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第六章 化学反应与能量
第一节 化学反应与能量变化
2、化学电池的发展
干电池
锌锰酸性干电池
锌锰碱性干电池
一次电池
二次电池
蓄电池
铅蓄电池
镍镉碱性蓄电池
镍氢碱性蓄电池
锂离子电池
燃料电池
氢氧燃料电池
有机物燃料电池
二、化学反应与电能
①普通锌锰干电池
(1)常见的一次电池
负极：Zn–2e ＝Zn2＋
正极：2NH4＋＋2e ＋2MnO2＝
2NH3＋Mn2O3＋H2O
总反应： Zn＋2MnO2＋2NH4＋＝
Zn2＋＋2NH3＋Mn2O3＋H2O
缺点：放电后电压不稳定、锌筒会逐渐变薄漏液
二、化学反应与电能
②碱性锌锰干电池
(1)常见的一次电池
改进措施：酸性NH4Cl→碱性KOH (降低自放电)
负极：锌片→锌粉(反应面积增大电流大幅度提高)
二、化学反应与电能
②碱性锌锰干电池
总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O＝
Zn(OH)2＋2MnOOH
负极：
正极：
Zn–2e ＋2OH ＝Zn(OH)2
2H2O＋2e ＋2MnO2＝
2OH ＋2MnOOH
二、化学反应与电能
③银锌电池(纽扣电池)
总反应：
Zn＋Ag2O＋H2O＝Zn(OH)2＋2Ag
Zn–2e ＋2OH ＝Zn(OH)2
Ag2O＋2e ＋H2O＝2Ag＋2OH
负极：
正极：
二、化学反应与电能
①铅蓄电池(最早使用的二次电池)
(2)常见的二次电池
电极材料
正极：_______、负极：_____
电解质溶液：__________
Pb
PbO2
H2SO4溶液
总反应：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
优点：价格低廉，原料易得，电压稳定，使用安全可靠，可再次充电。
二、化学反应与电能
负极：
正极：
Pb–2e ＋SO42 ＝PbSO4
PbO2＋4H＋＋SO42 ＋2e ＝PbSO4＋2H2O
①铅蓄电池(最早使用的二次电池)
(2)常见的二次电池
已知：PbSO4不溶于水、也不溶于酸
总反应：PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
二、化学反应与电能
练、铅蓄电池在放电过程中当消耗0.2 mol H2SO4时，电路中有____mol e 转移，此过程中负极板_______(“增加”、“减小”或“不变”)_____ g。
分析:
PbO2＋Pb＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O
放电
充电
~2e
0.2
电子就是酸
负极: Pb–2e ＋SO42 ＝PbSO4
2mole m↑ 96
增加
9.6
二、化学反应与电能
②镍氢电池：
(2)常见的二次电池
负极是储氢材料，通常MH(注意：其中各元素化合价均视为0)表示，如LaNi5H6(H嵌入储氢合金LaNi5晶格之中)；电解液通常是30%的KOH水溶液。
总反应：MH＋NiOOH Ni(OH)2＋M
放电
充电
负极：
正极：
MH–e ＋OH ＝M＋H2O
NiOOH＋e ＋H2O＝Ni(OH)2＋OH
二、化学反应与电能
③锂离子电池：
(2)常见的二次电池
采用不同的储锂化合物为正负极材料构成电池。当电池循环工作时，锂离子(Li＋)在正负极材料间交换。
放电时
充电时
蜂巢A(负极)
蜂巢B(正极)
将锂离子电池的工作原理与蜜蜂在蜂巢间的迁移进行类比
放电
充电
LixC6＋Li1-xCoO2 6C＋LiCoO2
二、化学反应与电能
(3)燃料电池
燃料电池是一种将燃料(和氧化剂)的化学能连续的转换为电能得装置。与普通电池比较，燃料电池具有较高的能量转化效率。燃料电池和其它类型电池最本质的区别在于反应物供应方式不同。对于燃料电池，燃料和氧化剂可以根据需要从外部源源不断连续供给，只要有活性物质供应给电极，燃料电池就会产生电能。
二、化学反应与电能
(3)燃料电池：
①电极是用镍、银、钯、铂等金属粉末压制成可以透过气体的多孔又可导电的特殊材料制作的；
②燃料(如：H2、N2H4、CO、CH4、C2H2等)和氧化剂(通常是O2)分别从负级和正极的外侧不断地通过电极里的微孔进入电池体系，并分别在各自的电极上受到电极材料的催化而发生氧化和还原反应，同时产生电流。
二、化学反应与电能
(3)燃料电池：
③燃料电池分类 (依据介质种类)
燃料
氧气
介质
有可传导的离子
酸性介质
可传导H＋
碱性介质
可传导OH
固体氧化物
可传导O2
熔融碳酸盐
可传导CO32
二、化学反应与电能
(3)燃料电池——氢氧燃料电池
电解质 电极反应式 酸性电解质 (可传导H＋) 负极
正极
碱性电解质 (可传导OH ) 负极
正极
4e
基本原理：2H2 ＋ O2 ＝ 2H2O
2H2 4e ＝4H＋
O2＋4e ＋4H＋＝2H2O
2H2 4e ＋4OH ＝4H2O
O2＋4e ＋2H2O＝4OH
二、化学反应与电能
电解质 电极反应式 固体氧化物(可传导O2 ) 负极
正极
熔融碳酸盐(可传导CO32 ) 负极
正极
2H2 4e ＋2O2 ＝2H2O
O2＋4e ＝2O2
2H2 4e +2CO32 ＝2H2O+2CO2
O2＋4e ＋2CO2＝2CO32
二、化学反应与电能
(3)燃料电池——氢氧燃料电池
4e
基本原理：2H2 ＋ O2 ＝ 2H2O
(3)燃料电池——甲烷燃料电池
电解质 电极反应式 酸性电解质 (可传导H＋) 负极
正极
碱性电解质 (可传导OH ) 负极
正极
8e
基本原理：CH4 ＋ 2O2 → CO2 ＋ 2H2O
碱性介质：C→CO32 ，其他介质：C→CO2
CH4 8e ＋2H2O＝CO2＋8H＋
O2＋4e ＋4H＋＝2H2O
CH4 8e ＋10OH ＝CO32 ＋7H2O
O2＋4e ＋2H2O＝4OH
二、化学反应与电能
电解质 电极反应式 固体氧化物(可传导O2 ) 负极
正极
熔融碳酸盐(可传导CO32 ) 负极
正极
CH4 8e ＋O2 ＝CO2＋2H2O
O2＋4e ＝2O2
CH4 8e ＋CO32 ＝5CO2＋2H2O
O2＋4e ＋2CO2＝2CO32
二、化学反应与电能
(3)燃料电池——甲烷燃料电池
8e
基本原理：CH4 ＋ 2O2 → CO2 ＋ 2H2O
碱性介质：C→CO32 ，其他介质：C→CO2
练、将反应C2H8N2＋2N2O4＝2CO2＋3N2＋4H2O设计成燃料电池，其电极反应为
负极：_____________________________________
正极：_____________________________________
C2H8N2–16e ＋4H2O＝2CO2＋N2＋16H＋
2N2O4＋16e ＋16H＋＝2N2＋8H2O
二、化学反应与电能
类型 反应式 pH变化
酸性 燃料电池 总反应: 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O
正极: O2＋4e ＋4H＋＝2H2O
负极: CH3OH 6e ＋H2O＝CO2↑＋6H＋
碱性 燃料电池 总反应: 2CH3OH＋3O2＋4OH ＝2CO32 ＋6H2O
正极: O2＋4e ＋2H2O＝4OH
负极: CH3OH 6e ＋8OH ＝CO32 ＋6H2O
增大
减小
增大
增大
减小
减小
口诀: 正增负减
分析：正、负极区及电解质溶液pH变化
二、化学反应与电能
练、乙醇燃料电池中采用磺酸类质子溶剂，在200℃左右时供电，电池总反应: C2H5OH＋3O2＝2CO2＋3H2O，电池示意图如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A. 电池工作时，质子向电池的负极迁移
B. 电池工作时，电子由b极沿导线流向a极
C. a极上发生的电极反应:
C2H5OH＋3H2O＋12e ＝2CO2＋12H＋
D. b极上发生的电极反应:
4H＋＋O2＋4e ＝2H2O
D
乙醇
氧气
质子
质子交换膜
a b
二、化学反应与电能

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