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化学反应与能量转化
第一章
1.2化学能转化为电能——电池
章节脉络
化学电源
原电池的工作原理
第一章
化学反应与能量转化
1.2化学能转化为电能——电池
1.1化学反应的热效应
1.3电能转化为化学能——电解
1.4金属的腐蚀与防护
化学电源
核心素养目标
1. 宏观辨识与微观探析
能从宏观层面识别常见化学电源的类型、外形及应用场景，了解其性能特点；从微观角度理解化学电源内部电极反应中电子转移、离子迁移的过程，阐释化学电源工作原理。
2. 证据推理与模型认知
通过化学电源的实验现象、性能数据等证据，推理电极反应类型和产物；构建化学电源的认知模型，能运用该模型分析不同化学电源的工作机制，预测新情境下化学电源的性能。
3. 科学探究与创新意识
针对化学电源存在的问题，关注化学电源领域的前沿研究成果，尝试提出改进或开发新型化学电源的思路和方案，培养创新精神和实践能力。
学习重难点
重点：
1. 掌握常见化学电源的工作原理，明确电极反应及电池总反应。
2. 能准确书写各类化学电源的电极反应式和总反应式，理解其充放电过程中的能量转化关系。
难点：
1. 掌握在不同电解质环境下化学电源电极反应式的书写及配平，尤其是涉及多步反应和复杂物质转化时。
课前导入
在我们的日常生活中，化学电源无处不在，它们让我们的生活更加便捷。这些电池是如何将化学能转化为电能，为我们的设备持续提供动力的呢？
锌锰干电池
PART 01
锌锰干电池
概念
化学电源是将化学能转化为电能的实用装置
化学电源的分类
(1)化学电源按其使用性质常分为如下三类：
一次电池：又叫干电池，活性物质消耗到一定程度就不能再使用。
二次电池：又称可充电电池，放电后可以再充电使活性物质获得再生。
燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
(2)化学电源按其电解质性质可分为中性电池、酸性电池、碱性电池。
比能量：单位质量或单位体积所能输出电能的多少，单位是(W·h)/kg或(W·h)/L。
比功率：单位质量或单位体积所能输出功率的大小，单位是W·kg－1或W·L－1。
电池可储存时间的长短
判断电池优劣
废弃电池中含有大量的重金属和酸碱等有害物质，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，需回收利用
电池的回收利用
锌锰干电池
电极反应方程式：
负极：
正极：
Zn – 2e- = Zn2+
2MnO2+2NH4++2e- =Mn2O3+2NH3↑+H2O
反应总的方程式
2MnO2+2NH4++ Zn=Mn2O3+2NH3↑+H2O+Zn2+
(1)酸性锌锰干电池
常见的锌锰干电池分为酸性和碱性两种
锌锰干电池
石墨电极
二氧化锰和炭黑
氯化铵和氯化锌
锌筒
+
-
锌锰干电池
(2)碱性锌锰干电池
负极(Zn)：Zn + 2OH- - 2e- = ZnO + H2O
正极(MnO2)：2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH + 2OH-
电池总反应：Zn + 2MnO2 + H2O = 2MnOOH + ZnO
锌粉和氢氧化钾
碱式氧化锰
碱式氧化锰
二氧化锰和石墨
优点：单位质量输出的电能多且储存时间长，
适用于大电流和连续放电。
锌锰干电池
铅蓄电池
PART 02
铅蓄电池
铅蓄电池
二氧化铅
铅
H2SO4 溶液
铅蓄电池的结构比较复杂，通常由若干个单电池串联而成。它以平行排列的铅、铅锑合金或铅钙合金栅板为主架，栅格中交替填充着铅和二氧化铅，电解质溶液为 H2SO4 溶液。
Pb + SO42- - 2e- =PbSO4
正极：
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- =PbSO4 + 2H2O
负极：
①放电过程(原电池)
铅蓄电池充电的反应是放电反应的逆过程
②充电过程(电解池)
Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O
PbSO4 + 2e- =Pb + SO42-
阴极：
阳极：
PbSO4 + 2H2O - 2e- = PbO2 + 4H+ + SO42-
（接电源负极）
（接电源正极）
铅蓄电池
燃料电池
PART 03
燃料电池
燃料电池
(1)特点：电池的正、负极反应物分别是氧化剂和燃料。
(2)工作原理：将反应物分别不断地输入电池的两极，通过燃料(如氢气)在负极发生氧化反应、氧化剂(如氧气)在正极发生还原反应，实现一个相当于燃烧反应的电池反应，将化学能转化为电能。
燃料电池
(3)常见类型：除了氢气外，甲烷、甲醇和乙醇等也可用作燃料电池的负极反应物。氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。它可以使用不同的电解质如KOH溶液、H3PO4溶液、熔融碳酸盐、固体电解质或质子交换膜等作为离子导体。
(4)优点：能量利用效率高、可连续使用、污染轻。
优点：燃料电池具有能量利用效率高、可连续使用和污染轻等优点，氢氧燃料电池的反应产物只有水，不产生污染。
燃料电池
实验探究 —— 制作一个简单的燃料电池
实验目的
利用所给试剂和仪器设计装置并进行实验，通过该装置将下列反应产生的化学能转化为电能。
实验用品
KOH 溶液，稀硫酸，K2SO4 溶液，石墨棒；
长颈漏斗，U 形管，橡胶塞，导线，电流表，电源。
燃料电池
燃料电池
电极反应式 负极 正极 总反应
酸性介质
中性介质
碱性介质
2H2+O2=2H2O
2H2－4e－ = 4H＋
2H2+O2=2H2O
2H2－4e－= 4H＋
O2＋4e－＋4H＋ = 2H2O
2H2+O2=2H2O
O2＋4e－＋2H2O=4OH－
2H2－4e－＋4OH－=4H2O
O2＋4e－＋2H2O=4OH－
规律：
H2
中性/酸性电解质：
碱性电解质：
2H2-4e- = 4H+
2H2+4OH--4e- = 4H2O
O2
酸性电解质：
中性/碱性电解质：
O2+4H++4e- = 2H2O
O2+2H2O+4e- = 4OH-
燃料电池
燃料电池
书写燃料电池电极反应式的三个步骤
(1)写电池总反应：
烃或烃的含氧衍生物作燃料，碱性电解质生成碳酸盐和水，其他电解质一般生成二氧化碳和水。
(2)写正极反应式
(3)写负极反应式：
负极反应式＝电池总反应式－正极反应式；
要设法消去总反应和正极反应中的O2。
燃料电池
确定负极
确定正极
构成闭合回路
负极反应物
负极材料
H2
O2
石墨
石墨
导线
KOH溶液
稀硫酸
K2SO4溶液
[思考]设计电池的基本思路是什么？
正极反应物
正极材料
电子导体
离子导体
燃料电池
课堂小结
化学电源
锌锰干电池
铅蓄电池
燃料电池
酸性锌锰干电池
碱性锌锰干电池
放电过程
充电过程
特点
工作原理
常见类型
三种介质
随堂训练
1.下列有关化学电源的叙述错误的是（ ）
A.燃料电池就是将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能
B.电器中加入的干电池即使不使用，时间长了也会放电完毕
C.铅蓄电池中的负极是填充PbO2的铅板
D.铅蓄电池是可充电电池，充电时是使放电时的氧化还原反应逆向进行
C
随堂训练
2.环境监察局常用“定电位”NOx传感器来监测化工厂的氮氧化物气体是否达到排放标准，其工作原理如图所示。下列说法正确的是（ ）
A.“对电极”是负极
B.“工作电极”上发生的电极反应式
为NO2＋2H＋－2e－===NO＋H2O
C.传感器工作时，H＋由“工作电极”移向“对电极”
D.“对电极”的材料可能为活泼金属锌
AD
随堂训练
3.甲醇燃料电池结构示意图如下。甲醇在催化剂作用下提供质子(H＋)和电子，电子经外电路、质子经内电路到达另一电极后与氧气反应，电池总反应式为2CH3OH＋3O2=2CO2＋4H2O。下列说法不正确的是(　　)
A．右电极为电池正极
B．负极电极反应式为CH3OH＋H2O－6e－=CO2＋6H＋
C．b处通入空气，a处通入甲醇
D．正极电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－
D
随堂训练
4.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。碱性锌锰电池以氢氧化钾溶液为电解质溶液，电池总反应为Zn(s)+2MnO2(s)+H2O(l) ==ZnO(s)+2MnOOH(s)。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时，锌失去电子
B.电池正极的电极反应为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0.2 mol电子，锌的质量减少6.5 g
C
随堂训练
5.下图为氢氧燃料电池原理示意图，下列叙述不正确的是(　　)
A.a电极是负极
B.b电极的电极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑
C.氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源
D.氢氧燃料电池是一种不需要将还原剂和氧化剂全部储藏在电池内的新型发电装置
B
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