第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量
第3课时 化学电源
素养目标
宏观辨识与微观探析：
从宏观上认识知道常见的一次电池，二次电池，知道常见的燃料电池，如氢氧燃料电池，会写电极反应式。
证据推理与模型认知：
能根据原电池的工作原理及构成条件，设计简单的原电池，形成分析原电池正负极、电极反应式、电子（流）流向等相关知识的认知模型。
科学探究与创新意识：
通过观察现象、原理分析，判断原电池的正极、负极，正确书写简单原电池的电极反应式，了解常见的化学电源，感受化学能转化为电能的奇妙。
1.会判断原电池的正极、负极，能正确书写简单原电池的电极反应式
2.了解常见的化学电源，感受化学能转化为电能的奇妙。
本节重点
电极反应式的书写
本节难点
电极反应式的书写
化学电源是将化学能变成电能的装置。原电池是化学电源的雏形，常分为如下三类：
一次电池
普通锌锰干电池
碱性锌锰电池
锌银纽扣电池
二次电池
燃料电池
氢氧燃料电池
就是放电后不可再充电的电池。
一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。
是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。
铅蓄电池
锂离子电池
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。
学习任务一 认识化学电源
在日常生活和学习中，你用过哪些电池？你知道电池的有哪些种类？
电池
太阳能电池
将太阳能转换成电能的装置
原子能电池
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
一、一次电池
一次电池放电后不可再充电
一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池
1、普通锌锰电池
Zn—MnO2 —NH4Cl
负极：Zn-2e-=Zn2+
正极： +2e-+2MnO2=2NH3 ↑+Mn2O3+H2O
总反应
Zn+2MnO2 + 2NH4Cl =ZnCl2+Mn2O3+2NH3↑+H2O
0 +4 +2 +3
优点：制作简单，便于携带，价格便宜；
缺点：放电时间短，电压下降快；容易漏液（锌外壳变薄）糊状NH4Cl显酸性）
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}电极反应活性物质
负极：Zn
正极：MnO2
电极材料
负极：Zn
正极：石墨棒
离子导体
NH4Cl和ZnCl2混合物
锌筒
石墨棒
MnO2和C
普通锌-锰干电池的结构
NH4Cl、ZnCl2 糊
改进
①在外壳套上防腐金属筒或塑料筒制成防漏电池；
②将电池内的电解质NH4Cl换成湿的KOH，并在构造上进行改进，制成碱性锌锰电池。
电池总反应：
Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
负极：Zn + 2OH– – 2e– =Zn(OH)2
正极：2MnO2 + 2H2O +2e– = 2MnOOH + 2OH–
锌粉取代锌筒，KOH取代NH4Cl，增大接触面积
加快反应速率，减少电池内阻，电流大电压高寿命长
0 +4 +3 +2
2、碱性锌锰电池
pH值增大
Zn—MnO2 —KOH
碱性电池
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
MnO2和
KOH混合物
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}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
优点：电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会涨气或漏液。
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。
微型银—锌电池可用作电子仪器的电源，其电极分别是Ag/Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液，电池总反应为Ag2O + Zn + H2O = 2Ag + Zn(OH)2，下列说法正确的是
A．电池工作过程中，KOH溶液浓度降低
B．电池工作过程中，电解液中OH-向正极迁移
C．负极发生反应Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
D．正极发生反应Ag2O + 2H+ + 2e- = 2Ag + H2O
总反应未消耗KOH，但是耗水，所以C增大
+1
0
0
+2
随堂练习
2.二次电池(充电电池)
放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使电池恢复到放电前的状态,从而实现放电（化学能转化为电能）与充电（电能转化为电能）的循环。
一、化学电源
①铅蓄电池
2.二次电池(充电电池)
一、化学电源
负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4
正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O
正极：PbO2
负极：Pb
电解质：H2SO4溶液
氧化反应
正负极材料
Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O
放电
充电
还原反应
①铅蓄电池
2.二次电池(充电电池)
一、化学电源
②锂电池
负极：Li - e- = Li+
正极：MnO2 + e- = MnO2-
总反应式：Li + MnO2 = LiMnO2
2.二次电池(充电电池)
一、化学电源
优点：质轻、比能量高、高工作效率、高稳定电压、
工作温度宽、高使用寿命
③锂离子电池
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
正极：
负极：?
LixC6 － xe－＝ 6C+xLi+
Li1-xCoO2+xe-+xLi+ ＝LiCoO2
2.二次电池(充电电池)
一、化学电源
你知道冬奥会的氢腾燃料电池汽车吗？
发展中的燃料电池
燃料电池是一种将燃料（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。当以氢气为燃料时，产物为水；以甲烷为燃料时，产物为水和二氧化碳。与常规发电厂相比，其二氧化碳排放量明显降低。燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部，而是从外部提供，这时电池起着类似试管、烧杯等反应器的作用。
燃料电池的供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，而且不需要很长的充电时间，在航天、军事和交通等领城有广阔的应用前景。
3.燃料电池
一、化学电源
燃料电池是一种将燃料（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
3.燃料电池
一、化学电源
特点：清洁、安全、高效
燃料电池的能量转化率可以达到80%以上
反应物不储存在电池内部，由外设设备提供燃料和氧化剂。
氢氧燃料电池
正极：
负极：
2H2 – 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O
3.燃料电池
一、化学电源
负极通入气体是___，正极通入气体是___。
①如果电解液为酸性：
总反应：2H2 + O2 = 2H2O
①如果电解液为碱性：
正极：
负极：
2H2 +4OH-– 4e- = 2H2O
O2 + 2H2O+ 4e- = 4OH-
H2 O2
银锌(纽扣)电池
正极: ; 负极： ; 电解质: 。
Zn－2e-＋2OH－＝Zn(OH)2
Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－
KOH溶液
Ag2O
Zn
负极:
正极:
Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
总反应式:
优点：比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。
1.书写电极反应式的原则——守恒
二、电极反应式的书写
质量守恒，得失电子守恒，电荷守恒
负极（锌片）： Zn －2e - = Zn 2+
正极（石墨）： 2H++2e - = H2 ↑
总反应: Zn + 2H+ = Zn 2+ + H2 ↑
负极（锌片）： Zn －2e - = Zn 2+
正极（铜片）： Cu2+ + 2e - = Cu
总反应: Zn + Cu2+ = Zn 2+ + Cu
2.据总方程式书写电极反应式
⑴列物质 标得失
⑵看环境 配守恒
⑶两式加 验总式
正极：找出氧化剂及还原产物，写出“氧化剂＋n e－＝还原产物”
负极：找出还原剂及氧化产物，写出“还原剂－n e－＝氧化产物”
由电荷守恒确定要添加的离子，再据质量守恒，配平其他微粒个数
注意开始生成的氧化产物、还原产物在溶液中能否存在
正、负析电极反应式相加，与总反应式对照验证
复杂电极反应式＝总反应式－较简单一极的电极反应
二、电极反应式的书写
典例精讲
【例1】已知该电池总反应为：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnO(OH)+Zn(OH)2
碱性锌锰干电池结构
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
MnO2和
KOH混合物
正极：2MnO2 + 2e- + 2H2O 2MnO(OH) + 2OH-
负极：Zn - 2e- + 2OH- Zn(OH)2
总反应：Zn+2MnO2+2H2O = 2MnO(OH)+Zn(OH)2
0
+4
+3
+2
3.书写燃料电池电极反应式注意事项
⑵负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关（如+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32-形式存在）；
⑴将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；
⑶水溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-；
二、电极反应式的书写
典例精讲
【例3】写出甲烷燃料电池（CH4-O2-KOH溶液）的电极反应式
第一步 确定生成物
故CH4的最终产物为CO32-和H2O；
第二步 确定价态变化及电子转移
甲烷燃料电池
正极：
负极：
CH4＋2H2O－8e—＝CO2＋8H+
2O2＋8H+＋8e—＝4H2O
总反应：
CH4 ＋ 2O2 ＝CO2＋2H2O
O2
CH4
负极
正极
①如果电解液为酸性：
②如果电解液为碱性：
正极：
负极：
CH4＋10OH—－8e—＝CO32-＋7H2O
2O2＋4H2O＋8e—＝8OH—
总反应：
CH4 ＋ 2O2 ＋ 2OH—＝CO32- ＋3H2O
甲醇燃料电池
正极：
负极：
2H2O+2CH3OH-12e-==2CO2+12H+
3O2+12e-+12H+==6H2O
总反应：
2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O
O2
CH3OH
负极
正极
①如果电解液为酸性：
②如果电解液为碱性：
正极：
负极：
2CH3OH+16OH--12e- == 2CO32- +12H2O
3O2+6H2O+12e- == 12OH-
总反应：
2CH3OH+3O2+4OH- == 2CO32-+6H2O
典例精讲
【例4】 一种镁－空气电池装置如图所示，电极材料为金属镁和吸附氧气的活性炭，电解液为KOH浓溶液。
(1)正极电极反应式___________________________，负极电极反应式________
_______________。
2Mg－4e－＋4OH－==2Mg(OH)2
O2＋4e－＋2H2O==4OH－
(2)电子移动的方向是由___经外电路到___。(填“a”或“b”)
(3)电池总反应式为____________________________。
a
b
2Mg＋O2＋2H2O==2Mg(OH)2
课堂小结
随堂演练
1.下列有关锌锰干电池的说法中正确的是( )
A.锌外壳是负极，石墨碳棒是正极材料
B.在外电路中电子从碳棒流向锌外壳
C.电流从锌流到碳棒上
D.在电池内部阳离子从碳棒向锌片移动
A
2.汽车的启动电源常用铅蓄电池，其放电时的原电池反应如下：PbO2＋Pb＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O，根据此反应判断，下列叙述中正确的是( )
A.Pb是正极
B.PbO2得电子，被氧化
C.负极反应是Pb＋SO42-－2e－===PbSO4
D.电池放电时，溶液的酸性增强
C
随堂演练
B
3.如图是氢氧燃料电池构造示意图。关于该电池的说法不正确的是
A．a极是负极
B．正极的电极反应是：O2＋2H2O＋4e－＝4OH－
C．电子由a通过灯泡流向b
D．氢氧燃料电池是环保电池
随堂演练
4.某可充电的锂离子电池以Li2Mn2O4为正极，嵌入锂的碳材料为负极，含Li＋导电固体为电解质。放电时的电池反应为Li＋LiMn2O4＝Li2Mn2O4，列说法不正确的是
A．放电时， LiMn2O4发生氧化反应
B．放电时，正极反应为：Li＋＋ LiMn2O4＋e－＝Li2Mn2O4
C．Li是负极，电极反应为Li－e－＝Li＋
D．锂电池是一种对环境有没有严重污染的绿色电池
A
随堂演练
5.铅酸电池常用作汽车电瓶，其构造如图所示，工作时该电池总的方程式为：
Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O
按要求回答下列问题：
(1)负极材料是____，正极材料是______，电解质溶液是_______。
Pb
PbO2
H2SO4
(2)工作时，电解质溶液中的H＋移向___________极。
(3)工作时，电解质溶液中硫酸的浓度_____(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)当铅蓄电池向外电路提供2 mol e－时，理论上负极板的质量增加___ g。
PbO2电(正)
减小
96
