第1节 第2课时 化学电源（同步课件）-【上好课】2024-2025学年高二化学同步精品课堂（人教版2019选择性必修1）

第一节 原电池 课时2 化学电源 人教版2019选择性必修一 第四章 化学反应与电能 计算 素养目标 证据推理与模型认知： 通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。 科学探究与创新意识： 增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。 宏观辨识与微观探析： 掌握原电池和常见化学电源的反应方程式和电极反应式的书写。 教学目标 本节重点 常见化学电源的反应方程式和电极反应式的书写 本节难点 常见化学电源的反应方程式和电极反应式的书写 1.掌握原电池和常见化学电源的反应方程式和电极反应式的书写。 2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。 meiyangyang8602 请你观看！ 从视频中了解化学电源的发展过程 新课导入 观看 meiyangyang8602 请你总结！ 化学电源的发展过程 新课导入 结构简单 一次电池 反复使用 二次电池 连续工作 燃料电池 新型电池 负极 LixCy 观看 一次电池 壹 二次电池 贰 知识导航 meiyangyang8602 锂离子电池 叁 肆 燃料电池 请你说说！ 你所了解的一次电池 课堂思考 结构简单的一次电池 01 一次电池 课堂探究 复习回忆 一、一次电池 对比学习 1.一次电池是放电后不可充电的电池，电解质溶液制成不流动胶状也叫干电池。 （1）普通锌锰干电池 普通锌锰干电池是最早进入市场的实用干电池。因其电解质溶液用淀粉糊固定化，称为干电池。 课堂探究 观察分析 一、一次电池 对比学习 （1）普通锌锰干电池 电极反应活性物质 负极：Zn 正极：MnO2 电极材料 负极：Zn 正极：石墨棒 离子导体 NH4Cl和ZnCl2混合物 主要反应为： Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH) 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 课堂探究 一、一次电池 理解辨析 对比学习 （2）普通锌锰干电池优、缺点 优点：结构简单、价格低廉。 缺点：会发生自放电, 不同时间后的普通锌锰干电池. 课堂探究 重点理解 对比学习 一、一次电池 （3）碱性锌锰干电池 课堂探究 一、一次电池 对比学习 重点掌握 （3）碱性锌锰干电池 容量高，能大电流连续放电。还具有优良的低温性能、储存性能和防漏性能。 碱性锌锰干电池结构 金属外壳 离子型 导电隔膜 Zn粉和 KOH混合物 铜针 MnO2和 KOH混合物 电极反应 还原剂：Zn粉 氧化剂 ：MnO2 电极材料 负极：铜针 正极：金属外壳 离子导体 KOH、离子型导电隔膜 典例精讲 【例1】已知该电池总反应为：Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2 根据示意图和资料： 1.分析各部分的作用， 画出工作原理示意图； 2.写出电极反应式。 碱性锌锰干电池结构 金属外壳 离子型 导电隔膜 Zn粉和 KOH混合物 铜针 MnO2和 KOH混合物 14 方法指导 【【方法导引】 化学方程式中的变化与守恒 化学方程式是一种重要的化学语言。因研究的需要，有多种表示化学反应的形式，如离子方程式、热化学方程式、反应历程表达式、电极反应式、有机反应式等。表达化学反应时，一方面，既要符合化学反应的事实（如组成、结构的变化），也要符合质量守恒定律，有时还要考虑能量守恒（如根据热化学方程式计算反应热）。另一方面，必须反映化学反应中各种粒子及其有关量的变化与守恒。例如，离子方程式中有关离子电荷的守恒，氧化还原反应、电极反应式中电子的转移与守恒。在学习化学方程式时，不要忽视其中蕴含的变化与守恒观念。 15 典例精讲 【例1】已知该电池总反应为：Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2 碱性锌锰干电池结构 金属外壳 离子型 导电隔膜 Zn粉和 KOH混合物 铜针 MnO2和 KOH混合物 正极：2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH- 正极 金属外壳 离子型导电隔膜 负极 铜针 e- Zn粉 KOH 混合物 MnO2 KOH 混合物 + - 负极：Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2 总反应：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnO(OH)+Zn(OH)2 0 +4 +3 +2 16 课堂探究 重点理解 一、一次电池 对比学习 2.锌银电池—纽扣电池 纽扣式银锌电池的总反应式为：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2 电解质液为KOH溶液， 请写出的电极反应式。 正极反应式 负极反应式 Zn＋2OH－－2e－＝Zn(OH)2 Ag2O＋2e－＋H2O＝2Ag ＋2OH－ 典例精讲 【例2】Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为 8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。 ①负极材料为____，电极反应为_________________。 ②正极的电极反应为_______________________________。 锂 8Li－8e－===8Li＋ 3SOCl2＋8e－===2S＋ ＋6Cl－ 18 课堂思考 请你思考！ 一次电池存在什么问题？如何改进？ 探究学习 电压随着使用时间延长而下降 当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。 二次电池 19 02 二次电池 课堂探究 二、二次电池 重点掌握 对比学习 1.二次电池又称可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而反复使用的电池 （1）铅酸蓄电池 课堂探究 二、二次电池 对比学习 重点掌握 ①铅酸蓄电池优点 铅蓄电池优点： 电压稳定、 使用方便、 安全可靠、 价格低廉 课堂探究 二、二次电池 对比学习 重点掌握 ②铅酸蓄电池电极反应式 铅蓄电池的总反应式为：Pb＋PbO2＋H2SO4＝2PbSO4＋2H2O 电解质液为H2SO4溶液， 请写出的电极反应式。 负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4 正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O 氧化反应 还原反应 Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 课堂探究 二、二次电池 理解辨析 对比学习 （2）镍氢电池 能量密度高；无镉污染，是一种绿色电池；可大电流快速充放电；电池工作电压为1.2V；在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车上逐步得到应用。 ①镍氢电池优点 圆柱可充镍氢电池 方形可充镍氢电池 课堂探究 二、二次电池 重点掌握 对比学习 ②镍氢电池电极反应式 H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2 放电 充电 总反应： 电解质液为KOH溶液， 请写出的电极反应式。 正极： 负极： 放电 阳极： 阴极： 充电 H2 - 2e- + 2OH- = 2H2O 2NiOOH +2 e- + 2H2O = 2Ni(OH)2 +2 OH- 2H2O +2 e- = H2 + 2OH- 2 Ni(OH)2 －2 e- + 2OH-= 2NiOOH +2 H2O 典例精讲 【例3】已知铅蓄电池的总反应式为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O，下列说法不正确的是（ ） A．铅蓄电池是二次电池，充电时电能转化为化学能 B．电池充电时，Pb板与电源负极相连 C．电池工作时，负极反应为Pb-2e-=Pb2+ D．电池工作时，H+移向PbO2板 C 26 课堂探究 理解分析 对比学习 （3）锂电池 二、二次电池 负极：Li - e- = Li+ 正极：MnO2 + e- = MnO2- 总反应式：Li + MnO2 = LiMnO2 必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池，使用非水电解质的。原因是构成电池的两个主要成份Li能和氧气水反应。 课堂探究 理解分析 二、二次电池 对比学习 （4）锂离子电池——新一代可充电的电池 1991年，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。 笔记本电脑电池 手机电池 照像机电池 摄像机电池 课堂思考 你知道吗？ 锂电池有什么不足吗？ 金属Li 锂枝晶 资料 锂电池充电过程中，锂金属表面会逐渐析出尖锐的锂枝晶，有可能穿透正负极之间的隔膜，造成电池内部短路，引发电池自燃，造成爆炸。 如何解决这个问题？ 增加隔膜的强度 抑制或阻碍 锂枝晶的形成 meiyangyang8602 你知道吗？ 如何解决这个问题？ 课堂思考 北京时间10月9日下午5点45分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2019年度诺贝尔化学奖授予美国得州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授、纽约州立大学宾汉姆顿分校M.stanley Whittlingham教授和日本化学家Akira Yoshino，以表彰其在锂离子电池的发展方面作出的贡献。 观看 03 锂离子电池 课堂探究 对比分析 三、锂离子电池 探究学习 1.锂离子电池中不含有金属态的锂，它是把锂离子嵌入碳（石油焦炭/石墨）中形成负极。 锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。 锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。 课堂探究 三、锂离子电池 理解辨析 对比学习 2.锂离子电池的发展 2019诺贝尔化学奖得主 斯坦利·惠廷厄姆在1976年提出了第一个嵌入脱出型的正极材料TiS2，这几乎标志着从早期的Li—MnO2一次电池到现代二次锂电池的转变。 Li+ TiS2 资料 TiS2是一种微观上具有层状结构的固体材料。充、放电时，Ti元素的化合价发生变化，层状结构所带电荷量发生改变，锂离子会因此从其中脱出或嵌入。 课堂探究 理解分析 三、锂离子电池 对比学习 2.锂离子电池的发展 Li 固体TiS2 隔膜 含Li+的 电解质溶液 ：Li+ ：e- 放电总反应： Li + TiS2 = LixTiS2 负极：x Li – x e- = x Li+ 正极：TiS2 + x Li+ + x e- = LixTiS2 放电时Li+移向正极 资料:锂电池充电过程中，锂金属表面会逐渐析出尖锐的锂枝晶，有可能穿透正负极之间的隔膜，造成电池内部短路，引发电池自燃，造成爆炸。 课堂探究 理解应用 三、锂离子电池 对比学习 2.锂离子电池的发展 约翰·古迪纳夫发现了LiCoO2等一系列正极材料，减少了枝晶短路的可能，进而大幅提升锂电池的稳定性 。 2019年诺贝尔化学奖得主 钴酸锂LiCoO2 资料:与TiS2类似， LiCoO2也是层状结构，锂离子能在放电与充电的过程中脱出或嵌入，实现物质循环转化。 课堂探究 三、锂离子电池 理解应用 对比学习 2.锂离子电池的发展 负极材料为金属Li，依然属于二次锂电池 放电时的总反应： x Li + Li1-xCoO2 = LiCoO2 负极 Li 正极 固体LiCoO2 隔膜 电解质溶液 ：Li+ ：e- 课堂探究 理解分析 三、锂离子电池 对比学习 2.锂离子电池的发展 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。 2019诺贝尔化学奖得主 负极 LixCy 充电时，电子被石墨层结构得到， Li+仅迁移嵌入石墨层间，依然以Li+形式存在，故不存在金属Li。 课堂探究 三、锂离子电池 理解应用 对比学习 2.锂离子电池的发展 放电时的总反应： LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy 负极 LixCy LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy 放电 充电 充电：x Li+ + Cy + x e- LixCy 课堂探究 三、锂离子电池 理解应用 对比学习 3.锂离子电池的工作原理 课堂探究 三、锂离子电池 理解分析 对比学习 3.锂离子电池的工作原理 三、锂离子电池 课堂探究 理解应用 对比学习 4.锂离子电池的电极反应式 负极 LixCy 负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6 ) 正极材料：钴酸锂(Li1-xCoO2) 电解液：锂导电有机电解液 总反应： 正极：  负极：  放电 阳极： 阴极： 充电 LixC6 +Li1-xCoO2 LiCoO2＋6C 放电 充电 LixC6 － xe－＝ 6C+xLi+ Li1-xCoO2+xe-+xLi+ ＝LiCoO2 6C+xe－+xLi+＝LixC6 LiCoO2－xe- ＝Li1-xCoO2+xLi+  Li+由石墨中脱嵌移向正极，嵌入LiCoO2晶体 Li+从LiCoO2晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中 41 课堂探究 三、锂离子电池 注意 对比学习 中国科学家研究成果简介 2018年10月，南开大学梁嘉杰、陈永胜教授课题组与江苏师范大学赖超课题组合作，成功制备了具有多级结构的银纳米线—石墨烯三维多孔载体，并负载金属锂作为复合负极材料，其同样可抑制锂枝晶产生，从而可实现电池超高速充电，有望大幅延长锂电池“寿命”。 典例精讲 【例4】磷酸铁锂系锂离子电池： LixC6+ Li1-xFePO4 6C+LiFePO4 放电 充电 总反应： 请写出的电极反应式 负极： 正极： 放电 充电 阴极： 正极： 6C +xLi+ + xe- ＝ LixC6 LiFePO4 － xe-＝Li1-xFePO4 + xLi+ LixC6 － xe- ＝ xLi+ + 6C Li1-xFePO4 + xe- + xLi+ ＝ LiFePO4 43 meiyangyang8602 课堂思考 meiyangyang8602 请你思考！ 如何设计连续工作的电池呢？ 思考与讨论 我们知道电解水可以得到氢气和氧气，这是由电能直接转化为化学能的过程。按照能量转化与守恒的观点推测：氢气与氧气反应由化学能转化为电能的过程也可能实现。这一过程到底能否实现呢？是怎样发生的呢？ 利用下面反应，设计能够连续提供电能的原电池。 2H2 + O2 2H2O 实验用品：H2、O2、稀硫酸、石墨棒、试管、U形管、导管、导线、电流表等。 观看 04 燃料电池 meiyangyang8602 课堂探究 重点理解 四、燃料电池 实验探究 课堂探究 四、燃料电池 理解分析 探究学习 1.燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 ① 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能。 ② 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作。 绘制实验装置图，并思考： ①电池中的电极反应是什么； ②装置是如何实现连续工作的。 meiyangyang8602 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 探究学习 2.氢氧燃料电池 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 3.氢氧燃料电池工作原理，电极反应 对比学习 正极: O2 负极： 燃料 酸性电解质 溶液：H2SO4 H+ 稀 硫 酸 正极： 负极： 2H2 – 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 总反应： 2H2 + O2 = 2H2O 由于燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出，因此可以实现连续供电。 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 （1）中性介质Na2SO4溶液 对比学习 3.氢氧燃料电池工作原理，电极反应 Na2SO4溶液 负极：2H2－4e－ ＝ 4H+ 正极：O2＋2H2O＋4e- ＝ 4OH－ 总反应：2H2＋O2 ＝ 2H2O 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 对比学习 （2）酸性介质H2SO4溶液 3.氢氧燃料电池工作原理，电极反应 H2SO4溶液 负极： 2H2－4e－ ＝ 4H+ 正极：O2＋4H＋＋4e－ ＝ 2H2O 总反应： 2H2＋O2 ＝ 2H2O 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 对比学习 （3）碱性介质KOH溶液 3.氢氧燃料电池工作原理，电极反应 KOH溶液 负极：2H2＋4OH-－4e－ ＝ 4H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－＝ 4OH－ 总反应：2H2＋O2 ＝ 2H2O 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 4.理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%，由燃料电池组合成的发电站被誉为“绿色发电站”。 对比学习 能连续不断地提供电能 典例精讲 【例5】写出甲烷燃料电池（CH4-O2-KOH溶液）的电极反应式 CH4 +10OH- -8e- = CO32-+7H2O CH4 + 2O2 +2OH- =3H2O+ CO32- 2O2+8e-+4H2O = 8OH- 负极： 正极： 总反应: 第一步　确定生成物 故CH4的最终产物为CO32-和H2O； 第二步　确定价态变化及电子转移 54 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 对比学习 4.固体燃料电池 以熔融金属氧化物为介质，高温下能传导O2- 电池总反应： 2H2 +O２ = 2H2O O2 + 4e-= 2O2- 正极： 2H2 - 4e- +2O2-= 2H2O 负极： 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 对比学习 5.熔融盐电池 比如用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为负极反应物，空气与CO2的混合气为正极反应物，制得在650 ℃下工作的燃料电池。高温下能传导CO32-，在工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变。 正极：O2＋2CO2＋4e－ ═ 2CO32－； 负极：2CO＋2CO32-－4e－ ═ 4CO2； 总反应：2CO＋O2 ═ 2CO2。 课堂探究 四、燃料电池 重点理解 6.燃料电池电极反应式书写的注意事项 探究学习 (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)燃料电池正极反应的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。 (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H＋；酸性溶液电极反应式不能出现OH－。 课堂小结 一次电池 燃料电池 二次电池 放电后不可再充电。 （干电池） 铅蓄电池、锂离子电池等 (可充电电池) 放电后可再充电而反复使用。 可以连续不断地提供电能。 电极反应式 化学电源 58 随堂演练 1.电子表和电子计算器的电源通常用微型银—锌电池，其电极分别是Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为 Ag2O＋H2O＋Zn=Zn(OH)2＋2Ag。下列说法正确的是( ) A.Ag2O是正极，Zn是负极 B.Zn是正极，Ag2O是负极 C.工作时，电池负极区溶液pH增大 D.工作时，电子由Ag2O极经外电路流向Zn极 A 59 随堂演练 2. 随着人类环保意识的增强，新能源汽车有了长足的发展，锂离子电池被广泛使用，其充、放电过程就是锂离子的嵌入和脱嵌的过程，电池反应为Li1-xMO2 +C6Li LiMO2 +C6Li1-x (M代表过渡元素，x<1)，其工作原理如图所示，下列说法正确的是（ ） A ．该电池总反应为可逆反应  B ．电池放电时a为负极，充电时a为阴极 C ．该电池充、放电时会有金属锂生成，电解液中一定不能有水    D ．电池充电时阴极的电极反应式为C6Li1-x +xLi+ + xe- == C6Li D 60 4.将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CO和O2，即可产生电流，称为燃料电池，下列叙述正确的是( ) ①通入CO的电极为正极； ②正极的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－=4OH－； ③通入CO的电极反应式是2CO＋O2－4e－=2CO2； 随堂演练 B ⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动； ⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动。 A.①③⑤ B.②④⑥ C.④⑤⑥ D.①②③ 61 演示完毕 感谢聆听 https://www.zxxk.com/user/13354804 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 SO Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Lavf57.83.100 CH4 H4－8e－―→O＋H2O； CH4-8e－+10OH－===CO+7H2O。 第三步　依据电解质性质，用OH－使电荷守恒 CH4－8e－＋10OH－―→CO＋H2O； ④负极的电极反应式是CO＋4OH－－2e－=CO＋2H2O； $$