苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化第2课时导学案

这是一份苏教版 (2019)选择性必修1第二单元 化学能与电能的转化第2课时导学案，共14页。学案主要包含了新知预习，即学即练等内容，欢迎下载使用。

课程目标,
1．了解化学电源的种类及其工作原理。
2．了解化学电源在生产、生活和国防中的实际应用。
3．能正确书写各类电池的电极反应式。
图说考点,
,
学业基础——自学·思记·尝试
【新知预习】
一、化学电池
1．化学电池是将________能变成________能的装置。
2．化学电池的分类
化学
电池
二、常见的化学电池
1．一次电池(以碱性锌锰电池为例)
(1)组成：
正极：________；负极：________；电解质：________。
(2)工作原理：
负极反应：_____________________________________；
正极反应：___________________________________。
总反应：_____________________________________。
2．二次电池(以铅蓄电池为例)
(1)组成：
正极：________；负极：________；电解质：________。
(2)工作原理：
铅蓄电池是最常见的二次电池，其电极反应分为放电和充电两个过程，电极反应式如下：
①放电
负极：_____________________________________；
正极：____________________________________；
总反应：===2PbSO4＋2H2O
②充电
阴极：_________________________________(还原反应)；
阳极：_________________________________(氧化反应)。
总反应：2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4。
③铅蓄电池的充、放电过程：
Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
3．燃料电池(以氢氧燃料电池为例)
(1)基本构造：
(2)工作原理：
负极反应：______________________________；
正极反应：_____________________________；
总反应：2H2＋O2===2H2O。
三、化学电池的使用
1．化学电池的优点
(1)化学电池的能量转换效率______，供能稳定可靠。
(2)可以制成各种形状和______、不同______和______的电池及电池组。
(3)使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。
2．判断电池优劣的主要标准
(1)比能量：即单位质量或单位体积所能输出________的多少，单位(W·h)/kg(或W·h)/L。
(2)比功率：即单位质量或单位体积所能输出________的多少，单位W/kg或W/L。
(3)电池的可储存时间的________。
3．化学电池回收利用：废旧电池中含________和酸碱等有害物质，应回收利用，既减少污染，又节约资源。
【即学即练】
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)碱性锌锰电池工作时电子由MnO2经外电路流向Zn极。( )
(2)锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质溶液是KOH溶液，则其负极电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋。( )
(3)铅蓄电池充电时PbO2在阳极上生成。( )
(4)燃料电池中通入燃料的一极为正极。( )
(5)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。( )
(6)废旧电池中含有汞、镉、铅、镍等重金属，随意丢弃会污染环境，应对废旧电池分类回收，集中处理。( )
2．下列有关化学电源的描述正确的是( )
①一次电池也叫干电池，其活性物质被消耗后不能再生 ②二次电池也叫可充电电池，通过充电可使其活性物质再生 ③任何电池都是依据原电池的原理制造的 ④化学电源与其他能源相比，具有携带方便，可制成各种形状等优点 ⑤比能量与比功率，是判断电池优劣的主要标准
A．①②③④⑤ B．①②④⑤
C．③④⑤ D．①②③⑤
3．下列说法正确的是( )
A．酸性锌锰干电池是一次电池，碱性锌锰干电池是二次电池
B．铅蓄电池是一次电池，锂离子电池是二次电池
C.燃料电池的能量转化率可达100%
D．废旧电池集中处理的主要目的是防止电池中的重金属污染水源及土壤
4．铅蓄电池是最常见的二次电池，电压稳定，安全可靠，价格低廉，应用广泛。电池总反应为Pb(s)＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O。
放电时，正极的电极反应是________________________，电解质溶液中硫酸的浓度________(填“增大”“减小”或“不变”)，当外电路中通过0.5 ml电子时，理论上负极板的质量增加________g。
5．写出甲烷燃料电池在不同环境下的电极反应式。
(1)酸性条件
燃料电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
燃料电池正极反应式：
O2＋4H＋＋4e－===2H2O ②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：_____________________________________。
(2)碱性条件
燃料电池总反应式：
＋3H2O ①
燃料电池正极反应式：
O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：______________________。
(3)固体电解质(高温下能传导O2－)
燃料电池总反应式：
CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
燃料电池正极反应式：
O2＋4e－===2O2－ ②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：__________________________。
(4)熔融碳酸盐(如：熔融K2CO3)环境下
电池总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O ①
正极电极反应式：
②
①－②×2，得燃料电池负极反应式：________________________________。
核心素养——合作·探究·分享
提升点一 二次电池分析
例1. 已知某镍镉(Ni­Cd)电池的电解质溶液为KOH溶液，其充放电总反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O放电,充电Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有关该电池的说法正确的是( )
A．充电时阳极反应：
Ni(OH)2＋OH－－e－===NiO(OH)＋H2O
B.充电过程是化学能转化为电能的过程
C．放电时负极附近溶液的碱性不变
D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动
状元随笔 二次电池，放电时是原电池、充电时是电解池，要看清题目中充电和放电过程的方向。放电时，电极是正、负极，充电时两电极是阴、阳极。
[提升1] 用氟硼酸(HBF4，属于强酸)溶液代替硫酸溶液做铅蓄电池的电解质溶液，可使铅蓄电池在低温下工作时的性能更优良，反应的化学方程式为Pb＋PbO2＋4HBF42Pd(BF4)2＋2H2O，Pb(BF4)2为可溶于水的强电解质，下列说法中正确的是( )
A．放电时，负极反应为＋2H2O
B．充电时，当正极质量减少23.9 g时转移0.2 ml电子
C．放电时，PbO2电极附近溶液的pH增大
D．充电时，Pb电极的电极反应式为
PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2＋＋2H2O
状元随笔 二次电池充电时电极反应式的书写及正误判断是该类题的难点，二次电池的充电和放
电过程中，同一个电极的电极反应互为“逆反应”，故可以先按照原电池原理写出该极的电极反应式，然后物质颠倒，得失电子相反即可。
关键能力
解答二次电池相关问题的方法
在解答二次电池类题时，若给出电池总反应，相关问题的分析可按如下方法进行。
1．电极极性及两极反应物的判断：首先根据放电总反应式标出电子转移的方向和数目，则放电时失去电子的物质为负极反应物，其所在电极为负极，得到电子的物质为正极反应物，其所在电极为正极；然后根据充电反应是放电反应的逆过程，可判断充电时的阳极(阴极)即为放电时的正极(负极)。
2．电极反应的书写：根据放电总反应写出放电时正、负极的电极反应；正、负极电极反应的逆过程即为充电时的阳、阴极电极反应。
3．溶液中离子移动方向：放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极；充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。
4．pH变化规律：消耗OH－(H＋)的电极周围，溶液的pH减小(增大)，生成OH－(H＋)的电极周围，溶液的pH增大(减小)。若总反应消耗OH－(H＋)，则电解质溶液的pH减小(增大)；若总反应生成OH－(H＋)，则电解质溶液的pH增大(减小)；若总反应既不消耗也不生成OH－(H＋)，则电解质溶液的pH变化情况由溶液的酸碱性及是否有水生成而定。
状元随笔 电池在充电时，正极接电源正极，负极接电源负极，即“正接正，负接负”。
提升点二 燃料电池
例2. 甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是( )
A．负极反应为＋7H2O
B．正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．随着不断放电，电解质溶液的碱性不变
D．甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷直接燃烧的能量利用率大
状元随笔 燃料电池中通燃料的一极为负极，书写电极反应时，要考虑电解质溶液的酸碱性。
[提升2] 以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池的结构示意图如图所示。下列关于该电池的叙述不正确的是( )
A．该电池能够在高温下工作
B．电池的负极反应为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋
C．放电过程中，质子(H＋)从负极区向正极区迁移
D．在电池反应中，每消耗1 ml氧气，理论上能生成标准状况下22.4 L CO2气体
状元随笔 微生物在高温下变性失活，故微生物电池不宜在高温下工作。
关键能力
(1)明确燃料电池的正负极均为惰性电极，一般具有很强的催化活性，但不参与反应。
(2)正极反应的书写
正极发生还原反应，通入的气体一般是氧气，氧气得到电子首先变为O2－，即O2＋4e－===2O2－，根据电解质的不同，其正极反应的书写分以下几种情况：
①在酸性溶液中，生成的O2－与H＋结合生成水，其电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O。
②在碱性及中性溶液中，O2－与水结合生成OH－，其电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。
③在熔融碳酸盐中，O2－与不能结合，只能与CO2结合生成，其电极反应为。
注意：燃料电池的正极反应本质都是O2＋4e－===2O2－，在不同电解质环境中，其正极反应的书写形式有所不同。因此在书写正极反应时，要特别注意所给电解质的状态和电解质溶液的酸碱性。
(3)负极反应的书写
燃料电池的负极通入的一定是燃料。若负极通入含碳的化合物，如CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为＋4价碳的化合物，其中在酸性溶液及熔融碳酸盐中生成CO2，在碱性溶液中生成；若负极通入含有氢元素的化合物，则最终都有H2O生成。
燃料电池的总反应－正极反应＝负极反应，注意将两个反应相减时，要消去正极的反应物O2。
当堂评价——夯实·测控·演练
1.如图为氢氧燃料电池的原理示意图，下列叙述不正确的是( )
A.a电极是负极
B．b电极的电极反应为
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储存在电池内的新型发电装置
2．生产铅蓄电池时，在两极板铅、锑合金上均匀涂上膏状的，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应为2PbSO4(s)＋2H2O(l)PbO2(s)＋Pb(s)＋2H2SO4(aq)。下列对铅蓄电池的说法中错误的是( )
A．铅蓄电池比能量大于锂电池
B．工作时铅是负极，PbO2是正极
C．工作时负极上发生的反应为
(aq)－2e－===PbSO4(s)
D．放电时电解质溶液的密度减小
3．某课题组以纳米Fe2O3作为电极材料制备锂离子电池(另一极为金属锂和石墨的复合材料)，通过在室温条件下对锂离子电池进行循环充放电，成功地实现了对磁性的可逆调控(如下图)。下列说法中正确的是( )
A．放电时，正极的电极反应式为
Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O
B．该电池可以用水溶液做电解质溶液
C．放电时，Fe做电池的负极，Fe2O3做电池的正极
D．充电时，电池被磁铁吸引
4．生物燃料电池(BFC)是以有机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特殊的燃料电池，其能量转化率高，是一种真正意义上的绿色电池，其工作原理如下图所示。已知C1极的电极反应式为：
C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋
下列说法不正确的是( )
A．C1极为电池负极，C2极为电池正极
B．C2极的电极反应式为
O2＋4H＋＋4e－===2H2O
C．该生物燃料电池的总反应式为
C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O
D．电子由C2极经外电路导线流向C1极
5．LED产品由于具有节能、寿命长的特点，越来越受到人们的欢迎。如图所示是氢氧燃料电池驱动LED发光的装置。
①a处通入的气体是氢气，b处通入的气体是氧气
②该装置中只涉及两种形式的能量转化
③电池正极的电极反应为
O2＋2H2O＋4e－===4OH－
④P型半导体连接的是电池负极
上述说法中正确的是( )
A．①② B．①③
C．③④ D．②④
6．新型NaBH4/H2O2燃料电池(DBFC)的结构如下图所示，该电池总反应式为＋6H2O，下列有关的说法中不正确的是( )
A．电极b为正极
B．放电过程中，Na＋从正极区向负极区迁移
C．电池负极的电极反应为
＋6H2O
D．在电池反应中，每消耗1 L 6 ml/L H2O2溶液，理论上流过电路中的电子为12NA
7．微型纽扣电池在现代生活中有广泛应用。有一种银锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，电极反应为Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O，Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag＋2OH－
根据上述反应式，完成下列填空：
(1)下列叙述正确的是________。
A．在使用过程中，电解质溶液中的KOH被不断消耗，pH减小
B．使用过程中，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极
C．Zn是负极，Ag2O是正极
D．Zn电极发生还原反应，Ag2O电极发生氧化反应
(2)写出电池的总反应式：_____________________________。
(3)使用时，负极区的pH________(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，正极区的pH________，电解质溶液的pH________。
8．请仔细观察下列四种装置的构造示意图，完成下列问题。
(1)碱性锌锰电池的总反应式为Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2，则负极的电极反应式为________________________。
(2)碱性锌锰电池比普通锌锰电池(干电池)性能好，放电电流大。试从影响反应速率的因素分析其原因是____________________
________________________________________________________________________。
(3)铅蓄电池放电过程中，硫酸溶液浓度________(填“变大”“变小”或“不变”)，充电时阴极的电极反应式为_____________________________。
(4)锌银纽扣电池在工作过程中________(填物质名称)被还原。
9．(1)现有反应2H2＋O2KOH2H2O，要构成燃料电池，则负极通入的应是________，正极通入的应是________，电极反应式分别为___________________________、
____________________________。
(2)如把KOH溶液改为稀硫酸做电解液，则电极反应式分别为__________________________________、
________________________。
(3)上述(1)和(2)的电解液不同，反应进行后，(1)中溶液pH变____________(填“大”或“小”，下同)，(2)中溶液pH变____________。
(4)如把H2改为甲烷，KOH溶液做电解液，则电极反应式分别为________________________________________、
______________________。
练后感悟
电极反应式书写的三个步骤
1．列物质标得失
按照负极发生氧化反应，正极发生还原反应，判断出电极反应物和产物，找出得失电子的数量。
2．看环境配守恒
电极产物在电解质溶液的环境中，应能稳定存在，如碱性介质中生成的H＋应让其结合OH－生成水。电极反应式要遵守电荷守恒和质量守恒、得失电子守恒等，并加以配平。
3．两式加验总式
两电极反应式相加，与总反应离子方程式对照验证。
第2课时 化学电源
学业基础
新知预习
一、
1．化学 电
2．一次 二次 燃料
二、
1．(1)MnO2 Zn KOH
(2)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2 2MnO2＋2e－＋2H2O===2MnO(OH)＋2OH－ Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO(OH)＋Zn(OH)2
2．(1)PbO2 Pb 稀H2SO4溶液 (2)Pb－2e－＋S===PbSO4 PbO2＋2e－＋4H＋＋S===PbSO4＋2H2O PbSO4＋2e－===Pb＋S PbSO4－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋＋S
3．(2)2H2＋4OH－－4e－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－
三、
1．(1)较高 (2)大小 容量 电压
2．(1)电能 (2)功率 (3)长短
3．重金属
即学即练
1．答案：(1)× (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)√
2．解析：一次电池中电解质溶液为胶状，无法流动，故也叫做干电池，干电池中发生氧化还原反应的活性物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了，①正确；二次电池放电后可以再充电使活性物质获得再生，②正确；部分电池(如太阳能电池)不是依据原电池的原理制造的，③错误；化学电源可以制成各种形状、大小不同的电池，④正确；比能量与比功率越大，则电池单位质量或单位体积所能输出的电能越大或者输出功率越大，比能量与比功率是判断电池优劣的主要标准，⑤正确。
答案：B
3．解析：一次电池是放电后不能再充电使其复原的电池，如酸性锌锰干电池、碱性锌锰干电池等；可充电电池又称二次电池或蓄电池，放电后可通过充电的方式使电池内的活性物质再生而继续使用的电池，如铅蓄电池、锂离子电池等，A、B项错误；燃料电池除将化学能转化为电能外，还有一部分转化为热能，能量转化率小于100%，C项错误；电池中含有的汞、镉、锰等重金属会污染土壤和水源，需要集中处理，D项正确。
答案：D
4．解析：放电时装置为原电池，正极反应物PbO2得电子被还原成Pb2＋ ，Pb2＋与电解质溶液中的S反应生成PbSO4，即正极的电极反应式为PbO2＋4H＋＋S＋2e－===PbSO4＋2H2O。放电过程中消耗H2SO4，所以电解质溶液中硫酸的浓度减小。根据负极的电极反应式Pb＋S－2e－===PbSO4可知，当外电路中通过0.5 ml电子时，理论上有0.25 ml Pb转化为PbSO4，则负极板上增加了0.25 mlS，即负极板质量增加24 g。
答案：PbO2＋4H＋＋S＋2e－===PbSO4＋2H2O 减小 24
5．答案：(1)CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋
(2)CH4＋10OH－－8e－===C＋7H2O
(3)CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O
(4)CH4＋4C－8e－===5CO2＋2H2O
核心素养
例1 解析：充电时，阳极上电极反应式为Ni(OH)2＋OH－－e－===NiO(OH)＋H2O，故A正确；充电时，电能转化为化学能，故B错误；放电时，负极上电极反应式为Cd－2e－＋2OH－===Cd(OH)2，所以溶液的碱性减弱，故C错误；放电时，电解质溶液中OH－向负极移动，故D错误。
答案：A
提升1 解析：放电时，负极反应为Pb－2e－===Pb2＋，A项错误；充电时，Pb2＋－2e－＋2H2O===PbO2＋4H＋，当正极质量增加23.9 g时转移0.2 ml电子，B项错误；放电时，PbO2＋4H＋＋2e－===Pb2＋＋2H2O，PbO2电极附近溶液的pH增大，C项正确；充电时，Pb电极的电极反应式为Pb2＋＋2e－===Pb，D项错误。
答案：C
例2 解析：因甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池反应是CH4＋2OH－＋2O2===C＋3H2O。从总反应可以看出，反应消耗OH－，故电解质溶液的碱性减弱，C项错误。在KOH溶液中，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，通入甲烷的一极为负极，其电极反应为CH4＋10OH－－8e－===C＋7H2O，A、B项均正确。根据能量转化规律，甲烷燃烧时产生的热能不可能全部转化为功，能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大很多，D项正确。
答案：C
提升2 解析：微生物的主要成分是蛋白质，高温条件下蛋白质失去生理活性，电池不能工作，A错误；根据题给装置可知，负极上C6H12O6在酸性条件下发生氧化反应生成CO2，电极反应式为C6H12O6＋6H2O－24e－===6CO2↑＋24H＋，B正确；原电池中阳离子移向正极，即放电过程中，质子(H＋)从负极区向正极区迁移，C正确；根据电池反应C6H12O6＋6O2===6CO2＋6H2O可知，每消耗1 ml氧气，理论上能生成标准状况下22. 4 L CO2气体，D正确。
答案：A
当堂评价
1．解析：从题图中可看出，a电极处通入的是H2，b电极处通入的是O2，该电池的总反应是2H2＋O2===2H2O，故a电极处H2失电子被氧化，a电极为负极，A项正确；b电极为正极，电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，B项错误；氢氧燃料电池的反应产物是水，环保无污染，是一种具有应用前景的绿色电源，C项正确；氢氧燃料电池的还原剂和氧化剂可在需要时通入，D项正确。
答案：B
2．解析：锂的摩尔质量较小，相对于铅蓄电池，锂电池的比能量更高，故A错误。
答案：A
3．解析：由电池的示意图可知，电池放电的反应物为氧化铁和单质锂，生成物为单质铁和氧化锂，所以放电的总反应为Fe2O3＋6Li===2Fe＋3Li2O，则电池的负极为单质锂，所以负极反应为6Li－6e－===6Li＋，总反应减去负极反应得到正极反应：Fe2O3＋6Li＋＋6e－===2Fe＋3Li2O，A项正确；因为单质锂可以与水反应(类似金属钠)，所以电解质溶液不能是水溶液，B项错误；放电时，Li做电池的负极，Fe2O3做电池的正极，C项错误；从图中明显看到充电时(向左反应)，电池会远离磁铁，实际上是因为，充电时电池中的单质铁转化为氧化铁，不能被磁铁吸引，D项错误。
答案：A
4．解析：据题意可知，C1极失去电子，作该燃料电池的负极，C2极作电池的正极，故A项正确；由于电解质溶液是稀硫酸，因此C2极的电极反应式为：O2＋4H＋＋4e－===2H2O，由此可得，电池总反应式为：C2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2O，故B、C项均正确；电子是由负极(C1极)经外电路流向正极(C2极)的，故D项错误。
答案：D
5．解析：由电子流向可知，a为负极，b为正极，负极上发生氧化反应，通入的是氢气，正极上发生还原反应，通入的是氧气，故①正确；该装置中涉及的能量转化形式有化学能转化为电能，电能转化为光能和热能，故②错误；a为负极，电极反应为H2－2e－＋2OH－===2H2O，b为正极，电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故③正确；P型半导体连接的是电池正极，故④错误。
答案：B
6．解析：A项，电极b上H2O2得电子转化为OH－，故电极b为正极；B项，放电过程中阳离子从负极移向正极；C项，负极上B失电子转化为B；D项，根据H2O2＋2e－===2OH－可知，每消耗1 L 6 ml/L H2O2溶液，转移的电子数为12NA。
答案：B
7．解析：(1)在使用过程中，负极消耗OH－，pH减小，正极生成OH－，pH增大，电解质溶液中KOH的量不变，pH不变，A项错；电子流向是由Zn极经外电路流向Ag2O极，B项错；Zn为负极，发生氧化反应，Ag2O为正极，发生还原反应，C项对，D项错。
(2)将正负两极反应式相加可得总反应式。
答案：(1)C
(2)Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag
(3)减小 增大 不变
8．答案：(1)Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
(2)碱性锌锰电池用锌粉代替原锌锰电池的锌筒，增大了反应物的接触面积，加快了反应速率，故放电电流大
(3)变小 PbSO4＋2e－===Pb＋ (4)氧化银
9．答案：(1)H2 O2 负极：2H2＋4OH－－4e－===4H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
(2)负极：2H2－4e－===4H＋ 正极：O2＋4H＋＋4e－===2H2O
(3)小 大 (4)负极：CH4＋10OH－－8e－===C＋7H2O 正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－