资源简介

第一节
第2课时　化学电源
[核心素养发展目标]　
1.证据推理与模型认知：通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。
2.科学态度与社会责任：增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
知识梳理
一、化学电源概述　一次电池
1．化学电源概述
(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。
2．一次电池：锌锰干电池
普通锌锰干电池
碱性锌锰干电池
示意图
构造
负极：锌
正极：石墨棒
电解质溶液：氯化铵和氯化锌
负极反应物：锌粉
正极反应物：二氧化锰
电解质溶液：氢氧化钾
工作
原理
负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋
正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH)
总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnO(OH)
负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO(OH)＋2OH－
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
深度思考
1．已知：电池的“理论比能量”指单位质量的电极材料理论上能释放出的最大电能。
比较Mg、Al二种金属－空气电池，“理论比能量”之比是________。
答案　3∶4
2．银锌电池具有比能量大、电压稳定、储存时间长等特点，如图所示，总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag。
(1)负极反应物：________，正极反应物：________，电解质溶液____________。
(2)电极反应式
，负极：_________________________；正极：_________________________。
答案　(1)锌粉　Ag2O　KOH溶液
(2)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
二、二次电池
1．铅蓄电池
铅蓄电池是常见的二次电池，其放电反应和充电反应表示如下：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O
(1)负极是Pb，正极是PbO2，电解质溶液是H2SO4溶液。
(2)放电反应原理
①负极反应式是Pb＋SO－2e－===PbSO4
；
②正极反应式是PbO2＋4H＋＋SO＋2e－===PbSO4＋2H2O
；
③放电过程中，负极质量的变化是增大，H2SO4溶液的浓度减小。
(3)充电反应原理
①阴极(还原反应)反应式是
PbSO4＋2e－===Pb＋SO
；
②阳极(氧化反应)反应式是PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO
；
③充电时，铅蓄电池正极与直流电源正极相连，负极与直流电源负极相连。即“负极接负极，正极接正极”。
2．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。
三、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．氢氧燃料电池是一种清洁高效的燃料电池
(1)基本构造
(2)工作原理
酸性电解质(H2SO4)
碱性电解质(KOH)
负极反应
2H2－4e－===4H＋
2H2－4e－＋4OH－===4H2O
正极反应
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
O2＋4e－＋2H2O===4OH－
总反应
2H2＋O2===2H2O
3.能量转换
所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，只不过条件不同而已。
理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。
4．燃料电池电极的书写方法
电极的负极反应物一定是燃料，正极反应物为O2或空气。
据氧化还原反应规律，负极燃料失电子发生氧化反应，正极氧气得电子发生还原反应。
特别注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。
如CH4碱性(KOH溶液)燃料电池负极反应式书写方法：
第一步　确定生成物
CH4
故CH4的最终产物为CO和H2O；
第二步　确定价态变化及电子转移
H4－8e－―→O＋H2O；
第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒
CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O；
第四步　最后据氢原子守恒配平H2O的化学计量数
CH4－8e－＋10OH－===CO＋7H2O。
课堂检测
1．下列说法错误的是(　　)
A．氧化还原反应所释放的化学能，是化学电源的能量来源
B．化学电源中的负极材料不一定参加电极反应
C．二次电池的充电和放电过程是可逆反应
D．丢弃废旧电池不但会污染环境，而且是资源的极大浪费
答案　C
2．下列电池工作时，氧气在正极放电的是(　　)
答案　B
3．某电池以K2FeO4和锌为电极材料，氢氧化钾溶液为电解质溶液。下列说法不正确的是(　　)
A．锌为电池的负极
B．正极反应式为2FeO＋10H＋＋6e－===Fe2O3＋5H2O
C．该电池放电过程中电解质溶液浓度增大
D．电池工作时OH－向负极迁移
答案　B
4．(2020·广州清远调研)已知LiAl/FeS电池是一种新型的车载可充电电池，该电池采用Li＋交换膜。对该电池充电时，阳极的电极反应式为：Li2S＋Fe－2e－===2Li＋＋FeS。下列有关该电池的说法中，正确的是(　　)
A．化合物LiAl具有强还原性，作负极材料
B．放电时，电子从LiAl极经过Li＋交换膜流向FeS极
C．放电时发生的总反应式为：2Li＋FeS===Li2S＋Fe
D．为了延长电池的使用寿命，可以隔一段时间添加含电解质的水溶液
答案　C
5．原电池是化学对人类的一项重大贡献。
(1)如图是甲烷燃料电池原理示意图，回答下列问题：
①电池的负极是________(填“a”或“b”)电极，该极的电极反应式为__________________
________________________________________________________________。
②电池工作一段时间后电解质溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)熔融盐燃料电池具有很高的发电效率，因而受到重视。可用碳酸锂和碳酸钠的熔融盐混合物作电解质，一氧化碳为负极燃气，空气与二氧化碳的混合气为正极助燃气，制得在650
℃下工作的燃料电池，其负极反应式为2CO＋2CO－4e－===4CO2。
①正极反应式是_____________________________________；
②总电池反应式是___________________________________。
答案　(1)①a　CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O
②减小
(2)①O2＋2CO2＋4e－===2CO
②2CO＋O2===2CO2第一节　原电池第1课时　原电池的工作原理
[核心素养发展目标]　
1.宏观辨识与微观探析：以锌铜原电池为例，从宏观和微观的角度，分析理解原电池的工作原理，能正确判断原电池的正极和负极，会书写其电极反应式。
2.变化观念与平衡思想：进一步理解化学能与电能的相互转化，认识从简单原电池发展到带有盐桥原电池的过程变化，并能理解带有盐桥原电池的实用性。
知识梳理
一、原电池的工作原理
1．原电池的构成条件
(1)定义：能把化学能转化为电能的装置。
(2)构成条件：
2．实验探究：锌铜原电池的工作原理(含盐桥)
装置示意图
注：盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶
现象
锌片逐渐溶解，铜片上有红色物质生成，电流表指针发生偏转
能量转换
化学能转化为电能
微观探析
在硫酸锌溶液中，负极一端的Zn失去电子形成Zn2＋进入溶液
在硫酸铜溶液中，正极一端的Cu2＋获得电子变成Cu沉积在铜片上
电子或离子
移动方向
电子：负极流向正极
盐桥：Cl—移向ZnSO4溶液，K＋移向CuSO4溶液
工作原理，
电极反应式
负极：Zn－2e－===Zn2＋(氧化反应)
正极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)
总反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
特别提醒　①盐桥的作用：形成闭合回路；平衡两侧的电荷，溶液呈电中性；避免电极与电解质溶液的直接接触，减少电流的衰减。
②原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力。
3．原电池工作原理示意图
深度思考
1．如图是某同学设计的原电池装置，
(1)电极Ⅰ上发生________(填反应类型)，作________(填电极名称)。
(2)电极Ⅱ的电极反应式为___________________________________________。
(3)该原电池的总反应式为________________________________________________。
(4)盐桥中装有含氯化钾的琼胶，其作用是________。
答案　(1)还原反应　原电池的正极　(2)Cu－2e－===Cu2＋　(3)2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋　
(4)形成闭合回路、平衡电荷(答案合理即可)
2．根据原电池的工作原理，写出下列电池的电极反应式。
(1)将铁片、铜片用导线连接后，置于稀硫酸中，形成原电池：
①正极反应式是______________________________________________________________；
②负极反应式是_________________________________________________________________；
③原电池总反应的离子方程式是___________________________________________________。
(2)有人用原电池原理除去银器皿表面的黑色硫化银，其处理方法：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，有臭鸡蛋气味的气体放出，银表面的黑色会褪去而银不会损失。在此形成的原电池中：
①负极反应式是______________________________________________________________；
②正极反应式是______________________________________________________________；
③总反应方程式是__________________________________________________________。
答案　(1)①2H＋＋2e－===H2↑　②Fe－2e－===Fe2＋　③Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)①2Al－6e－===2Al3＋　②3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－　③3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3＋3H2S↑
解析　(2)要善于抓住题示信息。“黑色褪去而银不会损失”，必然发生变化：Ag2S―→Ag，显然这是原电池的正极反应：3Ag2S＋6e－===6Ag＋3S2－，负极反应应为活泼金属发生氧化反应：2Al－6e－===2Al3＋，正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中都能水解且相互促进：2Al3＋＋3S2－＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2S↑，有臭鸡蛋气味的硫化氢气体产生。原电池的总反应为上述三个反应式的加合：3Ag2S＋2Al＋6H2O===6Ag＋2Al(OH)3＋3H2S↑。
二、原电池的应用
1．加快氧化还原反应的速率
构成原电池的反应速率比直接接触的反应速率快，例如，在锌与稀H2SO4反应时加入少量CuSO4溶液，CuSO4与锌发生置换反应生成Cu，从而形成Cu－Zn微小原电池，加快产生H2的速率。
2．比较金属活动性强弱
例如，有两种金属a和b，用导线连接后插入稀硫酸中，观察到a极溶解，b极上有气泡产生。由此可判断出a是负极、b是正极，且金属活动性：a>b。
3．设计原电池
理论上，任何一个自发的氧化还原反应，都可以设计成原电池。
(a)外电路
负极——化合价升高的物质
正极——活泼性弱的物质，一般选碳棒
(b)内电路：化合价降低的物质作电解质溶液。
如：2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2
①化合价升高的物质
负极：Cu
②活泼性较弱的物质
正极：C
③化合价降低的物质
电解质溶液：FeCl3
示意图
课堂检测
1．(2019·甘肃武威第十八中学高二上期末)下列装置中，能构成原电池的是(　　)
答案　D
2．下列有关图甲和图乙的叙述不正确的是(　　)
A．均发生了化学能转化为电能的过程
B．Zn和Cu既是电极材料又是反应物
C．工作过程中，电子均由Zn经导线流向Cu
D．相同条件下，图乙比图甲的能量利用效率高
答案　B
3．(2019·江西临川第一中学高二月考)某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池：2KMnO4＋10FeSO4＋8H2SO4===2MnSO4＋5Fe2(SO4)3＋K2SO4＋8H2O，盐桥中装有饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是(　　)
A．甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
B．乙烧杯中发生还原反应
C．外电路的电流方向是从a到b
D．电池工作时，盐桥中的SO移向甲烧杯
答案　C
4．已知电极材料：铁、铜、银、石墨、锌、铝；电解质溶液：CuCl2溶液、Fe2(SO4)3溶液、硫酸。按要求回答下列问题：
(1)电工操作上规定：不能把铜导线和铝导线连接在一起使用。请说明原因_______________
_______________________________________________________________________________。
(2)若电极材料选铜和石墨，电解质溶液选硫酸铁溶液，外加导线，能否构成原电池？____。若能，请写出电极反应式，负极：_____________________，正极：_______________________。
(若不能，后两空不填)
(3)设计一种以铁和稀硫酸的反应为原理的原电池，要求画出装置图(需标明电极材料及电池的正、负极)。
答案　(1)二者连接在一起时，接头处在潮湿的空气中形成原电池而铝作负极被腐蚀　(2)能　Cu－2e－===Cu2＋　2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋　(3)如图

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