新教材高中化学专题1化学反应与能量变化第2单元化学电源学案苏教版选择性必修1

新教材高中化学专题1化学反应与能量变化：化学电源学习任务1．通过对常见化学电源的分析，建立对原电池放电过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。

2．通过增强科技意识，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，培养科学态度与社会责任的化学核心素养。

一、化学电源概述一次电池1．化学电源的分类及特点(1)化学电源的分类①一次电池：也叫做干电池，常见的一次电池有普通锌锰电池、碱性锌锰电池、钮扣式银锌电池。

②二次电池：又称为充电电池或蓄电池，铅蓄电池是最常见的二次电池。

目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。

③燃料电池：氢氧燃料电池(2)各类电池的特点①一次电池：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，放电后不可再充电。

②二次电池：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，可多次重复使用。

③燃料电池：燃料电池的氧化剂和还原剂不是储藏在电池内部，而是在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能。

【特别提醒】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。

2．一次电池(1)锌锰干电池普通锌锰干电池制作简单、价格便宜，但存在放电时间短、放电后电压下降较快等缺点。

碱性锌锰电池比普通锌锰干电池性能优越，它的比能量[电池单位质量或单位体积所输出电能的多少，单位(W·h)/kg或(W·h)/L]大，能提供较大电流并连续放电。

目前，在我国碱性锌锰电池正在逐渐代替普通锌锰干电池。

普通锌锰干电池和碱性锌锰干电池的比较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＋4===Zn(NH3)2＋2＋2H＋正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnOOH总反应：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnOOH负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnOOH＋Zn(OH)2(2)银锌钮扣电池①组成②电极反应和电池反应负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－电池反应：Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)21．碱性锌锰干电池在放电时，电池的总反应方程式可以表示为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH，在此电池放电时，正极(碳棒)上发生反应的物质是( ) A．Zn B．碳棒C．MnO2D．MnO2和H2OD[在反应中Zn元素化合价升高，被氧化，Zn为负极反应物，负极电极反应式为Zn ＋2OH－－2e－===Zn(OH)2；Mn元素化合价降低，被还原，MnO2为正极反应物，正极反应式为2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－，由此可知正极上参加反应的物质为MnO2和H2O；失去电子发生氧化反应的是Zn，得到电子发生还原反应的是MnO2，故选D。

]2．电子表和电子计算机的电源通常用微型银－锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式：Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag。

下列说法正确的是( ) A．Ag2O是正极，Zn是负极B．Zn是正极，Ag2O是负极C．工作时，电池负极区溶液pH增大D．工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极A[A、电池反应式Ag2O＋H2O＋Zn===Zn(OH)2＋2Ag中，较活泼的金属锌失去电子发生氧化反应，所以锌作负极，氧化银得电子发生还原反应，所以氧化银作正极，故A正确，B 错误；C、原电池放电时，负极上锌失电子和氢氧根离子反应生成氢氧化锌，导致负极附近氢氧根离子浓度降低，溶液的pH值减小，故C错误；D、原电池放电时，电子从负极沿导线流向正极，所以该原电池放电时，电子从锌沿导线流向氧化银，故D错误。

]二、二次电池1．铅蓄电池(1)构造与组成铅蓄电池是由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2, 负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸。

(2)工作原理放电过程充电过程负极：Pb－2e－＋SO2－4===PbSO4(氧化反应) 阴极：PbSO4＋2e－===Pb＋SO2－4(还原反应)正极：PbO2＋4H＋＋SO2－4＋2e－===PbSO4＋2H2O(还原反应) 阳极：PbSO4＋2H2O－2e－=== PbO2＋4H＋＋SO2－4 (氧化反应)总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O 总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4铅蓄电池的充、放电过程：Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O①优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，在生产生活中应用广泛。

②缺点：比能量低、笨重，废弃的电池污染环境。

2．锂离子电池(1)构造与组成锂离子电池由正极、负极和电解质溶液三部分组成，正极材料多采用磷酸铁锂(LiFePO4)或钴酸锂(LiCoO2)等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌(即可逆嵌脱)结构的化合物。

负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。

(2)工作原理(钴酸锂­石墨锂电池为例)。

电极电极反应负极Li x O6－x e－===6C＋x Li＋正极Li(1－x)CoO2＋x Li＋＋x e－===LiCoO2电池反应Li x C6＋Li(1－x)CoO2===LiCoO2＋6C(3)反应过程在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。

在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。

在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。

(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)二次电池的放电过程，负极质量一定减小(×)(2)可充电电池的充放电过程是可逆反应(×)(3)锂电池由于Li的性质活泼所以不能用水溶液作电解质(√)(4)铅蓄电池充电时，正极接直流电源正极，发生还原反应(×)(5)锂离子电池放电时，Li＋移向正极区(√)三、燃料电池1．燃料电池利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。

燃料电池种类很多，如氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂的燃料电池。

2．氢氧燃料电池(1)氢氧燃料电池原理示意图(2)氢氧燃料电池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＋===2H2OO2＋4e－＋2H2O===4OH－总反应2H2＋O2===2H2O(3)电池特点①能量转换率高，污染小。

②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，连续不断地提供电能。

【特别提醒】(1)燃料电池的两个电极与其他电池不同，电极材料本身不参与电极反应。

(2)酸性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为O2＋4e－＋4H＋===2H2O；碱性介质中的燃料电池(氧化剂为 O2)的正极反应式为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－。

(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)燃料电池所有能量均转化为电能(×)(2)燃料电池中通入燃料的一极为正极(×)(3)氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极，电极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O(√)(4)燃料电池电极材料本身不参与化学反应(√)一次电池电极反应式的书写一次电池是放电后不能再充电使其复原的电池，又名干电池。

价格比较便宜，且电量较好，储存时间长，温度适应条件好，适用于中小电流密度的放电。

其中最常见的为碱性锌锰电池和钮扣式银锌电池。

碱性锌锰电池纽扣式银锌电池[问题1] 碱性锌锰电池的总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH(1)该电池中锰的化合价如何变化？[提示]锰元素从二氧化锰中的＋4价降为氢氧化氧锰中的＋3价。

(2)该电池负极材料及电解质溶液是什么？写出其负极反应式。

[提示]Zn作负极。

电解质溶液为KOH溶液；其负极反应式为Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2。

(3)依据第(2)题书写的负极反应式，你能书写出正极反应式吗？[提示]用总反应式减去负极反应式可得正极反应式：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnOOH＋2OH－。

(4)该电池工作一段时间后，电解质溶液(KOH)的浓度如何变化？[提示]尽管反应过程中KOH没有被消耗，但从总反应式上可以看出，反应消耗了H2O，故KOH的浓度增大。

[问题2] 纽扣式银锌电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O===2Ag＋Zn(OH)2(1)银锌电池的负极反应物及生成物分别是什么？[提示]负极反应物是锌，失电子后变成锌离子然后在碱性环境中生成氢氧化锌。

(2)银锌电池的正极材料是什么？写出正极反应式。

[提示]正极材料是Ag2O；正极反应式为Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－。

(3)若负极消耗1 mol Zn，那么正极会产生多少Ag?[提示]根据两极得失电子相等，Zn和Ag的物质的量之比应为1∶2，所以若负极消耗1 mol Zn，那么正极会产生2 mol Ag。

化学电池中电极反应式的书写方法及步骤(1)分析电极反应。

负极化合价升高，失电子，发生氧化反应，写出氧化产物的简单形式；正极化合价降低，得电子，发生还原反应，写出还原产物的简单形式。

(2)注意电解质环境。

电极产物在电解质溶液中能稳定存在，写出产物的正确存在形式。

(3)根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。

(4)根据正负极得失电子守恒，两电极反应式相加得电池总反应。

(5)若已知电池总反应，可用电池总反应减去某一电极反应式求得另一电极反应式。

轻巧记忆：各类电极反应式的一般书写步骤为①列物质，标得失；②选离子，配电荷；③配个数，巧用水；④两式加，验总式。

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。

碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn(OH)2＋2MnOOH。