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第一节 原电池
第2课时
化学反应与电能
第四章
电极反应式的书写
2
化学电源种类
1
本节重难点
化学电源广泛的应用于生活、生产和科研中，那么：电池是工作原理是什么？如何产生电流的？
银锌
电池
干
电
池
铅酸
电池
镍氢
电池
燃料
电池
锂电池
市场上令人眼花缭乱的电池
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，(二次电池或可充电电池) 有的不能充电复原，称为原电池(一次电池或干电池) ，还有通入燃料即可直接转化成电能的称之为燃料电池
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
普通锌锰干电池
化学电源
剖析：一次电池
一次电池是放电后不可充电的电池
构造示意图
锌筒：____
电极反应：_______________
石墨棒：____
最终被还原的物质：_________
NH4Cl糊的作用：____________
负极
Zn－2e－===Zn2＋
正极
二氧化锰
电解质溶液
Zn+2NH4Cl+2MnO2 Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
主要反应
单液电池
普通锌锰干电池曾一度长期占据市场，但现在却逐渐被替代，为什么呢？
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
普通锌锰干电池内部结构
Zn
石墨棒
NH4Cl
MnO2
NH4Cl
ZnCl2
A
化学电源
剖析：一次电池
一次电池是放电后不可充电的电池
负极
Zn－2e－+ 2OH －= Zn(OH)2
正极
电解质溶液
2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnO(OH) + 2OH-
锌：____
电极反应：_________________________
MnO2：____
电极反应：
______________________________________
KOH的作用：____________
构造示意图
碱性锌锰电池
主要反应
Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2
特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，其比能量和可储存时间均有所提高
双液电池
碱性锌锰干电池内部结构
金属外壳
铜针
Zn粉
KOH
MnO2
KOH
A
离子型导电隔膜
化学电源
剖析：一次电池
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，锌变成粉末状，同时采用反应活性更高的二氧化锰粉
碱性锌锰干电池产生大电流和高电压
化学电源
剖析：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
铅酸电池
构造示意图
负极电极反应：_________________________________
正极电极反应：_________________________________
总反应：_________________________________
放电过程的总反应及电极反应式
PbO2+4H++SO42-+2e- PbSO4+2H2O
Pb +SO42- - 2e- PbSO4
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O
铅酸电池
化学电源
剖析：二次电池
优点：电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉
充电过程与上述过程相反
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
废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对生态环境和人体健康造成危害。因此，应当重视废旧电池的回收利用，这样既可以减少环境污染，又可以节约资源。
2022北京冬奥会的成功举办，不但给全世界留下了精彩纷呈的冰雪记忆，也创造了多项令人激动的世界“首次”。对于城市文化而言，北京市由此成为世界上的首座双奥之城，而对于汽车行业来说，北京冬奥则成为世界奥林匹克历史上，首次大规模应用新能源车型(氢燃料电池车) 的一届盛会。
燃料电池是一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源
化学电源
剖析：燃料电池
燃料电池
特点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
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
燃料电池的特点
示例分析：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料
化学电源
剖析：燃料电池
负极
氢氧燃料电池工作原理示意图
正极
H2 － 2e- ＝ 2H+
O2 ＋2H+ ＋2e- ＝ H2O
1
2
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
总反应
H2
O2
电解质溶液呈酸性(H2SO4)
(吸附效果更好)
(pH↓)
(pH↑)
(吸附效果更好)
示例分析：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料
化学电源
剖析：燃料电池
负极
氢氧燃料电池工作原理示意图
正极
H2 － 2e- ＋2OH-＝ 2H2O
O2 ＋H2O ＋2e- ＝ 2OH-
1
2
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
总反应
H2
O2
电解质溶液呈碱性(KOH)
(pH↓)
(pH↑)
燃料电池具有广阔的发展前景。除了氢气，烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体均可作燃料电池的燃料。燃料电池将化学能转化为电能的转化率超过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。
思考：酸性(碱性)条件下，甲烷、肼、甲醇、氨作为燃料时，负极的电极反应式？
甲烷 (CH4)
肼(N2H4)
甲醇(CH3OH)
氨(NH3)
(吸附效果更好)
示例分析：以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料
化学电源
剖析：燃料电池
负极
氢氧燃料电池工作原理示意图
正极
CH4－8e- ＋2H2O＝CO2↑ ＋ 8H+
总反应
O2
(pH↓)
(pH↑)
电解质溶液呈酸性(H2SO4)
O2 ＋4H+ ＋4e- ＝ 2H2O
CH4＋2O2 = CO2↑＋2H2O
配平小技巧：用H+调电荷守恒
CH4
(吸附效果更好)
示例分析：以甲烷为燃料，氧气为氧化剂，铂作电极材料
化学电源
剖析：燃料电池
氢氧燃料电池工作原理示意图
O2
电解质溶液呈碱性(KOH)
负极
正极
总反应
(pH↓)
(pH↑)
配平小技巧：用OH-调电荷守恒
CH4－8e-＋10OH- = CO32-＋7H2O
CH4＋2O2＋2OH- = CO32-＋3H2O
O2＋4e-＋2H2O=4OH-
CH4
肼(联氨)—燃料电池
碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液)
正极
O2＋4e-＋2H2O = 4OH-
负极
酸性电解质(铂为两极、电解液为H2SO4溶液)
正极
O2＋4e-＋4H+=2H2O
负极
N2H4 + O2= N2 ↑ + 2H2O
N2H4 + 4OH- － 4e-= N2 ↑ + 4H2O
N2H4 － 4e- = N2 ↑+4H+
N2H4 + O2= N2 ↑ + 2H2O
2CH3OH＋3O2=2CO2 ↑ ＋4H2O
甲醇—燃料电池
碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液)
正极
CH3OH－6e-＋8OH- = CO32-＋6H2O
2CH3OH＋3O2＋4KOH=2K2CO3＋6H2O
O2＋4e-＋2H2O = 4OH-
负极
酸性电解质(铂为两极、电解液为H2SO4溶液)
正极
CH3OH－6e-＋H2O=6H+＋CO2↑
O2＋4e-＋4H+=2H2O
负极
氨—燃料电池
碱性电解质(铂为两极、电解液为KOH溶液)
正极
O2＋4e-＋2H2O = 4OH-
负极
2NH3+6OH-－6e- = N2+6H2O
4NH3+3O2═2N2+6H2O
氨气为碱性气体，易与酸反应，故电解质溶液应呈碱性
化学电源
剖析：燃料电池
示例分析：固体氧化物燃料电池
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。
化学电源
剖析：燃料电池
示例分析：固体氧化物燃料电池
负极
正极
总反应
H2 － 2e- ＋ O2-=H2O
O2 ＋ 4e-=2O2-
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
燃料为H2
思考：当甲烷或乙烯作为燃料时，负极的电极反应式？
固体氧化物燃料电池
燃料为甲烷
正极
负极
O2 ＋ 4e-=2O2-
燃料为乙烯
正极
负极
O2 ＋ 4e-=2O2-
CH4－8e-＋4O2- = CO2＋2H2O
C2H4－12e-＋6O2- = 2CO2＋2H2O
化学电源
剖析：燃料电池
示例分析：熔融碳酸燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。
负极
正极
总反应
H2+CO32--2e- = CO2+H2O
O2+2CO2+4e- = 2CO32-
H2 ＋ O2 ＝ H2O
1
2
燃料为H2
DALUHUAXUEGOGNZUOSHI
思考：当甲烷或丁烷作为燃料时，负极的电极反应式？
熔融碳酸燃料电池
燃料为甲烷
正极
负极
燃料为丁烷
正极
负极
O2+2CO2+4e- = 2CO32-
O2+2CO2+4e- = 2CO32-
CH4－8e-＋ 4CO32- = 5CO2＋2H2O
C4H10－26e-＋ 13CO32- = 17CO2＋5H2O
思考：写出CO-O2-熔融碳酸燃料电池的电极反应式？
正极
负极
O2 ＋ 4e-=2O2-
CO－2e-＋ CO32- = 2CO2
引领电池技术革新的薄型柔性电池
柔性电池是一种可以弯曲和扭曲的电池。相比传统的刚性电池，柔性电池在设计和使用上提供了更多的灵活性，可应用于医疗设备、生物医学传感器、柔性显示器和智能手表等。
柔性电池的制作材料和技术各不相同，常见的包括锂离子电池、固态电池、有机电池等。这些电池通常由薄膜材料构成，可通过印刷、涂布、挤出等方法制造。
1.某干电池的工作原理示意图，总反应：Zn＋2NH4+==Zn2+＋2NH3↑＋H2↑，下列说法正确的是(　　)
A．石墨为电池的负极
B．电池工作时NH4+被氧化
C．实现了电能向化学能的转化
D．电子由Zn电极经外电路流向石墨电极
答案　D
解析　根据电池反应式知，Zn易失电子作负极，则石墨作正极，故A错误；放电时，NH＋4得电子发生还原反应，被还原，故B错误；该装置是原电池，将化学能转化为电能，故C错误；放电时，电子从负极Zn沿导线流向正极石墨，故D正确。
2．质子交换膜燃料电池的工作原理如图所示，下列叙述正确的是(　　)

A．通入氧气的电极发生氧化反应
B．通入氢气的电极为正极
C．导电离子为质子，且在电池内部由正极定向移动至负极
D．正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O
答案　D
解析　通入氧气的电极是正极，正极上得电子发生还原反应，故A错误；通入氢气的电极是负极，负极上失电子发生氧化反应，故B错误；质子移向正极，故C错误；正极的电极反应式为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，故D正确。
3．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　)
A．反应CH4＋H2O 3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH-－2e- == 2H2O
C．电池工作时，CO32-向电极B移动
D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e-==2CO32-
答案　D
解析　A项，CH4→CO，则该反应中每消耗1 mol CH4转移6 mol电子，错误；B项，该电池的传导介质为熔融的碳酸盐，所以电极A即负极上H2参与的电极反应为H2－2e-＋ CO32- ===CO2＋H2O，错误；C项，原电池工作时，阴离子移向负极，而电极B是正极，错误；D项，电极B即正极上O2参与的电极反应为O2＋4e-＋2CO2===2 CO32- ，正确。
4．我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　　)
A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极
B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替
C．电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑
D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气
答案　B
解析　A项，锂电极为负极，石墨电极为正极，电子从负极流出，经导线流向正极，正确；B项，负极材料锂能与水反应，不可用水溶液代替有机电解质，错误；C项，电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑，正确；D项，由电池总反应知，该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气，正确。
5．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。该电池的工作原理如图所示，其中多孔电极a、b均不参与电极反应。下列判断正确的是(　　)
A．有O2参加反应的电极a为电池的负极
B．多孔电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2O
C．多孔电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．该电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O
答案　D
解析　因为电子从多孔电极b流向多孔电极a，所以多孔电极b为负极，H2在该极发生氧化反应；多孔电极a为正极，O2在该极发生还原反应。由此推断该原电池负极的电极反应式为H2－2e－＋O2－===H2O，正极的电极反应式为O2＋2e－===O2－，则电池总反应式为2H2＋O2===2H2O。
第一节
原电池
第2课时
一次电池
二次电池
燃料电池
构造
原理
构造
原理
构造
原理
燃料

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