4.1 原电池 第2课时（同步课件）化学人教版选择性必修1

人教版选择性必修 1 第四章 化学反应与电能 第2课时 化学电源 第1节 原电池 1 二次电池 2 一次电池 1 燃料电池 3 学习内容导览 2 1.知道化学电源的分类方法。 2.熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。 3.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，培养良好的环保意识。 重点：化学电池的工作原理；燃料电池电极反应式的书写； 难点：掌握几种典型化学电池的电极反应。 素养锚定·课标定位 电池的发展史 根据原电池原理设计和生产的种类繁多的化学电源在生活、生产和科研中得到广泛的应用。 现代生活离不开方便实用的化学电源。 情境启思·任务缘起 一次电池 01 5 任务一 历史上第一个化学电源是怎么发明的？ 一、一次电池 历史上第一个化学电源 1789 年，意大利生理学家伽法尼（L .Galvani，1737—1798）在一次解剖青蛙时，把铜钩钩着的青蛙腿挂在阳台的铁栏杆上，偶然发现蛙腿每次接触铁栏杆就会抽搐一次。经过研究，伽法尼认为这种肌肉收缩作用是“动物电”引起的。 1799 年，伏打研制了能维持一定电流的电堆（如图4-8）。这种电堆能为科研、生产提供稳恒电源，使电能成为人们认识、改造自然的锐利武器。 分层研学·探理悟新 一、一次电池 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 1.比能量，比功率 知识总结 单位质量或单位体积所能输出电能的多少（比能量）或者输出功率的大小（比功率） 判断一种电池的优劣或是否适合某种用途，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少（比能量）或者输出功率的大小（比功率），以及电池可储存时间的长短。除了特殊情况，质量小、体积小、输出功率大和储存时间长的电池，更易满足使用者要求。 分层研学·探理悟新 2.一次电池 知识总结 一次电池就是放电后不可再充电的电池。随着使用，一次电池中能发生氧化还原反应的物质逐渐被消耗，当这些物质被消耗到一定程度时，电池就不能继续使用了。 一、一次电池 电解质溶液制成不流动胶状也叫干电池 3.普通锌锰干电池 主要反应为： Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH) 正极：2MnO2＋2H＋＋2e－===2MnO(OH) 分层研学·探理悟新 一、一次电池 4.碱性锌锰干电池 知识总结 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 正极：2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH- 负极：Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2 总反应：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnO(OH)+Zn(OH)2 0 +4 +3 +2 碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的比能量和可储存时间均有所提高，是普通锌锰干电池的升级换代产品。 分层研学·探理悟新 9 一、一次电池 【例1】碱性锌锰电池的总反应为Zn＋MnO2＋H2O===MnO(OH)＋ZnO，电池构造示意图如图所示。下列有关说法正确的是( ) A．电池工作时，MnO2发生氧化反应 B．电池工作时，OH-通过隔膜向正极移动 C．该电池比普通锌锰电池性能好，它的比能量和可储存时间均有所提高 D．反应中每生成1 mol MnOOH，转移电子数为 C 典例剖析·逻辑释疑 二次电池 02 11 任务二 一次电池存在什么问题？如何改进？ 二、二次电池 电压随着使用时间延长而下降 分层研学·探理悟新 12 知识总结 1.二次电池 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。 二、二次电池 分层研学·探理悟新 任务三 了解铅酸蓄电池 二、二次电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。 分层研学·探理悟新 知识总结 2.铅酸蓄电池 铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。它由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2，负极板上覆盖有Pb，稀硫酸作电解质溶液（如图4-4）。 二、二次电池 ①铅酸蓄电池优点 铅酸蓄电池电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉，因此在生产、生活中使用广泛。 ②铅酸蓄电池电极反应式 总反应式为：Pb＋PbO2＋H2SO4＝2PbSO4＋2H2O 负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4 正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O 分层研学·探理悟新 知识总结 3.镍氢电池 ①镍氢电池优点 二、二次电池 小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护的电池。 ②镍氢电池电极反应式 H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2 放电 充电 总反应： 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 分层研学·探理悟新 【例2】铅酸蓄电池是一种历史悠久的商用电池，其结构如图所示。下列有关铅酸蓄电池的说法正确的是( ) A．放电时，负极反应为Pb-2e-=Pb2+ B．放电时，铅酸蓄电池的pH保持不变 C．充电时，当电路中有2 mol电子发生转移时，阳极质量减少96 g D．充电时，因得电子能力H+＞Pb2+，阴极可能会产生氢气 D 二、二次电池 典例剖析·逻辑释疑 任务四 锂离子电池 二、二次电池 锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特点，是多种便携式电子设备（如智能手机、笔记本电脑等）和交通工具（如电动汽车、电动自行车等）的常用电池。 分层研学·探理悟新 知识总结 4.锂离子电池 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。 二、二次电池 ①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。 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。 TiS2 Li+ 分层研学·探理悟新 知识总结 4.锂离子电池 二、二次电池 ①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。 分层研学·探理悟新 20 知识总结 4.锂离子电池 二、二次电池 ①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。 分层研学·探理悟新 知识总结 4.锂离子电池 二、二次电池 ①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- 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 分层研学·探理悟新 知识总结 4.锂离子电池 ①锂离子电池的发展 二、二次电池 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。 放电时的总反应： LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy 放电 充电 分层研学·探理悟新 任务五 锂离子电池的工作原理 二、二次电池 分层研学·探理悟新 5.锂离子电池的工作原理 知识总结 二、二次电池 放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间，完成化学能与电能的相互转化。 分层研学·探理悟新 知识总结 6.锂离子电池的电极反应式 二、二次电池 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 分层研学·探理悟新 【例3】某充电宝锂离子电池的总反应为xLi＋Li1-x Mn2O4LiMn2O4，某手机镍氢电池总反应为NiOOH＋MH M＋Ni(OH)2(M为储氢金属或合金)，有关上述两种电池的说法不正确的是( ) A．锂离子电池放电时，Li＋向正极迁移 B．镍氢电池放电时，正极的电极反应式：NiOOH＋H2O＋e-=Ni(OH)2＋OH- C．如图表示用锂离子电池给镍氢电池充电 D．锂离子电池充电时，阴极的电极反应式：LiMn2O4-xe-=Li1-xMn2O4＋xLi＋ D 二、二次电池 典例剖析·逻辑释疑 燃料电池 03 28 任务六 设计连续工作的电池 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？ 三、燃料电池 分层研学·探理悟新 知识总结 1.燃料电池 三、燃料电池 燃料电池是一种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。 一般化学电源的活性物质储存在电池内部，所以限制了电池的容量。而燃料电池则不同，它在工作时，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，于是就可以连续不断地提供电能。 分层研学·探理悟新 30 知识总结 2.氢氧燃料电池 ⑴酸性介质H2SO4溶液 三、燃料电池 正极: O2 负极： 燃料 酸性电解质 溶液：H2SO4 H+ 正极： 负极： 2H2 – 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 总反应： 2H2 + O2 = 2H2O 分层研学·探理悟新 知识总结 2.氢氧燃料电池 ⑵中性介质Na2SO4溶液 三、燃料电池 Na2SO4溶液 负极：2H2－4e－ ＝ 4H+ 正极：O2＋2H2O＋4e- ＝ 4OH－ 总反应：2H2＋O2 ＝ 2H2O ⑶碱性介质KOH溶液 KOH溶液 负极：2H2－4e－ ＝ 4H+ 正极：O2＋2H2O＋4e- ＝ 4OH－ 总反应：2H2＋O2 ＝ 2H2O 分层研学·探理悟新 知识总结 3.甲烷燃料电池 ⑴酸性介质(如H2SO4)或传导质子(H＋)固体介质 ⑵碱性介质(如KOH) 三、燃料电池 总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O 负极反应式：CH4－8e－＋2H2O===CO2＋8H＋ 正极反应式：2O2＋8e－＋8H＋===4H2O 总反应式：CH4＋2O2＋2OH－===CO32－＋3H2O 负极反应式：CH4－8e－＋10OH－===CO32－＋7H2O 正极反应式：2O2＋8e－＋4H2O===8OH－ 分层研学·探理悟新 知识总结 3.甲烷燃料电池 ⑶熔融盐介质(如K2CO3) 三、燃料电池 总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O 负极反应式：CH4－8e－＋4CO32-===5CO2＋2H2O 正极反应式：2O2＋8e－＋4CO2===4CO32- ⑷用能传导氧离子(O2-)的固体作介质 总反应式：CH4＋2O2===CO2＋2H2O 负极反应式：CH4－8e－＋4O2-===CO2＋2H2O 正极反应式：2O2＋8e－===4O2- 分层研学·探理悟新 知识总结 4.燃料电池电极反应式书写的注意事项 三、燃料电池 (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－。 分层研学·探理悟新 【例4】甲烷燃料电池的工作原理如图，下列说法正确的是( ) A．a极为正极 B．K+从a极经溶液流向b极 C．工作一段时间后，b极附近的pH会减小 D．a极的电极反应为CH4+6OH--8e-=CO32-＋5H2O B 三、燃料电池 典例剖析·逻辑释疑 化学电源 一次电池 比能量，比功率 一次电池 普通锌锰干电池 碱性锌锰干电池 二次电池 铅酸蓄电池 燃料电池 锂离子电池 锂离子电池的工作原理 二次电池 镍氢电池 锂离子电池的电极反应式 燃料电池 氢氧燃料电池 甲烷燃料电池 燃料电池电极反应式书写的注意事项 体系梳整·认知升华 1．锌锰干电池是生活中常用的电池，酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池的结构分别如图所示，下列说法错误的是( ) A．锌锰干电池属于一次电池，用完不可随意丢弃 B．酸性锌锰干电池和碱性锌锰干电池放电过程中锌均发生氧化反应 C．放电时，酸性锌锰干电池的石墨电极上反应为 D．放电时，碱性锌锰干电池正极反应式为 C 当堂诊学·成效校验 2．铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为： Fe＋Ni2O3＋3H2O===Fe(OH)2＋2Ni(OH)2。 下列有关该电池的说法不正确的是(　　) A．电池的电解液为碱性溶液，正极为Ni2O3，负极为Fe B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2 C．电池充电过程中，阴极附近溶液的pH降低 D．电池充电时，阳极反应为2Ni(OH)2＋2OH－－2e－===Ni2O3＋3H2O C 当堂诊学·成效校验 3．我国科学家正在研究一种可充电Na－Zn双离子电池体系(如图)。下列说法不正确的是( ) A．闭合K1时，锌电极为电池负极 B．闭合K2时，装置中的电能转化为化学能 C．放电时，每转移0.2 mol电子，负极区电解质溶液质量增加6.5 g D．充电时，阳极反应式为Na0.6MnO2-xe-=Na0.6-xMnO2+xNa+ C 当堂诊学·成效校验 4．以同时作为燃料和氧化剂的燃料电池原理如图所示(已知：双极膜中的H2O能在电流的作H2O2用下，解离成H＋和OH-，定向移动到两极室)。下列有关说法正确的是( ) A．电极N是负极 B．电子流向为M→负载→N→电解质溶液→M C．电极N的电极反应式为H2O2＋2H＋＋2e-=2H2O D．当电路中转移1 mol电子时，产生气体11.2 L C 当堂诊学·成效校验 感谢观看 更多练习见分层作业 人教版选择性必修 1 https://www.zxxk.com/user/13354804 42 负极：Zn－2e－＋2NH===Zn(NH3)＋2H＋ Lavf58.20.100 wxmmcibr22dr0100 Lavf58.20.100 wxmmcibr22dr0100 Lavf57.83.100 $