人教版化學(xué)選修四-化學(xué)電源

1、第四章 電化學(xué)基礎(chǔ),第二節(jié) 化學(xué)電源,在日常生活和學(xué)習(xí)中，你用過(guò)哪些電池，你知道電池的其他應(yīng)用嗎？,電池,化學(xué)電池,太陽(yáng)能電池,原子能電池,將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置,將放射性同位素自然衰變時(shí)產(chǎn)生的熱能通過(guò)熱能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電能的裝置,思考：,用途廣泛的電池,用于汽車(chē)的鉛蓄電池和燃料電池,化學(xué)電池,用途廣泛的電池,用于“神六”的太陽(yáng)能電池,筆記本電腦專(zhuān)用電池,手機(jī)專(zhuān)用電池,攝像機(jī)專(zhuān)用電池,各式各樣的紐扣電池,普通鋅錳電池,堿性電池,鎳 鎘 電 池,小型高性能燃料電池,鋰離子電池,鎳氫電池,電池發(fā)明的小故事,1791年他在解剖時(shí)在實(shí)驗(yàn)室將懸有去了皮的青蛙腿的銅鉤掛在鐵架臺(tái)上

2、，發(fā)現(xiàn)蛙腿會(huì)有肌肉抽搐的現(xiàn)象。伽伏尼認(rèn)為動(dòng)物的組織會(huì)產(chǎn)生電流，而金屬是傳遞電流的導(dǎo)體。,他從獨(dú)特的角度認(rèn)為電流是由兩種不同的金屬產(chǎn)生的，經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，終于在1800年成功研制了世界上第一個(gè)能產(chǎn)生穩(wěn)定電流的電池（見(jiàn)下圖）。,（意大利生物學(xué)家伽伏尼）,（法國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家伏特）,化學(xué)電池的組成,電極材料 電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì),能導(dǎo)電的物質(zhì),還原性較強(qiáng)的物質(zhì)（大多是金屬電極本身）,氧化性較強(qiáng)的物質(zhì),酸、堿、鹽溶液或熔融液,流出電子,流入電子,氧化反應(yīng),還原反應(yīng),化學(xué)電池的分類(lèi),一次電池：活性物質(zhì)消耗到一定程度，就不能使用，其電解質(zhì)溶液制成膠狀，不流動(dòng)，也叫干電池，如鋅錳電池； 二次電池：放電后

3、可以再充電使活性物質(zhì)獲得再生，又叫充電電池或蓄電池，如鉛蓄電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋅銀電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池； 燃料電池：一種連續(xù)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池，如氫氣、甲醇、天然氣、煤氣與氧氣組成燃料電池。,能量轉(zhuǎn)化率較高； 供能穩(wěn)定可靠； 可以制成各種形狀和大小、不同容量的電池及電池組； 使用方便，易于維護(hù)，并可在各種環(huán)境下工作。,電池的優(yōu)點(diǎn),衡量電池優(yōu)劣的指標(biāo),比能量：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少。單位：(Wh)/kg,(Wh)/L 比功率：電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小。單位：W/kg,W/L 儲(chǔ)存時(shí)間：電池的可儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短,一、

4、一次電池,1、鋅錳電池,放電之后不能充電(內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)不可逆),堿性鋅錳電池,普通鋅錳電池,（1）普通鋅錳電池：活性物質(zhì)為NH4Cl和淀粉糊，做電解質(zhì)，還填有MnO2和炭黑。電極反應(yīng)式： 負(fù) 極：Zn-2e-=Zn2+ 正 極：2NH4+2e-+2MnO2=Mn2O3+2NH3+H2O 總反應(yīng)： Zn + 2NH4+2MnO2=Zn2+Mn2O3+2NH3+H2O,鋅錳電池工作原理,普通鋅錳電池,優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。 缺點(diǎn)：放電時(shí)間短，電壓下降快。,（2）堿性鋅錳電池：活性物質(zhì)為KOH和淀粉糊，做電解質(zhì)，還填有MnO2和炭黑。電極反應(yīng)式： 負(fù) 極：Zn-2e-+2OH- =Zn(O

5、H)2 正 極：2MnO2+2e-+2H2O=2MnOOH+2OH- 總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,氫氧化氧錳,缺點(diǎn)：多數(shù)只能一次使用，不能充電；價(jià)格較貴。,優(yōu)點(diǎn)：比能量和儲(chǔ)存時(shí)間有所提高，適用于大電流 和連續(xù)放電。,2、銀鋅電池,總反應(yīng)式:Zn+Ag2O+H2O=2Ag+Zn(OH)2 電極反應(yīng)式:,負(fù)極: Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2 正極: Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-,電解液: KOH溶液,優(yōu)點(diǎn)：電池比能量大、電壓穩(wěn)定，儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)。適宜小電流連續(xù)放電，常制成紐扣式微型電池，廣泛用于電子手表、照相機(jī)、計(jì)算器和其他微型電子儀器。,3

6、、鋰電池,鋰亞硫酰氯電池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 負(fù)極: ； 正極: 。,用途：質(zhì)輕、高能(比能量高)、高工作效率、高穩(wěn)定電壓、寬工作溫度、高使用壽命，廣泛應(yīng)用于軍事和航空領(lǐng)域。,8Li-8e-=8Li+,3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S,鋰電池,鋰是密度最小的金屬，用鋰作為電池的負(fù)極，跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)極相比較，使用 壽命大大延長(zhǎng)。鋰電池的比能量高電壓高，工作溫度寬。由于鋰電池性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于軍事和空間領(lǐng)域，民用領(lǐng)域以微小功率為主，例如用作電腦、手表、照相機(jī)、心臟起搏器等的電源,鋰電池的特點(diǎn)及用途,鉛蓄電池,化學(xué)能

7、,電能,放電,充電,二、二次電池,放電過(guò)程總反應(yīng),Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l),Pb(s) + SO42-(aq)-2e- =PbSO4(s),正極：,PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e- =PbSO4(s)+2H2O(l),氧化反應(yīng),還原反應(yīng),負(fù)極：,放電過(guò)程,鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過(guò)程,鉛蓄電池工作原理,充電過(guò)程,PbSO4 (s) +2e-=Pb(s) + SO42-(aq),還原反應(yīng),陰極,陽(yáng)極,PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq),氧化反應(yīng)

8、,接電源負(fù)極,接電源正極,充電過(guò)程總反應(yīng)：,2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq),鉛蓄電池的充放電過(guò)程：,優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析,缺點(diǎn)：,比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境,優(yōu)點(diǎn)：,可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉,其他二次電池,鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池,鎘鎳電池與氫鎳電池：,鎘鎳電池總反應(yīng)：,氫鎳電池總反應(yīng)：,課后思考： 根據(jù)上面所給的總方程式，你能寫(xiě)出各極發(fā)生的 反應(yīng)方程式嗎？,小型高性能燃料電池,三、燃料電池,燃料電池是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)電池。,酸性電解質(zhì)：,堿性電解質(zhì) 負(fù)極:

9、 2H2-4e-+4OH- = 4H2O 正極: O2+2H2O+4e- = 4OH- 總反應(yīng): 2H2+O2 = 2H2O,負(fù)極：2H2-4e- = 4H+,正極：O2+4H+4e- = 2H2O,總反應(yīng)：2H2+O2 = 2H2O,（1）氫氧燃料電池：,中性電解質(zhì)：,負(fù)極：2H2-4e- = 4H+,正極: O2+2H2O+4e- = 4OH-,總反應(yīng)：2H2+O2 = 2H2O,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,2H2 +4OH- 4e- = 4H2O,O2 + 2H2O

10、+ 4e-= 4OH-,氫氧燃料電池,燃料電池的規(guī)律,燃料做負(fù)極，助燃劑氧氣為正極,電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)電子的作用。,能量轉(zhuǎn)化率高(超過(guò)80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源。,燃料電池與前幾種電池的差別,氧化劑與還原劑在工作時(shí)不斷補(bǔ)充；,反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出;,總反應(yīng)相當(dāng)于燃料在助燃劑中燃燒，但應(yīng)注意電解質(zhì)溶液的影響而的最終產(chǎn)物的存在形式, KOH溶液： 負(fù)極：CH410OH8e=CO327H2O 正極：2O24H2O8e=8OH 總反應(yīng)式：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O, H2SO4溶液： 負(fù)極：CH42H2O8e=CO28H+ 正極：2O28H8e=4H2

11、O 總反應(yīng)式：CH4+2O2=CO2+2H2O,（2）甲烷燃料電池 用導(dǎo)線(xiàn)連接的兩個(gè)鉑電極插入電解質(zhì)溶液中，然后向兩極分別通入CH4和O2，該電池的反應(yīng)式：,(3)乙醇燃料電池 用導(dǎo)線(xiàn)連接的兩個(gè)鉑電極插入電解質(zhì)溶液，分別向兩極通入乙醇和氧氣。 酸作電解質(zhì) 負(fù)極:C2H5OH+3H2O-12e-=2CO2+12H+ 正極:3O2+12H+12e-=6H2O 總反應(yīng)式：C2H5OH+3O2=2CO2+3H2O KOH作電解質(zhì) 負(fù)極：C2H5OH+16OH-12e-=2CO32-+11H2O 正極：3O2+12e-+6H2O=12OH- 總反應(yīng)式：C2H5OH+3O2+4OH-=2CO32-+5H2

12、O,(4)丁烷燃料電池 一個(gè)電極通入丁烷，一個(gè)電極通入氧氣，用摻雜了Y2O3(三氧化二釔)的ZrO2(二氧化鋯)晶體作電解質(zhì)，晶體高溫時(shí)能傳導(dǎo)O2-。 負(fù)極：2C4H10-52e-+26O2-=8CO2+10H2O 正極：13O2+52e-=26O2- 總反應(yīng)式：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O,(5)熔融鹽燃料電池 一極通入CO，一極通入空氣和CO2混合氣體，以L(fǎng)i2CO3和Na2CO3的熔融鹽作電解質(zhì)。 負(fù) 極:2CO+2CO32-4e-=4CO2 正 極：O2+2CO2+4e-=2CO32- 總反應(yīng)式:2CO+O2=2CO2,【特別提醒】(1)通常燃料電池的負(fù)極是可燃性物質(zhì)失

13、去電子，正極是氧氣得電子，電極材料是惰性電極，電極本身不參與放電。 (2)書(shū)寫(xiě)燃料電池電極反應(yīng)時(shí)要特別注意電解質(zhì)溶液的離子參與電極反應(yīng)，要寫(xiě)入電極反應(yīng)式中。,二、化學(xué)電源電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě) 1.根據(jù)裝置書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式 (1)確定原電池的正負(fù)極及放電的物質(zhì)。 首先根據(jù)題目給定的圖示裝置特點(diǎn)，結(jié)合原電池正負(fù)極的判斷方法，確定原電池的正負(fù)極及放電的物質(zhì)。,(2)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。 負(fù)極反應(yīng)： 規(guī)律：活潑金屬或H2(或其他還原劑)失去電子生成金屬陽(yáng)離子或H+(或其他氧化產(chǎn)物)。 特例：若電解質(zhì)溶液中的陰離子與生成的金屬陽(yáng)離子或H+能反應(yīng)，則該陰離子應(yīng)寫(xiě)入電極反應(yīng)式，如鉛蓄電池的負(fù)極反應(yīng)是PbSO422e=

14、PbSO4。,正極反應(yīng)： 規(guī)律：陽(yáng)離子得電子生成單質(zhì)（或氧氣得電子）。 特例：若是氧氣得電子，要考慮電解質(zhì)溶液的情況。 中性或堿性：O22H2O4e=4OH 酸性：O24H4e=2H2O。,(3)寫(xiě)出電池總反應(yīng)方程式。 結(jié)合電子守恒將正負(fù)極電極反應(yīng)式相加即得到電池總反應(yīng)方程式。,2.給出電池總反應(yīng)式，寫(xiě)電極反應(yīng)式 (1)一般書(shū)寫(xiě)步驟為： 列物質(zhì)，標(biāo)得失。選離子，配電荷。配個(gè)數(shù)，巧用水。兩式加，驗(yàn)總式。 (2)如以2H2O2=2H2O為例，當(dāng)電解質(zhì)溶液為KOH溶液時(shí)的電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)步驟： 負(fù)極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)： 根據(jù)總反應(yīng)方程式列出總式兩邊化合價(jià)升高的有關(guān)物質(zhì)為H2，轉(zhuǎn)移電子為4e-：2H24e-

15、=4H+。,根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性，用H或OH或其他離子配平，使兩邊電荷總數(shù)相等即得 2H24OH4e=4H2O。 利用H2O使兩邊的元素守恒，即得： 2H24e4OH=4H2O。 同理，正極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)如下： O24e=2O2， O22H2O4e=4OH。 注意：在堿性溶液中提供H使O2變?yōu)镺H的是水，要寫(xiě)成化學(xué)式的形式。 將正、負(fù)極反應(yīng)式相加，若得到總反應(yīng)式，說(shuō)明寫(xiě)法正確。,【特別提醒】根據(jù)給出的兩個(gè)電極反應(yīng)式，寫(xiě)總反應(yīng)方程式時(shí)，首先要使兩個(gè)電極反應(yīng)式的得失電子相等后再將兩式相加，消去反應(yīng)物和生成物中相同的物質(zhì)即可。注意：若反應(yīng)式同側(cè)出現(xiàn)不能共存的離子，如H和OH、Pb2和SO42，要寫(xiě)成

16、反應(yīng)后的物質(zhì)如H2O和PbSO4。,1.一種新燃料電池，一極通入空氣，另一極通入丁烷氣體； 電解質(zhì)是摻雜氧化釔（Y2O3）的氧化鋯（ZrO2）晶體,在熔融 狀態(tài)下能傳導(dǎo)O2。下列對(duì)該燃料電池說(shuō)法正確的是（ ） A.在熔融電解質(zhì)中，O2-由負(fù)極移向正極 B.電池的總反應(yīng)是：2C4H10+13O2 = 8CO2+10H2O C.通入空氣的一極是正極，電極反應(yīng)為：O2+4e- =2O2- D.通入丁烷的一極是正極，電極反應(yīng)為： C4H10+26e-+ 13O2- = 4CO2 + 5H2O,BC,【例2】鐵鎳蓄電池又稱(chēng)愛(ài)迪生電池，放電時(shí)的總反應(yīng)為： Fe+Ni2O3+3H2O=Fe(OH)2+2Ni(OH)2 下列有關(guān)該電池的說(shuō)法不正確的是( ) A.電池的電解液為堿性溶液，正極為Ni2O3，負(fù)極為Fe B.電池放電時(shí)，負(fù)極反應(yīng)為Fe+2OH-2e-=Fe(OH)2 C.電池充電過(guò)程中，陰極附近溶液的pH降低 D.電池充電時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)為2Ni(OH)2+2OH-2e-=Ni2O3+3H2O,C,2.高鐵電池是一種新型可充電電池，與普通高能電池相 比，該電池能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的放電電壓。高鐵電池的總 反應(yīng)為： 下列敘述不正確的是（ ） A.放電時(shí)每轉(zhuǎn)移3 mol電子，正極有1