人教版选修4高中化学第四章第2节：化学电源(24张PPT)

(共25张PPT)
第四章
电化学基础
第二节
化学电源
【自学思考】
①什么是化学电池？
②目前化学电池主要分为哪几个大类？
在性能等方面它们各有什么特点？
③化学电池与其他能源相比有哪些优点？
④判断电池的优劣标准主要是什么？
化学电池
1)概念:
将化学能变成电能的装置
2)分类:
①一次电池又称不可充电电池——如：干电池
②二次电池又称充电电池——蓄电池
③燃料电池
3)优点:
4)电池优劣的判断标准:
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。
①比能量
［符号(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
[符号是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电池的储存时间的长短
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
一、一次电池——干电池
(-)
Zn│NH4Cl+ZnCl2│MnO2,C
(+)
负极(Zn)：Zn–2e-
=Zn2+
正极(MnO2和C)：
2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3+H2O
电池总反应：
Zn+2MnO2+2NH4Cl=Mn2O3+Zn(NH3)2Cl2+H2O
普通锌锰电池
锌筒
石墨棒
MnO2和C
普通锌锰干电池的结构
NH4Cl、ZnCl2
和
H2O等
1、普通锌锰电池
碱性锌锰电池构造示意图
碱性电池
负极(Zn)：Zn
+
2OH-
-
2e-
=
Zn(OH)2
正极(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e-
=2MnOOH+2OH-
电池总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
2、碱性锌锰电池：(-)
Zn│KOH│MnO2
(+)
优缺点简析：只能使用一次，不能充电；价格较贵；比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电。
练习1、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，总反应式为：
Zn?s?＋2MnO2?s?＋2H2O?l?＝Zn?OH?2?s?＋2MnOOH?s?
下列说法错误的是（
）
A?
电池工作时，锌失去电子
B?
电池正极电极反应式为：
2MnO2?s?＋2H2O?l?＋2e?＝2MnOOH?s?＋2OH??aq?
C?
电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极
D?
外电路中每通过0?2mol电子，锌的质量理论上减小6?5g
C
3、锌银电池—纽扣电池
(-)
Zn│KOH│Ag2O
(+)
负极(Zn)：Zn
+2OH-
-2e-
=ZnO+H2O
正极(Ag2O)：Ag2O
+
H2O+
2e-
=
2Ag+2OH-
电池总反应：Zn
+
Ag2O
=
ZnO
+
2Ag
4、锂电池
锂电池是新一代高能电池，目前已研究成功多种锂电池，其中用廉价的r-MnO2作正极活性材料，电解液是LiClO4溶于碳酸丙烯（简称PC）和二甲基氧乙烷（简称DMF）的混合溶剂中，浓度为1mol/L，其浓度比是PC：DME=1:1，电池反应为：
负极的反应：Li
-
e-
=
Li
+
正极的反应：Li
+
+
MnO2
+
e-
=
LiMnO2
电池总反应：Li
+
MnO2
=
LiMnO2
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。
练习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
二、二次电池
1、铅蓄电池
(-)
Pb│H2SO4│PbO2
(+)
负极：氧化反应
Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s)
正极：还原反应
PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=PbSO4
(s)
+2H2O(l)
①放电过程
总反应：
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)
②充电过程
阴极(接电源负极)：还原反应
PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq)
阳极(接电源正极)：氧化反应
PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)
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)
充电
放电
铅蓄电池的优缺点简析：
2、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……
练习3.
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：
1/2H2+NiO(OH)
Ni(OH)2
据此反应判断，下列叙述中正确的是（
）
A.
电池放电时，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是负极
CD
三、燃料电池
负极(Pt)：2H2-4e-=4H+
正极(Pt)：O2+4H++4e-=2H2O
电池总反应：2H2+O2=2H2O
1、氢氧燃料电池
①
(-)
Pt│H2│H+│O2│Pt
(+)
②(-)
Pt│H2│OH-│O2│Pt
(+)
负极(Pt)：2H2-
4e-
+
4OH-
=
4H2O
正极(Pt)：O2+
2H2O
+
4e-
=
4OH-
电池总反应：2H2+O2=2H2O
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：附属设备较多、体积较大
优点：能量转换率高、运行噪音低，清洁。
2、燃料电池的规律
3、燃料电池与前几种电池的差别：
①燃料在负极反应，助燃剂氧气在正极反应
②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。
4、其它燃料电池：烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池……
4.“嫦娥一号”的成功发射，标志着我国航天技术已达到了一个新的领域。在航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可以表示为2H2+O2=2H2O，酸式电池中电解质是酸，其负极反应可表示为2H2-4e-=4H+
，则其正极反应式为______________
_。碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，则其负极反应可表示为____
________。
O2+4e-+4H+=2H2O
2H2-4e-+4OH-=4H2O
练习5、氢气是燃料电池最简单的燃料，虽然使用方便，却受到价格和来源的限制。常用的燃料往往是某些碳氢化合物，如：甲烷、汽油等。请写出将图中氢气换成甲烷时所构成的甲烷燃料电池中a极的电极反应式：
________________________
此时电池内总的反应式
：
________________________
KOH溶液
CH4
O2
H2O
a
b
CH4+10
OH--8e-=CO32-+7H2O
CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O
b极：2O2+
4H2O
+
8e-
=8OH-
6.
有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是
(
)
①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-
②负极上CH4失去电子，电极反应式：
CH4
+
10
OH-
－
8e-
=
CO32-
+
7
H2O
③正极上是O2获得电子，电极反应式为：
O2
+
2
H2O
+
4
e-
=
4
OH-
④电池放电后，溶液pH升高
A.①②③
B.①③④
C.①②④
D.
①②③④
A
其他电池
海水电池（电解质溶液为海水）
负极：4Al
-
12e-
=
4Al3+，
正极：3O2+
6H2O
+
12e-
=
12OH-
总反应：4Al
+
3O2
+
6H2O
=
4Al(OH)3
减
少
污
染
节
约
资
源
废弃电池的回收利用刻不容缓
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”）；
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；
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)；
4．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-。
银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。
试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为
；
正极发生的反应为
；
反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为
Al
-3e-
=
Al3＋
Ag2S+2e-
=
2Ag+S2-
3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑
？思考