人教版选修四高中化学第二节 化学电源(44张PPT)

(共44张PPT)
组
成
负
极
正
极
电解质
电极材料
电子流向
反应类型
相对不活泼的金属（或能导电的非金属）
流出电子
相对活泼的金属
氧化反应
酸、碱
或盐的
溶液
还原反应
原电池的组成
流入电子
第二节
化学电源
发明电池的故事
伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家。
有一天，伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文，说动物肌肉里贮存着电，可以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文，伏特非常兴奋，便决定亲自来做这个实验。他用许多只活青蛙反复实验，终于发现，实际情况并不像加伐尼所说的那样，而是两种不同的金属接触产生的电流，才使蛙腿的肌肉充电而收缩。为了证明自己的发现是正确的，伏特决定更深入地了解电的来源。
　　　一天，他拿出一块锡片和一枚银币，把这两种金属放在自己的舌头上，然后叫助手将金属导线把它们连接起来，刹时，他感到满嘴的酸味儿。
　接着，他将银币和锡片交换了位置，当助手将金属导线接通的一瞬间，伏特感到满嘴的咸味。
　这些实验证明，两种金属在一定的条件下就能产生电流。伏特想，只要能把这种电流引出来，就能大有作用。
　伏特经过反复实验，终于发明了被后人称做“伏特电堆”的电池，这就是在铜板和锌板中间夹上卡纸和用盐水浸过的布片，一层一层堆起来的蓄电池。这种电池，今天仍然在使用着
　　为了纪念他的贡献，人们把电压的计量单位叫做伏特，简称伏，符号V。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电压是220伏特。
问题讨论
1、通过日常生活的学习，你知道哪些电池？
其中哪些属于化学电池？
2、化学电池与其他能源相比有哪些优点？
3、判断电池的优劣标准主要是什么？
4、目前化学电池主要分为哪几大类？产生电能的基本原理是什么？各自有什么特点？
［学与问］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？
电池
化学电池
太阳能电池
原子能电池
将化学能转换成电能的装置
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能转换器转变为电能的装置
化学电池是一种直接把化学能转变为电能的装置。
1.化学电池的概念：
电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个部分组成，其中最主要的是正极、负极和电解质三个部分。使用时将两极用导线接通，就有电流产生，因而获得电能。化学电池放电到一定程度，电能减弱，有的经充电复原又可使用，这样的电池叫蓄电池，如铅蓄电池、银锌电池等；有的不能充电复原，称为原电池，如干电池、燃料电池等。
化学电池
一次电池
二次电池
燃料电池
碱性锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池
锂离子电池
银锌蓄电池
普通锌锰干电池
锌银纽扣电池
2、化学电池的分类
锂电池
干电池
叠层电池
纽扣电池
各类电池
各类电池
空气电池
小型高性能燃料电池
3、化学电池的优点:
①能量转换效率高，供能稳定可靠
②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，使用方便
③易维护，可在各种环境下工作。
4、电池优劣的判断标准:
①比能量
［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］
指电池单位质量或单位体积所能输出电能
的多少
②比功率
[单位：（W/kg，W/L)]
指电池单位质量或单位体积所能输出功率
的大小.
③电池的可储存时间的长短
除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，其质量好。
(一)一次电池
一次电池又称不可充电电池
1、普通干电池
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，易气涨或漏液。
2、碱性锌-锰干电池
负极--Zn
正极—MnO2
电池反应：
电解质：
KOH
Zn
+
2OH-
-
2e-
=
Zn(OH)2
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
［思考］该电池的正负极材料和电解质？
优点：
电流稳定，放电容量、时间比干电池增大几倍，不会气涨或漏液。
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵。
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
钮扣电池：不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，已知电池内Zn的氧化产物为ZnO
3、银-锌电池
负极：
正极：
总反应：
Zn+
2OH-
-2e-
=ZnO+H2O
Ag2O
+H2O
+2e-
=2Ag
+2OH-
Ag2O
+
Zn
=ZnO
+
2Ag
4、锂电池
锂电池：（-）Li（S）
LiI（晶片）
I2(+）
锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S
负极：
；
正极：
。
用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。
8Li-8e-=8Li+
3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S
铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池……
1、铅蓄电池
1)正负极材料
正极：PbO2
负极：Pb
2)工作机制
电解质：H2SO4溶液
铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应分为放电和充电两个过程
(二)二次电池
放电过程总反应：
Pb(s)
+
SO42-
(aq)-2e-
=PbSO4
(s)
正极：
氧化反应
还原反应
负极：
①放电过程
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
②充电过程
还原反应
阴极：
阳极：
氧化反应
接电源负极
接电源正极
充电过程总反应：
2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
铅蓄电池的充放电过程：
2PbSO4(s)+2H2O(l)
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
放电
充电
3)优缺点简析
缺点：
比能量低、笨重、废弃电池污染环境
优点：
可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉
其它二次电池
镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池……
2、银锌蓄电池
正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合金，电解质溶液KOH。反应式为：
2Ag+Zn(OH)2
Zn+Ag2O+H2O
充电
放电
1970-1975,
开发了先进的银锌、镍镉电池技术。
1975-1983,
为美国海军生产潜水艇用银锌电池。
1979-1987,为美国国家能源部
发展电动车用的镍锌电池。
1998-1992,
为美国海军发展世界
上最大的镍镉电池用于核潜水艇。
练习：银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为：
2Ag+Zn(OH)2
Ag2O+Zn+H2O
放电
充电
此电池放电时，负极上发生反应的物质是（
）
A.Ag
B.Zn(OH)2
C.Ag2O
D.Zn
D
电极反应：
负极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-
3、镉镍电池
NiO2+Cd+2H2O
Ni(OH)2+
Cd(OH)2
放电
充电
负极材料：Cd；
正极材料：涂有NiO2，
电解质：KOH溶液。
反应式如下：
例：镍—镉可充电电池可发生如下反应：
Cd+2NiO(OH)+2H2O
由此可知，该电池的负极材料是
Cd(OH)2+2Ni(OH)2
放电
充电
A.
Cd
（
A
）
B.
NiO(OH)
D.
Ni(OH)2
C.
Cd(OH)2
电极反应：
负极：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2
正极：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-
大有发展前景的燃料电池
???????
燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代末，经反复试验、改进，到20世纪60年代才开始进入实用阶段。第一代燃料电池的?大致情况如下：
???
(三)燃料电池
1.氢氧燃料电池
A、酸性电解质：
B、碱性电解质
负极:
2H2-4e-+4OH-==4H2O
正极:
O2+2H2O+4e-==4OH-
总反应:
2H2+O2==2H2O
正极：
O2+4H++4e-==2H2O
总反应：2H2+O2==2H2O
负极：2H2-4e-==4H+
燃
料
电
池
介质
电池反应：
2H2
+Ｏ２
=
2H2O
酸性
负极
正极
中性
负极
正极
碱性
负极
正极
2H2
-
4e-
=
4H+
O2
+
4H+
+
4e-=
2H2O
2H2
-
4e-
=
4H+
O2
+
2H2O
+
4e-=
4OH-
2H2
+4OH--
4e-
=
4H2O
O2
+
2H2O
+
4e-=
4OH-
2.固体燃料电池
介质
电池反应：
2H2
+Ｏ２
=
2H2O
负极
正极
负极
正极
2H2
-
4e-
+2O2－=
2H2O
O2
+
4e-=
2O2－
2H2
-
4e-
=
4H+
O2
+
4H+
+
4e-=
2H2O
3.新型燃料电池
燃料电池不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时，不断从外界输入，同时将电极反应产物不断排出电池
燃料电池的规律
①燃料做负极，助燃剂氧气为正极
②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。
③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。
燃料电池与前几种电池的差别：
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
优点：
能量转化率高，可持续使用，对环境友好
用途：
宇宙飞船，应用前景广阔
1991年，我国首创以"铝─空气─海水"电池为能源的新型电池，用作海水标志灯已研制成功。
该电池以取之不尽的海水为电解质溶液，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。只要把灯放入海水中数分钟，就会发出耀眼的白光，其能量比干电池高20─50倍。负极材料是铝，正极材料可以用石墨。
电极反应式为：
负极反应：Al－3e-＝Al3+，
正极反应：2H2O＋O2＋4
e-＝4OH-。
电池总反应式为：4Al＋3O2+6H2O＝4Al(OH)3
（四）、海水电池：
书写电极反应式应注意以下几点：
1．电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的所有规则（如“拆”、“平”）；
3．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）；
2．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；
电池的发展方向
光电池使用方便,特别是近年来
微小型半导体逆变器迅速发展,促使其应用更加快捷.美,日,欧和发展中国家都制定出庞大的
光伏技术发展计划,开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性,降低成本,不断扩大产
业.目前已有80多个国家和16％,市场开拓从
空间转向地面系统应用。
减
少
污
染
节
约
资
源
将铂丝插入KOH溶液作电极，然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，由于发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称作燃料电池，根据两极上反应的实质判断，通入甲烷的一极为____，这一极的电极反应为__________________
_；通入氧气的一极为_______，电极反应为
__________________________________，
总反应为__________________________。
负极
CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O
正极
O2+4e-+2H2O=4OH-
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
1.若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应
2、熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视.可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物用作电解质,CO为阳极燃气,空气与CO2的混合气为阴极助燃气,制得在6500℃下工作的燃料电池,完成有关的电池反应式:
负极反应式:
,
正极反应式:O2+2CO2+4e=2CO32-
总电池反应
式:
.
2CO+2CO32--4e-
=4CO2
2CO+O2=2CO2
课　堂　总　结
1、仅有一个电极材料参与反应的原电池：
　　负极：M-xe=Mx+　　
　　　正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属
2、两个电极均参与反应的原电池
（如蓄电池，纽扣电池）
①电极材料：金属为负极，金属化合物为正极．
②电子得失均由两电极本身发生．
③电极反应需考虑电解质溶液的参与．
3、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）
①两电极材料均为惰性电极．
②负极－可燃性气体失电子，正极－助燃性气体得电子．
③电极反应考虑电解质溶液．
1、熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极燃气，制得在65℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：
负极反应式：2CO+2CO32-=4CO2+4e
正极反应式：
总反应式：
O2+4e-+2CO2=2CO32-
2CO+O2=2CO2
熔融盐电池
2.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
固体电池
3、1991年我国首创以铝、空气、海水电池为能源的新型海水标志灯已经研制成功。该灯以海水为电解质溶液，靠空气中氧使铝不断氧化产生电流。只要把灯放入海水中数分钟就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20到50倍。运用所学的化学知识，推测该新型电池两极上可能发生的电极反应。
负极
正极
4Al-12e=4Al3+
3O2+6H2O+12e=12OH-
4、已知：Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2利用这一反应，试设计一个原电池，画出示意图，标明电极材料名称，电解质溶液，然后填空：
正极
，
电极反应
负极
，
电极反应
不活泼金属或碳
Cu
2Fe3++2e=2Fe2+
Cu-2e=Cu2+