资源简介

专题3 化学反应原理
第二单元 电化学基础
第4讲 电化学综合应用
一、课程标准要求
1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。
2．从氧化还原反应的角度认识原电池的工作原理。
3．了解电解池工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。
4．采用理论联系实际的方法，能列举常用的化学电源，并利用相关信息分析化学电源的工作原理。
二、在高中化学教材体系中的地位
从课程模块层面看，原电池是现行高中化学知识体系的重要组成部分。联系实际，要想实现化学能的转化，就需要通过化学反应，获得电能就是实现了能量转化，所以该部分内容就是对化学能转化为电能这个主题的呼应与诠释。
通过对生活中化学电源的了解分析，进一步理解原电池和电解池概念和原理，通过一些新型电池的学习，体会电池的改进和创新，增强学生的创新精神。
三、思维导图
四、课时安排建议
第1课时 电极方程式的再书写(1课时)
第2课时 隔膜在电化学中的应用(1课时)
第1课时 电极方程式的再书写(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：如何判断原电池正负极、电解池的阴阳极，书写电极方程式有哪些注意点？
[例题1] 二次电池的充电、放电过程的电极反应有何关系，怎么书写？
可充电电池(以铅蓄电池为例)
原理 放电：原电池 充电：电解池
装置图分析
电极反应 负极： 正极 阴极：阳极：
总反应
提示：放电过程：
负极：Pb－2e－＋SO=PbSO4，正极：PbO2＋SO＋2e－＋4H＋=PbSO4＋2H2O；
充电过程：阴极：PbSO4＋2e－=Pb＋SO阳极：PbSO4＋2H2O－2e－=PbO2＋SO＋4H＋
总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
[归纳总结]
(一)原电池和电解池中微粒移动方向
1．原电池：阳离子向 移动，阴离子向 移动；
2．电解池：阴阳相吸，阴离子向 移动，阳离子向 移动；
3．电子不经过电解质溶液。
(二)书写电极反应的一般步骤：
(三)电极方程式书写的策略
1．提取题干和装置图中信息，确定反应物和生成物；
2．根据装置图判断是原电池还是电解池；
3．判断电极(负极、正极、阳极、阴极)；
4．根据化合价确定转移电子数，确定电极；
5．根据电荷守恒和质量守恒结合电解质写出电极反应。
问题2：你知道现在出现的众多新型电池吗？“储氢电池”、“高铁电池”、“海洋电池”、“燃料电池”、“锂离子电池”等都是新型电池，你知道它们工作原理、正负电极或阴阳极的判断，能书写出电极反应式吗？
锂电池与锂离子电池的工作原理
1. 锂电池
锂电池是一类由金属锂或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池的负极材料是金属锂或锂合金,工作时金属锂失去电子被氧化为Li+,负极反应均为Li-e-===Li+,负极生成的Li+经过电解质定向移动到正极。
2. 锂离子二次电池
(1) 锂离子电池基于电化学“嵌入/脱嵌”反应原理,替代了传统的“氧化-还原”理念;在两极形成的电压降的驱动下,Li+可以从电极材料提供的“空间”中“嵌入”或者“脱嵌”。
(2) 锂离子电池充电时阴极反应式一般为6C+xLi++xe-===LixC6;放电时负极反应是充电时阴极反应的逆过程:LixC6-xe-===6C+xLi+。
[练习1] 我国科学家发明水溶液锂电池为电动汽车发展扫除了障碍，装置原理如图所示，其中固体薄膜只允许Li＋通过。锂离子电池总反应为xLi＋Li1－xMn2O4 LiMn2O4。下列有关说法错误的是
A.放电时，Li＋穿过固体薄膜进入水溶液电解质中
B.放电时，正极反应为Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－ ===LiMn2O4
C.充电时，电极b为阳极，发生氧化反应
D.该电池的缺点是存在副反应2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
(练习1出处：扬州中学高二期末模拟二。推荐理由：通过具体的问题情境，探究锂离子电池的工作原理，书写电极反应。体现“宏观辨识”和“微观探析”这一素养，也为认识锂离子这类新型电池提供思维模型，也体现“证据推理”与“模型认知”这一素养。答案：D)
活动二：重难点突破
问题3：你能运用所学知识找到陌生电化学装置与书本中熟悉的装置之间的联系吗？
典例简析
[典型题例] 请分析下列两组装置的正负极、阴阳极以及电解质溶液，把它们和书本上的熟悉装置进行类比迁移，分析各自对应电极的反应物和电解质溶液。
燃料电池的迁移：
电解池的迁移：
(典型题例出处：书本装置图迁移。推荐理由：本题考查学生对于燃料电池和电解池的认知，从陌生的装置找到书本对于的熟悉装置，电极、电解质、化学反应的对比迁移是解答此类的关键，培养了学生灵活运用所学知识解决陌生问题能力，在学习中举一反三，分析解决问题能力得到提升)
[解析](1)燃料电池中，燃料“CO、H2”→课本上“H2”→都为燃料电池负极反应物，
“CO2、O2”→课本上“O2”→ 都为燃料电池正极反应物
“熔融碳酸盐”→课本上“电解质溶液”
⑵电解池中，“A”与电源负极相连→课本上“X”与电源负极相连→推出“A”为电解池的阴极→发生还原反应。
“B”与电源正极相连→课本上“Y”与电源正极相连→推出“B”为电解池的阳极→发生氧化反应
[小结] ⑴燃料电池可以用氢氧燃料电池为模型，分析电极反应，负极通常是燃料发生氧化反应，正极通常是氧化剂发生还原反应。
⑵电解池中电极的判断直接依据电源的正负极，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。
[练习2] 陌生原电池装置
我国固体氧化物燃料电池技术研发取得新突破。科学家利用该技术实现了H2S废气资源回收能量:2H2S+O2===S2+2H2O。装置如图所示,
则负极的电极反应式为　　　　　　　　　　　　。
负极方程式的书写方法
(1) 观察装置,确定主要的反应物和生成物:2H2S→S2
(2) 配升降(2H2S-4e-→S2)、配电荷(2H2S+2O2--4e-S2)、
配原子,得出负极反应式为2H2S+2O2--4e-===S2+2H2O
[例题2] 陌生电解池装置
KIO3是一种重要的无机化合物,可作为食盐中的补碘剂。KIO3也可采用“电解法”制备,装置如下图所示。
(1)写出电解时阴极的电极反应式: 。
(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为　　　　,
其迁移方向是　　　　。
(例题2出处：2018年全国Ⅲ卷高考试题。推荐理由：以生活中的加碘盐中的KIO3为载体，了解用电解法制备KIO3的方法，充分体现化学来源于生活，又服务于生活的理念，将课堂内以思维活动为主的教学方式和课堂外实践活动为主的教学方式进行有机结合。)
[答案] 2H2O+2e-=2OH-+H2↑　 K+　 a到b
问题4：通过对原电池和电解池的比较，总结已知总方程式，书写电极反应式的一般方法。
示例：(以电池反应为例)
(1)已知总方程式，电极反应式书写步骤
①步骤一：写出电池总反应式，标出电子转移的方向和数目(ne－)。
②步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。
③步骤三：写电极反应式。
负极反应：还原剂－ne－=氧化产物
正极反应：氧化剂＋ne－=还原产物
(2)书写技巧
若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，用总反应式减去较易写的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。如：CH3OCH3(二甲醚)酸性燃料电池中：
总反应式：CH3OCH3＋3O2=2CO2＋3H2O
正极：3O2＋12H＋＋12e－=6H2O
负极：CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2＋12H＋
提醒：简单电极反应中转移的电子数，必须与总方程式中转移的电子数相同。
活动三：巩固提升
1．Li－FeS2电池是目前电池中综合性能最好的一种电池，其结构如图所示。已知电池放电时的反应为4Li＋FeS2===Fe＋2Li2S。下列说法正确的是 ( )
A．Li为电池的正极
B．电池工作时，Li＋向负极移动
C．正极的电极反应式为FeS2＋4e－===Fe＋2S2－
D．将熔融的LiCF3SO3改为LiCl的水溶液，电池性能更好
2．某电动汽车配载一种可充放电的锂离子电池，放电时电池总反应为
Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋C6(x<1)。下列关于该电池的说法不正确的是 ( )
A．放电时，Li＋在电解质中由负极向正极迁移
B．放电时，负极的电极反应式为LixC6－xe－===xLi＋＋C6
C．充电时，若转移1 mol e－，石墨(C6)电极将增重7x g
D．充电时，阳极的电极反应式为LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋
3．某新型锂 空气二次电池放电情况如图所示，关于该电池的叙述正确的是 ( )
A．电解液应选择可传递Li＋的水溶液
B．充电时，应将锂电极与电源正极相连
C．放电时，空气电极上发生的电极反应为：
　 2Li＋＋O2＋2e－===Li2O2
D．充电时，若电路中转移0.5 mol电子，空气
电极的质量将减少3.5 g
4．利用电解法将CO2转化为CH4的原理如图所示。下列说法正确的是 ( )
A．电解过程中，H+由a极区向b极区迁移
B．电极b上反应为CO2+8HCO3--8e-=CH4+CO32-+2H2O
C．电解过程中化学能转化为电能
D．电解时Na2SO4溶液浓度保持不变
5．电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。
(1)写出阴极CO2还原为HCOO 的电极反应式： 。
(2)电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是 。
6．电化学原理在生产生活中应用十分广泛。请回答下列问题：
(1)通过SO2传感器可监测大气中SO2的含量，其工作原理如下左图所示。
①固体电解质中O2 向　　　　(填“正”或“负”)极移动。
②写出V2O5电极的电极反应式：　 。
(2)通过NOx传感器可监测NOx的含量，其工作原理示意如上右:图所示
①Pt电极上发生的是 反应(填“氧化”或“还原”)。
②写出NiO电极的电极反应式： 。
[参考答案]
1．C
解析：A项，由Li→Li2S发生氧化反应，可知Li为电池负极；B项，电池工作时，阳离子(Li＋)移向正极；D项，由于2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，故不能用LiCl的水溶液作为电解质溶液。
2．D
解析：放电时，负极反应为LixC6－xe－===xLi＋＋C6，正极反应为Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2，A、B正确；充电时，阴极反应为xLi＋＋C6＋xe－===LixC6，转移1 mol e－时，石墨C6电极将增重 7 g，C项错误；充电时，阳极反应为放电时正极反应的逆反应：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋，D项正确。
3．C
解析：A项，Li能与水发生反应，所以不能用水作电解液，错误；B项，放电时，Li作为负极，在充电时，Li接电源的负极，错误；C项，从图示看，O2得电子，结合Li＋生成Li2O2，正确；D项，充电时，空气电极反应为Li2O2－2e－===2Li＋＋O2↑，Li＋移向左侧，O2离开电极，转移0．5 mol e－时，空气电极减少的质量为0．25 mol Li2O2，质量为11.5 g，错误。
4．A
解析：A．由a极生成O2可以判断出a极为阳极，b为阴极，阳离子向阴极流动。则H+由a极区向b极区迁移正确，故A正确；B． 电极方程式配平发生错误，电极b上反应应为CO2＋8HCO3-+8e－＝CH4＋8CO32-＋2H2O，故B错误；C．通过电解法可知此电池为电解池，所以电解过程中是电能转化为化学能，故C错误；D．电解时OH－比SO42-更容易失去电子，所以电解Na2SO4溶液的实质是电解水，溶液中的水发生消耗，所以Na2SO4溶液的浓度是增大的，故D错误；
5．(1)根据电解原理，阴极得到电子，化合价降低，CO2＋HCO3－＋2e－=HCOO－＋CO32－，或CO2＋H＋＋2e－=HCOO－；(2)阳极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，阳极附近pH减小，H＋与HCO3－反应，同时部分K＋迁移至阴极区，所以电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低；
6．(1)①原电池中阴离子移向负极，故答案为：负；②在V2O5电极上，SO2失电子发生氧化反应生成SO3，电极方程式为：SO2-2e-+O2-=SO3，故答案为：SO2-2e-+O2-=SO3；
(2)根据装置图可知负极NiO上一氧化氮失电子和氧离子反应生成二氧化氮，电极反应式为NO-2e-+O2-═NO2；
二、教学建议
1．电极方程式的书写不能通过大量的练习让学生机械的模仿，它是一个系统工程，是对原电池和电解池的基本概念的深入理解之后，进行综合运用的能力的体现。把已学知识进行归纳、分析、对比，达到升华的过程。
2．学生养成化学的基本学习方法——分类，用分类的思想分析解决不同类型的问题。如：给定装置图的，给定方程式的，陌生情境下的电极方程式的书写等等都要采取特定的方法，构建解决问题的模型，使学生遇到问题有的放矢。
3．接近学生的最近发展区，了解学生的基本素养，从学生实际出发，起点准确，使课堂效益最大化。
4．进行新型电池学习时，联系生产生活，重视电池在工农业生产，高科技领域的应用，体会化学对国家科技的贡献。
三、情境素材
锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，锂电池已经成为了主流。
锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
锂金属电池：
锂电池基本原理
锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
锂离子电池：
锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
充电正极上发生的反应为
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)
充电负极上发生的反应为
6C+xLi++xe- = LixC6
充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
正极：
正极材料：可选的正极材料很多，目前市场常见的正极活性材料如下表所示:
正极材料 化学成分 标称电压 结构 能量密度 循环寿命 成本 安全性
钴酸锂(LCO) LiCoO2 3.7 V 层状 中 低 高 低
锰酸锂(LMO) Li2Mn2O4 3.6V 尖晶石 低 中 低 中
磷酸铁锂(LFP) LiFePO4 3.2 V 橄榄石 中 高 低 高
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
充电时：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-
放电时：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。
负极：
负极材料：多采用石墨。另外锂金属、锂合金、硅碳负极、氧化物负极材料等也可用于负极。
负极反应：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。
充电时：xLi+ + xe- + 6C → LixC6
放电时：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C
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