第4章第2節(jié)化學(xué)電源.ppt

1、第四章 電化學(xué)基礎(chǔ),第二節(jié) 化學(xué)電源,2020年7月29日星期三,化學(xué)電源,學(xué)與問在日常生活和學(xué)習(xí)中，你用過哪些電池，你知道電池的其它應(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)生的熱能通過熱能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,【思考】 目前化學(xué)電池主要分為哪幾個(gè)大類？ 在性能等方面它們各有什么特點(diǎn)？ 產(chǎn)生電能的基本原理是什么？ 化學(xué)電池與其他能源相比有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 判斷電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)主要是什么？,知識(shí)點(diǎn)1：化學(xué)電池,1)概念:,將化學(xué)能變成電能的裝置,2)分類:,一次電池又稱不可充電電池如：干電池 二次電池又稱充電電池蓄

2、電池 燃料電池,3)優(yōu)點(diǎn):,4)電池優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn):,能量轉(zhuǎn)換效率高，供能穩(wěn)定可靠。,可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。,易維護(hù)，可在各種環(huán)境下工作。,比能量,符號(hào)(Wh/kg)，(Wh/L),指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少,比功率,符號(hào)是W/kg，W/L),指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小,電池的儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短,鋰電池,干電池,疊層電池,紐扣電池,各類電池,知識(shí)點(diǎn)2：各類電池,空氣電池,小型高性能燃料電池,1、干電池(普通鋅錳電池）,干電池用鋅制桶形外殼作負(fù)極，位于中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極，在石墨周圍填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作電

3、解質(zhì)溶液，還,填充MnO2的黑色粉末吸收正極放出的H2，防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象。電極總的反應(yīng)式為：,Zn+2MnO2 + 2NH4Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O,請(qǐng)寫出各電極的電極反應(yīng)。,一、 一次電池,練：寫出鋅錳干電池的電極反應(yīng)和總化學(xué)反應(yīng)方程式。 負(fù)極 正極 總反應(yīng) 通常我們可以通過干電池的外觀上的哪些變化判斷它已經(jīng)不能正常供電了？_我們?cè)谑褂酶呻姵氐倪^程中并沒有發(fā)現(xiàn)有氣體產(chǎn)生，請(qǐng)推測(cè)可能是干電池中的什么成分起了作用？,Zn-2e-=Zn2+,2NH4+2e-=2NH3+H2 ， H2 +2MnO2=Mn2O3+H2O,鋅筒變軟，電池表面變得不平整,MnO2,Zn+2Mn

4、O2 + 2NH4Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O,堿性鋅-錳干電池,負(fù)極：,正極：,電池反應(yīng)：,電解質(zhì)：,KOH,Zn,MnO2,Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2,2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-,Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,思考該電池的正負(fù)極材料和電解質(zhì),干電池,負(fù)極: Zn2e-Zn2,正極: 2NH4+2e-2NH3H2 ,總電池反應(yīng)方程式 ：2NH4ClZnZnCl22NH3H2,缺點(diǎn)：放電量小，放電過程中易氣漲或漏液,改進(jìn)后堿性鋅錳電池的優(yōu)點(diǎn)： 電流穩(wěn)定，放電容量、時(shí)間增大幾倍，不會(huì)氣漲或漏液。

5、,二氧化錳的用途,Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,2、迷你型電池,優(yōu)點(diǎn)：電壓高、穩(wěn)定，低污染。,用途：手表、相機(jī)、心率調(diào)節(jié)器,HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）,Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）,3、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、工作溫度寬、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,鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離

6、子電池,1.鉛蓄電池,1)正負(fù)極材料,正極：PbO2,負(fù)極：Pb,2)工作機(jī)制,電解質(zhì)：H2SO4溶液,鉛蓄電池為典型的可充電電池，其電極反應(yīng)分為放電和充電兩個(gè)過程,二、二次電池,放電過程總反應(yīng)：,Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2O,Pb(s) + SO42- -2e- =PbSO4 (s),正極：,PbO2(s) + 4H+SO42- +2e- =2PbSO4 (s) +2H2O,氧化反應(yīng),還原反應(yīng),負(fù)極：,放電過程,鉛蓄電池充電的反應(yīng)則是上述反應(yīng)的逆過程,Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4 2PbSO4(s)+2H2O(l),充電過程,PbSO4

7、(s) +2e- =Pb(s) + SO42-,還原反應(yīng),陰極：,陽(yáng)極：,2PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + H+ SO42-,氧化反應(yīng),接電源負(fù)極,接電源正極,充電過程總反應(yīng)：,2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4,鉛蓄電池的充放電過程：,3)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,其它二次電池,鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池,2、銀鋅蓄電池,1970-1975, 開發(fā)了先進(jìn)的銀鋅、鎳鎘電池技術(shù)。 1975-1983, 為美國(guó)海軍

8、生產(chǎn)潛水艇用銀鋅電池。 1979-1987,為美國(guó)國(guó)家能源部發(fā)展電動(dòng)車用的鎳鋅電池。 1998-1992, 為美國(guó)海軍發(fā)展世界上最大的鎳鎘電池用于核潛水艇。,銀-鋅蓄電池廣泛用作各種電子儀器的電源，它的充電和放電過程可以表示為：,2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O,此電池放電時(shí)，負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是（ ）,A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn,D,電極反應(yīng)：,負(fù)極：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2,正極：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-,3、鎘鎳電池,負(fù)極材料：Cd； 正極材料：涂有NiO2， 電解質(zhì)：KOH溶液。 反應(yīng)式如下：,寫出電極反應(yīng)式。,

9、特點(diǎn)：比鉛蓄電池耐用，可密封反復(fù)使用。,鎳鎘可充電電池可發(fā)生如下反應(yīng)：,Cd+2NiO(OH)+2H2O,由此可知，該電池的負(fù)極材料是,Cd(OH)2+2Ni(OH)2,A. Cd,（ A ）,B. NiO(OH),D. Ni(OH)2,C. Cd(OH)2,電極反應(yīng)：,負(fù)極：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2,正極：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-,大有發(fā)展前景的燃料電池 燃料電池是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與氧氣或空氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放出來的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一類原電池。目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)近80%，約為火力發(fā)電的2倍。這是因?yàn)榛鹆Πl(fā)電中放

10、出的廢熱太多。燃料電池的噪聲及硫氧化物、氮氧化物等廢氣污染都接近零；燃料電池發(fā)明于19世紀(jì)30年代末，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn)，到20世紀(jì)60年代才開始進(jìn)入實(shí)用階段。第一代燃料電池的大致情況如下：,(三)燃料電池,氫氧燃料電池,新型燃料電池,燃料電池不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)，不斷從外界輸入，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池,燃料電池,優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化率高，可持續(xù)使用，對(duì)環(huán)境友好,用途：宇宙飛船，應(yīng)用前景廣闊,負(fù)極 : 2H2+4OH-4e-4H2O,正極 : O2+2H2O4e-4OH-,總反應(yīng)方程式 ： 2H2O22H2O,燃 料 電 池,2H2 - 4e- = 4H+,O

11、2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,2H2 +4OH- 4e- = 4H2O,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,固體燃料電池,2H2 - 4e- +2O2= 2H2O,O2 + 4e-= 2O2,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,航天技術(shù)上使用的一種電池，它具有高能、輕便、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。用Pt做電極，KOH溶液做電解液，因其反應(yīng)與氫氧燃燒相似，故稱為氫氧燃燒電池。請(qǐng)寫出各電極的電極反應(yīng)。,氫氧燃料電池,若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應(yīng),將鉑絲插入KOH溶液

12、作電極，然后向兩個(gè)電極上分別通入甲烷和氧氣，可以形成原電池，由于發(fā)生的反應(yīng)類似于甲烷的燃燒，所以稱作燃料電池，根據(jù)兩極上反應(yīng)的實(shí)質(zhì)判斷，通入甲烷的一極為_，這一極的電極反應(yīng)為_；通入氧氣的一極為_，電極反應(yīng)為 _，總反應(yīng)為_。,負(fù)極,CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O,正極,O2+4e-+2H2O=4OH-,CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O,若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應(yīng),書寫電極反應(yīng)式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：,1電極反應(yīng)是一種離子反應(yīng)，遵循書寫離子反應(yīng)的所有規(guī)則（如“拆”、“平”）；,3負(fù)極失電子所得氧化產(chǎn)物和正極得電子所得還原產(chǎn)物，與溶液的酸堿性有關(guān)（如4價(jià)的C

13、在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32形式存在）；,2將兩極反應(yīng)的電子得失數(shù)配平后，相加得到總反應(yīng)，總反應(yīng)減去一極反應(yīng)即得到另一極反應(yīng)；,用途廣泛的電池,用于“神六”的太陽(yáng)能電池,筆記本電腦專用電池,手機(jī)專用電池,攝像機(jī)專用電池,各式各樣的紐扣電池,迅猛發(fā)展的綠色環(huán)保電池是指近年來研制、開發(fā)和已 投入使用的高性能、無污染電池。金屬氫化物鎳電池與鎘鎳電池有相同的工作電壓(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合金儲(chǔ)氫材料作為 負(fù)極活性物質(zhì)，取代了致癌物質(zhì)鎘，使其 成為一種綠色環(huán)保電池。 鋰離子蓄電池系由碳作負(fù)極，嵌鋰的金屬氧化物作 正極和有機(jī)電解質(zhì)構(gòu)成，其工作電壓為36伏，因此一

14、個(gè) 鋰離子電池相當(dāng)三個(gè)鎘鎳或金屬氫化物鎳電池。可充電堿錳電池是在堿性鋅錳原電池基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的，由于應(yīng)用了無汞化的鋅粉及新型添加劑，不僅保持了原電池 的電流放電特性，而且能充電使用幾十次至幾百次。太陽(yáng)能電池利用PN結(jié)的光電效應(yīng)，把太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換成電 能，滿足用戶需要。這種發(fā)電具有無需燃料、無污染、無 噪聲、運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠、減少維護(hù)、建設(shè)周期短等特點(diǎn)，已被空間和無常規(guī)能源的地域廣泛采用。,綠色電池種種,電池的發(fā)展方向,光電池使用方便,特別是近年來 微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展,促使其應(yīng)用更加快捷.美,日,歐和發(fā)展中國(guó)家都制定出龐大的 光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃,開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,

15、降低成本,不斷擴(kuò)大產(chǎn) 業(yè).目前已有80多個(gè) 國(guó)家和地區(qū)形成 商業(yè)化,半商業(yè)化 生產(chǎn)能力, 市場(chǎng)開 拓從 空間轉(zhuǎn)向地 面系統(tǒng)應(yīng)用。,課堂總結(jié) 1、僅有一個(gè)電極材料參與反應(yīng)的原電池： 負(fù)極：M-xe=Mx+ 正極：析氫或吸氧或析出不活潑金屬 2、兩個(gè)電極均參與反應(yīng)的原電池 （如蓄電池，紐扣電池） 電極材料：金屬為負(fù)極，金屬化合物為正極,電子得失均由兩電極本身發(fā)生 電極反應(yīng)需考慮電解質(zhì)溶液的參與 3、電極材料本身均不參與反應(yīng)的電池（燃料電池） 兩電極材料均為惰性電極 負(fù)極可燃性氣體失電子，正極助燃性氣體得 電子 電極反應(yīng)考慮電解質(zhì)溶液,1、在含有H2S氣體的空氣中，銀器表面易變黑（生成了 Ag2S）

16、，為了除去銀器表面Ag2S，可采用如下方法：在一個(gè)鋁制的容器中放入食鹽溶液，將銀器浸入食鹽溶液，使銀器與鋁接觸良好過一段時(shí)間，銀器表面變?yōu)殂y白色，并聞到臭雞蛋的氣味，觀察到有少量白色絮狀沉淀生成，請(qǐng)用電極反應(yīng)式和離子方程式表示上述過程,鞏 固 練 習(xí),Al-3e-=Al3+,Ag2S+2e-=2Ag+S2-,2Al+3Ag2S+6H2O=6Ag+2Al(OH)3+3H2S,2、熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為陽(yáng)極燃?xì)?，空氣與CO2的混合氣為陰極燃?xì)?，制得?5下工作的燃料電池，完成有關(guān)的電池反應(yīng)式： 負(fù)極反應(yīng)式：2CO

17、+2CO32-=4CO2+4e 正極反應(yīng)式： 總反應(yīng)式：,O2+4e-+2CO2=2CO32-,2CO+O2=2CO2,3.鋰電池是一代新型高能電池，它以質(zhì)量輕、能量高而受到了普遍重視，目前已研制成功多種鋰電池，某種鋰電池的總反應(yīng)為L(zhǎng)i + MnO2=LiMnO2,下列說法正確的是（ ） A、 Li是正極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i e- = Li+ B、 Li是負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i e- = Li+ C、 Li是負(fù)極，電極反應(yīng)為MnO2 + e- = MnO2 D、 Li是負(fù)極，電極反應(yīng)為L(zhǎng)i 2e- = Li2+,B,4Al-12e=4Al3+,3O2+6H2O+12e=12OH-,不活潑金屬或碳,Cu,2Fe3+2e=2Fe2+,Cu-2e=Cu2+,6、已知：鉛蓄電池充電完畢后，電池中硫酸的密度為1，放電完畢后，溶液的密度變?yōu)?2。又鉛蓄電池充電時(shí)的反應(yīng)： 2