第二单元 化学能与电能的转化 第2课时（导学案）化学苏教版2019选择性必修1

第一专题 化学反应与能量变化 第二单元 化学能与电能的转化 第二课时 化学电源 一、知识目标 1.能准确列举日常生活和工业生产中常见的化学电源（如干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池等），明确不同化学电源的应用场景及特点。 2.以典型化学电源（如锌锰干电池、铅酸蓄电池、氢氧燃料电池）为例，结合氧化还原反应原理，分析电极反应和电池总反应，理解化学能转化为电能的本质过程。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：通过观察不同化学电源的外观特征（宏观），结合其内部电极反应、粒子迁移（微观），建立宏观现象与微观变化的关联，理解化学电源实现能量转化的微观本质，形成 “宏观 - 微观 - 符号” 三重表征的认知方式。 2.变化观念与平衡思想：认识到化学电源工作过程是氧化还原反应的定向进行过程，理解二次电池充放电过程中反应的可逆性（如铅酸蓄电池充电时电能转化为化学能，放电时化学能转化为电能），树立物质变化过程中能量守恒、动态平衡的观念。 3.证据推理与模型认知：基于典型化学电源的工作原理，收集电极反应现象、电流产生等证据，推理得出电极反应式的书写规律，构建 “分析电极材料性质→判断氧化还原反应方向→书写电极反应式” 的思维模型，并能运用该模型解决陌生化学电源的电极反应式书写问题。 4.科学态度与社会责任：了解化学电源在新能源汽车、储能设备、航天航空等领域的重要应用，认识化学学科在解决能源危机、推动绿色能源发展中的作用；同时关注废旧电池对环境的危害，树立合理使用、回收处理化学电源的环保意识和社会责任感，培养可持续发展的科学态度。 5.科学探究与创新意识：通过设计简单的化学电源实验（如利用水果、电极材料制作简易电池），体验科学探究的基本过程（提出问题、设计方案、进行实验、收集证据、得出结论）；在分析不同电解质环境对电极反应影响的过程中，激发创新思维，尝试提出优化化学电源性能的思路。 1、 教学重点：能列举常见的化学电源，了解化学电源的分类及构成，并分析其工作原理。 二、教学难点：能熟练书写常见的化学电源的电极反应式。 1. 化学电源分为三大类：______电池、______电池、______电池。 2. 一次电池中发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后就______再使用。使用最广泛的一次电池是______电池，如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。 3. 锌锰干电池 负极是______，电极反应式___________________________ 正极是______，电极反应式___________________________ 电解质溶液是___________________________ 电池反应式是___________________________ 4. 碱性锌锰电池 负极反应物是______，电极反应式___________________________ 正极反应物是______，电极反应式___________________________ 电解质溶液是___________________________ 电池反应式是___________________________ 5.银锌纽扣电池 负极反应物是______，电极反应式___________________________ 正极反应物是______，电极反应式___________________________ 电解质溶液是___________________ 电池反应式是___________________________ 6.二次电池又称为______电池或蓄电池，二次电池可以多次重复使用。______电池是最常见的二次电池。铅蓄电池的缺点是______，废弃后会污染环境等。 7.铅蓄电池由两组平行的________________交替排列作为主架，正极板上覆盖______，负极板上覆盖______，电解质是______。 8.铅蓄电池放电时是______,负极反应式是___________________________ ，正极反应式是___________________________，放电总反应式是___________________________。 充电时电池相当于______，阳极反应式是___________________________ ，阴极反应式是___________________________,充电总反应式是___________________________。 铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示：___________________________ 9.锂离子电池正极材料多采用___________________________或钴酸锂（LiCoO2 ）等，一般是具有可供锂离子______或脱嵌（即可逆嵌脱）结构的化合物。负极材料大多数是______材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。电解质溶液是锂离子的______，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子导电通道。 9. 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______提供电能。 10. 氢氧燃料电池用______作电极，不断充入的______和______分别在两极发生氧化反应和还原反应。 负极电极反应式___________________________ 正极电极反应式___________________________ 电池总反应式是___________________________ 探究环节一：初识化学电源——分类与性能 【思考与讨论1】 观察老师展示的各种电池图片（如干电池、充电电池、燃料电池），结合课本知识，小组讨论，完成下表。 电池类型 核心特点（能否充电？物质是否耗尽？） 常见实例（至少1个） 一次电池 ______充电，活性物质消耗后即失效 二次电池 ______充电，活性物质可再生，能多次使用 燃料电池 ______发电，燃料和氧化剂从外部输入 【思考与讨论2】 如果你想为遥控器购买电池，你会关注电池的哪些性能指标？了解评价电池优劣的三个关键专业指标是什么？它们分别代表什么含义？ 比能量：___________________________，它决定了电池的_________________。 比功率：___________________________，它决定了电池的______________（能否提供大电流）。 可储存时间：即电池的_______________。 探究环节二：深入一次电池——原理探究 活动1：探究碱性锌锰电池原理 【观察与猜想】观察碱性锌锰电池的结构示意图，你认为： 负极可能是：___________，理由是___________________________。 正极可能是：_____________，理由是______________________。 电解质溶液是：___________________________。 【原理揭秘】根据老师的讲解，写出电极反应式和总反应式。 负极反应式：___________________________ 正极反应式：___________________________ 电池总反应式：___________________________ 活动2：揭秘银锌纽扣电池 【类比猜想】银锌纽扣电池以____为负极，_____为正极，____溶液为电解质。请尝试类比碱性锌锰电池，写出其电极反应式。 负极反应式：___________________________ 正极反应式：___________________________ 电池反应式：___________________________ 【归纳与小结】与小组同学讨论，总结一次电池的共同特点和它们之间的主要差异。 共性：均为_____充电电池，放电后即废弃；工作时均将_______转化为______。 差异：比能量、比功率、储存时间、适用场景（如大电流设备常用碱性电池）不同。 探究环节三：揭秘二次电池——充放电的奥秘 活动1：铅蓄电池充放电探究 【观察模型】观察铅蓄电池模型，指出其正极、负极和电解质的成分。 正极：_____ 负极：_____ 电解质：_________溶液 【小组讨论】放电过程（__________原理） 放电时，哪一极发生氧化反应（失电子）？请写出电极反应式和总反应式。 负极反应式：___________________________ 正极反应式：___________________________ 放电总反应式：___________________________ 【思考】放电过程中，硫酸的浓度如何变化？___________________________ 【核心猜想】充电过程（___________原理）充电反应是放电反应的_____过程。 【推理与书写】 阴极反应式（接电源_________，_____电子）：___________________________ 阳极反应式（接电源__________，_____电子）：___________________________ 充电总反应式：___________________________ 铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示：___________________________ 【思考】充电过程中，硫酸的浓度如何变化？_________________ 因此，我们可以通过测量___________________来判断铅蓄电池是否需要充电。 活动2：认识现代二次电池——锂离子电池 【阅读】了解锂离子电池的工作原理。 【比较与归纳】与铅蓄电池相比，锂离子电池有哪些优点和缺点？ 优点：___________________________ 缺点：___________________________ 探究环节四：展望未来电池——燃料电池 活动1：氢氧燃料电池原理探究 【概念理解】阅读教材，总结燃料电池的两大特点。 特点一：___________________________ 特点二：___________________________ 【反应式书写】 负极电极反应式___________________________ 正极电极反应式___________________________ 电池总反应式是___________________________ 【价值探讨】氢氧燃料电池的最终产物是水。请与同桌讨论，这种电池的推广应用有哪些重要意义？（从能源和环境角度思考） _______________________________________________________________________________ 活动2：微型实验与思考 观察“制作简单的燃料电池”实验，回答： 通电时，两个石墨棒上产生的气体分别是_____和_____。 断电后，连接时钟，时钟指针走动，说明_____能转化为了_____能。 如何通过实验现象判断燃料电池的正负极？ _______________________________________________________________________________ 【课后思考】 1.为什么废旧电池不能随意丢弃？我们应该如何处理？ 答：_______________________________________________________________________________2.你认为未来的理想电池应该具备哪些特性？ 答：_______________________________________________________________________________ 1． 研究发现一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，其在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如图为酸性有机污水处理的实验装置。下列说法正确的是(　　) A．工作过程中正极室的溶液pH降低 B．工作过程中H+由正极室向负极室迁移 C．若底物为CH3CHO，且放出44 g CO2，至少消耗28.0 L O2 D．若底物为CH3CHO，则负极反应式为 CH3CHO-10e-+3H2O=2CO2↑+10H+ 2．镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　) A．放电时，Cl－向上层方向移动 B．放电时，Mg(液)层的质量减小 C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极 D．充电时，阴极的电极反应式为 Mg2＋＋2e－= Mg 3．全钒液流储能电池一次性充电后，续航能力可达1000 km，而充电时间只需3～5 min，被誉为“完美电池”，其原理如图所示(已知溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色)。电池放电时，左槽溶液质量增加。下列说法正确的是(　　) A．充电时右侧石墨棒作阳极 B．放电时的正极反应：V3＋＋e－= V2＋ C．放电过程中，右槽溶液由紫色变为绿色 D．充电时的阴极反应： VO2+＋2H＋＋e－= VO2＋＋H2O 4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题： (1)高铁电池的负极材料是_____，放电时负极反应式为___________________________，放电时，_____(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。 (2)充电时，正极上发生______(填“氧化”或“还原”)反应，此时正极上发生的反应式为___________________________。 考点 1：化学电源 下列有关化学电源的描述正确的是 ①一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生　②二次电池也叫可充电电池，通过充电可使其活性物质再生　③任何电池都是依据原电池的原理制造的 　④化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点 A．①②③④ B．①②④ C．③④ D．①②③ 考点 2：一次电池的工作原理 1．下列有关电池的叙述正确的是 A．锌锰干电池中，锌电极是负极 B．手机用的锂离子电池属于一次电池 C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被还原 D．太阳能电池的主要材料为二氧化硅 2.普通锌锰干电池是最早进入市场的实用电池，碱性锌锰电池是普通锌锰电池的升级换代产品，其总反应分别为： 、 下列关于两种电池的说法中，不正确的是 A．两种电池中电池的负极材料都是Zn B．两种电池工作时，均发生还原反应 C．两种电池工作时每生成，则转移电子数为 D．碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能优越，能提供较大电流并连续放电 考点 3：二次电池的充放电原理 1.如图是最近研发的Ca–LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li+通过，电池反应为：xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+xCa2++2LiFePO4。下列说法错误的是 A．左室电解质LiPF6–LiAsF6为非水电解质 B．放电时，负极反应为：LiFePO4-xe−=Li1-xFePO4+xLi+ C．充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4电极发生Li+脱嵌，放电时发生Li+嵌入 D．充电时，左室中钙电极的质量增加4.0g，理论上导线中有0.2mol电子通过 2.二次电池：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。 (1)以铅酸蓄电池为例 总反应：。 ①放电时的反应 负极：③ 。 正极：④ 。 ②充电时的反应 阴极：⑤ 。 阳极：⑥ 。 (2)可充电电池的充放电 ①充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作：“正接正，负接负”。 ②可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。 ③放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。 考点 4：燃料电池的工作原理 1.完成下列问题。 (1)利用甲醇燃料电池实现工业上用KCl溶液制取KOH溶液，其工作原理如图所示。 ①甲醇()燃料电池的负极反应式为 。 ②从c口出来的气体为 (填化学式)，f口出来的为 。 ③若用该燃料电池处理酸性铵氮废水，产生无污染气体，则在阳极上的电极反应式为 。 (2)实验小组同学利用如图实验装置进行铁钉上镀镍。 镍电极为 (填“阳极”或“阴极”)，铁钉表面发生的电极反应式为 。 (3)氢氧燃料电池是短寿命载人航天器电源的一个合适的选择。下图是一种碱性氢氧燃料电池结构示意图。 ①请写出负极的电极反应式 。 ②电池工作时产生的水会以水蒸气的形式被反应物气体带出，在出口加装冷凝器可以将水回收。冷凝器应装在出口 (填“c”或“d”)处。 (4)我国自行研制的“神舟”飞船使用了镍镉蓄电池组，其充放电时发生的反应为：Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2，电池装置如下图所示，阴离子交换膜两侧均注入溶液。 ①下列对于该镍镉电池的分析中，正确的是 。 A．图示中的电池应先充电，再使用 B．充电时，从镍电极区迁移进入镉电极区 C．放电时，镍电极为电池的负极，镉电极为电池的正极 D．充电或放电一段时间后，两电极区溶液中的物质的量均未改变 ②镍镉电池在充电时，镉电极上发生的电极反应为 ；当和耗尽后仍继续充电，则会在电极发生副反应而造成安全隐患，称为电池过充电。此时镉电极上将生成气体 (填化学式)；镍电极上则会发生反应 (填电极反应式)而产生。 1 学科网（北京）股份有限公司 $ 第一专题 化学反应与能量变化 第二单元 化学能与电能的转化 第二课时 化学电源 一、知识目标 1.能准确列举日常生活和工业生产中常见的化学电源（如干电池、铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池等），明确不同化学电源的应用场景及特点。 2.以典型化学电源（如锌锰干电池、铅酸蓄电池、氢氧燃料电池）为例，结合氧化还原反应原理，分析电极反应和电池总反应，理解化学能转化为电能的本质过程。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：通过观察不同化学电源的外观特征（宏观），结合其内部电极反应、粒子迁移（微观），建立宏观现象与微观变化的关联，理解化学电源实现能量转化的微观本质，形成 “宏观 - 微观 - 符号” 三重表征的认知方式。 2.变化观念与平衡思想：认识到化学电源工作过程是氧化还原反应的定向进行过程，理解二次电池充放电过程中反应的可逆性（如铅酸蓄电池充电时电能转化为化学能，放电时化学能转化为电能），树立物质变化过程中能量守恒、动态平衡的观念。 3.证据推理与模型认知：基于典型化学电源的工作原理，收集电极反应现象、电流产生等证据，推理得出电极反应式的书写规律，构建 “分析电极材料性质→判断氧化还原反应方向→书写电极反应式” 的思维模型，并能运用该模型解决陌生化学电源的电极反应式书写问题。 4.科学态度与社会责任：了解化学电源在新能源汽车、储能设备、航天航空等领域的重要应用，认识化学学科在解决能源危机、推动绿色能源发展中的作用；同时关注废旧电池对环境的危害，树立合理使用、回收处理化学电源的环保意识和社会责任感，培养可持续发展的科学态度。 5.科学探究与创新意识：通过设计简单的化学电源实验（如利用水果、电极材料制作简易电池），体验科学探究的基本过程（提出问题、设计方案、进行实验、收集证据、得出结论）；在分析不同电解质环境对电极反应影响的过程中，激发创新思维，尝试提出优化化学电源性能的思路。 1、 教学重点：能列举常见的化学电源，了解化学电源的分类及构成，并分析其工作原理。 二、教学难点：能熟练书写常见的化学电源的电极反应式。 1. 化学电源分为三大类：一次电池、二次电池、燃料电池。 2. 一次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。使用最广泛的一次电池是干电池，如普通锌锰干电池、碱性锌锰电池等。 3. 锌锰干电池 负极是锌筒，电极反应式Zn - 2e- + 2NH3= [Zn(NH3)2]2+ 正极是石墨棒，电极反应式MnO2 + e- + NH4+ = MnOOH+NH3↑ 电解质溶液是氯化铵和氯化锌 电池反应式是Zn + 2NH4+ + 2MnO2=[Zn(NH3)2]2+ + 2MnOOH 4. 碱性锌锰电池 负极反应物是锌粉，电极反应式Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极反应物是二氧化锰，电极反应式2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH+2OH- 电解质溶液是氢氧化钾溶液 电池反应式是Zn + 2MnO2+ 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 5.银锌纽扣电池 负极反应物是锌粉，电极反应式Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极反应物是Ag2O，电极反应式Ag2O + 2e- + 2H2O = 2Ag + 2OH- 电解质溶液是氢氧化钾溶液 电池反应式是Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 6.二次电池又称为充电电池或蓄电池，二次电池可以多次重复使用。铅蓄电池是最常见的二次电池。铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃后会污染环境等。 7.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。 8.铅蓄电池放电时是原电池，负极反应式是Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 ，正极反应式是PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O，放电总反应式是Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O。 充电时电池相当于电解池，阳极反应式是PbSO4 + 2H2O +2e-＝PbO2 + 4H+ + SO42- ，阴极反应式是PbSO4 +2e-＝Pb + SO42-，充电总反应式是2PbSO4+2H2O＝Pb+PbO2+2H2SO4。 铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示： 9. 锂离子电池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。电解质溶液是锂离子的载体，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子导电通道。 10. 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。 11. 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生氧化反应和还原反应。 负极电极反应式2H2- 4e-+ 4OH-=4H2O 正极电极反应式O2+ 2H2O + 4e- = 4OH- 电池总反应式是2H2+O2 = 2H2O 探究环节一：初识化学电源——分类与性能 【思考与讨论1】 观察老师展示的各种电池图片（如干电池、充电电池、燃料电池），结合课本知识，小组讨论，完成下表。 电池类型 核心特点（能否充电？物质是否耗尽？） 常见实例（至少1个） 一次电池 不可充电，活性物质消耗后即失效 普通锌锰干电池、碱性锌锰电池、纽扣电池 二次电池 可充电，活性物质可再生，能多次使用 铅蓄电池、锂离子电池、镍镉电池 燃料电池 可连续发电，燃料和氧化剂从外部输入 氢氧燃料电池、甲醇燃料电池 【思考与讨论2】 如果你想为遥控器购买电池，你会关注电池的哪些性能指标？了解评价电池优劣的三个关键专业指标是什么？它们分别代表什么含义？ 比能量：指单位质量或体积所输出电能的多少，它决定了电池的续航时间。 比功率：指单位质量或体积所输出功率的大小，它决定了电池的放电强度（能否提供大电流）。 可储存时间：即电池的寿命。 探究环节二：深入一次电池——原理探究 活动1：探究碱性锌锰电池原理 【观察与猜想】观察碱性锌锰电池的结构示意图，你认为： 负极可能是：锌粉（Zn），理由是活泼金属，易失电子。 正极可能是：二氧化锰（MnO2），理由是具有氧化性，能得电子。 电解质溶液是：氢氧化钾（KOH）溶液。 【原理揭秘】根据老师的讲解，写出电极反应式和总反应式。 负极反应式：Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极反应式：2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH+2OH- 电池总反应式：Zn + 2MnO2+ 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 活动2：揭秘银锌纽扣电池 【类比猜想】银锌纽扣电池以Zn为负极，Ag2O为正极，KOH溶液为电解质。请尝试类比碱性锌锰电池，写出其电极反应式。 负极反应式：Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极反应式：2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH+2OH- 电池反应式：Zn + 2MnO2+ 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 【归纳与小结】与小组同学讨论，总结一次电池的共同特点和它们之间的主要差异。 共性：均为不可充电电池，放电后即废弃；工作时均将化学能转化为电能。 差异：比能量、比功率、储存时间、适用场景（如大电流设备常用碱性电池）不同。 探究环节三：揭秘二次电池——充放电的奥秘 活动1：铅蓄电池充放电探究 【观察模型】观察铅蓄电池模型，指出其正极、负极和电解质的成分。 正极：PbO₂ 负极：Pb 电解质：H2SO₄溶液 【小组讨论】放电过程（原电池原理） 放电时，哪一极发生氧化反应（失电子）？请写出电极反应式和总反应式。 负极反应式：Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 正极反应式：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O 放电总反应式：Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O 【思考】放电过程中，硫酸的浓度如何变化？降低。 【核心猜想】充电过程（电解池原理）充电反应是放电反应的逆过程。 【推理与书写】 阴极反应式（接电源负极，得电子）：PbSO4 +2e-＝Pb + SO42- 阳极反应式（接电源正极，失电子）：PbSO4 + 2H2O +2e-＝PbO2 + 4H+ + SO42- 充电总反应式：2PbSO4+2H2O＝Pb+PbO2+2H2SO4 铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示： 【思考】充电过程中，硫酸的浓度如何变化？升高。 因此，我们可以通过测量电解液的密度来判断铅蓄电池是否需要充电。 活动2：认识现代二次电池——锂离子电池 【阅读】了解锂离子电池的工作原理。 【比较与归纳】与铅蓄电池相比，锂离子电池有哪些优点和缺点？ 优点：比能量高、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低等。 缺点：成本较高、对过充过放敏感、需要保护电路等。 探究环节四：展望未来电池——燃料电池 活动1：氢氧燃料电池原理探究 【概念理解】阅读教材，总结燃料电池的两大特点。 特点一：燃料和氧化剂不是储存在电池内部，而是从外部持续输入。 特点二：反应产物被不断排出，可连续不断地提供电能。 【反应式书写】 负极电极反应式2H2- 4e-+ 4OH-=4H2O 正极电极反应式O2+ 2H2O + 4e- = 4OH- 电池总反应式是2H2+O2 = 2H2O 【价值探讨】氢氧燃料电池的最终产物是水。请与同桌讨论，这种电池的推广应用有哪些重要意义？（从能源和环境角度思考） 能量转换效率远高于热机，有利于节约能源。 最终产物是水，无污染，是实现“零碳排放”的清洁能源。 活动2：微型实验与思考 观察“制作简单的燃料电池”实验，回答： 通电时，两个石墨棒上产生的气体分别是H₂和O₂。 断电后，连接时钟，时钟指针走动，说明化学能转化为了电能。 如何通过实验现象判断燃料电池的正负极？ 与电源负极相连的石墨棒产生H₂，放电时为燃料电池的负极；与电源正极相连的石墨棒产生O₂，放电时为燃料电池的正极。 【课后思考】 1.为什么废旧电池不能随意丢弃？我们应该如何处理？ 答：废旧电池含有重金属（如汞、铅、镉）和酸碱电解质，随意丢弃会污染土壤和水体，最终通过食物链危害人体健康。应将其放入专门的废旧电池回收箱，进行集中无害化处理或资源化回收。 2.你认为未来的理想电池应该具备哪些特性？ 答：高比能量、高比功率、循环寿命长、充电速度快、安全性高、原材料丰富、成本低廉、环境友好（可降解或易回收）。 1． 研究发现一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，其在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如图为酸性有机污水处理的实验装置。下列说法正确的是(　D　) A．工作过程中正极室的溶液pH降低 B．工作过程中H+由正极室向负极室迁移 C．若底物为CH3CHO，且放出44 g CO2，至少消耗28.0 L O2 D．若底物为CH3CHO，则负极反应式为 CH3CHO-10e-+3H2O=2CO2↑+10H+ 2．镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　C　) A．放电时，Cl－向上层方向移动 B．放电时，Mg(液)层的质量减小 C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极 D．充电时，阴极的电极反应式为 Mg2＋＋2e－= Mg 3．全钒液流储能电池一次性充电后，续航能力可达1000 km，而充电时间只需3～5 min，被誉为“完美电池”，其原理如图所示(已知溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色)。电池放电时，左槽溶液质量增加。下列说法正确的是(　C　) A．充电时右侧石墨棒作阳极 B．放电时的正极反应：V3＋＋e－= V2＋ C．放电过程中，右槽溶液由紫色变为绿色 D．充电时的阴极反应： VO2+＋2H＋＋e－= VO2＋＋H2O 4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题： (1)高铁电池的负极材料是Zn，放电时负极反应式为3Zn＋6OH－－6e－ = 3Zn(OH)2，放电时，正(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。 (2)充电时，正极上发生氧化(填“氧化”或“还原”)反应，此时正极上发生的反应式为2Fe(OH)3＋10OH- -6e- = 2FeO42-＋8H2O。 考点 1：化学电源 下列有关化学电源的描述正确的是 ①一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生　②二次电池也叫可充电电池，通过充电可使其活性物质再生　③任何电池都是依据原电池的原理制造的 　④化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点 A．①②③④ B．①②④ C．③④ D．①②③ 【答案】B 【详解】①一次电池是活性物质消耗后不能再生的电池，常见的干电池属于一次电池，故正确； ②二次电池放电后可以再充电，使活性物质获得再生，故正确； ③有些电池不是依据原电池的原理制造的，如太阳能电池，故错误； ④化学电源可以制成各种形状、大小不同的电池，与其他能源相比，具有携带方便，故正确； ①②④正确，故选B。 考点 2：一次电池的工作原理 1．下列有关电池的叙述正确的是 A．锌锰干电池中，锌电极是负极 B．手机用的锂离子电池属于一次电池 C．氢氧燃料电池工作时氢气在负极被还原 D．太阳能电池的主要材料为二氧化硅 【答案】A 【详解】A．锌锰干电池中，锌做负极失电子发生氧化反应，电极方程式为Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2，A正确； B．手机用锂离子电池因可以重复充电使用，故属于二次电池，B错误； C．氢氧燃料电池在工作时，氢气在负极失电子被氧化，发生氧化反应，C错误； D．太阳能电池的主要材料为高纯硅，并非高纯二氧化硅，D错误； 故选A。 2.普通锌锰干电池是最早进入市场的实用电池，碱性锌锰电池是普通锌锰电池的升级换代产品，其总反应分别为： 、 下列关于两种电池的说法中，不正确的是 A．两种电池中电池的负极材料都是Zn B．两种电池工作时，均发生还原反应 C．两种电池工作时每生成，则转移电子数为 D．碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能优越，能提供较大电流并连续放电 【答案】C 【分析】由总反应可知，碱性锌锰电池：负极上Zn被氧化生成，正极上被还原生成；普通锌锰电池：负极上Zn被氧化生成，正极上被还原生成，据此解答。 【详解】A．由分析知，两种电池都是Zn一端作负极，A正确； B．由分析知，在两种电池中正极都是被还原生成， B正确； C．由分析知，两种电池反应中都是被还原生成，Mn元素都由+4价降低到+3价，则每生成1mol 转移1mol（）电子，C错误； D．碱性电池使用碱性电解质，导电性更好，内阻更小，能提供较大电流并稳定放电，D正确； 故答案选C。 考点 3：二次电池的充放电原理 1.如图是最近研发的Ca–LiFePO4可充电电池的工作示意图，锂离子导体膜只允许Li+通过，电池反应为：xCa+2Li1-xFePO4+2xLi+xCa2++2LiFePO4。下列说法错误的是 A．左室电解质LiPF6–LiAsF6为非水电解质 B．放电时，负极反应为：LiFePO4-xe−=Li1-xFePO4+xLi+ C．充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4电极发生Li+脱嵌，放电时发生Li+嵌入 D．充电时，左室中钙电极的质量增加4.0g，理论上导线中有0.2mol电子通过 【答案】B 【解析】由总反应式可知，放电时为原电池反应，Ca化合价升高被氧化为负极，电极反应式为Ca-2e-=Ca2+，Li1-xFePO4被还原，为原电池正极反应，电极反应式为Li1-xFePO4+xLi++e-=LiFePO4，充电是电能转化为化学能的过程，阳极反应和原电池正极相反，阴极反应和原电池负极相反。 【详解】A. Ca非常活泼与水发生剧烈反应，左室电解质LiPF6–LiAsF6为非水电解质，故A正确； B．放电时，放电时为原电池反应，Ca化合价升高被氧化为负极，电极反应式为Ca-2e-=Ca2+，故B错误； C．放电时Li1-xFePO4/LiFePO4 为原电池正极，反应式为Li1-xFePO4+xLi++e-=LiFePO4，充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4 电极为阳极，电极反应和原电池正极相反，即反应为LiFePO4-xe-=Li1-xFePO4 +xLi+，所以充电时，Li1-xFePO4/LiFePO4 电极发生 Li+脱嵌，放电时发生 Li+嵌入，故C正确； D．充电时，左室中钙电极的质量增加4.0g，左室溶液中有0.1molCa2+得电子生成Ca，转移 0.2 mol 电子，故D正确； 故选B。 2.二次电池：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。 (1)以铅酸蓄电池为例 总反应：。 ①放电时的反应 负极：③ 。 正极：④ 。 ②充电时的反应 阴极：⑤ 。 阳极：⑥ 。 (2)可充电电池的充放电 ①充电时，原电池负极与外接电源负极相连，原电池正极与外接电源正极相连，记作：“正接正，负接负”。 ②可充电电池有充电和放电两个过程，放电时是原电池反应，充电时是电解池反应。充电、放电不是可逆反应。 ③放电时的负极反应和充电时的阴极反应相反，放电时的正极反应和充电时的阳极反应相反。将负(正)极反应式变换方向并将电子移项即可得出阴(阳)极反应式。 【答案】 【详解】①放电时的反应： 负极：铅在负极失去电子被氧化，与硫酸根离子结合生成硫酸铅，电极反应：； 正极：二氧化铅在正极得电子被还原，结合四个氢离子和硫酸根离子，生成硫酸铅和水，电极反应：； ②充电时的反应： 阴极：充电时，阴极发生还原反应，硫酸铅得到两个电子，被还原为铅和硫酸根离子，电极反应：； 阳极：充电时，阳极发生氧化反应，硫酸铅失去两个电子，结合水生成二氧化铅，并生成四个氢离子和硫酸根离子，电极反应：。 考点 4：燃料电池的工作原理 1.完成下列问题。 (1)利用甲醇燃料电池实现工业上用KCl溶液制取KOH溶液，其工作原理如图所示。 ①甲醇()燃料电池的负极反应式为 。 ②从c口出来的气体为 (填化学式)，f口出来的为 。 ③若用该燃料电池处理酸性铵氮废水，产生无污染气体，则在阳极上的电极反应式为 。 (2)实验小组同学利用如图实验装置进行铁钉上镀镍。 镍电极为 (填“阳极”或“阴极”)，铁钉表面发生的电极反应式为 。 (3)氢氧燃料电池是短寿命载人航天器电源的一个合适的选择。下图是一种碱性氢氧燃料电池结构示意图。 ①请写出负极的电极反应式 。 ②电池工作时产生的水会以水蒸气的形式被反应物气体带出，在出口加装冷凝器可以将水回收。冷凝器应装在出口 (填“c”或“d”)处。 (4)我国自行研制的“神舟”飞船使用了镍镉蓄电池组，其充放电时发生的反应为：Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2，电池装置如下图所示，阴离子交换膜两侧均注入溶液。 ①下列对于该镍镉电池的分析中，正确的是 。 A．图示中的电池应先充电，再使用 B．充电时，从镍电极区迁移进入镉电极区 C．放电时，镍电极为电池的负极，镉电极为电池的正极 D．充电或放电一段时间后，两电极区溶液中的物质的量均未改变 ②镍镉电池在充电时，镉电极上发生的电极反应为 ；当和耗尽后仍继续充电，则会在电极发生副反应而造成安全隐患，称为电池过充电。此时镉电极上将生成气体 (填化学式)；镍电极上则会发生反应 (填电极反应式)而产生。 【答案】(1) 高浓度KOH溶液 (2) 阳极 (3) c (4) AD H2 【详解】（1）①为负极，失去电子后在碱性电解质溶液中转化为，根据电荷守恒和原子守恒，电极反应式为； ②电极j接甲醇燃料电池的负极，为电解池的阴极，发生还原反应，电极反应式为，电极i接甲醇燃料电池的正极，为电解池的阳极，发生氧化反应，电极反应式为，c口出来的气体为，溶液中的钾离子通过钾离子交换膜从阳极移向阴极，f口出来的为高浓度KOH溶液，故答案为；高浓度KOH溶液。 ③由题意知，在阳极失去电子，产生无污染的气体，根据电荷守恒和原子守恒，发生的电极反应式为。 （2）图为电解池，在铁钉上镀镍，则铁钉做阴极，镍电极为阳极；铁钉处电极反应式为。 （3）①氢氧燃料电池中通入的是正极，通入的是负极，在负极失去电子生成，电极反应式为：。 ②由图可知，在电极a处通入氢气，电极反应为：；则水从c口回收，故答案为c。 （4）①A．电池组装时，Cd和Ni电极固定，和较多，所以开始应先充电，再使用，A正确； B．根据方程式 知，充电时， Cd电极为阴极(被还原为Cd)，Ni电极为阳极，充电时向阳极移动，即向Ni电极移动，B错误； C．根据方程式 知，放电时，镍电极为电池的正极(镍元素化合价降低，NiOOH被还原为)，镉电极为电池的负极，C错误； D．根据方程式 知，该反应过程前后物质的量不变，充电或放电一段时间后，两电极区溶液中的物质的量均未改变，D正确； 故答案选AD。 ②镍镉电池在充电时，镉电极发生还原反应，电极方程式为：，充电时，Cd电极为阴极，则电池过充电后，继续充电的电极反应为：，故生成的气体为；此时镍电极为阳极，电极反应为：，故答案为；；。 1 学科网（北京）股份有限公司 $