高中化學 《化學電源》課件3 新人教版選修4

第四章電化學基礎

第二節(jié)化學電源

電極材料電子流向反應類型組成負極正極電解質相對活潑的金屬流出電子氧化反應酸、堿或鹽的溶液相對不活潑的金屬（或能導電的非金屬）流入電子還原反應原電池的組成

鋰電池干電池小型高性能燃料電池

疊層電池“神六”用太陽能電池鈕扣電池手機電池攝像機專用電池筆記本電腦專用電池發(fā)明電池的故事

伏特是意大利帕維亞大學的研究電學的物理學家。有一天，伏特看了一位名叫加伐尼的解剖學家的一篇論文，說動物肌肉里貯存著電，可以用金屬接觸肌肉把電引出來?？戳诉@篇論文，伏特非常興奮，便決定親自來做這個實驗。他用許多只活青蛙反復實驗，終于發(fā)現(xiàn)，實際情況并不像加伐尼所說的那樣，而是兩種不同的金屬接觸產生的電流，才使蛙腿的肌肉充電而收縮。為了證明自己的發(fā)現(xiàn)是正確的，伏特決定更深入地了解電的來源。發(fā)明電池的故事一天，他拿出一塊錫片和一枚銀幣，把這兩種金屬放在自己的舌頭上，然后叫助手將金屬導線把它們連接起來，剎時，他感到滿嘴的酸味兒。接著，他將銀幣和錫片交換了位置，當助手將金屬導線接通的一瞬間，伏特感到滿嘴的咸味。這些實驗證明，兩種金屬在一定的條件下就能產生電流。伏特想，只要能把這種電流引出來，就能大有作用。伏特經過反復實驗，終于發(fā)明了被后人稱做“伏特電堆”的電池，這就是在銅板和鋅板中間夾上卡紙和用鹽水浸過的布片，一層一層堆起來的蓄電池。這種電池，今天仍然在使用著為了紀念他的貢獻，人們把電壓的計量單位叫做伏特，簡稱伏，符號V。比如我們手電筒里的電池的電壓是1.5伏特，我們家里的電燈的電壓是220伏特。

問題討論1、通過日常生活的學習，你知道哪些電池？其中哪些屬于化學電池？2、化學電池與其他能源相比有哪些優(yōu)點？3、判斷電池的優(yōu)劣標準主要是什么？4、目前化學電池主要分為哪幾大類？產生電能的基本原理是什么？各自有什么特點？？化學電源的分類類型一次電池二次電池燃料電池只能使用一次，不能充電復原繼續(xù)使用的化學電池酸（或堿）性鋅-錳干電池、銀-鋅紐扣電池、放電后能充電復原繼續(xù)使用的化學電池鉛蓄電池、鎳-鎘蓄電池、銀-鋅蓄電池將燃料燃燒的化學能直接轉變成電能的電池氫氧燃料電池、鋁-空氣燃料電池、熔融鹽燃料電池含義示例普通鋅錳電池堿性電池

鋰離子電池干電池（一次電池）鉛蓄電池鎳氫電池

鎳鎘電池（鉛蓄電池）

燃料電池

小型高性能燃料電池

（微型氫氧燃料電池）電池的優(yōu)點①能量轉化率較高②供能穩(wěn)定可靠③可以制成各種形狀和大小、不同容量的電壓的電池及電池組④使用方便，易于維護，并可在各種環(huán)境下工作衡量電池優(yōu)劣的指標:比能量：電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少，符號(W·h)/kg,(W·h)/L比功率：電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小，符號W/kg,W/L儲存時間：電池的可儲存時間的長短除特殊情況外，質量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，更適合使用者的需要。1、干電池(普通鋅錳電池）干電池用鋅制桶形外殼作負極，位于中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極，在石墨周圍填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作電解質溶液，還填充MnO2的黑色粉末吸收正極放出的H2，防止產生極化現(xiàn)象。電極總的反應式為：4NH4Cl+2Zn+2MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O(一)一次電池練：寫出鋅錳干電池的電極反應和總化學反應方程式。負極————————————————正極————————————————總反應———————————————通常我們可以通過干電池的外觀上的哪些變化判斷它已經不能正常供電了？_____________________________我們在使用干電池的過程中并沒有發(fā)現(xiàn)有氣體產生，請推測可能是干電池中的什么成分起了作用？Zn-2e-=Zn2+2NH4++2e-=2NH3+H2Zn+2NH4+=Zn2++2NH3+H2鋅筒變軟，電池表面變得不平整MnO2堿性鋅-錳干電池負極：正極：電池反應：電解質：KOH——Zn——MnO2Zn+2OH--2e-

=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］該電池的正負極材料和電解質．干電池負極:Zn－2e-＝Zn2＋

普通鋅錳干電池：（-）ZnZnCl2、NH4Cl（糊狀）石墨(ＭnO2)(+）

正極:2NH4+＋2e-＝2NH3↑＋H2↑

總電池反應方程式：2NH4Cl＋Zn＝ZnCl2＋2NH3↑＋H2↑

缺點：放電量小，放電過程中易氣漲或漏液

改進后堿性鋅錳電池的優(yōu)點：電流穩(wěn)定，放電容量、時間增大幾倍，不會氣漲或漏液。

二氧化錳的用途Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)22、迷你型電池

優(yōu)點：電壓高、穩(wěn)定，低污染。

用途：手表、相機、心率調節(jié)器

HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）3、鋰電池鋰電池：（-）Li（S）LiI（晶片）I2(+）

鋰亞硫酰氯電池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S負極：

；正極：

。用途：質輕、高能(比能量高)、高工作效率、高穩(wěn)定電壓、工作溫度寬、高使用壽命，廣泛應用于軍事和航空領域。8Li-8e-=8Li+3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池……鉛蓄電池1)正負極材料正極：PbO2負極：Pb2)工作機制電解質：H2SO4溶液鉛蓄電池為典型的可充電電池，其電極反應分為放電和充電兩個過程(二)二次電池放電過程總反應：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s)正極：PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=2PbSO4(s)+2H2O(l)

氧化反應

還原反應負極：①放電過程鉛蓄電池充電的反應則是上述反應的逆過程2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)①充電過程PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq)

還原反應陰極：陽極：2PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+H+(aq)+SO42-(aq)

氧化反應接電源負極接電源正極充電過程總反應：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)鉛蓄電池的充放電過程：放電充電3)優(yōu)缺點簡析缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境優(yōu)點：可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉其它二次電池鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池……2、銀鋅蓄電池

正極殼填充Ag2O和石墨，負極蓋填充鋅汞合金，電解質溶液KOH。反應式為：2Ag+Zn(OH)2

Zn+Ag2O+H2O

寫出電極反應式。充電放電1970-1975,開發(fā)了先進的銀鋅、鎳鎘電池技術。1975-1983,為美國海軍生產潛水艇用銀鋅電池。1979-1987,為美國國家能源部發(fā)展電動車用的鎳鋅電池。1998-1992,為美國海軍發(fā)展世界上最大的鎳鎘電池用于核潛水艇。銀-鋅蓄電池廣泛用作各種電子儀器的電源，它的充電和放電過程可以表示為：2Ag+Zn(OH)2Ag2O+Zn+H2O放電充電此電池放電時，負極上發(fā)生反應的物質是（）A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.ZnD電極反應：負極：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2

正極：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-3、鎘鎳電池NiO2+Cd+2H2ONi(OH)2+Cd(OH)2

放電充電負極材料：Cd；正極材料：涂有NiO2，電解質：KOH溶液。反應式如下：寫出電極反應式。

特點：比鉛蓄電池耐用，可密封反復使用。鎳—鎘可充電電池可發(fā)生如下反應：Cd+2NiO(OH)+2H2O由此可知，該電池的負極材料是Cd(OH)2+2Ni(OH)2放電充電A.Cd

（A

）B.

NiO(OH)

D.Ni(OH)2C.Cd(OH)2電極反應：負極：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2

正極：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-大有發(fā)展前景的燃料電池

燃料電池是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與氧氣或空氣進行電化學反應時釋放出來的化學能直接轉化成電能的一類原電池。目前燃料電池的能量轉化率可達近80%，約為火力發(fā)電的2倍。這是因為火力發(fā)電中放出的廢熱太多。燃料電池的噪聲及硫氧化物、氮氧化物等廢氣污染都接近零；燃料電池發(fā)明于19世紀30年代末，經反復試驗、改進，到20世紀60年代才開始進入實用階段。第一代燃料電池的

大致情況如下：

(三)燃料電池氫氧燃料電池ThisfuelcellwasusedtosupplyelectricityfortheApolloSpaceProgram燃料電池

優(yōu)點：能量轉化率高，可持續(xù)使用，對環(huán)境友好

用途：宇宙飛船，應用前景廣闊負極:2H2+4OH-－4e-＝4H2O正極:O2+2H2O＋4e-＝4OH-

總反應方程式：

2H2＋O2＝2H2O（-）Ni（多孔）KOH（溶液）NiO2(+）

燃料電池介質電池反應：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性負極正極中性負極

正極堿性負極正極2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-固體燃料電池介質電池反應：

2H2+Ｏ２=2H2O

負極正極負極

正極2H2-4e-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O航天技術上使用的一種電池，它具有高能、輕便、不污染環(huán)境等優(yōu)點。用Pt做電極，KOH溶液做電解液，因其反應與氫氧燃燒相似，故稱為氫氧燃燒電池。請寫出各電極的電極反應。氫氧燃料電池若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應Pt電極H2O2氫氧燃料電池模擬KOH將鉑絲插入KOH溶液作電極，然后向兩個電極上分別通入甲烷和氧氣，可以形成原電池，由于發(fā)生的反應類似于甲烷的燃燒，所以稱作燃料電池，根據(jù)兩極上反應的實質判斷，通入甲烷的一極為____，這一極的電極反應為___________________；通入氧氣的一極為_______，電極反應為__________________________________，總反應為__________________________。負極CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正極O2+4e-+2H2O=4OH-CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應書寫電極反應式應注意以下幾點：1．電極反應是一種離子反應，遵循書寫離子反應的所有規(guī)則（如“拆”、“平”）；3．負極失電子所得氧化產物和正極得電子所得還原產物，與溶液的酸堿性有關（如＋4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32－形式存在）；2．將兩極反應的電子得失數(shù)配平后，相加得到總反應，總反應減去一極反應即得到另一極反應；用途廣泛的電池用于“神六”的太陽能電池筆記本電腦專用電池手機專用電池攝像機專用電池各式各樣的紐扣電池

迅猛發(fā)展的綠色環(huán)保電池是指近年來研制、開發(fā)和已投入使用的高性能、無污染電池。金屬氫化物鎳電池與鎘鎳電池有相同的工作電壓(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合金儲氫材料作為負極活性物質，取代了致癌物質鎘，使其成為一種綠色環(huán)保電池。鋰離子蓄電池系由碳作負極，嵌鋰的金屬氧化物作正極和有機電解質構成，其工作電壓為36伏，因此一個鋰離子電池相當三個鎘鎳或金屬氫化物鎳電池?？沙潆妷A錳電池是在堿性鋅錳原電池基礎上發(fā)展起來的，由于應用了無汞化的鋅粉及新型添加劑，不僅保持了原電池的電流放電特性，而且能充電使用幾十次至幾百次。太陽能電池利用P—N結的光電效應，把太陽光能直接轉換成電能，滿足用戶需要。這種發(fā)電具有無需燃料、無污染、無噪聲、運行簡單可靠、減少維護、建設周期短等特點，已被空間和無常規(guī)能源的地域廣泛采用。綠色電池種種電池的發(fā)展方向光電池使用方便,特別是近年來微小型半導體逆變器迅速發(fā)展,促使其應用更加快捷.美,日,歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術發(fā)展計劃,開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩(wěn)定性,降低成本,不斷擴大產業(yè).目前已有80多個國家和地區(qū)形成商業(yè)化,半商業(yè)化生產能力,年均增長達16,市場開拓從空間轉向地面系統(tǒng)應用。減少污染節(jié)約資源課堂總結1、僅有一個電極材料參與反應的原電池：

負極：M-xe=Mx+

正極：析氫或吸氧或析出不活潑金屬2、兩個電極均參與反應的原電池（如蓄電池，紐扣電池）①電極材料：金屬為負極，金屬化合物為正極．②電子得失均由兩電極本身發(fā)生．③電極反應需考慮電解質溶液的參與．

3、電極材料本身均不參與反應的電池（燃料電池）①兩電極材料均為惰性電極．②負極－可燃性氣體失電子，正極－助燃性氣體得電子．③電極反應考慮電解質溶液．化學電源小結：電池化學電池太陽能電池原子能電池將化學能轉換成電能的裝置將太陽能轉換成電能的裝置將放射性同位素自然衰變時產生的熱能通過熱能轉換器轉變?yōu)殡娔艿难b置化學電池1)概念:將化學能變成電能的裝置2)分類:①一次電池又稱不可充電電池——如：干電池②二次電池又稱充電電池——蓄電池③燃料電池3)優(yōu)點:4)電池優(yōu)劣的判斷標準:①能量轉換效率高，供能穩(wěn)定可靠。②可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。③易維護，可在各種環(huán)境下工作。①比能量［符號(A·h/kg)，(A·h/L)］指電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少②比功率[符號是W/kg，W/L)]指電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大?、垭姵氐膬Υ鏁r間的長短一次電池普通鋅錳干電池：活性物質為NH4Cl和淀粉糊作電解質，還填有MnO2

和炭黑。電極反應式：負極：Zn-2e－＝Zn2+正極：2NH4++2e－+2MnO2＝Mn2O3+2NH3↑＋H2O總反應：Zn+2NH4++2MnO2＝Zn2++Mn2O3+2NH3↑＋H2O堿性鋅錳干電池：活性物質為KOH和淀粉糊作電解質，還填有MnO2

和炭黑。電極反應式：負極：Zn-2e－

+2OH-＝Zn(OH)2正極：2MnO2+2e－+2H2O＝2MnOOH+2OH-總反應：Zn+2MnO2+2H2O＝2MnOOH+Zn(OH)2二次電池鉛蓄電池：其電池反應可以正向和逆向進行．蓄電池放電時為自發(fā)電池，充電時為電解池．充電后電池容量得到恢復，充放電次數(shù)可達千百次。放電時電極反應式：負極：Pb+SO42--2e-＝PbSO4正極：PbO2+4H++SO42-+2e-＝PbSO4+2H2O總反應：Pb+PbO2+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O充電時電極反應式與放電時電極反應式相反，所以可以把上述反應寫成一個可逆反應式：Pb+PbO2+2H2SO4＝＝2PbSO4+2H2O放電充電燃料電池一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。電池的電極本身不包含活性物質，只是一個催化轉化元件。工作時，燃料和氧化劑連續(xù)地由外部供給，在電極上不斷地進行反應，生成物不斷地被排除，于是電池就連續(xù)不斷地提供電能。清潔、能量轉換率高的特點。1.鋰電池是一代新型高能電池，它以質量輕、能量高而受到了普遍重視，目前已研制成功多種鋰電池，某種鋰電池的總反應為Li+MnO2=LiMnO2,下列說法正確的是（）A、Li是正極，電極反應為Li－e-=Li+B、Li是負極，電極反應為Li－e-=Li+C、Li是負極，電極反應為MnO2+e-=MnO2–D、Li是負極，電極反應為Li－2e-=Li2+B鞏固練習2、在含有H2S氣體的空氣中，銀器表面易變黑