资源简介

(共24张PPT)
第四章 化学反应与电能
2026年1月21日星期三
——化学电源
工作单位：高级中学
任课教师：化学教师
人教版选择性必修一
1789年，意大利生理学家伽法尼（L. Galvani，1737—1798）在一次解剖青蛙时，把铜钩钩着的青蛙腿挂在阳台的铁栏杆上，偶然发现蛙腿每次接触铁栏杆就会抽搐一次。经过研究，伽法尼认为这种肌肉收缩作用是“动物电”引起的。
伽法尼的同事——意大利物理学家伏打（A. Volta，1745—1827）一开始相信这种解释，还亲自体验了这一过程。他将放在舌尖上的锡箔与一枚银币接触，感觉到满口酸味。由此他猜想：肌肉收缩不一定是由动物电引起的，很可能是受到了电刺激产生的。为了证明自己的猜想，伏打在1792~1796年多次重复了伽法尼的实验，发现只要两种不同的金属接触，中间隔着湿的硬纸、皮革或其他海绵状物品，不管有没有接触蛙腿都会起电，从而证明伽法尼实验中的青蛙腿只是一种非常灵敏的验电器。
为了进一步证明起电与青蛙等动物无关，伏打设计了一种能检验电量的验电器。用多种金属反复进行实验，他发现起电序列为：锌、铅、锡、铁、铜、银和金。此序列中任意两种金属接触，位于序列前面的带负电，后面的带正电，这也是较早提出的金属活动性
顺序。1799年，伏打研制了能维持一定电流的电堆。这种电堆能为科研、生产提供稳恒电源，使电能成为人们认识、改造自然的锐利武器。例如，1807年英国化学家戴维（S. H. Davy，1778—1829）利用伏打电堆电解制得钾和钠，后来又陆续制得了镁、钙、锶、钡等。伏打电堆的发明，促进了新元素的发 现、研究及电学的进一步发展，也为电化学的创建开辟了道路。
科学史话
历史上第一个化学电源
铜片
锌片
湿布片
金属片
从原电池到化学电源
伏打电池
丹尼尔电池
锌锰干电池
碱性锌锰干电池
1800年
1836年
1860年
1968年
生活中的化学电源
概念：将化学能转化为电能的装置，原电池是化学电源的雏形。
化学电源
相
关
概
念
分类：一次电池、二次电池、燃料电池
优劣标准：比能量和比功率的大小、可储存时间的长短
一次电池
概念：放电后不可再充电的电池，一次电池中电解质溶液制成胶状，也叫做干电池。
主
要
类
别
普通锌锰电池
锌银电池
碱性锌锰电池
电池总反应
两极材料 锌筒 碳棒
电解质 糊状的NH4Cl
负极反应
正极反应
电池缺陷 久置漏液而失效，导致电器设备腐蚀
改进措施 在外壳套上防腐金属筒或塑料桶
碳棒
锌筒
NH4Cl糊
MnO2
普通锌锰电池
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 ═ Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH)
Zn +2NH3 2e ═ Zn(NH3)22+
MnO2 + NH4+ + e ═ MnO(OH) + NH3
电池总反应
两极材料 锌 二氧化锰
电解质 KOH
负极反应
正极反应
电池特点 比能量高、可储存时间长
碱性锌锰电池
Zn + 2MnO2 +2H2O ═ 2MnOOH + Zn(OH)2
Zn + 2OH 2e ═ Zn(OH)2
MnO2 + H2O + e ═ MnOOH + OH
电池总反应
两极材料 锌 氧化银
电解质 KOH
负极反应
正极反应
电池特点 比能量大、电压稳定、可储存时间长
锌银电池
Zn + Ag2O +H2O ═ Zn(OH)2 + 2Ag
Zn + 2OH 2e ═ Zn(OH)2
Ag2O + 2H2O + 2e ═ 2Ag + 2OH
金属外壳
Ag2O
锌粉
KOH
二次电池
概念：放电后可以再充电而反复使用的电池，又称可充电电池或蓄电池。
常
见
电
池
锂离子电池
镍氢电池
铅蓄电池
电池总反应
两极材料 铅 二氧化铅
电解质 稀硫酸
负极反应
正极反应
电池特点 电压稳定、使用方便、安全可靠、笨重
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ═ 2PbSO4 + 2H2O
Pb + SO42 2e = PbSO4
PbO2 + SO42 + 2e + 4H+ = PbSO4+2H2O
铅蓄电池
锂离子电池具有质量小、体积小、储存和输出能量大等特点，是多种便携式电子设备（如智能手机、笔记本电脑等）和交通工具（如电动汽车、电动自行车等）的常用电池。一种锂离子电池，其负极材料为嵌锂石墨，正极材料为LiCoO2（钴酸锂），电解质溶液为LiPF6（六氟磷酸锂）的碳酸酯溶液（无水）。该电池放电时的反应原理可表示如下:
放电时，锂离子由石墨中脱嵌移向正极，嵌入钴酸锂晶体中；充电时，锂离子从钴酸锂晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中。这样在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间，完成化学能与电能的相互转化。
锂离子电池还可用于大型储能电站，当它正式并网投入运营后，
在用电低谷时充
电，在用电高峰
时放电，可以实
现对电能的灵活调节和精确控制。
资料卡片
锂离子电池
LixCy xe ═ xLi+ + Cy
Li1-xCoO2 + xLi+ + xe ═ LiCoO2
LixCy + Li1-xCoO2 ═ LiCoO2 + Cy
负极：
正极：
总反应：
A
工作原理
LiPF6
练：一种新型的锂-空气电池的工作原理如图，关于该电池的说法正确的是（ ）
练习与应用
A. 当有22.4L O2被还原时，溶液中有4mol Li+向多孔碳电极移动
B. 可将有机电解液改为水溶液
C. 金属锂做正极，发生氧化反应
D. 正极反应为：O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
D
我们知道电解水可以得到氢气和氧气，这是由电能直接转化为化学能的过程。 按照能量转化与守恒的观点推测，氢气与氧气反应由化学能转化为电能的过程也可 能实现。这一过程到底能否实现呢？是怎样发生的呢？

思考与讨论
课堂活动
燃料电池
概念：一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
深
化
理
解
负极反应物为燃料，正极反应物一般为O2
电池容量不受限制，可以连续不断地供电
能量转化率超过80%，污染小甚至零排放
A
Pt

Pt
+
质子交换膜
负极室
正极室
H2
O2
燃料电池
催化转化元件
只允许H+通过
H2 2e = 2H+
O2 + 4e + 4H+ = 2H2O
练：书写CH3OH燃料电池在酸性、碱性环境的电极反应式
练习与应用
练：将两个铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，下列叙述正确的是（ ）
A. 正极的电极反应为：CH4 + 10OH 8e = CO32- + 7H2O
B. 放电时，正极附近溶液的碱性增强
C. 放电时OH 向正极移动
D. 电子由CH4电极沿导线移向O2电极，经电解液流回CH4电极
B
练习与应用
练：固体电解质在高温下允许氧离子(O2－)在其间通过。某固体燃料电池的工作原理如下图所示，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放电的a极为电池的负极
B. O2－移向电池的正极
C. b极对应的电极反应为2H2 4e ＋2O2 ═ 2H2O
D. a极对应的电极反应为O2＋2H2O＋4e ═ 4OH
C
练习与应用
练：水溶液锂离子电池体系如图所示。下列叙述错误的是（ ）
A. a为电池的正极
B. 放电时，a极锂的化合价发生变化
C. 电池充电反应为：LiMn2O4 ═ Li1 xMn2O4＋xLi
D. 放电时，溶液中Li＋从b向a迁移
B
练习与应用
练：北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示，电池总反应为
Cu＋PbO2＋2H2SO4 ═ CuSO4＋PbSO4＋2H2O。错误的说法是（ ）
A. a为负极，b为正极
B. a极的电极反应式为Cu 2e ═ Cu2＋
C. 该电池工作时，PbO2电极附近溶液的pH增大
D. 调节电解质溶液的方法是补充CuSO4
D
练习与应用
练：近年来AIST正在研制一种“高容量、低成本”锂－铜空气燃料电池。该电池通过一种复杂的铜腐蚀“现象”产生电力，其中放电过程为2Li＋Cu2O＋H2O ═ 2Cu＋2Li＋＋2OH ，下列说法错误的是（ ）
A. 通空气时，铜被腐蚀，表面产生Cu2O
B. 放电时，Li＋透过固体电解质向Cu极移动
C. 放电时，负极反应式为Cu2O＋H2O＋2e ═ 2Cu＋2OH
D. 整个反应过程中，铜相当于催化剂
C
练习与应用
练：一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是（ ）
A. 电池工作时，CO32 向电极B移动
B. 电极B上发生的电极反应为 O2＋2CO2＋4e ═ 2CO32
C. 电极A上H2参与的电极反应为：H2＋2OH 2e ═ 2H2O
D. 每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B
练习与应用

展开更多......

收起↑