4.1.2化学电源 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 化学反应与电能 第一节 原电池 第二课时 化学电源 1 学习目标 1.通过交流讨论了解一次电池、二次电池和燃料电池的基本构造,学会书写常见的电极反应式和电池反应。 2.通过相关的信息分析了解化学电源的工作原理,初步建立化学电源工作原理的认知模型。 3.通过学习各类电池的实际应用,感受化学给人类带来的进步和文明,通过了解废旧电池对环境的危害,树立环保意识。 原电池 失电子的物质 发生氧化反应 还原剂 得电子的物质 发生还原反应 氧化剂 负极 正极 电解质溶液 盐桥或隔膜 e- 阳离子移向 e- 向移子离阴 A 原电池的构成模型 电子导体 离子导体 【复习回顾】 化学电源与原电池的关系： 原电池 雏形、原理基础 化学电源 应用 为了让我们的生活更便利，科学家在研究电池的道路上一直在前进！ 图 教材P101科学史话：历史上第一个化学电源 视频——电池200年进化史 五、化学电源 1) 概念: 将化学能变成电能的装置 2)优点: ①能量转换效率高，供能稳定可靠 ②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便 ③易维护，可在各种环境下工作。 6 3)电池优劣的判断标准: ① 比能量 ［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］ 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 ② 比功率 [单位：（W/kg，W/L)] 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小. ③ 电池的可储存时间的长短 除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，其质量好。 7 一次电池： 铅蓄电池、锂离子电池等 氢氧燃料电池 干电池 二次电池： 燃料电池： (可充电电池) 4.分类 （一）一次电池（干电池） 负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH- 总反应：Zn+2MnO2+2H2O=Zn(OH)2+2MnO(OH) Zn、MnO2/KOH溶液（胶状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 1.请同学们分析碱性锌锰电池各部分的功能及电池产生电流的原因。 黄铜棒 Zn Zn(OH)2 金属 MnO2 MnO(OH) 2.请同学们分析酸性锌锰电池各部分的功能及电池产生电流的原因。 Zn、MnO2/NH4Cl溶液（糊状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 锌筒 石墨棒 MnO2和C 普通锌-锰干电池的结构 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++ 2MnO(OH）+2NH3+H2O   负极： Zn - 2e- = Zn2+ 正极：2MnO2+2NH4++2e- =2MnO(OH）+ 2NH3 （一）一次电池（干电池） 石墨 MnO2 MnO(OH) Zn Zn Zn2+ （一）一次电池（干电池） Zn、Ag2O/KOH溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 负极：Zn＋2OH－－2e-＝Zn(OH)2 正极：Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－ 总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2 金属 Zn Zn(OH)2 金属 Ag2O Ag 3.请同学们分析锌银电池各部分的功能及电池产生电流的原因。 课堂练习1：碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为： Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) =Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s) 下列说法错误的是……………………………( ) A.电池工作时，锌失去电子 B.电池正极电极反应为：2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq) C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极 D.外电路每通过0.2mole-，理论上减小锌的质量6.5g C 12 化学能 电能 放电 充电 （二）二次电池(充电电池或蓄电池) 铅蓄电池构造示意图 Pb、PbO2/H2SO4溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 PbO2 PbO2 PbSO4 Pb PbSO4 Pb 正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O 负极：Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 二次电池的充放电规律 (1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。 (2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。 课堂练习2：关于铅蓄电池放电时的说法正确的（ ） A．电池的负极材料是铅板 B．正极发生的反应是 Pb +SO42--2e-= PbSO4 C．电池中硫酸的浓度不发生变化 D．负极质量减少、正极质量增加 A 15 2019诺贝尔化学奖得主 吉野彰将碳基材料用作负极，依旧用钴酸锂做正极，并采用聚乙烯或聚丙烯为隔膜，LiClO4的碳酸丙烯酯液为电解质溶液。确立了现代锂离子电池的基本框架。 负极 LixCy 科学视野 （二）二次电池(充电电池或蓄电池) 锂离子电池/LiPF6的碳酸酯溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物 负极：LixCy - xe- = xLi++Cy 正极：Li1-xCoO2 +xLi+ + xe-= LiCoO2 总反应式：LixCy+ Li1-xCoO2 LiCoO2+Cy 放电 充电 嵌锂石墨 LixCy Li+ 钴酸锂 Li1-xCoO2 LiCoO2 (钴酸锂) 课堂练习3：（双选）氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是  H2+2NiO(OH)            2Ni(OH)2。根据此反应式判断，下列叙述中正确的是(     ) A.电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大 B.电池放电时，镍元素被氧化 C.电池充电时，氢元素被还原 D.电池放电时，H2在负极上反应 CD 负极：H2+2OH--2e- = 2H2O 正极：2NiO(OH)+2H2O+2e- = 2Ni(OH)2+2OH- 放电 充电 18 小结：一次电池、二次电池电极反应书写的一般模式 (1)明确两极的反应物。 (2)明确直接产物：根据负极氧化、正极还原，明确两极的直接产物。 (3)确定最终产物：根据介质环境和共存原则，找出参与的介质粒子，确定最终产物。 (4)配平：根据电荷守恒、原子守恒配平电极反应式。 注意：①H＋在碱性环境中不存在；②O2－在水溶液中不存在，在酸性环境中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性环境结合H2O，生成OH－；③若已知总反应式时，可先写出较易书写的一极的电极反应式，然后在电子守恒的基础上，总反应式减去较易写出的一极的电极反应式，即得到较难写出的另一极的电极反应式。 课堂练习4：根据碱性镍镉电池的总方程式书写电极方程式 (1)放电时——原电池（化学能转化为电能） 负极反应： ； 正极反应： 。 (2)充电时——电解池（电能转化为化学能） 阴极反应： ； 阳极反应： 。 Cd+2OH--2e- === Cd(OH)2 2NiO(OH)+2e-+2H2O === 2Ni(OH)2+2OH- Cd(OH)2+2e- === Cd+2OH- 2Ni(OH)2+2OH--2e-=== 2NiO(OH)+2H2O 电池总反应： 2NiO(OH)+Cd+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2 充电 放电 课堂练习5：锂电池是新一代高能电池，目前已研发出多种锂电池。某种锂电池的总反应式为：Li＋MnO2 = LiMnO2。下列说法中正确的是 (　　) A．Li是正极，MnO2是负极 B．放电时负极的反应：Li－e－ = Li＋ C．放电时正极的反应：MnO2－＋e－ = MnO2 D．电池放电时，产生高锰酸根离子 B 21 （三）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。电池的电极本身不包含活性物质，只是一个催化转化元件。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除，于是电池就连续不断地提供电能。清洁、能量转换率高的特点。 可供选择的燃料很多，如:氢气、烃类、肼、甲醇、氨、煤气等液态或气态的燃料。 氢氧燃料电池动力的法国产标致TAXI 同济大学研制的燃料电池汽车－超越3号 我国自主研发的燃料电池车 神舟六号燃料电池发电系统 燃料电池的应用 23 氢氧燃料电池（课本P123实践活动5——制作简单的燃料电池） 2H2＋O2===2H2O 2H2O===2H2＋O2 电解 实验现象 关闭K1： 阴极：产生气泡（H2）， 溶液颜色变红。 阳极：产生气泡（O2） 断开K1关闭K2： 电流表指针发生偏转。 反应方程式 1.氢氧燃料电池——酸性 H2、O2/酸性 负极 电极 还原剂 氧化产物 电极反应式 正极 电极 氧化剂 还原产物 电极反应式 总反应式： Pt H2 H+ 2H2- 4e-＝4H+ Pt O2 H2O O2+4H++4e-＝2H2O 2H2 + O2＝2H2O H2、O2/碱性 负极 电极 还原剂 氧化产物 电极反应式 正极 电极 氧化剂 还原产物 电极反应式 总反应式： 2.氢氧燃料电池——碱性 Pt H2 H2O 2H2- 4e-+4OH-＝4H2O Pt O2 OH- O2＋4e-+2H2O＝4OH- 2H2 + O2＝2H2O 燃料电池特点： ①连续地将燃料（充入负极）和氧化剂（充入正极）的化学能直接转换成电能。 ②电极材料本身不参与氧化还原反应，只起传导电子的作用。 ③工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排除。 ④能量转化率高(＞80%)，排放废物少。 燃料电池电极反应书写关键 (1)燃料电池的总反应相当于燃料的燃烧，书写总反应方程式时，要注意产物与电解质溶液是否发生反应，若能反应，电解质溶液要写在总反应方程式中。 (2)燃料电池正极反应本质是氧气得电子发生还原反应，即O2＋4e－=2O2－，产生的O2－存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系。在酸性溶液中结合H＋，生成H2O，在中性或碱性溶液结合H2O，生成OH－；在熔融氧化物中存在O2－，在碳酸盐熔融下，则和充入的CO2结合生成CO32-。 (3)书写燃料电池的电极反应式，一定要注意电解质的酸碱性。碱性溶液电极反应式不能出现CO2和H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。 氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结 O2一律在正极，O2（1mol）一律4e- （特例：产物为H2O2是2e-） i (1)甲烷-氧气燃料电池 负极： 正极： 总反应式： 电解质为KOH溶液 CH4 - 8e- + 10OH- ＝ CO32- + 7H2O 2O2 + 8e- + 4H2O ＝ 8OH- CH4+2O2+2OH -＝CO32-+3H2O 【例】写出下列甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 (2)甲烷-氧气燃料电池 负极： 正极： 总反应式： 电解质为H2SO4溶液 【例】写出下列甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 CH4 - 8e-+ 2H2O = CO2 +8H+ 2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O (3)甲烷-氧气燃料电池 负极： 正极： 总反应式： 电解质为熔融氧化物(高温下能传导O2-) 【例】写出下列甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 CH4 - 8e-+ 4O2- = CO2 + 2H2O 2O2 + 8e- = 4O2- CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O (4)甲烷-氧气燃料电池 负极： 正极： 总反应式： 电解质为熔融碳酸盐(熔融K2CO3) 【例】写出下列甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。 CH4 - 8e-+ 4CO32- = 5CO2 + 2H2O 2O2 + 8e- +4CO2 = 4CO32- CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O (1)甲醇燃料电池 电解质为KOH 负极： 正极： 总反应式： CH3OH - 6e- + 8OH- ＝ CO32- + 6H2O O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH- 2CH3OH +3O2 + 4OH-＝2CO32- +6H2O (2)肼燃料电池 N₂H4－4e- +4OH-= N₂ ↑ + 4H₂O 电解质为KOH 负极： 正极： 总反应式： O₂ + 4e- + 2H₂O= 4OH- N₂H4 + O₂ = N₂↑ + 2H₂O 课堂练习6：写出下列燃料电池的电极反应式及总反应式。 课堂练习7：氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。关于以KOH为电解质的氢氧燃料电池叙述错误的是（ ） A、氢氧燃料电池直接把热能转化为电能 B、电子从负极出发，沿导线流向正极 C、负极反应式为H2+2OH--2e- =2H2O D、电解质 KOH的物质的量不发生变化 A 35 课堂练习8：（双选）一种新型燃料电池，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．电池的总反应是：2C4H10+13O2→8CO2+10H2O B．在熔融电解质中，O2-由负极移向正极 C．通入空气一极是正极，电极反应为：O2+4e-=2O2- D．通入丁烷一极是正极，电极反应为：C4H10+26e-+13O2-=4CO2+5H2O AC 36 课堂练习9： 如图为一种微生物燃料电池结构示意图，叙述正确的是(　　) A．分子组成为Cm(H2O)n的物质 一定是糖类； B．微生物所在电极区放电时 发生还原反应； C．放电过程中，H＋从正极区移向负极区； D．正极反应式为MnO2＋4H＋＋2e－ = Mn2＋＋2H2O。 D 课堂练习10：镍­镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2。下列说法不正确的是( 　　) A．放电时，负极发生了氧化反应，反应为Cd＋2OH－－2e－ = Cd(OH)2 B．充电时，阳极反应为Ni(OH)2－e－＋OH－ = NiO(OH)＋H2O C．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小 D．该电池充电时将电能转化为化学能 C 解析:由电池总反应可知：放电时负极反应式为Cd＋2OH－－2e－===Cd(OH)2，负极区OH－浓度减小，pH减小；放电时正极反应式为NiOOH(s)＋H2O＋e－===Ni(OH)2(s)＋OH－，正极区OH－浓度增大，pH增大；充电时阳极反应式与放电时的正极反应式相反，即Ni(OH)2－e－＋OH－===NiO(OH)＋H2O；二次电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能。 38 课堂练习11：酒驾行为危害社会安全，交警部门常用酸性燃料电池酒精检测仪对此进行检测。该检测仪的工作原理如图所示，下列说法正确的是(　　) A．电子从呼气的 电极透过质子交换膜， 流向通入O2的 Pt 电极 B．负极的电极反应式为： C．该电池工作一段时间后，正极区溶液的 PH 减小 D．每消耗 22.4L O2时，外电路就通过4 mol电子 B Lavf58.20.100 正极 负极 $$