NH3－6e－===N2＋6H＋ D．b极的电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 答案　D 解析　氧气在b极发生还原反应，则b极为正极，电流由正极流向负极，则电流由b极流向a极，A项错误；溶液中的阴离子会移向负极，故OH－向a极移动，B项错误；a极通入氨气生成氮气，电解质溶液显碱性，则a极的电极反应式为2NH3＋6OH－－6e－===N2＋6H2O，C项错误；b极通入氧气，氧气得电子被还原，电极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，D项正确。 3．某种氢氧燃料电池已经成功应用在城市公交汽车上，该电池用30%H2SO4溶液作电解质溶液。有关这种燃料电池的下列说法正确的是(　　) A．该电池工作时，正极区域溶液pH上升 B．a电极为负极，发生还原反应 C．正极上的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．该电池能够将化学能全部转化为电能且产物是水，属于环境友好电池 答案　A 解析　正极上的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，氢离子浓度减小，该电池工作时，正极区域溶液pH上升，A正确；该装置为原电池，通入氢气的一极为负极，a电极为负极，失电子，发生氧化反应，B错误；b电极通入氧气，氧气发生得电子的还原反应，作正极，酸性条件下，正极上的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，C错误；该电池能量转化率高，但不能全部转化，且产物是水，属于环境友好电池，D错误。 题组一　一次电池、二次电池 1．下列有关锌锰干电池的说法正确的是(　　) A．锌外壳是负极，石墨棒是正极 B．在外电路中电子从石墨棒流向锌外壳 C．电流从锌外壳流到石墨棒上 D．在电池内部阳离子从石墨棒向锌外壳移动 答案　A 解析　A项，在锌锰干电池中，锌外壳是负极，石墨棒是正极，故正确；B项，在外电路中电子从锌外壳流向石墨棒，故错误；C项，电流的方向与电子的流向相反，应从石墨棒流向锌外壳，故错误；D项，电池内部，阳离子向正极石墨棒移动，故错误。 2．银锌纽扣电池如图所示，其电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2OZn(OH)2＋2Ag。 下列说法不正确的是(　　) A．锌作负极，发生氧化反应 B．正极为Ag2O，发生还原反应 C．电池工作时，电流从Ag2O经导线流向Zn D．负极的电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋ 答案　D 解析　Zn失电子发生氧化反应而作负极，故A正确；正极上Ag2O得电子发生还原反应，故B正确；原电池中电流从正极沿导线流向负极，该电池中Zn是负极、Ag2O是正极，所以放电时电流从Ag2O经导线流向Zn，故C正确；碱性条件下锌离子生成Zn(OH)2，所以负极电极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2，故D错误。 3．铅蓄电池是一种典型的可充电电池，其放电时的电池总反应为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO===2PbSO4＋2H2O，则下列说法不正确的是(　　) A．电池工作时，负极反应式：Pb－2e－===Pb2＋ B．铅蓄电池是二次电池，放电时是化学能转化为电能 C．电池工作时，电子由Pb板通过导线流向PbO2板 D．电池工作时，溶液中H＋移向PbO2板 答案　A 解析　负极反应为Pb－2e－＋SO===PbSO4，故A错误。 4．碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应式为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋2MnOOH(s)，下列说法错误的是(　　) A．电池工作时，锌失去电子 B．电池正极上发生还原反应 C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D．外电路中每通过0.2 mol电子，锌的质量理论上减小6.5 g 答案　C 解析　由电池总反应可知，Zn失去电子生成Zn(OH)2，故A正确；MnO2为原电池的正极，发生还原反应，故B正确；原电池中，电子由负极通过外电路流向正极，故C错误；负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2，消耗1 mol Zn转移2 mol电子，若转移0.2 mol电子，消耗0.1 mol Zn，质量为6.5 g，故D正确。 5．(2022·广州高一期中)手机使用的锂电池以质量轻、能量高而备受关注，目前已成功研制出多种锂电池。某种锂电池的总反应是Li＋MnO2===LiMnO2。下列说法中正确的是(　　) A．MnO2是负极，电极反应式为MnO2＋e－===MnO B．Li是正极，电极反应式为Li－e－===Li＋ C．电池内部产生的MnO向锂电极移动 D．钠比锂更活泼，相同质量的钠作电极比锂提供的电能更多 答案　C 解析　由锂电池的总反应为Li＋MnO2===LiMnO2可知Li失去电子，Li作负极，正极上MnO2得到电子，正极反应为MnO2＋e－===MnO，故A错误；电池内部产生的MnO向负极即锂电极移动，故C正确；钠和锂为同主族元素，相同物质的量的Na和Li失电子数相同，Li的相对原子质量较小，则相同质量的钠作电极比锂失电子数少，提供的电能少，故D错误。 题组二　燃料电池 6．燃料电池是目前电池研究的热点之一。某课外小组自制的氢氧燃料电池如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述错误的是(　　) A．a极是负极，该电极上发生氧化反应 B．b极发生的电极反应是2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ C．电池总反应为2H2＋O2===2H2O D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 答案　B 解析　A项，a极通入H2，为负极，电极反应式为2H2＋4OH－－4e－===4H2O，发生的是氧化反应，正确；B项，b极通入O2，为正极，电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，错误；C项，正、负极电极反应式相加可得，电池总反应为2H2＋O2===2H2O，正确；D项，氢氧燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源，正确。 7．一种直接铁燃料电池(电池反应为3Fe＋2O2===Fe3O4)的装置如图所示，下列说法正确的是(　　) A．Fe极为电池正极 B．KOH溶液为电池的电解质溶液 C．电子由多孔碳极沿导线移向Fe极 D．5.6 g Fe参与反应，导线中转移1.204×1023个电子 答案　B 解析　该电池中铁失去电子，为电池负极，A项错误；电子由Fe极沿导线移向多孔碳极，C项错误；根据电池反应3Fe＋2O2===Fe3O4，可知，3 mol铁参与反应时转移8 mol电子，故5.6 g Fe参与反应，导线中转移1.605×1023个电子，D项错误。 8．(2023·四川广安华蓥中学期中)H2O2在强碱性溶液中主要以HO形式存在。Al-H2O2燃料电池工作原理如图所示。正极反应式为HO＋2e－＋H2O===3OH－。提示：电池效率等于电路上通过的电子数与负极失去电子数之比。下列说法错误的是(　　) A．Al极发生氧化反应 B．电流由Pt极经负载流向Al极 C．放电时，OH－向Al极迁移 D．若正极生成4.5 mol OH－，电路经过2.4 mol电子，电池效率为60% 答案　D 解析　观察图示知，Al-H2O2燃料电池中铝电极为负极，铂电极为正极。负极发生氧化反应，A项正确；电流由正极经外电路流向负极，B项正确；铂极为正极，铝极为负极，OH－向负极迁移，C项正确；正极反应式为HO＋2e－＋H2O===3OH－，n(OH－)＝4.5 mol，n(e－)＝3 mol，电池效率η＝×100%＝80%，D项错误。 题组三　电解在物质制备中的应用 9．下列说法错误的是(　　) A．电解水可以制得氢气和氧气 B．电解饱和食盐水可以制得钠和氯气 C．电解熔融的氧化铝可以制得金属铝 D．手机充电时电能转化为化学能 答案　B 解析　电解饱和食盐水得到的是NaOH、H2和Cl2，电解熔融NaCl可以得到Na和Cl2，B项错误。 10．(2023·苏州高一期中)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．铅蓄电池在工作中，负极每消耗1 mol铅，则H2SO4溶液中就转移2 mol电子 D．氢氧燃料电池中负极通入氢气发生氧化反应 答案　C 解析　干电池是一次电池，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A正确；在干电池中，Zn作负极，被氧化，故B正确；铅蓄电池工作过程中负极每消耗1 mol铅，则线路中会转移2 mol电子，硫酸中无电子转移，故C错误。 11．随着环保整治的逐渐推进，乙醇作为一种燃料逐渐走进人们的视野，如“乙醇汽油”“乙醇电池”等。如图是一种新型的乙醇电池的工作示意图，该电池总反应为C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．a极为正极，b极为负极 B．负极反应式为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋ C．反应中转移6 mol电子时，正极消耗33.6 L O2 D．该燃料电池工作一段时间后，酸性增强 答案　B 解析　依据质子(H＋)向正极移动，可确定a极为负极，b极为正极，A项错误；在电池负极，C2H5OH在酸性电解质溶液中失电子，生成二氧化碳等，负极反应式为C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2＋12H＋，B项正确；正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，当反应中转移6 mol电子时，正极消耗1.5 mol O2，但由于温度、压强未知，所以O2的体积不一定是33.6 L，C项错误；由电池总反应C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O可知，该燃料电池工作一段时间后，H＋的物质的量不变，但溶剂的质量增加，所以溶液的酸性减弱，D项错误。 12．(2022·河北衡水高一期中)热激活电池常用作火箭的工作电源，某种热激活电池以Ca和PbSO4为电极材料，以无水LiCl-KCl为电解质，电池总反应为PbSO4＋2LiCl＋Ca===CaCl2＋Li2SO4＋Pb。当电解质受热熔融后，电池即可瞬间放电。下列有关说法不正确的是(　　) A．PbSO4电极发生还原反应 B．负极的电极反应式为Ca－2e－===Ca2＋ C．放电时，K＋向负极移动 D．每转移1 mol电子，正极质量减少48 g 答案　C 解析　放电时，原电池电解质溶液中的阳离子移向正极。 13．(2023·徐州高一检测)锌-空气电池装置如图所示，该电池的核心是驱动氧化还原反应(ORR)和析氧反应(OER)，KOH溶液为电解质溶液，放电时总反应为2Zn＋O2＋4OH－＋2H2O=== 2Zn(OH)，下列有关说法正确的是(　　) A．放电时电解质溶液中OH－向正极移动 B．放电时，电路中通过2 mol电子，消耗氧气11.2 L C．发生OER反应的电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ D．在电池放电过程中，空气进入电池，发生ORR反应，释放OH－ 答案　D 解析　原电池中阴离子向负极移动，故放电时电解质溶液中OH－向负极移动，A错误；没有说明是标况，不能计算氧气体积，B错误；反应在碱性条件下进行，发生OER反应的电极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，C错误；空气进入电池，氧气得到电子发生还原反应，发生ORR反应：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，D正确。 14．一种肼(N2H4)-空气碱性燃料电池工作原理如图所示(已知阴离子交换膜只允许阴离子通过)。下列说法错误的是(　　) A．a为空气，b为N2H4 B．M电极为正极，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O C．电路中通过1 mol电子时，同时有1 mol OH－从左室通过阴离子交换膜移到右室 D．当有16 g N2H4完全反应生成N2，消耗标准状况下11.2 L O2 答案　B 解析　燃料电池通入燃料的一极为负极，电子从负极流出，故 b为N2H4，A正确；此电池为碱性燃料电池，M为正极，则电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，B不正确；燃料电池中，阴离子移向负极，根据得失电子守恒，有关系式e－～OH－，则电路中通过1 mol电子时，同时有1 mol OH－从左室正极区通过阴离子交换膜移到右室负极区，C正确；负极反应式为N2H4－4e－＋4OH－===N2＋4H2O，正极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－，根据得失电子守恒，N2H4～4e－～O2，当有1 mol即32 g N2H4完全反应生成N2，消耗1 mol O2，则当有16 g N2H4完全反应生成N2，消耗0.5 mol O2，标准状况下为11.2 L，D正确。 15．(2022·天津高一期中)(1)如图为氢氧燃料电池的构造示意图，根据电子运动方向可知，氧气从______(填“a”或“b”)口通入，X极为电池的________(填“正”或“负”)极。 (2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质，两极上发生的电极反应分别为 A极：2H2＋2O2－－4e－===2H2O B极：O2＋4e－===2O2－ 则A极是电池的________极；电子从该极________(填“流入”或“流出”)。 (3)若将(1)中燃料电池改为甲烷-空气燃料电池，工作时，负极反应式为___________________， 电池总反应式为________________________________________________________________。 答案　(1)b　负　(2)负　流出 (3)CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O　CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O 解析　(1)氢氧燃料电池中，电子从负极向正极移动，X是负极，Y是正极，氧气应通入正极。 (2)根据电极反应可知，A极发生氧化反应，应该是电池的负极，电子从该极流出。(3)甲烷-空气燃料电池，通甲烷的一极(X)为负极，通空气的一极(Y)为正极，电池总反应式为CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，负极反应式为CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。 16．(1)科研人员设想用如图甲所示装置生产硫酸。 ①上述生产硫酸的总反应方程式为_________________________________________________，b是______极，b电极反应式为____________________________________________________，生产过程中H＋向______(填“a”或“b”)电极区域移动。 ②该小组同学反思原电池的原理，其中观点正确的是________(填字母)。 A．原电池反应的过程中可能没有电子发生转移 B．原电池装置一定需要两个活泼性不同的金属电极 C．电极一定不能参加反应 D．氧化反应和还原反应可以拆开在两极发生 (2)CO与H2反应还可制备CH3OH，CH3OH可作为燃料使用，用CH3OH和O2组合形成的原电池如图乙所示，质子交换膜(只允许H＋通过)左右两侧的溶液均为1 L 2 mol·L－1 H2SO4溶液。电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，电极c为________(填“正极”或“负极”)，电极c的反应式为_______________________________________________________________。 当电池中有1 mol e－发生转移时左右两侧溶液的质量之差为________g (假设反应物耗尽，忽略气体的溶解)。 答案　(1)①2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4　正　O2＋4e－＋4H＋===2H2O　b　②D　(2)负极　CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋　12 解析　(1)①根据装置图甲可知a电极通入SO2，SO2发生失去电子的氧化反应，O2从正极通入，因此上述生产硫酸的总反应方程式为2SO2＋O2＋2H2O===2H2SO4，b电极是正极，O2在酸性条件下得电子生成水，反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，原电池中阳离子向正极移动，则生产过程中H＋向b电极区域移动。②原电池反应的过程中一定有电子发生转移，A项错误；原电池装置不一定需要两个活泼性不同的金属电极，例如燃料电池等，B项错误；原电池中电极可以参加反应，例如铜、锌、稀硫酸组成的原电池中锌电极参加反应，C项错误；原电池中氧化反应和还原反应可以拆开在两极发生，D项正确。(2)根据装置图乙可知电子从电极c流出，则电极c是负极，电池总反应为2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O，所以CH3OH在负极发生失去电子的氧化反应转化为CO2，则电极c的反应式为CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋；当转移1 mol电子时，左侧质量减轻×12 g＝2 g，还有1 mol H＋通过质子交换膜进入右侧，质量减少1 g，正极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，右侧质量增加32 g×＝8 g，加上转移过来的1 g H＋，因此左右两侧溶液的质量之差为8 g＋1 g＋2 g＋1 g＝12 g。 学科网（北京）股份有限公司 $$