2019-2020年高中化學 4-2 化學電源教案 新人教版選修4.doc
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2019-2020年高中化學 4-2 化學電源教案 新人教版選修4 ●課標要求 通過查閱資料了解常見化學電源的種類及其工作原理,認識化學能與電能轉(zhuǎn)化的實際意義及其應用。 ●課標解讀 1.了解幾種常見化學電源,一次、二次、燃料電池的工作原理。 2.正確書寫有關電池的電極反應和電池反應。 ●教學地位 化學電池是依據(jù)原電池原理開發(fā)的具有很強的實用性和廣闊的應用范圍的技術產(chǎn)品。本節(jié)的教學是理論知識在實踐中的延伸和拓展,將抽象的理論和學生在日常生活中積累的感性體驗聯(lián)系起來,幫助學生進一步的深入認識化學電池。簡介了三種電池的基本構(gòu)造,工作原理,性能和適用范圍。同時向?qū)W生滲透綠色環(huán)保的意識。 ●新課導入建議 當一個人的心臟跳動過慢時,醫(yī)生會建議他安裝一個心臟起搏器,借助化學反應產(chǎn)生的電流來延長生命。該用什么材料制作這樣的電池呢?經(jīng)過科學家的長期研究,發(fā)明的這種電池叫做鋰電池。那除了這種電池外,還有其他的一些電池。讓我們一起來了解化學電源的多樣性吧! ●教學流程設計 課前預習安排:(1)看教材P74頁,填寫【課前自主導學】中的“知識1,化學電池”。 (2)看教材P75~77頁,填寫【課前自主導學】中的“知識2,幾種常見的化學電池”,并完成【思考交流】。?步驟1:導入新課、本課時的教材地位分析。?步驟2:建議對【思考交流】多提問幾個學生,使80%以上的學生都能掌握該內(nèi)容,以利于下一步對該重點知識的探究。 步驟6:先讓學生自主總結(jié)本課時學習的主要知識,然后對照【課堂小結(jié)】以明確掌握已學的內(nèi)容、安排學生課下完成【課后知能檢測】。?步驟5:在老師指導下完成【變式訓練】和【當堂雙基達標】中的題目,驗證學生對探究點的理解掌握情況。?步驟4:教師通過【例題】和教材P55~57頁講解研析對“探究”中的電極反應進行總結(jié)。?步驟3:師生互動完成探究點“化學電源中電極反應式的書寫”可利用【問題導思】設置的問題由淺入深地進行。建議教師除【例1】外,使用【教師備課資源】中例題,以拓展學生的思路。 課 標 解 讀 重 點 難 點 1.了解電池的分類、特點及適用范圍。 2.了解幾類化學電池的構(gòu)造、原理。 3.了解化學電源的廣泛應用及廢舊電池的危害。 1.一次、二次、燃料電池的構(gòu)造及工作原理。(重點) 2.原電池電極反應式的書寫。(重難點) 化學電池 1.概念:是將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置?;瘜W電池的主要部分是電解質(zhì)溶液和浸在溶液中的正極和負極,使用時將兩極用導線接通,就有電流產(chǎn)生,因而獲得電能。 2.類型 幾種常見化學電池 1.一次電池(堿性鋅錳電池) (1)構(gòu)成:負極Zn,正極MnO2,電解質(zhì)KOH。 (2)電極反應:負極:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2 正極:2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH- 總反應:Zn+2MnO2+2H2O===2MnOOH+Zn(OH)2 2.二次電池(蓄電池) (1)構(gòu)成:負極Pb、正極PbO2,電解質(zhì)H2SO4溶液 (2)工作原理 ①放電:負極:Pb(s)+SO(aq)-2e-===PbSO4(s) 正極:PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)+2e-===PbSO4(s)+2H2O(l) 總反應:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)===2PbSO4(s)+2H2O(l) ②充電時 鉛蓄電池的充電反應是放電反應的逆過程。 陰極:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq); 陽極:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-===PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq); 總反應:2PbSO4(s)+2H2O(l)===Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)。 上述充放電反應可寫成一個可逆反應方程式:Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l)。 3.燃料電池 (1)工作原理 ①連續(xù)地將燃料(如氫氣、烴、肼、甲醇、氨、煤氣等液體或氣體)和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能。 ②電極材料本身不發(fā)生氧化還原反應。 ③工作時,燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給,在電極上不斷地進行反應,生成物不斷地被排除。 (2)氫氧燃料電池 ①電極材料Pt,酸性電解質(zhì)。 ②電極反應:負極:H2-2e-===2H+ 正極:O2+2H++2e-===H2O 總反應:H2+O2===H2O 若把氫氧燃料電池中的酸性介質(zhì)換成堿性介質(zhì),其電極反應式怎樣寫? 【提示】 負極:2H2-4e-+4OH-===4H2O 正極:O2+2H2O+4e-===4OH- 總反應:2H2+O2===2H2O 化學電源中電極反應式的書寫 【問題導思】 ①化學電源中正、負極是什么物質(zhì)得、失電子? 【提示】 正極:陽離子得到電子生成單質(zhì)或O2得電子。 負極:活潑金屬或H2失去電子。 ②氫氧燃料電池在酸性電解質(zhì)和堿性電解質(zhì)中的總反應實質(zhì)相同嗎? 【提示】 相同,都為2H2+O2===2H2O 1.根據(jù)裝置書寫電極反應式 (1)先分析題目給定的圖示裝置,確定原電池正、負極上的反應物,并標出相同數(shù)目電子的得失。 (2)電極反應式的書寫。 負極:活潑金屬或H2失去電子生成陽離子,若電解質(zhì)溶液中的陰離子與生成的陽離子不共存,則該陰離子應寫入負極反應式。如鉛蓄電池,負極:Pb+SO-2e-===PbSO4。 正極:陽離子得到電子生成單質(zhì),或O2得到電子。若反應物是O2,則: 電解質(zhì)是堿性或中性溶液:O2+2H2O+4e-===4OH-。 電解質(zhì)是酸性溶液:O2+4H++4e-===2H2O。 (3)正、負電極反應式相加得到電池反應的總反應方程式。 2.給出總反應式,寫電極反應式 分析反應中的氧化反應或還原反應(即分析有關元素的化合價變化情況)→選擇一個簡單的變化情況去寫電極反應式→ 另一極的電極反應直接寫出或?qū)⒏鞣磻娇醋鲾?shù)學中的代數(shù)式,用總反應式減去已寫出的電極反應式,即得結(jié)果 以2H2+O2===2H2O為例,當電解質(zhì)溶液為KOH溶液時的電極反應式的書寫步驟如下: (1)根據(jù)總反應方程式分析有關元素化合價的變化情況,確定2 mol H2失掉4 mol電子,初步確定負極反應式為2H2-4e-===4H+。 (2)根據(jù)電解質(zhì)溶液為堿性,與H+不能共存,反應生成水,推出OH-應寫入負極反應式中,故負極反應式為2H2+4OH--4e-===4H2O。 (3)用總反應式2H2+O2===2H2O減去負極反應式得正極反應式:2H2O+O2+4e-===4OH-。 3.可充電電池電極反應式的書寫 在書寫可充電電池電極反應式時,要明確電池和電極,放電為原電池,充電為電解池。 (1)原電池的負極與電解池的陽極發(fā)生氧化反應,對應元素化合價升高。 (2)原電池的正極與電解池的陰極發(fā)生還原反應,對應元素化合價降低。 書寫電極反應式應注意電解質(zhì)溶液的影響。 (1)中性溶液反應物中無H+或OH-。 (2)酸性溶液反應物,生成物均無OH-。 (3)堿性溶液反應物,生成物中均無H+。 (4)水溶液不能出現(xiàn)O2-。 (1)今有2H2+O2KOH,2H2O反應,構(gòu)成燃料電池,則負極通的應是________,正極通的應是______,電極反應式分別為______________、______________。 (2)如把KOH改為稀H2SO4作電解質(zhì)溶液,則電極反應式為__________________、_____________________。 (1)和(2)的電解液不同,反應進行后,其溶液的pH各有何變化? _______________________________。 (3)如把H2改為甲烷、KOH作導電物質(zhì),則電極反應式為:________________、__________________。 【解析】 根據(jù)電池反應式可知H2在反應中被氧化,O2被還原,因此H2應在負極上反應,O2應在正極上反應。又因為是堿性溶液,此時應考慮不可能有H+參加或生成,故負極反應為:2H2+4OH--4e-===4H2O,正極反應為:O2+2H2O+4e-===4OH-。若將導電物質(zhì)換成酸性溶液,此時應考慮不可能有OH-參加或生成,故負極:2H2-4e-===4H+,正極:O2+4H++4e-===2H2O。由于前者在堿性條件下反應KOH量不變,但工作時H2O增多故溶液變稀堿性變小,pH將變小。而后者為酸溶液,H2SO4量不變,水增多,溶液酸性變小,故pH將變大。如把H2改為甲烷用KOH作導電物質(zhì),根據(jù)反應CH4+2O2===CO2+2H2O,則負極為發(fā)生氧化反應的CH4,正極為發(fā)生還原反應的O2,由于有KOH存在,此時不會有CO2放出。 【答案】 (1)H2 O2 負極:2H2+4OH--4e-===4H2O 正極:O2+2H2O+4e-===4OH- (2)負極:2H2-4e-===4H+ 正極:O2+4H++4e-===2H2O (1)變小,(2)變大 (3)負極:CH4+10OH--8e-===CO+7H2O 正極:2O2+4H2O+8e-===8OH- 常見燃料電池的電極反應 在燃料電池中,電解質(zhì)溶液參與電極反應,電解質(zhì)酸堿性的改變,引起電極反應的變化,但不影響燃料及O2的性質(zhì)。 電極反應在遵守質(zhì)量守恒定律、電荷守恒、電子得失守恒的同時,還要特別考慮電解質(zhì)溶液是否參與反應。 (1)甲烷燃料電池。 電解質(zhì):KOH 正極(通O2):2O2+4H2O+8e-===8OH- 負極(通CH4):CH4+10OH--8e-===CO+7H2O 總反應:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O (2)甲醇燃料電池。 電解質(zhì):KOH 正極:3O2+6H2O+12e-===12OH- 負極:2CH3OH+16OH--12e-===2CO+12H2O 總反應:2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O (3)肼燃料電池。 電解質(zhì):KOH 正極:O2+2H2O+4e-===4OH- 負極:N2H4+4OH--4e-===N2↑+4H2O 總反應:N2H4+O2===N2+2H2O (4)熔融鹽燃料電池。 熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率,因而受到重視??捎肔i2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì),CO為負極燃氣,空氣與CO2的混合氣為正極燃氣,制得在650 ℃下工作的燃料電池。有關的電池反應式為: 正極:O2+2CO2+4e-===2CO 負極:2CO+2CO-4e-===4CO2 總反應:2CO+O2===2CO2 固體氧化物燃料電池是由美國西屋(Westinghouse)公司研制開發(fā)的。它以固體氧化鋯一氧化釔為電解質(zhì),這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過。該電池的工作原理如圖所示,其中多孔電極a、b均不參與電極反應。下列判斷正確的是( ) A.有O2放電的a極為電池的負極 B.有H2放電的b極為電池的正極 C.a(chǎn)極對應的電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH- D.該電池的總反應方程式為2H2+O2高溫,2H2O 【解析】 固體介質(zhì)允許O2-通過,說明為非水體系,因此C項中a極反應式不正確,這種表達是水溶液中進行的反應,a極反應式應該是:O2+2e-===O2-,b極反應:H2-2e-===2H+,總反應方程式是H2+O2高溫,H2O。 【答案】 D 【教師備課資源】 堿性電池具有容量大、放電電流大的特點,故得到廣泛應用。鋅錳堿性電池以KOH溶液為電解液,電池總反應式為Zn(s)+2MnO2(s)+2H2O(l)===Zn(OH)2(s)+2MnOOH(s) 下列說法錯誤的是( ) A.電池工作時,鋅失去電子 B.電池正極的電極反應式為:2MnO2(s)+2H2O(l)+2e-===2MnOOH(s)+2OH-(aq) C.電池工作時,電子由正極通過外電路流向負極 D.外電路中每通過0.2 mol電子,鋅的質(zhì)量理論上減小6.5 g 【解析】 根據(jù)題意,該電池的負極材料是鋅。電池工作時,鋅本身失去電子而發(fā)生氧化反應,失去的電子通過外電路移向另一極(正極)。在該電極上,MnO2獲得電子發(fā)生還原反應生成MnOOH:2MnO2+2e-―→2MnOOH。從元素守恒的角度來看,右側(cè)還多2個氫。在堿性溶液中不出現(xiàn)H+,故正極反應為2MnO2+2H2O+2e-===2MnOOH+2OH-。反應中,失去0.2 mol電子,消耗掉0.1 mol鋅,質(zhì)量為6.5 g。 【答案】 C 化學電池一次電池二次電池燃料電池電極材料電解質(zhì)電極反應主要特點 1.下列有關電池的說法不正確的是( ) A.手機上用的鋰離子電池屬于二次電池 B.銅鋅原電池工作時,電子沿外電路從銅電極流向鋅電極 C.甲醇燃料電池可把化學能轉(zhuǎn)化為電能 D.鋅錳干電池中,鋅電極是負極 【解析】 鋰離子電池可以充電,再次使用,屬于二次電池,A項正確;銅鋅原電池中銅為正極,故電流從銅電極流向鋅電極,而電子是由鋅電極流向銅電極,B項錯;電池的實質(zhì)即是化學能轉(zhuǎn)化成電能,C項正確;Zn失去電子生成Zn2+,故作為負極,D項正確。 【答案】 B 2.茫茫黑夜中,航標燈為航海員指明了方向。航標燈的電源必須長效、穩(wěn)定。我國科技工作者研制出以鋁合金、PtFe合金網(wǎng)為電極材料的海水電池。在這種電池中 ( ) ①鋁合金是陽極?、阡X合金是負極?、酆K请娊庖? ④鋁合金電極發(fā)生還原反應 A.②③ B.②④ C.①② D.①④ 【解析】 較活潑的鋁合金為負極(②對)。PtFe合金網(wǎng)為正極,海水是電解液(③對)。負極上發(fā)生氧化反應(④錯)。 【答案】 A 3.關于鉛蓄電池的說法正確的是( ) A.在放電時,正極發(fā)生的反應是:Pb(s)+SO(aq)===PbSO4(s)+2e- B.在放電時,該電池的負極材料是鉛板 C.在充電時,電池中硫酸的濃度不斷變小 D.在充電時,陽極發(fā)生的反應是:PbSO4(s)+2e-===Pb(s)+SO(aq) 【解析】 A項中電池放電時正極應發(fā)生還原反應,電極反應為: PbO2+4H++SO+2e-===PbSO4+2H2O;C項中電池充電時硫酸的濃度應不斷增大;D項中電池充電時陽極應發(fā)生氧化反應。 【答案】 B 4.鋅錳干電池的兩極分別為碳棒和鋅皮,在放電時電池總反應方程式可以表示為:Zn+2MnO2+2NHZn2++Mn2O3+2NH3+H2O。根據(jù)上述信息,下列結(jié)論正確的是( ) A.放電時正極發(fā)生反應的物質(zhì)為NH B.Zn為負極,碳為正極 C.工作時,電子由碳極經(jīng)外電路流向Zn極 D.長時間連續(xù)使用該電池時,內(nèi)裝糊狀物不會流出 【解析】 在電池的正極上發(fā)生的是得電子的還原反應,是總反應中氧化劑發(fā)生反應的電極。由鋅錳干電池的總反應式可知,MnO2與NH發(fā)生的反應為正極反應。根據(jù)原電池的工作原理可知,相對活潑(指金屬性)的一極為負極,相對不活潑的一極為正極,B項正確;在外電路,電子從負極流向正極,C項錯誤;長時間連續(xù)使用該電池,由于鋅皮慢慢溶解而破損,糊狀物很可能流出而腐蝕用電器,D項錯誤。 【答案】 B 5.科學家預言,燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑,美國已計劃將甲醇燃料電池用于軍事目的。一種甲醇燃料電池是采用鉑或碳化鎢化為電極催化劑,在稀硫酸電解液中直接加入純化后的甲醇,同時向一個電極通入空氣?;卮鹣铝袉栴}: (1)這種電池放電時發(fā)生的化學反應方程式是 ______________________________。 (2)此電池的正極發(fā)生的電極反應式是________,負極發(fā)生的電極反應式是__________________。 (3)電解液中的H+向________極移動,向外電路釋放電子的電極是________。 (4)比起直接燃燒燃料產(chǎn)生電力,使用燃料電池有許多優(yōu)點,其中主要有兩點:首先是燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率高,其次是________。 【解析】 甲醇燃料電池實質(zhì)就是利用CH3OH燃料在氧氣中反應來提供電能。CH3OH在負極發(fā)生氧化反應,電極反應式為2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+;氧氣在正極反應:3O2+12H++12e-===6H2O,兩反應式相加即得總反應式。在電池中,負極釋放出電子移動到正極上,故向外電路釋放電子的電極為負極。在原電池的內(nèi)電路中,陽離子向正極移動,故H+向正極移動。甲醇反應產(chǎn)物為CO2和H2O,對環(huán)境無污染。 【答案】 (1)2CH3OH+3O2===2CO2+4H2O (2)3O2+12H++12e-===6H2O 2CH3OH+2H2O-12e-===2CO2+12H+ (3)正 負極 (4)對環(huán)境無污染 1.下列有關化學電池的說法中正確的是( ) A.化學電池只能將化學能轉(zhuǎn)化為電能 B.燃料電池能將全部化學能轉(zhuǎn)化為電能 C.鋅銀電池比能量大,電壓穩(wěn)定,儲存時間長 D.一次電池包括干電池和蓄電池 【解析】 蓄電池不但可以將化學能轉(zhuǎn)化為電能(放電),也可以將電能轉(zhuǎn)化為化學能(充電),燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率超過80%,但不可能100%轉(zhuǎn)換。蓄電池可重復使用,屬于二次電池。 【答案】 C 2.已知蓄電池在充電時作電解池,放電時作原電池。鉛蓄電池上有兩個接線柱,一個接線柱旁標有“+”,另一個接線柱旁標有“-”。關于標有“+”的接線柱,下列說法中正確的是( ) A.充電時作陽極,放電時作正極 B.充電時作陽極,放電時作負極 C.充電時作陰極,放電時作負極 D.充電時作陰極,放電時作正極 【解析】 “+”接線柱放電時為原電池正極,充電時與外接電源正極相連,作陽極A正確。 【答案】 A 3.研究人員最近發(fā)明了一種“水”電池,這種電池能利用淡水與海水之間含鹽量差別進行發(fā)電,在海水中電池總反應可表示為:5MnO2+2Ag+2NaCl===Na2Mn5O10+2AgCl 下列“水”電池在海水中放電時的有關說法正確的是( ) A.正極反應式:Ag+Cl--e-===AgCl B.每生成1 mol Na2Mn5O10轉(zhuǎn)移2 mol電子 C.Na+不斷向“水”電池的負極移動 D.AgCl是還原產(chǎn)物 【解析】 根據(jù)總反應中化合價的升降和正極、負極的反應原理,正極反應為5MnO2+2e-===Mn5O,負極反應為2Ag+2Cl--2e-===2AgCl,A項錯誤,B項正確;C項,陽離子向正極移動,錯誤;D項,AgCl是氧化產(chǎn)物,錯誤。 【答案】 B 4.電池是人類生產(chǎn)和生活中的重要能量來源,各式各樣電池的發(fā)明是化學對人類的一項重大貢獻。下列有關電池的敘述正確的是( ) A.鋅錳干電池工作一段時間后碳棒變細 B.氫氧燃料電池可將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? C.氫氧燃料電池工作時氫氣在負極被氧化 D.太陽能電池的主要材料是高純度的二氧化硅 【解析】 因為鋅錳干電池中鋅棒為負極,鋅棒變細,碳棒不變,故A錯;原電池是將化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽訠錯;氫氧燃料電池負極反應為H2-2e-===2H+,所以C正確;太陽能電池的主要材料是硅,D錯。 【答案】 C 5.不久前,美國一個海軍航空站安裝了一臺250 kW的MCFC型燃料電池。該電池可同時供應電和蒸氣,其燃料為H2,電解質(zhì)為熔融的K2CO3,工作溫度為600~800 ℃。已知該電池的總反應為2H2+O2===2H2O,負極反應為H2+CO-2e-===H2O+CO2。下列推斷正確的是( ) A.正極反應為4OH--4e-===O2+2H2O B.放電時,CO向負極移動 C.電池供應1 mol水蒸氣,轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量4 mol D.放電時,CO向正極移動 【解析】 正極反應是氧化劑得電子的反應,A項錯;原電池中,陰離子向負極移動,B項正確,D項錯;電池提供1 mol水蒸氣,轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為2 mol,C項錯。 【答案】 B 6.生產(chǎn)鉛蓄電池時,在兩極板上的鉛、銻合金柵架上均勻涂上膏狀的PbSO4,干燥后再安裝,充電后即可使用,發(fā)生的反應是:2PbSO4+2H2OPbO2+Pb+2H2SO4 下列對鉛蓄電池的說法中錯誤的是( ) A.需要定期補充硫酸 B.工作時鉛是負極,PbO2是正極 C.工作時負極上發(fā)生的反應是Pb-2e-+SO===PbSO4 D.工作時電解質(zhì)溶液的密度減小 【解析】 鉛蓄電池在工作時相當于原電池,發(fā)生氧化反應的物質(zhì)是負極,發(fā)生還原反應的物質(zhì)是正極,所以Pb是負極,PbO2是正極;在工作時,負極發(fā)生的反應是鉛失去電子生成Pb2+,Pb2+與溶液中的SO生成PbSO4沉淀,放電時消耗的硫酸與充電時生成的硫酸相等。在電池制備時,PbSO4的量是一定的,制成膏狀的PbSO4干燥后安裝,說明H2SO4不用補充;放電時,H2SO4被消耗,溶液中的H2SO4的物質(zhì)的量濃度減小,所以溶液的密度也隨之減小。 【答案】 A 7.常見鎳氫電池的某極是儲氫合金LaNi5H6(LaNi5H6中各元素化合價均為0),電池反應通常表示為LaNi5H6+6NiO(OH)LaNi5+6Ni(OH)2。下列說法不正確的是( ) A.放電時儲氫合金作負極 B.充電時儲氫合金作陰極 C.充電時陰極周圍c(OH-)減小 D.放電時負極反應:LaNi5H6+6OH--6e-===LaNi5+6H2O 【解析】 A選項,鎳氫電池放電時作原電池,發(fā)生反應:LaNi5H6+6NiO(OH)===LaNi5+6Ni(OH)2,儲氫合金是還原劑,作原電池的負極。B選項,充電時,外電源的負極接在原電池的負極上,所以充電時儲氫合金作陰極。C選項,充電時陰極:LaNi5+6H2O+6e-===LaNi5H6+6OH-,所以充電時陰極周圍c(OH-)應該增大,C選項錯誤。D選項正確。 【答案】 C 8.一種甲醇、氧氣和強堿溶液作電解質(zhì)的新型手機電池,可連續(xù)使用一個月,其電池反應為:2CH3OH+3O2+4OH-2CO+6H2O,則有關說法正確的是( ) A.放電時CH3OH參與反應的電極為正極 B.放電時負極的電極反應為CH3OH+8OH--6e-===CO+6H2O C.標準狀況下,通入5.6 L O2并完全反應后,有0.5 mol電子轉(zhuǎn)移 D.放電一段時間后,通入氧氣的電極附近溶液的pH降低 【解析】 從電池反應可知,CH3OH為原電池的負極,A選項錯誤;正極反應為:O2+2H2O+4e-===4OH-,標準狀況下,5.6 L O2為0.25 mol,轉(zhuǎn)移電子為 1 mol,C選項錯誤;從正極反應可以看出,正極附近溶液OH-濃度增大,pH升高,D選項錯誤。 【答案】 B 9.目前人們正在研究開發(fā)一種高能電池——鈉硫電池,它是以熔融的鈉、硫為兩極,以Na+導電的βAl2O3陶瓷為固體電解質(zhì),反應式如下:2Na+xSNa2Sx。以下說法中正確的是( ) A.放電時,鈉作負極,發(fā)生還原反應 B.放電時,鈉作正極,硫極發(fā)生還原反應 C.若用此電池電解水,當產(chǎn)生標準狀況下的O2 1.12 L時,消耗金屬鈉為4.6 g D.放電時,正極發(fā)生的反應為S-2e-===xS 【解析】 放電時為原電池裝置,鈉作負極,發(fā)生氧化反應,硫極作正極,發(fā)生還原反應,A、B、D均不正確。若用此電池電解水,當陽極產(chǎn)生標準狀況下的氣體為1.12 L O2時,則轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為n(e-)=4n(O2)=40.05 mol=0.2 mol,則消耗金屬鈉的質(zhì)量為m(Na)=0.2 mol23 gmol-1=4.6 g,故C項正確。 【答案】 C 10.有人設計出利用CH4和O2的反應,用鉑電極在KOH溶液中構(gòu)成原電池。電池的總反應類似于CH4在O2中燃燒,則下列說法正確的是( ) ①每消耗1 mol CH4可以向外電路提供8 mol e- ②負極上CH4失去電子,電極反應式為CH4+10OH--8e-===CO+7H2O ③負極上是O2獲得電子,電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH- ④電池放電后,溶液pH不斷升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ 【解析】 CH4在鉑電極上發(fā)生類似于CH4在O2中燃燒的反應,即CH4CO2,嚴格講生成的CO2還會與KOH反應生成K2CO3,化合價升高,失去電子,是電池的負極,電極反應式為CH4+10OH--8e-===CO+7H2O,1 mol CH4參加反應有8 mol e-發(fā)生轉(zhuǎn)移,O2在正極上發(fā)生反應,獲得電子,電極反應式為O2+2H2O+4e-===4OH-。雖然正極產(chǎn)生OH-。負極消耗OH-,但從總反應CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O可看出是消耗KOH,所以電池放電時溶液的pH不斷下降,故①②正確,③④錯誤。 【答案】 A 11.鉛蓄電池是化學電源,其電極材料分別是Pb和PbO2,電解質(zhì)為稀硫酸,工作(放電)時該電池的總反應:Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O。試根據(jù)上述情況判斷: (1)蓄電池的負極材料是________。 (2)工作時,正極反應為 ________________________________________________________________________。 (3)工作時,電解質(zhì)溶液的pH________(填“增大”、“減小”或“不變”)。 (4)工作時,電解質(zhì)溶液中陰離子移向________極。 (5)電流方向從________極流向________極。 【解析】 蓄電池工作時,起原電池作用,題中各小題概括敘述了蓄電池放電時所涉及的各個方面。根據(jù)原電池原理,負極發(fā)生氧化反應,元素化合價升高,所以Pb為負極;正極發(fā)生還原反應,元素化合價降低,從總反應式可知,PbO2是氧化劑,即正極反應:PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O;從正極反應或電池的總反應可知H2SO4參加了反應,H+轉(zhuǎn)變成H2O,所以溶液pH增大;原電池工作時溶液中陰離子移向負極,陽離子移向正極;電流方向與電子移動方向相反,從正極沿導線流向負極。 【答案】 (1)Pb (2)PbO2+SO+4H++2e-===PbSO4+2H2O (3)增大 (4)負 (5)正 負 12.LiSOCl2電池可用于心臟起搏器。該電池的電極材料分別為鋰和碳,電解質(zhì)是LiAlCl4-SOCl2。電池的總反應可表示為:4Li+2SOCl2===4LiCl+S+SO2↑。 請回答下列問題: (1)電池的負極材料為________,發(fā)生的電極反應為 ________________________________________________________________________。 (2)電池正極發(fā)生的電極反應為 ________________________________________________________________________; (3)SOCl2易揮發(fā),實驗室中常用NaOH溶液吸收SOCl2,有Na2SO3和NaCl生成。如果把少量水滴到SOCl2中,實驗現(xiàn)象是____________________,反應的化學方程式為________________________________________________________________________; (4)組裝該電池必須在無水、無氧的條件下進行,原因是 ________________________________________________________________________。 【解析】 (1)分析反應的化合價變化,可得Li為還原劑(作負極),失電子:Li-e-===Li+。 (2)SOCl2為氧化劑,得電子,從題給電池反應可推出產(chǎn)物:Cl-、S、SO2。(或用總反應減去負極反應)。 (3)題中已給出信息:堿液吸收時的產(chǎn)物是Na2SO3和NaCl,則沒有堿液吸收時的產(chǎn)物應為SO2和HCl,進而推出現(xiàn)象。 【答案】 (1)Li Li-e-===Li+ (2)2SOCl2+4e-===4Cl-+S+SO2↑ (3)出現(xiàn)白霧,有刺激性氣味氣體生成 SOCl2+H2O===SO2↑+2HCl↑ (4)因為構(gòu)成電池的主要成分Li能與氧氣、水反應,SOCl2也與水反應 13.微型紐扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。有一種銀鋅電池,其電極分別是Ag2O和Zn,電解質(zhì)溶液為KOH溶液,電極反應為:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2,Ag2O+H2O+2e-===2Ag+2OH-。 根據(jù)上述反應式,完成下列題目。 (1)判斷下列敘述中正確的是________。 A.在使用過程中,電解質(zhì)KOH被不斷消耗 B.使用過程中,電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極 C.Zn是負極,Ag2O是正極 D.Zn電極發(fā)生還原反應,Ag2O電極發(fā)生氧化反應 (2)寫出電池的總反應式: ________________________________________________________________________。 (3)使用時,負極區(qū)的pH________(填“增大”、“減小”或“不變”,下同),正極區(qū)的pH________,電解質(zhì)溶液的pH________。 【解析】 (1)由正、負電極反應式可知:Zn電極為負極,發(fā)生氧化反應,負極區(qū)pH減小,Ag2O為正極,發(fā)生還原反應,正極區(qū)pH增大;使用時電子由Zn極流向Ag2O極,正、負極反應式相加可得總反應式為Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag,故電解質(zhì)KOH未被消耗,電解質(zhì)溶液的pH不變。 【答案】 (1)C (2)Zn+Ag2O+H2O===Zn(OH)2+2Ag (3)減小 增大 不變 14. 氫氧燃料電池是符合綠色化學理念的新型發(fā)電裝置。如圖為電池示意圖,該電池電極表面鍍一層細小的鉑粉,吸附氣體的能力強,性質(zhì)穩(wěn)定。請回答: (1)氫氧燃料電池的能量轉(zhuǎn)化主要形式是________,在導線中電子流動方向為________(用a、b表示)。 (2)負極反應式為 ________________________________________________________________________。 (3)電極表面鍍鉑粉的原因為 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)該電池工作時,H2和O2連續(xù)由外部供給,電池可連續(xù)不斷提供電能。因此,大量安全儲氫是關鍵技術之一,金屬鋰是一種重要的儲氫材料,吸氫和放氫原理如下: Ⅰ.2Li+H22LiH Ⅱ.LiH+H2O===LiOH+H2↑ ①反應Ⅰ中的還原劑是________,反應Ⅱ中的氧化劑是________。 ②已知LiH固體密度為0.82 g/cm3。用鋰吸收224 L(標準狀況)H2,生成的LiH體積與被吸收的H2體積比為________。 ③由②生成的LiH與H2O作用放出的H2用作電池燃料,若能量轉(zhuǎn)化率為80%,則導線中通過電子的物質(zhì)的量為________mol。 【解析】 本題考查電化學知識。(1)原電池的實質(zhì)為化學能轉(zhuǎn)化成電能??偡磻獮?H2+O2===2H2O,其中H2從零價升至+1價,失去電子,即電子從a流向b。(2)負極為失去電子的一極,即H2失電子生成H+,由于溶液是堿性的,故電極反應式左右應各加上OH-。(3)鉑粉的接觸面積大,可以加快反應速率。(4)Ⅰ中Li從零價升至+1價,作還原劑。Ⅱ中H2O的H從+1價降至H2中的零價,作氧化劑。由反應Ⅰ,當吸收10 mol H2時,則生成20 mol LiH,V=m/ρ=(207.9)/0.8210-3 L=192.6810-3 L,則V(LiH)/V(H2)=192.6810-3 L/224 L=8.6010-4。20 mol LiH可生成20 mol H2,實際參加反應的H2為2080%=16 mol,1 mol H2轉(zhuǎn)化成1 mol H2O,轉(zhuǎn)移2 mol電子,所以16 mol H2可轉(zhuǎn)移32 mol的電子。 【答案】 (1)由化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋∮蒩到b(合理表達形式均可) (2)2H2+4OH--4e-===4H2O或H2+2OH--2e-===2H2O (3)增大電極單位面積吸附H2、O2的分子數(shù),加快電極反應速率 (4)①Li H2O?、?/1 163或8.6010-4?、?2 階段歸納提升課 一、原電池設計的基本依據(jù)和關鍵 進行原電池設計的基本依據(jù),是原電池的構(gòu)成條件,關鍵是選擇合適的電極材料和電解質(zhì)溶液。 1.電極材料的選擇 電池的電極必須導電。一般電池中的負極必須能夠與電解質(zhì)溶液反應,容易失去電子,因此負極一般是活潑的金屬材料。正極和負極之間只有產(chǎn)生電勢差,電子才能定向移動,所以正極和負極一般不用同一種材料。 兩個電極的構(gòu)成分為4種情況: (1)活動性不同的兩種金屬。例如,鋅銅原電池中,鋅作電池的負極,銅作電池的正極。 (2)金屬和非金屬。例如,鋅錳干電池中,鋅片作電池的負極,石墨棒作電池的正極。 (3)金屬和化合物。例如,鉛蓄電池中,鉛板作電池的負極,二氧化鉛作電池的正極。 (4)惰性電極。例如,氫氧燃料電池中,兩根電極均可用Pt。 2.電解質(zhì)溶液的選擇 電解質(zhì)是為負極提供放電的物質(zhì),因此電解質(zhì)溶液一般要能夠與負極發(fā)生反應。但若是兩個半反應分別在兩個燒杯中進行,應使用鹽橋連接。負極所在的電解質(zhì)溶液陽離子應與電極材料是相同的陽離子。例如:在鋅、銅和硫酸構(gòu)成的原電池中,鋅極置于ZnSO4、ZnCl2、Zn(NO3)2等溶液中;正極材料置于硫酸溶液中。當然硫酸還可以換成鹽酸,電極上發(fā)生的反應和電池總反應與電解質(zhì)是硫酸是相同的。但是如果電解質(zhì)溶液是硫酸銅溶液,電極反應是 負極:Zn-2e-===Zn2+,正極:Cu2++2e-===Cu 電池總反應:Zn+Cu2+===Zn2++Cu 3.原電池設計思路圖示: 依據(jù)氧化還原反應:Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2設計的原電池如圖所示: 請回答下列問題: (1)電極X的材料是_____,電解質(zhì)溶液Y是______。 (2)Pt電極為電池的__________極,發(fā)生的電極反應為 ____________________________________________; X電極上發(fā)生的電極反應為___________________。 (3)外電路中的電子是從________電極流向________電極。 【解析】 將Zn+2FeCl3===ZnCl2+2FeCl2 拆分:Zn-2e-===Zn2+(氧化反應)和2Fe3++2e-===2Fe2+(還原反應)兩個反應。結(jié)合原電池的電極反應特點分析可知,該電池的負極應用鋅,則正極應用活動性比鋅弱的材料,為保證Fe3+在正極得電子,則電解質(zhì)溶液為FeCl3等易溶的鐵鹽溶液。 【答案】 (1)Zn FeCl3溶液 (2)正 2Fe3++2e-===2Fe2+ Zn-2e-===Zn2+ (3)Zn Pt 二、電極反應式和總反應式的書寫方法 1.整體思路 (1)題目僅給出原電池的裝置圖 ①首先找出原電池的正、負極,即分別找出氧化劑和還原劑。 ②結(jié)合電解質(zhì)判斷出還原產(chǎn)物和氧化產(chǎn)物。 ③寫出電極反應式(注意兩極得失電子數(shù)相等),將兩電極反應式相加可得總反應式。 (2)題目僅給出原電池的總反應式 ①分析原電池總反應式中各元素的化合價變化情況,找出氧化劑及其對應的還原產(chǎn)物,氧化劑參加的反應即為正極反應;找出還原劑及其對應的氧化產(chǎn)物,還原劑參加的反應即為負極反應。 ②當氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物、還原產(chǎn)物由多種元素組成時,還應注意電解質(zhì)的反應。 ③若有一個電極反應較難寫出,可先寫出較易寫出的電極反應,然后再利用總反應式減去該電極反應即得到另一個電極反應。 2.負極與正極上的電極反應式的書寫 (1)負極 ①若負極材料本身被氧化,其電極反應式有兩種情況:一種是負極金屬失電子后生成的金屬陽離子不與電解質(zhì)溶液反應,此時的電極反應可表示為M-ne-===Mn+;另一種是負極金屬失電子后生成的金屬陽離子與電解質(zhì)溶液反應,此時的電極反應要將金屬失電子的反應、金屬陽離子與電解質(zhì)溶液的反應疊加在一起書寫,如鉛蓄電池的負極反應為Pb+SO-2e-===PbSO4。 ②若負極材料本身不反應,如燃料電池,在書寫負極反應式時,要將燃料失電子的反應及其產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液的反應疊加在一起書寫,如氫氧燃料電池(KOH溶液為電解質(zhì)溶液)的負極反應為H2+2OH--2e-===2H2O。 (2)正極 ①首先,判斷在正極發(fā)生反應的物質(zhì)。 a.當負極材料與電解質(zhì)溶液能自發(fā)地發(fā)生化學反應時,在正極上發(fā)生電極反應的物質(zhì)是電解質(zhì)溶液中的某些微粒; b.當負極材料與電解質(zhì)溶液不能自發(fā)地發(fā)生化學反應時,在正極上發(fā)生電極反應的物質(zhì)是溶解在電解質(zhì)溶液中的O2。 ②然后,根據(jù)具體情況寫出正極反應式,在書寫時也要考慮正極反應產(chǎn)物是否與電解質(zhì)溶液反應的問題,若參與反應也要書寫疊加式。 3.書寫電極反應式時應注意的問題 (1)兩電極得失電子數(shù)目相等。 (2)電極反應式常用“===”而不用“―→”表示。 (3)電極反應式中若有氣體生成,需要加“↑”;而弱電解質(zhì)或難溶物均以分子式表示,其余以離子符號表示。 (4)書寫電極反應式時要保證電荷守恒、元素守恒,可在電極反應式一端根據(jù)需要添加H+或OH-或H2O。 (5)兩電極反應式和電池總反應式中,若已知其中兩個,可由方程式的加減得到第三個。 高鐵電池是一種新型可充電電池,與普通高能電池相比,該電池能長時間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應為:3Zn+2K2FeO4+8H2O3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH,下列敘述不正確的是( ) A.放電時負極反應為:Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2 B.充電時陽極上反應為:Fe(OH)3-3e-+5OH-===FeO+4H2O C.放電時每轉(zhuǎn)移3 mol電子,正極有1 mol K2FeO4被氧化 D.放電時正極附近溶液的堿性增強 【解析】 放電時裝置為原電池,Zn作負極,充電時,裝置變?yōu)殡娊獬?,陽極發(fā)生氧化反應,所以A、B正確;放電時正極反應為:FeO+4H2O+3e-===Fe(OH)3↓+5OH-,故電極附近溶液的堿性增強,正極所發(fā)生的是還原反應而不是氧化反應,C錯、D正確。故正確答案為C。 【答案】 C 1.如圖為某原電池的裝置圖,下列有關說法中不正確的是( ) A.將Zn換成Fe,電池總反應不變 B.將Cu換成Fe,電池總反應不變 C.將Cu換成Fe,電壓表的讀數(shù)減小 D.將Zn換成Fe,電壓表的讀數(shù)減小 【解析】 A項中將Zn換成Fe,則負極反應由Zn-2e-===Zn2+變成Fe-2e-===Fe2+,而Cu電極改換為比Zn活潑性差的導電電極,所有反應不變,A項錯誤,B項正確;兩電極活潑性差距越大形成的原電池的電壓越高,C、D兩項正確。 【答案】 A 2.鋅錳干電池在放電時總反應方程式可以表示為:Zn(s)+2MnO2+2NH===Zn2++Mn2O3(s)+2NH3↑+H2O,在此電池放電時正極(碳棒)上發(fā)生反應的物質(zhì)是( ) A.Zn B.碳 C.MnO2和NH D.Zn2+和NH3 【解析】 根據(jù)方程式可知:Zn為原電池的負極,碳棒為原電池的正極,負極失電子變成Zn2+,失去的電子被MnO2和NH得到,生成了低價態(tài)的Mn2O3和不帶電的NH3。所以在正極上NH和MNO2為反應物。 【答案】 C 3.下圖是一種航天器能量儲存系統(tǒng)原理示意圖。下列說法正確的是( ) A.該系統(tǒng)中只存在3種形式的能量轉(zhuǎn)化 B.裝置Y中負極的電極反應式為:O2+2H2O+4e-===4OH- C.裝置X能實現(xiàn)燃料電池的燃料和氧化劑再生 D.裝置X、Y形成的子系統(tǒng)能實現(xiàn)物質(zhì)的零排放,并能實現(xiàn)化學能與電能間的完全轉(zhuǎn)化 【解析】 該系統(tǒng)中存在太陽能、電能、機械能、化學能4種形式的能量轉(zhuǎn)化,故A錯;裝置Y中負極的電極反應式為:H2-2e-===2H+,通過X裝置產(chǎn)生O2和H2,故C正確;X,Y子系統(tǒng)理論上可以實現(xiàn)物質(zhì)的零排放,但不能實現(xiàn)化學能與電能間的完全轉(zhuǎn)化,D錯。 【答案】 C 4.(xx大綱全國卷)①②③④四種金屬片兩兩相連浸入稀硫酸中都可組成原電池。①②相連時,外電路電流從②流向①;①③相連時,③為正極;②④相連時,②上有氣泡逸出;③④相連時,③的質(zhì)量減少。據(jù)此判斷這四種金屬活動性由大到小的順序是( ) A.①③②④ B.①③④② C.③④②① D.③①②④ 【解析】 利用原電池的形成和工作原理解決問題。在外電路中,電流從正極流向負極,則①作原電池的負極,②作正極,故活動性①>②;活動性相對較差的金屬作原電池的正極,故金屬的活動性①>③;有氣泡產(chǎn)生的電極發(fā)生的反應為2H++2e-===H2↑,為原電池的正極,故活動性④>②;質(zhì)量減少的電極發(fā)生氧化反應生成金屬離子而溶解,為負極,故活動性③>④,由此可得金屬活動性:①>③>④>②。 【答案】 B 5.(xx四川高考)一種基于酸性燃料電池原理設計的酒精檢測儀,負極上的反應為:CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+。下列有關說法正確的是( ) A.檢測時,電解質(zhì)溶液中的H+向負極移動 B.若有0.4 mol電子轉(zhuǎn)移,則在標準狀況下消耗4.48 L氧氣 C.電池反應的化學方程式為:CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O D.正極上發(fā)生的反應為:O2+4e-+2H2O===4OH- 【解析】 審題是關鍵,反應是在酸性電解質(zhì)溶液中進行的。在原電池中,陽離子要往正極移動,故A錯;因電解質(zhì)溶液為酸性的,不可能存在OH-,故正極的反應式為:O2+4H++4e-===2H2O,轉(zhuǎn)移4 mol電子時消耗1 mol O2,則轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時消耗2.24 L O2,故B、D錯;電池反應式即正負極反應式的和,將兩極的反應式相加可知C正確。 【答案】 C 6.紐扣電池可用于計算器、電子表等的電源。有一種紐扣電池,其電極分別為Zn和Ag2O,以KOH溶液為電解質(zhì)溶液,電池的總反應為Zn+Ag2O===2Ag+ZnO。關于該電池的敘述不正確的是( ) A.使用時電子由Zn極經(jīng)外電路流向Ag2O極,Zn是負極 B.使用時電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極,Ag2O是負極 C.正極的電極反應為Ag2O+2e-+H2O===2Ag+2OH- D.Zn極發(fā)生氧化反應,Ag2O極發(fā)生還原反應 【解析】 由總方程式可以看出,負極為Zn,正極為Ag2O,使用時電子由負極流向正極,A項正確,B項錯誤;負極發(fā)生氧化反應,正極發(fā)生還原反應,C項正確,D項也正確。 【答案】 B 7.(xx山東高考節(jié)選)利用反應2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O可制備CuSO4,若將該反應設計為原電池,其正極電極反應為________________。 【解析】 電池反應的總方程式為2Cu+O2+4H+===2Cu2++2H2O,負極電極反應式為2Cu-4e-===2Cu2+,將電池反應的總方程式與負極電極反應式相減得正極電極反應式:4H++O2+4e-===2H2O。 【答案】 4H++O2+4e-===2H2O- 配套講稿:
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