高中化学人教版（2019）化学选择性必修一4.1.2　化学电源课件（26张ppt）

(共26张PPT)
选择性必修一 化学反应与电能
　 化学电源
第四章
素养目标
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,培养证据推理与模型认知的能力。
3.了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害,设想其处理方法,形成科学态度与社会责任意识。
一、生活中的电池
干电池
纽扣电池
化学电源
燃料电池
铅蓄电池
一、化学电池
将化学能转化为电能的装置。
1.分类
一次电池→活性物质消耗到一定程度后不能再用,如普通的锌锰电池、碱性锌锰电池等
二次电池→放电后可以再充电而重复使用,如铅酸蓄电池等
燃料电池→燃料失电子,氧化剂得电子的电池,如氢氧燃料电池等
一、电池概况
一、一次电池（酸性锌锰干电池）
1.酸性锌锰干电池
(1)构造:
(2)组成:
正极:MnO2;负极:Zn;
电解质:NH4Cl为主。
(3)工作原理:
负极反应:Zn－2e-＝Zn2＋;
正极反应:2NH4＋＋2e-＝2NH3↑＋＋H2↑;
NH3被ZnCl2吸收：4NH3＋ZnCl2＝[Zn(NH3)4]Cl2
H2被MnO2吸收,防极化：H2＋2MnO2＝Mn2O3＋H2O
总反应:Zn+2MnO2 +2NH4Cl===Mn2O3+ZnCl2+ 2NH3+H2O
优点：
制作简单、价格便宜。
缺点：放电时间短，电压下降快。
一次电池：
只能使用一次，不能充电复原继续使用.
一、一次电池（碱性锌锰干电池）
2.碱性锌锰干电池
(1)构造:
(2)组成:
正极:MnO2;负极:Zn;电解质:KOH。
(3)工作原理:
负极反应:Zn+2OH--2e- === Zn(OH)2;
正极反应:2MnO2+2e-+2H2O === 2MnO(OH)+2OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O === 2MnO(OH)+Zn(OH)2。
优点：
比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电
缺点：
多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
一、一次电池（银锌纽扣电池）
3.银锌电池
银锌电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应如下：
负极：Zn＋2OH－－2e－ ==== Zn(OH)2；
正极：Ag2O＋H2O＋2e－ ==== Ag＋2OH－；
总反应：Zn＋Ag2O＋H2O ==== Zn(OH)2＋2Ag。
这种电池比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电，常制成纽扣式电池，广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。
一、一次电池（锂金属电池）
4.锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池
Li－SOCl2电池可用于心脏起搏器。该电池的电极材料分别为锂和碳，电解液是LiAlCl4－SOCl2。电池的总反应可表示为8Li＋3SOCl2===6LiCl＋Li2SO3＋2S。
(1)负极材料为____，电极反应为_________________。
(2)正极的电极反应为_______________________________。
锂
8Li－8e－===8Li＋
3SOCl2＋8e－===2S＋ ＋6Cl－
必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池，原因是构成电池的两个主要成份Li能和氧气水反应，且SOCl2也与水反应。
二、二次电池（铅酸蓄电池）
二次电池：放电后能充电复原继续使用
1.铅酸蓄电池
铅酸蓄电池是最常见的二次电池,其电极反应分为放电和充电两个过程。
组成: 正极:PbO2;负极:Pb;电解质:30%H2SO4溶液
(1)放电时——原电池（化学能转化为电能）
负极反应： ；
正极反应： 。
(2)充电时——电解池（电能转化为化学能）
阴极反应： ；
阳极反应： 。
铅蓄电池总反应：
Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)＋2H2O(l)
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
【微思考1】铅酸蓄电池在放电一段时间后,正极、负极的质量将如何变化
答案 铅酸蓄电池放电时,正极部分PbO2变为PbSO4,质量变大;负极部分Pb变为PbSO4,质量也变大。
铅蓄电池
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、废弃电池污染环境
二、二次电池（铅酸蓄电池）
二、二次电池（碱性镍镉电池）
2.碱性镍镉电池 组成: 正极:NiO(OH);负极:Cd;电解质:KOH。
工作原理:
(1)放电时——原电池（化学能转化为电能）
负极反应： ；
正极反应： 。
放电总反应
(2)充电时——电解池（电能转化为化学能）
阴极反应： ；
阳极反应： 。
充电总反应:
Cd+2OH--2e- === Cd(OH)2
2NiO(OH)+2e-+2H2O === 2Ni(OH)2+2OH-
Cd(OH)2+2e- === Cd+2OH-
2Ni(OH)2+2OH--2e-=== 2NiO(OH)+2H2O
2NiO(OH)+Cd+2H2O === 2Ni(OH)2+Cd(OH)2
2Ni(OH)2+Cd(OH)2=== 2NiO(OH)+Cd+2H2O
二、二次电池（其他）
其他二次电池还有：
爱迪生电池(铁镍蓄电池)： Fe+NiO2+2H2O Fe(OH)2+Ni(OH)2
二次电池的充放电规律
(1)充电时电极的连接：充电的目的是使电池恢复其供电能力，因此负极应与电源的负极相连以获得电子，可简记为负接负后作阴极，正接正后作阳极。
(2)工作时的电极反应式：同一电极上的电极反应式，在充电与放电时，形式上恰好是相反的；同一电极周围的溶液，充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。
三、“高效、环境友好”的燃料电池
1.氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池，可分为酸性和碱性两种。
种类 酸性 碱性
负极反应式 2H2－4e－===4H＋ _________________________
正极反应式 _______________________ O2＋2H2O＋4e－===4OH－
电池总反应式 2H2＋O2===2H2O 备注 燃料电池的电极不参与反应，有很强的催化活性，起导电作用 2H2＋4OH－－4e－===4H2O
O2＋4e－＋4H＋===2H2O
燃料电池的两电极反应的特点:
在反应中燃料一般表现为失去电子,通入负极，常用的氧化剂是氧气。
三、燃料电池电极反应式的书写
(1)若电解质溶液显酸性，在电极反应式中不能出现 。
(2)若电解质溶液显碱性，在电极反应式中不能出现 。
1.书写燃料电池的电极反应式时的注意事项
2.常见几种燃料电池电极反应式的书写
该电池将金属铂片插入KOH溶液中作电极,在两极上分别通入甲烷和氧气。
(1)甲烷-氧气碱性燃料电池电极反应式的书写
负极：CH4＋10OH－－8e－ ==== CO32－＋7H2O；
正极：2O2＋4H2O＋8e－ ==== 8OH－；
总反应：CH4＋2O2＋2KOH ==== K2CO3＋3H2O。
OH－
H＋
甲烷－氧气燃料电池的负极反应式的书写。
【注意】电解质为碱性物质的有机物燃料电池,负极上产生的CO2与OH-反应生成CO2-3,电极反应式的配平一般难度较大,但若使用电荷守恒法配平,就能使配平简化。
三、燃料电池（碱性甲醇/肼燃料电池）电极反应式的书写
甲醇燃料电池。
电解质:KOH
正极:3O2+6H2O+12e- === 12OH-
负极:2CH3OH+16OH--12e- === 2 +12H2O
总反应:2CH3OH+3O2+4KOH === 2K2CO3+6H2O
肼（N2H4）燃料电池。
电解质:KOH
正极:O2+2H2O+4e- === 4OH-
负极:N2H4+4OH--4e- === N2↑+4H2O
总反应:N2H4+O2 === N2+2H2O
CO32-
三、燃料电池（固体氧化物/熔融碳酸盐燃料电池）电极反应式的书写
该电池中导电离子是氧化物中的O2－。
(2)丁烷-氧化物燃料电池电极反应式的书写
(3)CH4-熔融碳酸盐燃料电池电极反应式的书写
该电池中导电离子是碳酸盐中的CO32-。
总反应：CH4＋2O2===CO2＋2H2O
可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质,
三、氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结
三、燃料电池
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。
缺点：体积较大、附属设备较多
优点：能量转换率高、清洁、对环境好
其它燃料电池：甲烷CH4，乙烷C2H6，丁烷C3H8，甲醇CH3OH，乙醇C2H5OH，氢气H2，
一氧化碳CO，肼（N2H4）
燃料电池的规律
燃料电池与前几种电池的差别：
(1)电池的负极一定是可燃性气体失电子,发生氧化反应。电池的正极一定是助燃性气体(一般
是O2)得电子,发生还原反应。
(2)电极材料一般不参加化学反应,只起传导电子的作用。
(3)电极反应式作为一种特殊的离子方程式,也必须遵循原子守恒、电荷守恒规律。
【微思考】原电池的电极材料都必须是金属吗 正极、负极材料可以是同一种导电物质吗
答案 原电池的电极材料可以是两种活动性不同的金属,也可以是一种金属与一种可导电的惰性材料(如石墨)。在燃料电池中,电极本身均不发生反应,故两极均可用惰性材料,如Pt电极。
三、废旧电池的危害与处理
1.危害:废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质,如随意丢弃,会对生态环境和人体健康造成危害。
2.处理方法:回收处理。
1.正误判断
(1)碱性锌锰电池、铅酸蓄电池、锂离子电池都属于二次电池。(　　)
(2)二次电池充电时,化学能转化为电能。(　　)
(3)二次电池充电时发生的反应不能自发进行。(　　)
(4)某些导电非金属单质、某些导电金属氧化物都可作原电池的电极。(　)
(5)燃料电池工作时需要点燃条件才可发生。(　　)
(6)燃料电池的燃料可以是氢气、烃、甲醇、氨等物质。(　　)
×
×
√
√
×
√
四、课堂练习
2. (2019全国Ⅲ)为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如下图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)
+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是(　　)
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l)
D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区
D
四、课堂练习
3.(1)以H2、O2及KOH溶液构成氢氧燃料电池,则负极通入的是　　,正极通入的是　　,电极反应分别为　　　　　　　　、　　　　　　。
(2)如把KOH溶液改为稀硫酸作电解质溶液,则电极反应分别为
　　　　　　　　、　　　　　　　　。
(3)(1)和(2)的电解质溶液不同,反应进行后,其溶液的pH各有何变化
　　　　　　　　。
(4)如果把H2改为甲烷,KOH溶液为电解质溶液,则电极反应分别为
　　　 　　　 　、　　 　　　　　。
H2
O2
2H2+4OH--4e- === 4H2O　O2+2H2O+4e- === 4OH-
2H2-4e- === 4H+ 　O2+4H++4e- === 2H2O
(1)中pH变小,(2)中pH变大
CH4+10OH--8e- === CO32- +7H2O　2O2+4H2O+8e- === 8OH-
四、课堂练习
4.某学习小组的同学查阅相关资料知氧化性： ＞Fe3＋，设计了盐桥式的原电池，如图所示。盐桥中装有琼脂与饱和K2SO4溶液。下列叙述中正确的是
A.甲烧杯的溶液中发生还原反应
B.乙烧杯中发生的电极反应为2Cr3＋＋7H2O－6e－=== ＋14H＋
C.外电路的电流方向为从b到a
D.电池工作时，盐桥中的 移向乙烧杯
√
1.(2017·全国卷Ⅲ，11)全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为16Li＋xS8===8Li2Sx (2≤x≤8)。下列说法错误的是
A.电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6＋2Li＋＋2e－===3Li2S4
B.电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g
C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性
D.电池充电时间越长，电池中Li2S2的量越多
√
两种不同类型的锂电池
(1)锂金属电池
锂电池分为锂金属电池和锂离子电池。
锂金属电池的负极材料是金属锂或锂合金，工作时金属锂失去电子被氧化为Li＋。由于单质锂是活泼金属，易与空气中的H2O、O2反应，
所以必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池。
(2)锂离子电池
锂离子电池的正极材料一般为含Li＋的化合物，目前已商业化的正极材料有LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等，充电、放电时这些正极材料上的电极反应、电池总反应如表：
正极材料 充电时阳极反应式 放电时正极反应式 电池总反应式
LiFePO4 LiFePO4－xe－ =Li1－xFePO4＋xLi＋ Li1－xFePO4＋xLi＋＋xe－=LiFePO4 LiFePO4＋6C充电
Li1－xFePO4＋LixC6
LiCoO2 LiCoO2－xe－ =Li1－xCoO2＋xLi＋ Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2 LiCoO2＋6C充电
Li1－xCoO2＋LixC6
LiMn2O4 LiMn2O4－xe－ =Li1－xMn2O4＋xLi＋ Li1－xMn2O4＋xLi＋＋xe－===LiMn2O4 LiMn2O4＋6C充电
Li1－xMn2O4＋LixC6
放电时：
①负极区域，LixC6失去电子形成碳单质。
②正极区域过渡区域金属元素化合价降低，得到电子
充电时阳极：
①碳单质得到电子形成LixC6
②LiFePO4、LiCoO2、LiMn2O4等释放Li＋，过渡区域金属元素化合价升高失去电子