第1章 第2节 第2课时 化学电源-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1五维课堂同步Word教案（鲁科版2019）

第2课时　化学电源 课标要点 核心素养 1.知道化学电源的分类 2．熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理 3．了解化学电源的广泛应用及废旧电池对环境的危害 1.宏观辨识与微观探析 2.科学探究与创新意识 3.科学态度与社会责任 (1)能从宏观与微观结合的视角对原电池及其变化进行分类和表征 (2)能运用相关的化学用语说明原电池的有关变化，能分析原电池中的物质变化和伴随发生的能量转化与原电池结构之间的关系 (1)能用数据、图表、符号等处理实验信息；能对实验中的“异常”现象和已有结论进行反思、质疑和提出新的实验设想 (2)能根据实验方案，独立完成实验，收集实验证据，基于现象进行分析并得出结论，交流自己的探究成果 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决生产、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 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 [知识梳理] [知识点一]　化学电源的分类　 [知识点二]　常见的化学电源　 1．锌锰干电池 项目 酸性锌锰干电池 碱性锌锰干电池 电极 　锌铜　作负极，　石墨　作正极 电解质 氯化铵和氯化锌 氢氧化钾 电 极 反 应 负 极 Zn－2e－===Zn2＋ Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O 正 极 2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O MnO2＋H2O＋e－===MnOOH＋OH－ 电池 反应 Zn＋2MnO2＋2NH4Cl===2NH3＋ZnCl2＋Mn2O3＋H2O Zn＋2MnO2＋H2O===ZnO＋2MnOOH 2.铅蓄电池 (1)电池构造 (2)工作原理 (3)特点：性能优良，造价低，可多次充放电；单位质量储存的电能少。 3．氢氧燃料电池 (1)原理(电极反应及电池反应)。 项目 酸性燃料电池 碱性燃料电池 电极 石墨电极材料 电解质 磷酸等酸性溶液 　KOH　溶液 电 极 反 应 负 极 2H2－4e－===4H＋ 2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正 极 O2＋4H＋＋4e－===2H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 电池 反应 2H2＋O2===2H2O (2)特点：能量利用效率高、可连续使用和污染轻等。 [易错提醒]　燃料电池的两电极不参与反应，而是燃料(还原性气体或液体)和氧气分别在两极发生反应。 [自我评价] 1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”) (1)手机、电脑使用的电池为一次电池。( × ) (2)酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池工作时，负极反应相同。( × ) (3)铅蓄电池放电时负极反应与充电时阴极反应相同。( × ) (4)氢氧燃料电池的电极一般不参与反应。( √ ) (5)氢氧燃料电池的负极反应为H2－2e－===2H＋。( × ) 2．连一连 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 二次电池的工作原理 (素养养成——证据推理与模型认知) [情境素材] 一种充电电池的原料为H2，其电池反应为H2＋2NiOOH2Ni(OH)2，它具有比能量多等优点，常作为电动汽车、卫星等的电源。 [思考探究] 1．该电池内电解质溶液呈酸性还是碱性？ 提示：由H2→OH－知呈碱性。 2．放电时的电极反应式如何书写？ 提示：负极：H2＋2OH－－2e－===2H2O 正极：2NiOOH＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 3．充电时的电极反应式如何书写？ 提示：阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiOOH＋2H2O 4．电池充电时，外电源的负极连接二次电池的哪个电极？ 提示：负极或阴极。 [核心突破] 1．二次电池放电时是原电池，而充电时是电解池；二次电池的充放电过程相反。 2．当蓄电池充电时就是通直流电，蓄电池的正极与外接直流电源的正极相连，作阳极；蓄电池的负极与外接直流电源的负极相连，作阴极。可简单记忆：负接负，正接正。 3．充电时发生的电极反应和电池反应是放电时发生的反应的逆过程。 [典例示范] [典例1]　为提升电池循环效率和稳定性，科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D－Zn)可以高效沉积ZnO的特点，设计了采用强碱性电解质的3D－Zn－NiOOH二次电池，结构如下图所示。电池反应为Zn(s)＋2NiOOH(s)＋H2O(l)ZnO(s)＋2Ni(OH)2(s)。 下列说法错误的是(　　) A．三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，所沉积的ZnO分散度高 B．充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l) C．放电时负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l) D．放电过程中OH－通过隔膜从负极区移向正极区 [解题指南]　解答本题时注意如下几点： (1)看清题目中反应放电和充电的方向； (2)多孔会使接触面积增大； (3)充电时的电极反应为放电时对应反应的逆反应。 [刨根问底] (1)写出放电时的正极反应式。 (2)放电一段时间后，电池中的电解质溶液的浓度怎样变化？ (3)放电过程中正极区和负极区溶液的酸碱性怎样变化？ 解析：D　[Zn作负极被氧化生成ZnO，三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积，沉积的ZnO分散度高，A正确。充电时阳极发生氧化反应，根据电池反应的充电过程可知，阳极反应为Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)－e－===NiOOH(s)＋H2O(l)，B正确。放电时负极发生氧化反应，根据电池反应的放电过程可知，负极反应为Zn(s)＋2OH－(aq)－2e－===ZnO(s)＋H2O(l)，C正确。放电时，电池内部阳离子由负极移向正极，阴离子由正极移向负极，D错误。] (1)提示：NiOOH(s)＋H2O(l)＋e－===Ni(OH)2(s)＋OH－(aq)。放电时正极发生得电子的还原反应。 (2)提示：浓度增大。因为电池在放电过程中消耗水，导致溶液的浓度增大。 (3)提示：根据电极反应式可以判断正极区溶液的碱性增强，负极区溶液的碱性减弱。 [归纳总结]　可充电电池电极反应式的书写方法 已知电池总反应式书写可充电电池电极反应式，一般都是先书写放电的电极反应式。第一，先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目，指出参与负极和正极反应的物质；第二，写出一个比较容易书写的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液共存)；第三，在电子守恒的基础上，总反应式减去写出的电极反应式即得另一电极反应式。 [学以致用] 1．有一种电池，它的一个电极材料是NiO2(在碱中NiO2氧化性比O2更强，还原产物是＋2价的镍的化合物)，另一电极是铁，电解质溶液是21%的氢氧化钾溶液。下列对电池的叙述和有关反应正确的是(　　) A．此电池不用密封 B．铁是负极，放电时，铁失电子生成能自由移动的Fe2＋，负极反应是Fe－2e－===Fe2＋ C．放电时，正极反应为NiO2＋2e－===Ni2＋＋2O2－ D．放电时的总反应为Fe＋NiO2＋2H2O===Fe(OH)2＋Ni(OH)2 解析：D　[因该电池的电解质溶液是KOH溶液，应防止与空气接触，否则KOH会与空气中的CO2发生反应生成K2CO3，所以A选项错误；在KOH溶液中，负极反应的产物是Fe(OH)2：Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2，正极反应为NiO2＋2e－＋2H2O===Ni(OH)2＋2OH－，因此B、C选项均错误。] 2．(双选)生产铅蓄电池时，在两极板上的铅锑合金栅架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2OPbO2＋Pb＋2H2SO4。下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　) A．需要定期补充硫酸 B．放电时Pb是负极，PbO2是正极 C．放电时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO===PbSO4 D．放电时电解质溶液的密度增大 解析：AD　[由电池反应式可知，不需要定期补充硫酸，A项错误；铅蓄电池放电时，相当于原电池，则发生氧化反应的电极是负极，发生还原反应的电极是正极，所以Pb是负极，PbO2是正极，B项正确；放电时，负极上铅失去电子生成Pb2＋，Pb2＋与溶液中的SO结合生成PbSO4，电极反应式为Pb＋SO－2e－===PbSO4，C项正确；放电时，H2SO4被消耗，溶液中H2SO4的物质的量浓度减小，所以溶液的密度也减小，D项错误。] 常见燃料电池的比较 (素养养成——证据推理与模型认知) [情境素材] 设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是21世纪最富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸气[以壬烷(C9H20)代表汽油]，电池的电解质是掺杂了Y2O3的ZrO2晶体，它在高温下能传导O2－。 [思考探究] 1．该电池放电时发生的化学方程式如何书写？ 提示：该电池放电时发生的化学反应就是壬烷燃烧的化学反应：C9H20＋14O2===9CO2＋10H2O。 2．该电池的正极反应如何书写？负极发生什么反应？ 提示：该电池的正极是氧气，得电子，电极反应式是O2＋4e－===2O2－。负极失去电子发生氧化反应。 3．固体电解质里的O2－的移动方向是怎样的？ 提示：原电池中阴离子O2－向负极移动。 4．向外电路释放电子的电极为哪一极？ 提示：负极。原电池中电子由负极流出，经外电路流向正极。 5．若用KOH溶液代替固体电解质，则放电时负极电极反应式如何书写？ 提示：C9H20＋74OH－－56e－===9CO＋47H2O。 [核心突破] 1．常见的四种典型燃料电池 名称 电解质 电极反应和总反应 氢氧 燃料 电池 KOH 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 负极：2H2－4e－＋4OH－===4H2O 总反应：2H2＋O2===2H2O H2SO4 正极：O2＋4e－＋4H＋===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 2.燃料电池的工作原理 一般的燃料电池大多是可燃性物质(主要是可燃性气体或蒸气)与氧化剂(一般是氧气)及电解质溶液共同组成的原电池。可燃性物质在原电池负极发生氧化反应，氧气在原电池正极发生还原反应。也就是说不管是哪一种燃料电池，正极都是氧化剂(如O2)得电子发生还原反应。 3．书写燃料电池电极反应式的三步骤 [典例示范] [典例2]　CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，制得的合成气可以制成原电池对外供电，其中一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意如图。 (1)判断电极A的名称。 (2)分析此电池对外供电的工作原理。 (3)写出电极A和电极B上参加反应的电极反应式。 解析：(1)燃料电池中燃料作负极，氧气作正极，因此电极A是负极，电极B是正极。 (2)在电极A中通入的合成气CO和H2，在放电过程中失去电子，电子沿导线到达电极B并被O2得到。在离子导体中阳离子Na＋、K＋定向向电极B移动，而阴离子CO定向向电极A移动，这样整体就构成了闭合回路，从而对外提供电能。 (3)电极A为负极，参加反应的气体为CO和H2发生的电极反应分别为CO－2e－＋CO===2CO2，H2＋CO－2e－===CO2＋H2O。B电极为正极，参加反应的气体为O2，电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO 答案：(1)负极　(2)见解析　(3)见解析 [学以致用] 3．下图是某种酶生物燃料电池的工作原理示意图。下列说法中不正确的是(　　) A．葡萄糖是还原剂 B．外电路中电子由A极移向B极 C．溶液中H＋由B极区移向A极区 D．B极电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O 解析：C　[根据图中信息可知，H2O2转化为H2O，氧元素化合价由－1降为－2，得到电子，发生还原反应，B极为燃料电池的正极，A极为燃料电池的负极。A.葡萄糖发生氧化反应作还原剂，选项A正确；B.外电路中电子由负极A极移向正极B极，选项B正确；C.电池中阳离子向正极移动，故溶液中H＋由A极区移向B极区，选项C不正确；D.B极为正极，H2O2得到电子发生还原反应，电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e－===2H2O，选项D正确。] 4．用CH3OH气体代替H2作燃料，则得到甲醇燃料电池。写出下列燃料电池的电极反应式和总反应方程式。 (1)CH3OH—NaOH溶液—O2构成的燃料电池： 负极反应式：_____________________________________________________， 正极反应式：____________________________________________________， 总反应式：________________________________________________________。 (2)CH3OH—H2SO4溶液—O2构成的燃料电池： 负极反应式：_______________________________________________________， 正极反应式：________________________________________________________， 总反应式：______________________________________________________________。 答案：(1)2CH3OH＋16OH－－12e－===2CO＋12H2O　3O2＋6H2O＋12e－===12OH－　2CH3OH＋3O2＋4OH－===2CO＋6H2O (2)2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋ 3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O [方法技巧] (1)酸溶液作电解质溶液：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO2。 (2)碱溶液作电解质溶液：CxHy或CxHyOz氧化后的存在形式为CO。 [素养提升] “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，我国最近在太阳能光电催化—化学耦合分解硫化氢研究中获得新进展，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。 ③在工作过程中a极区需不断补充含Fe3＋和Fe2＋的溶液吗？ (2)氮的氧化物是造成大气污染的主要物质，当前氮的氧化物的污染日趋严重。 ①某企业处理该污染物的原理设计为熔融盐燃料电池，如图所示。在处理过程中石墨Ⅰ电极上生成氧化物Y。Y可循环使用。写出两极上的电极反应式。 ②氮的氧化物的主要来源之一为汽车尾气，某科研小组构想将汽车尾气(NO、NO2)转化为重要的化工原料HNO3，其原理如图所示，其中A、B为多孔材料。 写出两电极的电极反应式，若电池消耗标准状况下的2.24 L O2，则通过质子交换膜的H＋的物质的量是多少？ (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，下图为其工作原理。 根据图示写出正极的电极反应式。 (4)某科研小组最近研究制作了一种三室微生物燃料电池，可用于处理污水中的有机物，降低水体中的营养，减少水体富营养化，其工作原理如图所示(图中有机废水中的有机物可以用C6H10O5表示)。 根据图示分析此燃料电池的正负极和电极反应式。 解析：(1)①提示：从图示可以看出电子从a极出发，故a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提示：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＋。 ③提示：不需要。 (2)①提示：石墨Ⅰ为负极，电极反应式为NO2＋NO－e－===N2O5，石墨Ⅱ通入氧气，发生还原反应，为原电池的正极，电极反应式为O2＋2N2O5＋4e－===4NO。 ②提示：电极A上通入的是尾气(NO、NO2)，故电极反应式为NO＋2H2O－3e－===NO＋4H＋、NO2＋H2O－e－===NO＋2H＋，电极B上通入O2，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。电池消耗标准状况下的2.24 L O2时转移电子的物质的量为0.1 mol×4＝0.4 mol，根据电子守恒规律可以得出通过质子交换膜的H＋的物质的量为0.4 mol。 (3)提示：根据原电池的工作原理，电子流入的一极为正极，即N极为正极，根据图示可以判断在正极上得电子的物质有O2和Cr2O，因此电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，Cr2O＋14H＋＋6e－===2Cr3＋＋7H2O。 (4)提示：该原电池中，硝酸根离子得电子发生还原反应，则电极b是正极，电极反应式为2NO＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，电极a是负极，负极上有机物失电子发生氧化反应，有机物在厌氧菌作用下生成二氧化碳，电极反应式为C6H10O5－24e－＋7H2O===6CO2↑＋24H＋。 1.锌锰干电池在放电时，总反应方程式可以表示为Zn(s)＋2MnO2(s)＋2NH(aq)===Zn2＋(aq)＋Mn2O3(s)＋2NH3(g)＋H2O(l)，在如图所示装置中，电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是(　　) A．Zn　　　　　 B．碳 C．MnO2和NH D．Zn2＋和NH3 解析：C　[Zn在负极上被氧化得到Zn2＋；MnO2、NH在正极上被还原得到Mn2O3、NH3。] 2．我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。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，电池的总反应为：3CO2＋4Na2Na2CO3＋C。下列说法错误的是(　　) A．放电时，ClO向负极移动 B．充电时释放CO2，放电时吸收CO2 C．放电时，正极反应为：3CO2＋4e－===2CO＋C D．充电时，正极反应为：Na＋＋e－===Na 解析：D　[原电池中负极发生失去电子的氧化反应，正极发生得到电子的还原反应，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，充电可以看作是放电的逆反应。A.放电时是原电池，阴离子ClO向负极移动，正确；B.电池的总反应为3CO2＋4Na2Na2CO3＋C，因此充电时释放CO2，放电时吸收CO2，正确；C.放电时是原电池，正极是二氧化碳得到电子转化为碳，反应为3CO2＋4e－===2CO＋C，正确；D.充电时是电解池，正极与电源的正极相连，作阳极，发生失去电子的氧化反应，电极反应为2CO＋C－4e－===3CO2，错误。] 3．(双选)LiFePO4电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点，可用于电动汽车。电池反应为FePO4＋LiLiFePO4。下列有关LiFePO4电池的说法正确的是(　　) A．该电池可用H2SO4溶液作电解质溶液 B．该电池放电时，电池内部的Li＋向负极移动 C．该电池充电时，阳极的电极反应式为LiFePO4－e－===FePO4＋Li＋ D．在该电池的放电过程中，电池正极的质量逐渐增大 解析：CD　[H2SO4溶液作电解质溶液时，将会与Li发生反应，A项错误；该电池放电时，阳离子Li＋移向正极，B项错误；该电池充电时，阳极发生的是失去电子的氧化反应，C项正确；在该电池的放电过程中，正极上不断有LiFePO4生成，正极的质量逐渐增大，D项正确。] 4．燃料电池是一种利用能源物质的新形式，比如我们可用熔融的K2CO3作电解质，惰性材料作电极，一极通CH2===CH2，另一极通O2、CO2。下列说法中不正确的是(　　) A．电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O B．正极发生的电极反应为3O2＋6CO2＋12e－===6CO C．负极发生的电极反应为CH2===CH2＋6CO－12e－===8CO2＋2H2O D．通入乙烯的一极为正极 解析：D　[燃料电池中可燃性气体作负极，D项错误；该燃料电池的总反应式为CH2===CH2＋3O2===2CO2＋2H2O，产物CO2、H2O均不与熔融的K2CO3反应，A项正确；正极O2得到电子生成O2－、O2－与CO2反应生成CO，B项正确；总反应式减去正极反应式即为负极反应式，C项正确。] 5．某种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作为电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。回答下列问题： (1)这种电极放电时发生反应的化学方程式是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)此电极的正极发生的电极反应式是 ________________________________________________________________________； 负极发生的电极反应式是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)电解液中的H＋向　________　极移动；向外电路释放电子的电极是　________　。 (4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池能量转化效率高，其次是 ________________________________________________________________________。 解析：甲醇燃料电池实质就是利用CH3OH燃料在氧气中反应来提供电能。CH3OH作负极，发生氧化反应，电极反应为2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋；氧气作正极反应为3O2＋12H＋＋12e－===6H2O，两反应相加得总反应式。在电池中，负极释放电子传到正极上，故H＋向正极移动。甲醇反应产物为CO2和H2O，对环境无污染。 答案：(1)2CH3OH＋3O2===2CO2＋4H2O (2)3O2＋12H＋＋12e－===6H2O　2CH3OH＋2H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋　(3)正　负极 (4)产物对环境无污染 [课堂小结] 学科网（北京）股份有限公司 $$