4.2 原电池和化学电源 第2课时（教学课件）化学沪科版2020选择性必修1

第四章 化学反应与电能 第二节 原电池 课时2 化学电源 电极反应式的书写 2 化学电源种类 1 1.了解化学电源的种类，包括一次电池、二次电池和燃料电池的构造和原理。 3.理解化学电源在生活、生产和科研中的应用，以及废旧电池回收利用的重要性。 2. 掌握不同类型化学电源电极反应式的书写方法，如普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、锌银电池、铅酸电池、氢燃料电池等在不同电解质条件下的电极反应式。 化学电源广泛的应用于生活、生产和科研中，那么：电池是工作原理是什么?如何产生电流的? 干电池 铅酸电池 镍氢电池 燃料电池 锂电池 银锌电池 不同用途的电池 一次电池 二次电池 燃料电池 燃料电池 干电池 铅酸电池 锂电池 只放电，不能充电 连续将燃料和氧化剂的 化学能直接转化为电能 (可充电电池) (蓄电池) 放电后可以再充电 而反复使用 (转化率超80%，污染轻) (原电池) (干电池) 化学电源 普通锌锰干电池(酸性) 锌筒：____ 电极反应：_____________________________ 石墨棒：____ 电极反应：_____________________________________ NH4Cl糊的作用：____________ 负极 正极 电解质溶液 Zn－2e-＋2NH3＝[Zn(NH3)2]2+ 2NH4+＋2MnO2＋2e-＝2NH3＋2MnO(OH) Zn＋2NH4+＋2MnO2＝ [Zn(NH3)2]2+ ＋2MnO(OH) 总反应 化学电源 剖析：一次电池 原因1：新电池易发生自放电，使存放时间缩短，放电后电压下降较快。 原因2：电解质氯化铵为酸性，会腐蚀电池的锌筒且反应有氢气生成，易造成电池膨胀及漏液现象。 普通锌锰干电池曾一度长期占据市场，但现在却逐渐被替代，为什么呢? 单液电池 Zn 石墨棒 NH4Cl MnO2 NH4Cl ZnCl2 A 普通锌锰干电池内部结构 碱性锌锰干电池 正极 锌：____ 电极反应：_________________________ KOH的作用：____________ 总反应 Zn＋2MnO2＋2H2O＝2MnO(OH)＋Zn(OH)2 MnO2：____ 电极反应：____________________________________ 2MnO2＋2H2O＋2e-＝2MnO(OH)＋2OH- 电解质溶液 负极 Zn－2e-＋2OH-＝Zn(OH)2 化学电源 剖析：一次电池 特点：比普通锌锰电池性能好，其比能量和可储存时间均有所提高。 碱性干电池增大了正负极间的相对面积，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，锌变成粉末状，同时采用反应活性更高的二氧化锰粉。 碱性锌锰干电池产生大电流和高电压 双液电池 铜针 Zn粉 KOH MnO2 KOH A 碱性锌锰干电池内部结构 离子型导电隔膜 金 属 外 壳 化学电源 剖析：一次电池 该电池的体积比能量是所有电池系列中最高的，由此制备的小而薄的“纽扣式”电池的使用效果十分理想。 锌银电池(即锌－氧化银电池) 总反应：________________________________ 负极：_________________________________ 正极：__________________________________ Zn－2e-＋2OH-＝Zn(OH)2 Ag2O＋2e-＋H2O＝2Ag＋2OH- Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2 化学电源 剖析：一次电池 铅酸电池 总反应：________________________________ 负极：_________________________________ 正极：__________________________________ Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O 放电过程的总反应及电极反应式 PbO2＋4H+＋SO42-＋2e- ＝PbSO4＋2H2O Pb＋SO42-－2e-＝PbSO4 隔板作用：______________________________ 为了避免正、负极板因接触而短路 化学电源 剖析：二次电池 优点：电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉 充电过程与上述过程相反 (电解池模块) 化学电源 剖析：二次电池 目的：使电极反应物和产物富集在电极材料表面，充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。 Pb PbSO4 放电 充电 负极 PbO2 PbSO4 放电 充电 正极 铅蓄电池的电极反应物(Pb、PbO2)和放电后的产物(PbSO4)均以固体形式附着在电极材料表面，分析这样设计的目的。 锂离子电池 化学电源 剖析：二次电池 锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，锂离子电池具有体积小、能量密度高、工作温度范围宽、使用寿命长等优点；但成本较高、耐高温性较差、需防止被过充放电、存在自燃的危险。 锂离子电池 化学电源 剖析：二次电池 充电时，正极材料发生氧化反应，Li+ 从正极脱嵌，经过电解液，穿过隔膜，到达负极发生还原反应，插入层状石墨中，负极由贫锂状态到富锂状态。 负极：层状石墨材料 正极：含锂的化合物 化学电源 剖析：二次电池 电池总反应： 负极： Li(1－x)CoO2＋xLi＋＋xe－＝LiCoO2 LixC6－xe－＝6C＋xLi＋ 正极： 锂离子电池 ——以钴酸锂-石墨锂电池为例 LixC6＋Li(1-x)CoO2＝LiCoO2＋6C 废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对生态环境和人体健康造成危害。因此，应当重视废旧电池的回收利用，这样既可以减少环境污染，又可以节约资源。 2022北京冬奥会的成功举办，不但给全世界留下了精彩纷呈的冰雪记忆，也创造了多项令人激动的世界“首次”。对于城市文化而言，北京市由此成为世界上的首座双奥之城，而对于汽车行业来说，北京冬奥则成为世界奥林匹克历史上，首次大规模应用新能源车型(氢燃料电池车) 的一届盛会。 燃料电池的特点 特点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。 特点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。 化学电源 剖析：燃料电池 分析：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 负极 正极 H2 － 2e- ＝ 2H+ O2 ＋2H+ ＋2e- ＝ H2O 1 2 H2 ＋ O2 ＝ H2O 1 2 总反应 H2 O2 (吸附效果更好) (pH↓) (pH↑) 电解质溶液呈酸性(H2SO4) 化学电源 剖析：燃料电池 分析：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 负极 正极 总反应 H2 O2 (吸附效果更好) 电解质溶液呈碱性(KOH) H2－2e-＋2OH-＝2H2O O2＋H2O＋2e-＝2OH- 1 2 H2 ＋ O2 ＝ H2O 1 2 (pH↓) (pH↑) 化学电源 剖析：燃料电池 燃料电池具有广阔的发展前景。除了氢气，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体均可作燃料电池的燃料。燃料电池将化学能转化为电能的转化率超过80％，远高于转化率仅30％ 多的火力发电，大大提高了能源的利用率。 甲烷 (CH4) 肼(N2H4) 甲醇(CH3OH) 氨(NH3) 思考：酸性(碱性)条件下，甲烷、肼、甲醇、氨作为燃料时，负极的电极反应式? 分析：以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 负极 正极 总反应 CH4 O2 (吸附效果更好) 电解质溶液呈酸性(H2SO4) CH4－8e-＋2H2O＝CO2＋8H+ (pH↓) (pH↑) O2＋4H+＋4e-＝2H2O CH4＋2O2＝CO2＋2H2O 配平小技巧：用H+调电荷守恒 化学电源 剖析：燃料电池 CH4 O2 电解质溶液呈碱性(KOH) (pH↓) (pH↑) 配平小技巧：用OH-调电荷守恒 CH4－8e-＋10OH-＝CO32-＋7H2O CH4＋2O2＋2OH-＝CO32-＋3H2O O2＋4e-＋2H2O＝4OH- 负极 正极 总反应 分析：以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料 (吸附效果更好) 化学电源 剖析：燃料电池 碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液) 肼[联氨](N2H4)—燃料电池 正极 O2＋4e-＋2H2O＝4OH- 负极 正极 O2＋4e-＋4H+＝2H2O 负极 N2H4＋O2＝N2↑＋2H2O N2H4＋4OH-－4e-＝N2↑＋4H2O N2H4－4e-＝N2↑＋4H+ N2H4＋O2 ＝N2 ↑＋2H2O 酸性电解质(铂为两极、电解液为H2SO4溶液) 总反应 总反应 化学电源 剖析：燃料电池 碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液) 酸性电解质(铂为两极、电解液为H2SO4溶液) 2CH3OH＋3O2＝2CO2 ↑ ＋4H2O CH3OH－6e-＋8OH-＝CO32-＋6H2O 2CH3OH＋3O2＋4KOH＝2K2CO3＋6H2O CH3OH－6e-＋H2O＝6H+＋CO2↑ 甲醇(CH3OH)—燃料电池 正极 O2＋4e-＋2H2O＝4OH- 正极 O2＋4e-＋4H+＝2H2O 负极 总反应 负极 总反应 化学电源 剖析：燃料电池 氨气为碱性气体，易与酸反应，故电解质溶液应呈碱性。 2NH3＋6OH-－6e-＝N2＋6H2O 4NH3＋3O2═2N2＋6H2O 碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液) 氨(NH3)—燃料电池 正极 O2＋4e-＋2H2O＝4OH- 负极 总反应 化学电源 剖析：燃料电池 分析：固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质(ZrO2/Y2O3)。固体氧化物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。 化学电源 剖析：燃料电池 正极 负极 总反应 H2 － 2e- ＋ O2-＝H2O O2 ＋ 4e-＝2O2- H2 ＋ O2 ＝ H2O 1 2 燃料为H2 分析：固体氧化物燃料电池 化学电源 剖析：燃料电池 思考：当甲烷或乙烯作为燃料时，负极的电极反应式? O2 ＋ 4e-＝2O2- O2 ＋ 4e-＝2O2- CH4－8e-＋4O2- ＝CO2＋2H2O C2H4－12e-＋6O2- ＝2CO2＋2H2O 燃料为甲烷 正极 负极 燃料为乙烯 正极 负极 固体氧化物燃料电池 分析：熔融碳酸燃料电池 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。其电解质是熔融态碳酸盐。 负极 正极 总反应 H2＋CO32--2e-＝CO2＋H2O O2＋2CO2＋4e-＝2CO32- H2 ＋ O2＝H2O 1 2 DALUHUAXUEGOGNZUOSHI 燃料为H2 化学电源 剖析：燃料电池 思考：当甲烷或丁烷作为燃料时，负极的电极反应式? 熔融碳酸燃料电池 燃料为甲烷 正极 负极 燃料为丁烷 正极 负极 O2＋2CO2＋4e-＝2CO32- O2＋2CO2＋4e- ＝ 2CO32- CH4－8e-＋ 4CO32-＝5CO2＋2H2O C4H10－26e-＋ 13CO32-＝17CO2＋5H2O 思考：写出CO-O2-熔融碳酸盐燃料电池的电极反应式? 正极 负极 O2 ＋ 4e- ＋ 2CO2＝2 CO32- 2CO－4e-＋ 2CO32-＝4CO2 【典例1】化学电源在日常生活和高科技领域中都有广泛应用。下列说法正确的是 A．图甲：锂电池放电时，电解质中Li+向锂电极迁移 B．图乙：负极的电极反应式为 C．图丙：锌筒作负极，发生氧化反应，锌筒会变薄 D．图丁：电池放电过程中，稀硫酸的浓度不变 C 【典例2】如下图为甲醇燃料电池的工作原理示意图，下列有关说法不正确的是 A．该燃料电池工作过程中电子从a极通过负载流向b极 B．该燃料电池工作时电路中通过1mol电子时，标况下消耗的O2的体积为5.6L C．Pt(a)电极的反应式为 D．该燃料电池工作时H+由b极室向a极室移动 D 柔性电池是一种可以弯曲和扭曲的电池。相比传统的刚性电池，柔性电池在设计和使用上提供了更多的灵活性，可应用于医疗设备、生物医学传感器、柔性显示器和智能手表等。 柔性电池的制作材料和技术各不相同，常见的包括锂离子电池、固态电池、有机电池等。这些电池通常由薄膜材料构成，可通过印刷、涂布、挤出等方法制造。 引领电池技术革新的薄型柔性电池 1.某干电池的工作原理示意图，总反应：Zn＋2NH4+=Zn2+＋2NH3↑＋H2↑，下列说法正确的是(　　) A．石墨为电池的负极 B．电池工作时NH4+被氧化 C．实现了电能向化学能的转化 D．电子由Zn电极经外电路流向石墨电极 D 2．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)  A．通入氧气的电极发生氧化反应 B．通入氢气的电极为正极 C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极 D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O D 3．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．反应CH4＋H2O 3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH-－2e- =2H2O C．电池工作时，CO32-向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e-=2CO32- D 4．我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　　) A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极 B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替 C．电池总反应为2Li＋2H2O=2LiOH＋H2↑ D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气 B 5．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　) A．有O2参加反应的电极a为电池的负极 B．多孔电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－=H2O C．多孔电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－ D．该电池的总反应式为2H2＋O2=2H2O D 课时2 化学电源 一次电池 二次电池 燃料电池 构造 原理 构造 原理 构造 原理 燃料 感谢 您的聆听 THANKS