内容正文:
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化学反应与能量变化
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第三单元 化学能与电能的转化
第2课时 化学电源
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√
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[素养发展目标] 1.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。2.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害,设想其处理方法。3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。4.能根据原电池、电解池的构成条件识别原电池、电解池。
一、化学电源
1.原理:________原理。
2.优点:化学电源的能量转化率比________高得多。
3.分类
eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(一次电池:用过之后 复原,如锌锰干电池等;,二次电池:充电后能 ,如铅蓄电池、镍氢电池等;,燃料电池:燃料不贮存在电池内部,可持续使用,能量利,用率高,如氢氧燃料电池、甲醇空气燃料电池))
4.常见的化学电源
电池名称
电池组成
电池反应
锌锰干
电池
锌筒为__极,石墨棒为__极,MnO2和NH4Cl作______
Zn+2NH4Cl+2MnO2===Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
银锌纽
扣电池
负极是__,正极是______,电解质溶液是________溶液
Zn+Ag2O+H2O eq \o(,\s\up17(放电),\s\do16(充电)) Zn(OH)2+2Ag
电池名称
电池组成
电池反应
铅蓄
电池
负极是_____,正极是________,电解质溶液是_____溶液
Pb+PbO2+2H2SO4
eq \o(,\s\up17(放电),\s\do16(充电)) 2PbSO4+2H2O
镍氢电池
负极是_________,正极是___________,电解质溶液是_______溶液
NiO(OH)+MH eq \o(,\s\up17(放电),\s\do16(充电)) NiO+M+H2O(MH表示贮氢合金M中吸收结合的氢)
PbO2
电池名称
电池组成
电池反应
氢氧燃
料电池
负极通______,正极通______,_______溶液为电解质溶液
_____________________
甲醇
空气燃
料电池
负极通_____,正极通入_____,电解质溶液是_______溶液
2CH3OH+3O2+4OH-===2CO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(3)) +6H2O
2H2+O2===2H2O
【即学即练】
1.判断正误:正确的打“√”,错误的打“×”
(1)太阳能电池不属于原电池。( )
(2)二次电池充电时,充电器的正极接二次电池的正极( )
(3)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细( )
(4)Zn具有还原性和导电性,可用作锌锰干电池的负极材料。( )
(5)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能( )
(6)氢氧燃料电池比氢气直接燃烧发电能量利用率高( )
二、电解在物质制备中的应用
1.电解池
将___能转化为_____能的装置。
2.电解在物质制备中的应用
(1)电解水制氢气和氧气
化学方程式为2H2O eq \o(=====,\s\up17(通电),\s\do16( )) 2H2↑+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+2H2O eq \o(=====,\s\up17(通电),\s\do5( )) 2NaOH+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:2Al2O3 eq \o(=====,\s\up17(通电),\s\do16( )) 4Al+3O2↑。
②电解制备其他活泼金属
电解熔融的_______、_______、_______可分别得到钠、镁、钙的单质。
(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。
【即学即练】
2.如图是电解饱和NaCl溶液的实验装置,其中c、d为石墨电极。则下列有关判断正确的是( )
A.a为正极、b为负极
B.c为阴极、d为阳极
C.电解过程中,d电极质量增加
D.电解过程中,氯离子浓度不变
A [由电子流向可知,a为正极,b为负极,c为阳极,d为阴极,c极发生的电极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,溶液中氯离子浓度减小;d极发生的电极反应为2H++2e-===H2↑,d电极质量不变,B、C、D项错误。]
一、化学电源
下面是几种常见的化学电源示意图:
1.一次电池和二次电池是否指分别只能使用一次和两次的电池?
提示: 一次电池是不可充电电池,电量一旦放完就无法再次使用;二次电池是可充电电池,电量放完后可进行充电,可反复使用多次。
2.观察锌锰干电池的构造,分析锌锰干电池中正、负极及电解质溶液的情况是怎样的?
提示: 锌锰干电池是以锌筒为负极,石墨棒为正极,在石墨棒周围填充糊状的MnO2和NH4Cl溶液作电解质。
3.铅蓄电池的正、负极材料是什么?电解质溶液是什么?分析其充电时电极与外接电源的正、负极的连接方式。
提示: 负极:Pb,正极:PbO2;电解质溶液:稀H2SO4。
充电时电极与外接电源的正、负极的连接方式如下:
4.燃料电池中燃料需要燃烧吗?氢氧燃料电池在酸性条件和碱性条件下的正极反应式相同吗?若不同,请分别写出电极反应式。
提示: 燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应,将化学能直接转化为电能的装置,燃料不需要燃烧; 不相同;酸性条件下正极反应式:O2+4H++4e-===2H2O,碱性条件下正极反应式:2H2O+O2+4e-===4OH-。
5.新型电池的开发对社会发展的意义。
提示: 减少传统能源的使用,对可持续发展有利;减少有害物质排放,对环境保护有利。
氢氧燃料电池
1.不同电解质溶液的氢氧燃料电池对比
电极材料
铂
铂
电解质溶液
氢氧化钾溶液
盐酸
电极材料
铂
铂
电池反
应原理
电极
反应
负极:2H2+4OH--4e-===4H2O
正极:O2+2H2O+4e-===4OH-
负极:2H2-4e-===4H+
正极:O2+4H++4e-===2H2O
总反应
2H2+O2===2H2O
2.氢氧燃料电池的理解
(1)燃料电池的本质是燃料与氧化剂之间能够发生自发的氧化还原反应,且能够对外放出能量。
(2)燃料电池在使用过程中并没有发生燃料的燃烧,而是燃料和氧化剂分别在两极放电,将化学能转化为电能。
(3)燃料的燃烧是一种剧烈的氧化还原反应,而燃料电池中发生的氧化还原反应则是缓和平稳的。
(4)燃料燃烧时,大量的热能释放到空气中,能量利用率低燃料电池工作时,能量转化率较高,是一种高效、环境友好的发电装置。
1.氢氧燃料电池可以使用在航天飞机上,其反应原理示意图如图。下列有关氢氧燃料电池的说法正确的是( )
A.该电池工作时电能转化为化学能
B.该电池中电极a是正极
C.外电路中电子由电极b通过导线流向电极a
D.该电池的总反应:2H2+O2===2H2O
D [A.燃料电池是将化学能转化为电能,A项错误;B.a极通入H2发生氧化反应,是电池的负极,B项错误;C.外电路中电子由负极流向正极,即由电极a通过导线流向电极b,C项错误;D.氢氧燃料电池酸性和碱性条件下生成物都是水,故该电池的总反应:2H2+O2===2H2O,故D正确;故答案为D。]
2.银锌纽扣电池,其电池的总反应式为:Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag
下列说法不正确的是( )
A.锌作负极
B.正极发生还原反应
C.电池工作时,电流从Ag2O经导线流向Zn
D.负极的电极方程式为:Zn-2e-===Zn2+
D [Zn失电子发生氧化反应而作负极,A项正确;正极上Ag2O得电子发生还原反应,B项正确;原电池中电流从正极沿导线流向负极,该原电池中Zn是负极、Ag2O是正极,所以放电时电流从Ag2O经导线流向Zn,C项正确;碱性条件下锌离子生成Zn(OH)2,所以负极反应式为Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,故D项错误。]
3.汽车的启动电源常用蓄电池。其结构如图所示,放电时其电池反应如下:PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。根据此反应判断,下列叙述中不正确的是( )
A.Pb作为负极,失去电子,被氧化
B.PbO2得电子,被还原
C.负极反应是Pb+SO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) -2e-===PbSO4
D.电池放电时,溶液酸性增强
D [A.原电池中负极失去电子、发生氧化反应,根据电池放电时的反应:PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4+2H2O可知,负极Pb失去电子,即Pb为负极,PbO2为正极,故A正确;B.PbO2在放电过程中化合价降低,得到电子被还原,所以PbO2为原电池的正极、反应中被还原,故B正确;C.原电池中,Pb在反应中失去电子生成PbSO4,为负极,电极反应式为Pb+SO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) -2e-===PbSO4,故C正确;D.由于原电池放电的过程中消耗硫酸,电解质溶液中氢离子浓度逐渐减小,所以溶液的酸性减弱,故D错误;故选:D。]
二、电池电极方程式的书写
1.银锌纽扣电池(Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag)
写出该电池的负极反应式和正极反应式。
提示: 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)+MH===NiO+M+H2O)
写出该电池的负极反应式和正极反应式。
提示: 负极:MH-e-+OH-===M+H2O;
正极:NiO(OH)+e-===NiO+OH-。
3.甲醇空气燃料电池(2CH3OH+3O2+4OH-===2CO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(3)) +6H2O)
写出该电池的负极反应式和正极反应式。
提示: 负极:2CH3OH-12e-+16OH-===2CO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(3)) +12H2O;
正极:3O2+12e-+6H2O===12OH-。
1.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.利用总反应式书写电极反应式
书写步骤:
步骤一:写出电池总反应式,标出电子转移的方向和数目(ne-)。
步骤二:找出正、负极,失电子的电极为负极;确定溶液的酸碱性。
步骤三:写电极反应式。
负极反应:还原剂-ne-===氧化产物
正极反应:氧化剂+ne-===还原产物
1.MgAgCl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-===Ag
C.电池放电时Cl-由正极向负极迁移
D.负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑
B [根据题意,电池总反应式为Mg+2AgCl===MgCl2+2Ag,正极反应式为2AgCl+2e-===2Cl-+2Ag,负极反应式为Mg-2e-===Mg2+,A正确、B错误;对原电池来说,在电解质溶液的内部,阴离子由正极移向负极,C正确;由于镁是活泼金属,则负极会发生副反应Mg+2H2O===Mg(OH)2+H2↑,D正确。]
2.如图为某氨气燃料电池示意图。电池工作时,下列说法不正确的是( )
A.正极的电极反应为:O2+4e-+2H2O===4OH-
B.若电极1上有1 mol NH3被还原,则电路中转移3 mol电子
C.Na+移向电极2
D.电子流向为:电极1→负载→电极2
B [A.正极反应物为氧气,电解质为碱溶液,故正极的电极反应为:O2+4e-+2H2O===4OH-,A项正确;B.该电池负极反应为:2NH3-6e-+6OH-===N2+6H2O,若电极1上有1 mol NH3被氧化,则电路中转移3 mol 电子,B项错误;C.Na+移向正极,故移向电极2,C项正确;D.电子从负极移动到正极,故电子流向为:电极1→负载→电极2,D项正确;答案选B。]
3.锂电池是新一代高能电池,目前已研究出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为Li+MnO2===LiMnO2。下列说法中正确的是( )
A.Li是正极,MnO2是负极
B.放电时负极反应:Li-e-===Li+
C.放电时正极反应:MnO eq \o\al(\s\up1(-),\s\do1(2)) +e-===MnO2
D.电池放电时,产生高锰酸根离子
B [Li为负极,发生Li-e-===Li+反应,MnO2为正极,发生MnO2+e-===MnO eq \o\al(\s\up1(-),\s\do1(2)) 反应。]
eq \a\vs4\al(思维升华)
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,同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。
1.(2022·南通市海门实验学校下学期期中)下列关于四种装置的叙述不正确的是( )
A.电池Ⅰ:铜表面产生气泡
B.电池Ⅱ:锌筒作负极,被氧化
C.电池Ⅲ:是充电电池,属于二次电池
D.电池Ⅳ:外电路中电流由电极a通过导线流向电极b
D [A.该装置中,铜作正极,正极上氢离子得电子发生还原反应,电极反应式为:2H++2e-===H2↑,铜表面产生气泡,故A正确;B.Zn易失电子发生氧化反应而作负极,生成的锌离子进入电解质中,故B正确;C.该铅蓄电池可充放电,属于二次电池,故C正确;D.原电池工作时,电子由负极经外电路流向正极,即电子由a经外电路流向电极b,电流从b通过导线流向a,故D错误;故选D。]
2.(2022·如皋市下学期期末调研)下列有关工业上金属冶炼的说法不正确的是( )
A.用电解熔融氯化镁法制镁
B.用电解饱和食盐水法制钠
C.用电解熔融氧化铝法制铝
D.用一氧化碳高温还原氧化铁法制铁
B [A.活泼金属采用电解熔融盐或氧化物的方法冶炼,镁属于活泼金属,工业上采用电解熔融氯化镁的方法冶炼,故A正确;B.用电解饱和食盐水法制氢氧化钠,氢气,氯气,得不到钠单质,工业上用电解熔融氯化钠的方法得到钠单质,故B错误;C.金属铝属于活泼金属,采用电解熔融氧化铝的方法冶炼,氯化铝是共价化合物,熔融不能电离,不能采用电解氯化铝的方法冶炼,故C正确;D.铁可以采用热还原法冶炼,用焦炭或者一氧化碳作还原剂,故D正确;答案选B。]
3.(2022·南京市六校联考下学期期末)氢气、甲烷、乙醇等物质均可作为燃料电池的原料。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。电池的能量利用率高,产物污染少。下列有关燃料电池的说法不正确的是( )
A.上述燃料电池所用的电极材料不参加电极反应
B.氢氧燃料电池中,氢气应从电池的负极通入
C.乙醇燃料电池的电解质常用KOH,电池工作时负极周围pH增大
D.碱性环境下,甲烷燃料电池的正极反应为:O2+2H2O+4e-===4OH-
C [A.上述燃料电池所用的电极材料不参加电极反应,燃料在负极发生氧化反应,氧化剂在正极发生还原反应,故A正确;B.氢氧燃料电池中,氢气应从电池的负极通入,故B正确;C.乙醇燃料电池的电解质用KOH时,生成的二氧化碳会和其反应生成碳酸盐,负极发生反应C2H5OH-12e-+16OH-===2CO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(3)) +11H2O,电池工作时负极周围pH减小,故C错误;D.碱性环境下,正极上电极反应式为:O2+2H2O+4e-===4OH-,故D正确;故选C。]
4.(2022·无锡市下学期期终教学质量抽测)我国空间站天宫号所采用的光伏系统,光电效率达到30%。利用再生环保技术,能将空间站内的水蒸气收集、处理成可饮用水,并转化为再生氧,实现水的循环使用。空间站以水为介质将不同形式的能量相互转换,原理如图所示。装置X为电解水装置,装置Y为燃料电池。下列有关说法不正确的是( )
A.X工作时,将电能转变为化学能
B.太阳能电池工作时,将光能转变为电能
C.马达工作时,将电能转变为机械能
D.Y工作时,氢气通入该装置的正极
D [A.装置X为电解水装置,将电能转变为化学能,A正确;B.太阳能电池工作时,将光能转变为电能,B正确;C.马达工作时,耗费电能用来转动,将电能转变为机械能,C正确;D.Y为氢氧燃料电池,O元素化合价降低,通入氧气作正极,D错误;故选D。]
5.(2022·大庆市大庆中学下学期月考)氢气是未来理想的能源,最近科学家研究出利用太阳能产生激光,在二氧化钛(TiO2)表面作用使海水分解得到氢气的新技术:2H2O eq \o(=====,\s\up17(激光),\s\do16(TiO2)) 2H2↑+O2↑。制得的氢气可供燃料电池使用。请回答下列问题:
(1)太阳光分解海水时,实现了____________能转变为________能。生成的氢气用于燃料电池时,实现了________能转变为________能。分解海水的反应属于________(填“放热”或“吸热”)反应。
(2)某种氢氧燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质,电池工作时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(填“正”或“负”),发生________(填“氧化”或“还原”)反应;电子从该极________(填“流入”或“流出”)电池。
解析: (1)科学家利用太阳能使海水分解,所以是太阳能转变为化学能,生成的氢气用于燃料电池时是把化学能转变为电能,分解海水的反应属于吸热反应;
(2)氢氧燃料电池中,氢气在负极上失电子,已知A极:2H2+2O2--4e-===2H2O,所以A极是电池的负极,发生氧化反应,原电池中电子从负极流出。
答案: (1)太阳(或光) 化学 化学 电 吸热
(2)负 氧化 流出
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