第四章化學(xué)反應(yīng)與電能高二化學(xué)精美課件（人教版2019選擇性必修1）

新教材第四章

化學(xué)反應(yīng)與電能整理與提升一、常見電極方程式的書寫甲烷(CH4)燃料電池電池類型導(dǎo)電介質(zhì)反應(yīng)式酸性燃料電池H＋總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

堿性燃料電池OH－總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

熔融碳酸鹽燃料電池CO32-總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

固態(tài)氧化物燃料電池O2－總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)甲醇(CH3OH)燃料電池電池類型導(dǎo)電介質(zhì)反應(yīng)式酸性燃料電池H＋總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

堿性燃料電池OH－總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

熔融碳酸鹽燃料電池CO總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

固態(tài)氧化物燃料電池O2－總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)肼(N2H4)燃料電池：肼分子可以在氧氣中燃燒生成氮氣和水電池類型導(dǎo)電介質(zhì)反應(yīng)式酸性燃料電池H＋總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

堿性燃料電池OH－總反應(yīng)

負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)鋰離子電池鈷酸鋰電池總反應(yīng)Li1－xCoO2＋LixC6LiCoO2＋C6(x＜1)負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

磷酸鐵鋰電池總反應(yīng)FePO4＋LiLiFePO4負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

錳酸鋰電池總反應(yīng)LixC6＋Li3-xNiCoMnO6C6＋Li3NiCoMnO6負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

鋰釩氧化物電池總反應(yīng)xLi＋LiV3O8===Li1＋xV3O8負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)

鋰－銅電池總反應(yīng)2Li＋Cu2O＋H2O=2Cu＋2Li＋＋2OH－負(fù)極反應(yīng)

正極反應(yīng)LixC6－xe－=xLi＋＋C6Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋=LiCoO2Li－e－=Li＋FePO4＋Li＋＋e－=LiFePO4LixC6－xe－=xLi＋＋C6Li3-xNiCoMnO6

＋xe－＋xLi＋=Li3NiCoMnO6xLi－xe－=xLi＋xLi＋＋LiV3O8＋xe－=Li1＋xV3O8Li－e－=Li＋Cu2O＋H2O＋2e－=2Cu＋2OH－高鐵電池高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通電池相比，該電池能較長時間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總反應(yīng)為：

3Zn＋2K2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。請回答下列問題：(1)放電時，正極發(fā)生________(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)，

則負(fù)極反應(yīng)式為_____________________________，

正極反應(yīng)式為_________________________________________(2)放電時，____(填“正”或“負(fù)”)極附近溶液的堿性增強還原3Zn－6e－＋6OH－=3Zn(OH)22FeO42—＋6e－＋8H2O=2Fe(OH)3＋10OH－正鎳氫電池用吸收H2后的稀土儲氫合金作為電池負(fù)極材料(用MH表示)，NiO(OH)作為電池正極材料，KOH溶液作為電解質(zhì)溶液，可制得高容量、長壽命的鎳氫電池。電池充放電時的總反應(yīng)為：NiO(OH)＋MH=Ni(OH)2＋M電池放電時，負(fù)極的電極反應(yīng)式為______________________，正極反應(yīng)式為___________________________MH－e－＋OH－=M＋H2ONiO(OH)＋H2O＋e－＋OH－=Ni(OH)2微生物燃料電池微生物燃料電池是指在微生物的作用下將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某微生物燃料電池的工作原理如圖所示。(1)該微生物燃料電池，負(fù)極為___(填“a”或“b”)，當(dāng)電路中有0.5mol電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，則有____mol的H＋通過質(zhì)子交換膜(2)該電池正極反應(yīng)式為：_________________________負(fù)極反應(yīng)式為：_____________________________a2O2＋8e－＋8H＋=4H2OHS－＋4H2O－8e－=SO42－＋9H＋二、鋰離子電池解題策略先介紹一下比較公認(rèn)的搖椅理論一、搖椅理論：鋰離子電池的充放電過程，就是Li＋的嵌入和脫嵌過程。簡單說，鋰離子電池就是依靠Li＋在正極和負(fù)極之間移動來實現(xiàn)充、放電的二次電池?！烹姇r則相反，負(fù)極Li＋濃度大，Li＋從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)向正極擴(kuò)散并嵌入正極。負(fù)極的電子同時釋放通過外電路，經(jīng)過用電器到達(dá)正極與Li＋復(fù)合。回正極的Li＋越多，流經(jīng)外電路的電子越多(放電越多)。1.反應(yīng)機(jī)理鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池?！潆姇r，在電場的驅(qū)動下Li＋從正極材料中脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)，嵌入到負(fù)極材料石墨的微孔中，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)。同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證兩極的電荷平衡，嵌入的Li＋越多，補償?shù)碾娮釉蕉?充電越多)。這種充放電時Li＋往返的嵌入和脫嵌過程好像搖椅一樣搖來搖去，故鋰離子電池又稱為“搖椅電池”。

一、搖椅理論：以鋰離子電池反應(yīng)為例：CoO2+LiC6

LiCoO2+C6負(fù)極：LiC6

－e－－Li＋=C6

正極：CoO2

+Li＋+e－=LiCoO2

放電：充電：陰極：C6

+

e－+Li＋

=LiC6陽極：LiCoO2-e－

=CoO2+Li＋可見，鋰離子電池工作原理是通過Li＋的定向移動(同時伴隨補償電荷的定向移動)實現(xiàn)的，并沒有發(fā)生氧化還原反應(yīng)①目前關(guān)于鋰離子電池工作機(jī)理的研究還不成熟，較公認(rèn)的上面的“搖椅理論”，但“搖椅理論”在解釋鋰離子電池的某些問題時十分棘手。②根據(jù)搖椅理論，鋰離子電池工作原理不是通過傳統(tǒng)氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，或者認(rèn)為并沒有發(fā)生氧化還原反應(yīng)，而是通過Li＋的定向移動(同時伴隨補償電荷的定向移動)實現(xiàn)的。放電時，負(fù)極失Li＋同時失電子，正極得Li＋同時得電子。一、搖椅理論：2.客觀局限二、成語說鋰電(一)寄人籬下：籬指電極材料。1.電極材料：由可以嵌入與脫嵌Li＋的物質(zhì)組成，當(dāng)成Li＋載體。①負(fù)極:主要使用能嵌入與脫嵌Li＋的碳素材料，如石墨石墨是層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，鋰離子可以嵌入到碳層的微孔中，寫作LiC6或LixC6。②正極:使用能嵌入與脫嵌Li＋的過渡金屬氧化物，如CoO2、MnO2。2.Li＋和電子寄居在在電極材料的空隙中，寄人籬下(二)貌合神離二、成語說鋰電Li＋和e－雖然都寄居在電極材料的空隙中，但e－并沒有被Li＋捕獲即沒有發(fā)生Li＋＋e－=Li過程如果發(fā)生將生成固體鋰，流動性很差那么，Li＋和e－都填充在哪里？Li＋填充在碳層之間沒問題，那么e－呢？當(dāng)充電時，隨著Li＋嵌入石墨中，補償?shù)膃－加入到大π鍵軌道的電子氣中。(三)分道揚鑣

殊途同歸二、成語說鋰電當(dāng)鋰離子電池開始工作時，負(fù)極Li＋濃度大，Li＋從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)(內(nèi)電路)向正極擴(kuò)散并嵌入正極。負(fù)極的電子同時釋放通過外電路嵌入正極，殊途同歸Li＋嵌入的Li＋和電子的也并未發(fā)生Li＋＋e－=Li過程，依舊貌合神離！(四)去偽存真二、成語說鋰電搖椅理論只是靜態(tài)的把兩極材料看成Li＋的載體或看作盛放Li＋的籠子Li＋化合價并沒有發(fā)生變化，不參與電極反應(yīng)，這只是對鋰離子電池工作原理簡單化或形象化的處理，實則不然。真正的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在正、負(fù)極材料之間Li＋只是通過定向的移動來傳遞電荷。(四)去偽存真二、成語說鋰電真正的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在正、負(fù)極材料之間①當(dāng)充電時，隨著Li＋嵌入石墨中，補償?shù)碾娮蛹尤腚娮託庵?，相?dāng)于石墨得電子，可以理解為碳的化合價發(fā)生變化，是碳元素發(fā)生還原反應(yīng)→Li＋只是為了平衡電荷參與電極反應(yīng)。電池放電、充電時，LixC6中的C6的實現(xiàn)C(－)C(0)的可逆変化②正極材料是由可嵌入與脫嵌Li＋的過渡金屬氧化物構(gòu)成，其晶格中含有空穴，可嵌入Li＋和電子，以CoO2為例，放電時，一個Li＋與一個電子同時嵌入CoO2

晶格形成LiCoO2，造成Co由+4價變?yōu)?3價，而Li＋價態(tài)不變，仍然以Li＋態(tài)存在于晶格中。電池放電、充電時，LiCoO2中的Co的實現(xiàn)→分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。Co(+4)

Co(+3)的可逆変化,分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。因此，兩極材料不僅是Li＋的載體，而是參與電極反應(yīng)，化合價發(fā)生變化?！玖?xí)題佐證】1、隨著各地“限牌”政策的推出，電動汽車成為汽車族的“新寵”。某電動汽車使用的是鈷酸鋰(LiCoO2)電池，其工作原理如圖所示，且電解質(zhì)為一種能傳導(dǎo)Li＋的高分子材料，隔膜只允許Li＋通過，電池反應(yīng)式為：LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2。下列說法不正確的是(

)A.放電時，正極鋰的化合價未發(fā)生改變B.充電時Li＋移動方向：右室→左室C.放電時負(fù)極的電極反應(yīng)式：LixC6－xe－=C6＋xLi＋D.充電時陽極的電極反應(yīng)式：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－=LiCoO2D2.我國科學(xué)工作者正在研發(fā)中的最具誘人前景的鋰離子電池——鎳錳酸鋰/鈦酸鋰電池具有充電時間短、續(xù)航時間長、輸出電壓高等優(yōu)點。該電池的正極材料為LiNiMnO4，負(fù)極材料為Li4Ti5O12，充電時的總反應(yīng)為LiNiMnO4+Li4Ti5O12Li1-xNiMnO4+Li4+xTi5O12(已知充、放電過程中Mn元素保持穩(wěn)定的+4價不變；Ni有兩種價態(tài)：+2、+4；Ti有兩種價態(tài)：+3、+4)。據(jù)以上信息判斷下列說法錯誤的是?(

)A.電池的隔膜為陽離子交換膜

B.充電時陽極材料中的Ni元素發(fā)生氧化反應(yīng)，Li+從陽極脫嵌出來

C.放電時負(fù)極的電極反應(yīng)可表示為Li4Ti5O12－xe-=Li4+xTi5O12－xLi+

D.1mol負(fù)極材料嵌入0.3molLi+時，有0.3mol的Ti元素被還原

C解析：根據(jù)充電時的總反應(yīng)及相關(guān)信息可知：充電時陽極的電極反應(yīng)式為LiNiMnO4-xe-=Li1-xNiMnO4+xLi+；陰極的電極反應(yīng)式為：Li4Ti5O12+xe-+xLi+=Li4+xTi5O12。則該電池的隔膜為陽離子交換膜，Li+自由通過，A、B項正確。放電時負(fù)極的電極反應(yīng)為Li4+xTi5O12－xe-=Li4Ti5O12+xLi+，C項錯誤。根據(jù)充電時陰、陽極上的反應(yīng)及得失電子守恒可知D項正確。三、解題策略對于電化學(xué)反應(yīng)，肯定存在氧化還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)、正極發(fā)生還原反應(yīng)肯定沒問題，但對于真正意義上的鋰離子電池，命題者一般會回避正、負(fù)電極上發(fā)生氧化、還原反應(yīng)的物質(zhì)，很多試題把正負(fù)極的材料當(dāng)成載體就可以得到正確答案，簡化處理即可。三、離子交換膜的分析與應(yīng)用電化學(xué)離子交換膜的分析與應(yīng)用類型一“單膜”電解池1.用電解法可提純粗KOH溶液(含硫酸鉀、碳酸鉀等)，其工作原理如圖所示。下列說法正確的是(

)A.電極f為陽極，電極e上H＋發(fā)生還原反應(yīng)B.電極e的電極反應(yīng)式為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑C.d處流進(jìn)粗KOH溶液，g處流出純KOH溶液D.b處每產(chǎn)生11.2L氣體，必有1molK＋穿過陽離子交換膜B2.將CO2轉(zhuǎn)化為C2H4的裝置如圖所示，使用的電極材料均為惰性電極。下列說法正確的是(

)A．a(chǎn)為電源的正極

B．每生成0.1mol乙烯，同時生成6.72LO2C．陰極反應(yīng)式為2CO2＋12H＋＋12e－=C2H4＋4H2OD．電解過程中，陽極區(qū)溶液中c(H＋)逐漸減小C電化學(xué)離子交換膜的分析與應(yīng)用類型一“單膜”電解池類型二“雙膜”電解池1.用電滲析法可將含硝酸鈉的廢水再生為硝酸和氫氧化鈉，其裝置如下圖所示。下列敘述不正確的是(

)A.膜a、膜c分別是陰離子交換膜、陽離子交換膜B.陽極室、陰極室的產(chǎn)品分別是氫氧化鈉、硝酸C.陽極的電極反應(yīng)式為2H2O－4e－=4H＋＋O2↑D.該裝置工作時，電路中每轉(zhuǎn)移0.2mol電子，

兩極共生成氣體3.36L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)B2.苯酚()具有微弱的酸性，可利用電場促使C6H5O－定向移動、脫離廢水，并富集回收。電滲析裝置示意圖如下。下列說法不正確的是(

)A.苯酚的電離方程式為

+

H＋B.A、B分別為離子交換膜，其中A是陰離子交換膜C.電解過程中，陽極室的pH增大D.當(dāng)通過線路中的電子數(shù)目為NA時，

有含0.1molC6H5O－的廢水被處理

C類型二“雙膜”電解池類型三“多膜”電解池1.為一元弱酸，已知H3BO3與足量NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式為H3BO3＋OH－=B(OH)4－，H3BO3可以通過電解的方法制備。其工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)。下列說法正確的是(

)A.當(dāng)電路中通過1mol電子時，可得到1molH3BO3B.將電源的正負(fù)極反接，工作原理不變C.陰極室的電極反應(yīng)式為2H2O－4e-=O2↑＋4H＋D.B(OH)4－穿過陰膜進(jìn)入陰極室，Na＋穿過陽膜進(jìn)入產(chǎn)品室A2.四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]常用作電子工業(yè)清洗劑，以四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]為原料，采用電滲析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如圖所示(a、b為石墨電板，c、d、e為離子交換膜)，下列說法正確的是(

)A.M為正極B.c、e均為陽離子交換膜C.b極電極反應(yīng)式：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋D.制備1mol(CH3)4NOH，

a、b兩極共產(chǎn)生0.5mol氣體B類型三“多膜”電解池類型三“多膜”電解池3.H3PO2可用電滲析法制備?！八氖译姖B析法”的工作原理如圖所示(陽膜和陰膜分別只允許陽離子、陰離子通過)，下列說法正確的是(

)A．產(chǎn)品室中的氫離子擴(kuò)散到陽極室中

B．陰極室中的鈉離