第二单元 化学能与电能的转化 第2课时（教学课件） 化学苏教版2019选择性必修1

专题1 化学反应 与能量变化 第二单元 化学能与电能的转化 第2课时 化学电源 苏教版2019选择性必修1 二次电池的性质 2 化学电源 一次电池 1 知识导航 燃料电池 3 知识导航 明·学习目标 1.能列举常见的化学电源，了解化学电源的分类及构成，并分析其工作原理； 2.能熟练书写常见的化学电源的电极反应式； 3.能利用原电池原理设计并制作简单的燃料电池。 引·新课导入 利用原电池原理人们设计和生产除了形形色色的化学电源。 你知道上述用电器使用了什么种类的化学电源吗？ 01 化学电源 一次电池 1.化学电源 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （1）分类 类型 特点 一次电池 发生氧化还原反应的物质（活性物质）大部分被消耗后就不能再使用 二次电池 又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，使活性物质获得再生，可以多次重复使用 燃料电池 利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池，能连续不断地提供电能 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 化学电源 一次电池 二次电池 燃料电池 普通锌锰电池 碱性锌锰电池 银锌纽扣电池 铅蓄电池 银锌蓄电池 锂离子电池 氢氧燃料电池等 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （2）性能优劣的判断标准: ① 比能量 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 指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。 ③ 可储存时间（寿命） 由电池的充放电次数和保质期共同决定。 小结 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，更易满足使用者要求。 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （3）回收利用: 使用后的废旧电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染。废旧电池要进行回收利用。 不断研制小型化、高比能量、工作寿命长、 不需要特殊维护的二次电池是电池的发展方向。 （4）发展方向: 2.一次电池 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （1）普通锌锰干电池 锌筒 石墨棒 普通锌锰干电池的结构 MnO2、C NH4Cl、ZnCl2 等 ①构造 负极：锌筒 正极：石墨棒 电解质溶液：氯化铵和氯化锌 ②工作原理 负极： Zn - 2e- +2NH3= [Zn(NH3)2]2+ 正极：MnO2+e-+NH4+ = MnOOH+NH3↑ 电池反应式：Zn＋2NH4+＋2MnO2=[Zn(NH3)2]2+＋2MnOOH 优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （2）碱性锌锰电池 ①构造 负极反应物：锌粉 正极反应物：二氧化锰 电解质溶液：氢氧化钾溶液 ②工作原理 负极：Zn + 2OH- -2e- =Zn(OH)2 正极：2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnOOH+2OH- 电池反应式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2 优点：比能量大、能提供较大电流并连续放电 缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵 探·知识奥秘 一、化学电源 一次电池 （3）银锌纽扣电池 ①构造 负极反应物：锌粉 正极反应物：Ag2O 电解质溶液：氢氧化钾溶液 ②工作原理 负极：Zn + 2OH- -2e- =Zn(OH)2 正极：Ag2O+2e-+2H2O=2Ag+2OH- 电池反应式：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag 优点：比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。 广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器 1．日常所用锌锰干电池的电极分别为锌筒和石墨棒，以糊状NH4Cl作电解质，电极反应为Zn－2e－＋2NH4+=Zn(NH3)22+＋2H＋，2MnO2＋2H＋＋2e－=2MnOOH。下列有关锌锰干电池的叙述正确的是(　　) A．干电池中锌筒为正极，石墨棒为负极 B．干电池可实现电能向化学能的转化 C．干电池长时间连续工作后，糊状物可能流出，腐蚀用电器 D．干电池工作时，电流方向是由锌筒经外电路流向石墨棒 析·典型范例 C 2．体温枪能快速检测人体体温，该体温枪所用的电池为一种银锌电池(如图所示)，电池的总反应式为Zn＋Ag2O＋H2O=Zn(OH)2＋2Ag。下列关于该电池的说法正确的是(　　) A．Ag2O电极作正极，发生氧化反应 B．该电池放电时溶液中的K＋向Zn电极移动 C．电池工作时，电流从Ag2O电极经过隔板 流向Zn电极 D．该电池的负极反应为Zn－2e－＋2OH－=Zn(OH)2 析·典型范例 D 02 二次电池 探·知识奥秘 二、 二次电池 1.铅蓄电池 【思考】充电反应是上述反应的逆过程，应该如何书写电极反应式呢？ ①构造： 由两组平行的栅状铅合金极板交替排列作为主架，正极板上覆盖PbO2，负极板上覆盖Pb，电解质是硫酸 ②放电原理：放电反应是原电池反应 负极：Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O 放电总反应式：Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O 探·知识奥秘 二、 二次电池 Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 铅蓄电池的充放电原理可用下列化学方程式表示： 放电 充电 ③充电原理：充电反应是放电反应的逆过程 充电总反应式：2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋2H2SO4 阴极：PbSO4 +2e-＝Pb + SO42- 阳极：PbSO4 + 2H2O +2e-＝PbO2 + 4H+ + SO42- 优点：性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电。 缺点：比能量低，废弃后会污染环境等。 探·知识奥秘 2.锂离子电池 二、 二次电池 ①构造：正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4）或钴酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌结构的化合物；负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。电解质溶液是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中。 ②工作原理： 放电总反应式：LixC6＋Li(1－x)CoO2=LiCoO2＋6C 负极：LixC6－xe－=xLi＋＋6C 正极：Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－=LiCoO2 在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充 电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，Li＋在正、负极间不断地进行可逆脱嵌。 优点：质量小、体积小、储存和输出能量大，广泛用于便携式电子设备(手机、笔记本电脑等)、交通工具(电动汽车、电动自行车等)、大型储能电站等 (1)甲装置中正极为________，电极反应式为__________________， 负极为__________，电极反应式为________________。 1．如图为铅蓄电池示意图，其总反应为： 下列说法错误的(　　) 析·典型范例 A．放电时，左侧电极反应式为 PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O B．放电时，电解质溶液的浓度逐渐增大 C．充电时，B电极与外接直流电源的负极相连 D．放电时，两电极的质量均增大 B (1)甲装置中正极为________，电极反应式为__________________， 负极为__________，电极反应式为________________。 2．放电时,Na+从负极脱嵌,经电解质嵌入正极,总反应为NaC6+Na1-xMO2 NaMO2+Na1-xC6(0≤x≤0.55,M为过渡金属)，下列叙述错误的是 ( 　) 析·典型范例 A.充电时,Na+从过渡金属氧化物中脱嵌,经电解质嵌入石墨烯纳米片 B.放电时,电子从石墨烯纳米片流出经外电路流入过渡金属氧化物 C.充电时,过渡金属氧化物上发生的电极反应为 Na1-xMO2+xe-+xNa+= NaMO2(0≤x≤0.55) D.放电时,负极上发生的电极反应为 NaC6-xe- =Na1-xC6+xNa+(0≤x≤0.55) C 03 燃料电池 三、 燃料电池 探·知识奥秘 1. 燃料电池 (1)构成： 以还原剂(氢气、煤气、烃、肼、氨、甲醇等)为负极反应物； 以氧化剂(一般是氧气或空气)为正极反应物； 电极材料不参与氧化还原反应，一般具有很强的催化活性，多采用多孔碳或多孔镍、铂、钯等； 电解质可以是电解质溶液(碱性、酸性、中性)，也可以是固体电解质或熔融盐等 (2)特点： 氧化剂和还原剂在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池，因此燃料电池能连续不断地提供电能。 三、 燃料电池 探·知识奥秘 2. 氢氧燃料电池 (1)基本构造 (2)工作原理(电解液为KOH溶液) 氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生氧化反应和还原反应。 负极：2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- 电池总反应式：2H2+O2 = 2H2O (3)优点 ①能量转换率高，有利于节约能源。 ②排放的废弃物少，绿色环保。 扬州首批氢能公交车 三、 燃料电池 探·知识奥秘 3. 基础实验——制作简单的燃料电池 (1)实验步骤 ①将石墨棒和玻璃导管插入橡胶塞中，注意调节石墨棒和玻璃导管伸入U形管内的长度； ②将橡胶塞塞入U形管管口中，检查气密性，标记橡胶塞底部到达的位置； ③取出橡胶塞，往U形管中注入适量6 mol·L－1稀硫酸，以接近橡胶塞底部标记的位置为宜； ④塞紧橡胶塞，接通学生电源，观察实验现象；当一端玻璃管内的液柱接近溢出时，切断学生电源； ⑤取出时钟内的干电池，将导线与时钟的正、负极相连，观察时钟指针。 (2)实验现象 ①接通学生电源，两个石墨棒上都有气泡产生，U形管内液面下降，玻璃管液面上升。 ②连接时钟，时钟指针又开始走动。 三、 燃料电池 探·知识奥秘 【思考】结合实验现象，请思考以下问题： （1）连接石英钟时，如何判断燃料电池的正、负极？请 说明理由。 （2）什么现象可以证明处于不同电极的氢气和氧气发生了反应？ 连接时钟，时钟指针又开始走动。 接通学生电源时，玻璃管内液柱先接近溢出的电极产生的气体是H2，该电极为燃料电池的负极；另外一个电极产生的是O2，该电解为燃料电池的正极。 三、 燃料电池 探·知识奥秘 4. 氢氧燃料电池的四种常见类型 名称 电解质 电极反应和总反应 酸性氢氧燃料电池 H2SO4 负极： 正极： 总反应：2H2+O2=2H2O 碱性氢氧燃料电池 KOH 负极： 正极： 总反应：2H2+O2=2H2O 熔融盐氢氧燃料电池 熔融碳酸盐 负极： 正极： 总反应：2H2+O2=2H2O 固体氧化物燃料电池 固体氧化物 负极： 正极： 总反应：2H2+O2=2H2O 2H2-4e-=4H+ O2+4H++4e-=2H2O 2H2-4e-+4OH-=4H2O O2+2H2O+4e-=4OH- 2H2-4e-+2CO32－=2CO2+2H2O 2CO2+4e-+O2= 2CO32－ 2H2-4e-+2O2-=2H2O O2+4e-=2O2- A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 1．如图为氢氧燃料电池工作原理示意图，下列叙述不正确的是(　　) 析·典型范例 A．a电极是负极 B．b电极的电极反应为 4OH－－4e－=2H2O＋O2↑ C．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D．氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置 B 甲烷燃料电池 ①电解质溶液：KOH溶液 正极：________________________________；负极：________________________________； 总反应：________________________________。 ②电解质溶液：稀硫酸 正极：________________________________； 负极：________________________________； 总反应：________________________________。 2．从理论上讲，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，如甲烷、乙醇、肼(N2H4)等。请写出以下甲烷燃料电池的总反应和电极反应： 析·典型范例 （1）电解质溶液：稀硫酸 总反应：________________________________ 正极：________________________________ 负极：________________________________ （2）电解质溶液：KOH溶液 总反应：________________________________ 正极：________________________________ 负极：________________________________ CH4＋2O2 = CO2＋2H2O 2O2＋8H＋＋8e－= 4H2O CH4＋2H2O－8e－ = CO2＋8H＋ CH4＋2O2＋2OH－= CO32-＋3H2O 2O2＋4H2O＋8e－= 8OH－ CH4＋10OH－－8e－= CO32-＋7H2O 含碳化合物的燃料电池，碱性条件下的氧化产物为碳酸盐，而非二氧化碳！ 理·核心要点 化学电源 一次电池 二次电池 锂离子电池 普通锌锰干电池 碱性锌锰电池 银锌纽扣电池 铅蓄电池 一次电池 氢氧燃料电池 制作燃料电池 四种类型 其他燃料电池 1．研究发现一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，其在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如图为酸性有机污水处理的实验装置。下列说法正确的是(　　) A．工作过程中正极室的溶液pH降低 B．工作过程中H+由正极室向负极室迁移 C．若底物为CH3CHO，且放出44 g CO2，至少消 耗28.0 L O2 D．若底物为CH3CHO，则负极反应式为 CH3CHO-10e-+3H2O=2CO2↑+10H+ 练·技能实战 D 选项 M N P A 锌 铜 稀硫酸 B 铜 铁 稀盐酸 C 银 锌 硝酸银溶液 D 锌 铁 硝酸铁溶液 2．镁-锑液态金属电池是新型二次电池，白天利用太阳能给电池充电，夜晚电池可以给外电路供电。该电池利用液体密度不同，在重力作用下分为三层，工作时中间层熔融盐的组成及浓度不变，工作原理如图所示。下列有关说法错误的是(　　) 练·技能实战 C A．放电时，Cl－向上层方向移动 B．放电时，Mg(液)层的质量减小 C．充电时，Mg-Sb(液)层作阴极 D．充电时，阴极的电极反应式为 Mg2＋＋2e－= Mg A．1-氯丙烷 B．1，2-二氯丙烷 C．1-氯丙烯 D．2-氯丙烯 3．全钒液流储能电池一次性充电后，续航能力可达1 000 km，而充电时间只需3～5 min，被誉为“完美电池”，其原理如图所示(已知溶液中V2＋呈紫色，V3＋呈绿色)。电池放电时，左槽溶液质量增加。下列说法正确的是(　　) 练·技能实战 A．充电时右侧石墨棒作阳极 B．放电时的正极反应：V3＋＋e－= V2＋ C．放电过程中，右槽溶液由紫色变为绿色 D．充电时的阴极反应： VO2+＋2H＋＋e－= VO2＋＋H2O C 4．高铁电池是一种新型可充电电池，与普通电池相比，该电池能较长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应式为3Zn＋2K2FeO4＋8H2O=3Zn(OH)2＋2Fe(OH)3＋4KOH。请回答下列问题： 练·技能实战 (1)高铁电池的负极材料是_____，放电时负极反应式为_______________________________，放电时，_______(填“正”或“负”)极附近溶液的碱性增强。 (2)充电时，正极上发生______(填“氧化”或“还原”)反应，此时正极上发生的反应式为________________________________________。 Zn 3Zn＋6OH－－6e－ = 3Zn(OH)2 氧化 正 2Fe(OH)3＋10OH- -6e- = 2FeO42-＋8H2O 感谢 您的聆听 THANKS 苏教版2019选择性必修1 $$