人教版化学选修四-化学电源

1、第四章第四章 电化学基础电化学基础第二节第二节 化学电源化学电源在日常生活和学习中，你用过哪些在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其他应用吗？电池，你知道电池的其他应用吗？ 电池电池化学电池化学电池太阳能电池太阳能电池原子能电池原子能电池将化学能转换成电能的装置将化学能转换成电能的装置将太阳能转换成电能的装置将太阳能转换成电能的装置将放射性同位素自然衰变时产将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转换生的热能通过热能转换器转换为电能的装置为电能的装置用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用途广泛的电池用于用于“神六神六”的太阳能电的太阳能电池池笔记本电脑专

2、用电池笔记本电脑专用电池手机专用电池手机专用电池摄像机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电各式各样的纽扣电池池普通锌锰电池普通锌锰电池碱性电池碱性电池 镍镍镉镉电电池池小型高性能燃料电池小型高性能燃料电池 锂离子电池锂离子电池 镍氢电池镍氢电池 电池发明的小故事电池发明的小故事q17911791年他在解剖时年他在解剖时会有肌肉抽搐的现象。伽会有肌肉抽搐的现象。伽伏尼认为动物的组织会产生伏尼认为动物的组织会产生电流，而金属是传递电流的电流，而金属是传递电流的导体。导体。 q他从独特的角度认为电他从独特的角度认为电流是由两种不同的金属产流是由两种不同的金属产生的，经过一系列的实验，生的，经过一系

3、列的实验，终于在终于在1800年成功研制年成功研制了世界上第一个能产生稳了世界上第一个能产生稳定电流的电池（见下图）。定电流的电池（见下图）。 （意大利生物（意大利生物学家伽伏尼）学家伽伏尼）（法国物理学家、（法国物理学家、化学家伏特）化学家伏特）化学电池的分类化学电池的分类一次电池：一次电池：活性物质消耗到一定程度，就不能使用，活性物质消耗到一定程度，就不能使用，其电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池，如其电解质溶液制成胶状，不流动，也叫干电池，如锌锰电池；锌锰电池；二次电池：二次电池：放电后可以再充电使活性物质获得再生，放电后可以再充电使活性物质获得再生，又叫充电电池或蓄电池，如铅蓄电池

4、、镉镍电池、又叫充电电池或蓄电池，如铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锌银电池、锂离子电池、聚合物锂离子氢镍电池、锌银电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池；蓄电池；燃料电池：燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池，如氢氧燃料电池。转换成电能的化学电池，如氢氧燃料电池。能量转化率较高；能量转化率较高；供能稳定可靠；供能稳定可靠；可以制成各种形状和大小、不同容量的电池及电可以制成各种形状和大小、不同容量的电池及电池组；池组；使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。电池的优点电池的优点衡量电池优劣的指

5、标衡量电池优劣的指标比能量：比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。的多少。单位：单位：(Wh)/kg,(Wh)/L(Wh)/kg,(Wh)/L比功率：比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。的大小。单位：单位：W/kg,W/LW/kg,W/L储存时间：储存时间：电池的可储存时间的长短电池的可储存时间的长短一、一次电池一、一次电池 1.1.碱性锌锰电池碱性锌锰电池放电之后不能充电放电之后不能充电( (内部的氧化还原反应不可逆内部的氧化还原反应不可逆) ) 碱性锌锰电池碱性锌锰电池普通锌锰电池普通锌锰电池（1

6、）普通锌锰电池：）普通锌锰电池：活性物质为活性物质为NH4Cl和淀粉糊，做和淀粉糊，做电解质，还填有电解质，还填有MnO2和炭黑。电极反应式：和炭黑。电极反应式：负负 极极：Zn-2e-=Zn2+正正 极极：2NH4+2e-+2MnO2=Mn2O3+2NH3+H2O总反应总反应：Zn + 2NH4+2MnO2=Zn2+Mn2O3+2NH3+H2O锌锰电池工作原理锌锰电池工作原理（2）碱性锌锰电池）碱性锌锰电池：活性物质为活性物质为KOH和淀粉糊，做电和淀粉糊，做电解质，还填有解质，还填有MnO2和炭黑。电极反应式：和炭黑。电极反应式：负负 极：极：Zn-2e-+2OH- =Zn(OH)2正正

7、极：极：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH-总反应：总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2氢氧化氧锰氢氧化氧锰 随着用电器朝着小型化、随着用电器朝着小型化、多功能化发展的要求，对多功能化发展的要求，对电池的发展也提出了小型电池的发展也提出了小型化、多功能化发展的要求。化、多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌体积小、性能好的碱性锌锰电池应运而生。这类电池的重要锰电池应运而生。这类电池的重要特征是电解液由原来的中性变为离特征是电解液由原来的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由锌子导电性更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，片改为锌粉

8、，反应面积成倍增长，使放电电流大幅度提高。使放电电流大幅度提高。2.2.银锌电池银锌电池总反应式总反应式: :Zn+AgZn+Ag2 2O+HO+H2 2O=2Ag+Zn(OH)O=2Ag+Zn(OH)2 2电极反应式电极反应式: : 负极负极: : Zn+2OH Zn+2OH- -2e-2e- -=Zn(OH)=Zn(OH)2 2 正极正极: : Ag Ag2 2O+HO+H2 2O+2eO+2e- -=2Ag+2OH=2Ag+2OH- - 电解液电解液: KOH: KOH溶液溶液优点：电池比能量大、电压稳定，储存时间长。适宜小电优点：电池比能量大、电压稳定，储存时间长。适宜小电流连续放电，

9、常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、流连续放电，常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。照相机、计算器和其他微型电子仪器。3.3.锂电池锂电池锂亚硫酰氯电池锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl(Li-SOCl2 2) )：8Li+3SOCl8Li+3SOCl2 2=6LiCl+Li=6LiCl+Li2 2SOSO3 3+2S+2S负极负极: : ；正极正极: : 。用途：用途：质轻、高能质轻、高能( (比能量高比能量高) )、高工作效率、高稳定电压、高工作效率、高稳定电压、宽工作温度、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。宽工作温度、高使用寿命，广泛应用于军事和

10、航空领域。8Li-8e8Li-8e- -=8Li=8Li+ +3SOCl3SOCl2 2+8e+8e- -=6Cl=6Cl- -+SO+SO3 32-2-+2S+2S锂电池锂电池 锂是密度最小的金属，用锂作为电池的锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用较，使用 寿命大大延长。锂电池的比能量高寿命大大延长。锂电池的比能量高电压高，工作温度宽。电压高，工作温度宽。 由于锂电池性能优异，广泛应用于军事和由于锂电池性能优异，广泛应用于军事和空间领域，民用领域以微小功率为主，例如用空间领域，民用领域以微小功率为主，例如用作电

11、脑、手表、照相机、心脏起搏器等的电源作电脑、手表、照相机、心脏起搏器等的电源锂电池的特点及用途锂电池的特点及用途二、二次电池二、二次电池 1 1、铅蓄电池、铅蓄电池 化学能化学能电能电能 放电放电 充电充电 放电过程总反应放电过程总反应Pb(s)+PbOPb(s)+PbO2 2(s)+2H(s)+2H2 2SOSO4 4(aq)=2PbSO(aq)=2PbSO4 4(s)+2H(s)+2H2 2O(l)O(l) Pb(s) + SOPb(s) + SO4 42-2-(aq)-2e(aq)-2e- - =PbSO =PbSO4 4(s)(s)正极：正极：PbOPbO2 2(s)+4H(s)+4H

12、+ +(aq)+SO(aq)+SO4 42-2-(aq)+2e(aq)+2e- - =PbSO=PbSO4 4(s)+2H(s)+2H2 2O(l)O(l) 氧化反应氧化反应 还原反应还原反应负极：负极：放电过程放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程逆过程铅蓄电池工作原理铅蓄电池工作原理充电过程充电过程PbSO4 (s) +2e-=Pb(s) + SO42-(aq) 还原反应还原反应阴极阴极阳极阳极 PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq) 氧化反应氧化反应接电源负极接电源负极接电源正极接电源正极充电过

13、程总反应：充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)铅蓄电池的充放电过程：铅蓄电池的充放电过程：2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)放电放电充电充电优缺点简析优缺点简析缺点：缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境比能量低、笨重、废弃电池污染环境优点：优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉价格低廉其他二次电池其他二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池电池镉镍电池与氢镍

14、电池：镉镍电池与氢镍电池： Cd+ 2NiO(OH) +2 H2O 2Ni (OH)2 + Cd(OH)2 放电放电充电充电 2H2+ 2NiO(OH) 2Ni(OH)2放电放电充电充电镉镍电池总反应：镉镍电池总反应：氢镍电池总反应：氢镍电池总反应：课后思考：课后思考：根据上面所给的总方程式，你能写出各极发生的根据上面所给的总方程式，你能写出各极发生的反应方程式吗？反应方程式吗？小型高性能燃小型高性能燃料电池料电池 三、燃料电池三、燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。换成电能的化学电池。 酸性电解质：酸性电

15、解质： 碱性电解质碱性电解质 负极负极: 2H: 2H2 2-4e-4e- -+4OH+4OH- - = 4H= 4H2 2O O 正极正极: O: O2 2+2H+2H2 2O+4eO+4e- - = 4OH= 4OH- - 总反应总反应: 2H: 2H2 2+O+O2 2 = 2H= 2H2 2O O负极：负极：2H2H2 2-4e-4e- - = 4H= 4H+ +正极：正极：O O2 2+4H+4H+ +4e+4e- - = 2H= 2H2 2O O总反应：总反应：2H2H2 2+O+O2 2 = 2H= 2H2 2O O（1 1）氢氧燃料电池：）氢氧燃料电池：中性电解质：中性电解质：

16、负极：负极：2H2-4e- = 4H+正极正极: O2+2H2O+4e- = 4OH-总反应：总反应：2H2+O2 = 2H2O介质介质电池总反应：电池总反应： 2H2 + = 2H2O 酸性酸性负极负极正极正极中性中性负极负极 正极正极碱性碱性负极负极正极正极2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O2H2 +4OH- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-氢氧燃料电池氢氧燃料电池燃料电池的规律燃料电池的规律燃料做负极，助燃剂氧气为正极燃料做负极，助燃剂氧气为正极

17、电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。能量转化率高能量转化率高( (超过超过80%80%) )，普通的只有，普通的只有30%30%，有利于节约能源。有利于节约能源。燃料电池与前几种电池的差别燃料电池与前几种电池的差别氧化剂与还原剂在工作时不断补充；氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出反应产物不断排出; ;总反应相当于燃料在助燃剂中燃烧，但应注意电解质总反应相当于燃料在助燃剂中燃烧，但应注意电解质溶液的影响而的最终产物的存在形式溶液的影响而的最终产物的存在形式 KOH溶液溶液：负极：负极：CH410OH8e=CO327H2O正

18、极：正极：2O24H2O8e=8OH总反应式：总反应式：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O H2SO4溶液溶液：负极：负极：CH42H2O8e=CO28H+正极：正极：2O28H8e=4H2O总反应式：总反应式：CH4+2O2=CO2+2H2O（2）.甲烷燃料电池甲烷燃料电池用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液中，然后向两极用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液中，然后向两极分别通入分别通入CH4和和O2，该电池的反应式：，该电池的反应式：(3)乙醇燃料电池。乙醇燃料电池。用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液，分别向两极通入用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液，分别向两极通入乙醇和氧

19、气。乙醇和氧气。酸作电解质酸作电解质 负极负极:C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+正极正极:3O2+12H+12e-=6H2O 总反应式：总反应式：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O KOH作电解质作电解质 负极：负极：C2H5OH+16OH-12e-=2CO32-+11H2O 正极：正极：3O2+12e-+6H2O=12OH-总反应式：总反应式：C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2O (4)丁烷燃料电池。丁烷燃料电池。一个电极通入一个电极通入丁烷丁烷，一个电极通入氧气，用掺杂了，一个电极通入氧气，用掺杂了Y2O3(三氧化二钇三氧化二钇)的的ZrO2(二

20、氧化锆二氧化锆)晶体作电解质，晶体作电解质，晶体高温时能传导晶体高温时能传导O2-。 负极：负极：2C4H10-52e-+26O2-=8CO2+10H2O 正极：正极：13O2+52e-=26O2- 总反应式：总反应式：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O【特别提醒特别提醒】(1)(1)通常燃料电池的负极是可燃性物质失去电子，通常燃料电池的负极是可燃性物质失去电子，正极是氧气得电子，电极材料是惰性电极，电极本身不参与放电。正极是氧气得电子，电极材料是惰性电极，电极本身不参与放电。(2)(2)书写燃料电池电极反应时要特别注意电解质溶液的离子参与书写燃料电池电极反应时要特别注意电解质溶液的

21、离子参与电极反应，要写入电极反应式中。电极反应，要写入电极反应式中。二、化学电源电极反应式的书写二、化学电源电极反应式的书写1.1.根据装置书写电极反应式根据装置书写电极反应式(1)(1)确定原电池的正负极及放电的物质。确定原电池的正负极及放电的物质。首先根据题目给定的图示装置特点，结合原电池正负极首先根据题目给定的图示装置特点，结合原电池正负极的判断方法，确定原电池的正负极及放电的物质。的判断方法，确定原电池的正负极及放电的物质。(2)(2)书写电极反应式。书写电极反应式。负极反应：负极反应：规律：活泼金属或规律：活泼金属或H H2 2( (或其他还原剂或其他还原剂) )失去电子生成金属失去

22、电子生成金属阳离子或阳离子或H H+ +( (或其他氧化产物或其他氧化产物) )。特例：若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或特例：若电解质溶液中的阴离子与生成的金属阳离子或H H+ +能反应，则该阴离子应写入电极反应式，如铅蓄电池能反应，则该阴离子应写入电极反应式，如铅蓄电池的负极反应是的负极反应是PbPbSOSO4 42 22e2e=PbSO=PbSO4 4。正极反应：正极反应：规律：阳离子得电子生成单质（或氧气得电子）。规律：阳离子得电子生成单质（或氧气得电子）。特例：若是氧气得电子，要考虑电解质溶液的情况。特例：若是氧气得电子，要考虑电解质溶液的情况。中性或碱性：中性或碱性：O O

23、2 22H2H2 2O O4e4e=4OH=4OH酸性：酸性：O O2 24H4H4e4e=2H=2H2 2O O。(3)(3)写出电池总反应方程式。写出电池总反应方程式。结合电子守恒将正负极电极反应式相加即得到电池结合电子守恒将正负极电极反应式相加即得到电池总反应方程式。总反应方程式。2.2.给出电池总反应式，写电极反应式给出电池总反应式，写电极反应式(1)(1)一般书写步骤为：一般书写步骤为：列物质，标得失。选离子，配电荷。配个数，巧用水。列物质，标得失。选离子，配电荷。配个数，巧用水。两式加，验总式。两式加，验总式。(2)(2)如以如以2H2H2 2O O2 2=2H=2H2 2O O为

24、例，当电解质溶液为为例，当电解质溶液为KOHKOH溶液时的电溶液时的电极反应式的书写步骤：极反应式的书写步骤：负极反应式的书写：负极反应式的书写：根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为根据总反应方程式列出总式两边化合价升高的有关物质为H H2 2，转移电子为转移电子为4e4e- -：2H2H2 24e4e- -=4H=4H+ +。根据电解质溶液的酸碱性，用根据电解质溶液的酸碱性，用H或或OH或其他离子配或其他离子配平，使两边电荷总数相等即得平，使两边电荷总数相等即得 2H24OH4e=4H2O。利用利用H2O使两边的元素守恒，即得：使两边的元素守恒，即得： 2H24e4OH=4H2

25、O。同理，正极反应式的书写如下：同理，正极反应式的书写如下： O24e=2O2， O22H2O4e=4OH。注意：注意：在碱性溶液中提供在碱性溶液中提供H使使O2变为变为OH的是水，要写的是水，要写成化学式的形式。成化学式的形式。 将正、负极反应式相加，若得到总反应式，说明写法正确。将正、负极反应式相加，若得到总反应式，说明写法正确。【特别提醒特别提醒】根据给出的两个电极反应式，写总反根据给出的两个电极反应式，写总反应方程式时，首先要使两个电极反应式的得失电子应方程式时，首先要使两个电极反应式的得失电子相等后再将两式相加，消去反应物和生成物中相同相等后再将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物

26、质即可。注意：若反应式同侧出现不能共存的的物质即可。注意：若反应式同侧出现不能共存的离子，如离子，如H H和和OHOH、PbPb2 2和和SOSO4 42 2，要写成反应后的，要写成反应后的物质如物质如H H2 2O O和和PbSOPbSO4 4。 1.1.一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇（电解质是掺杂氧化钇（Y Y2 2O O3 3）的氧化锆（）的氧化锆（ZrOZrO2 2）晶体）晶体, ,在熔融在熔融状态下能传导状态下能传导O O2 2。下列对该燃料电池说法正确的是（。下列对该燃料电池说法正确的是（ ）A

27、.A.在熔融电解质中，在熔融电解质中，O O2-2-由负极移向正极由负极移向正极B.B.电池的总反应是：电池的总反应是：2C2C4 4H H1010+13O+13O2 2 = 8CO = 8CO2 2+10H+10H2 2O OC.C.通入空气的一极是正极，电极反应为：通入空气的一极是正极，电极反应为：O O2 2+4e+4e- - =2O=2O2-2-D.D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为：通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C C4 4H H1010+26e+26e- -+ 13O+ 13O2-2- = 4CO = 4CO2 2 + 5H + 5H2 2O OBCBC【例例2】铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为：铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为： Fe+Ni2O3+3H2O=Fe(OH)2+2Ni(OH)2下列有关该电池的说法不正确的是下列有关该电池的说法不正确的是( )A.电池的电解液为碱性溶液，正极为电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为，负极为FeB.电池放电时，负极反应为电池放电时，负极反应为Fe+2OH-2e-=Fe(OH)2C.电池充电过程中，阴极附近溶液的电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低降低D.电池充电时，阳极反应为电池充电时，