知识讲解_发展中的化学电源_提高
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知识讲解_发展中的化学电源_提高

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资料简介
1 发展中的化学电源 【学习目标】 1、认识几种化学电源; 2、了解开发利用新型电池的意义; 3、了解使用化学电池对环境的影响。 【要点梳理】 要点一、常见的几种化学电源  【高清课堂:化学能与电能(二)—发展中的化学电源 ID:370201#各类电池】 1、实用电池应具有的特点是:   能产生稳定且具有较高电压的电流;安全、耐用且便于携带;能够适用于特殊用途;便于回收处理,不污染 环境或对环境产生的影响较小。   2、常用原电池   (1)干电池   干电池即普通的锌锰电池,它是用锌制的圆筒形外壳作负极,位于中央的盖有铜帽的石墨棒作正极,圆筒内 填充 ZnCl2、NH4Cl 和淀粉糊作电解质,还填有 MnO2 作去极化剂(吸收正极放出的 H2,防止产生极化现象)。 电极反应:   负极:Zn=Zn2++2e-    正极:2NH4++2e-=2NH3+H2,H2+2MnO2=Mn2O3+H2O   正极产生的 NH3 又和 ZnCl2 作用:Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+    淀粉糊的作用:提高阴、阳离子在两个电极间的迁移速度。   电池总反应式为:2Zn+4NH4Cl+4MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+2Mn2O3+2H2O   干电池的电压通常约为 1.5V,携带方便,但放完电后不能再用,污染较严重。   (2)充电电池 要点诠释:充电电池又称二次电池,它在放电时所进行的是氧化还原反应,在充电时可以逆向进行(一般通 过充电器将交流电转变为直流电进行充电),使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能(放 电)、再由电能转变为化学能(充电)的循环。   ①铅蓄电池   铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳,在正极板上附着一层棕褐色 PbO2,负极板上是海绵状金 属铅,两极均浸在密度为 1.28g·cm-3、浓度为 30%的硫酸溶液中,且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 放电电极反应: 负极:Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s); 正极:PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=PbSO4(s)+2H2O(l) 充电电极反应: 阳极:PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq); 阴极:PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq) 电池总反应式: Pb (s)+ PbO2(s) +2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) +2H2O(l)    铅蓄电池的优点:电动势高,电压稳定,使用范围宽,原料丰富,价格便宜。 缺点:笨重,防震性差,易溢出酸液,维护不便,携带不便等。 ②银锌蓄电池   银锌蓄电池是形似干电池的充电电池,其负极为锌,正极为附着 Ag2O 的银,电解液为 40%的 KOH 溶液。 电极反应:  放电 充电2 放电电极反应: 负极:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2 正极:Ag2O+2e-+ H2O=2Ag +2OH- 充电电极反应: 阳极:2Ag +2OH--2e-= Ag2O+ H2O; 阴极:Zn(OH)2+2e-= Zn+2OH- 电池总反应式: Zn + Ag2O + H2O Zn(OH)2+2Ag       ③锂电池   元素周期表中 IA 族的锂(Li)——最轻的金属,也是活动性极强的金属,是制造电池的理想物质。锂 电池是新一代可充电的绿色电池,已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电 源。 电极反应为: 负极:Li-e- =Li+ 正极:MnO2+Li+ +e- =LiMnO2 总反应:Li+MnO2=LiMnO2 (3)燃料电池 ①氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池,主要用于航天领域。它的电极材料一般为惰性电极,但具有很 强的催化活性,如铂电极、活性炭电极等。电解质溶液为 40%的 KOH 溶液。电极反应式为:   负极:2H2+4OH-=4H2O+4e-,   正极:O2+2H2O+4e-=4OH-    电池的总反应式为:2H2+O2=2H2O   ②甲烷氧燃料电池   该电池用金属铂片插入 KOH 溶液中作电极,又在两极上分别通甲烷和氧气。电极反应式为:   负极:CH4+10OH-=CO32-+7H2O+8e-    正极:2O2+4H2O+8e-=8OH-   电池总反应式:CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O 要点诠释: a.燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应,可以利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂(如 O2)反应所放出的 热能直接转变为电能。 b.燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。 c.燃料电池如果以氢气为燃料时,产物为水;以甲烷为燃料时,产物为水和二氧化碳, d.燃料电池与干电池和蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部,而是用外加的设备,源源不断地 提供燃料和氧化剂,使反应能连续进行。 (4)海水电池 1991 年,我国首创以铝-空气-海水为能源的新型电池,用作航海标志灯的电源。该电池以取之不尽的海 水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。电极反应式为:   负极:4Al=4Al3++12e-    正极:3O2+6H2O+12e-=12OH-    这种海水电池的能量比干电池高 20~50 倍。  放电 充电3   (5)发展中的化学电源   当今发展新型化学电源,不仅要在其高比能量、高比容量、长寿命方面取得长足的进步,而且更重要的是向 “绿色电池”方向发展。除了前面介绍的锂电池、燃料电池外,还有可充式镍氢电池,它的化学成分主要由镍和 稀土组成,不含汞,无污染,是“绿色电池”的佼佼者。它可连续充放电 500 次,每次充放电成本低,而且减少 了对环境的汞污染。 要点二、废旧电池的问题   1、废旧电池的主要危害 我们日常所用的普通干电池,主要有酸性锌锰电池和碱性锌锰电池两类,它们都含有汞、锰、镉、铅、锌等。 重金属对环境造成严重污染,威胁着人类的健康。 金属种类 危害的表现 锰 过量的锰蓄积于体内引起神经性功能障碍,早期表现为综合性功能紊乱。较重者出现两腿发沉,语 言单调,表情呆板,感情冷漠,常伴有精神症状。 锌 锌盐能使蛋白质沉淀,对皮肤黏膜有刺激作用。当在水中浓度超过 10~50mg/L 时有致癌危险,可 能引起化学性肺炎。 铅 铅主要作用于神经系统、活血系统、消化系统和肝、肾等器官。能抑制血红蛋白的合成代谢,还能 直接作用于成熟红细胞,对婴幼儿影响甚大,它会导致儿童发育迟缓,慢性铅中毒可导致儿童智力 低下。 镍 镍粉溶解于血液,参加体内循环,有较强的毒性,能损害中枢神经系统,引起血管变异,严重者导 致癌症。 汞 汞是重金属污染物中最需注意的,对人的危害,确实不浅。长期以来,我国在生产干电池时,加入 了这种有毒的物质——汞或汞的化合物,其碱性干电池中汞的含量达到 1%~5%,中性干电池为 0.025%。汞具有明显的神经毒性,此外对内分泌系统、免疫系统等也有不良的影响。1953 年,发 生在日本九州岛的震惊世界的水俣病事件,给人类敲响了汞污染的警钟。 镉 镉是人体不需要的元素,人体中的镉是出生后从外界环境经呼吸道和消化道摄取而蓄积的。慢性中 毒的临床表现为肺气肿、骨质改变和贫血。日本发现某些地区由于长期食用被污染的、含镉量很高 的米和水而发生疼痛病(骨痛病),主要病变为骨软化,疼痛始于下肢,后遍及全身至卧床不起。 2、废旧电池的回收利用 干电池中有 Zn、Cu、C、MnO2、ZnCl2、NH4Cl、炭黑、石墨等单质和化合物。通过一系列的基本操作,可 回收上述物质,用以补充部分化学实验的试剂。 Zn——用剪刀除去废电池外皮,洗净后剪碎晾干,即得锌片,可用于实验室制 H2。如想得到锌粒,可将锌 片放入铁坩埚中加强热使之熔化(Zn 熔点 410.6℃),熔化时会有少量 ZnO 白烟生成,熔化后除去浮渣,倒出冷 却。依上法再熔化一次,倒在铁板上,在其凝固过程中将其割碎,即得锌粒。 铜片——把废旧电池上的铜帽取下砸扁,用煮沸的稀 H2SO4 洗涤,用水洗净晾干,得紫红色铜片。 碳棒——从废旧电池中取出,洗净即可,可用于电解池的电极。 氯化铵——洗涤干电池中黑色糊状物时,其不溶于水的物质基本是 MnO2,氯化铵则溶于水中,将溶液过滤 得澄清溶液,加热、蒸发、浓缩、结晶,即得氯化铵晶体。 【典型例题】 类型一:常见的几种化学电源 例 1、燃烧电池是利用燃烧(如 H2、CO、CH4 等)跟氧气或空气反应,将化学能转化为电能的装置。电解 质溶液是强碱溶液。下列关于甲烷的燃料电池说法中正确的为( )   A.负极反应:O2+2H2O+4e-=4OH-   B.负极反应:CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O   C.随着放电进行,溶液的 OH-浓度增大   D.放电时溶液中的阴离子向负极移动 【答案】BD 4 【解析】负极应该发生氧化反应,所以 A 错误,B 正确;反应消耗 OH-,所以 OH-浓度减小,C 错误,放电 时,负极发生氧化反应失电子,生成的离子带正电,所以吸引溶液中的阴离子向负极移动。  举一反三: 【变式 1】(2015 北京海淀检测)将氢气、甲烷、乙醇等物质在氧气中燃烧时的化学能直接转化为电能的装置 叫燃料电池。燃料电池的基本组成为电极、电解质、燃料和氧化剂。此种电池能量利用率可高达 80%(一般柴 油发电机只有 40%左右),产生污染物也少。下列有关燃料电池的说法,错误的是( ) A.上述燃料电池的负极反应材料是氢气、甲烷、乙醇等物质 B.氢氧燃料电池常用于航天飞行器,原因之一是该电池的产物为水,经过处理之后可供宇航员使用 C.乙醇燃料电池的电解质常用 KOH,该电池负极反应为 C2H5OH-12e-=2CO2↑+3H2O D.以 KOH 溶液作为电解质溶液,甲烷燃料电池正极反应为 O2+2H2O+4e-=4OH- 【答案】C 【解析】电解质 KOH 会与二氧化碳反应生成碳酸钾和水,该电池负极应反应式应为: C2H5OH-12e-+16OH-=2CO32-↑+11H2O 例 2、(2015 四中同步)生产铅蓄电池时,在两极板上的铅锑合金上均匀涂上膏状的 PbSO4,干燥后再安装, 充电后即可使用,发生的反应是:2PbSO4+2H2O PbO2+Pb+2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法中错误的是( ) A.需要定期补充硫酸 B.工作时 Pb 是负极,PbO2 是正极 c.工作时负极上发生的反应是 Pb-2e-+SO42-==PbSO4 D.工作时电解质溶液的密度减小 【答案】A 【解析】铅蓄电池在工作时相当于原电池,发生氧化反应的物质是负极,发生还原反应的物质是正极,所以 Pb 是负极,PbO2 是正极;在工作时,负极发生的反应是 Pb 失去电子生成 Pb2+,而 Pb2+又与溶液中的 SO42-生成 PbSO4 沉淀;放电时消耗硫酸的量与充电时生成硫酸的量相等,说明 H2SO4 不用补充;工作时(即放电时),H2SO4 被消耗,溶液中 H2SO4 的物质的越浓度减小,所以溶液的密度也随之减小。 类型二:废旧电池的问题 例 3、随着人们生活质量的不断提高,废电池必须进行集中处理的问题被提到议事日程,其首要原因是(  ) A.利用电池外壳的金属材料 B.防止电池中汞、镉和铅等重金属离子对土壤和水源的污染 C.防止电池中渗漏的电解液腐蚀其他物品 D.回收其中的石墨电极 【答案】B 【解析】主要原因是对环境的污染,尤其是重金属带来的污染。这也体现了社会物质文明的发展、精神文明 的进步、政府对人民的人文关怀。 【总结升华】注意重金属的污染和回收利用。 举一反三: 【变式 1】废旧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,他的以下想法中你认为不正确的是( ) A.把锌皮取下洗净用于实验室制取氢气 B.把碳棒取下洗净用作电极 C.把铜帽取下洗净回收利用 D.将废电池中的黑色糊状物用作化肥 【答案】D 【解析】电池内部填有氯化铵、MnO2 等化学物质,将废电池中的黑色糊状物用作化肥会对环境造成严重污 充电 放电5 染。 【变式 2】(2016 山东兰陵)关于化学电源的叙述,错误的是 A.化学电源均是根据原电池的工作原理设计的 B.在干电池中,碳棒只起导电作用,并不参加化学反应 C.镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉的资源有限,价格昂贵 D.燃料电池是一种高效、环保的新型化学电源 【答案】C 【解析】镍镉电池不能随意丢弃的主要原因是镍、镉属于重金属,会对环境造成严重的污染。6 【巩固练习】 一、选择题(每题只有一个选项符合题意)   1.(2015 北京七中)下列对化学电源的叙述,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 2.电池是人类生产和生活中的重要能量来源,各式各样电池的发明是化学对人类的一项重大贡献。下列有 关电池的叙述正确的是(  ) A.锌锰干电池工作一段时间后碳棒变细 B.氢氧燃料电池可将热能直接转变为电能 C.氢氧燃料电池工作时氢气在负极被氧化 D.太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅 3.下列说法中正确的是(  ) ①燃料电池的反应物可不储存在电池的内部 ②锌锰干电池是一次电池,铅蓄电池是二次电池 ③锂电池是新一代可充电电池 ④燃料电池作为汽车驱动能源已研发成功 A.②③④   B.①②③④ C.①②③ D.①③④ 4.我国首创的海洋电池以铝板为负极,铂网为正极,海水为电解质溶液,空气中的氧气与铝反应产生电流, 电池总反应:4Al+3O2+6H2O===4Al(OH)3。下列说法不正确的是(  ) A.正极反应式:2H2O+O2+4e-===4OH- B.电池工作时,电流由铝电极沿导线流向铂电极 C.以网状的铂为正极,可增大与氧气的接触面积 D.该电池通常只需要更换铝板就可继续使用 5.2016 山东滨州)如图是市场上常见的两种燃料电池示意图。 下列有关电池电极 a、b、c、d 的叙述正确的是( ) A.电极 a 为正极,电极反应产物为 H2O B.电极 b 为正极,电极反应产物为 H2O C.电极 c 为正极,电极反应产物为 H2O D.电极 d 为正极,电极反应产物为 H2O 6.研究人员研制出一种锂水电池,可作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料,以 LiOH 为电解质,使用时加入水即可放电。关于该电池的下列说法不正确的是( ) A.水既是氧化剂又是溶剂 B.放电时正极上有氢气生成 C.放电时 OH-向正极移动 D.总反应为:2Li+2H2O=2LiOH+H2↑7 7.有人设计出利用 CH4 和 O2 反应,用铂电极在 KOH 溶液中构成原电池。电池的总反应类似于 CH4 在 O2 中 燃烧的反应,则下列说法中正确的是( ) ①每消耗 l mol CH4 可以向外电路提供 8 mol e- ②负极上 CH4 失去电子,电极反应式为 CH4+10OH--8e-==CO32-+7H2O ③负极上 O2 获得电子,电极反应式为 O2+2H2O+4e-==4OH- ④电池放电时,溶液 pH 不断升高 A.①② B.①③ C.①④ D.③④ 8.锂电池是新一代高能电池,目前已研究出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为 Li+ MnO2=LiMnO2。下 列说法中正确的是( ) A.Li 是正极,MnO2 是负极 B.放电时负极反应为 Li-e-=Li+ C.放电时正极反应为 MnO2-+e-= MnO2 D.放电时,产生高锰酸根离子 9.科学家近年来研制出一种新型细菌燃料电池,利用细菌将有机物转化为氢气,氢气进入以磷酸为电解质 的燃料电池发电,电池负极反应为(  ) A.H2+2OH-===2H2O+2e- B.O2+4H++4e-===2H2O C.H2===2H++2e- D.O2+2H2O+4e-===4OH- 10.汽车的启动电源常用铅蓄电池,放电时的电池反应如下:PbO2+Pb+2H2SO4===2PbSO4↓+2H2O,根据 此反应判断下列叙述中正确的是(  ) A.PbO2 是电池的负极 B.负极的电极反应式为: Pb+SO42--2e-===PbSO4↓ C.PbO2 得电子,被氧化 D.电池放电时,溶液酸性增强 二、填空题 1.(2016 西城质检)化学电池在通讯、交通及日常生活中有着广泛的应用。 (1)目前,常用的镍(Ni)镉(Cd)电池,其电池总反应式可以表示为: Cd+2NiO(OH)+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2 已知:Ni(OH)2 和 Cd(OH)2 均难溶于水,但能溶于酸,下列说法正确的是( ) ①以上反应是可逆反应 ②以上反应不是可逆反应 ③充电时化学能转变为电能 ④放电时化学能转变为电能 A.①③ B.②④ C.①④ D.②③ (2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物,有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使 用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重。这是因为_____________________________________________。 (3)另一种常用的电池是锂电池,由于它的比容量(单位质量电极材料所能转移的电量)特别大而广泛应用于心脏 起搏器,一般使用时间可长达十年,它的负极用金属锂制成,电池的总反应可表示为 Li+MnO2=LiMnO2。 试回答: 锂电池比容量特别大的原因是_________________________________________________。 锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制,为什么这种电池不能使用电解质的水溶液?请用化学方程式表示其 原因___________________________________________________。 2.航天技术中使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便和不污染环境等优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种, 它们放电时的电池反应总式都表示为:2H2+O2=2H2O。     酸 式 氢 氧 燃 料 电 池 的 电 解 质 是 酸 , 其 负 极 反 应 可 表 示 为 : 2H2-4e-=4H+ , 则 其 正 极 反 应 表 示 为 : ______________________;碱式氢氧燃料电池的电解质是碱,其正极反应式表示为:O2+2H2O+4e-=40H 一,   则其负极反应式可表示为:___________。8 3.现代社会对耗电量高的便携式电器需求越来越大。化学家又研制出新型封闭式体积小的充电电池——镍 镉电池。它以镉(Cd)为负极,NiO(OH)为正极,以 KOH 为电解质,其寿命比铅蓄电池长,广泛应用于收录机, 无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。 (1)试写出这种电池放电时正负极反应和总反应方程式; (2)废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物。有资料表示一节废镍隔电池可以使面积为 1 平方米的耕地 失去使用价值。对于酸性土壤尤为严重,这是因为 ________________________________________________________________________; (3)下图是废弃的镍镉电池的重金属渗入水体后,进入人体的一条途径: A→B→C→D→人 生物体 D 中重金属物质的量浓度__________(选填“大于”“小于”或“等于”)生物体 A 中重金属物质的量浓度。 这是通过食物链的富集作用引起的。除了上述途径外,被污染水体中重金属还可以直接通过__________________ 途径进入人体。9 【答案与解析】 一、选择题 1.A 2.C   【解析】锌锰干电池工作过程中不会消耗碳棒,所以碳棒不会变细;氢氧燃料电池是把化学能转化为电能; 太阳能电池的主要材料是硅,而不是二氧化硅。 3.B 4.B 【解析】该电池的负极反应式:4Al-12e-===4Al3+,正极反应式:6H2O+3O2+12e-===12OH-电池工作 时电子由负极(铝电极)流向正极(铂电极)。 5.C 【解析】本题考查电化学知识。两种电池的总反应均为 2H2+O2=2H2O,根据该反应中元素化合价的变化可知 空气中的氧气发生还原反应,在原电池的正极放电,故 B、D 均错。考虑到两种燃料电池的电解质,电极 a 的电极反 应式为 O2+4e-=2O2-,电极 c 的电极反应式应为 O2+4H++4e-=2H2O,故 A 错误、C 正确。 6.C 【解析】原电池放电时,OH-是向负极移动的,故 C 错。根据电池的名称锂水电池,可推测其总反应式为: 2Li+2H2O=2LiOH+H2↑。不难写出其电极反应式如下: 负极:2Li-2e-=2Li+ 正极:2H2O+2e-=2OH-+ H2↑ 结合选项分析 A、B、D 都是正确的。 7.A 【解析】CH4 在铂电极上发生类似于 CH4 在 O2 中燃烧的反应,即 CH4→CO2,严格地讲生成的 CO2 还与 KOH 溶液反应生成 K2CO3,化合价升高,失去电子,作电池的负极,电极反应式为 CH4+10OH--8e -==CO32- +7H2O,1 mol CH4 参加反应有 8 mol e-发生转移,O2 在正极上发生反应,获得电子,电极反应式为 O2+2H2O+4e -==4OH-。虽然正极产生 OH-,负极消耗 OH-,但从总反应 CH4+2O2+2KOH==K2CO3+3H2O 可看出反应消耗 了 KOH,所以电池放电时溶液的 pH 不断下降,故①②正确,③④错误。 8.B 【解析】Li 为负极,发生反应:Li-e-=Li+;MnO2 为正极,发生反应:MnO2+ e-= MnO2-。 9.C 【解析】燃料电池的负极是 H2 失电子,在酸性电解质中产生 H+,故 C 正确。 10.B 【解析】根据电极反应知铅失电子被氧化,铅作负极,PbO2 被还原作正极。放电过程中消耗了硫酸,溶液 的酸性减弱。 二、填空题 1.(1)B (2)酸能与电池放电后的产物反应 (3)Li 的相对原子质量较小 2Li+2H2O=2LiOH+H2↑ 2.O2+4H++4e-=2H2O, H2+2OH--2e- =2H2O 【解析】正极反应式加负极反应式等于总反应式,即在保证转移电子总数相等的前提下,用总反应式减去负 极反应式即得正极反应式。 3.(1)负极:Cd-2e-+2OH-===Cd(OH)2 正极:2NiO(OH)+2e-+2H2O===2Ni(OH)2+2OH- 总反应:Cd+2NiO(OH)+2H2O===Cd(OH)2+2Ni(OH)2 (2)Ni(OH)2、Cd(OH)2 溶于酸10 (3)大于 饮水 【解析】 (1)Cd 为负极,失去电子成为 Cd2+,电解质为 KOH,放电后,它与 Cd2+反应生成 Cd(OH)2。 NiO(OH)为正极,得到电子成为 Ni2+,放电后,与 KOH 反应生成 Ni(OH)2。 (2)Ni(OH)2、Cd(OH)2 难溶于水,但 Ni(OH)2、Cd(OH)2 易溶于酸生成 Cd2+和 Ni2+,造成严重污染。 (3)通过食物链的富集作用,生物体内重金属物质的量浓度按 A、B、C、D、人逐渐增大。

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