资源简介

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专题1 化学反应与能量变化
第二单元 化学能与电能的转化
1.2.2 化学电源
核心素养目标
科学态度与社会责任：
通过设计 “新型电池” 实验方案，探究电极材料、电解质溶液对电池性能的影响，培养实验设计与数据分析能力。
证据推理与模型认知：
依据电池反应式和电极现象，推理正负极反应类型及离子迁移方向，构建 “电极判断 — 反应式书写 — 能量计算” 的分析模型。
宏观辨识与微观探析：
通过分析氢氧燃料电池的工作原理，理解氧化剂与还原剂在电极表面的反应差异，形成 “物质变化 — 能量转化 — 电极反应” 的系统认知。
教学重难点
重点
碱性锌锰电池、银锌纽扣电池的电极反应式书写及能量转化机制。
铅蓄电池的放电反应和充电反应的可逆性，锂离子电池的电极材料与离子迁移方向。
氢氧燃料电池的电极反应式书写及产物清洁性。
难点
熔融碳酸盐燃料电池中电解质对电极反应的影响。
锂离子电池充放电时 Li 的嵌入 / 脱嵌机制，以及电极材料的价态变化。
根据电池反应式进行电子转移量、产物量的定量计算。
课前导入
当你给手机充电时，是否想过电池如何实现 “充电 — 放电” 的循环？从随身听的干电池到电动汽车的锂电池，从心脏起搏器的微型电池到航天领域的燃料电池，化学电源已成为现代生活的 “能量支柱”。1859 年普兰特发明的铅蓄电池开启了二次电池的时代，而如今氢氧燃料电池已成为太空飞船的 “能量源泉”。
今天，我们将穿越 “电池进化史”，从一次电池到二次电池，再到燃料电池，解密不同电池的 “能量密码”，学习如何用电极反应式揭示电池工作的本质，甚至尝试设计一款 “未来环保电池”！
01
一次电池和二次电池
化学电源的分类
化学电源
发生氧化还原的物质（活性物质）大部分被消耗后就不能再使用
一次电池
二次电池
燃料电池
又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，使活性物质获得再生，可以多次重复利用，如铅蓄电池、镉镍电池、锂离子电池等。
利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池，能连续不断地提供电能
普通锌锰干电池
→电池反应式：Zn+2MnO2+2=2MnO(OH)+[Zn(NH3)2]2+
→负极反应式：Zn-2e-+2NH3=[Zn(NH3)2]2+
→正极反应式：MnO2+e-+=2MnO(OH)+NH3↑
→优点：
制作简单，价格便宜
→缺点：
放电时间短，放电后电压下降较快
碱性锌锰干电池
→电池反应式：Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
→负极反应式：
Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
→正极反应式：
MnO2+2e-+2H2O=2MnO(OH)+2OH-
→优点：
克服了普通锌锰干电池的缺点，比能量大，能提供较大电流并连续放电
银锌纽扣电池
→电池反应式：Zn+Ag2O+H2O=Zn(OH)2+2Ag
→负极反应式：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
→正极反应式：Ag2O+2e-+2H2O=2Ag+2OH-
→特点：
电池比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电
→用途：
常用于电子手表、计算器和其他微型电子仪器
二次电池
二次电池又称为充电电池或蓄电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生，因此二次电池可以多次重复使用。铅蓄电池是最常见的二次电池。由于铅蓄电池的性能优良、价格低廉、安全可靠，可多次充放电，所以在生产和生活中使用广泛，如汽车等机动车辆多数使用这种蓄电池。铅蓄电池的缺点是比能量低，废弃后会污染环境等。
铅蓄电池
铅蓄电池
(1)铅蓄电池的放电反应为原电池反应
负极：Pb - 2e- + SO42- = PbSO4
正极：PbO2 + 2e- + SO42- + 4H+ = PbSO4+ 2H2O
电池反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4=2PbSO4+ 2H2O
(2)铅蓄电池的充电反应
阴极：PbSO4 + 2e- =Pb + SO42-
阳极：PbSO4 - 2e- + 2H2O= PbO2 + SO42- + 4H+
总反应：2PbSO4+ 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
(3)铅蓄电池的充、放电原理的化学方程式为：
铅蓄电池的缺点与新型二次电池
铅蓄电池的电池反应可以看出，随着放电反应的进行，硫酸的浓度不断下降，密度不断减小，人们常常根据硫酸密度的大小来判断铅蓄电池是否需要充电。
随着信息技术的发展，为了适应移动通信、便携式电脑和各种电子产品等的广泛使用，科研工作者不断研制出小型化、高比能量、工作寿命长、不需要特殊维护的二次电池。目前已开发出镍镉电池、镍氢电池、银锌电池、锂电池和锂离子电池等新型二次电池。
锂离子电池的构成及工作原理
与其他化学电池一样，锂离子电池也是由正极、负极和电解质溶液三部分组成的。正极材料多采用磷酸铁锂（LiFePO4，也称磷酸亚铁锂）或钴酸锂（LiCoO2）等，一般是具有可供锂离子嵌入或脱嵌（即可逆嵌脱）结构的化合物。负极材料大多数是碳素材料，如人工石墨、碳纤维、天然石墨等。研究表明，将纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在传统的石墨、纳米碳管里面，可以极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。
电解质溶液是锂离子的载体，是将锂盐溶解在一定的非水、非质子性的有机溶剂中制成的，其作用是在电池内部正、负极之间形成良好的离子移动通道。
锂离子电池的构成及工作原理
在放电过程中，锂离子从负极脱出，嵌入到正极。在充电过程中，锂离子从正极材料晶格间脱离出来，嵌入到负极材料里。在充放电过程中，锂离子在正、负极间不断地进行可逆嵌脱。
以钴酸锂-石墨锂电池为例，放电时的电极反应式可表示如下：
负极：LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+
正极：6C+xLi++xe-=LixC6
电池反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6
锂离子电池的工作原理示意图
02
燃料电池
燃料电池
→概念：
燃料电池是利用燃料和氧化剂之间发生的氧化还原反应，将化学能直接转化为电能的化学电池。氢气、甲烷、甲醇、肼（N2H4）、氨等都可以作为燃料。
→特点：
氧化剂和还原剂在工作时不断从外部输入，同时将电极反应产物不断排出电池,因此燃料电池能不断地提供电能
氢氧燃料电池的工作原理
（电解液为KOH溶液）氢氧燃料电池用多孔金属作电极，不断充入的氢气和氧气分别在两极发生氧化反应和还原反应。
负极：
2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O
正极：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
电池反应：
2H2+O2=2H2O
碱性氢氧燃料电池的原理示意图
使用燃料电池的汽车
基础实验——制作简单的燃料电池
实验准备：
学生电源、U形管、铁架台、橡胶塞两个、石墨棒两支、玻璃导管两支、石英钟、鳄鱼夹、导线若干、6 mol·L－1稀硫酸。
实验步骤：
（1）将石墨棒和玻璃导管插入橡胶塞中，注意调节石墨棒和玻璃导管伸入U形管内的长度。
（2）将橡胶塞塞入U形管管口，检查装置气密性，标记橡胶塞底部到达的位置。
（3）取出橡胶塞，往U形管中注入适量6 mol·L－1稀硫酸，以接近橡胶塞底部刚才所标记的位置为宜。
（4）塞紧橡胶塞，接通学生电源，注意观察实验现象，当一端玻璃导管内的液柱接近溢出时，切断学生电源。
（5）取出石英钟内的干电池，将导线与石英钟的正、负极相连，观察石英钟指针
实验现象与 分析
→实验现象：
①接通学生电源，两个石墨棒上都有气泡产生，U形管内液面下降，玻璃管液面上升。
②连接时钟，时钟指针又开始走动。
→判断燃料电池中正、负极的方法：
接通学生电源时，玻璃管内液柱先接近溢出的电极产生的气体是H2，该电极为燃料电池的负极；另外一个电极产生的是O2，该电极为燃料电池的正极。
名称 电解质 电极反应和总反应
酸性氢氧燃料电池 H2SO4 负极：2H2-4e-=4H+
正极：O2+4H++4e-=2H2O
总反应：2H2+O2=2H2O
碱性氢氧燃料电池 KOH 负极：2H2-4e-+4OH-=4H2O
正极：O2+2H2O+4e-=4OH-
总反应：2H2+O2=2H2O
常见的四种类型的氢氧燃料电池
名称 电解质 电极反应和总反应
熔融盐氢氧燃料电池 熔融碳酸盐 负极：2H2-4e-+2=2CO2+2H2O
正极：2CO2+4e-+O2= 2
总反应：2H2+O2=2H2O
固体氧化物燃料电池 固体氧化物 负极：2H2-4e-+2O2-=2H2O
正极：O2+4e-=2O2-
总反应：2H2+O2=2H2O
常见的四种类型的氢氧燃料电池
03
课堂小结
04
课堂练习
1．下列关于电池的说法正确的是(　　)
A．太阳能电池的主要材料是高纯度的二氧化硅
B．电池工作时，电子从负极经外电路流向正极，再经过电解质流回负极
C．铅酸蓄电池放电时的正极反应为PbO2＋2e－＋4H＋=Pb2＋＋2H2O
D．氢氧燃料电池，通入氢气的电极为电池的负极
D
2．近年来电池研发领域涌现出的纸电池像纸一样轻薄柔软，在制作方法和应用范围上与传统电池相比均有很大的突破，如图为纸电池的结构示意图。据此，现在用氯化钠、蒸馏水和滤纸制备了电解液和隔离膜，用铜片分别与锌片和另一种银白色金属片，先后制作了两个简易电池。在用电流表测试这两个电池时，发现电流表的指针都发生了偏转，但偏转方向相反。则另一种银白色金属片可能是下列的哪种金属(　　)
A．Ag　　　B．Fe　　　C．Al　　　D．Mg
A
3．鱼雷采用Al-Ag2O动力电池，以溶有氢氧化钾的流动海水为电解质溶液，电池反应为2Al＋3Ag2O＋2KOH=6Ag＋2KAlO2＋H2O，下列说法错误的是(　　)
A．Ag2O为电池的正极
B．电子由Ag2O极经外电路流向Al极
C．Al在电池反应中被氧化
D．溶液中的OH－向Al极迁移
B
4．被称为“软电池”的纸质电池，采用一个薄层纸片(在其一边镀锌，在其另一边镀二氧化锰)作为传导体。在纸内的离子“流过”水和氧化锌组成的电解质溶液。总反应为Zn＋2MnO2＋H2O=ZnO＋2MnOOH，下列说法不正确的是(　　)
A．当该电池消耗2 mol MnO2时，与CH4燃料电池消耗0.5 mol CH4产生的电量相等
B．该电池二氧化锰为正极，发生还原反应
C．当0.1 mol Zn完全溶解时，电池外电路转移的电子数约为1.204×1023
D．电池正极反应式为MnO2＋e－＋H2O=MnOOH＋OH－
A
感谢您的聆听

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