人教版化学选修四-化学电源

1、第四章 电化学基础,第二节 化学电源,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,化学电池,太阳能电池,原子能电池,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为电能的装置,思考：,用途广泛的电池,用于汽车的铅蓄电池和燃料电池,化学电池,用途广泛的电池,用于“神六”的太阳能电池,笔记本电脑专用电池,手机专用电池,摄像机专用电池,各式各样的纽扣电池,普通锌锰电池,碱性电池,镍 镉 电 池,小型高性能燃料电池,锂离子电池,镍氢电池,电池发明的小故事,1791年他在解剖时在实验室将悬有去了皮的青蛙腿的铜钩挂在铁架台上

2、，发现蛙腿会有肌肉抽搐的现象。伽伏尼认为动物的组织会产生电流，而金属是传递电流的导体。,他从独特的角度认为电流是由两种不同的金属产生的，经过一系列的实验，终于在1800年成功研制了世界上第一个能产生稳定电流的电池（见下图）。,（意大利生物学家伽伏尼）,（法国物理学家、化学家伏特）,化学电池的组成,电极材料 电极上发生反应的物质,能导电的物质,还原性较强的物质（大多是金属电极本身）,氧化性较强的物质,酸、碱、盐溶液或熔融液,流出电子,流入电子,氧化反应,还原反应,化学电池的分类,一次电池：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，如锌锰电池； 二次电池：放电后

3、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、镉镍电池、氢镍电池、锌银电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池； 燃料电池：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，如氢气、甲醇、天然气、煤气与氧气组成燃料电池。,能量转化率较高； 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池组； 使用方便，易于维护，并可在各种环境下工作。,电池的优点,衡量电池优劣的指标,比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。单位：(Wh)/kg,(Wh)/L 比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。单位：W/kg,W/L 储存时间：电池的可储存时间的长短,一、

4、一次电池,1、锌锰电池,放电之后不能充电(内部的氧化还原反应不可逆),碱性锌锰电池,普通锌锰电池,（1）普通锌锰电池：活性物质为NH4Cl和淀粉糊，做电解质，还填有MnO2和炭黑。电极反应式： 负 极：Zn-2e-=Zn2+ 正 极：2NH4+2e-+2MnO2=Mn2O3+2NH3+H2O 总反应： Zn + 2NH4+2MnO2=Zn2+Mn2O3+2NH3+H2O,锌锰电池工作原理,普通锌锰电池,优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。,（2）碱性锌锰电池：活性物质为KOH和淀粉糊，做电解质，还填有MnO2和炭黑。电极反应式： 负 极：Zn-2e-+2OH- =Zn(O

5、H)2 正 极：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH- 总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,氢氧化氧锰,缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。,优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流 和连续放电。,2、银锌电池,总反应式:Zn+Ag2O+H2O=2Ag+Zn(OH)2 电极反应式:,负极: Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2 正极: Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-,电解液: KOH溶液,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，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。,3

6、、锂电池,锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 负极: ； 正极: 。,用途：质轻、高能(比能量高)、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。,8Li-8e-=8Li+,3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S,锂电池,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较，使用 寿命大大延长。锂电池的比能量高电压高，工作温度宽。由于锂电池性能优异，广泛应用于军事和空间领域，民用领域以微小功率为主，例如用作电脑、手表、照相机、心脏起搏器等的电源,锂电池的特点及用途,铅蓄电池,化学能

7、,电能,放电,充电,二、二次电池,放电过程总反应,Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l),Pb(s) + SO42-(aq)-2e- =PbSO4(s),正极：,PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e- =PbSO4(s)+2H2O(l),氧化反应,还原反应,负极：,放电过程,铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程,铅蓄电池工作原理,充电过程,PbSO4 (s) +2e-=Pb(s) + SO42-(aq),还原反应,阴极,阳极,PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq),氧化反应

8、,接电源负极,接电源正极,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：,优缺点简析,缺点：,比能量低、笨重、废弃电池污染环境,优点：,可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,其他二次电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池,镉镍电池与氢镍电池：,镉镍电池总反应：,氢镍电池总反应：,课后思考： 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？,小型高性能燃料电池,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换成电能的化学电池。,酸性电解质：,碱性电解质 负极:

9、 2H2-4e-+4OH- = 4H2O 正极: O2+2H2O+4e- = 4OH- 总反应: 2H2+O2 = 2H2O,负极：2H2-4e- = 4H+,正极：O2+4H+4e- = 2H2O,总反应：2H2+O2 = 2H2O,（1）氢氧燃料电池：,中性电解质：,负极：2H2-4e- = 4H+,正极: O2+2H2O+4e- = 4OH-,总反应：2H2+O2 = 2H2O,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,2H2 +4OH- 4e- = 4H2O,O2 + 2H2O

10、+ 4e-= 4OH-,氢氧燃料电池,燃料电池的规律,燃料做负极，助燃剂氧气为正极,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(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。,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；,反应产物不断排出;,总反应相当于燃料在助燃剂中燃烧，但应注意电解质溶液的影响而的最终产物的存在形式, KOH溶液： 负极：CH410OH8e=CO327H2O 正极：2O24H2O8e=8OH 总反应式：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O, H2SO4溶液： 负极：CH42H2O8e=CO28H+ 正极：2O28H8e=4H2

11、O 总反应式：CH4+2O2=CO2+2H2O,（2）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，然后向两极分别通入CH4和O2，该电池的反应式：,(3)乙醇燃料电池 用导线连接的两个铂电极插入电解质溶液，分别向两极通入乙醇和氧气。 酸作电解质 负极:C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+ 正极:3O2+12H+12e-=6H2O 总反应式：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O KOH作电解质 负极：C2H5OH+16OH-12e-=2CO32-+11H2O 正极：3O2+12e-+6H2O=12OH- 总反应式：C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2

12、O,(4)丁烷燃料电池 一个电极通入丁烷，一个电极通入氧气，用掺杂了Y2O3(三氧化二钇)的ZrO2(二氧化锆)晶体作电解质，晶体高温时能传导O2-。 负极：2C4H10-52e-+26O2-=8CO2+10H2O 正极：13O2+52e-=26O2- 总反应式：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O,(5)熔融盐燃料电池 一极通入CO，一极通入空气和CO2混合气体，以Li2CO3和Na2CO3的熔融盐作电解质。 负 极:2CO+2CO32-4e-=4CO2 正 极：O2+2CO2+4e-=2CO32- 总反应式:2CO+O2=2CO2,【特别提醒】(1)通常燃料电池的负极是可燃性物质失

13、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。 (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 1.根据装置书写电极反应式 (1)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，结合原电池正负极的判断方法，确定原电池的正负极及放电的物质。,(2)书写电极反应式。 负极反应： 规律：活泼金属或H2(或其他还原剂)失去电子生成金属阳离子或H+(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H+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PbSO422e=

14、PbSO4。,正极反应： 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。 中性或碱性：O22H2O4e=4OH 酸性：O24H4e=2H2O。,(3)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总反应方程式。,2.给出电池总反应式，写电极反应式 (1)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。两式加，验总式。 (2)如以2H2O2=2H2O为例，当电解质溶液为KOH溶液时的电极反应式的书写步骤： 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H2，转移电子为4e-：2H24e-

15、=4H+。,根据电解质溶液的酸碱性，用H或OH或其他离子配平，使两边电荷总数相等即得 2H24OH4e=4H2O。 利用H2O使两边的元素守恒，即得： 2H24e4OH=4H2O。 同理，正极反应式的书写如下： O24e=2O2， O22H2O4e=4OH。 注意：在碱性溶液中提供H使O2变为OH的是水，要写成化学式的形式。 将正、负极反应式相加，若得到总反应式，说明写法正确。,【特别提醒】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相等后再将两式相加，消去反应物和生成物中相同的物质即可。注意：若反应式同侧出现不能共存的离子，如H和OH、Pb2和SO42，要写成

16、反应后的物质如H2O和PbSO4。,1.一种新燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体； 电解质是掺杂氧化钇（Y2O3）的氧化锆（ZrO2）晶体,在熔融 状态下能传导O2。下列对该燃料电池说法正确的是（ ） A.在熔融电解质中，O2-由负极移向正极 B.电池的总反应是：2C4H10+13O2 = 8CO2+10H2O C.通入空气的一极是正极，电极反应为：O2+4e- =2O2- D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为： C4H10+26e-+ 13O2- = 4CO2 + 5H2O,BC,【例2】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( ) A.电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为Fe B.电池放电时，负极反应为Fe+2OH-2e-=Fe(OH)2 C.电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低 D.电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2+2OH-2e-=Ni2O3+3H2O,C,2.高铁电池是一种新型可充电电池，与普通高能电池相 比，该电池能长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总 反应为： 下列叙述不正确的是（ ） A.放电时每转移3 mol电子，正极有1