【任务驱动式】4.1.2 化学电源 课件（共25张PPT）高中化学人教版2019选择性必修1
文档属性
| 名称 | 【任务驱动式】4.1.2 化学电源 课件（共25张PPT）高中化学人教版2019选择性必修1 |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 5.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2024-08-25 12:34:16 | ||
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文档简介
(共25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
学习目标
1.通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。
2.增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
情境引入
一次电池
二次电池
燃料电池
燃料电池
干电池
铅酸电池
锂电池
知识回顾
自发的氧化还原反应
闭合
回路
原电池
化学能
电能
离子导体
电极材料
电极反应
电子导体
还原反应
氧化反应
任务一
一次电池（放电后不可充电的电池）
1.普通锌锰干电池
【资料卡片】普通锌锰干电池是最早进入市场的实用干电池。因其电解质溶液用淀粉糊固定化，称为干电池。
普通锌锰干电池放电时发生的主要反应为：
Zn+2NH4Cl+2MnO2 Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
请同学们结合资料和示意图分析：电极反应中的还原剂和氧化剂、电极材料、离子导体。
还原剂：
氧化剂：
负极：
正极：
离子导体：
锌筒
Zn
MnO2
石墨棒
NH4Cl和ZnCl2混合物
一次电池
任务一
思考1
分析普通锌锰干电池长期占据市场和现在逐渐被替代的可能原因。
干电池漏液
Zn
石墨棒
NH4Cl
MnO2
NH4Cl
ZnCl2
A
原因1：会发生自放电
原因2：电解质氯化氨为酸性，会腐蚀电池的锌筒且反应有氢气生成，易造成电池膨胀及漏液现象
一次电池
任务一
2.碱性锌锰干电池
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
【资料卡片】已知该电池总反应为：
Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2
根据示意图和资料：
分析各部分的作用并写出电极反应式。
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
负极：
Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2
正极：
2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH-
一次电池
任务一
思考2
阅读资料，找出能使碱性锌锰干电池产生大电流和高电压的设计。
【资料卡片】①碱性干电池增大了正负极间的相对面积，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，锌也变成粉末状，同时采用了反应活性更高的电解二氧化锰粉；
②电流是单位时间内通过横截面的电量。
电极活性物质
Zn粉、高活性电解MnO2
电极材料
增大相对面积
离子导体
高导电性
的KOH溶液
加快反应速率
减小电池内阻
大电流
高电压
改进方式
改进目的
改进效果
二次电池
任务二
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.铅酸蓄电池
根据铅蓄电池放电过程的总反应写出电极反应式。
【资料卡片】铅蓄电池放电时的总反应为：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
PbSO4难溶于水，充电过程与上述过程相反。
负极：Pb + SO42-- 2e- PbSO4
正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- PbSO4 + 2H2O
优点:电压稳定使用方便安全可靠价格低廉
缺点：比能量低、笨重
二次电池
任务二
思考3
铅蓄电池的电极反应物(Pb、PbO2)和放电后的产物(PbSO4)均以固体形式附着在电极材料表面，分析这样设计的目的。
目的：使电极反应物和产物富集在电极材料表面，充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。
Pb
PbSO4
放电
充电
负极
PbO2
PbSO4
放电
充电
正极
知识拓展
各种新能源汽车电池
电池类型 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池
比能量/ (W·h·kg－1) 55 60～70 120
循环寿命/次 500以上 1000以上 1000以上
优点 比能量较高、寿命长、耐过充放性好 比能量高、寿命长 比能量高、
寿命长
缺点 镉有毒、有记忆效应、价格较高 价格高、高温充电性差 价高、存在一定安全性问题
比能量（比功率）：电池单位质量或单位体积所能输出
电能的多少（或功率的大小）
二次电池
任务二
2.锂离子电池
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
Li+
【资料卡片】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。
二次电池
任务二
2.锂离子电池
结合资料、总反应与示意图，分析:
1.放电时Li+迁移方向和电极反应；
2.简单说明其能够反复充电的理由。
Li
固体TiS2
隔膜
含Li+的
电解质溶液
：Li+
：e-
放电总反应：
x Li + TiS2 LixTiS2
放电时Li+移向正极
负极：x Li – x e- x Li+
正极：TiS2 + x Li+ + x e- LixTiS2
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
二次电池
任务二
2.锂离子电池
钴酸锂LiCoO2
2019诺贝尔化学奖得主
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。
二次电池
任务二
2.锂离子电池
负极材料
正极材料
放电时的总反应：
LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
燃料电池
任务三
1.燃料电池
燃料电池是一种连续地将_____和_______的化学能直接转化为_____的化学电源。燃料电池的电极本身不包含_________，只是一个催化转化元件。
燃料
氧化剂
电能
活性物质
燃料电池的特点
① 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能。
② 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作。
燃料电池
任务三
2.氢氧燃料电池
(1)基本构造
负极：2H2 - 4e- 4H+
正极：O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
(2)工作原理
总反应：
燃料电池
任务三
(3)能量转换
所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，条件不同。
理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，且能量转化率超高。其电能的转化率超过80％，远高于转化率仅30％ 多的火力发电，大大提高了能源的利用率。
燃料电池
任务三
3.燃料电池电极反应式的书写方法
负极为燃料失电子发生氧化反应。
正极为O2得电子发生还原反应。
例：CH3OH燃料电池电极反应式的书写：
(1)酸性电解质：
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
配平小技巧：根据环境用H+调电荷守恒
燃料电池
任务三
配平小技巧：根据环境用OH-调电荷守恒
配平小技巧：根据环境用CO32-调电荷守恒
燃料电池
任务三
固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质(ZrO2/Y2O3)。固体氧化物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。
配平小技巧：根据环境用O2-调电荷守恒
总结提升
化学电源电极反应式的书写
(1)根据电源总反应式或装置确定正、负极的反应物；原电池的正极大多数只起导电作用，而化学电源的正极材料得电子参与电极反应。
(2)根据电源总反应式的产物或装置中微粒的种类确定稳定的产物，要特别注意溶液的酸碱性和离子共存问题。
(3)利用氧化还原配平方法配平电极反应式，运用原子守恒和电荷守恒进行检查。
巩固练习
1．镍 镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO（OH）＋2H2O ===2Ni（OH）2＋Cd（OH）2。下列说法不正确的是（ ）A．放电时，负极发生了氧化反应，反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2B．充电时，正极反应为Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2OC．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小D．该电池充电时将电能转化为化学能
C
放电
充电
巩固练习
2．甲醇－空气燃料电池（DMFC）是一种高效、轻污染的车载电池，其工作原理如图所示。下列有关叙述正确的是（ ）
A．该装置能将电能转化为化学能
B．电流由乙电极经导线流向甲电极
C.负极的电极反应式为：CH3OH＋6OH－－6e－===CO2＋5H2O
D．b口通入空气，c口通入甲醇
B
电池类型 原理 工艺及目的
一次电池 原电池原理 加入隔膜分隔氧化剂与还原剂，减少电池自损耗。
二次电池 原电池及 电解池原理 将相关活性物质富集在电极材料表面，实现物质循环转化。
燃料电池 原电池原理 燃料和氧化剂连续由外部提供，保持电极材料和离子导体稳定，能够实现连续工作。
总结提升
第四章 化学反应与电能
第一节 原电池
第2课时 化学电源
学习目标
1.通过对常见化学电源的分析，建立对原电池过程系统认识的思维模型，提高对原电池本质的认识。
2.增强科技意识，不断研发新型电池，满足人类社会发展的需求。积极回收利用废旧电池，减少其对环境的污染。
情境引入
一次电池
二次电池
燃料电池
燃料电池
干电池
铅酸电池
锂电池
知识回顾
自发的氧化还原反应
闭合
回路
原电池
化学能
电能
离子导体
电极材料
电极反应
电子导体
还原反应
氧化反应
任务一
一次电池（放电后不可充电的电池）
1.普通锌锰干电池
【资料卡片】普通锌锰干电池是最早进入市场的实用干电池。因其电解质溶液用淀粉糊固定化，称为干电池。
普通锌锰干电池放电时发生的主要反应为：
Zn+2NH4Cl+2MnO2 Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
请同学们结合资料和示意图分析：电极反应中的还原剂和氧化剂、电极材料、离子导体。
还原剂：
氧化剂：
负极：
正极：
离子导体：
锌筒
Zn
MnO2
石墨棒
NH4Cl和ZnCl2混合物
一次电池
任务一
思考1
分析普通锌锰干电池长期占据市场和现在逐渐被替代的可能原因。
干电池漏液
Zn
石墨棒
NH4Cl
MnO2
NH4Cl
ZnCl2
A
原因1：会发生自放电
原因2：电解质氯化氨为酸性，会腐蚀电池的锌筒且反应有氢气生成，易造成电池膨胀及漏液现象
一次电池
任务一
2.碱性锌锰干电池
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
【资料卡片】已知该电池总反应为：
Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2
根据示意图和资料：
分析各部分的作用并写出电极反应式。
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
负极：
Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2
正极：
2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH-
一次电池
任务一
思考2
阅读资料，找出能使碱性锌锰干电池产生大电流和高电压的设计。
【资料卡片】①碱性干电池增大了正负极间的相对面积，用高导电性的氢氧化钾溶液替代了氯化铵、氯化锌溶液，锌也变成粉末状，同时采用了反应活性更高的电解二氧化锰粉；
②电流是单位时间内通过横截面的电量。
电极活性物质
Zn粉、高活性电解MnO2
电极材料
增大相对面积
离子导体
高导电性
的KOH溶液
加快反应速率
减小电池内阻
大电流
高电压
改进方式
改进目的
改进效果
二次电池
任务二
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.铅酸蓄电池
根据铅蓄电池放电过程的总反应写出电极反应式。
【资料卡片】铅蓄电池放电时的总反应为：
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
PbSO4难溶于水，充电过程与上述过程相反。
负极：Pb + SO42-- 2e- PbSO4
正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- PbSO4 + 2H2O
优点:电压稳定使用方便安全可靠价格低廉
缺点：比能量低、笨重
二次电池
任务二
思考3
铅蓄电池的电极反应物(Pb、PbO2)和放电后的产物(PbSO4)均以固体形式附着在电极材料表面，分析这样设计的目的。
目的：使电极反应物和产物富集在电极材料表面，充、放电时可以循环转化，实现电池重复使用。
Pb
PbSO4
放电
充电
负极
PbO2
PbSO4
放电
充电
正极
知识拓展
各种新能源汽车电池
电池类型 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池
比能量/ (W·h·kg－1) 55 60～70 120
循环寿命/次 500以上 1000以上 1000以上
优点 比能量较高、寿命长、耐过充放性好 比能量高、寿命长 比能量高、
寿命长
缺点 镉有毒、有记忆效应、价格较高 价格高、高温充电性差 价高、存在一定安全性问题
比能量（比功率）：电池单位质量或单位体积所能输出
电能的多少（或功率的大小）
二次电池
任务二
2.锂离子电池
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
Li+
【资料卡片】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。
二次电池
任务二
2.锂离子电池
结合资料、总反应与示意图，分析:
1.放电时Li+迁移方向和电极反应；
2.简单说明其能够反复充电的理由。
Li
固体TiS2
隔膜
含Li+的
电解质溶液
：Li+
：e-
放电总反应：
x Li + TiS2 LixTiS2
放电时Li+移向正极
负极：x Li – x e- x Li+
正极：TiS2 + x Li+ + x e- LixTiS2
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
二次电池
任务二
2.锂离子电池
钴酸锂LiCoO2
2019诺贝尔化学奖得主
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。
二次电池
任务二
2.锂离子电池
负极材料
正极材料
放电时的总反应：
LixCy + Li1-xCoO2 LiCoO2 + Cy
负极：LixCy－xe－===xLi＋＋Cy
正极：Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2
燃料电池
任务三
1.燃料电池
燃料电池是一种连续地将_____和_______的化学能直接转化为_____的化学电源。燃料电池的电极本身不包含_________，只是一个催化转化元件。
燃料
氧化剂
电能
活性物质
燃料电池的特点
① 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能。
② 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作。
燃料电池
任务三
2.氢氧燃料电池
(1)基本构造
负极：2H2 - 4e- 4H+
正极：O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
(2)工作原理
总反应：
燃料电池
任务三
(3)能量转换
所有的燃烧均为放热反应，若能量以电的形式向外释放，则形成燃料电池，所以燃料电池的总方程式类似燃烧的总方程式，条件不同。
理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体，且能量转化率超高。其电能的转化率超过80％，远高于转化率仅30％ 多的火力发电，大大提高了能源的利用率。
燃料电池
任务三
3.燃料电池电极反应式的书写方法
负极为燃料失电子发生氧化反应。
正极为O2得电子发生还原反应。
例：CH3OH燃料电池电极反应式的书写：
(1)酸性电解质：
负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2＋6H＋
配平小技巧：根据环境用H+调电荷守恒
燃料电池
任务三
配平小技巧：根据环境用OH-调电荷守恒
配平小技巧：根据环境用CO32-调电荷守恒
燃料电池
任务三
固体氧化物燃料电池采用固体氧化物为电解质(ZrO2/Y2O3)。固体氧化物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。
配平小技巧：根据环境用O2-调电荷守恒
总结提升
化学电源电极反应式的书写
(1)根据电源总反应式或装置确定正、负极的反应物；原电池的正极大多数只起导电作用，而化学电源的正极材料得电子参与电极反应。
(2)根据电源总反应式的产物或装置中微粒的种类确定稳定的产物，要特别注意溶液的酸碱性和离子共存问题。
(3)利用氧化还原配平方法配平电极反应式，运用原子守恒和电荷守恒进行检查。
巩固练习
1．镍 镉电池是一种可充电的“干电池”，使用寿命长达10～15年。其总反应为Cd＋2NiO（OH）＋2H2O ===2Ni（OH）2＋Cd（OH）2。下列说法不正确的是（ ）A．放电时，负极发生了氧化反应，反应为Cd＋2OH－－2e－===Cd（OH）2B．充电时，正极反应为Ni（OH）2－e－＋OH－===NiO（OH）＋H2OC．电池工作时，负极区pH增大，正极区pH减小D．该电池充电时将电能转化为化学能
C
放电
充电
巩固练习
2．甲醇－空气燃料电池（DMFC）是一种高效、轻污染的车载电池，其工作原理如图所示。下列有关叙述正确的是（ ）
A．该装置能将电能转化为化学能
B．电流由乙电极经导线流向甲电极
C.负极的电极反应式为：CH3OH＋6OH－－6e－===CO2＋5H2O
D．b口通入空气，c口通入甲醇
B
电池类型 原理 工艺及目的
一次电池 原电池原理 加入隔膜分隔氧化剂与还原剂，减少电池自损耗。
二次电池 原电池及 电解池原理 将相关活性物质富集在电极材料表面，实现物质循环转化。
燃料电池 原电池原理 燃料和氧化剂连续由外部提供，保持电极材料和离子导体稳定，能够实现连续工作。
总结提升