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(共55张PPT)
第一节　原电池
第2课时　化学电源
课前·基础认知
一、化学电源的分类及其特点
1.化学电源的分类。
化学电源包括一次电池、二次电池和燃料电池等,它们都是根据原电池原理制成的。
2.化学电源的优点。
(1)能量转化效率较高,供能稳定可靠。
(2)可以制成各种形状、大小和容量不同的电池及电池组。
(3)方便携带,易于维护等。
3.判断一种电池优劣的主要标准——“两看”。
(1)看电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量)或输出功率的大小(比功率)。
(2)看电池可储存时间的长短。
二、一次电池
1.一次电池的特点。
放电后不可再充电。一次电池又叫干电池,其电解质溶液为胶状,不流动。
2.一次电池的代表——碱性锌锰电池。
(1)组成。正极:MnO2;负极:Zn;电解质:KOH。
(2)工作原理。
负极反应:Zn+2OH--2e-===Zn(OH)2;
正极反应:MnO2+H2O+e-===MnO(OH)+OH-;
总反应:Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2。
(3)特点:碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好,它的比能量和可储存时间均有提高。
3.锂离子电池。
电极 电极反应
负极 嵌锂石墨(LixCy):LixCy-xe-═xLi++Cy
正极
总反应
反应过程:放电时,Li+从石墨中脱嵌移向 正 极,嵌入钴酸锂晶体中,充电时,Li+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。
微训练1碱性锌锰电池以KOH溶液为电解质溶液,其结构示意图如图所示,电池总反应式为Zn+2MnO2+2H2O═ Zn(OH)2+2MnO(OH)。下列说法中错误的是(　　)。
A.电池工作时,电子转移方向是由Zn经外电路
流向MnO2
B.电池正极反应式为2MnO2+2H2O+2e-═
2MnO(OH)+2OH-
C.电池工作时,KOH不参与反应,没有发挥作用
D.电池工作时,Zn发生氧化反应,MnO2发生还原反应
C
解析:电池工作时,KOH电离出阴、阳离子,增大溶液的导电性,KOH不参与反应,但是能提高溶液的导电性,C项错误。
三、二次电池
1.二次电池的特点。
放电后可以再充电而反复使用的电池。二次电池又叫可充电电池或蓄电池。
2.铅酸蓄电池。
(1)负极板覆盖Pb,正极板覆盖PbO2,稀硫酸作电解质溶液。
(2)电池放电时的电极反应式如下。
总反应:Pb +PbO2 +2H2SO4===2PbSO4 +2H2O 。
电池的充电过程与其放电过程相反。
(3)铅酸蓄电池的优缺点。
①优点:可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉,应用广泛。
②缺点:比能量低、笨重等。
3.新型蓄电池的特点。
小型化、供电方便、工作寿命长、不需要维护等。
D
四、燃料电池
1.燃料电池的特点。
连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。工作时,燃料和氧化剂连续地由外部供给并在电极上进行反应,生成物不断地被排出,从而连续不断地提供电能。
2.基本构造及工作原理。
电解质 酸性电解质(H2SO4) 碱性电解质(KOH)
负极反应 H2-2e-═2H+ H2-2e-+2OH-═2H2O
正极反应 O2+4e-+4H+═2H2O O2+4e-+2H2O═4OH-
总反应 2H2+O2═2H2O
3.燃料电池的优点。
(1)将化学能转化为电能的转化率高,超过80%,远高于火力发电的转化率。
(2)污染小。
微思考燃料电池与燃烧有什么区别 燃料电池的两个电极材料是否必须不同
提示:燃料电池是将化学能转化为电能,燃烧是将化学能转化为热能。燃料电池的两个电极材料一般相同,常用石墨作电极。
微判断(1)废旧电池中含汞、镉、铅、镍等重金属,随意丢弃会污染环境,应对废旧电池分类回收,集中处理。(　　)
(2)二次电池的充电反应和放电反应互为可逆反应。(　　)
(3)燃料电池工作时负极应不断充入燃料,正极充入氧化剂,如O2。(　　)
(4)铅酸蓄电池的负极反应式为Pb-2e-===Pb2+。(　　)
√
×
√
×
微训练3如图为肼燃料电池示意图,请写出正、负极的电极反应式及总反应式。
肼燃料电池
答案:负极:N2H4-4e-+4OH-═4H2O+N2
正极:O2+4e-+2H2O═4OH-
总反应式:N2H4+O2═N2+2H2O
课堂·重难突破
一、二次电池的工作原理
问题探究
高铁电池是一种新型可充电电池,与普通高能电池相比,该电池可长时间保持稳定的放电电压。高铁电池的总反应为
3Zn+2K2FeO4+8H2O 3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4KOH。
1.写出该电池放电时的负极反应式。
提示:放电时负极反应为Zn-2e-+2OH-===Zn(OH)2。
2.根据该电池的总反应分析电池工作时,正极附近溶液的pH怎样变化
提示:放电时正极附近生成OH-,碱性增强,pH变大。
3.给该电池充电时应该怎样连接电极
提示:充电时该电池的正极接外接电源正极,负极接外接电源负极。
归纳总结
二次电池的充电过程与放电过程相反,放电时为原电池,充电时为电解池。充电时,电池的正极外接直流电源的正极,作阳极,电池的负极外接直流电源的负极,作阴极。同一电极上的电极反应式,充电与放电时在形式上恰好相反;同一电极周围的溶液,充电与放电时pH的变化趋势也恰好相反。归纳为下图:
典型例题
【例1】 铁镍蓄电池又称爱迪生电池,放电时的总反应式为Fe+Ni2O3+3H2O===Fe(OH)2+2Ni(OH)2。
下列有关该电池的说法不正确的是(　　)。
A.电池的电解质溶液为碱性溶液,正极为Ni2O3,负极为Fe
B.电池放电时,负极反应式为Fe+2OH--2e-===Fe(OH)2
C.电池充电过程中,阴极附近溶液的pH降低
D.电池充电时,阳极反应式为2Ni(OH)2+2OH--2e-===Ni2O3+3H2O
C
解析:因为放电时的反应中有氢氧化物生成,故电解质溶液是碱性溶液,因为铁的化合价升高,镍的化合价降低,故Fe是负极,Ni2O3是正极,A、B项正确。充电时的阴极反应式为Fe(OH)2+2e-═Fe+2OH-,故此时阴极附近溶液的pH增大,C项错误。根据所给的放电时的电池反应可推知D项正确。
【例2】 水系锌锰二次电池放电时存在电极MnO2剥落现象,造成电池容量衰减。研究发现,加入少量KI固体能很大程度恢复“损失”的容量,原理如图所示。已知PBS膜只允许Zn2+通过。
B
二、燃料电池电极反应式的书写
问题探究
一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率。现用Li2CO3和Na2CO3的熔融混合物作电解质,一极通CO气体,另一极通O2和CO2混合气体,其总反应为2CO+O2===2CO2。
1.判断该电池的正极、负极情况 A、B为何种物质
提示:电极a为负极,电极b为正极,A为CO,B为O2。
2.你能写出该电池的正极反应式和负极反应式吗
提示:负极的电极反应式为2CO+ -4e-===4CO2,正极的电极反应式为O2+2CO2+4e-=== 。
归纳总结
电池的负极一定充入了可燃物,有机燃料中各元素的化合价变化遵循一般化合价规则,燃料失电子发生氧化反应,电池的正极多为氧气或空气得电子,发生还原反应,特别要注意电解质溶液酸碱性不同的区别。可根据电荷守恒来配平电极反应式。
以CH3OH为燃料的燃料电池电极反应式的书写如下:
1.酸性介质。
负极:CH3OH+H2O-6e-===CO2+6H+;
2.碱性介质。
3.熔融碳酸盐作介质。
4.熔融金属氧化物作介质。
负极:CH3OH+3O2--6e-===CO2+2H2O;
典型例题
【例3】 科技工作者制造了一种甲烷燃料电池,一个电极通入空气,另一个电极通入甲烷,通过掺杂了Y2O3的ZrO2晶体在高温下传导O2-。以下判断错误的是(　　)。
A.电池正极发生的反应:O2+4e-===2O2-
B.电池负极发生的反应:CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O
C.固体电解质里的O2-的移动方向:由正极移向负极
D.向外电路释放电子的电极:正极(即电子由正极流向负极)
D
解析:因为放电时,电池正极发生还原反应(元素化合价降低),负极发生氧化反应(元素化合价升高)。所以正极反应式是O2+4e-===2O2-,负极反应式是CH4+4O2--8e-===CO2+2H2O。由上述电池的正、负极反应式可以看出,正极反应“源源不断”地产生O2-,负极反应要持续进行,则需要“持续不断”地消耗O2-,故电池内O2-的移动方向是由正极移向负极。电池的负极发生氧化反应,失去电子,故外电路电子从负极流出,D项错误。
【拓展延伸】 对于甲烷燃料电池,电解质溶液如果是KOH溶液,则电极反应式如何书写
答案:正极:2O2+4H2O+8e-===8OH-
负极:CH4+10OH--8e-=== +7H2O
总反应:CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O
【例4】以甲烷燃料电池为例来分析在不同的环境下电极反应式的书写方法。
(1)酸性条件。
总反应式:　 ;
正极反应式:　 ;
负极反应式:　 。
(2)碱性条件。
总反应式:　 ;
正极反应式:　 ;
负极反应式:　 。
CH4+2O2═CO2+2H2O
2O2+8H++8e-═4H2O　
CH4-8e-+2H2O═CO2+8H+
2O2+4H2O+8e-═8OH-
(3)固体电解质(高温下能传导O2-)。
总反应式:　 ;
正极反应式: 　 ;
负极反应式:　 。
(4)熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下。
总反应式:　 ;
正极反应式:　 ;
负极反应式:　 。
CH4+2O2═CO2+2H2O
2O2+8e-═4O2-
CH4+4O2--8e-═CO2+2H2O
CH4+2O2═CO2+2H2O　
【例5】 (1)SO2-空气质子交换膜燃料电池可以利用大气中所含SO2快速启动,其装置示意图如图:
①质子的流动方向为　　　　　　　　(填“从A到B”或“从B到A”)。
②负极的电极反应式为 　 。
从A到B　
(2)NH3-O2燃料电池的结构如图所示:
①a极为电池的　　(填“正”或“负”)极。
②当生成1 mol N2时,电路中流过电子的物质的量为　　　　　　　　。
负
6 mol
燃料电池电极反应式的书写关键。 (1)书写总反应方程式时,要注意燃料燃烧产物与电解质溶液是否发生反应,若能反应,电解质溶液要写在总反应方程式中。 (2)燃料电池正极反应的本质是氧气得电子发生还原反应,即O2+4e-===2O2-,产生的O2-存在形式与电解质溶液的酸碱性和电解质的状态有着密切的关系,在酸性溶液中转化为H2O,在碱性溶液中转化为OH-,在熔融的碳酸盐中转化为 。 (3)书写燃料电池的电极反应式,一定要注意电解质溶液的酸碱性。碱性溶液电极反应式中不能出现H+,酸性溶液电极反应式中不能出现OH-。
成果验收站　
1.下列有关化学电源的叙述正确的是(　　)。
A.铅酸蓄电池充电时的阳极产物为PbO2
B.锌锰干电池中石墨棒为负极
C.燃料电池在工作时需要点燃引发反应
D.氧化还原反应都可以设计成原电池
A
2.下列关于化学能转化为电能的四种装置的说法正确的是(　　)。
A.电池Ⅰ中锌是正极
B.电池Ⅱ是一次电池
C.电池Ⅲ工作时,氢气发生还原反应
D.电池Ⅳ工作时,电子由锌通过导线流向石墨棒
答案:D
解析:电池Ⅰ中锌是负极。电池Ⅱ是铅酸蓄电池,属于二次电池。电池Ⅲ工作时,负极氢气发生氧化反应。电池Ⅳ中,锌作负极,工作时电子流出到石墨棒,D项正确。
3.新型LiFePO4可充电锂离子动力电池以其独特的优势成为绿色能源的新宠。已知该电池放电时的电极反应式:正极为FePO4+Li++e-===LiFePO4,负极为Li-e-===Li+。下列说法中正确的是(　　)。
A.充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连
B.充电时电池反应为FePO4+Li++e-===LiFePO4
C.放电时电池内部Li+向负极移动
D.放电时,在正极上Li+得电子被还原
A
解析:充电时动力电池上标注“+”的电极应与外接电源的正极相连,发生氧化反应:LiFePO4-e-===FePO4+Li+,A项正确。放电时电池反应式为FePO4+Li===LiFePO4,则充电时电池反应式为LiFePO4===FePO4+Li,B项错误。放电时电池内部Li+向正极移动,C项错误。放电时,在正极上FePO4得电子被还原,D项错误。
4.海底沉积层微生物燃料是一种新型海洋可再生能源,用该燃料设计的原电池产电原理如图所示。下列说法正确的是(　　)。
C
5.神舟飞船的电源系统共有3种,分别是太阳能电池帆板、镉镍蓄电池和应急电池。
(1)飞船在光照区运行时,太阳能电池帆板将　　　　　能转化为　　　　　　能,除供给飞船使用外,多余部分用镉镍蓄电池储存起来。其工作原理为Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2。
充电时,阳极的电极反应式为
　　　　　　　　　　　　　　　　　　;当飞船运行到阴影区时,镉镍蓄电池开始为飞船供电,此时负极附近溶液的碱性　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。
太阳
电
Ni(OH)2-e-+OH-═NiOOH+H2O　
减小
(2)紧急状况下,应急电池会自动启动,工作原理为Zn+Ag2O+H2O 2Ag+Zn(OH)2,其负极的电极反应式为 　 。
Zn-2e-+2OH-═Zn(OH)2
解析:阳极是失电子发生氧化反应的一极,Ni(OH)2为阳极;放电时负极反应为Cd-2e-+2OH-═Cd(OH)2,溶液的碱性减小。

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