新高中化学2.2发展中的化学电源(第2课时)课时作业新人教版必修2

新高中化学2.2发展中的化学电源(第2课时)课时作业新人教版必修2

第2课时发展中的化学电源

[目标导航] 1.知道干电池、充电电池、燃料

电池等发展中的化学电源的特点。2.认识提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。

3.能正确书写简单化学电源的电极反应式。

一、常见的化学电源

1．锌锰干电池

(1)结构：锌锰干电池是以锌筒为负极，石墨棒为正极，在石墨棒周围填充糊状的MnO

2

和

NH

4

Cl作电解质。

(2)原理：锌锰电池是一次性电池，放电之后不能充电，内部的氧化还原反应是不可逆的。负极发生的电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，正极

发生的电极反应为2MnO

2＋2NH＋

4

＋2e－===Mn

2

O

3

＋2NH

3↑＋H

2

O。

(3)缺陷与改进：锌锰干电池电量小，而且在放电过程中容易发生气涨或漏液，会导致电器设备的腐蚀。改进措施：①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；②将电池内的电解质NH

4

Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改

进，制成碱性锌锰电池。

2．充电电池

(1)充电电池又称二次电池。充电电池在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，生成物重新转化为反应物，使充电、放电可在一定时间内循环进行。充电电池中能量的

电能。

转化关系是：化学能s\up7(放电)

充电

(2)常见的充电电池

①铅蓄电池

，电解质溶液是硫酸溶负极是Pb，正极是PbO

2

液，常作汽车电瓶，电压稳定，使用方便安全。

②镍镉电池

以Cd为负极，NiO(OH)为正极，以KOH为电解质，寿命比铅蓄电池长，但镉是致癌物质，废弃镍镉电池如不回收，会严重污染环境。

③碱金属中的Li是最轻的金属，活泼性极强，是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色电池。

3．燃料电池

(1)燃料电池是通过燃料与氧化剂分别在两个电极上发生氧化还原反应，将化学能直接转化

为电能的装置。

(2)燃料电池与火力发电相比，其燃料的利用率高、能量转化率高。与干电池或者蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。

(3)以30%的KOH溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的电极反应如下：

负极：2H

2＋4OH－－4e－===4H

2

O(氧化反应)；

正极：O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－(还原反应)；

总反应：2H

2＋O

2

===2H

2

O。

【议一议】

1．判断正误

(1)锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细。( )

(2)氢氧燃料电池是将热能直接转变为电能。( )

(3)氢氧燃料电池工作时氢气在负极上被氧化。( )

(4)太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅。( )

答案(1)×(2)×(3)√(4)×

二、原电池电极反应式的书写方法

1．负极反应式的书写

先判断负极材料，然后再分析其反应特点，并注意电解质溶液的成分对电极产物的影响。(1)锌锰干电池(Zn—C—NH

4

Cl)的负极是Zn，其负极反应特点是锌本身失去电子生成Zn2＋，Zn2＋与电解质溶液成分不反应，负极反应式是Zn－2e－===Zn2＋。

(2)铅蓄电池(Pb—PbO

2—H

2

SO

4

)的负极是Pb，

其负极反应特点是Pb失去电子生成Pb2＋，Pb2

＋与电解质溶液中的SO2－

4反应生成PbSO

4

，负极

反应式是Pb－2e－＋SO2－

4===PbSO

4

。

(3)氢氧燃料电池(Pt—Pt—KOH)的负极是Pt，其负极反应特点是燃料氢气在惰性电极(Pt)上失去电子生成H＋，H＋与电解质溶液中的OH－

反应生成H

2O，负极反应式是H

2

－2e－＋2OH－

===2H

2

O。

2．正极反应式的书写

(1)首先判断在正极发生反应的物质

①当负极材料与电解质溶液能自发的发生氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是电解质溶液中的某种微粒；

②当负极材料与电解质溶液不能自发的发生

氧化反应时，在正极上发生电极反应的物质是溶解在电解质溶液中的O

2

。

(2)然后再根据具体情况写出正极反应式，在书写时也要考虑正极反应产物是否与电解质溶液反应的问题，若参与反应要叠加在一起书写。

(3)甲烷燃料电池用铂作电极插入KOH溶液中，

其正极反应式是O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－；铜锌

原电池(Zn－Cu－H

2SO

4

)的正极反应式是2H＋＋

2e－===H

2

↑。

【议一议】

2．有人设计以铂和锌为电极材料，植入人体做某种心脏病人的心脏起搏器的能源，它依靠

人体血液中有一定浓度的O

2和H

2

O进行工作。

请讨论解答：

(1)负极材料是________，电极反应为___________________________________。(2)正极材料是________，电极反应为__________________________________。

答案(1)锌2Zn－4e－===2Zn2＋

(2)铂O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－

解析以铂和锌为电极材料，植入人体做某种

心脏病人的心脏起搏器的能源，正极是铂，负极是锌，电解质溶液是人体血液，工作时，负极锌被氧化，血液中的O

2

得到电子被还原。正

极的反应为O

2＋4e－＋2H

2

O===4OH－；负极的反

应为2Zn－4e－===2Zn2＋。

一、原电池电极反应式的书写

【例1】锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到普遍重视，目前已成功研制多种锂电池。某种锂电池的总反应为Li

＋MnO

2===LiMnO

2

，下列说法正确的是( )

A．Li是正极，电极反应为Li－e－===Li＋B．Li是负极，电极反应为Li－e－===Li＋

C．MnO

2是负极，电极反应为MnO

2

＋e－===MnO－

2

D．Li是负极，电极反应为Li－2e－===Li2＋

答案 B

解析根据原电池中，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再结合总反应可知，Li失去电子生成Li＋被氧化，为负极；MnO

2

得到电子被还原，为正极。

归纳总结

书写原电池电极反应式时注意的问题：

(1)正确判断原电池的负极和正极，确定两极上分别发生的具体反应。

(2)确认电极得失电子后的产物是否与电解质溶液发生反应，若能反应，则应写与电解质溶液反应后的电极反应式。

(3)在正极上，若是电解质溶液中的某种离子被还原，提供该离子的电解质无论电离难易如何，一律写离子符号(而在原电池反应中，要遵循离子方程式的书写规则，只有易溶的强电解质用离子符号表示)。

变式训练1 可用于电动汽车的铝—空气燃料电池，通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解质溶液，铝合金为负极，空气电极为正极。下列说法正确的是( )

A．以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时，正

极反应都为：O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－

B．以NaOH溶液为电解液时，负极反应为：Al ＋3OH－－3e－===Al(OH)

3

↓

C．以NaOH溶液为电解液时，电池在工作过程中电解质溶液的碱性保持不变

D．电池工作时，电子通过外电路从正极流向负极

答案 A

解析当电解质溶液显碱性或中性时，该燃料

电池的正极发生的反应均为O

2＋2H

2

O＋4e－

===4OH－，A项是正确的；铝作负极，负极反应

应该是铝失去电子变为铝离子，在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根，因此负极反应为Al＋4OH－－3e－===AlO－

2

＋2H

2

O，B项是错误的；该电池在碱性条件下工作时，消耗了碱，反应的化学方程式为4Al

＋3O

2＋4OH－===4AlO－

2

＋2H

2

O，溶液的碱性减弱，

C项是错误的；电池工作时，电子从负极流出来经过外电路流向正极，D项是错误的。

二、燃料电池

【例2】燃料电池是燃料(如CO、H

2、CH

4

等)

跟氧气(或空气)起反应将化学能转变为电能的装置，若电解质溶液是强碱溶液，下面关于甲烷燃料电池的说法正确的是( )

A．负极反应式：O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－

B．负极反应式：CH

4＋8OH－－8e－===CO

2

＋6H

2

O

C．随着放电的进行，溶液的氢氧根浓度不变D．放电时溶液中的阴离子向负极移动

答案 D

解析O

2＋2H

2

O＋4e－===4OH－应为正极反应式。

燃料氧化生成的二氧化碳不可能从强碱溶液中逸出，它将进一步反应转化成碳酸根。所以

负极反应式为CH

4＋10OH－－8e－===CO2－

3

＋7H

2

O。

由于部分碱液和二氧化碳反应，所以溶液的c(OH－)将减小。

归纳总结

常见的燃料电池有氢氧燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池等。燃料电池的正极反应物一般为氧气。电解质不同，电极反应就不同，如氢氧燃料电池以碱为电解质，其放电原理为：

负极(H

2)反应式：2H

2

－4e－＋4OH－===4H

2

O(氧化

反应)

正极(O

2)反应式：O

2

＋2H

2

O＋4e－===4OH－(还原

反应)

电池总反应式：2H

2＋O

2

===2H

2

O

氢氧燃料电池以酸为电解质，其放电原理为：

负极(H

2)反应式：2H

2

－4e－===4H＋(氧化反应)

正极(O

2)反应式：O

2

＋4H＋＋4e－===2H

2

O(还原反

应)

电池总反应式：2H

2＋O

2

===2H

2

O

变式训练2 燃料电池是目前电池研究的热点之一。

现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是( )

A．a极是负极，该电极上发生氧化反应

B．b极反应是O

2＋4OH－－4e－===2H

2

O

C．总反应的化学方程式为2H

2＋O

2

===2H

2

O

D．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源

答案 B

解析A项a极通H

2为负极，电极反应为：2H

2

＋4OH－－4e－===4H

2

O发生氧化反应；B项，b

极通O

2为正极，电极反应为：O

2

＋2H

2

O＋4e－

===4OH－，B项不正确；C项：正负极电极反应

式相加得总反应为2H

2＋O

2

===2H

2

O；D项：氢氧

燃料电池的能量高，且产物为水，对环境无污染，故是具有应用前景的绿色电源。

1．对化学电源的叙述正确的是

( )

A．化学电源比火力发电对化学能的利用率高B．化学电源所提供的电能居于人类社会现阶段总耗电量的首位

C．化学电源均是安全、无污染的

D．化学电源即为可充电电池

答案 A

解析由于是化学能与电能的直接转化，节省了许多中转环节，所以化学电源对化学能的利用率比火力发电高得多，但火力发电仍居世界耗电量的首位；化学电源一般较安全，但含重金属的电源如果随意丢弃，将会给环境带来严重的污染；有些化学电源是可充电电源(如镍镉电池)，有些是不可充电的(如干电池)。2．废电池处理不当不仅造成浪费，还会对环境造成严重污染，对人体健康也存在极大的危害。有同学想变废为宝，他的以下想法你认为不正确的是( )

A．把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气B．碳棒取出洗净用作电极

C．把铜帽取下洗净回收利用

D．电池内部填有NH

Cl等化学物质，将废电池

4

中的黑色糊状物作化肥施用

答案 D

解析虽然氯化铵是一种化学肥料，但电池内部还有其他有害物质，如果用作化肥，会污染土壤，进入生物链后，影响人体健康。

3.右图为生活中常用的锌锰干

电池的示意图，下列有关说法中

不正确的是

( )

A．电池内部含有电解质

B．锌是负极，石墨棒是正极

C．电池用完后可埋入土壤

D．锌锰干电池是一次性电池

答案 C

解析锌锰干电池是一次性电池，负极材料是

Cl Zn，正极材料是石墨棒，电解质溶液是NH

4糊。因为废电池中含有多种重金属、酸、碱等有害物质，随意丢弃对生态环境和公众健康危害很大，故应对废电池进行集中处理，不能埋入土壤。

4．汽车的启动电源常用铅蓄电池。其结构如

下图所示，放电时的电池反应如下：

PbO

2＋Pb＋2H

2

SO

4

===2PbSO

4

＋2H

2

O

根据此反应判断下列叙述中正确的是

( )

A．PbO

2

是电池的负极

B．Pb是负极

C．PbO

2

得电子，被氧化

D．电池放电时，溶液酸性增强

答案 B

解析根据电池反应知放电过程中铅失去电子，因此它是原电池的负极，其电极反应式为

Pb＋SO2－

4－2e－===PbSO

4

，故B项正确；PbO

2

在

放电过程中得到电子被还原，所以它是原电池的正极，因此A、C两项错误；由于原电池放电的过程中消耗硫酸，所以溶液的酸性减弱，故D项错误。

5．(1)高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为：

3Zn＋2K

2FeO

4

＋8H

2

O

放电

充电

3Zn(OH)

2

＋

2Fe(OH)

3

＋4KOH。请回答下列问题：

①高铁电池的负极材料是________。

②放电时，正极发生________(填“氧化”或“还原”)

反应：已知负极反应为Zn－2e－＋2OH－

===Zn(OH)

2

，则正极反应为_________。

③放电时，________(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。

(2)某种燃料电池的工作原理

示意如图所示，a、b均为惰

性电极。

①使用时，空气从________

口通入(填“A”或“B”)；

②假设使用的“燃料”是甲醇(CH

3

OH)，a极的电极反应式为_______________________________；

答案(1)①Zn②还原FeO2－

4

＋3e－＋

4H

2O===Fe(OH)

3

＋5OH－③正(2)①B

②CH

3OH－6e－＋8OH－===CO2－

3

＋6H

2

O

解析(1)高铁电池放电时为原电池，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。总反应式减去负极反应式得正极反应式，正极生成OH－，故此极附近溶液碱性增强。(2)由电子流动方向可知a为负极，b为正极，空气应从B口通入，容易写出总反应式和正极反应式，两者相减得出负极反应式。

[经典基础题]

题组1 电池及电极判断

1．下列化学电池不易造成环境污染的是

( )

A．氢氧燃料电池B．锌锰电池C．镍镉电池D．铅蓄电池

答案 A

2．下列说法正确的是

( )

A．镍氢电池、锂电池和碱性锌锰干电池都是二次电池

B．燃料电池是一种高效但是会污染环境的新

型电池

C．化学电池的反应基础是氧化还原反应D．铅蓄电池放电的时候正极材料是Pb，负极材料是PbO

2

答案 C

解析碱性锌锰干电池是一次电池，燃料电池是一种高效且不会污染环境的新型电池，铅蓄

电池放电的时候正极材料是PbO

2

，负极材料是Pb。

3．已知空气－锌电池的电极反应为

锌片：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H

2

O；

碳棒：1

2

O

2

＋H

2

O＋2e－===2OH－，

据此判断，锌片是

( )

A．正极并被还原B．正极并被氧化C．负极并被还原D．负极并被氧化答案 D

解析Zn失电子作负极，被氧化。

4．据报道，锌电池可能将会取代目前广泛使用的铅蓄电池，因为锌电池容量更大，而且没有铅污染。其电池反应为2Zn＋O

2

===2ZnO，原

料为锌粒、电解质溶液和空气。则下列叙述正确的是( )

A．锌为正极，空气进入负极反应

B．负极反应为Zn－2e－===Zn2＋

C．正极发生氧化反应

D．电解质溶液为强酸

答案 B

解析Zn与O

反应的电子转移情况为

2

===2ZnO，所以Zn作负极，负极发生氧化反应，Zn－2e－===Zn2＋。O

是正极反应物，发

2

生还原反应。若电解质溶液是强酸，电池的化学反应不是2Zn＋O

===2ZnO，而是Zn＋2H＋===

2

↑。

Zn2＋＋H

2

题组2 各种燃料电池的突破

5．镁燃料电池具有比能量高、使

用安全方便、原材料来源丰富、

成本低、燃料易于贮运等特点。

研究的燃料电池可分为镁—空气

燃料电池，镁—海水燃料电池，

镁—过氧化氢燃料电池，镁—次

氯酸盐燃料电池。如图为镁—次氯酸盐燃料电

池的工作原理图，下列有关说法不正确的是

( )

A．放电过程中OH－移向正极

B．电池的总反应式为Mg＋ClO－＋

H

2O===Mg(OH)

2

↓＋Cl－

C．镁电池中镁均为负极，发生氧化反应D．镁—过氧化氢燃料电池，酸性电解质中正

极反应为：H

2O

2

＋2H＋＋2e－===2H

2

O

答案 A

解析根据图像判断反应过程，判断正、负极，正确书写电极反应式。镁燃料电池，镁作负极失电子，产物由电解质溶液决定，若为酸性溶液生成Mg2＋，碱性溶液生成Mg(OH)

2

。ClO－在正极反应，由图可知有Cl－和OH－生成， OH

－向负极移动，生成Mg(OH)

2

。

6．右图所示是一种酸性燃料电

池酒精检测仪，具有自动吹气流

量侦测与控制的功能，非常适合

进行现场酒精检测。下列说法不

正确的是( )

A．该电池的负极反应式为：CH

3CH

2

OH＋3H

2

O－

12e－===2CO

2

↑＋12H＋

B．该电池的正极反应式为：O

2

＋4e－＋4H＋

===2H

2

O

C．电流由O

2

所在的铂电极经外电路流向另一电极

D．微处理器通过检测电流大小而计算出被测气体中酒精的含量

答案 A

解析本题的关键是读图。由图示可知，呼气

时进去的是CH

3CH

2

OH出来的是CH

3

COOH，负极

的电极反应为：CH

3CH

2

OH－4e－＋H

2

O===CH

3

COOH

＋4H＋，A错误；氧气由正极通入，酸性条件下生成H

2

O，B正确；电流由正极流向负极，C正确；酒精含量高，转移的电子数多，电流大，D正确。

7．2012年6月16日18时37分24秒，神舟九号成功发射。飞船的能量部分来自太阳能电池，另外内部还配有高效的MCFC型燃料电池。该燃料电池可同时供应电和水蒸气，其所用燃料为氢气，电解质为熔融的碳酸钾。已知该燃

料电池的总反应为2H

2＋O

2

===2H

2

O，负极反应为

H

2＋CO2－

3

－2e－===CO

2

↑＋H

2

O，则下列推断正确

的是 ( )