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化学电源
第1章 化学反应与能量转化
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。
自发的氧化还原反应
闭合
回路
原电池
化学能
电能
离子导体
电极材料
电极反应
电子导体
还原反应
氧化反应
温故知新
化学电源
化学电池
一次电池
二次电池
燃料电池
碱性锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池等
锂离子电池
银锌蓄电池
普通锌锰干电池
锌银纽扣电池
一、一次电池
电池中的反应物质进行一次氧化还原反应并放电之后，就不能再次利用。
普通锌锰干电池
锌筒
石墨棒
MnO2和C
普通锌-锰干电池的结构
NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等
Zn、MnO2/NH4Cl溶液（糊状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
金属
MnO2
Mn2O3
Zn
Zn
Zn2+
总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O
负极： Zn - 2e- = Zn2+
正极：2MnO2+2NH4++2e- =Mn2O3+ 2NH3+H2O
优点：制作简单、价格便宜
缺点：放电时间短，电压下降快
碱性锌锰电池构造示意图
碱性锌锰电池
Zn、MnO2/KOH溶液（胶状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
黄铜棒
Zn
ZnO
金属
MnO2
MnOOH
负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O
正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
总反应：Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH
优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电(电流稳定，放电容量、时间增大几倍,不会气涨或漏液)
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
锌银纽扣电池
Zn、Ag2O/KOH溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
负极：Zn＋2OH－－2e-＝Zn(OH)2
正极：Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－
总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
金属
Zn
Zn(OH)2
金属
Ag2O
Ag
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,电池总反应式为：
Zn(s)+ 2MnO2(s) + H2O(l) =Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)
下列说法错误的是( )
A.电池工作时,锌失去电子
B.电池正极电极反应为：2MnO2(s)+H2O(l)+2e-=Mn2O3(s)+2OH-(aq)
C.电池工作时,电子由正极通过外电路流向负极
D.外电路每通过0.2mole-, 理论上减小锌的质量6.5g
C
二、二次电池
铅蓄电池
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。
其电池反应可以正向和逆向进行。蓄电池放电时为自发电池，充电时为电解池。充电后电池容量得到恢复,充放电次数可达千百次。
铅蓄电池
（1）正负极材料
正极：PbO2
负极：Pb
电解质溶液：H2SO4(aq)
化学能
电能
放电
充电
（2）工作机制
充电电池中能量的转化关系：
（3）放电时电极反应式:
总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O
负极: Pb + SO42- -2e-＝PbSO4
正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O
（4）(充放电)反应式: 充电时电极反应式与放电时电极反应式相反,所以可以
把上述反应写成一个反应式：
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
优点：电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。
缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境。
关于铅蓄电池放电时的说法正确的（ ）
A．电池的负极材料是铅板
B．正极发生的反应是 Pb +SO42--2e-= PbSO4
C．电池中硫酸的浓度不发生变化
D．负极质量减少、正极质量增加
A
二、二次电池
目前市场上还有镍镉电池、镍锌电池、银锌电池等充电电池，它们各有特点因而具有不同的用途。
银锌蓄电池
镍镉蓄电池
镍锌蓄电池
正极：2NiOOH + 2H2O + 2e-＝2Ni(OH)2 + 2OH-
负极：Cd + 2OH- -2e-＝Cd(OH)2
镍镉蓄电池
负极：Cd 正极：NiOOH 离子导体：KOH溶液
总反应：
放电
充电
Cd+2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2
正极：2NiOOH + 2H2O + 2e-＝2Ni(OH)2 + 2OH-
负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O
负极：Zn 正极：NiOOH 离子导体：KOH溶液
总反应：
放电
充电
Zn+2NiOOH + H2O ZnO + 2Ni(OH)2
镍锌蓄电池
三、燃料电池
一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。电池的电极本身不包含活性物质,只是一个催化转化元件。工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给,在电极上不断地进行反应,生成物不断地被排除,于是电池就连续不断地提供电能。清洁、能量转换率高的特点。
可供选择的燃料: 氢气、烃类、肼、甲醇、氨、煤气等液态或气态的燃料。
燃料电池的特点
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。
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。
三、燃料电池
1、氢氧燃料电池——酸性
H2、O2/酸性 负极 电极 还原剂 氧化产物 电极反应式
正极 电极 氧化剂 还原产物 电极反应式
总反应式： Pt
H2
H+
2H2- 4e-＝4H+
Pt
O2
H2O
O2+4H++4e-＝2H2O
2H2 + O2＝2H2O
H2、O2/碱性 负极 电极 还原剂 氧化产物 电极反应式
正极 电极 氧化剂 还原产物 电极反应式
总反应式： 2、氢氧燃料电池——碱性
Pt
H2
H2O
2H2- 4e-+4OH-＝4H2O
Pt
O2
OH-
O2＋4e-+2H2O＝4OH-
2H2 + O2＝2H2O
氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型发电装置。关于以KOH为电解质的氢氧燃料电池叙述错误的是（ ）
A、氢氧燃料电池直接把热能转化为电能
B、电子从负极出发，沿导线流向正极
C、负极反应式为H2+2OH--2e-=2H2O
D、电解质 KOH的物质的量不发生变化
A
【思考归纳】如何准确书写电极反应呢？
写出稳定的电极产物
找正负
使守恒
看环境
相加减
②电荷守恒
③原子守恒
①电子守恒
正极+负极=总反应式
找氧化剂
酸性补H＋
碱性补OH－
给什么补什么
找还原剂
【思考归纳】如何准确找出稳定电极产物呢？
酸性
碱性
H2O
OH－
O2－
含氧酸
根离子
熔融氧化物
熔融盐
H2－2e－＝2H＋
H2－2e－＋OH－＝H2O
H+
H2O
酸性
碱性
H2
O2
O2＋4e－＋2H2O＝4OH－
O2＋4e－＋4H＋＝2H2O
O2＋4e－＝2O2－
O2＋4e－＋2CO2＝2CO32－
【思考归纳】如何准确找出稳定电极产物呢？
CO32-
（或HCO3-）
碱性
M
CO2
CH4－8e－＋10OH－＝CO32-＋7H2O
2CH4－16e－＋18OH－＝2HCO3-＋13H2O
Ag－e－＋Cl－＝AgCl
Zn－2e－＋2OH－＝Zn(OH)2
Al－3e－＋4OH－＝AlO2-＋2H2O
Pb + SO42- -2e-＝PbSO4
Mn＋
失ne-
盐酸
碱性
碱性
硫酸
写出甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。
(1)甲烷、氧气/KOH溶液燃料电池
负极：
正极：
总反应式：
CH4 - 8e- + 10OH- ＝ CO32- + 7H2O
2O2 + 8e- + 4H2O ＝ 8OH-
CH4+2O2+2OH -＝CO32-+3H2O
(2)甲烷、氧气/H2SO4溶液燃料电池
CH4 - 8e-+ 2H2O = CO2 +8H+
2O2 + 8e- + 8H+ = 4H2O
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
负极：
正极：
总反应式：
写出甲烷燃料电池的电极反应式及总反应式。
(3)甲烷-氧气/熔融氧化物(高温下能传导O2-)燃料电池
CH4 - 8e-+ 4O2- = CO2 + 2H2O
2O2 + 8e- = 4O2-
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
负极：
正极：
总反应式：
(4)甲烷-氧气/熔融碳酸盐(熔融K2CO3)燃料电池
CH4 - 8e-+ 4CO32- = 5CO2 + 2H2O
2O2 + 8e- +4CO2 = 4CO32-
CH4 + 2O2 = CO2+ 2H2O
负极：
正极：
总反应式：

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