2018-2019學(xué)年高中化學(xué) 第四章 電化學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié)《化學(xué)電源》知識(shí)點(diǎn)歸納及例題解析 新人教版選修4.doc

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第二節(jié) 化學(xué)電源 1．堿性鋅錳電池的負(fù)極是Zn，正極是MnO2，電解質(zhì)溶液是KOH。 2．鉛蓄電池是最常見(jiàn)的二次電池，正極是PbO2，負(fù)極是Pb，電解質(zhì)溶液是H2SO4溶液。 3．氫氧燃料電池兩類型： (1)酸性電解質(zhì)時(shí)： 負(fù)極反應(yīng)式：2H2－4e－===4H＋； 正極反應(yīng)式：O2＋4H＋＋4e－===2H2O。 (2)堿性電解質(zhì)時(shí)： 負(fù)極反應(yīng)式：2H2＋4OH－－4e－===4H2O； 正極反應(yīng)式：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。 化學(xué)電池 [自學(xué)教材填要點(diǎn)] 1．概念 將化學(xué)能變成電能的裝置。 2．分類 3．電池優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn) (1)單位質(zhì)量或單位體積所輸出的電能的大小(比能量)，或者輸出的功率的大小(比功率)。 (2)電池儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)短。 [師生互動(dòng)解疑難] (1)化學(xué)電池能量轉(zhuǎn)化率高，供能穩(wěn)定可靠。 (2)可制成各種形狀和大小，不同容量和電壓的電池及電池組，使用方便。 (3)電池中的鎳、鎘、錳、鉛等金屬離子會(huì)對(duì)土壤、水源造成污染，應(yīng)集中回收處理。 1．下列說(shuō)法中，不正確的是(　　) A．化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置 B．化學(xué)電池的種類包括一次電池、二次電池和燃料電池等 C．化學(xué)電池供能穩(wěn)定可靠，可以制成各種形狀和大小，使用方便，易于維護(hù) D．廢舊電池可以隨意丟棄 解析：本題考查的是有關(guān)化學(xué)電池的概念、分類及性能等方面的知識(shí)。廢舊電池中含有重金屬和酸、堿等有害物質(zhì)，隨意丟棄，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康危害很大，所以廢舊電池應(yīng)回收處理。 答案：D 一次電池——堿性鋅錳電池 [自學(xué)教材填要點(diǎn)] 1．構(gòu)造 2．組成 正極材料：MnO2；負(fù)極材料：Zn；電解質(zhì)：KOH。 3．工作原理 負(fù)極：Zn－2e－＋2OH－===Zn(OH)2； 正極：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－； 總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2。 [師生互動(dòng)解疑難] (1)堿性鋅錳干電池克服了普通鋅錳干電池的缺點(diǎn)，單位質(zhì)量所輸出的電能多且儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)，適用于大電流和連續(xù)放電。 (2)紐扣式鋅銀電池的負(fù)極是Zn，正極是Ag2O，電解質(zhì)是KOH。 (3)鋰電池的負(fù)極是Li，正極是MnO2、CuO、FeS2等，鋰電池的比能量高，電壓高，可儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)。 2．堿性電池具有容量大、放電電流大的特點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。堿性鋅錳電池以氫氧化鉀溶液為電解質(zhì)溶液，電池總反應(yīng)式為Zn (s)＋2MnO2 (s)＋H2O(l)===Zn(OH)2(s)＋Mn2O3(s)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　) A．電池工作時(shí)，鋅失去電子 B．電池正極的電極反應(yīng)式為： 2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq) C．電池工作時(shí)，電子由正極通過(guò)外電路流向負(fù)極 D．外電路中每通過(guò)0.2 mol電子，鋅的質(zhì)量理論上減少6.5 g 解析：由所給的電池總反應(yīng)式可知，電池工作時(shí)，每有1 mol Zn參加反應(yīng)，則會(huì)有2 mol 電子從負(fù)極Zn經(jīng)外電路流向正極，并在正極發(fā)生反應(yīng)：2MnO2(s)＋H2O(l)＋2e－===Mn2O3(s)＋2OH－(aq)。外電路每通過(guò)0.2 mol電子，Zn的質(zhì)量就減少6.5 g。 答案：C 二次電池 [自學(xué)教材填要點(diǎn)] 1．鉛蓄電池的構(gòu)造 2.鉛蓄電池的工作原理 (1)放電時(shí)： 負(fù)極：Pb(s)＋SO(aq)－2e－===PbSO4(s)； 正極：PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－===PbSO4(s)＋2H2O(l)； 總反應(yīng)式：Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。 (2)充電時(shí)： 鉛蓄電池的充電反應(yīng)是放電反應(yīng)的逆過(guò)程。 陰極：PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq)，發(fā)生還原反應(yīng)。 陽(yáng)極：2PbSO4(s)＋2H2O(l)－2e－===PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)，發(fā)生氧化反應(yīng)。 總反應(yīng)式：2PbSO4(s)＋2H2O(l)Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)。 上述充放電反應(yīng)可寫(xiě)成一個(gè)可逆的反應(yīng)方程式： Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)。 [師生互動(dòng)解疑難] (1)二次電池放電后可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，能重復(fù)使用。 (2)鉛蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)： ①鉛蓄電池具有電壓穩(wěn)定，性能良好，價(jià)格低廉，使用方便，安全可靠，循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)。 ②鉛蓄電池的缺點(diǎn)是比能量低，廢棄的電池污染環(huán)境。 (3)放電時(shí)是原電池原理，而充電時(shí)是電解池原理；二次電池的充放電過(guò)程相反。 3．關(guān)于鉛蓄電池的說(shuō)法正確的是(　　) A．在放電時(shí)，正極發(fā)生的反應(yīng)是 Pb(s)＋SO(aq)===PbSO4(s)＋2e－ B．在放電時(shí)，該電池的負(fù)極材料是鉛板 C．在充電時(shí)，電池中硫酸的濃度不斷變小 D．在充電時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生的反應(yīng)是 PbSO4(s)＋2e－===Pb(s)＋SO(aq) 解析：A項(xiàng)中電池放電時(shí)正極應(yīng)發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O；C項(xiàng)中電池充電時(shí)硫酸的濃度應(yīng)不斷增大；D項(xiàng)中電池充電時(shí)陽(yáng)極應(yīng)發(fā)生氧化反應(yīng)。 答案：B 氫氧燃料電池 [自學(xué)教材填要點(diǎn)] 電池 負(fù)極反應(yīng) 正極反應(yīng) 總反應(yīng)式 氫氧燃料電池酸性電解質(zhì) 2H2－4e－===4H＋ O2＋4e－＋4H＋===2H2O 2H2＋O2===2H2O 氫氧燃料電池堿性電解質(zhì) 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 2H2＋O2===2H2O [師生互動(dòng)解疑難] (1)燃料電池的特點(diǎn)： ①連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。 ②電極材料本身不參與氧化還原反應(yīng)。 ③工作時(shí)，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進(jìn)行反應(yīng)，生成物不斷地被排除。 (2)燃料電池的優(yōu)點(diǎn)： ①能量轉(zhuǎn)化率高，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率超過(guò)80%，遠(yuǎn)高于普通燃燒過(guò)程。 ②污染小。 (3)通可燃物的一極為電池的負(fù)極，通O2 的一極為燃料電池的正極。 (4)燃料電池的正極反應(yīng)式： ①若為酸性介質(zhì)：O2＋4H＋＋4e－===2H2O； ②若為堿性(或中性)介質(zhì)：2H2O＋O2＋4e－===4OH－。 4．氫氧燃料電池用于航天飛機(jī)，電極反應(yīng)產(chǎn)生的水，經(jīng)冷凝后可作為航天員的飲用水，其電極反應(yīng)如下： 負(fù)極：2H2＋4OH－－4e－===4H2O； 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－； 當(dāng)?shù)玫?.8 L飲用水時(shí)，電池內(nèi)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)約為(　　) A．1.8 mol　　　　　 　　B．3.6 mol C．100 mol D．200 mol 解析：n(H2O)＝＝100 mol， 由總反應(yīng)方程式：2H2＋O2===2H2O， 知每生成2 mol H2O轉(zhuǎn)移電子4 mol， 現(xiàn)得到100 mol H2O轉(zhuǎn)移電子200 mol。 答案：D 主題1：廢舊電池為什么要集中統(tǒng)一處理？ 甲 廢舊電池中含有汞、鎘、鉻、鉛等重金屬和酸堿等有害物質(zhì)，隨意丟棄會(huì)造成土壤、水源的污染 乙 廢舊電池中的有色金屬是寶貴的資源，可以回收再利用 主題2：以鎳鎘(Ni－Cd)可充電電池為例，探討電池充、放電時(shí)電極發(fā)生反應(yīng)的類型及書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。Cd＋2NiO(OH)＋2H2OCd(OH)2＋2Ni(OH)2(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)。 甲 放電時(shí)為原電池原理，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，正極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 乙 充電時(shí)為電解池原理，陰極發(fā)生還原反應(yīng)：電極反應(yīng)式為：Cd(OH)2＋2e－===Cd＋2OH－，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)：電極反應(yīng)式為：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===2NiO(OH)＋2H2O 二次電池的工作原理 [例1]　鐵鎳蓄電池又稱愛(ài)迪生電池，放電時(shí)的總反應(yīng)為： Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2 下列有關(guān)該電池的說(shuō)法不正確的是(　　) A．電池的電解液為堿性溶液，正極為Ni2O3、負(fù)極為Fe B．電池放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為： Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2 C．電池充電過(guò)程中，陰極附近溶液的pH降低 D．電池充電時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)為： 2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O [解析]　因?yàn)榉烹姇r(shí)的反應(yīng)中有氫氧化物生成，故電解質(zhì)溶液是堿性溶液，因?yàn)殍F的化合價(jià)升高，鎳的化合價(jià)降低，故鐵是負(fù)極，氧化鎳是正極，故A和B均正確；充電時(shí)的陰極反應(yīng)為Fe(OH)2＋2e－===Fe＋2OH－，故此時(shí)陰極附近的pH增大，故C錯(cuò)誤；根據(jù)所給的放電時(shí)的電池反應(yīng)可推知D正確。 [答案]　C (1)二次電池在充電時(shí)，正、負(fù)電極上發(fā)生的反應(yīng)正好與放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)相反，因而充電時(shí)，二次電池的正極應(yīng)與充電電源的正極相連接，電池的負(fù)極應(yīng)與充電電源的負(fù)極相連接。 (2)充電時(shí)發(fā)生的電極反應(yīng)和總反應(yīng)是放電時(shí)發(fā)生的反應(yīng)的逆過(guò)程。 ①放電時(shí)， ②充電時(shí)， 　你能寫(xiě)出鎳電池 放電時(shí)的正極反應(yīng)式嗎？ 提示：放電時(shí)，正極發(fā)生還原反應(yīng)， 其電極反應(yīng)式為： Ni2O3＋3H2O＋2e－===2Ni(OH)2＋2OH－ 。 化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) [例2]　科學(xué)家利用太陽(yáng)能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，并開(kāi)發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。(甲醇的燃燒熱為726.5 kJmol－1) 在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，負(fù)極的反應(yīng)式為_(kāi)_______________________________________________________________________， 正極的反應(yīng)式為_(kāi)_____________________________。理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1 mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為702.1 kJ，則該燃料電池的理論效率為_(kāi)_______(燃料電池的理論效率是指電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應(yīng)所能釋放的全部能量之比)。 [解析]　在燃料電池中，通入氧氣的一極是正極，通入甲醇的一極是負(fù)極，根據(jù)甲醇中碳元素的化合價(jià)變化可推知1 mol甲醇轉(zhuǎn)移6 mol電子，故寫(xiě)出負(fù)極反應(yīng)為CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋；正極反應(yīng)為O2＋6H＋＋6e－===3H2O。因?yàn)榧状嫉娜紵裏崾?26.5 kJmol－1，故可求得該燃料電池的理論效率＝702.1 kJ726.5 kJ100%＝96.6%。 [答案]　CH3OH＋H2O－6e－===CO2＋6H＋ O2＋6H＋＋6e－===3H2O　96.6% (1)寫(xiě)電極反應(yīng)式時(shí)，一定要注意電解質(zhì)是什么，其中陰、陽(yáng)離子要和電極反應(yīng)式中出現(xiàn)的離子相對(duì)應(yīng)，在堿性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)H＋；在酸性電解質(zhì)中，電極反應(yīng)式中不能出現(xiàn)OH－。 (2)正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)式在得失電子相等時(shí)相加，即得總反應(yīng)式。 某固體酸燃料電池以CsHSO4固體為電解質(zhì)傳遞H＋，其基本結(jié)構(gòu)如下圖，電池總反應(yīng)可表示為：2H2＋O2===2H2O，下列有關(guān)說(shuō)法正確的是(　　) A．電子通過(guò)外電路從b極流向a極 B．b極上的電極反應(yīng)式為：O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C．每轉(zhuǎn)移0.1 mol電子，消耗1.12 L的H2 D．H＋由a極通過(guò)固體酸電解質(zhì)傳遞到b極 解析：本題考查原電池知識(shí)，意在考查考生的分析能力。該原電池的化學(xué)原理是H2被氧化，在負(fù)極(a極)發(fā)生反應(yīng)：H2－2e－===2H＋，H＋由a極轉(zhuǎn)移到b極，D項(xiàng)正確；O2發(fā)生還原反應(yīng)，在正極(b極)發(fā)生反應(yīng)：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，則電子從a極流向b極，A、B兩項(xiàng)不正確；C項(xiàng)因未指明氣體所處的溫度和壓強(qiáng)，不正確。 答案：D