2020化学新素养同步人教必修二讲义素养练第2章第2节第2课时发展中的化学电源解析

第2课时发展中的化学电源学习目标核心素养建构1.记住干电池、充电电池、燃料电池等发展中的化学电源的特点。2．认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。3．能正确书写简单化学电源的电极反应式。[知识梳理]1．干电池干电池是一种一次性电池，放电后不能再充电。2．充电电池充电电池又称为二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。3．燃料电池(1)原理：利用原电池工作原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能。(2)与其他电池的区别：反应物不是储存在电池内部，由外设装备提供燃料和氧化剂。【自主思考】铅蓄电池在充电、放电过程中发生的氧化还原反应是可逆反应吗？提示不是，因为充电和放电过程中氧化还原反应发生的条件不相同。[效果自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细()(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能()(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化()(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅()答案(1)×(2)×(3)√(4)×2．下列几种化学电池中，不属于可充电电池的是()A．碱性锌锰电池B．手机用锂电池C．汽车用铅蓄电池D．玩具用镍氢电池答案A3．下列有关电池的说法不正确的是()A．手机上用的锂离子电池属于二次电池B．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从铜电极流向锌电极C．甲醇燃料电池可把化学能转化为电能D．锌锰干电池中，锌电极是负极答案B探究一、常见化学电源的特点【合作交流】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．结合所学知识判断：干电池与充电电池的本质区别，燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别。提示干电池是一次性电池，放电之后不能充电，即内部的氧化还原反应是不可逆的；充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等，这时电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。【点拨提升】几种电池的特点名称干电池(一次电池)充电电池(二次电池)燃料电池特点①活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度后，不能再使用②电解质溶液为胶状，不流动①放电后可再充电使活性物质获得再生②可以多次充电，重复使用①电极本身不包含活性物质，只是一个催化转换元件②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出举例普通的锌锰电池、碱性锌锰电池、银锌电池等铅蓄电池、锂电池、镍镉电池等氢氧燃料电池、CH4燃料电池、CH3OH燃料电池等【典题例证1】下列说法正确的是()A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新型电池C．化学电池的反应基础是氧化还原反应D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO2解析碱性锌锰干电池是一次电池；燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池；铅蓄电池放电的时候正极材料是PbO2，负极材料是Pb。答案C【学以致用1】【学以致用1】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.铅蓄电池工作过程中，每转移2mol电子，负极质量减小207gD.氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源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；干电池长期使用后，锌会参与电极反应，使锌筒被破坏，故B正确；铅蓄电池工作过程中，硫酸铅在负极上析出，负极质量应该增加而非减小，故C错误；氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内，且工作的最终产物是水，故氢氧燃料电池是一种具有广阔应用前景的绿色电源。D正确。答案C探究二、常见化学电源电极反应式的书写【合作交流】氢气被看作是理想的“绿色能源”。用高压氢气、氧气制作氢氧燃料电池是利用氢能的一种重要方式(装置如图所示)。请写出氢氧燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的电极反应式。负极_____________________________________________________；正极_____________________________________________________。提示2H2－4e－＋4OH－===4H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－【点拨提升】1．电极反应方程式的书写方法(1)负极反应式的书写①活泼金属作负极(电极材料本身反应)生成的阳离子与电解质溶液不反应时：M－ne－===Mn＋。若生成的阳离子与电解质溶液反应，应将“金属失电子的反应式”与“阳离子和电解质溶液反应的反应式”叠加写出。②燃料电池(电极材料本身不反应)H2—O2(H2SO4)燃料电池负极反应式：H2－2e－===2H＋。H2—O2(KOH)燃料电池负极反应式：H2－2e－＋2OH－===2H2O。(2)正极反应式的书写①首先判断在正极反应的物质当负极材料与电解质溶液能反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解液中的某种粒子。当负极材料与电解质溶液不反应时，在正极上发生电极反应的是溶解在电解液中的O2。燃料电池中正极反应的物质是作氧化剂的物质。②根据具体情况书写正极反应式(也要考虑是否与电解液反应)H2—O2(H2SO4)的正极反应式：O2＋4e－＋4H＋===2H2O。H2—O2(KOH)的正极反应式：O2＋4e－＋2H2O===4OH－。2．书写原电池电极反应式时注意的问题(1)正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。(2)确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。(3)在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。【典题例证2】Li­SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4­SOCl2。电池的总反应可表示为4Li＋2SOCl2===4LiCl＋S＋SO2↑。请回答下列问题：(1)电池的负极材料为__________，发生的电极反应为________________________________________________________________________________________________________________________；(2)电池正极发生的电极反应为_______________________________________；(3)SOCl2易挥发，实验室中常用NaOH溶液吸收SOCl2，有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中，实验现象是_________________________________，反应的化学方程式为____________________________________________________________________________________________________________；(4)组装该电池必须在无水、无氧的条件下进行，原因是_________________________________________________________________________________。解析分析反应的化合价变化，可得Li为还原剂，SOCl2为氧化剂。(1)负极材料为Li(还原剂)，发生反应：Li－e－===Li＋。(2)正极反应式可由总反应减去负极反应式得到：2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑。(3)题中给出有碱液吸收时的产物，则没有碱液而用水吸收时的产物应为SO2和HCl，所以现象应该为出现白雾和有刺激性气味的气体生成。(4)因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。答案(1)LiLi－e－===Li＋(2)2SOCl2＋4e－===4Cl－＋S＋SO2↑(3)出现白雾，有刺激性气味的气体生成SOCl2＋H2O===SO2↑＋2HCl↑(4)因为构成电池的主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应【学以致用2】据媒体报道，以氢氧燃料电池为动力的公交车在北京试运行。质子交换膜燃料电池(PEMFC)常作为电动汽车的动力源。该燃料电池以氢气为燃料，空气为氧化剂，铂作催化剂，导电离子是H＋。下列对该燃料电池的描述中正确的是()①正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O②负极反应为2H2－4e－===4H＋③总的化学反应为2H2＋O2=====点燃2H2O④氢离子通过电解质向正极移动A．①②③B．②③④C．①②④D．①②③④解析此题考查了原电池的基本原理，包括燃料电池的电极反应、总反应及电解液中离子的移动等相关理论。通过分析，③反应条件是点燃，显然是错误的，其余各项均正确。答案C1．下列关于化学电源的说法正确的是()A．干电池放电之后还能再充电B．充电电池在放电和充电时都将化学能转化为电能C．充电电池可以无限制地反复放电、充电D．氢氧燃料电池是一种环境友好电池解析A项，干电池是一次性电池，放电之后不能再充电，A错误；B项，充电电池在放电时化学能转化为电能，充电时将电能转化为化学能，B错误；C项，充电电池不能无限制地反复放电、充电，C错误；D项，氢氧燃料电池的生成物是水，是一种环境友好电池，D正确。答案D2．镍－镉(Ni－Cd)可充电电池可以发生如下反应：Cd(OH)2＋2Ni(OH)2Cd＋2NiO(OH)＋2H2O，由此可知，该电池的负极材料是()A．CdB．NiO(OH)C．Cd(OH)2D．Ni(OH)2解析放电时，元素化合价升高失电子的物质为负极材料。答案A3．燃料电池是燃料(如CO、H2、CH4等)跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是()A．负极反应式：O2＋2H2O＋4e－===4OH－B．负极反应式：CH4＋8OH－－8e－===CO2＋6H2OC．随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变D．放电时溶液中的阴离子向负极移动解析O2＋2H2O＋4e－===4OH－应为正极反应式。燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根。所以负极反应式为CH4＋10OH－－8e－===CO2－3＋7H2O。由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH－)将减小。答案D4.实验室用铅蓄电池作电源电解饱和食盐水制取Cl2，已知铅蓄电池放电时发生如下反应：负极：Pb＋SO2－4－2e－===PbSO4正极：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O今欲制得Cl20.050mol，这时电池内消耗的H2SO4的物质的量至少是()A.0.025molB.0.050molC.0.10molD.0.20mol解析要求得硫酸的量，需首先找出铅蓄电池的总反应。将上述两个电极反应合并可得：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。而在制取Cl2时，每生成1molCl2，电子转移2mol，现需要转移电子0.050mol×2＝0.100mol。由铅蓄电池总反应可知，每转移0.100mol电子，将消耗0.100mol硫酸。答案C5．(1)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。高铁电池的总反应为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O放电充电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________。②放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”