课时精讲23 化学电源（精讲）-2022-2023学年高二化学精讲精练（人教选择性必修1）

第四章化学反应与电能第一节原电池课时精讲23化学电源【目标导航】1．通过交流讨论了解一次电池、二次电池和燃料电池的基本构造，学会书写常见的电极反应式和电池反应。2．通过相关的信息分析了解化学电源的工作原理，初步建立化学电源工作原理的认知模型。3．通过学习各类电池的实际应用，感受化学给人类带来的进步和文明，通过了解废旧电池对环境的危害，树立环保意识。【知识导图】一、化学电源1．化学电源的分类原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：(1)一次电池：也叫做干电池，放电后不可再充电。(2)二次电池：又称可充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。(3)燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。2．判断电池优劣的主要标准(1)比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。(2)比功率：单位质量或单位体积所能输出功率_的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。(3)电池可储存时间的长短。3．化学电池的回收利用使用后的废弃电池中含有大量的重金属、酸和碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废弃电池要进行回收利用。4．化学电源的发展方向小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池受到人们的青睐。如镍氢电池、锂离子电池等。二、一次电池 只能放电，不能充电，消耗到一定程度就不能再使用。1．锌银电池锌银电池负极是Zn，正极是Ag2O，电解质溶液是KOH溶液，其电极反应如下：负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；正极：Ag2O＋2e－＋H2O===2Ag＋2OH－；电池总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。2．碱性锌锰电池碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质溶液是KOH溶液，其电极反应为：负极：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2；正极：2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnOOH＋2OH－；电池总反应式：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。三、二次电池1．特点：既可以放电，又可以充电。2．铅蓄电池(1)组成：正极：PbO2；负极：Pb；电解质：H2SO4溶液。(2)工作原理：铅蓄电池是最常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程。①放电过程的电极反应、总反应：负极：Pb－2e－＋SO===PbSO4；正极：PbO2＋2e－＋4H＋＋SO===PbSO4＋2H2O；总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O。②充电过程的电极反应、总反应：阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO(还原反应)；阳极：PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋SO(氧化反应)总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。③铅蓄电池的充、放电过程：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。3．锂离子电池 电极电极反应负极嵌锂石墨(LixCy)：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy正极钴酸锂(LiCoO2)：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2总反应LixCy＋Li1－xCoO2LiCoO2＋Cy反应过程：放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，充电时，Li＋从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间完成化学能与电能的相互转化。四、燃料电池1．燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。燃料电池工作时，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，于是电池就连续不断地提供电能。2．氢氧燃料电池(1)两个惰性电极(铂碳电极)，负极上通H2，正极上通O2，电解质溶液是KOH溶液。(2)电极反应：负极：2H2－4e－＋4OH－===2H2O；正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－；总反应式：2H2＋O2===2H2O。3．新型燃料电池—甲醇/空气燃料电池(1)负极是钯碳/甲醇，正极是铂烧结镍/空气，电解质溶液是KOH溶液。(2)电极反应：负极：2CH3OH－12e－＋16OH－===2CO＋12H2O； 正极：3O2＋12e－＋6H2O===12OH－；总反应式：2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。五、化学电源电极反应式与电池反应的书写类型1．根据装置书写电极反应式：(1)先分析题目给定的图示装置，确定化学电源的正、负极上的反应物质。(2)电极反应式的书写。①负极：活泼金属或H2失去电子生成阳离子；若电解质溶液中的阴离子与生成的阳离子不共存，则该阴离子应写入负极反应式。如铅蓄电池，负极：Pb＋SO－2e－===PbSO4。②正极：阳离子得到电子生成单质或O2得到电子，若反应物是O2，则有以下规律：电解质是碱性或中性：O2＋2H2O＋4e－===4OH－电解质是酸性：O2＋4H＋＋4e－===2H2O③正、负电极反应式相加得到电池反应的总反应方程式。2．根据电池反应(总反应)书写电极反应式：题目给定的是总反应式，可分析此反应中的氧化反应或还原反应(分析有关元素的化合价变化情况)，可选择一个简单变化情况写电极反应式，另一极的电极反应式可直接写或将各反应式看作数学中的代数式，用总反应式减去已写出的电极反应式即可(加、减法)加、减法书写电极反应式归纳：　　电池总反应：还原剂＋氧化剂＋介质===氧化产物＋还原产物＋其他；负极：还原剂＋介质－ne－===氧化产物(还原剂失去电子，发生氧化反应)；正极：氧化剂＋介质＋ne－===还原产物(氧化剂得到电子，发生还原反应)【小试牛刀】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)原电池的正极一定是化学性质较不活泼的金属(　　)(2)原电池工作时，正极上发生的是氧化反应(　　)(3)手机上用的锂离子电池属于二次电池(　　)(4)甲醇燃料电池可把化学能转化为电能(　　)(5)锌锰干电池中，锌电极是负极(　　)(6)氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源(　　)(7)我们可以根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电(　　)(8)普通锌锰干电池中，发生氧化还原反应的物质大部分被消耗后，就不能再使用了(　　)(9)由Ag2O和Zn形成的碱性银锌钮扣电池，发生原电池反应时，Zn作为负极(　　)(10)燃料电池是利用燃料和氧化剂之间的氧化还原反应，将化学能转化为热能，然后再转化为电能的化学电源(　　) 【答案】(1)×(2)×(3)√　(4)√　(5)√　(6)√(7)√(8)√　(9)√(10)×考点一一次电池【例1】碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。某碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池反应为Zn+2MnO2+H2O=Zn(OH)2+Mn2O3，下列说法错误的是(　　)A．电池工作时，锌失去电子B．电池的正极反应式为2MnO2+H2O+2e-=Mn2O3+2OH-C．电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D．外电路中每通过0.2mol电子，锌的质量理论上减小6.5g【答案】C　【解析】由电池反应可知，锌为负极，失去电子，电子从负极流出经外电路流向正极；外电路中每通过0.2mol电子，参加反应的锌理论上为0.1mol，即质量减小6.5g。【解题技法】化学电源电极反应式与电池反应的书写方法【对点训练1】以前所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，2MnO2＋2NH＋2e－===Mn2O3＋2NH3＋H2O。下列有关锌锰干电池的叙述中，正确的是(　　)A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极B．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器 C．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒D．干电池可实现化学能向电能和电能向化学能的相互转化【答案】B【解析】锌锰干电池中，较活泼的金属锌筒为负极，石墨棒为正极，A错误；长时间使用后，锌筒上消耗出现空洞，糊状电解质流出，容易腐蚀用电器，B正确；原电池中电子流动方向由负极经外电路流向正极，而电流方向相反，C错误；干电池中只有化学能转化为电能，D错误。考点二二次电池【例2】(2022•全国乙卷)电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li-O2电池(如图所示)光照时，光催化电极产生电子(e-)和空穴(h+)，驱动阴极反应(Li++e-=Li+)和阳极反应(Li2O2+2h+=2Li++O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是()A．充电时，电池的总反应Li2O2=2Li+O2B．充电效率与光照产生的电子和空穴量有关C．放电时，Li+从正极穿过离子交换膜向负极迁移D．放电时，正极发生反应O2+2Li++2e-=Li2O2【答案】C【解析】充电时光照光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应(Li++e-=Li+)和阳极反应(Li2O2+2h+=2Li++O2)，则充电时总反应为Li2O2=2Li+O2，结合图示，充电时金属Li电极为阴极，光催化电极为阳极；则放电时金属Li电极为负极，光催化电极为正极。A项，光照时，光催化电极产生电子和空穴，驱动阴极反应和阳极反应对电池进行充电，结合阴极反应和阳极反应，充电时电池的总反应为Li2O2=2Li+O2，A正确；充电时，光照光催化电极产生电子和空穴，阴极反应与电子有关，阳极反应与空穴有关，故充电效率与光照产生的电子和空穴量有关，B正确；C项，放电时，金属Li电极为负极，光催化电极为正极，Li+从负极穿过离子交换膜向正极迁移，C错误；D项，放电时总反应为2Li+O2=Li2O2 ，正极反应为O2+2Li++2e-=Li2O2，D正确；故选C。【解题技法】1．二次电池又称可充电电池或蓄电池，该类电池既可放电也可充电。放电时发生自发的氧化还原反应，在充电时又可反向进行，如此充放电循环进行，至一定周期后停止。2．认识可充电电池时可记住如下规律：(1)正正负负——原电池的正极充电时要与外电源的正极相连，原电池的负极充电时要与外电源的负极相连。(2)颠颠倒倒——原电池的正极反应式左右两边颠倒过来，就是充电时电解池的阳极反应式；原电池的负极反应式左右两边颠倒过来，就是充电时电解池的阴极反应式。3．对比分析充电、放电时电极反应式的关系：充电时阴极(或阳极)的电极反应式与该电池放电时负极(或正极)的电极反应式刚好相反。【对点训练2】关于二次电池铅蓄电池的说法中错误的是(　　)A．在放电时，该电池的负极质量增加B．在放电时，电池中硫酸的浓度减小C．当两极物质都转化为PbSO4时，铅蓄电池将停止工作D．在放电时，正极发生的反应是：Pb＋SO===PbSO4＋2e－【答案】D　【解析】A项，负极由Pb变成PbSO4，固体质量增加，正确；B项，根据总反应，硫酸消耗浓度变小，正确；C项，当两极物质都转化为PbSO4时，电极相同，电势差为零，铅蓄电池将停止工作，正确；D项，正极得电子发生还原反应，电极反应为：PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O，错误。考点三燃料电池【例3】煤-空气燃料电池原理如图所示，下列说法错误的是(　　) A．随着反应的进行，氧化物电解质的量不断减少B．负极的电极反应式为C+2CO32--4e-=3CO2↑C．电极X为负极，O2-向X极迁移D．煤-空气燃料电池的能量效率比煤燃烧发电的能量效率高【答案】A【解析】随着反应的进行，氧化物电解质的量不会减少，A项错误；由原理图分析可知，其负极反应式为C+2CO32--4e-=3CO2↑，B项正确；原电池内部的阴离子向负极移动，C项正确；煤-空气燃料电池是把化学能直接转化为电能，而煤燃烧发电是把化学能转化为热能，再转化为电能，D项正确。【解题技法】1．书写新型电池的电极反应式分析物质得失电子情况，据此确定正、负极上发生反应的物质。分析电极反应生成的物质是否跟电解质溶液中的离子发生反应。写出比较容易书写的电极反应式。若有总反应式，可用总反应式减去第三步中的电极反应式，即得另一极的电极反应式。2．解答燃料电池题目的几个关键点(1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。(2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。(3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。【对点训练3】一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。下列有关说法正确的是(　　)A．检测时，电解质溶液中的H＋向负极移动B．若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48L氧气C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2OD．正极上发生的反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－【答案】C　【解析】A项，在原电池中，电解质溶液中的阳离子应向正极移动，错误；B项，每消耗1molO2转移4mol电子，若有0.4mol电子转移，则在标准状况下消耗2.24LO2，错误；D项，根据题意，电解质溶液呈酸性，正极的电极反应为O2＋4H＋＋4e－=2H2O，错误。