二节化学电源.ppt

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1、第二节 化学电源,1了解化学电源的优点及在各方面的应用。 2认识一次电池、二次电池和燃料电池。 3了解废旧电池对环境的危害，树立环保意识。 4能熟练书写充电和放电的电极反应式。,一、化学电源 1化学电源的分类 化学电池是将_变成_的装置，它包括_、_和_电池等几大类。一次电池的活性物质(发生氧化还原反应的物质)消耗到一定程度，就不能使用了。一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做_。二次电池又称_或_，放电后可以再充电使活性物质获得再生。这类电池可以_使用。,2判断一种电池的优劣 判断一种电池的优劣或是否适合某种需要，主要看这种电池_或_所能输出电能的多少，即_，或者输出功率的大小，即_，

2、以及电池的_。,二、一次电池 碱性锌锰电池 组成：该电池由负极_、正极_、电解质_等组成。 其电极反应为： 负极：_ 正极：_ 电池总反应：_。 特点：碱性锌锰电池比普通锌锰电池性能好，它的_和_均有所提高，适用于_和_。,三、二次电池 铅蓄电池 组成：铅蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，正极板上覆盖有_，负极板上覆盖有_，电解质溶液是_溶液。,电池总反应：PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)2H2O(l) 铅蓄电池的缺点是_低、笨重、废弃电池_。,四、燃料电池 1燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的_能直接转换成_的化学电池。它与一般化学电池不同，一般化学电池的活

3、性物质储存在电池_，故而限制了电池的容量，而燃料电池的电极本身不包含_物质，只是一个_元件。它工作时，_和_连续地由外部供给，在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是电池就连续不断地提供电能。,2. 氢氧燃烧电池工作原理 (1)氢氧燃料电池以_为燃料，_为氧化剂，_作电极，使用酸性电解质。如图所示，在_极室通入H2，它在Pt电极上被催化分解为H原子，再失去电子成为H进入电解质溶液，透过_，进入正极室；在正极室通入_，经过Pt电极的_，O2、H在正极上放电生成_。电极反应分别为： 负极：_，正极：_。,(2)若以NaOH溶液为电解质溶液 负极：_，正极：_。 (3)若以Na2SO4溶液为

4、电解质溶液 负极：_，正极：_。 答案： 一、1.化学能；电能；一次电池；二次电池；燃料；干电池；充电电池；蓄电池；多次重复 2单位质量 单位体积 比能量 比功率 可储存时间的长短,二、锌粉 二氧化锰 KOH Zn2OH2eZn(OH)2 2MnO22H2O2e2MnOOH2OH Zn2H2O2MnO2Zn(OH)22MnOOH 比能量 可储存时间 大电流 连续放电 三、PbO2 Pb H2SO4 比能量 污染环境,四、1.化学 电能 内部 活性 催化转化 燃料 氧化剂 2(1)氢气 氧气 铂 负 隔膜 O2 催化 H2O 2H24e4H O24H4e2H2O (2)2H24e4OH4H2O

5、O24e2H2O4OH (3)2H24e4H O22H2O4e4OH,1回收废旧电池的意义是什么？ 提示：废旧电池中含有汞、镉、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会给土壤、水源等环境造成严重的污染，并通过食物链给人体健康造成威胁和危害。另一方面，如果能回收再利用这些废旧电池，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。,2二次电源充电、放电时两极发生的反应相同吗？ 提示：不相同。电源放电时，负极发生氧化反应；充电时，作阴极发生还原反应；放电时，正极发生还原反应；充电时，作阳极发生氧化反应。 3化学电源电极反应遵循最基本的规律是什么？ 提示：无论什么电池，电极反应规律都是负极材料

6、失电子被氧化，正极材料得电子被还原；两极间得失电子守恒。,1.定义：化学电源是能够实际应用的原电池。 2化学电池的分类 (1)一次电池又称不可充电电池干电池。 (2)二次电池又称充电电池蓄电池。 (3)燃料电池,3电池优劣的判断标准 (1)比能量：指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少符号是(Wh)/kg，(Wh)/L。 (2)比功率：指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小(符号是W/kg，W/L)。 (3)电池储存时间的长短。,1.碱性锌锰电池 常见的化学电池是锌锰电池，构造如下图所示。,普通锌锰干电池的电极反应 负极(锌铜)：Zn2eZn2(氧化反应) 正极(石墨)： 2NH 2e

7、2NH3H2(还原反应) 总反应式： Zn2MnO22NH4Cl2MnO(OH)Zn(NH3)2Cl2 碱性锌锰电池的负极是Zn，正极是MnO2，电解质是KOH，其电极反应为：,负极：Zn2OH2eZn(OH)2(氧化反应) 正极(石墨)： 2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OH(还原反应) 总反应式： Zn2MnO22H2O2MnO(OH)Zn(OH)2 特点：比普通锌锰电池性能好，能量和储存时间均有提高，可适用于大电流和连续放电。,2纽扣式电池(银锌电池) 常见的纽扣式电池为银锌电池。它用不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活

8、性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH，其电极反应为：,负极：Zn2OH2eZnOH2O 正极：Ag2OH2O2e2Ag2OH 总反应方程式：ZnAg2O2AgZnO 在使用过程中，电池负极区溶液pH减小。 特点：此种电池能量大，电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。 一粒纽扣式电池的电压达1.59伏，安装在电子表里可使用两年之久。,3锂电池 锂电池用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。 锂电池的主要反应为： 负极

9、：8Li8e8Li 正极：3SOCl28eSO 2S6Cl 总反应式为：8Li3SOCl26LiClLi2SO32S 特点：锂电池是一种高能电池，具有质量轻、电压稳定、工作效率高和贮存寿命长的优点。 常用于心脏起搏器和火箭的一种微型电池。,案例精析 【例1】 锌锰干电池(如右图)是普遍使用的化学电池，其中含有MnO2、NH4Cl、ZnCl2等糊状物。以锌筒为负极材料，石墨为正极材料。一节干电池，电动势E1.5 V，内电阻r0.25 ，对外供电时效率75%。该干电池的工作原理是：Zn2MnO22NH4+ Zn2Mn2O32NH3H2O (1)试写出干电池放电时的正、负电极反应式： 正极：_ 负极

10、：_ (2)干电池用久了就会变软，其原因是_。,(3)正极反应中，前后经历下列反应： 2NH 2e2NH3H2；2MnO2H2Mn2O3H2O，如果没有MnO2参与，干电池将难于持续稳定工作，试说明理由：_。 (4)在供电时间为20 min时，反应的MnO2的质量为_g，外电阻消耗的电能是_kJ。 (5)许多国家都规定要对废旧的锌锰干电池进行回收，从保护环境和节约材料的方面解释为什么要回收这种废旧电池？,解析 (1)写出负极反应，用总反应式减去负极反应即得正极反应式。(2)锌筒为负极材料，放电过程中参与反应会不断减少，同时生成的水不断增多，造成干电池变软。(3)正极反应中，如果没有MnO2，只

11、有反应2NH 2e2NH3H2，能导电的是离子和自由电子，气体分子是不能导电的，正极反应的中间产物NH3、H2附着于石墨棒上，增加了电阻。(4)由RI2/I2(Rr)75%、r0.25 得R0.75 ，则IE/(Rr)1.5V/(0.750.25) 1.5A,消耗的电量QIt1.5 A2060 s1800 C 转移的电子：1800 C/(1.610196.021023 mol1)1.869102 mol 反应的m(MnO2)1.869102 mol187(gmol1)1.626 g 外电阻消耗的电能：WI2Rt(1.5A)20.75 2060 s2025 J 答案 (1)2NH 2MnO22e

12、2NH3Mn2O3H2O Zn2eZn2,(2)电池放电过程中有水产生，锌筒变薄造成干电池变软 (3)正极反应的中间产物NH3、H2附着于石墨，增加电池内阻 (4)1.626 2.025 (5)废电池中的物质有的会导致地下水和土壤污染，威胁人类的健康。另一方面，废电池中的有色金属是宝贵的自然资源。将废旧电池回收再利用，不仅可以减少对生活环境的破坏，而且也是对资源的节约。,点评 理解电池放电时的工作原理，掌握电极反应式的书写方法；其有关计算的关键是电子转移守恒，并注意化学、物理的综合运用。,广泛应用的锌锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电池总反应式为：Zn2MnO22H2O2MnO(OH)Zn(

13、OH)2，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式为2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OH 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，锌的质量理论上减少6.5 g,解析 该电池中Zn为负极失去电子，该反应中转移2e，通过计算每转移0.2 mol 电子，Zn反应6.5 g，电子由负极通过外导线流向正极，所以C错。 答案 C 点评 原电池工作时，活泼金属为负极，失去电子，电子流动方向：负极导线正极。,1.可充电池 充电电池又称二次电池，它在放电时所进行的氧化还原反应，在充电时又逆向进行，使生成物恢复原状，如此充放电可循

14、环进行，至一定周期后终止。,2铅蓄电池：如图所示：,(1)铅蓄电池放电原理的电极反应 负极：PbSO 2ePbSO4(氧化反应) 正极：PbO24HSO 2ePbSO42H2O(还原反应) 总反应式：PbPbO22H2SO42PbSO42H2O (2)铅蓄电池充电原理的电极反应 阳极：PbSO42H2O2ePbO24HSO 阴极：PbSO42ePbSO 总反应式：2PbSO42H2OPbPbO22H2SO4,3镍镉碱性蓄电池 负极(Cd)：Cd2e2OHCd(OH)2(氧化反应) 正极(NiO2)：NiO22H2O2eNi(OH)22OH(还原反应) 总反应式：CdNiO22H2OCd(OH)

15、2Ni(OH)2,4新一代绿色电池锂离子电池 特点：高能电池，电压高，质量轻，贮存时间长等。 用途：电脑、手表、心脏起搏器等。 说明：电池中含有汞、镉、铬、铅等大量毒性很强的重金属，随处丢弃会给土壤、水源等造成严重的污染，并通过食物链给人类的身体健康造成威胁和危害，另一方面，电池中的有色金属是宝贵的自然资源，如果能回收再利用，不仅可以减少对我们生存环境的破坏，而且也是对资源的节约。,案例精析 【例2】 蓄电池在放电时起原电池的作用，在充电时起电解池的作用。下面是爱迪生蓄电池分别在充电和放电时发生的反应： FeNiO22H2O Fe(OH)2Ni(OH)2 下列有关爱迪生蓄电池的推断错误的是 (

16、 ) A放电时，Fe是负极，NiO2是正极 B蓄电池的电极可以浸入某种酸性电解质溶液中 C充电时，阴极上的电极反应为：Fe(OH)22eFe2OH D放电时，电解质溶液中的阴离子向正极方向移动,解析 蓄电池放电时起原电池作用，原电池的负极是较活泼的金属，A正确。放电时，Fe是原电池的负极，Fe失电子被氧化成Fe2离子。由于负极Fe的附近聚集较多的Fe2离子，电解质溶液中的阴离子向负极移动，D不正确。充电时蓄电池起电解池作用，充电时电源的负极应与蓄电池的负极(Fe，此时作为电解池的阴极)相连接，发生还原反应：Fe(OH)22eFe2OH，C正确。,该蓄电池的放电和充电时的电极反应分别是： 放电：

17、负极Fe2e2OHFe(OH)2 正极：NiO22e2H2O(l)Ni(OH)22OH 充电：阴极Fe(OH)22eFe2OH 阳极：Ni(OH)22e2OHNiO22H2O(l) 可见反应是在碱性溶液中进行的，B不正确。 答案 BD 点评 蓄电池在放电时发生原电池反应，把化学能转变成电能。在充电时发生电解池反应，将电能转变为化学能。反应方程式的左右各物质互为反应物和生成物。,氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式为 H2NiO(OH) Ni(OH)2。根据此反应式判断，下列叙述中正确的是 ( ) A电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大

18、B电池放电时，镍元素被氧化 C电池充电时，氢元素被还原 D电池放电时，H2是负极,解析 放电时该装置作为原电池，氢元素由0价升高为1价，H2在负极反应，H原子失电子变成H离子，负极周围溶液的pH不断减小。镍元素由3价降低为2价，镍元素被还原。因此A、B不正确，D正确。充电时该装置作为电解池，氢元素由1价降低为0价，氢元素被还原，C正确。 答案 CD 点评 蓄电池充电时，电池的负极与电源的负极相连，电池的正极与电源的正极相连。即正正相接、负负相接。,燃料电池的特点：能量转化高，可持续使用，无噪音，不污染环境。 1氢氧燃料电池 氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料

19、一般为活性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。该电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，可用酸性电解质(如稀H2SO4)，也可用碱性电解质(如KOH溶液)。氢氧燃料电池的构造：,当用碱性电解质时，电极反应为： 负极：2H24OH4e4H2O(氧化反应) 正极：O22H2O4e4OH(还原反应) 总反应：2H2O22H2O,2甲烷燃料电池 该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，在两极上分别通甲烷和氧气： 负极：CH410OH8eCO 7H2O 正极：2O24H2O8e8OH 离子方程式为：CH42O22OHCO 3H2O 总反应方程式为： CH42O22KOHK2CO33H2O,3CH3

20、OH燃料电池 用导线相连的两个铂电极插入KOH溶液中，然后向两极分别通入CH3OH和O2，则发生了原电池反应。 负极：2CH3OH16OH12e2CO 12H2O 正极：3O26H2O12e12OH 离子方程式为： 2CH3OH3O24OH2CO 6H2O 总反应方程式为： 2CH3OH3O24KOH2K2CO36H2O,案例精析 【例3】 飞船上使用的氢氧燃料电池的两个电极均由多孔性碳制成。通入的气体由空隙中逸出，并在电极表面放电，总反应式为：2H2O22H2O (1)以KOH溶液为电解质构成燃料电池，则负极通入_，电极反应式为_， 正极通入_，电极反应式为_,(2)如把KOH溶液改为稀H2

21、SO4作电解质则电极反应为负极_，正极_。 (3)如把KOH溶液改为NaCl溶液作电解质则电极反应为负极_，正极_。 (4)飞船上宇航员的生活用水由燃料电池供给。已知电池每发1度电能生成350 g H2O。请根据反应：2H2(g)O2(g)2H2O(l) H572 kJ/mol 计算能量转化率。 (5)该电池输出电压为1.2 V，要使标示电压1.2 V、功率1.5 W的灯泡连续发光1 h，应消耗标准状况下的氢气体积为_L。,解析 根据原电池的反应原理，氢氧燃料电池总反应式为2H2O22H2O，因负极氧化，正极还原，即H2被氧化，通入H2的电极为负极；O2被还原，即通入O2的电极为正极，在碱性溶

22、液中H2失去电子生成的H要与OH反应，在酸性溶液中O2得电子生成的O2要与H反应，中性溶液中O2要与H2O反应。每生成350 gH2O放出的能量为(350 g/18 gmol1)(572 kJmol1/2)5561.1kJ能量转化率(3.6103 kJ/5561.11 kJ)100%64.73% 发光1 h消耗的电能：1.5 W3600 s5400 J；生成m(H2O)(5.4 kJ36 g)(572 kJmol164.73%)，V(H2)(5.4 kJ36 g22.4 Lmol1)(572 kJmol164.73%18 gmol1)0.654 L。,答案 (1)H2 2H24OH4e4H2O

23、 O2 O22H2O4e4OH (2)2H24e4H O24H4e2H2O (3)2H24e4H O22H2O4e4OH (4)64.73% (5)0.654,点评 原电池两极的判断：先分析电池反应中有关物质元素化合价的变化，确定原电池的正极和负极，然后根据两极所处介质分析其他指定物质的变化。书写电极反应时，要将总化学反应与正、负极反应联系在一起考虑，它们具有加和性：化学反应方程式正极反应负极反应。在原电池反应中，必须遵循得失电子守恒。介质参与电极反应的原则：原电池的两极反应若均在一定介质中进行，介质常常参与电极反应。在酸性介质中，H参与正极反应；在中性介质中，H2O参与正极反应；在碱性介质中

24、，OH参与负极反应。第(4)、(5)题考查内容涉及原电池、能量转换是化学和物理知识理科综合问题，对能力层次有较高要求。,燃料电池是使气体燃料氧化直接产生电流的装置，燃料电池的研究是本世纪最具挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池：一个电极通入空气，另一个电极通入丁烷，电池的电解质是掺杂了Y2O3(三氧化二钇)的ZrO2(二氧化锆)晶体，它在高温下能传导O2，试回答下列问题： (1)该电池放电时的化学反应方程式为：_。,(2)该燃料电池的电极反应式为： 正极：13O252e26O2 负极：2C4H1026O252e8CO210H2O 则固体电解质中的O2向_极移动。(填“正”或“负”) (

25、3)某金属的相对原子质量为52.00 ，用上述电池电解该金属的一种含氧酸盐的酸性水溶液时，阳极每放出3360 mL(标准状况)氧气，阴极析出金属10.4 g，在该含氧酸盐中金属的化合价为_，在该实验中，若不考虑能量的损失，电池中消耗丁烷的质量最少是_g。(结果精确至0.01 g),解析 (1)2C4H1013O 8CO210H2O；(2)根据电极反应式可知，氧离子由正极移向负极；(3)设金属的化合价为x，则根据得失电子守恒关系可得：4 x，所以可得x3，故此过程中转移的电子的物质的量为0.6 mol，所以消耗的丁烷的质量为1.34 g。 答案 (1)2C4H1013O28CO210H2O (2

26、)负 (3)3；1.34,1电池电极反应式的书写方法 书写电极反应式前，我们应首先明确电池的正负极、电极材料和电解质溶液的性质，对于二次电池还要注意放电或充电的方向。 (1)电极的判断 对于普通电池，我们通常比较两个电极的金属活动性，通常金属活动性强的电极为电池的负极，金属活动性弱的电极或非金属(通常为石墨)为电池的正极。,对于燃料电池，两个电极的材料通常相同，所以从电极材料上很难判断电池的正负极。判断电池正负极的方法，通常是利用电池总反应式，含化合价升高元素的反应物为电池的负极反应物，此电极为负极；含化合价降低元素的反应物通常为电池的正极反应物，此电极为电池的正极。 (2)电极反应书写步骤

27、例如，铅蓄电池其总反应式为： PbO2(s)Pb(s)2H2SO4(aq) 2PbSO4(s)2H2O(l) 其电极反应式的书写步骤为：放电时，为原电池原理，总反应式中已指明放电方向从左向右的过程，即可逆符号左边为反应物，右边为生成物。,由化合价的升降判断负、正极的反应物 负极：Pb 正极： PbO2 主产物 负极：PbSO4 正极：PbSO4 由化合价升降确定电子得失的数目 负极：2e 正极：2e 电极反应关系式 负极：Pb2ePbSO4 正极：PbO22ePbSO4 考虑电解质溶液，再利用电荷守恒、质量守恒调整反应式 负极：Pb2eSO42-PbSO4 正极：PbO22e4HSO42-PbSO42H2O,充电时，是总反应式的逆向过程，氧化剂、还原剂都为PbSO4 分析反应过程 阴极(发生还原反应或与外电源负极相连)反应过程：PbSO4 阳极(发生氧化反应或与外电源正极相连)反应过程：PbSO4 充电时电极反应 阴极：PbSO42ePbSO 阳极：PbSO42H2O2ePbO24HSO,2常见的一次电池 常见的一次电池,3.常见的二次电池 常见的二次电池,4.常见的燃料电池 常见的燃料电池,