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第四章 化學反應與電能
第一節 原電池 課時2
1.了解常見的化學電源，能運用原電池思維模型分析其工作原理，能用電極反應表示其中發生的化學反應；
2.了解廢舊電池對環境的危害；
3.了解化學電源的發展史，能列舉常見的化學電源。
根據原電池原理，設計和生產的種類繁多的化學電源在生活、生產和科研中得到了廣泛的應用。化學電源有哪些優點呢？
①能量轉換效率高，供能穩定可靠。
②可以制成各種形狀和大小、不同容量
和電壓的電池和電池組，使用方便。
③易維護，可在各種環境下工作。
煤氣灶一般使用一號電池，而遙控器常用七號電池，市面上很多
不同型號、不同款式的電池，怎樣選擇優質電池呢？
① 比能量—電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少
② 比功率—電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小
③ 電池的可儲存時間的長短
［單位：(w·h/kg)，(w·h/L)］
［單位：（W/kg，W/L)］
除特殊情況外，質量輕、體積小、輸出功率大、儲存時間長的電池，更易滿足使用者要求。
一、化學電源
1.一次電池
放電后不可再充電的電池，也叫干電池。
堿性鋅錳電池的
構造示意圖
(1)組成:
正極:　　　　;負極:　　;電解質:　　　　。
(2)工作原理:
負極反應:　　　　　　　　　　　　　　　　　;
正極反應:　 ;
總反應 : Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2。
MnO2
Zn
KOH
Zn+2OH--2e-==Zn(OH)2
2MnO2+2e-+2H2O==2MnO(OH)+2OH-
堿性鋅錳電池
(1)組成:正極:　　　;負極:　　;電解質:　　　。
PbO2　
Pb
H2SO4
2.二次電池
放電后可以再充電而反復使用的電池，又稱可充電電池或蓄電池。
(2)工作機制
化學能
電能
放電
充電電池中能量的轉化關系：
鉛酸蓄電池
優點：電壓穩定、使用方便、安全可靠、價格低廉。
缺點：比能量低、笨重、廢棄電池污染環境。
——用于電動自行車、汽車、發電站等。
充電
(3)工作原理:
鉛酸蓄電池是最常見的二次電池,其電極反應分為放電和充電兩個過程。
①放電過程的電極反應、總反應:
負極:　 ;
正極:　 ;
總反應:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O。
②充電過程的電極反應、總反應:
陰極:　　　　　　　　　　　　　　　　　(還原反應);
陽極:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(氧化反應);
總反應:2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4。
[思考] 鉛酸蓄電池在放電一段時間后,正極、負極的質量將如何變化
鉛酸蓄電池放電時,正極部分PbO2變為PbSO4,質量變大;負極部分Pb變為PbSO4,質量也變大。
③充電時電極反應式與放電時電極反應式相反,所以可以把上述反應寫成一個可逆反應式：
負極： ；
正極： 。
總反應表示為：__________________________。
用途：便攜式電子設備(智能手機、筆記本電腦等)、交通工具(電動汽車、電動自行車等)和大型儲能電站
LixCy-xe-=xLi++Cy
Li1-xCoO2 +xLi+ + xe-= LiCoO2
負極:Li(嵌鋰石墨),正極：LiCoO2(鈷酸鋰);電解質溶液為LiPF6(六氟磷酸鋰)的碳酸酯溶液（無水）
LixCy+ Li1-xCoO2 = LiCoO2+Cy
優點：質量小、體積小、儲存和輸出能量大
鋰電池
1.危害:廢舊電池中常含有重金屬、酸和堿等物質,如隨意丟棄,會對生態環境和人體健康造成危害。
[廢舊電池的危害與處理]
2.處理方法:回收處理。
3.燃料電池
電池的電極本身不包含活性物質,只是一個催化轉化元件。
工作時,燃料和氧化劑連續地由外部供給,在電極上不斷地進行反應,生成物不斷地被排除,于是電池就連續不斷地提供電能。
有清潔、能量轉換率高的特點。
可供選擇的燃料很多，如:氫氣、烴類、肼、甲醇、氨、煤氣等液態或氣態的燃料。
一種連續將燃料和氧化劑的化學能直接轉換成電能的化學電池。
正極: O2 + 4H+ + 4e-＝2H2O ;
正極: O2 + 2H2O ＋4e-＝4OH- ;
負極: 2H2+4OH- －4e-＝4H2O
負極: 2H2 - 4e-＝4H+
總(電池)反應：2H2 + O2＝2H2O
②堿性條件下工作原理：
總(電池)反應：2H2 + O2＝2H2O
①酸性條件下工作原理：
氫氧燃料電池
——一種高效低污染的新型電池
介質 電池反應： 2H2 +O2= 2H2O
負極
正極
負極
正極
2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O
O2 + 4e-= 2O2－
2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
③固體燃料電池
[思考]Ⅰ.原電池的電極材料都必須是金屬嗎 正極、負極材料可以是同一種導電物質嗎
原電池的電極材料可以是兩種活動性不同的金屬,也可以是一種金屬與一種可導電的惰性材料(如石墨)。在燃料電池中,電極本身均不發生反應,故兩極均可用惰性材料,如Pt電極。
Ⅱ.燃料電池的兩電極反應有何特點
兩個電極均為惰性電極,本身不參與反應。在反應中燃料一般表現為失去電子,通入負極。常用的氧化劑是氧氣,在反應中表現為得到電子,通入正極。
[燃料電池的規律]
①燃料做負極，助燃劑氧氣為正極
②電極材料一般不參加化學反應，只起傳導電子的作用。
③能量轉化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利于節約能源。
燃料電池與前幾種電池的差別：
①氧化劑與還原劑在工作時不斷補充；
②反應產物不斷排出
1.堿性鋅錳電池、鉛酸蓄電池、鋰離子電池都屬于二次電池。 (　　)
2.二次電池充電時,化學能轉化為電能。 (　　)
3.二次電池充電時發生的反應不能自發進行。 (　　)
4.某些導電非金屬單質、某些導電金屬氧化物都可作原電池的電極。 (　　)
5.燃料電池工作時需要點燃條件才可發生。 (　　)
6.燃料電池的燃料可以是氫氣、烴、甲醇、氨等物質。 (　　)
[練一練] 判斷正誤
其他燃料電池
在燃料電池中,電解質溶液參與電極反應,電解質酸堿性的改變,會引起電極反應的變化,但不影響燃料及O2的性質。
電極反應在遵守質量守恒定律、電荷守恒、電子得失守恒的同時,還要特別考慮電解質溶液是否參與反應。
(1)甲烷燃料電池（電解質:KOH）
正極（通O2）：
負極（通CH4）：
總反應：
2O2+4H2O+8e－===8OH－
CH4+2O2+2KOH===K2CO3+3H2O
(2)甲醇燃料電池（電解質：KOH）
正極：
負極：
總反應：
3O2+6H2O+12e－===12OH－
(3)肼燃料電池（電解質：KOH）
正極：
負極：
總反應：
O2+2H2O+4e－===4OH－
(4)熔融鹽燃料電池
熔融鹽燃料電池具有較高的發電效率,因而受到重視。可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質,CO為負極反應物,空氣與CO2的混合氣為正極反應物,制得在650 ℃下工作的燃料電池。有關的電池反應式為:
正極：
負極：
總反應：
2CO+O2===2CO2
二、書寫燃料電池電極反應式和總反應式
[書寫步驟]
1.寫出燃燒反應的化學方程式；
2.根據電解液改寫燃料電池總反應；
3.寫出正極的電極反應式(一般較簡單);
4.由燃料電池總反應式減去正極的電極反應式得到負極的電極反應式。
[注意事項]
1．電極反應是一種離子反應，遵循書寫離子反應的所有規則；
2．將兩極反應的電子得失數配平后，相加得到總反應，總反應減去一極反應即得到另一極反應；
3．負極失電子所得氧化產物和正極得電子所得還原產物，與溶液的酸堿性有關(如＋4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32-形式存在)；
4．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它與H＋結合成H2O、在堿性或中性溶液中它與水結合成OH-。
1.下列幾種化學電池中,不屬于可充電電池的是(　　)
A.堿性鋅錳電池
B.手機用鋰離子電池
C.汽車用鉛酸蓄電池
D.玩具用鎳氫電池
A
[練一練]
2.在堿性鋅錳電池中,已知氫氧化鉀為電解質,發生的電池總反應為Zn+2MnO2+2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2。下列有關該電池的電極反應式的書寫正確的是(　　)
A.負極反應式為Zn-2e-=Zn2+
B.負極反應式為Zn+2H2O-2e-=Zn(OH)2+2H+
C.正極反應式為2MnO2+2H++2e-=2MnO(OH)
D.正極反應式為2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-
D
3.一種熔融碳酸鹽燃料電池原理示意圖如下。下列有關該電池的說法正確的是(　　)
D
化學電源
一次電池
二次電池
燃料電池
電極方程式的書寫
廢電池回收利用
堿性鋅錳電池
鉛酸蓄電池
氫氧燃料電池
寫出燃燒反應的化學方程式
根據電解液改寫燃料電池總反應
寫出正極的電極反應式
由燃料電池總反應式減去正極的
電極反應式得到負極的電極反應式

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