高中化学选修4原电池与电解池讲义及习题(含答案)

1个性化辅导讲义讲义编号学员编号：年级：高二课时数：学员姓名：辅导科目：化学学科教师：授课课题电化学基础-原电池、电解池授课时间及时段年月日星期时段：—教学目标1.理解原电池的工作原理，了解组成原电池的条件2.掌握电极反应和原电池总反应方程式的书写3.认识化学能与电能的相互转化教学内容与过程1．原电池和电解池的比较：装置原电池电解池实例原理使氧化还原反应中电子作定向移动，从而形成电流。这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池。使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。这种把电能转变为化学能的装置叫做电解池。形成条件①电极：两种不同的导体相连；②电解质溶液：能与电极反应。③能自发的发生氧化还原反应④形成闭合回路①电源；②电极（惰性或非惰性）；③电解质（水溶液或熔化态）。反应类型自发的氧化还原反应非自发的氧化还原反应电极名称由电极本身性质决定：正极：材料性质较不活泼的电极；负极：材料性质较活泼的电极。由外电源决定：阳极：连电源的正极；阴极：连电源的负极；2电极反应负极：Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）正极：2H++2e-=H2↑（还原反应）阴极：Cu2++2e-=Cu（还原反应）阳极：2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反应）电子流向负极→正极电源负极→阴极；阳极→电源正极电流方向正极→负极电源正极→阳极；阴极→电源负极能量转化化学能→电能电能→化学能应用①抗金属的电化腐蚀；②实用电池。①电解食盐水（氯碱工业）；②电镀（镀铜）；③电冶（冶炼Na、Mg、Al）；④精炼（精铜）。2.原电池正负极的判断：⑴根据电极材料判断：活泼性较强的金属为负极，活泼性较弱的或者非金属为正极。⑵根据电子或者电流的流动方向：电子流向：负极→正极。电流方向：正极→负极。⑶根据电极变化判断：氧化反应→负极；还原反应→正极。⑷根据现象判断：电极溶解→负极；电极重量增加或者有气泡生成→正极。⑸根据电解液内离子移动的方向判断：阴离子→移向负极；阳离子→移向正极。3.电极反应式的书写：负极：⑴负极材料本身被氧化：①如果负极金属生成的阳离子与电解液成分不反应，则为最简单的：M-ne-=Mn+如：Zn-2e-=Zn2+②如果阳离子与电解液成分反应，则参与反应的部分要写入电极反应式中：如铅蓄电池，Pb+SO42--2e-=PbSO4⑵负极材料本身不反应：要将失电子的部分和电解液都写入电极反应式，如燃料电池CH4-O2(C作电极)电解液为KOH：负极：CH4+10OH--8e-=C032-+7H2O正极：⑴当负极材料能自发的与电解液反应时，正极则是电解质溶液中的微粒的反应，H2SO4电解质，如2H++2e-=H2CuSO4电解质：Cu2++2e-=Cu⑵当负极材料不与电解质溶液自发反应时，正极则是电解质中的O2发生还原反应①当电解液为中性或者碱性时，H2O参加反应，且产物必为OH-,如氢氧燃料电池（KOH电解质）O2+2H2O+4e-=4OH-②当电解液为酸性时，H+参加反应，产物为H2OO2+4H++4e-=2H2O4．化学电源新型电池3一、一次电池1、定义：一次电池的活性物质（发生氧化还原反应的物质）消耗到一定程度，就不能使用了．一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池．常用的有普通的锌锰干电池、碱性锌锰电池、锌汞电池、镁锰干电池等．2、常见的一次电池：（1）普通锌锰干电池锌锰干电池是最常见的化学电源，分酸性碱性两种．干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO2的混合物，在混合物周围再装入以NH4Cl溶液浸润ZnCl2，NH4Cl和淀粉或其他填充物（制成糊状物）．为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好．干电池在使用时的电极反应为：负极：Zn﹣2e﹣=Zn2+正极：2NH4++2e﹣+2MnO2=2NH3↑+Mn2O3+H2O总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Mn2O3+2NH3↑+Zn2++H2O（2）碱性锌锰干电池负极：Zn+2OH﹣﹣2e﹣=Zn（OH）2正极：2MnO2+2H2O+2e﹣=2MnOOH+2OH﹣总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn（OH）2（3）锌银电池电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称．它们的电极材料是Ag2O和Zn，所以叫锌银电池．电极反应和电池反应是：负极：Zn+2OH﹣﹣2e﹣=Zn（OH）2正极：Ag2O+H2O+2e﹣=2Ag+2OH﹣总反应：Zn+Ag2O+H2O=Zn（OH）2+2Ag利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点．这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面．（4）锂﹣二氧化锰非水电解质电池以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，锂-二氧化锰电池负极是金属锂，正极活性物质是二氧化锰。电解质是无机盐高氯酸锂（LiClO4），溶于碳酸丙烯酯（PC）和1、2-二甲氧基乙烷（DME）的混合有机溶剂中，电极反应为：负极反应：Li﹣e﹣=Li+正极反应：MnO2+Li++e﹣=LiMnO24总反应：Li+MnO2=LiMnO2该种电池的电动势为2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90%，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等．（5）铝﹣空气﹣海水电池1991年，我国首例以铝﹣空气﹣海水为材料组成的新型电池用作航海标志灯．该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流．工作原理：负极：4Al﹣12e﹣=4Al3+正极：3O2+6H2O+12e﹣=12OH﹣总反应：4Al+3O2+6H2O=4Al（OH）3特点：这种海水电池的能量比“干电池”高20﹣50倍．（6）高能电池﹣锂电池该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池．由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）．因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂．如作心脏起搏器的锂﹣碘电池的电极反应式为：负极：2Li﹣2e﹣=2Li+正极：I2+2e﹣=2I﹣总反应式为：2Li+I2=2LiI练习：（9分）锂锰电池的体积小、性能优良，是常用的一次电池。该电池反应原理如图所示，其中电解质LiCIO4。溶于混合有机溶剂中，Li+通过电解质迁移入MnO2晶格中，生成LiMnO2。回答下列问题：（1）外电路的电流方向是由____极流向____极。（填字母）（2）电池正极反应式为。（3）是否可用水代替电池中的混合有机溶剂？____（填“是”或“否”），原因是____________。（4）MnO2可与KOH和KClO3，在高温下反应，生成K2MnO4，反应的化学方程式为_______________。K2MnO4在酸性溶液中歧化，生成KMnO4和MnO2的物质的量之比为___________。二、二次电池1、定义：二次电池又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生．这类电池可以多次重复使用．52、常见的二次电池：（1）铅蓄电池是最常见的二次电池，它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，电解质是H2SO4．铅蓄电池放电的电极反应如下：负极：Pb+SO42﹣﹣2e﹣=PbSO4（氧化反应）正极：PbO2+SO42﹣十4H++2e﹣=PbSO4+2H2O（还原反应）总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4十2H2O铅蓄电池充电的反应是上述反应的逆过程：阴极：PbSO4+2e﹣=Pb+SO42﹣（还原反应）阳极：PbSO4+2H2O﹣2e﹣=PbO2+SO42﹣十4H+（氧化反应）总反应：2PbSO4十2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4可以把上述反应写成一个可逆反应方程式：Pb+PbO2+2H2SO4⇌2PbSO4十2H2O练习：已知铅蓄电池的工作原理为Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O，现用如图装置进行电解(电解液足量)，测得当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减少11.2g。请回答下列问题。(1)A是铅蓄电池的极，铅蓄电池正极反应式为，放电过程中电解液的密度(填“减小”、“增大”或“不变”)。(2)Ag电极的电极反应式是，该电极的电极产物共g。(3)Cu电极的电极反应式是，CuSO4溶液的浓度(填“减小”、“增大”或“不变”)(4)如图表示电解进行过程中某个量(纵坐标x)随时间的变化曲线，则x表示。a．各U形管中产生的气体的体积6b．各U形管中阳极质量的减少量c．各U形管中阴极质量的增加量（2）碱性镍镉电池：该电池以Cd和NiO（OH）（氢氧化镍酰）作电极材料，NaOH作电解质溶液．负极：Cd+2OH﹣﹣2e﹣=Cd（OH）2正极：2NiO（OH）+2H2O+2e﹣=2Ni（OH）2+2OH﹣总反应式为：Cd+2NiO（OH）+2H2O=Cd（OH）2+2Ni（OH）2充电时：阳极发生如下反应Ni(OH)2–e-+OH-=NiO(OH)+H2O阴极发生的反应：Cd(OH)2+2e-=Cd+2OH-总反应为：2Ni(OH)2+Cd(OH)2=2NiO(OH)+Cd+2H2O从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低．而镍﹣镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化．练习：镉镍可充电电池在现代生活中有广泛应用，它的充、放电反应按下式进行：Cd+2NiOOH+2H2OCd（OH）2+2Ni（OH）2，由此判断错误的是：（）A．放电时，Cd作负极B．放电时，NiO(OH)作负极C．电解质溶液为碱性溶液D．放电时，负极反应为Cd+2OH-－2e-=Cd(OH)2（3）氢镍可充电池：该电池是近年来开发出来的一种新型可充电池，可连续充、放电500次，可以取代会产生镉污染的镍﹣镉电池．负极：H2+2OH﹣﹣2e﹣=2H2O正极：2NiO（OH）+2H2O+2e﹣=2Ni（OH）2+2OH﹣总反应式为：H2+2NiO（OH）=2Ni（OH）2练习：氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，可以取代会产生隔污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式H2+NiO(OH)Ni(OH)2，根据此反应式判断，下列叙述中正确的是（）A．电池放电时，电池负极周围溶液pH不断增大B．电池放电时，镍元素被氧化C．电池充电时，氢元素被氧化D．电池放电时，H2是负极7三、燃料电池又称连续电池：一般以天然燃料或其它可燃物质如H2、CH4等作为负极反应物质，以O2作为正极反应物质而形成的．燃料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一．（1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用40%的KOH溶液作电解质溶液．其电极反应式为：负极：2H2+4OH﹣﹣4e﹣=4H2O正极：O2+2H2O+4e﹣=4OH﹣总反应式为：2H2+O2=2H2O（2）甲烷燃料电池用金属铂作电极，用KOH溶液作电解质溶液．负极：CH4+10OH﹣﹣8e﹣=CO32﹣+7H2O正极：2O2+4H2O+8e﹣=8OH﹣总反应式为：CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O（3）甲醇燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的10倍．负极：2CH4O+16OH﹣﹣12e﹣=2CO32﹣+12H2O正极：3O2+6H2O+12e﹣=12OH﹣总反应式为：2CH4O+3O2+4OH﹣=2CO32﹣+6H2O（4）固体氧化物燃料电池该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体二氧化锆﹣氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2﹣在其间通过．负极：2H2+2O2-﹣4e﹣=2