4.1.2化学电源 课件(共33张PPT含视频) 高中化学人教版(2019)选择性必修1

(共33张PPT)
第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第2课时 化学电源
电池
太阳能电池
原子能电池
化学电池
将太阳能转换成电能的装置
将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热电转换器转变为电能的装置
化学电池是将化学能变成电能的装置。原电池是化学电池的雏形
在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？
为了让我们的生活更便利，科学家在研究电池的道路上一直在前进！
化学电源与原电池的关系：
原电池 雏形、原理基础 化学电源
应用
（一）化学电源发展
用途广泛的各种化学电池
1、为什么电池的用途如此广泛呢？
思考与交流
方便携带、易于维护，能量转换效率高，供能稳定可靠，可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组。
2、电池优劣的判断标准是什么？
① 比能量
② 比功率
③ 电池的可储存时间的长短
除了特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池更易满足使用者的要求。
电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少。
电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小。
（二）化学电源的类型
1.一次电池
也叫做干电池，放电后不可再充电(内部的氧化还原反应无法逆向进行)。
锌筒
石墨棒
MnO2和C
普通锌-锰干电池的结构
NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等
（1）普通锌锰干电池
负极
正极
电池反应：
（Zn）：Zn – 2e- = Zn2+
（MnO2和C）：
优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。
2NH4++2MnO2 + 2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O
（2）碱性锌-锰干电池
电解质：
KOH
负极：
——Zn
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
正极：
——MnO2
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
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
电池反应：
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
氢氧化氧锰
碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：
Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) =Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)
下列说法错误的是……………………………( )
A.电池工作时，锌失去电子
B.电池正极电极反应为：2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路每通过0.2mole-，理论上减小锌的质量6.5g
C
【练习1】
（3）锌银钮扣电池
正极：Ag2O + H2O+ 2e- =2Ag+2OH-
负极：Zn +2OH--2e- =Zn(OH)2
锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。
总反应: Zn + Ag2O + H2O ＝ 2Ag + Zn(OH)2
锌银电池比能量___、电压____，储存时间___，适宜____电流连续放电，常制成____式微型电池，广泛用于电子手表、照相机、_____和其他微型电子仪器。
大
稳定
长
较小
纽扣
手表
银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2，下列说法中不正确的是( )
A．工作时，正极上发生反应的物质是Ag2O
B．负极发生的反应是Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2
C．工作时，负极区溶液c(OH-)减小
D．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动
D
【练习2】
（非水有机溶剂电解液）
负极：2Li - 2e- = 2Li+，
正极：I2 + 2e- = 2I-，
总反应：2Li + I2 = 2LiI
跟其它金属作负极相比，使用寿命延长，高能、质轻、电压高、工作效率高、储存寿命长。为什么？
与作负极材料的金属相比较，相同质量时锂提供电子数最多。
（4）锂电池
2、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。
（1）铅蓄电池
负极材料是海绵状的金属Pb，
正极材料上涂有棕褐色的PbO2，
两极浸在30%H2SO4溶液中。
①结构特点
H2SO4
Pb(铅)
PbO2
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、笨重、废弃电池污染环境
放电过程总反应：
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
Pb + SO42- -2e- =PbSO4
正极：
PbO2 + 4H++SO42-+2e- =PbSO4 +2H2O
氧化反应
还原反应
负极：
①放电过程
思考：电池工作一段时间后，电解质溶液的pH_________
增大
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
(2)工作原理
PbSO4 +2e- =Pb + SO42-
还原反应
PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H++ SO42-
氧化反应
充电过程总反应：
2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
铅蓄电池的充放电过程：
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
放电
充电
②充电过程
正接正作阳极，负接负阴极
阴极(接负极)：
阳极(接正极)：
可逆反应？
~转2e-
化学能
电能
放电
充电
关于铅蓄电池放电时的说法正确的（ ）
A．电池的负极材料是铅板
B．正极发生的反应是 Pb +SO42--2e-= PbSO4
C．电池中硫酸的浓度不发生变化
D．负极质量减少、正极质量增加
A
【练习3】
（2）镍氢电池
圆柱可充镍氢电池
方形可充镍氢电池
能量密度高；无镉污染，是一种绿色电池；可大电流快速充放电；电池工作电压为1.2V；在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车上逐步得到应用。
优点：
H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2
放电
充电
正极：
负极：
放电
阳极：
阴极：
充电
总反应：
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
氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是 H2+2NiO(OH) 2Ni(OH)2。根据此反应式判断，下列叙述中正确的是( )
A.电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大
B.电池放电时，镍元素被氧化
C.电池充电时，氢元素被还原
D.电池放电时，H2在负极上反应
CD
负极：H2+2OH--2e- = 2H2O
正极：2NiO(OH)+2H2O+2e- = 2Ni(OH)2+2OH-
【练习4】
（双选）
（3）锂离子电池
总反应：
正极：
负极：
阳极：
阴极：
LixC6 +Li1-xCoO2 LiCoO2＋6C
放电
充电
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
LixC6 － xe－＝ 6C+xLi+
Li1-xCoO2+xe-+xLi ＝LiCoO2
6C+xe－+xLi+＝LixC6
LiCoO2－xe- ＝Li1-xCoO2+xLi+
放电时，Li＋从石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中，
充电时，Li＋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。
锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池，某种锂电池的总反应为Li +MnO2=LiMnO2，下列说法正确的是（ ）
A、Li是正极，电极反应为 Li－e- =Li+
B、Li是负极，电极反应为 Li－e- =Li+
C、Li是负极，电极反应为 MnO2 +e-=MnO2 –
D、Li是负极，电极反应为 Li－2e- = Li2+
B
【练习5】
电池里含有汞、铅、镉等多种重金属元素，随意丢弃废旧电池，对环境会造成严重的污染。
资料显示，在地表面，一节废电池被腐蚀后，
能使1平方米的土壤永久失去利用价值；
一粒纽扣电池可使600吨水受到污染，
相当于一个人一生的饮水量。
有什么电池是几乎零污染的吗
电池中的汞 能造成水俣病,佝偻病等
电池中的铅:能引起人体神经紊乱,肾炎
电池中的镉:能造成肾损伤,骨质疏松,软骨病。
3、燃料电池
将燃料（如氢气、甲烷、乙醇）和氧化剂(如氧气）的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，
具有清洁、安全、高效等特点。
燃料电池的能量转化率可以达到80%以上。
（1）原理
（2）优点
（3）与其他电池的区别
反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。
①氢氧燃料电池——酸性
以氢氧燃料电池为例
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
负极：2H2 - 4e- ＝ 4H+
正极：O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；消耗2molO2转移电子 。
增大
减小
增大
8NA
②氢氧燃料电池——碱性
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
负极：2H2 + 4OH- - 4e- ＝ 4H2O
正极： O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH-
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；消耗1molH2转移电子 。
增大
减小
减小
2NA
燃料电池pH变化 正极 负极 溶液
酸性溶液
碱性溶液
pH增大
pH减小
酸性pH增大
碱性pH减小
对应减弱
正增负减
对应减弱
介质 电池反应：
负极
正极
负极
正极
2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O
O2 + 4e-= 2O2－
2H2 +Ｏ２ = 2H2O
③氢氧燃料电池——高温传导O2-或H+
一极通入H2，一极通入空气和CO2混合气体，以Li2CO3和Na2CO3的熔融盐作电解质。
负 极：
正 极：
总反应式：
④氢氧燃料电池——熔融碳酸盐
2H2+2CO32--4e-=2CO2 +2H2O
O2+2CO2+4e-=2CO32-
2H2 + O2＝2H2O
(1)判断正、负极
（4）燃料电池电极反应式的书写技巧
(2)先写总反应式(考虑电解质溶液)
正极： 负极：
(3)再写正极反应式(考虑电解质溶液)：
①酸性：
O2＋4H++4e-=2H2O
O2＋2H2O+4e-=4OH-
O2＋4e-=2O2-
用总反应式减去正极反应式，即得负极反应式。(即将总反应式中的O2全部消去。)
(4)最后写负极反应式：
③固体电解质：
O2
燃料(H2、CH4、C2H5OH等)
电池总反应就是燃料燃烧的产物，注意燃烧产物是否与电解质溶反应
②中性或碱性：
④熔融碳酸盐：
O2＋4e－＋2CO2＝2CO32－
(1)甲烷-氧气燃料电池
负极：
正极：
总反应式：
电解质为H2SO4溶液
写出下列甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。
CH4 - 8e-+ 2H2O = CO2 +8H+
2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
【练习8】
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；消耗2molCH4转移电子 。
增大
减小
增大
16NA
C+4 H+1 O减2，N变N2不变化
CxHyOz ~ (x+y/4-z/2) O2
(2)甲烷-氧气燃料电池
负极：
正极：
总反应式：
电解质为KOH溶液
CH4 - 8e- + 10OH- ＝ CO32- + 7H2O
2O2 + 8e- + 4H2O ＝ 8OH-
CH4+2O2+2OH -＝CO32-+3H2O
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；3molCH4消耗 molO2
若电池能量转化率为80%，则转移电子 mol
增大
减小
减小
6
19.2
(3)甲烷-氧气燃料电池
负极：
正极：
总反应式：
电解质为熔融氧化物(高温下能传导O2-)
CH4 - 8e-+ 4O2- = CO2 + 2H2O
2O2 + 8e- = 4O2-
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
(4)甲烷-氧气燃料电池
负极：
正极：
总反应式：
电解质为熔融碳酸盐(熔融K2CO3)
CH4 - 8e-+ 4CO32- = 5CO2 + 2H2O
2O2 + 8e- +4CO2 = 4CO32-
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
3
正极pH ；负极pH ；溶液pH ；1molCH3OH参与反应，消耗 molO2
CH3OH酸性：
总反应：
CH3OH+ O2=CO2+ H2O
正极：
O2+4H++4e-- =2H2O
负极：
CH3OH =CO2
电解质：
稀HCl
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；消耗1molCH3OH转移电子 。
增大
减小
增大
6NA
CH3OH碱性：
总反应：
正极：
负极：
电解质：
稀NaOH
O2＋4e--+2 H2O = 4OH--
3/2
2
--6e--
+6H+
+H2O
C+4 H+1 O减2, N变N2不变化
CH3OH+ O2 + = CO32-- + H2O
3/2
2OH--
CH3OH =CO32--
--6e--
+8OH--
+6H2O
1.5
2CH3OH +3O2=2CO2+4H2O
2CH3OH+3O2+4OH--＝2CO32--＋6H2O
CxHyOz ~ (x+y/4-z/2) O2
增大
减小
减小
写出甲醇燃料电池的电极反应式及总反应式
【练习9】
N2H4 =N2
7.N2H4酸性：
总反应：
正极：
O2+4H++4e-- = 2H2O
负极：
N2H4 =N2
电解质：
稀HCl
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；消耗0.5molN2H4转移电子 。
增大
减小
增大
2NA
8.N2H4碱性：
总反应：
正极：
负极：
电解质：
稀NaOH
O2＋4e--+2 H2O = 4OH--
- 4e--
+ 4H+
C+4 H+1 O减2 N变N2不变化
- 4e--
+4OH--
+4H2O
N2H4 +O2=N2+ H2O
2
N2H4 +O2=N2+ H2O
2
正极pH ；负极pH ；
溶液pH ；1molN2H4消
耗 molO2.
增大
减小
减小
1
写出肼燃料电池的电极反应式及总反应式
【练习10】
拓展：铝-空气-海水电池
1991年，我国首创，用作海上标志灯。以海水为电解液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。
负极：4A1-12e- ＝ 4A13+
正极：3O2+6H2O+12e- ＝12OH-
电池总反应式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3
这种海水电池比“干电池”的能量高20～50倍。