1.2.2 化学电源 课件-2026-2027学年高二上学期化学苏教版选择性必修1

第二节 化学能与电能的转化 课时2 化学电源 第一章 化学反应与能量变化 学习目标 1.了解化学电源的种类及工作原理。 2.了解常见的一次电池、二次电池和燃料电池的构造。 3.能熟练书写常见的化学电源的电极反应式。 课堂导入——电池的发展史 任务一 化学电源的分类及常见的化学电源 简易电池无法长久稳定地使用，于是人们利用原电池原理发明并制造了多种多样的能够较长时间稳定持续供电的化学电源。化学电源的能量转化率比燃料燃烧高得多。 你知道化学电源有哪些分类吗？ 一次电池用过之后不能复原(只放不充) 二次电池充电后能继续使用(可放可充) 二次电池 一次电池 如海水电池、心脏起搏电池等(特殊用途) 其他电池 将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池(能量很高) 燃料电池 一、化学电源的分类 化学电源包括一次电池、二次电池、以及燃料电池等 任务一 化学电源的分类及常见的化学电源 二、常见的化学电源 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 任务一 化学电源的分类及常见的化学电源 1、 普通锌锰干电池 一次电池 负极：Zn－2e－ + 2NH4+ = [Zn(NH3)2]2+ + 2H＋ 正极：MnO2 + H+ + e － =MnOOH 总反应为： Zn+2MnO2+2NH4Cl==Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOH 优点：制作简单，价格便宜 缺点：放电时间短，放电后电压下降快 负极 正极 电解质 氯化铵溶液显酸性，会跟锌皮发生反应，使用一段时间后电池会鼓胀，漏液。后来把氯化铵换成了碱性的物质，制成了碱性锌锰干电池 任务二 认识常见的一次电池 正极 金属 外壳 离子型导电隔膜 Zn粉 KOH 混合物 负极 铜针 MnO2 KOH 混合物 e- + - 总反应为： Zn+2MnO2+2H2O==Zn(OH)2+ 2MnOOH 负极：Zn－2e－ + 2OH － = Zn(OH)2 正极：MnO2 + H2O + e － =MnOOH + OH － 2、碱性锌锰干电池 优点：克服了普通锌锰干电池的缺点，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 任务二 认识常见的一次电池 干电池原理 任务二 认识常见的一次电池 3、 银锌电池—纽扣式大容量电池 纽扣式银锌电池的构造示意图 负极 正极 电解质溶液 总反应为： Zn +Ag2O + H2O == 2Ag + Zn(OH)2 负极：Zn－2e－+ 2OH－==Zn(OH)2 正极：Ag2O + H2O +2e－==2Ag + 2OH－ 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。 任务二 认识常见的一次电池 可充电电池又称二次电池，放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。 铅蓄电池—最常见 镍氢电池 锂离子电池 二次电池(又称充电电池) 任务三 认识常见的二次电池 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，以此达到充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用的目的。 缺点： 优点： 可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。 比能量低、笨重、废弃电池污染环境 Pb PbSO4 PbO2 PbSO4 放 电 充 电 负极 正极 放 电 充 电 任务三 认识常见的二次电池 1、铅酸蓄电池 铅蓄电池的构造 正极：PbO2 负极：Pb 电解质： Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O 放电过程：放电反应是原电池反应 放电总反应式： Pb + SO42- -2e-＝PbSO4 PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O 放电过程，负极质量增大，稀H2SO4 的浓度减小。 任务三 认识常见的二次电池 H2SO4溶液 13 阴极:与外接电源负极相连(发生还原反应)： 阳极:与外接电源正极相连(发生氧化反应) PbSO4＋2e－===Pb＋SO42- PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋SO42- 移电子，换方向 充电总反应式： 充电过程： 2PbSO4＋2H2O=Pb＋PbO2＋2H2SO4 任务三 认识常见的二次电池 充电反应是放电反应的逆过程 14 铅蓄电池的充、放电原理可以用下列化学方程式表示： 由铅蓄电池的电池反应可以看出，随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。 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，笨重，废弃后会污染环境等。 铅蓄电池 工作原理动画 任务三 认识常见的二次电池 随着信息技术的发展，我们更青睐小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。目前已开发出镍铬电池、镍氢电池、锂电池、锂离子电池。 2019年三位锂离子电池科学家获诺贝尔化学奖 任务三 认识常见的二次电池 16 拓展视野 2、镍氢电池 负极： 正极： MH-e- +OH-=M+H2O MH NiO(OH) KOH溶液 电解质： NiO(OH)+e- =NiO+OH- 总反应： NiO(OH)+MH NiO +M+H2O 放电过程 3、 锂离子电池 拓展视野 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。 放电过程： 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 放电总反应式：LixC6＋Li(1－x)CoO2=LiCoO2＋6C 典例解析 例1　铅蓄电池是一种典型的可充电电池，其放电时的电池总反应式为Pb＋PbO2＋4H＋＋2SO 2PbSO4＋2H2O，则下列说法正确的是(　　) A．电池工作时，负极反应为Pb－2e－===Pb2＋ B．铅蓄电池是二次电池，放电时电能转化为化学能 C．铅蓄电池放电时两个电极质量都增大 D．铅蓄电池充电时阳极电极反应为PbSO4＋2H2O＋2e－=PbO2＋4H＋＋SO C 19 燃料电池 能量转换率高、清洁、对环境友好。 ① 氧化剂与还原剂在工作时不断补充； ② 反应产物不断排出； ③ 能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%， 有利于节约能源。 与其他电池的区别 1. 优点 2. 缺点 3. 种类 4. 体积较大、附属设备较多 氢氧、甲烷、甲醇、煤气等燃料电池 任务四 认识常见的燃料电池 燃料电池的规律 4. 将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池 负极：可燃性物质 H2、CH4、C2H5OH 正极：O2或空气 电极材料：正负极一般是铂、石墨 (一般不参加化学反应，只起传导电子的作用) 任务四 认识常见的燃料电池 ① 氢氧燃料电池(碱性介质) 常见的燃料电池 4. 负极：氢气 正极： 氧气 电解质溶液：氢氧化钾溶液 电池总反应： 2H2－4e－＋4OH－===4H2O O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 思考：电池工作一段时间后，正极侧、负极侧和电解质溶液的pH如何变化？ 正极pH增大，负极pH减小，整个溶液的pH减小。 任务四 认识常见的燃料电池 2H2 + O2 = 2H2O 学习评价 负极：__________________________； 正极：__________________________； 总反应： 。 写出以硫酸溶液为电解质溶液的氢氧燃料电池的 电极反应式 （原理图如右图） 思考交流 思考：电池工作一段时间后，上述溶液的pH如何变化？ 反应生成水，硫酸溶液酸性减弱，pH变大。 O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O 2H2 - 4e- ＝ 4H+ 2H2 + O2 =2 H2O 基础实验——制作简单的燃料电池（课本P21） (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。 任务四 认识常见的燃料电池 【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，该电极为燃料电池的正极。 任务四 认识常见的燃料电池 燃料电池汽车的工作原理 拓展视野 氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然使用方便，却受到价格和来源的限制常用的燃料往往是某些碳氢化合物，如：甲烷、甲醇、汽油等。 请你写出甲烷酸性、碱性燃料电池的电极反应式 任务四 认识常见的燃料电池 ② 甲烷燃料电池 酸性 正极： 负极： 2O2 + 8H+ + 8e- == 4H2O CH4 + 2H2O - 8e- == CO2 + 8H+ 正极： 负极： 2O2 + 4H2O + 8e- == 8OH- CH4 + 10OH- - 8e- == CO32- + 7H2O 碱性 H2SO4 KOH 总反应：CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O 总反应：CH4 + 2O2 + 2OH- == CO32- + 3H2O 注意：氧化产物和还原产物，与溶液的酸碱性有关（如+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32-形式存在） 任务四 认识常见的燃料电池 请你根据甲烷燃料电池的电极反应式写出乙醇燃料电池的电极方程式。 ③ 乙醇燃料电池 酸性 正极： 负极： 3O2 + 12H+ + 12e- == 6H2O C2H5OH + 3H2O - 12e- == 2CO2 + 12H+ 正极： 负极： O2 + 2H2O + 4e- == 4OH- C2H5OH + 16OH- - 12e- == 2CO32- + 11H2O 碱性 H2SO4 KOH 总反应：C2H5OH + 3O2 == 3H2O + 2CO2 总反应：C2H5OH + 3O2 + 4OH- == 5H2O + 2CO32- 任务四 认识常见的燃料电池 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。氢气和氧气以及熔融态碳酸盐形成的燃料电池。 ④ 熔融碳酸盐燃料电池 2H2＋O2 = 2H2O O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32- H2 - 2e- + CO32- = CO2 + H2O 总反应： 正极： 负极： 拓展视野 1、判断正、负极 正极： 负极： 2、确定燃料燃烧的产物 O2 燃料(H2、CH4、C2H5OH等) 3、写正极反应式 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： ④允许O2-通过的高温固体： ③熔融的碳酸盐： O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32- O2 + 4e- = 2O2- 阶段性总结——燃料电池电极反应式的书写 请你总结燃料电池电极反应式的书写步骤 燃料 ─ ne─ = 氧化产物 注意：在书写电极反应式时要先确定价态变化与电子转移再根据电解质性质调平电荷。 电解质溶液：氢氧化钾溶液 总反应：N2H4＋O2=== N2＋2H2O 正极：O2＋2H2O＋4e－=== 4OH－ 负极：N2H4＋4OH－－4e－=== N2＋4H2O 学以致用 请你书写肼燃料电池的电极反应式 典例解析 例2 有一种瓦斯分析仪(如图甲)能够在煤矿巷道中的甲烷达到一定浓度时，通过传感器显示出来。该瓦斯分析仪工作原理类似燃料电池的工作原理，其装置如图乙所示，其中固体电解质是Y2O3-Na2O，O2－ 可以在其中自由移动。下列说法正确的是(　　) A．瓦斯分析仪工作时，电池外电路中电流由电极a流向电极b B．电极b是正极，O2－由电极a流向电极b C．电极a的反应式为CH4＋5O2－－8e－===CO ＋2H2O D．当固体电解质中有1 mol O2－通过时，转移电子2 mol D 33 电池类型 原理 工艺及目的 一次电池 原电池原理 加入隔膜分隔氧化剂与还原剂，减少电池自损耗。 二次电池 原电池及 电解池原理 将相关活性物质富集在电极材料表面，实现物质循环转化。 燃料电池 原电池原理 燃料和氧化剂连续由外部提供，保持电极材料和离子导体稳定，能够实现连续工作。 阶段性总结——各种电池特性 课堂小结 不良反应 化学电源 一次电池 二次电池（放电、充电） 燃料电池 35 1、某种熔融碳酸盐燃料电池以Li2CO3、K2CO3为电解质，以CH4、CH3OH为燃料时，该电池工作原理如图。下列说法正确的是(　　) A．a为CH4或CH3OH，b为CO2 B．Y电极的电极反应式为O2＋2CO2＋4e－===2CO C．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用 D．CO 向正极移动 B 随堂练习 随堂练习 2、铅蓄电池工作原理如下图所示，在电池工作时PbO2，电极发生反应，PbO2＋4H＋＋SO42－＋2e－===PbSO4＋2H2O，下列说法不正确的是(　　 ) A．该电极反应中PbO2是氧化剂 B．铅蓄电池是二次电池 C．放电时，电子由PbO2电极经H2SO4溶液 回到Pb电极 D．该电池放电过程中，正、负极转移电子相等 C 随堂练习 3．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(　　) 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 谢谢观看 THANKS Lavf60.4.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf60.4.100 Lavf60.4.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf60.4.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $