4.1.2 化学电源课件2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

高中化学 人教版选择性必修1 第四章 化学反应与电能 第1节　原电池 第2课时 化学电源 学习目标 1、了解化学电源的种类及其工作原理，知道化学电源在生产、 生活和国防中的实际应用，发展“科学态度与社会责任”学科核心素养。 2、认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要作用。 3、掌握一次电池、二次电池、燃料电池的反应原理，会书写电极反应式。 4、了解新型电池的工作原理，发展“证据推理与模型认知”学科核心素养。 电池的发展历程 1980年，古迪纳夫发明了一种新型的锂电池，它以最小的体积提供最大的能量，因此能量密度大大提高。目前被广泛使用。 1859年，法国物理学家普兰特发明了最早可充电电池铅酸电池，即铅酸蓄电池。这种电池开创了一个时代。 2 1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 1839年，格罗夫第一个提出氢氧燃料电池装置，在中大型汽车、货车这一部分有着非常好的应用前景。 1 3 4 5 1800年，意大利化学家亚历山德罗，成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”； 世界上第一个电池 最早的干电池 蓄电池的诞生 锂离子电池的发明 冉冉升起的燃料电池 P101 科学实话 知识梳理 1、概念: 将化学能变成电能的装置 3、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 ③方便携带，易于维护，可在各种环境下工作。 2、电池优劣的判断标准: ① 比能量 ［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］ ② 比功率 [单位：（W/kg，W/L)] ③ 电池的可储存时间的长短 化学电源 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 锌银纽扣电池 放电后不可再充电的电池，也叫干电池(电解液制成胶状，不流动)。 放电后可以再充电而反复使用的电池，又称可充电电池或蓄电池。 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。 知识梳理 4、分类: 化学电源 电极反应物 负极： 正极： 电极材料 负极： 正极： 电解质溶液 总反应式 负极反应式 正极反应式 Zn MnO2 NH4Cl 糊 2MnO2＋2e－＋2H+ ＝ 2MnO(OH) Zn－2e－＋2NH4＋ ＝ Zn(NH3)22+ + 2H+ Zn+2NH4Cl+2MnO2＝Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH) 优点：制作简单价格便宜，曾一度长期占据市场，但现在却逐渐被替代 缺点：一方面是会发生自放电；另一方面电解质氯化氨为酸性，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(酸性) Zn 石墨棒 双液原电池 一次电池 电极反应物 负极： 正极： 电极材料 负极： 正极： 电解质溶液 总反应式 负极反应式 正极反应式 Zn MnO2 KOH Zn－2e－ ＋2OH－= Zn(OH)2 2MnO2＋2H2O＋2e－ = 2MnO(OH)＋2OH－ Zn＋2MnO2＋2H2O = 2MnO(OH)＋Zn(OH)2 碱性锌锰干电池 Zn 石墨棒 优点：容量高，能大电流连续放电； 优良的低温性能、储存性能和防漏性能。 双液原电池 一次电池 课 堂 练 习 ☁ 学案33：对点练 ☁ 银锌纽扣电池的电池反应式为：Zn + Ag2O + H2O = Zn(OH)2 + 2Ag。下列说法不正确的是（ ） A．锌作负极，失去电子 B．正极为Ag2O，发生还原反应 C．电池工作时，电子从Ag2O经导线流向Zn D．正极的电极方程式为：Ag2O + 2e－ + H2O = 2Ag + 2OH－ C 二次电池的思维模型 还原反应 氧化反应 阴极 阳极 充电 可充电电池 放电 氧化反应 负极 还原反应 正极 外接电源负极，同一电极 正接正后作阳极，负接负后作阴极 外接电源正极，同一电极 二次电池 电极材料 负极： 正极： 电解质溶液 总反应式 负极反应式 正极反应式 Pb PbO2 稀硫酸 PbO2＋2e- ＋4H+＋SO42-＝PbSO4＋2H2O Pb－2e-＋SO42-＝PbSO4 Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O 铅酸蓄电池(放电) 放电一段时间后，负极Pb的质量如何变化？电解液H2SO4浓度如何变化？ ① 负极的质量增大（因为生成了硫酸铅附着在负极材料上） ② 电解液H2SO4浓度减小 因为H+参与了正极反应，被消耗，SO42-生成了硫酸铅，也被消耗 二次电池 如何书写铅酸蓄电池的充电反应？ 核心思路：充电反应是放电反应的逆过程 电极材料 阴极： 阳极： 总反应式 阴极反应式 阳极反应式 优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。 缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境。 Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 与外接电源负极相连 与外接电源正极相连 PbSO4 +2e- = Pb + PbSO4 - 2e- +2H2O = PbO2 + 4H++ 二次电池 课 堂 练 习 ☁ 学案33：对点练 ☁ 关于二次电池铅蓄电池的说法中错误的是(　　) A．在放电时，该电池的负极质量增加 B．在放电时，电池中硫酸的浓度减小 C．当两极物质都转化为PbSO4时，铅蓄电池将停止工作 D．在放电时，正极发生的反应是：Pb＋SO42- = PbSO4＋2e- D 课 堂 练 习 ☁ 学案33：3 ☁ 生产铅蓄电池时，在两极板上的铅、锑合金棚架上均匀涂上膏状的PbSO4，干燥后再安装，充电后即可使用，发生的反应是2PbSO4＋2H2O PbO2＋Pb＋2H2SO4 下列对铅蓄电池的说法错误的是(　　) A．需要定期补充硫酸 B．工作时铅是负极，PbO2是正极 C．工作时负极上发生的反应是Pb－2e－＋SO42- = PbSO4 D．工作时电解质的密度减小 A 充电 放电 镍氢电池 放电 负极反应式 正极反应式 总反应式 电解质液：KOH溶液 充电 阴极反应式 阳极反应式 H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2 放电 充电 H2 - 2e- + 2OH- = 2H2O 2NiOOH + 2e- + 2H2O = 2Ni(OH)2 + 2OH- 2H2O + 2e- = H2 + 2OH- 2Ni(OH)2 －2e- + 2OH- = 2NiOOH + 2H2O 优点：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。 缺点：小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车。 二次电池 它是新一代可充电的绿色电池，现已成为笔记本电脑、移动电话、摄像机等低功耗电器的主流。 优点：体积小重量轻，储存和输出能量大，使用寿命较长； 缺点：不能过充或者过放，价格较贵 锂离子电池 以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中常用的是钴酸锂电池。其负极材料为嵌锂石墨，石墨是多层结构，可以容纳锂电池的锂原子，钴酸锂LiCoO2为正极材料。 笔记本电脑电池 手机电池 二次电池 过充或者过放会导致压力过大正极结构被破坏或者电解质溶液被分解 0 +1 负极： 正极： 阳极： 阴极： 总反应： 放电时：Li+由石墨中脱嵌移向正极，嵌入LiCoO2晶体 LixCy－ xe－＝ xLi+ + Cy Li1-xCoO2 + xe- + xLi+ ＝LiCoO2 充电时：Li+从正极LiCoO2脱嵌移向负极，嵌入石墨 LiCoO2－xe-＝Li1-xCoO2 + xLi+  LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2＋Cy 放电 充电 放电 充电 1 Cy + xe－+ xLi+＝LixCy +1 0 Li+ 交换膜 锂离子电池 二次电池 课 堂 练 习 ☁ 学案33：6 ☁ 如图所示的水溶液锂离子电池体系。下列叙述错误的是(　　) A．a为电池的正极 C．放电时，a极锂的化合价发生变化 B．电池充电反应为LiMn2O4 = Li1－xMn2O4＋xLi D．放电时，溶液中Li＋从b向a迁移 C 燃料 氧化剂 知识梳理 利用原电池的工作原理，燃料和氧化剂连续由外部供给并在电极上进行反应，生成物不断地被排出 反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。 与其他电池的区别 2. 原理 1. 燃料电池 知识梳理 高效(燃料利用率高), 环境友好。 优点 3. 燃料电池除了氢气，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。 1.燃料电池不燃烧，不写“点燃”条件。 2.电极不参与反应，一般 正负电极 都为 Pt或石墨 。 3.输入燃料的一极为负极，输入O2的一极为正极。 4.电解质酸碱性不同，电极反应不同。 燃料电池 1、判断正、负极 正极： 负极： 2、先写总反应式 O2 燃料(H2、CH4、C2H5OH等) 3、再写正极反应式 负极反应式＝总反应式－正极反应式 (将总反应式中的O2全部消去) 4、最后写负极反应式： 烃或烃的含氧衍生物作燃料 碱性电解质：生成碳酸盐和H2O 其他电解质：一般生成CO2和H2O ①酸性： O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O O2 + 4e- + 2H2O = 4OH- ②碱性或中性： ③允许O2-通过的高温固体： ④熔融的碳酸盐： O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32- O2 + 4e- = 2O2- 燃料电池电极反应式书写 氢氧燃料电池 总反应：2H2 + O2 ＝ 2H2O 酸性 正极： 负极： O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O 2H2 - 4e- ＝ 4H+ 正极： 负极： O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH- 2H2 - 4e- + 4OH- ＝ 4H2O 碱性 H2SO4 KOH 0 0 +1-2 氢氧燃料电池 工作原理示意图 H2 O2 OH- (pH↑) (pH↓) (pH↑) (pH↓) 燃料电池 固体氧化物作电解质 总反应   正极   负极   氢氧燃料电池 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。 固体氧化物燃料电池 2H2 + O2 = 2H2O 2H2 - 4e-＋2O2- ＝2H2O O2＋4e-＝2O2- 燃料电池 熔融碳酸盐作电解质 总反应   正极   负极   氢氧燃料电池 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。 熔融碳酸燃料电池 2H2 + O2 = 2H2O 2H2 - 4e-＋2CO32-＝2CO2＋2H2O O2＋4e-＋2CO2＝2CO32- 燃料电池 课 堂 练 习 ☁ 学案34：1 ☁ 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。下图是用熔融碳酸盐作电解质，氢气和氧气形成的燃料电池。下列说法不正确的是(　　) A．该电池放电时，负极的反应式为H2－2e－＋CO32- = H2O＋CO2 B．该电池中的CO32-由左边移向右边 C．该电池放电时，正极的反应式为O2＋2CO2＋4e－ = 2CO32- D该电池放电时，当转移4 mol电子时正极消耗1 mol O2和2 mol CO2 B 课 堂 练 习 ☁ 学案34：对点练 ☁ 氢氧燃料电池用于航天飞机，电极反应产生的水冷凝后可作为航天员的饮用水，其电极反应式如下： 负极：2H2＋4OH－－4e－ = 4H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－ = 4OH－ 当得到1.8 L饮用水时，电池内转移的电子数约为(　　 )　　　　　　　　　　　　　　　　 A．1.8 mol B．3.6 mol C．100 mol D．200 mol D 甲烷燃料电池 H2SO4作电解质 总反应   正极   负极   KOH作电解质 总反应 正极 负极 CH4－8e－ + 2H2O = CO2 + 8H+ CH4－8e－ + 10OH－ = CO32－+ 7H2O 2O2 + 8e－ + 8H+ = 4H2O 2O2 + 8e－ + 4H2O = 8OH－ CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O CH4 + 2O2 + 2OH－ = CO32－ + 3H2O 燃料电池 甲烷燃料电池 固体氧化物作电解质 熔融碳酸盐作电解质 总反应   正极   负极   CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O 2O2＋8e-＝4O2- CH4 - 8e-＋4O2- ＝CO2 + 2H2O CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O CH4 - 8e-＋4CO32-＝5CO2＋2H2O 2O2＋8e-＋4CO2＝4CO32- 燃料电池 课 堂 练 习 ☁ 学案34：4 ☁ 将两个铂电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH4和O2，构成甲烷燃料电池。已知，通入CH4的一极的电极反应式是CH4＋10OH－－8e－ = CO＋7H2O；通入O2的另一极的电极反应式是2O2＋4H2O＋8e－ = 8OH－。下列叙述不正确的是(　　) A．通入CH4的电极为负极 B．消耗2.24 L O2，有0.4 mol电子转移 C．燃料电池工作时，溶液中的OH－向负极移动 D．该电池使用一段时间后需要补充KOH B H2SO4作电解质 总反应   正极   负极   KOH作电解质 总反应 正极 负极 乙醇燃料电池 C2H5OH + 3O2 = 3H2O + 2CO2 3O2 + 12e- + 12H+ = 6H2O C2H5OH - 12e- + 3H2O = 2CO2 + 12H+ C2H5OH + 3O2 + 4OH- = 5H2O + 2CO32- 3O2 + 12e- + 6H2O= 12OH- C2H5OH - 12e- + 16OH- = 2CO32- + 11H2O 燃料电池 课 堂 练 习 ☁ 学案34：对点练 ☁ 乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池示意图如下，总反应式为C2H5OH＋3O2 = 2CO2＋3H2O，下列说法中正确的是(　　) A．电池工作时，质子向电池的负极迁移 B．电池工作时，电流由b极沿导线流向a极 C．a极上发生的电极反应是C2H5OH＋3H2O＋12e－ = 2CO2＋12H＋ D．b极上发生的电极反应是2H2O＋O2＋4e－ = 4OH－ B 甲醇燃料电池 CH3OH 为______极，O2 为_____极 ①电解质溶液为NaOH溶液时： 总方程式：_____________________________ 正极：_____________________________ 负极：_____________________________ ②电解质溶液为H2SO4溶液时： 总方程式：_____________________________ 正极：_____________________________ 负极：_____________________________ 负 正 2CH3OH - 12e- +16OH- = 2CO32- + 12H2O 3O2 + 12e-+ 6H2O = 12OH- 2CH3OH + 3O2 + 4OH- = 2CO32- + 6H2O 2CH3OH - 12e- + 2H2O = 2CO2↑ + 12H+ 3O2 + 12e－ + 12H+ = 6H2O 2CH3OH + 3O2 = 2CO2↑ + 4H2O 课 堂 练 习 肼(联氨)—燃料电池 N2H4 为______极，O2 为_____极 ①电解质溶液为NaOH溶液时： 总方程式：_____________________________ 正极：_____________________________ 负极：_____________________________ ②电解质溶液为H2SO4溶液时： 总方程式：_____________________________ 正极：_____________________________ 负极：_____________________________ O2＋4e-＋2H2O = 4OH- N2H4 + O2 = N2 ↑ + 2H2O N2H4－4e- + 4OH-= N2 ↑ + 4H2O 负 正 O2＋4e-＋4H+ = 2H2O N2H4－4e- = N2 ↑+ 4H+ N2H4 + O2 = N2 ↑ + 2H2O 课 堂 练 习 课 堂 练 习 ☁ 学案34：2 ☁ 以氨作为燃料的固体氧化物(含有 O2- )燃料电池，具有全固态结构、能量效率高的特点，另外氨气含氢量高，不含碳，易液化，方便运输和贮存，是很好的氢源载体。其工作原理如下图所示，下列关于直接氨固体氧化物燃料电池的说法正确的是(　　) A. 电极a为电源的阴极 B. 固体氧化物作为电池工作的电解质，其作用是让电子在电池内移动 C. 电池工作时，在 a 电极接触面上发生的电极反应式为 2NH3 + 3O2- - 6e- = N2 + 3H2O D. 外电路的电流方向为从电极a流向电极b C 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 $