4.1.3 化学电源--燃料电池 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第四章第一节 原电池——燃料电池 北京师范大学平果实验学校 高二备课组 化学-选修性必修一《化学反应原理》 废电池的危害与回收利用 化学· 生活 废弃电池中的汞在微生物的作用下，无机汞可以转化成甲基汞，甲基汞能严重破坏人的神经系统，重者会发疯致死。著名的日本水俣病就是甲基汞所致。镉能使人的肝和肾受损，也会引起骨质松软，重者造成骨骼变形。汽车废电池中含有酸和重金属铅，泄漏到自然界可引起土壤和水源污染，最终对人造成危害。 废旧电池中对人体有害的重金属又是较为稀缺的工业原料。在废旧电池中每回收1000克金属，就有82克的汞、88克的镉。回收处理废旧电池不仅解决了环境污染的问题，而且也实现了资源的回收再利用。 迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已投入使用的高性能、无污染电池。 绿色电池种种 金属氢化物镍电池由于采用了稀土合金或Ti-Ni合金储氢材料作为负极活性物质，取代了致癌物质镉，使其成为一种绿色环保电池。锂离子蓄电池是由碳作负极，嵌锂的金属氧化物作正极和有机电解质构成。 太阳能电池利用P—N结的光电效应发电，具有无需燃料、无污染、无噪声、运行简单可靠、 减少维护、建设周期短等特点。 化学· 生活 二次电池----锂离子电池 问题：二次电池有什么优缺点？人类如何解决？ 1.化学反应角度：反复充放电过程中，电池的正极与负极材料之间的化学反应会导致材料结构的变化和腐败，从而降低电池容量和性能。 2.一般化学电源的活性物质储存在电池内部，限制了电池容量。 1. 概念：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 2. 燃料电池与前两种电池的区别： 一、燃料电池 ①燃料电池的电极本身不参与氧化还原反应； ②工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断进行反应，生成物不断被排出； ③通入燃料的一级为负极，通入助燃剂（O2等）的一级为正极。 3. 燃料电池的优点： ①能连续不断地提供电能； ②能量转换率高，有利于节约能源； ③排放的污染物少甚至零排放，绿色环保。 一、燃料电池 二、燃料电池的种类 2H2 + O2 = 2H2O 4e- 反应原理： 1.氢氧燃料电池 电极: Pt或石墨制作的惰性电极 电解质溶液: 硫酸溶液 负极： 2H2 - 4e- = 4H+ 正极： O2+ 4H++ 4e- = 2H2O 总反应：2H2 + O2 = 2H2O 思考2：电池工作一段时间后，上述溶液的pH如何变化？ 酸性减弱，pH变大。 【备注】燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 不同电解质溶液下的燃料电池 思考探究 如果将电解质溶液由硫酸溶液换成氢氧化钾溶液呢？ 负极：2H2＋4OH－－4e－ === 4H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－ === 4OH－ 电池工作一段时间后，上述溶液的pH如何变化？ 正极pH增大，负极pH减小，整个溶液的pH减小。 2.甲醇燃料电池 （2）碱性条件 （1）酸性条件 总反应：2CH3OH +3O2=2CO2+4H2O 总反应：2CH3OH + 3O2 + 4OH- = 2CO32- + 6H2O 正极：O2 + 4e-+ 2H2O = 4OH- 负极：CH3OH - 6e- + 8OH- = CO32- + 6H2O 正极：O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O 负极：CH3OH - 6e- + H2O = 6H+ + CO2 3.熔融碳酸盐燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池，是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。氢气和氧气以及熔融态碳酸盐形成的燃料电池。 H2－2e－ = H2O ＋CO2 ＋CO32- O2＋4e－ = ＋2CO2 2CO32- 负极： 正极： 1.正极反应式的书写： 燃料电池的正、负极均为惰性电池，起传导电子的作用，电极材料一般不参与反应。 三、燃料电池电极反应式的书写 ①酸性溶液： 正极发生还原反应，通入气体一般为O2。 O2→O2-，根据电解质溶液不同，分为以下几种情况： O2-与H2O结合，生成OH-， 其电极反应式为：O2+4e-+2H2O=4OH- 生成的O2-与H+结合生成水， 其电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O ②碱性及中性溶液： ③熔融碳酸盐中： O2-与CO32-不能结合，只能和CO2结合生成CO32-， 其电极反应式为：O2+2CO2+4e-=2CO32- ④允许O2-通过的高温固体： O2+4e-=2O2- 2. 负极反应式的书写： ①在酸性溶液及熔融碳酸盐中，生成CO2 燃料电池的负极通入的一定是燃料。 ②在碱性溶液中，生成CO32- 若负极通入的是含碳元素的化合物，如CO、CH4、CH3OH等，碳元素均转化为+4价。 若负极通入的是含氢元素的化合物，则最终产物都有H2O生成。 负极反应式 = 总反应 - 正极反应式 三、燃料电池电极反应式的书写 (1)在酸性介质中 负极：_____________________ ；正极：___________________； 总反应式：___________________________________。 (2)在碱性介质中 负极：__________________________ ；正极：____________________； 总反应式：_________________________。 CH4 + 2H2O - 8e－ = CO2 + 8H＋ 2O2 + 8H＋ + 8e－ = 4H2O CH4 + 2O2===CO2 + 2H2O CH4+10OH--8e－ = CO32- + 7H2O 2O2+8H＋+8e－ = 4H2O CH4 + 2O2 + 2OH- = CO32- + 3H2O 【牛刀小试】 甲烷燃料电池成本远低于以氢气为燃料的燃料电池。 1. 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。 【牛刀小试】 (3)固体电解质(高温下能传导O2－) 总反应式：_______________________________； 正极反应式：____________________________； 负极反应式：____________________________________。 CH4＋2O2 = CO2＋2H2O　 　2O2＋8e－ = 4O2－　 　CH4＋4O2－－8e－ = CO2＋2H2O　 (4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下 总反应式：_______________________________； 正极反应式：_______________________________； 负极反应式：__________________________________。 CH4＋2O2 = CO2＋2H2O　 1. 以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写 课堂检测 1.氢氧燃料电池具有绿色环保和高效等特点，某种氢氧燃料电池的结构示意图如图，该电池工作时，下列分析正确的是（ ） A.a处通入O2 B.甲电极为负极 C.将电能转化为化学能 D.正极反应式为H2－2e－===2H＋ B 2.某学习小组以肼(N2H4)为原料设计了一种燃料电池，构造如图所示： 其中两个电极均为铂电极，电池的总反应方程式为 N2H4＋O2 = N2＋2H2O。下列说法错误的是（ ） A.通入N2H4的一极是电池的负极 B.通入O2的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ C.电池工作一段时间后电解质溶液的pH将变大 D.若消耗16 g N2H4，则理论上转移2 mol电子 C 课堂检测 解答燃料电池题目的三个关键点　 (1)要注意介质是什么？是电解质溶液还是熔融盐或氧化物。 (2)通入负极的物质为燃料，通入正极的物质为氧气。 (3)通过介质中离子的移动方向，可判断电池的正、负极，同时考虑该离子参与靠近一极的电极反应。 【归纳】解答燃料电池题目的思维模型 四、电极反应式的书写 2. 已知总方程式，书写电极反应式的步骤与技巧　 (1)书写步骤 ①步骤一：在电池总反应式上标出电子转移的方向和数目(ne－)。 ②步骤二：找出正、负极，失电子的电极为负极；确定溶液的酸碱性。 ③步骤三：写电极反应式。 负极反应：还原剂－ne－―→氧化产物； 正极反应：氧化剂＋ne－―→还原产物。 (2)书写技巧 若某电极反应式较难写时，可先写出较易的电极反应式，用总反应式减去较易的电极反应式，即可得出较难写的电极反应式。 四、电极反应式的书写 1．铝－空气海水电池：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。 电池总反应为 4Al＋3O2＋6H2O = 4Al(OH)3； 负极反应式：_______________________________； 正极反应式：_______________________________。 4Al－12e－＋12OH－ = 4Al(OH)3　 3O2＋6H2O＋12e－ = 12OH－　 2．一种碳纳米管能够吸附氢气，可作二次电池(如图所示)的碳电极。该电池的电解质溶液为6 mol·L－1的KOH溶液。 (1)写出放电时的正、负极电极反应式： ______________________________________________ _______________________________________ (2)写出充电时的阴、阳极电极反应式： ______________________________________________ ______________________________________________ 正极：2NiO(OH)＋2H2O＋2e－= 2Ni(OH)2＋2OH－；　 负极：H2－2e－＋2OH－ = 2H2O　 阴极：2H2O＋2e－= H2↑＋2OH－； 阳极：2Ni(OH)2＋2OH－－2e－ = 2NiO(OH)＋2H2O　 化学电池 一次电池 二次电池 燃料电池 碱性锌锰电池 铅蓄电池 氢氧燃料电池等 锂离子电池 镍氢电池 普通锌锰干电池 课堂小结 减少污染 节约资源 废旧电池处理 锂电池 CH4 + 4COeq \o\al(2－,3)- 8e－ = 5CO2 + 2H2O 2O2 + 4CO2 + 8e－= 4COeq \o\al(2－,3) “四步法”书写电极反应式 第一步：书写负极(阳极)：还原性微粒－ne－―→氧化性产物；正极(阴极)：氧化性微粒＋ne－―→还原性产物。 第二步：标变价算n值，n＝(高价－低价)×变价原子个数。 第三步：根据电池情景用H＋、OH－、O2－、COeq \o\al(2－,3)等阴、阳离子配平电荷。 第四步：用H2O等小分子配平方程式。 $$